Elektricitet och sensorer

Alla material består av små partiklar som kallas atomer. Atomer består av ännu mindre partiklar som kallas protoner, neutroner och elektroner. Protonerna som finns i atomen har en positiv laddning och elektronerna har en negativ laddning. Dessa laddningar balanserar varandra och ger atomen en övergripande neutral laddning.

Elektriska strömmar

Elektricitet kan manifesteras som ett flöde av elektroner eller laddningar. Flödet av elektroner eller laddningar kallas elektrisk ström.

En elektrisk krets kommer att ha löst hållna elektroner längs hela sin väg. När elektrisk energi tillförs i kretsen skapas ett elektriskt fält, vilket gör att dessa elektroner i kretsen flödar på en gång som vatten som rinner i ett rör eller en slang.

Elektriska kretsar

Konstgjorda sensorer är baserade på elektriska kretsar. Elektriska kretsar består av specifika elektriska komponenter, en strömkälla och anslutningskablar, och de kan koppla om eller ändra en elektrisk ström. Flödet av elektriska laddningar i en krets styrs av den elektriska ledningsförmågan hos det material som används, komponenterna och kretsens utformning. En krets kan utformas så att olika mängder elektriska laddningar kan flöda i olika delar av kretsen, så att delar av kretsen kan ha olika men samverkande uppgifter.

Elektronik är användningen av små komponenter, t.ex. halvledarenheter, i elektriska kretsar för att styra flödet av elektriska laddningar eller utföra en funktion. Detta görs genom att öka eller minska strömmen eller genom att stoppa flödet helt och hållet. De flesta elektriska apparater använder elektronik – från en enkel strömbrytare som tänder en lampa när det blir mörkt, till en komplex krets som har många uppgifter att utföra, t.ex. den som finns inuti tvättmaskiner eller robotar.

Ledningsförmåga

När elektriska laddningar flödar genom något kallar vi detta för elektrisk ledning. Ämnet som de elektriska laddningarna flödar genom kallas för en ledare.

Olika material har olika elektrisk ledningsförmåga. Detta är ett mått på hur lätt det är för elektrisk ström att passera genom materialet. Motsatsen till ledningsförmåga är resistivitet – hur svårt det är för en elektrisk laddning att röra sig genom ett material.

Vissa material, t.ex. metaller, har löst hållna elektroner i sin atomstruktur, vilket gör att elektriska laddningar lätt kan flöda och är därför mycket användbara som ledningar som förbinder de olika komponenterna i en krets. Kopparmetall är ett exempel på en god ledare och används ofta som förbindelsestrådar.

Stoffer som inte tillåter flödet av elektriska laddningar kallas isolatorer. Exempelvis gummi, plast och luft är dåliga ledare och är därför användbara som isolatorer för att blockera flödet av elektriska laddningar.

Andra material med ledande egenskaper som ligger mellan goda ledare och isolatorer, till exempel kisel, kallas halvledare. Deras elektriska ledningsförmåga kan förändras genom den typ av atomer som används för att dopning med föroreningar. Halvledarkomponenter som dioder och transistorer kan ändra sin förmåga att leda laddningar beroende på vissa förhållanden, t.ex. spänning. Detta gör halvledare användbara som sensorer och brytare som reagerar på förändringar i fysiska förhållanden.

En värmesensor som kallas termistor ändrar till exempel sin förmåga att tillåta flödet av elektriska laddningar genom den som svar på temperaturen. Genom att placera en termistor i en elektrisk krets kan strömmen slås på eller stängas av i en annan del av kretsen, till exempel genom att stänga av en värmare om luften blir för varm. Precis som sensorer i människans hud skickar impulser till hjärnan där informationen analyseras och vi känner att det är varmt eller kallt, används elektronik i maskiner för att analysera de fysiska förhållanden som avkänns genom förändringar i den elektriska strömmen.

Hur fungerar sensorer?

Sensorer reagerar på förändrade fysiska förhållanden genom att förändra sina elektriska egenskaper. De flesta artificiella sensorer är därför beroende av elektroniska system för att fånga, analysera och vidarebefordra information om miljön. Dessa elektroniska system bygger på samma principer som elektriska kretsar för att fungera, så förmågan att kontrollera flödet av elektrisk energi är mycket viktig.

Enklare uttryckt omvandlar en sensor stimuli som värme, ljus, ljud och rörelse till elektriska signaler. Dessa signaler passerar genom ett gränssnitt som omvandlar dem till en binär kod och vidarebefordrar den till en dator för bearbetning.

Många sensorer fungerar som en strömbrytare och styr flödet av elektriska laddningar genom kretsen. Växlar är en viktig del av elektronik eftersom de ändrar kretsens tillstånd. Komponenter i sensorer som integrerade kretsar (chip), transistorer och dioder innehåller alla halvledarmaterial och ingår i sensorkretsarna så att de fungerar som brytare. En transistor fungerar till exempel genom att en liten elektrisk ström i en del av kretsen används för att slå på en stor elektrisk ström i en annan del av kretsen.

Aktiva och passiva sensorer

De flesta sensorer använder sig av strålning, till exempel ljus eller laser, infraröda radiovågor eller andra vågor, till exempel ultraljudsvågor, för att detektera föremål och förändringar i sin omgivning. De kan göra detta genom att ha en energikälla inuti sig som gör det möjligt för dem att sända ut strålningen mot sitt målobjekt. Denna strålning reflekteras tillbaka av objektet och detekteras av sensorn – detta kallas en aktiv sensor, till exempel vid användning av radar.

Passiva sensorer sänder inte ut någon egen strålning eller vågor – de detekterar strålning som sänds ut av deras målobjekt, till exempel värme eller termisk infraröd strålning, eller de detekterar strålning från en extern källa, till exempel solen, som reflekteras av objekten. Ett exempel är en termistor för elektronisk temperaturmätning.

Värdet med att använda sensorer är att de inte är påträngande och kan känna av på avstånd. Både aktiva och passiva sensorer kan monteras på satelliter som kretsar runt jorden för att samla in information om vår miljö. Den strålning eller de vågor eller andra fysiska fenomen som sensorerna upptäcker omvandlas till elektriska signaler och bearbetas av datorer.

Roboten MARVIN är utrustad med aktiva sensorer såsom infraröda sensorer, ultraljudssensorer och lasersensorer. Den räknesensor som bestämmer avståndet MARVIN färdas är en passiv sensor.