Diferentes tipos de sensores e seu funcionamento

A era da automação já começou. A maioria das coisas que usamos agora pode ser automatizada. Para projetar dispositivos automatizados, primeiro precisamos saber sobre os sensores, estes são os módulos/dispositivos que são úteis para fazer as coisas sem intervenção humana. Mesmo os celulares ou smartphones que usamos diariamente terão alguns sensores como sensor hall, sensor de proximidade, acelerômetro, tela de toque, microfone etc. Esses sensores atuam como olhos, ouvidos, nariz de qualquer equipamento elétrico que detecta os parâmetros no mundo exterior e dá leituras para dispositivos ou microcontrolador.

O que é um sensor?

O sensor pode ser definido como um dispositivo que pode ser usado para sentir/detectar a quantidade física como força, pressão, tensão, luz, etc. e, em seguida, convertê-la na saída desejada como o sinal elétrico para medir a quantidade física aplicada. Em alguns casos, um sensor sozinho pode não ser suficiente para analisar o sinal obtido. Nesses casos, uma unidade de condicionamento de sinal é usada a fim de manter os níveis de tensão de saída do sensor na faixa desejada em relação ao dispositivo final que usamos.

Na unidade de condicionamento de sinal, a saída do sensor pode ser amplificada, filtrada ou modificada para a tensão de saída desejada. Por exemplo, se considerarmos um microfone, ele detecta o sinal de áudio e converte para a tensão de saída (em termos de milivolts), o que torna difícil acionar um circuito de saída. Portanto, uma unidade de condicionamento de sinal (um amplificador) é usada para aumentar a intensidade do sinal. Mas o condicionamento do sinal pode não ser necessário para todos os sensores como fotodiodo, LDR etc.

A maioria dos sensores não pode funcionar de forma independente. Portanto, tensão de entrada suficiente deve ser aplicada a ele. Vários sensores têm faixas operacionais diferentes que devem ser consideradas ao trabalhar com eles, caso contrário, o sensor pode ser danificado permanentemente.

Tipos de sensores:

Vamos ver os vários tipos de sensores que estão disponíveis no mercado e discutir sua funcionalidade, funcionamento, aplicações etc. Discutiremos vários sensores como:

• Sensor de luz
  • Sensor IR (Transmissor IR/LED IR)
  • Fotodiodo (receptor IR)
  • Resistor dependente de luz
• Sensor de temperatura
  • Termistor
  • Par termoelétrico
• Sensor de pressão/força/peso
  • Medidor de tensão (sensor de pressão)
  • Células de carga (sensor de peso)
• Sensor de posição
  • Potenciômetro
  • Codificador
• Sensor Hall (detectar campo magnético)
• Sensor Flex
• Sensor de Som
  • Microfone
• Sensor ultrasônico
• Sensor de toque
• Sensor PIR
• Sensor de inclinação
  • Acelerômetro
• Sensor de Gás

Precisamos selecionar o sensor desejado com base em nosso projeto ou aplicação. Como dito anteriormente, para fazê-los funcionar, a tensão adequada deve ser aplicada com base em suas especificações.

Agora vamos ver o princípio de funcionamento dos vários sensores e onde ele pode ser visto em nosso dia a dia ou em sua aplicação.

IR LED:

Também é chamado de Transmissor IR. É usado para emitir raios infravermelhos. A faixa dessas frequências é maior do que as frequências de microondas (ou seja,> 300 GHz a algumas centenas de THz). Os raios gerados por um LED infravermelho podem ser detectados pelo fotodiodo explicado a seguir. O par de LED IR e fotodiodo é chamado de Sensor IR.

Foto Diodo (Sensor de Luz):

É um dispositivo semicondutor que é usado para detectar os raios de luz e, principalmente, usado como receptor de infravermelho. Sua construção é semelhante ao diodo de junção PN normal, mas o princípio de funcionamento é diferente dele. Como sabemos, uma junção PN permite pequenas correntes de fuga quando é polarizada reversamente, portanto, esta propriedade é usada para detectar os raios de luz. Um fotodiodo é construído de forma que os raios de luz incidam na junção PN, o que faz com que a corrente de fuga aumente com base na intensidade da luz que aplicamos. Portanto, desta forma, um fotodiodo pode ser usado para detectar os raios de luz e manter a corrente através do circuito.

Usando um fotodiodo, podemos construir uma lâmpada de rua automática básica que brilha quando a intensidade da luz solar diminui. Mas o fotodiodo funciona mesmo se uma pequena quantidade de luz incidir sobre ele, portanto, deve-se ter cuidado.

LDR (Resistor Dependente de Luz):

Como o próprio nome especifica que o resistor que depende da intensidade da luz. Funciona com base no princípio da fotocondutividade, que significa a condução devida à luz. Geralmente é feito de sulfeto de cádmio. Quando a luz incide sobre o LDR, sua resistência diminui e age como um condutor e quando nenhuma luz incide sobre ele, sua resistência está quase na faixa de MΩ ou, idealmente, ele atua como um circuito aberto. Uma observação que deve ser considerada com o LDR é que ele não responderá se a luz não estiver exatamente focada em sua superfície.

Com um circuito adequado usando um transistor, ele pode ser usado para detectar a disponibilidade de luz. Um transistor polarizado por divisor de tensão com R2 (resistor entre a base e o emissor) substituído por um LDR pode funcionar como um detector de luz.

Termistor (sensor de temperatura):

Um termistor pode ser usado para detectar a variação de temperatura. Tem um coeficiente de temperatura negativo, o que significa que quando a temperatura aumenta, a resistência diminui. Portanto, a resistência do termistor pode ser variada com o aumento da temperatura, o que faz com que mais corrente flua através dele. Esta mudança no fluxo de corrente pode ser usada para determinar a quantidade de mudança na temperatura. Uma aplicação para termistor é, ele é usado para detectar o aumento da temperatura e controlar a corrente de fuga em um circuito de transistor, o que ajuda a manter sua estabilidade.

Termopar (sensor de temperatura):

Outro componente que pode detectar a variação de temperatura é um termopar. Em sua construção, dois metais diferentes são unidos para formar uma junção. Seu princípio principal é quando a junção de dois metais diferentes são aquecidos ou expostos a altas temperaturas, um potencial varia entre seus terminais. Portanto, o potencial variável pode ser usado posteriormente para medir a quantidade de mudança na temperatura.

Medidor de tensão (sensor de pressão/força):

Um medidor de tensão é usado para detectar a pressão quando uma carga é aplicada. Funciona com base no princípio da resistência, sabemos que a resistência é diretamente proporcional ao comprimento do fio e inversamente proporcional à sua área da seção transversal (R = ρl / a). O mesmo princípio pode ser usado aqui para medir a carga. Em uma placa flexível, um fio é organizado em zigue-zague, conforme mostrado na figura abaixo. Assim, quando a pressão é aplicada a essa placa em particular, ela dobra em uma direção causando a mudança no comprimento total e na área da seção transversal do fio. Isso leva a uma mudança na resistência do fio. A resistência assim obtida é muito diminuta (poucos ohms) que pode ser determinada com a ajuda da ponte de Wheatstone. O medidor de tensão é colocado em um dos quatro braços em uma ponte com os valores restantes inalterados. Portanto, quando a pressão é aplicada a ele conforme a resistência muda, a corrente que passa pela ponte varia e a pressão pode ser calculada.

Os medidores de tensão são usados principalmente para calcular a quantidade de pressão que uma asa de avião pode suportar e também é usado para medir o número de veículos permitidos em uma estrada particular, etc.

Célula de carga (sensor de peso):

As células de carga são semelhantes a medidores de tensão que medem a quantidade física como a força e fornecem a saída na forma de sinais elétricos. Quando alguma tensão é aplicada na célula de carga, sua estrutura varia causando a mudança na resistência e, finalmente, seu valor pode ser calibrado usando uma ponte de Wheatstone.

Potenciômetro:

Um potenciômetro é usado para detectar a posição. Geralmente, tem vários intervalos de resistores conectados a diferentes pólos do interruptor. Um potenciômetro pode ser do tipo rotativo ou linear. No tipo rotativo, um limpador é conectado a um eixo longo que pode ser girado. Quando o eixo gira, a posição do limpador é alterada de modo que a resistência resultante varia, causando a mudança na tensão de saída. Assim, a saída pode ser calibrada para detectar a mudança de posição.

Encoder:

Para detectar a mudança na posição, um encoder também pode ser usado. Ele tem uma estrutura circular giratória em forma de disco com aberturas específicas entre eles, de modo que, quando os raios IV ou de luz passam por ele, apenas alguns raios de luz são detectados. Além disso, esses raios são codificados em dados digitais (em termos de binários) que representam a posição específica.

Sensor Hall:

O próprio nome indica que é o sensor que atua no Efeito Hall. Pode ser definido como quando um campo magnético é aproximado do condutor condutor de corrente (perpendicular à direção do campo elétrico), em seguida, uma diferença de potencial é desenvolvida através do condutor fornecido. Usando esta propriedade, um sensor Hall é usado para detectar o campo magnético e dar saída em termos de voltagem. Deve-se ter cuidado para que o sensor Hall possa detectar apenas um pólo do ímã.

O sensor hall é usado em alguns smartphones que ajudam a desligar a tela quando a tampa da aba (que tem um ímã) é fechada na tela.

Sensor Flex:

Um sensor FLEX é um transdutor que muda sua resistência quando sua forma é alterada ou quando é dobrado. Um sensor FLEX tem 2,2 polegadas de comprimento ou o comprimento de um dedo. Isso é mostrado na figura. Simplesmente falando, a resistência do terminal do sensor aumenta quando é dobrada. Essa mudança na resistência não pode servir de nada, a menos que possamos lê-los. O controlador em mãos só consegue ler as mudanças de tensão e nada menos, para isso, vamos usar um circuito divisor de tensão, com isso podemos derivar a mudança de resistência como uma mudança de tensão.

Microfone (sensor de som):

O microfone pode ser visto em todos os smartphones ou celulares. Ele pode detectar o sinal de áudio e convertê-los em sinais elétricos de baixa tensão (mV). Um microfone pode ser de muitos tipos, como microfone condensador, microfone de cristal, microfone de carbono, etc. cada tipo de microfone funciona nas propriedades como capacitância, efeito piezoelétrico e resistência, respectivamente. Vejamos o funcionamento de um microfone de cristal que atua no efeito piezoelétrico. É usado um cristal bimorfo que, sob pressão ou vibrações, produz voltagem alternada proporcional. Um diafragma é conectado ao cristal através de um pino de acionamento de modo que quando o sinal de som atinge o diafragma ele se move para frente e para trás, este movimento muda a posição do pino de acionamento que causa vibrações no cristal, portanto, uma voltagem alternada é gerada em relação a o sinal de som aplicado. A tensão obtida é fornecida a um amplificador para aumentar a intensidade geral do sinal.

Você também pode converter o valor do microfone em decibéis usando algum microcontrolador como o Arduino.

Sensor ultrasônico:

Ultra-sônico não significa nada além do alcance das frequências. Seu alcance é maior do que o alcance audível (>20 kHz), portanto, mesmo que esteja ligado, não podemos sentir esses sinais sonoros. Apenas alto-falantes e receptores específicos podem sentir essas ondas ultrassônicas. Este sensor ultrassônico é usado para calcular a distância entre o transmissor ultrassônico e o alvo e também usado para medir a velocidade do alvo.

O sensor ultrassônico HC-SR04 pode ser usado para medir distâncias na faixa de 2 a 400 cm com uma precisão de 3 mm. Vamos ver como funciona este módulo. O módulo HCSR04 gera uma vibração de som na faixa ultrassônica quando fazemos o pino ‘Trigger’ alto por cerca de 10us, que enviará uma explosão sônica de 8 ciclos na velocidade do som e após atingir o objeto, será recebido pelo pino Echo. Dependendo do tempo que a vibração do som leva para voltar, ele fornece a saída de pulso apropriada. Podemos calcular a distância do objeto com base no tempo que a onda ultrassônica leva para retornar ao sensor.

Existem muitas aplicações com o sensor ultrassônico. Podemos fazer uso dele para evitar obstáculos para os carros automatizados, robôs em movimento etc. O mesmo princípio será usado no RADAR para detecção de mísseis intrusos e aviões. Um mosquito pode sentir os sons ultrassônicos. Portanto, as ondas ultrassônicas podem ser usadas como repelente de mosquitos.

Sensor de toque:

Nesta geração, podemos dizer que quase todos estão usando smartphones que possuem widescreen que também é uma tela que pode sentir o nosso toque. Então, vamos ver como essa touchscreen funciona. Basicamente, existem dois tipos de sensores de toque com base resistiva e telas de toque com base capacitiva. Vamos saber sobre o funcionamento desses sensores brevemente.

A tela de toque resistiva tem uma folha resistiva na base e uma folha condutiva sob a tela, ambas separadas por um espaço de ar com uma pequena voltagem aplicada às folhas. Quando pressionamos ou tocamos a tela, a folha condutiva toca a folha resistiva naquele ponto, causando o fluxo de corrente naquele ponto específico, o software detecta a localização e a ação relevante é realizada.

Já o toque capacitivo funciona com a carga eletrostática disponível em nosso corpo. A tela já está carregada com o campo totalmente elétrico. Quando tocamos a tela, um circuito fechado se forma devido à carga eletrostática que flui pelo nosso corpo. Além disso, o software decide o local e a ação a ser executada. Podemos observar que a tela de toque capacitiva não funciona ao usar luvas de mão porque não haverá condução entre o(s) dedo(s) e a tela.

Sensor PIR:

Sensor PIR significa sensor infravermelho passivo. Eles são usados para detectar o movimento de humanos, animais ou coisas. Sabemos que os raios infravermelhos têm uma propriedade de reflexão. Quando um raio infravermelho atinge um objeto, dependendo da temperatura do alvo, as propriedades do raio infravermelho mudam, este sinal recebido determina o movimento dos objetos ou dos seres vivos. Mesmo se a forma do objeto se alterar, as propriedades dos raios infravermelhos refletidos podem diferenciar os objetos com precisão. Aqui está o sensor PIR ou funcional completo.

Acelerômetro (sensor de inclinação):

Um sensor de acelerômetro pode detectar a inclinação ou movimento dele em uma direção específica. Ele funciona com base na força de aceleração causada pela gravidade da Terra. As pequenas partes internas são tão sensíveis que reagirão a uma pequena mudança externa de posição. Possui um cristal piezoelétrico quando inclinado causa perturbação no cristal e gera potencial que determina a posição exata em relação aos eixos X, Y e Z.

Eles são comumente vistos em celulares e laptops, a fim de evitar a quebra dos cabos dos processadores. Quando o dispositivo cai, o acelerômetro detecta a condição de queda e executa a ação respectiva com base no software.

Sensor de gás:

Em aplicações industriais, os sensores de gás desempenham um papel importante na detecção do vazamento de gás. Se nenhum dispositivo desse tipo for instalado em tais áreas, isso levará a um desastre inacreditável. Esses sensores de gás são classificados em vários tipos com base no tipo de gás a ser detectado. Vamos ver como esse sensor funciona. Debaixo de uma folha de metal existe um elemento sensor que é conectado aos terminais onde uma corrente é aplicada a ele. Quando as partículas de gás atingem o elemento sensor, isso leva a uma reação química tal que a resistência dos elementos varia e a corrente através dele também se altera, o que pode finalmente detectar o gás.

Por fim, podemos concluir que os sensores não são usados apenas para tornar nosso trabalho simples de medir as quantidades físicas, tornando os dispositivos automatizados, mas também para ajudar seres vivos em caso de desastres.