Kako rade senzori

Otvaranjem IoT (Internet of Things) tržišta, senzori dobijaju novi značaj jer, kao oči i uši svakog kontrolera, omogućavaju da se izmereni podatak gotovo trenutno prenese na bilo koje mesto u svetu. Što je najlepše, ova tehnologija je doskora postojala samo u vrhunskim laboratorijama, a sada je dostupna i svakom hobisti.

Istorija se ponavlja. Kao što je digitalna tehnologija nekada omogućila da i mi, koji nismo izučili elektrotehniku i nismo imali dovoljno znanja u toj oblasti, ipak pravimo svoje projekte, tako i danas možemo da ugrađujemo vrlo napredne senzorske sklopove u svoje kontrolere. Cena je uglavnom takva da doslovno svako može da ih priušti, a primena je tako jednostavna da je uvid u katalog sve što nam treba. Čak i katalozi, koji su do pre 15 godina bili privilegija, danas su dostupni svakome ko ima volje da primeni bilo koji od senzorskih modula koje ćemo nabrojati.

Većina senzora može lako da se kupi na tržištu, cena je uglavnom od oko pola evra do nekoliko evra po komadu. Mnogi mogu da se kupe i u domaćim prodavnicama, mada su se ljudi koji nude komponente preko oglasa potrudili da ponude gotovo čitav asortiman po vrlo niskim cenama. Ako brinete zbog toga što ne znate kako se koriste ovi senzori, pre svega kako se povezuju u elektronsko kolo i kako komuniciraju sa mikrokontrolerom, samo pronađite priručnik koji se odnosi na traženi senzor. Videćete da većina senzora koristi standardnu komunikaciju I2C, o kojoj će ovde uskoro biti reči.

U PC #231 smo detaljno opisali akcelerometare i žiroskope, a ovde ćemo govoriti o ostalim senzorima. Zajedničko ime je to da neku fizičku veličinu pretvaraju u električnu, koju internim elektronskim sklopom najpre obrađuju kao analognu, potom je konvertuju u digitalnu, eventualno propuštaju kroz digitalni filter i linearizator, a onda čine dostupnom preko porta za komunikaciju sa mikrokontrolerom.

Magnetno polje

Najjednostavniji senzor magnetnog polja je rid kontakt (reed = trska, bambus), načinjen od dve elastične elektrode koje, kad se nađu u prisustvu magneta, načine električni kontakt. To je mehaničko rešenje, upotrebljivo samo za jača magnetna polja, kad se senzor nalazi u neposrednoj blizini magneta. Jedna od zgodnih primena rid kontakata je u alarmnim sistemima, za detekciju otvaranja vrata i prozora. Magnet se nalazi na pokretnom delu, a rid rele na ragastovu, i to je vrlo pouzdan način da se alarmnoj centrali dojavi da li su vrata ili prozor potpuno zatvoreni.

Elektronski ekvivalent rid kontakta je hol‑efekt senzor (Hall effect je dobio ime po američkom fizičaru Edvinu Holu). On je bez pokretnih delova, mnogo manji i brži. Princip rada se zasniva na skretanju toka elektrona kroz provodnik u magnetnom polju koje se detektuje pojačava i obrađuje sklopom ugrađenim u isto kućište sa senzorom. Većina hol‑efekt senzora ima samo tri izvoda: masa (‑ pol), napajanje (+ pol) i izlaz, koji, u zavisnosti od tipa senzora, može da bude analogni (proporcionalan magnetnom polju), digitalni (on‑off) i digitalni sa  latchsa efektom, što znači da izlaz „pamti“ poslednji smer magnetnog polja.

Hol‑efekt senzor je osetljiviji od rid kontakta ali, budući da mu je zadatak da detektuje prisustvo bliskog magneta, nije baš previše osetljiv. Postoje neuporedivo osetljiviji elektronski senzori za magnetno polje i oni se masovno koriste u elektronskim kompasima, jer lako mere jačinu Zemljinog prirodnog magnetnog polja. Tri ovakva senzora, postavljena pod međusobnim uglom od 90°, čine elektronski kompas. Za razliku od klasičnog kompasa sa namagnetisanom iglom, ovaj kompas meri smer magnetnog polja u tri dimenzije. Svaka od tri ose (X, Y i Z) ima zaseban izlazni signal sa predznakom, pa je zadatak mikrokontrolera (koji nije sastavni deo senzora) da obradi ove numeričke podatke i da izračuna ugao rezultantnog magnetnog polja. To će biti ugao koji pokazuje na severni magnetni pol.

Temperatura

Elektronski temperaturni senzori se već dugo koriste, ali nikada nisu bili tako precizni i laki za primenu kao što su to danas. Uglavnom su korišćeni NTC otpornici (negativni temperaturni koeficijent) ili PTC (pozitivni), koji su bili veoma nelinearni, pa smo morali da ih kalibrišemo tako što smo pravili tabele za linearizaciju. Sve to je bilo komplikovano jer je zahtevalo i analogni sklop, kao i precizan termometar i termičku komoru za dug i naporan postupak kalibracije.

Današnji temperaturni senzori su integrisani sa elektronskim sklopom i komunikacionom jedinicom, uglavnom za I2C standard. Ugradnja senzora i elektronskog sklopa u isto kućište stvara problem zagrevanja kućišta (pa time i senzora) od strane elektronike, tako da bi oni u nekim slučajevima mogli pomalo da „lažu“, naročito ako se od njih očekuje veoma precizno očitavanje temperature, sa finom podelom. Savremeni senzori troše vrlo malo energije, pa je greška minimalna.

Senzor koji je termički masivniji (što znači veći čip ili termički spregnut sa većom rashladnom površinom) će obezbediti preciznije merenje, ali će sporije reagovati na promene temperature vazduha. Dobar kompromis su senzori koji su mali i termički nezavisni, ali se uključuju samo povremeno, svakako ne češće od očekivane promene temperature.

Temperatura se na daljinu meri specijalnim infracrvenim senzorom, koji je prilagođen talasnom opsegu zračenja u očekivanom temperaturnom opsegu. Ponekad se koristi naziv laserski termometri koji nije tačan – termometri koriste lasersku diodu samo kao pomoć za usmeravanje senzora i ona nema uticaja na merenje. Izgleda da je ova laserska dioda dodata samo kao atraktivan detalj, jer je vidno polje senzora oko 30 do 60°, pa mu tako precizno usmeravanje nije ni potrebno.

Greška laserskih termometara je oko 2° Celzijusa, ali su nepreciznosti u merenju česte, jer se infracrvena svetlost odbija od sjajnih tela, pa u rezultatu često učestvuje i temperatura neželjenih predmeta, čak i temperatura tela osobe koja meri. Ne bi bilo dobro da se previše udaljimo od osnovne teme o kojoj govorimo, pa ćemo samo kratko pomenuti da, ukoliko se od većeg broja ovakvih senzora napravi senzorska matrica, govorimo o termičkoj fotografiji.

Relativna vlažnost vazduha

Relativna vlažnost vazduha se precizno meri laboratorijskim uređajem koji ise zove higrometar, ali danas postoji niz senzora kojima se dobija rezultat zadovoljavajuće tačnosti. Oni uglavnom rade na principu promena fizičkih performansi (najčešće dielektrične konstante) materijala izloženog fluidu čija se vlažnost meri. U poslednje vreme je dobro razjašnjen uticaj relativne vlažnosti vazduha na zdravlje ljudi i na trajnost raznih predmeta, pa se klima‑uređaji prave tako da održavaju ne samo željenu temperaturu, nego i vlažnost.

Savremeni senzori za merenje vlažnosti vazduha su često integrisani sa senzorima temperature i zajedno sa elektronskim sklopom se nalaze u kućištu zapremine nekoliko kubnih milimetara. Poseban problem u održavanju ovih senzora nastaje zbog porozne prednje stranice senzora koja propušta vazduh do merne površine, pa ne smeju da se izlože velikoj vlažnosti (ili, još gore, da se potope u tečnost). Zbog toga je propisan poseban postupak pranja štampanih ploča posle lemljenja, a preporučena je i upotreba specijalne lepljive trake za zaštitu.

Senzori vlažnosti vazduha su veoma inertni i dugo „pamte“ ekstremne vrednosti. Zato se posle svakog „šoka“ izazvanog previsokom ili preniskom vlažnošću preporučuje bar 48 sati rada u uslovima srednje relativne vlažnosti vazduha (45‑55%), i tek posle takve stabilizacije se rezultat očitavanja može smatrati tačnim.

Ultrazvučno merenje udaljenosti

Postoji više ideja koje se koriste za beskontaktno merenje udaljenosti. Najjednostavniji je ultrazvučni, kod koga se sezor sastoji od davača (zvučnika) i prijemnika (mikrofona). Pošto se iz praktičnih razloga koristi zvuk u nečujnom spektru (oko 40 kHz), ove dve jedinice su zapravo piezopretvarači. Zanimljivo je to da su obe jedinice jednake, jer piezo materijali pretvaraju elektične impulse u mehaničke pokrete, ali i obratno.

Davač zvuka šalje vrlo kratak tonski impuls (samo oko 8 celih perioda učestanosti 40 kHz) i čeka da se odbijeni talas registruje u prijemniku (piezo mikrofonu). Izmereno vreme, kada se pomnoži sa brzinom zvuka, daje dvostruku udaljenost do objekta. Ograničenje je to što objekti čija udaljenost se meri moraju da budu dovoljno veliki i sa takvom površinom koja može da odbije zvuk. Još jedan nedostatak treba imati u vidu, a to je nesposobnost razlikovanja detalja, kao kad bismo imali sliku rezolucije 1×1 piksel.

Ipak su ovakvi senzori prilično pouzdani, pa se koriste u robotici za ranu detekciju prepreka. Domet im je nekoliko metara. Ne isporučuju se sa I2C interfejsom, nego samo sa ulaznim signalom za start merenja i izlaznim koji počinje odmah a završava se kad odbijeni zvučni talas stigne do mikrofona. Mikrokontroler, dakle, mora da izmeri trajanje ovog impulsa.

Merenje udaljenosti infracrvenom svetlošću

Ultrazvučne piezo jedinice zaštićene su samo mrežicama, pa nisu pogodne za upotrebu kad ima padavina, ali ovo ne važi za senzore koji umesto zvuka koriste svetlost. Najjednostavniji iz ove familije su senzori koji emituju nevidljive infracrvene zrake, i mere intenzitet odbijene svetlosti. Pošto je svetlost modulisana učestanošću od nekoliko kHz, u prijemnom delu se pojačava samo naizmenična komponenta signala, pa se tako neutrališe uticaj ambijentnog svetla.

Domet ovih senzora je oko 15 cm. Za merenje koriste infracrvenu svetlost, tako da nisu preterano osetljivi na boju objekta čiju udaljenost mere. Ipak, ograničeni su na objekte koji nisu poreviše sjajni, a neprovidni su za infracrveni opseg. Uglavnom se koriste za detekciju blizine unapred poznatih objekata, a sasvim dobro reaguju na ljudsku kožu.

Često se ovi senzori ugrađuju u isto kućište sa meračima ambijentnog svetla, ponekad čak odvojeno infracrvenog i vidljivog. Kućište u kome se sve to nalazi je uglavnom veoma malo, samo nekoliko kubnih milimetara, pa je jasno da predajnik (infracrveni LED) mora da bude van kućišta. Taj LED se napaja iz samog senzora, ali je nekoliko puta veći od njega.

Merenje udaljenosti laserskom svetlošću

Najsavršeniji su senzori koji mere vreme odbijanja laserskog zraka. Brzina svetlosti je veoma velika, pa su, zbog brze i precizne elektronike, kao i zbog fine optike, prilično skupi. Zauzvrat, laserski snop može da se fokusira, pa da se meri udaljenost do precizno definisane tačke. Naravno da se odmah nameće ideja da se ovakav merač montira na postolje koje može da se usmerava po obe ose, pa da snima 3D sliku cele okoline, piksel po piksel. Ovakvi uređaji se koriste u arhitekturi, arheologiji i mnogim drugim delatnostima, a u poslednje vreme su postali nezamenjlivi kao 3D snimači okoline u „samovozećim“ automobilima bez vozača, o kojima smo opširno pisali u PC#204 (novembar 2013).

Još jedna primena laserskih daljinomera je u „radarima“ kojima policija meri brzinu vozila na putu. Potrebna su samo dva merenja udaljenosti da bi se izračunala brzina vozila. Ovo je zanimljiva tema, ali je zbog cene laserskih senzora ona još uvek daleko od našeg hobija. Svakako će jednog trenutka i ta tehnologija doći na naše stolove, a dotle imamo puno drugih lepih objekata za eksperimentisanje.

Detekcija pokreta

Kad govorimo o senzorima pokreta, uglavnom mislimo na pasivne infracrvene senzore, koje često viđamo u prostorijama zaštićenim alarmnim uređajem. Ovi senzori su veoma jednostavni i pouzdani, a koriste ingeniozno smišljen sistem detekcije pokreta u prostoriji. Svako zagrejano telo, naime, emituje infracrvenu svetlost, koju fotodioda može da detektuje. Kod ovih senzora infracrvena fotodioda “gleda” kroz neku vrstu rešetke, pa se smenjuju vertikalna polja na koja je dioda vrlo osetljiva, i polja na koja je potpuno neosetljiva. Kad se osoba kreće ispred takvog senzora, ona svojim kretanjem kroz polja različite osetljivosti „moduliše“ količinu infracrvenog svetla koje pada na diodu, što će ona detektovati i uključiti logički signal na izlazu.

Ovi senzori su dobri za zatvorene prostorije, ali samo jedan prozor, čak i zatvoren, može da stvara lažne alarme. Senzor čak i ne mora da „gleda“ u taj prozor, nego negde na pod ili u zid osvetljen suncem kroz taj prozor. Ptica koja proleti pored prozora će stvoriti pokretnu senku, a to će biti dovoljno da fotoćelija detektuje pokret i uključi alarm.

Postoje i ultrazvučni detektori pokreta u prostoriji. Konstrukcija je veoma slična ultrazvučnim daljinomerima o kojima je bilo reči, ali se njima ne meri vreme odziva kratkog zvučnog impulsa, nego konstantno šalje ultrazvuk i osluškuje. Ako se u prostoriji ništa ne kreće odziv je konstantan, a ako se neki od predmeta koji odbijaju zvuk pokrene, zbog Doplerovog efekta, će se pojaviti malo promenjena učestanost. Ova učestanost će, zbog interferencije sa originalnom, proizvesti niske zvučne harmonike koji se detektuju niskopropusnim filterom. Mada zvuči složeno, sistem zapravo ima veoma jednostavno realizovan elektronski sklop.

I ovaj senzor pokreta ima svoje slabe strane. Zvuk se odbija od granica toplog i hladnog vazduha, pa ako u prostoriji postoji bilo kakvo grejno telo, onda će iznad njega postojati vrtlozi toplog vazduha, pa treba očekivati lažne alarme.

Ovim nismo obradili sve senzore koji mogu da nam budu zanimljivi u eksperimentatorskom radu – u sledećem broju časopisa „PC“ biće još nabrajanja i objašnjenja.

Voja Antonić

(Objavljeno u PC#239)