Electricitate și senzori

Toate materialele sunt alcătuite din particule mici numite atomi. Atomii sunt compuși din particule și mai mici numite protoni, neutroni și electroni. Protonii care se găsesc în atom au o sarcină pozitivă, iar electronii au o sarcină negativă. Aceste sarcini se echilibrează reciproc, dând atomului o sarcină globală neutră.

Curanți electrici

Electricitatea se poate manifesta ca un flux de electroni sau de sarcini. Fluxul de electroni sau de sarcini este cunoscut sub numele de curent electric.

Un circuit electric va avea electroni reținuți liber de-a lungul întregului său traseu. Atunci când se furnizează energie electrică în circuit, se creează un câmp electric, ceea ce face ca acești electroni din circuit să curgă toți deodată, ca apa care curge într-o țeavă sau furtun.

Circuite electrice

Senzorii artificiali se bazează pe circuite electrice. Circuitele electrice sunt alcătuite din componente electrice specifice, o sursă de energie și fire de legătură și pot comuta sau modifica un curent electric. Fluxul de sarcini electrice într-un circuit este controlat de conductivitatea electrică a materialului utilizat, de componentele și de proiectarea circuitului. Un circuit poate fi proiectat pentru a permite ca diferite cantități de sarcini electrice să circule în diferite părți ale circuitului, astfel încât părțile circuitului pot avea sarcini diferite, dar care interacționează între ele.

Electronica este utilizarea componentelor mici, cum ar fi dispozitivele semiconductoare, în circuite electrice pentru a controla fluxul de sarcini electrice sau pentru a îndeplini o funcție. Acest lucru se face prin creșterea sau scăderea curentului sau prin oprirea totală a fluxului. Majoritatea dispozitivelor electrice utilizează electronica – de la un simplu întrerupător care aprinde o lumină atunci când se întunecă, până la un circuit complex care are multe sarcini de îndeplinit, cum ar fi cel care se găsește în interiorul mașinilor de spălat sau al roboților.

Conductivitate

Când sarcinile electrice circulă prin ceva, numim acest lucru conducție electrică. Substanța prin care circulă sarcinile electrice se numește conductor.

Diferite materiale au conductivități electrice diferite. Aceasta este o măsură a ușurinței cu care curentul electric trece prin material. Reversul conductivității este rezistivitatea – cât de greu este pentru o sarcină electrică să se deplaseze printr-un material.

Câteva materiale, cum ar fi metalele, au electroni slab reținuți în structura lor atomică, ceea ce permite ca sarcinile electrice să circule cu ușurință și, prin urmare, sunt foarte utile ca fire care conectează diferitele componente ale unui circuit. Metalul de cupru este un exemplu de bun conductor și este adesea folosit ca fire de legătură.

Substanțele care nu permit fluxul de sarcini electrice se numesc izolatori. De exemplu, cauciucul, plasticul și aerul sunt conductori slabi și, prin urmare, sunt utile ca izolatori pentru a bloca fluxul de sarcini electrice.

Alte materiale cu proprietăți conductive care se află între buni conductori și izolatori, cum ar fi siliciul, se numesc semiconductori. Conductivitatea lor electrică poate fi modificată prin tipul de atomi folosiți pentru doparea lor cu impurități. Componentele semiconductoare, cum ar fi diodele și tranzistorii, își pot schimba capacitatea de a conduce sarcini în funcție de anumite condiții, cum ar fi tensiunea. Acest lucru face ca semiconductorii să fie utili ca senzori și întrerupătoare care răspund la modificările condițiilor fizice.

De exemplu, un senzor de căldură numit termistor își schimbă capacitatea de a permite fluxul de sarcini electrice prin el ca răspuns la temperatură. Prin plasarea unui termistor într-un circuit electric, curentul poate fi pornit sau oprit într-o altă parte a circuitului, cum ar fi oprirea unui încălzitor dacă aerul devine prea cald. La fel cum senzorii din pielea umană trimit impulsuri către creier, unde informația este analizată și simțim căldură sau frig, în mașini, electronica este folosită pentru a analiza condițiile fizice detectate prin modificări ale curentului electric.

Cum funcționează senzorii?

Senzorii reacționează la schimbarea condițiilor fizice prin modificarea proprietăților lor electrice. Astfel, majoritatea senzorilor artificiali se bazează pe sisteme electronice pentru a capta, analiza și transmite informații despre mediul înconjurător. Pentru a funcționa, aceste sisteme electronice se bazează pe aceleași principii ca și circuitele electrice, astfel încât capacitatea de a controla fluxul de energie electrică este foarte importantă.

Prin simplificare, un senzor convertește stimuli precum căldura, lumina, sunetul și mișcarea în semnale electrice. Aceste semnale sunt trecute printr-o interfață care le transformă într-un cod binar și îl transmite unui calculator pentru a fi procesat.

Mulți senzori acționează ca un comutator, controlând fluxul de sarcini electrice prin circuit. Comutatoarele sunt o parte importantă a electronicii, deoarece schimbă starea circuitului. Componentele senzorilor, cum ar fi circuitele integrate (cipuri), tranzistorii și diodele, toate conțin material semiconductor și sunt incluse în circuitele senzorilor astfel încât să acționeze ca întrerupătoare. De exemplu, un tranzistor funcționează prin utilizarea unui curent electric mic într-o parte a circuitului pentru a porni un curent electric mare într-o altă parte a circuitului.

Senzori activi și pasivi

Majoritatea senzorilor utilizează radiații, cum ar fi lumina sau laserul, undele infraroșii sau alte unde, cum ar fi undele ultrasonice, pentru a detecta obiecte și modificări în mediul lor. Ei pot face acest lucru având în interiorul lor o sursă de energie care le permite să emită radiația spre obiectul țintă. Această radiație este reflectată înapoi de către obiect și detectată de către senzor – acest lucru se numește senzor activ, de exemplu, în cazul utilizării radarului.

Senzorii pasivi nu emit propriile lor radiații sau unde – ei detectează radiațiile care sunt emise de obiectele lor țintă, cum ar fi căldura sau radiația termică în infraroșu, sau detectează radiațiile de la o sursă externă, cum ar fi Soarele, care sunt reflectate de obiecte. Un exemplu este un termistor pentru măsurarea electronică a temperaturii.

Valoarea utilizării senzorilor este că aceștia sunt neintruzivi și capabili să detecteze la distanță. Atât senzorii activi, cât și cei pasivi pot fi montați pe sateliți care orbitează în jurul Pământului pentru a capta informații despre mediul nostru înconjurător. Radiațiile sau undele sau alte fenomene fizice detectate de senzori sunt convertite în semnale electrice și procesate de calculatoare.

Robotul MARVIN este echipat cu senzori activi, cum ar fi senzori infraroșu, senzori cu ultrasunete și senzori laser. Contra-senzorul care determină distanța parcursă de MARVIN este un senzor pasiv.

.