Spis treści:
Rozmaite czujniki są dziś nieodłącznymi elementami niemal wszystkich urządzeń elektronicznych – warto znać najważniejsze ich rodzaje i zakres zastosowań.
Zacznijmy od podstaw
Czujnik – według najbardziej ogólnej definicji – to element lub moduł, zdolny do odbierania określonego bodźca fizycznego lub chemicznego i przekształcania go w użyteczny sygnał wyjściowy, który można następnie zmierzyć, zinterpretować, lub przetwarzać w celu uzyskania informacji na temat właściwości (np. natężenia) owego bodźca. Sam sygnał wyjściowy – w przypadku czujników stosowanych w elektronice – ma postać „aktywną” (napięcie lub prąd), albo „pasywną” (bodziec wpływa na rezystancję, indukcyjność czy też pojemność czujnika, a zmierzenie tej zmiany wymaga dostarczenia energii przez układ współpracujący z sensorem).
Podstawowe rodzaje czujników
Bazując na przytoczonej definicji, możemy z łatwością przejść do krótkiego opisu najważniejszych parametrów czujników – co ważne, wszystkie te parametry dotyczą znakomitej większości elementów sensorycznych.
Podstawową cechą każdego czujnika jest oczywiście wielkość fizyczna, na którą nasz podzespół reaguje. Do wyboru mamy niezliczone parametry – temperaturę, wilgotność powietrza, prędkość obrotową, przyspieszenie liniowe, natężenie oświetlenia oraz jego barwę, odległość od przeszkody, stężenie gazów i innych substancji chemicznych, pH roztworów, ciśnienie, siłę nacisku i naprężenia mechaniczne, przepływ cieczy i gazów, natężenie prądu oraz pola magnetycznego i wiele, wiele innych – a każdy z nich może być zazwyczaj mierzony przynajmniej na kilka rozmaitych sposobów.
Czujniki - parametry metrologiczne
Wspomnieliśmy już, że zadaniem czujnika jest przetwarzanie jednej wielkości fizycznej na inną, którą można w mniej lub bardziej wygodny sposób zmierzyć za pomocą układu elektronicznego. Nietrudno zatem zauważyć, że jedną z ważniejszych cech czujnika będzie jego czułość – czyli parametr, określający jak silna będzie odpowiedź sensora na daną zmianę parametru mierzonego.
Przykładowo – porównując dwa analogowe czujniki temperatury, możemy dla każdego z nich określić, jaka zmiana napięcia (lub rezystancji) odpowiada wzrostowi lub spadkowi temperatury np. o 1 oC. Taka informacja będzie jednak dość niepełna – trzeba bowiem jeszcze określić, w jakim zakresie temperatur może pracować czujnik (np. -40…+150 oC) oraz na ile jego odpowiedź jest proporcjonalna do zmian mierzonego parametru. Im bliższa linii prostej (funkcji liniowej) jest charakterystyka przejściowa czujnika, tym lepiej – choć należy uczciwie przyznać, że niewiele sensorów faktycznie reaguje proporcjonalnie do badanego bodźca, co wymusza stosowanie odpowiednich technik analogowych lub cyfrowych, określanych mianem linearyzacji.
Nawet, jeżeli dany sensor istotnie wykazuje charakterystykę liniową, to i tak musimy jeszcze znać jego dokładność – czyli maksymalny błąd pomiaru, z jakim należy się liczyć w danych warunkach (w poszczególnych przedziałach zakresu pomiarowego lub w całym zakresie). W przypadku czujników chemicznych ważnym parametrem jest także selektywność. Sensory elektrochemiczne (i nie tylko) reagują bowiem najczęściej nie na jeden, ale kilka różnych związków (np. gazów), a selektywność jest właśnie miarą tego, na ile dany element jest odporny na „zakłócenia” (zafałszowania) wyniku pomiaru, spowodowane obecnością związków chemicznych innych, niż ten jeden, który najbardziej nas interesuje.
Czujniki parametrów środowiskowych
W jednym artykule nie sposób opisać – nawet z grubsza – wszystkich najważniejszych rodzajów czujników (dość powiedzieć, że w ofercie Botland jest ich ponad 1200, a liczba ta stale rośnie!), dlatego skupimy się na wybranych przykładach z dwóch obszarów aplikacyjnych.
Czujniki parametrów środowiskowych to szeroka kategoria, obejmująca wszelkie sensory, zdolne do monitorowania wielkości charakteryzujących warunki pogodowe czy też mikroklimat, panujący wewnątrz pomieszczeń.
I tak, do grupy tej zaliczamy wszelkiego rodzaju sensory temperatury (termistory, termorezystory RTD, termopary, czujniki scalone), wilgotności, ciśnienia atmosferycznego, a także czujniki natężenia oświetlenia czy specjalizowane sensory UV. W ostatnich latach bardzo wiele praktycznych zastosowań znalazły także rozmaite moduły, przeznaczone do badania jakości powietrza – czy to poprzez wykrywanie pyłu zawieszonego (cząstek PM10, PM2.5 oraz PM1.0), czy to na drodze detekcji określonych gazów (np. toksycznych czy łatwopalnych związków organicznych). W stacjach pogodowych zastosowanie znajdują także czujniki opadów atmosferycznych oraz moduły do pomiaru kierunku i prędkości wiatru.
Czujniki dla automatyki i robotyki
Aplikacje mechatroniczne oraz automatyka wymagają już nieco innego zestawu czujników, choć niektóre spośród wymienionych wcześniej elementów także są niezbędne w określonych branżach techniki (np. sensory temperatury i wilgotności powszechnie wykorzystuje się automatyce budynkowej do sterowania urządzeniami grzewczymi, wentylacją czy klimatyzacją).
Przykładowo – roboty mobilne oraz manipulacyjne nie mogłyby istnieć bez enkoderów, czyli precyzyjnych czujników prędkości i kierunku obrotów.
Roboty balansujące bazują natomiast dodatkowo na odczytach z akcelerometrów i żyroskopów (czyli tzw. czujników inercyjnych), co pozwala im na utrzymywanie pionowej pozycji niezależnie od nierówności terenu i aktualnych parametrów sterowania trajektorią ruchu. Z tych samych sensorów korzystają zresztą także drony, choć w tym przypadku konieczne okazuje się także użycie magnetometrów oraz czujników odległości (np. dalmierzy laserowych LIDAR) i sensorów barometrycznych, pozwalających na ciągłą kontrolę wysokości lotu względem terenu.
Roboty mobilne często są wyposażane także w dalmierze ultradźwiękowe, czujniki odbiciowe (np. do detekcji blisko położonych przeszkód czy też wykrywania oznakowań na podłożu), czujniki prądu (do monitorowania stanu silników napędowych) oraz wiele, wiele innych. Mechatronika jest zresztą tą dziedziną techniki, która najbardziej napędza rozwój technologii sensorycznych – wszak to właśnie technologie sensoryczne stanowią dla nowoczesnych robotów odpowiednik naszych biologicznych zmysłów, pozwalających na orientację w otaczającym świecie.
