Elektryczność i czujniki

Wszystkie materiały składają się z maleńkich cząsteczek zwanych atomami. Atomy składają się z jeszcze mniejszych cząstek zwanych protonami, neutronami i elektronami. Protony znajdujące się w atomie mają ładunek dodatni, a elektrony mają ładunek ujemny. Ładunki te równoważą się, dając atomowi ogólny ładunek neutralny.

Prądy elektryczne

Elektryczność może przejawiać się jako przepływ elektronów lub ładunków. Przepływ elektronów lub ładunków jest znany jako prąd elektryczny.

Obwód elektryczny będzie miał luźno trzymane elektrony wzdłuż całej jego drogi. Kiedy energia elektryczna jest dostarczana w obwodzie, pole elektryczne jest ustawione, powodując przepływ elektronów w obwodzie na raz, jak woda płynąca w rurze lub wężu.

Obwody elektryczne

Sztuczne czujniki są oparte na obwodach elektrycznych. Obwody elektryczne składają się z określonych elementów elektrycznych, źródła zasilania i przewodów łączących, i mogą przełączać lub zmieniać natężenie prądu elektrycznego. Przepływ ładunków elektrycznych w obwodzie jest kontrolowany przez przewodność elektryczną użytego materiału, komponentów i konstrukcji obwodu. Obwód może być zaprojektowany tak, aby umożliwić różne ilości ładunków elektrycznych do przepływu w różnych częściach obwodu, więc części obwodu mogą mieć różne, ale współdziałające zadania.

Elektronika jest wykorzystanie małych elementów, takich jak urządzenia półprzewodnikowe w obwodach elektrycznych do kontroli przepływu ładunków elektrycznych lub wykonywania funkcji. Odbywa się to poprzez zwiększenie lub zmniejszenie natężenia prądu lub poprzez całkowite zatrzymanie przepływu. Większość urządzeń elektrycznych wykorzystuje elektronikę – od prostego przełącznika, który włącza światło, gdy robi się ciemno, do złożonego obwodu, który ma wiele zadań do wykonania, takich jak te znajdujące się wewnątrz pralek lub robotów.

Przewodnictwo

Gdy ładunki elektryczne przepływają przez coś, nazywamy to przewodnictwem elektrycznym. Substancja, przez którą przepływają ładunki elektryczne, nazywana jest przewodnikiem.

Różne materiały mają różną przewodność elektryczną. Jest to miara tego, jak łatwo jest dla prądu elektrycznego przejść przez materiał. Odwrotnością przewodności jest rezystywność – jak trudno jest ładunkowi elektrycznemu poruszać się przez materiał.

Niektóre materiały, takie jak metale, mają luźno trzymane elektrony w swojej strukturze atomowej, które pozwalają ładunkom elektrycznym łatwo przepływać i dlatego są bardzo przydatne jako przewody łączące różne elementy w obwodzie. Metal miedziany jest przykładem dobrego przewodnika i jest często używany jako przewody łączące.

Substancje, które nie pozwalają na przepływ ładunków elektrycznych nazywane są izolatorami. Na przykład guma, plastik i powietrze są słabymi przewodnikami i dlatego są użyteczne jako izolatory blokujące przepływ ładunków elektrycznych.

Inne materiały o właściwościach przewodzących, które znajdują się pomiędzy dobrymi przewodnikami a izolatorami, takie jak krzem, nazywane są półprzewodnikami. Ich przewodność elektryczna może być zmieniona przez rodzaj atomów używanych do domieszkowania ich zanieczyszczeniami. Elementy półprzewodnikowe, takie jak diody i tranzystory, mogą zmieniać swoją zdolność do przewodzenia ładunków w zależności od pewnych warunków, takich jak napięcie. To sprawia, że półprzewodniki są przydatne jako czujniki i przełączniki, które reagują na zmiany warunków fizycznych.

Na przykład czujnik ciepła zwany termistorem zmienia swoją zdolność do umożliwienia przepływu ładunków elektrycznych przez niego w odpowiedzi na temperaturę. Umieszczając termistor w obwodzie elektrycznym, prąd może być włączony lub wyłączony w innej części obwodu, np. wyłączenie grzejnika, jeśli powietrze staje się zbyt gorące. Tak jak czujniki w ludzkiej skórze wysyłają impulsy do mózgu, gdzie informacje są analizowane i odczuwamy ciepło lub zimno, tak w maszynach elektronika jest wykorzystywana do analizowania warunków fizycznych, które są wykrywane poprzez zmiany w prądzie elektrycznym.

Jak działają czujniki?

Czujniki reagują na zmieniające się warunki fizyczne poprzez zmianę swoich właściwości elektrycznych. Dlatego większość sztucznych czujników opiera się na systemach elektronicznych, aby przechwytywać, analizować i przekazywać informacje o środowisku. Te systemy elektroniczne opierają się na tych samych zasadach, co obwody elektryczne, więc zdolność do kontrolowania przepływu energii elektrycznej jest bardzo ważna.

W uproszczeniu, czujnik przekształca bodźce takie jak ciepło, światło, dźwięk i ruch w sygnały elektryczne. Sygnały te przechodzą przez interfejs, który przekształca je w kod binarny i przekazuje do komputera w celu przetworzenia.

Wiele czujników działa jak przełącznik, kontrolując przepływ ładunków elektrycznych przez obwód. Przełączniki są ważną częścią elektroniki, ponieważ zmieniają stan obwodu. Komponenty czujników, takie jak układy scalone (chipy), tranzystory i diody zawierają materiał półprzewodnikowy i są włączone do obwodów czujników, aby działały jako przełączniki. Na przykład tranzystor działa poprzez wykorzystanie małego prądu elektrycznego w jednej części obwodu do włączenia dużego prądu elektrycznego w innej części obwodu.

Czujniki aktywne i pasywne

Większość czujników wykorzystuje promieniowanie, takie jak światło lub laser, fale podczerwone lub inne fale, takie jak fale ultradźwiękowe, do wykrywania obiektów i zmian w ich otoczeniu. Mogą to robić dzięki umieszczeniu wewnątrz nich źródła energii, które umożliwia im emitowanie promieniowania w kierunku obiektu docelowego. Promieniowanie to jest odbijane z powrotem przez obiekt i wykrywane przez czujnik – nazywa się to czujnikiem aktywnym, na przykład w zastosowaniu radaru.

Czujniki pasywne nie wysyłają własnego promieniowania lub fal – wykrywają promieniowanie, które jest emitowane przez ich obiekty docelowe, takie jak ciepło lub termiczne promieniowanie podczerwone, lub wykrywają promieniowanie z jakiegoś zewnętrznego źródła, takiego jak Słońce, które jest odbijane od obiektów. Przykładem jest termistor do elektronicznego pomiaru temperatury.

Wartością w stosowaniu czujników jest to, że są one nieinwazyjne i zdolne do wykrywania na odległość. Zarówno aktywne jak i pasywne czujniki mogą być montowane na satelitach krążących wokół Ziemi w celu przechwytywania informacji o naszym środowisku. Promieniowanie lub fale lub inne zjawiska fizyczne wykryte przez czujniki są przekształcane w sygnały elektryczne i przetwarzane przez komputery.

MARVIN robot jest wyposażony w aktywne czujniki, takie jak czujniki podczerwieni, czujniki ultradźwiękowe i czujniki laserowe. Czujnik licznika, który określa odległość, na jaką porusza się MARVIN, jest czujnikiem pasywnym.

.