Différents types de capteurs et leur fonctionnement

L'ère de l'automatisation a déjà commencé. La plupart des choses que nous utilisons actuellement peuvent être automatisées. Pour concevoir des dispositifs automatisés, nous devons d'abord connaître les capteurs, ce sont les modules / dispositifs qui sont utiles pour faire les choses sans intervention humaine. Même les mobiles ou smartphones que nous utilisons quotidiennement auront des capteurs tels que capteur à effet Hall, capteur de proximité, accéléromètre, écran tactile, microphone, etc. Ces capteurs agissent comme les yeux, les oreilles, le nez de tout équipement électrique qui détecte les paramètres du monde extérieur et donne lectures aux appareils ou au microcontrôleur.

Qu'est-ce qu'un capteur?

Le capteur peut être défini comme un dispositif qui peut être utilisé pour détecter / détecter la quantité physique telle que la force, la pression, la déformation, la lumière, etc., puis la convertir en sortie souhaitée comme le signal électrique pour mesurer la quantité physique appliquée . Dans de rares cas, un capteur seul peut ne pas être suffisant pour analyser le signal obtenu. Dans ces cas, une unité de conditionnement de signal est utilisée afin de maintenir les niveaux de tension de sortie du capteur dans la plage souhaitée par rapport au dispositif d'extrémité que nous utilisons.

Dans l' unité de conditionnement de signal, la sortie du capteur peut être amplifiée, filtrée ou modifiée à la tension de sortie souhaitée. Par exemple, si nous considérons un microphone, il détecte le signal audio et se convertit en tension de sortie (exprimée en millivolts) qui devient difficile à piloter un circuit de sortie. Ainsi, une unité de conditionnement de signal (un amplificateur) est utilisée pour augmenter la force du signal. Mais le conditionnement du signal peut ne pas être nécessaire pour tous les capteurs tels que la photodiode, le LDR, etc.

La plupart des capteurs ne peuvent pas fonctionner indépendamment. Ainsi, une tension d'entrée suffisante doit lui être appliquée. Différents capteurs ont des plages de fonctionnement différentes qui doivent être prises en compte lors de l'utilisation, sinon le capteur peut être endommagé de manière permanente.

Types de capteurs:

Voyons les différents types de capteurs disponibles sur le marché et discutons de leurs fonctionnalités, de leur fonctionnement, de leurs applications, etc. Nous discuterons de divers capteurs tels que:

• Capteur de lumière
  • Capteur IR (émetteur IR / LED IR)
  • Photodiode (récepteur IR)
  • Résistance dépendante de la lumière
• Capteur de température
  • Thermistance
  • Thermocouple
• Capteur de pression / force / poids
  • Jauge de contrainte (capteur de pression)
  • Cellules de charge (capteur de poids)
• Capteur de position
  • Potentiomètre
  • Encodeur
• Capteur à effet Hall (détection du champ magnétique)
• Capteur Flex
• Capteur de son
  • Microphone
• Capteur à ultrasons
• Senseur tactile
• Capteur PIR
• Capteur d'inclinaison
  • Accéléromètre
• Capteur de gaz

Nous devons sélectionner le capteur souhaité en fonction de notre projet ou de notre application. Comme indiqué précédemment, afin de les faire fonctionner, une tension appropriée doit être appliquée en fonction de leurs spécifications.

Voyons maintenant le principe de fonctionnement des différents capteurs et où il peut être vu dans notre vie quotidienne ou son application.

LED IR:

Il est également appelé émetteur IR. Il est utilisé pour émettre des rayons infrarouges. La gamme de ces fréquences est supérieure aux fréquences micro-ondes (c'est-à-dire> 300 GHz à quelques centaines de THz). Les rayons générés par une LED infrarouge peuvent être détectés par photodiode expliquée ci-dessous. La paire de LED IR et de photodiode s'appelle IR Sensor. Voici comment fonctionne un capteur infrarouge.

Diode photo (capteur de lumière):

C'est un dispositif semi-conducteur qui est utilisé pour détecter les rayons lumineux et principalement utilisé comme récepteur IR . Sa construction est similaire à la diode de jonction PN normale mais le principe de fonctionnement en diffère. Comme nous le savons, une jonction PN autorise de faibles courants de fuite lorsqu'elle est polarisée en inverse, cette propriété est donc utilisée pour détecter les rayons lumineux. Une photodiode est construite de telle sorte que les rayons lumineux doivent tomber sur la jonction PN, ce qui fait augmenter le courant de fuite en fonction de l'intensité de la lumière que nous avons appliquée. Ainsi, de cette manière, une photodiode peut être utilisée pour détecter les rayons lumineux et maintenir le courant à travers le circuit. Vérifiez ici le fonctionnement de la photodiode avec capteur IR.

En utilisant une photodiode, nous pouvons construire un lampadaire automatique de base qui brille lorsque l'intensité de la lumière du soleil diminue. Mais la photodiode fonctionne même si une petite quantité de lumière tombe dessus, donc des précautions doivent être prises.

LDR (résistance dépendante de la lumière):

Comme le nom lui-même spécifie que la résistance dépend de l'intensité lumineuse. Il fonctionne sur le principe de la photoconductivité qui signifie la conduction due à la lumière. Il est généralement composé de sulfure de cadmium. Lorsque la lumière tombe sur le LDR, sa résistance diminue et agit comme un conducteur et quand aucune lumière ne tombe dessus, sa résistance est presque dans la plage de MΩ ou idéalement, elle agit comme un circuit ouvert . Une note à prendre en compte avec LDR est qu'il ne répondra pas si la lumière n'est pas exactement focalisée sur sa surface.

Avec un circuit approprié utilisant un transistor, il peut être utilisé pour détecter la disponibilité de la lumière. Un transistor polarisé par diviseur de tension avec R2 (résistance entre la base et l'émetteur) remplacé par un LDR peut fonctionner comme un détecteur de lumière. Vérifiez ici les différents circuits basés sur LDR.

Thermistance (capteur de température):

Une thermistance peut être utilisée pour détecter la variation de température . Il a un coefficient de température négatif qui signifie que lorsque la température augmente, la résistance diminue. Ainsi, la résistance de la thermistance peut varier en fonction de l'augmentation de la température, ce qui fait passer plus de courant. Ce changement de débit de courant peut être utilisé pour déterminer la quantité de changement de température. Une application de la thermistance est qu'elle est utilisée pour détecter la montée en température et contrôler le courant de fuite dans un circuit à transistor, ce qui contribue à maintenir sa stabilité. Voici une application simple pour Thermistor pour contrôler automatiquement le ventilateur CC.

Thermocouple (capteur de température):

Un autre composant capable de détecter la variation de température est un thermocouple. Dans sa construction, deux métaux différents sont réunis pour former une jonction. Son principe principal est que lorsque la jonction de deux métaux différents est chauffée ou exposée à des températures élevées, un potentiel varie entre leurs bornes. Ainsi, le potentiel variable peut être davantage utilisé pour mesurer la quantité de changement de température.

Jauge de contrainte (capteur de pression / force):

Une jauge de contrainte est utilisée pour détecter la pression lorsqu'une charge est appliquée . Il fonctionne sur le principe de la résistance, on sait que la résistance est directement proportionnelle à la longueur du fil et est inversement proportionnelle à sa section transversale (R = ρl / a). Le même principe peut être utilisé ici pour mesurer la charge. Sur une carte flexible, un fil est disposé en zig-zag comme illustré sur la figure ci-dessous. Ainsi, lorsque la pression est appliquée à cette carte particulière, elle se plie dans une direction provoquant le changement de la longueur totale et de la section transversale du fil. Cela conduit à un changement de résistance du fil. La résistance ainsi obtenue est très infime (quelques ohms) qui peut être déterminée à l'aide du pont de Wheatstone. La jauge de contrainte est placée dans l'un des quatre bras d'un pont avec les valeurs restantes inchangées. Par conséquent,lorsque la pression y est appliquée lorsque la résistance change, le courant traversant le pont varie et la pression peut être calculée.

Les jauges de contrainte sont principalement utilisées pour calculer la quantité de pression qu'une aile d'avion peut supporter et elles sont également utilisées pour mesurer le nombre de véhicules autorisés sur une route particulière, etc.

Cellule de charge (capteur de poids):

Les cellules de charge sont similaires aux jauges de contrainte qui mesurent la quantité physique comme la force et donnent la sortie sous forme de signaux électriques. Lorsqu'une certaine tension est appliquée sur la cellule de pesée, sa structure varie en provoquant le changement de résistance et enfin, sa valeur peut être calibrée à l'aide d'un pont de Wheatstone. Voici le projet sur la façon de mesurer le poids à l'aide de la cellule de charge.

Potentiomètre:

Un potentiomètre est utilisé pour détecter la position . Il dispose généralement de différentes gammes de résistances connectées à différents pôles du commutateur. Un potentiomètre peut être de type rotatif ou linéaire. Dans le type rotatif, un essuie-glace est relié à un long arbre qui peut être tourné. Lorsque l'arbre a tourné, la position de l'essuie-glace change de sorte que la résistance résultante varie en provoquant le changement de la tension de sortie. Ainsi, la sortie peut être calibrée pour détecter le changement de sa position.

Encodeur:

Pour détecter le changement de position, un encodeur peut également être utilisé. Il a une structure circulaire en forme de disque rotatif avec des ouvertures spécifiques entre les deux, de sorte que lorsque les rayons infrarouges ou les rayons lumineux le traversent, seuls quelques rayons lumineux sont détectés. En outre, ces rayons sont codés en une donnée numérique (en termes de binaire) qui représente la position spécifique.

Capteur à effet Hall:

Le nom lui-même indique que c'est le capteur qui fonctionne sur l'effet Hall. Il peut être défini comme lorsqu'un champ magnétique est amené à proximité du conducteur porteur de courant (perpendiculaire à la direction du champ électrique), alors une différence de potentiel est développée à travers le conducteur donné. En utilisant cette propriété, un capteur à effet Hall est utilisé pour détecter le champ magnétique et donne une sortie en termes de tension. Il faut veiller à ce que le capteur à effet Hall ne puisse détecter qu'un seul pôle de l'aimant.

Le capteur à effet Hall est utilisé dans quelques smartphones, ce qui est utile pour éteindre l'écran lorsque le couvercle du rabat (qui contient un aimant) est fermé sur l'écran. Voici une application pratique du capteur à effet Hall dans Door Alarm.

Capteur Flex:

Un capteur FLEX est un transducteur qui change sa résistance lorsque sa forme est modifiée ou lorsqu'il est plié . Un capteur FLEX mesure 2,2 pouces de long ou de doigt. Il est montré sur la figure. En termes simples, la résistance de la borne du capteur augmente lorsqu'elle est pliée. Ce changement de résistance ne peut faire de bien que si nous pouvons les lire. Le contrôleur à portée de main ne peut lire que les changements de tension et rien de moins, pour cela, nous allons utiliser un circuit diviseur de tension, avec lequel nous pouvons dériver le changement de résistance comme un changement de tension. Découvrez ici comment utiliser Flex Sensor.

Microphone (capteur de son):

Le microphone peut être vu sur tous les smartphones ou mobiles. Il peut détecter le signal audio et le convertir en signaux électriques de faible tension (mV). Un microphone peut être de nombreux types comme un microphone à condensateur, un microphone à cristal, un microphone en carbone, etc. chaque type de microphone travaille sur des propriétés telles que la capacité, l'effet piézoélectrique, la résistance respectivement. Voyons le fonctionnement d'un microphone à cristal qui travaille sur l'effet piézoélectrique. Un cristal bimorphe est utilisé qui, sous pression ou vibrations, produit une tension alternative proportionnelle. Un diaphragme est connecté au cristal par une broche d'entraînement de telle sorte que lorsque le signal sonore frappe le diaphragme, il se déplace d'avant en arrière,ce mouvement change la position de la broche d'entraînement qui provoque des vibrations dans le cristal ainsi une tension alternative est générée par rapport au signal sonore appliqué. La tension obtenue est fournie à un amplificateur afin d'augmenter la force globale du signal. Voici différents circuits basés sur Microphone.

Vous pouvez également convertir la valeur du microphone en décibels à l'aide d'un microcontrôleur comme Arduino.

Capteur à ultrasons:

Les ultrasons ne signifient rien d'autre que la gamme des fréquences. Sa portée est supérieure à la portée audible (> 20 kHz) donc même s'il est allumé, nous ne pouvons pas détecter ces signaux sonores. Seuls des haut-parleurs et des récepteurs spécifiques peuvent détecter ces ondes ultrasonores. Ce capteur à ultrasons est utilisé pour calculer la distance entre l'émetteur d'ultrasons et la cible et également utilisé pour mesurer la vitesse de la cible .

Le capteur à ultrasons HC-SR04 peut être utilisé pour mesurer une distance comprise entre 2 cm et 400 cm avec une précision de 3 mm. Voyons comment fonctionne ce module. Le module HCSR04 génère une vibration sonore dans la plage des ultrasons lorsque nous faisons haut la broche `` Trigger '' pendant environ 10us, ce qui enverra une rafale sonore de 8 cycles à la vitesse du son et après avoir frappé l'objet, elle sera reçue par la broche Echo. En fonction du temps nécessaire aux vibrations sonores pour revenir, il fournit la sortie d'impulsion appropriée. On peut calculer la distance de l'objet en fonction du temps mis par l'onde ultrasonore pour revenir au capteur. En savoir plus sur le capteur à ultrasons ici.

Il existe de nombreuses applications avec le capteur à ultrasons. On peut s'en servir pour éviter les obstacles pour les voitures automatisées, les robots en mouvement, etc. Le même principe sera utilisé dans le RADAR pour détecter les missiles et les avions intrus. Un moustique peut détecter les sons ultrasoniques. Ainsi, les ondes ultrasoniques peuvent être utilisées comme répulsif contre les moustiques.

Senseur tactile:

Dans cette génération, on peut dire que presque tous utilisent des smartphones qui ont un écran large ainsi qu'un écran qui peut sentir notre toucher. Alors, voyons comment fonctionne cet écran tactile. Fondamentalement, il existe deux types de capteurs tactiles à base résistive et un écran tactile à base capacitive . Connaissons brièvement le fonctionnement de ces capteurs.

L' écran tactile résistif a une feuille résistive à la base et une feuille conductrice sous l'écran, tous deux séparés par un entrefer avec une faible tension appliquée aux feuilles. Lorsque nous pressons ou touchons l'écran, la feuille conductrice touche la feuille résistive à ce point provoquant un flux de courant à ce point particulier, le logiciel détecte l'emplacement et l'action appropriée est effectuée.

Alors que le toucher capacitif fonctionne sur la charge électrostatique disponible sur notre corps. L'écran est déjà chargé du tout champ électrique. Lorsque nous touchons l'écran, un circuit fermé se forme en raison de la charge électrostatique qui traverse notre corps. En outre, le logiciel décide de l'emplacement et de l'action à effectuer. Nous pouvons observer que l'écran tactile capacitif ne fonctionnera pas lorsque vous portez des gants car il n'y aura pas de conduction entre le (s) doigt (s) et l'écran.

Capteur PIR:

Capteur PIR signifie capteur infrarouge passif. Ceux-ci sont utilisés pour détecter le mouvement des humains, des animaux ou des choses. On sait que les rayons infrarouges ont une propriété de réflexion. Lorsqu'un rayon infrarouge frappe un objet, en fonction de la température de la cible, les propriétés du rayon infrarouge changent, ce signal reçu détermine le mouvement des objets ou des êtres vivants. Même si la forme de l'objet change, les propriétés des rayons infrarouges réfléchis peuvent différencier précisément les objets. Voici le capteur de fonctionnement complet ou PIR.

Accéléromètre (capteur d'inclinaison):

Un capteur accéléromètre peut détecter l'inclinaison ou le mouvement de celui-ci dans une direction particulière . Il fonctionne en fonction de la force d'accélération causée par la gravité terrestre. Les minuscules parties internes de celui-ci sont si sensibles que celles-ci réagiront à un petit changement externe de position. Il a un cristal piézoélectrique lorsqu'il est incliné provoque une perturbation dans le cristal et génère un potentiel qui détermine la position exacte par rapport aux axes X, Y et Z.

Ceux-ci sont couramment observés dans les mobiles et les ordinateurs portables afin d'éviter la rupture des fils des processeurs. Lorsque l'appareil tombe, l'accéléromètre détecte la condition de chute et effectue l'action correspondante en fonction du logiciel. Voici quelques projets utilisant Accelerometer.

Capteur de gaz:

Dans les applications industrielles, les capteurs de gaz jouent un rôle majeur dans la détection des fuites de gaz. Si aucun appareil de ce type n'est installé dans de telles zones, cela conduit finalement à un désastre incroyable. Ces capteurs de gaz sont classés en différents types en fonction du type de gaz à détecter. Voyons comment fonctionne ce capteur. Sous une tôle, il existe un élément sensible qui est connecté aux bornes où un courant lui est appliqué. Lorsque les particules de gaz frappent l'élément de détection, cela conduit à une réaction chimique telle que la résistance des éléments varie et le courant à travers celui-ci change également, ce qui peut finalement détecter le gaz.

Donc enfin, nous pouvons conclure que les capteurs ne sont pas seulement utilisés pour rendre notre travail simple pour mesurer les quantités physiques, rendant les appareils automatisés, mais aussi utilisés pour aider les êtres vivants lors de catastrophes.