Elektriciteit en sensoren

Alle materialen zijn opgebouwd uit piepkleine deeltjes die atomen worden genoemd. Atomen zijn opgebouwd uit nog kleinere deeltjes die protonen, neutronen en elektronen worden genoemd. De protonen in het atoom hebben een positieve lading en de elektronen hebben een negatieve lading. Deze ladingen houden elkaar in evenwicht, waardoor het atoom een totale neutrale lading heeft.

Elektrische stromen

Elektriciteit kan zich manifesteren als een stroom van elektronen of ladingen. De stroom van elektronen of ladingen staat bekend als elektrische stroom.

Een elektrische stroomkring zal langs het hele traject losjes vastgehouden elektronen hebben. Wanneer elektrische energie in de stroomkring wordt gebracht, ontstaat een elektrisch veld, waardoor deze elektronen in de stroomkring allemaal tegelijk gaan stromen, zoals water in een pijp of slang stroomt.

Elektrische schakelingen

Kunstmatige sensoren zijn gebaseerd op elektrische schakelingen. Elektrische schakelingen bestaan uit specifieke elektrische componenten, een voedingsbron en verbindingsdraden, en zij kunnen een elektrische stroom schakelen of veranderen. De stroom van elektrische ladingen in een stroomkring wordt geregeld door de elektrische geleidbaarheid van het gebruikte materiaal, de componenten en het ontwerp van de stroomkring. Een schakeling kan zo worden ontworpen dat verschillende hoeveelheden elektrische ladingen in verschillende delen van de schakeling kunnen stromen, zodat delen van de schakeling verschillende maar op elkaar inwerkende functies kunnen hebben.

Elektronica is het gebruik van kleine componenten zoals halfgeleiderelementen in elektrische schakelingen om de stroom van elektrische ladingen te regelen of een functie uit te voeren. Dit gebeurt door de stroom te vergroten of te verkleinen of door de stroom helemaal te stoppen. De meeste elektrische apparaten maken gebruik van elektronica – van een eenvoudige schakelaar die een licht aandoet als het donker wordt, tot een complexe schakeling die vele taken moet uitvoeren, zoals die in wasmachines of robots.

Geleidbaarheid

Wanneer elektrische ladingen door iets stromen, noemen we dit elektrische geleiding. De stof waar de elektrische ladingen doorheen stromen, noemen we een geleider.

Verschillende materialen hebben verschillende elektrische geleidingscoëfficiënten. Dit is een maat voor hoe gemakkelijk elektrische stroom door het materiaal kan gaan. Het omgekeerde van geleiding is weerstandsvermogen – hoe moeilijk het is voor een elektrische lading om zich door een materiaal te verplaatsen.

Sommige materialen, zoals metalen, hebben losjes vastgehouden elektronen in hun atomaire structuur, waardoor elektrische ladingen gemakkelijk kunnen stromen en zijn daarom zeer nuttig als draden die de verschillende componenten in een schakeling met elkaar verbinden. Koper metaal is een voorbeeld van een goede geleider en wordt vaak gebruikt als verbindingsdraden.

Stoffen die de stroom van elektrische ladingen niet toelaten worden isolatoren genoemd. Bijvoorbeeld rubber, plastic en lucht zijn slechte geleiders en zijn daarom nuttig als isolatoren om de stroom van elektrische ladingen te blokkeren.

Andere materialen met geleidende eigenschappen die tussen goede geleiders en isolatoren in zitten, zoals silicium, worden halfgeleiders genoemd. Hun elektrisch geleidingsvermogen kan worden gewijzigd door het soort atomen dat wordt gebruikt om ze met onzuiverheden te doteren. Halfgeleidercomponenten zoals diodes en transistors kunnen hun vermogen om ladingen te geleiden veranderen afhankelijk van bepaalde voorwaarden zoals spanning. Dit maakt halfgeleiders nuttig als sensoren en schakelaars die reageren op de veranderingen in fysische omstandigheden.

Bij voorbeeld, een warmtesensor genaamd een thermistor verandert zijn vermogen om elektrische ladingen er doorheen te laten stromen in reactie op de temperatuur. Door een thermistor in een elektrisch circuit te plaatsen, kan de stroom in een ander deel van het circuit worden in- of uitgeschakeld, zoals het uitschakelen van een verwarming als de lucht te warm wordt. Net zoals sensoren in de menselijke huid impulsen naar de hersenen sturen, waar de informatie wordt geanalyseerd en we warm of koud aanvoelen, wordt in machines elektronica gebruikt om de fysieke omstandigheden die worden waargenomen te analyseren via veranderingen in de elektrische stroom.

Hoe werken sensoren?

Sensoren reageren op veranderende fysieke omstandigheden door hun elektrische eigenschappen te veranderen. De meeste kunstmatige sensoren berusten dus op elektronische systemen om informatie over de omgeving op te vangen, te analyseren en door te geven. Deze elektronische systemen berusten op dezelfde principes als elektrische circuits om te werken, zodat het vermogen om de stroom van elektrische energie te beheersen zeer belangrijk is.

Eenvoudig gezegd zet een sensor prikkels zoals warmte, licht, geluid en beweging om in elektrische signalen. Deze signalen worden door een interface geleid die ze omzet in een binaire code en deze doorgeeft aan een computer om te worden verwerkt.

Veel sensoren fungeren als een schakelaar, die de stroom van elektrische ladingen door het circuit regelt. Schakelaars zijn een belangrijk onderdeel van de elektronica, omdat zij de toestand van de schakeling veranderen. Onderdelen van sensoren zoals geïntegreerde schakelingen (chips), transistors en diodes bevatten allemaal halfgeleidend materiaal en worden in de sensorschakelingen opgenomen zodat ze als schakelaars werken. Een transistor werkt bijvoorbeeld door een kleine elektrische stroom in een deel van de schakeling te gebruiken om een grote elektrische stroom in een ander deel van de schakeling in te schakelen.

Actieve en passieve sensoren

De meeste sensoren gebruiken straling zoals licht of laser, infrarode radiogolven of andere golven zoals ultrasone golven om voorwerpen en veranderingen in hun omgeving te detecteren. Zij kunnen dit doen door een energiebron in zich te hebben die hen in staat stelt de straling naar hun doelobject uit te zenden. Deze straling wordt door het voorwerp teruggekaatst en door de sensor gedetecteerd – dit wordt een actieve sensor genoemd, bijvoorbeeld bij het gebruik van radar.

Passieve sensoren zenden hun eigen straling of golven niet uit – zij detecteren straling die door hun doelvoorwerpen wordt uitgezonden, zoals warmte of thermische infraroodstraling, of zij detecteren straling van een of andere externe bron, zoals de zon, die door de voorwerpen wordt weerkaatst. Een voorbeeld is een thermistor voor het elektronisch meten van de temperatuur.

De waarde van het gebruik van sensoren is dat zij niet opdringerig zijn en op afstand kunnen waarnemen. Zowel actieve als passieve sensoren kunnen op satellieten in een baan om de aarde worden gemonteerd om informatie over onze omgeving vast te leggen. De straling of golven of andere fysische verschijnselen die door de sensoren worden waargenomen, worden omgezet in elektrische signalen en door computers verwerkt.

MARVIN de robot is uitgerust met actieve sensoren zoals infraroodsensoren, ultrasone sensoren en lasersensoren. De tellersensor die de afstand bepaalt die MARVIN aflegt, is een passieve sensor.