Diferentes tipos de sensores y su funcionamiento.

La era de la automatización ya ha comenzado. La mayoría de las cosas que usamos ahora se pueden automatizar. Para diseñar dispositivos automatizados, primero necesitamos conocer los sensores, estos son los módulos / dispositivos que son útiles para hacer las cosas sin intervención humana. Incluso los móviles o smartphones que usamos a diario tendrán algunos sensores como sensor de pasillo, sensor de proximidad, acelerómetro, pantalla táctil, micrófono, etc. Estos sensores actúan como ojos, oídos, nariz de cualquier equipo eléctrico que detecta los parámetros del mundo exterior y da lecturas a dispositivos o microcontrolador.

¿Qué es un sensor?

El sensor se puede definir como un dispositivo que se puede utilizar para detectar / detectar la cantidad física como fuerza, presión, tensión, luz, etc. y luego convertirla en la salida deseada como la señal eléctrica para medir la cantidad física aplicada . En algunos casos, un sensor solo puede no ser suficiente para analizar la señal obtenida. En esos casos, se usa una unidad de acondicionamiento de señal para mantener los niveles de voltaje de salida del sensor en el rango deseado con respecto al dispositivo final que usamos.

En la unidad de acondicionamiento de señales, la salida del sensor puede amplificarse, filtrarse o modificarse al voltaje de salida deseado. Por ejemplo, si consideramos un micrófono, detecta la señal de audio y la convierte al voltaje de salida (expresado en milivoltios), lo que hace difícil controlar un circuito de salida. Entonces, se usa una unidad de acondicionamiento de señal (un amplificador) para aumentar la fuerza de la señal. Pero el acondicionamiento de la señal puede no ser necesario para todos los sensores como fotodiodo, LDR, etc.

La mayoría de los sensores no pueden funcionar de forma independiente. Por lo tanto, se le debe aplicar suficiente voltaje de entrada. Varios sensores tienen diferentes rangos de funcionamiento que deben tenerse en cuenta al trabajar con ellos, de lo contrario, el sensor puede dañarse permanentemente.

Tipos de sensores:

Veamos los distintos tipos de sensores que están disponibles en el mercado y analicemos su funcionalidad, funcionamiento, aplicaciones, etc. Analizaremos varios sensores como:

• Sensor de luz
  • Sensor de infrarrojos (transmisor de infrarrojos / LED de infrarrojos)
  • Fotodiodo (receptor de infrarrojos)
  • Resistencia dependiente de la luz
• Sensor de temperatura
  • Termistor
  • Par termoeléctrico
• Sensor de presión / fuerza / peso
  • Medidor de tensión (sensor de presión)
  • Células de carga (sensor de peso)
• Sensor de posición
  • Potenciómetro
  • Codificador
• Sensor de pasillo (detección de campo magnético)
• Sensor flexible
• Sensor de sonido
  • Micrófono
• Sensor ultrasónico
• Sensor tactil
• Sensor PIR
• Sensor de inclinación
  • Acelerómetro
• Sensor de gas

Necesitamos seleccionar el sensor deseado en función de nuestro proyecto o aplicación. Como se dijo anteriormente, para que funcionen, se debe aplicar el voltaje adecuado según sus especificaciones.

Veamos ahora el principio de funcionamiento de los distintos sensores y dónde se puede ver en nuestro día a día o en su aplicación.

LED IR:

También se le llama transmisor de infrarrojos. Se utiliza para emitir rayos infrarrojos. El rango de estas frecuencias es mayor que las frecuencias de microondas (es decir,> 300 GHz a unos pocos cientos de THz). Los rayos generados por un LED infrarrojo pueden detectarse mediante el fotodiodo que se explica a continuación. El par de LED IR y fotodiodo se llama sensor IR. Así es como funciona un sensor de infrarrojos.

Diodo de foto (sensor de luz):

Es un dispositivo semiconductor que se utiliza para detectar los rayos de luz y se utiliza principalmente como receptor de infrarrojos . Su construcción es similar al diodo de unión PN normal, pero el principio de funcionamiento difiere de él. Como sabemos, una unión PN permite pequeñas corrientes de fuga cuando tiene polarización inversa, por lo que esta propiedad se utiliza para detectar los rayos de luz. Se construye un fotodiodo de manera que los rayos de luz deben caer sobre la unión PN lo que hace que la corriente de fuga aumente en función de la intensidad de la luz que hemos aplicado. Entonces, de esta manera, se puede usar un fotodiodo para detectar los rayos de luz y mantener la corriente a través del circuito. Consulta aquí el funcionamiento del fotodiodo con sensor IR.

Usando un fotodiodo podemos construir una farola automática básica que se ilumina cuando la intensidad de la luz solar disminuye. Pero el fotodiodo funciona incluso si cae una pequeña cantidad de luz sobre él, por lo que se debe tener cuidado.

LDR (resistencia dependiente de la luz):

Como el propio nombre especifica que la resistencia que depende de la intensidad de la luz. Funciona según el principio de fotoconductividad que significa la conducción debida a la luz. Generalmente se compone de sulfuro de cadmio. Cuando la luz incide sobre el LDR, su resistencia disminuye y actúa de manera similar a un conductor y cuando no incide luz sobre él, su resistencia está casi en el rango de MΩ o idealmente actúa como un circuito abierto . Una nota que debe tenerse en cuenta con LDR es que no responderá si la luz no se enfoca exactamente en su superficie.

Con un circuito adecuado que utilice un transistor, se puede utilizar para detectar la disponibilidad de luz. Un transistor polarizado por divisor de voltaje con R2 (resistencia entre la base y el emisor) reemplazado por un LDR puede funcionar como detector de luz. Consulta aquí los distintos circuitos basados ​​en LDR.

Termistor (sensor de temperatura):

Se puede utilizar un termistor para detectar la variación de temperatura . Tiene un coeficiente de temperatura negativo que significa que cuando la temperatura aumenta, la resistencia disminuye. Por lo tanto, la resistencia del termistor se puede variar con el aumento de temperatura, lo que provoca que fluya más corriente a través de él. Este cambio en el flujo de corriente se puede utilizar para determinar la cantidad de cambio de temperatura. Una aplicación para termistor es, se utiliza para detectar el aumento de temperatura y controlar la corriente de fuga en un circuito de transistor que ayuda a mantener su estabilidad. Aquí hay una aplicación simple para que Thermistor controle el ventilador de CC automáticamente.

Termopar (sensor de temperatura):

Otro componente que puede detectar la variación de temperatura es un termopar. En su construcción, dos metales diferentes se unen para formar una unión. Su principio principal es que cuando la unión de dos metales diferentes se calienta o se expone a altas temperaturas, varía el potencial en sus terminales. Por lo tanto, el potencial variable se puede utilizar más para medir la cantidad de cambio de temperatura.

Medidor de tensión (sensor de presión / fuerza):

Se utiliza un medidor de tensión para detectar la presión cuando se aplica una carga . Funciona según el principio de resistencia, sabemos que la resistencia es directamente proporcional a la longitud del cable y es inversamente proporcional a su área de sección transversal (R = ρl / a). El mismo principio se puede utilizar aquí para medir la carga. En una placa flexible, se dispone un cable en forma de zig-zag como se muestra en la figura siguiente. Entonces, cuando se aplica presión a esa placa en particular, se dobla en una dirección que causa el cambio en la longitud total y el área de la sección transversal del cable. Esto conduce a un cambio en la resistencia del cable. La resistencia así obtenida es muy pequeña (pocos ohmios) que se puede determinar con la ayuda del puente de Wheatstone. La galga extensométrica se coloca en uno de los cuatro brazos en un puente con los valores restantes sin cambios. Por lo tanto,cuando se le aplica presión a medida que cambia la resistencia, la corriente que pasa a través del puente varía y se puede calcular la presión.

Los extensómetros se utilizan principalmente para calcular la cantidad de presión que puede soportar el ala de un avión y también se utilizan para medir la cantidad de vehículos permitidos en una carretera en particular, etc.

Célula de carga (sensor de peso):

Las células de carga son similares a las galgas extensiométricas que miden la cantidad física como fuerza y ​​dan la salida en forma de señales eléctricas. Cuando se aplica algo de tensión en la celda de carga, su estructura varía provocando el cambio en la resistencia y, finalmente, su valor se puede calibrar usando un puente de Wheatstone. Aquí está el proyecto sobre cómo medir el peso usando la celda de carga.

Potenciómetro:

Se utiliza un potenciómetro para detectar la posición . Generalmente tiene varios rangos de resistencias conectadas a diferentes polos del interruptor. Un potenciómetro puede ser de tipo rotativo o lineal. En el tipo giratorio, un limpiaparabrisas está conectado a un eje largo que se puede girar. Cuando el eje ha girado, la posición del limpiaparabrisas cambia de modo que la resistencia resultante varía y provoca el cambio en la tensión de salida. Por lo tanto, la salida se puede calibrar para detectar el cambio de posición.

Codificador:

Para detectar el cambio de posición también se puede utilizar un codificador. Tiene una estructura circular giratoria en forma de disco con aberturas específicas en el medio, de modo que cuando los rayos IR o los rayos de luz pasan a través de ella, solo se detectan unos pocos rayos de luz. Además, estos rayos se codifican en datos digitales (en términos binarios) que representan la posición específica.

Sensor de pasillo:

El propio nombre indica que es el sensor que trabaja en el efecto Hall. Puede definirse como cuando un campo magnético se acerca al conductor portador de corriente (perpendicular a la dirección del campo eléctrico) y luego se desarrolla una diferencia de potencial a través del conductor dado. Usando esta propiedad , se usa un sensor Hall para detectar el campo magnético y da salida en términos de voltaje. Se debe tener cuidado de que el sensor Hall pueda detectar solo un polo del imán.

El sensor de pasillo se usa en algunos teléfonos inteligentes que son útiles para apagar la pantalla cuando la tapa de la solapa (que tiene un imán) está cerrada sobre la pantalla. Aquí hay una aplicación práctica del sensor de efecto Hall en la alarma de puerta.

Sensor flexible:

Un sensor FLEX es un transductor que cambia su resistencia cuando cambia su forma o cuando se dobla . Un sensor FLEX mide 2.2 pulgadas de largo o la longitud de un dedo. Se muestra en la figura. Simplemente hablando, la resistencia del terminal del sensor aumenta cuando se dobla. Este cambio de resistencia no puede servir de nada a menos que podamos leerlos. El controlador en cuestión solo puede leer los cambios de voltaje y nada menos, para ello vamos a utilizar un circuito divisor de voltaje, con el que podemos derivar el cambio de resistencia como un cambio de voltaje. Aprenda aquí sobre cómo usar Flex Sensor.

Micrófono (sensor de sonido):

El micrófono se puede ver en todos los teléfonos inteligentes o móviles. Puede detectar la señal de audio y convertirla en señales eléctricas de pequeño voltaje (mV). Un micrófono puede ser de muchos tipos, como micrófono de condensador, micrófono de cristal, micrófono de carbono, etc., cada tipo de micrófono funciona con propiedades como capacitancia, efecto piezoeléctrico y resistencia, respectivamente. Veamos el funcionamiento de un micrófono de cristal que actúa sobre el efecto piezoeléctrico. Se utiliza un cristal bimorfo que bajo presión o vibraciones produce voltaje alterno proporcional. Un diafragma está conectado al cristal a través de un pin de transmisión de modo que cuando la señal de sonido golpea el diafragma, se mueve hacia adelante y hacia atrás,este movimiento cambia la posición de la clavija de impulsión que causa vibraciones en el cristal por lo que se genera un voltaje alterno con respecto a la señal de sonido aplicada. El voltaje obtenido se alimenta a un amplificador para aumentar la fuerza general de la señal. Aquí hay varios circuitos basados ​​en micrófono.

También puede convertir el valor del micrófono en decibelios usando algún microcontrolador como Arduino.

Sensor ultrasónico:

Ultrasónico no significa más que el rango de frecuencias. Su rango es mayor que el rango audible (> 20 kHz) por lo que incluso si está encendido no podemos sentir estas señales de sonido. Solo altavoces y receptores específicos pueden sentir esas ondas ultrasónicas. Este sensor ultrasónico se utiliza para calcular la distancia entre el transmisor ultrasónico y el objetivo y también se utiliza para medir la velocidad del objetivo .

El sensor ultrasónico HC-SR04 se puede utilizar para medir distancias en el rango de 2 cm a 400 cm con una precisión de 3 mm. Veamos cómo funciona este módulo. El módulo HCSR04 genera una vibración de sonido en rango ultrasónico cuando hacemos que el pin 'Trigger' sea alto durante aproximadamente 10us, lo que enviará una ráfaga sónica de 8 ciclos a la velocidad del sonido y, después de golpear el objeto, será recibido por el pin Echo. Dependiendo del tiempo que tarda la vibración del sonido en volver, proporciona la salida de pulso adecuada. Podemos calcular la distancia del objeto basándonos en el tiempo que tarda la onda ultrasónica en regresar al sensor. Obtenga más información sobre el sensor ultrasónico aquí.

Hay muchas aplicaciones con el sensor ultrasónico. Podemos hacer uso de él para evitar obstáculos para los autos automatizados, robots en movimiento, etc. El mismo principio se usará en el RADAR para detectar los misiles intrusos y los aviones. Un mosquito puede sentir los sonidos ultrasónicos. Por lo tanto, las ondas ultrasónicas se pueden utilizar como repelente de mosquitos.

Sensor tactil:

En esta generación, podemos decir que casi todos están usando teléfonos inteligentes que tienen pantalla ancha y también una pantalla que puede sentir nuestro tacto. Entonces, veamos cómo funciona esta pantalla táctil. Básicamente, existen dos tipos de sensores táctiles con base resistiva y una pantalla táctil con base capacitiva . Conozcamos brevemente el funcionamiento de estos sensores.

La pantalla táctil resistiva tiene una lámina resistiva en la base y una lámina conductora debajo de la pantalla, ambas separadas por un espacio de aire con un pequeño voltaje aplicado a las láminas. Cuando presionamos o tocamos la pantalla, la lámina conductora toca la lámina resistiva en ese punto, lo que provoca un flujo de corriente en ese punto en particular, el software detecta la ubicación y se realiza la acción relevante.

Mientras que el tacto capacitivo actúa sobre la carga electrostática que está disponible en nuestro cuerpo. La pantalla ya está cargada con todo el campo eléctrico. Cuando tocamos la pantalla se forma un circuito cerrado debido a la carga electrostática que fluye a través de nuestro cuerpo. Además, el software decide la ubicación y la acción a realizar. Podemos observar que la pantalla táctil capacitiva no funciona cuando se usan guantes de mano porque no habrá conducción entre los dedos y la pantalla.

Sensor PIR:

Sensor PIR significa sensor de infrarrojos pasivos. Se utilizan para detectar el movimiento de seres humanos, animales o cosas. Sabemos que los rayos infrarrojos tienen la propiedad de reflejarse. Cuando un rayo infrarrojo golpea un objeto, dependiendo de la temperatura del objetivo, las propiedades del rayo infrarrojo cambian, esta señal recibida determina el movimiento de los objetos o los seres vivos. Incluso si la forma del objeto cambia, las propiedades de los rayos infrarrojos reflejados pueden diferenciar los objetos con precisión. Aquí está el sensor PIR o de trabajo completo.

Acelerómetro (sensor de inclinación):

Un sensor de acelerómetro puede detectar la inclinación o el movimiento del mismo en una dirección particular . Funciona en función de la fuerza de aceleración provocada por la gravedad terrestre. Sus diminutas partes internas son tan sensibles que reaccionarán a un pequeño cambio externo de posición. Tiene un cristal piezoeléctrico cuando se inclina provoca una perturbación en el cristal y genera un potencial que determina la posición exacta con respecto a los ejes X, Y y Z.

Estos se ven comúnmente en móviles y portátiles para evitar la rotura de los cables de los procesadores. Cuando el dispositivo cae, el acelerómetro detecta la condición de caída y realiza la acción respectiva basada en el software. Aquí hay algunos proyectos que utilizan acelerómetro.

Sensor de gas:

En aplicaciones industriales, los sensores de gas juegan un papel importante en la detección de fugas de gas. Si no se instala ningún dispositivo de este tipo en esas áreas, en última instancia, se produce un desastre increíble. Estos sensores de gas se clasifican en varios tipos según el tipo de gas que se va a detectar. Veamos cómo funciona este sensor. Debajo de una hoja de metal existe un elemento sensor que está conectado a los terminales donde se le aplica una corriente. Cuando las partículas de gas golpean el elemento sensor, se produce una reacción química tal que la resistencia de los elementos varía y la corriente a través de él también se altera, lo que finalmente puede detectar el gas.

Entonces, finalmente, podemos concluir que los sensores no solo se utilizan para simplificar nuestro trabajo de medir las cantidades físicas, automatizando los dispositivos, sino que también se utilizan para ayudar a los seres vivos con los desastres.