image
image

Być może spotkałeś się już gdzieś ze stwierdzeniem, że „otaczający nas świat jest analogowy”. Pomimo zalewu cyfrowych urządzeń mobilnych, komputerów, inteligentnego sprzętu AGD i RTV, określenie to ani trochę nie straciło na słuszności. Zdecydowana większość, jeżeli nie wszystkie, spośród otaczających nas (przynajmniej w makroskali) zjawisk fizycznych jest – jak to określa nauka – procesami ciągłymi. W tym artykule przyjrzymy się elementom, które pozwalają na obserwację i pomiary parametrów oraz wielkości fizycznych – zajmiemy się bowiem czujnikami analogowymi.

canvas

Czujnik analogowy vs. czujnik cyfrowy

Najogólniej rzecz ujmując, mówiąc o procesie ciągłym mamy na myśli zjawisko, które zachodzi w taki sposób, że określająca je wielkość fizyczna może przyjmować dowolne wartości (oczywiście w pewnym zakresie) i nie da się wskazać minimalnej różnicy, o jaką może zmieniać się ta wartość. Przykładowo – czas płynie w taki sposób, że nie udałoby się nam określić minimalnego odstępu, jaki musi dzielić dwa stany danego zjawiska. Podobnie możemy mówić o napięciu elektrycznym czy temperaturze – to, że najbardziej precyzyjnym woltomierzem nie możemy uchwycić różnic napięcia na poziomie niższym niż np. ułamki nanowolta nie wynika wcale z faktu, że „niżej zejść się nie da” – w grę wchodzą ograniczenia i niedoskonałości stosowanych przez nas urządzeń oraz metod pomiarowych. Samo zjawisko odbywa się bowiem w sposób ciągły.

Procesy ciągłe stoją w dokładnej opozycji do tzw. procesów dyskretnych – tutaj określane przez nas wielkości mogą przyjmować tylko pewne, ustalone poziomy, a im więcej możemy ich rozróżnić dla danego zjawiska – tym wyższa jest rozdzielczość. W przypadku dwóch termometrów, z których jeden może wyświetlać wyniki z rozdzielczością jednego miejsca po przecinku, a drugi – trzech miejsc po przecinku najczęściej spodziewamy się, że ten drugi będzie mierzył zdecydowanie dokładniej. Tak będzie w istocie, o ile – oprócz 100-krotnie wyższej rozdzielczości w porównaniu do swojego konkurenta – będzie także odpowiednio wykalibrowany, a zastosowane układy pomiarowe i sam czujnik zapewnią odpowiednią dokładność i stabilność.

Mierzone wielkości fizyczne vs. wielkości wyjściowe

Zadaniem każdego czujnika jest przetworzenie określonej wielkości fizycznej na inną postać, która może być łatwiej zmierzona za pomocą odpowiedniego urządzenia, niż gdyby pomiar miał być dokonywany metodą bezpośrednią. Warto dodać, że tzw. pomiary pośrednie – których zasada działania opiera się „wnioskowaniu” o wartości mierzonego parametru na podstawie innych wielkości fizycznych z nim związanych w znany sposób – są najczęściej wykorzystywane w codziennej elektronice. Zastanówmy się więc, czego możemy spodziewać się na wyjściu elektronicznego, analogowego czujnika temperatury w zależności od zastosowanego rodzaju tego elementu.

Analogowe czujniki temperatury

Termistor – najprostszy i najtańszy, półprzewodnikowy, analogowy czujnik temperatury, którego rezystancja zmienia się wraz z temperaturą. Ma stosunkowo wysoką czułość, co oznacza, że reaguje dość dużą zmianą rezystancji na niewielkie zmiany temperatury. Niestety, jego charakterystyka nie jest liniowa, co oznacza, że w zależności od wartości temperatury, rezystancja zmienia się szybciej lub wolniej. Nieliniowość jest cechą zdecydowanej większości czujników analogowych – nie tylko w grupie sensorów temperatury.

Termoparaczujnik produkowany przez połączenie ze sobą dwóch cienkich drucików różnych metali – co ciekawe, miejsce styku tych materiałów generuje niewielkie napięcie (najczęściej na poziomie mikrowoltów), zależne od różnicy temperatur pomiędzy złączem a wolnymi końcami obu drutów. Termopary pozwalają na wykonywanie bardzo precyzyjnych pomiarów temperatury, ale także charakteryzują się pewną nieliniowością i wymagają bardzo czułych wzmacniaczy oraz tzw. kompensacji zimnych końców (czyli określenia temperatury zakończeń drutów w celu ustalenia temperatury złącza). Nagrodą za zastosowanie złożonych układów wejściowych jest możliwość prowadzenia pomiarów w bardzo szerokim zakresie temperatur, obejmującym wartości od -200 oC do nawet 1800 oC.

Rezystory termoelektryczne – specjalne rezystory, wykonywane głównie z platyny (np. kultowy PT100 i PT1000, chętnie stosowane w przemyśle i aparaturze laboratoryjnej), których rezystancja zależy od temperatury. Oferują dość wysoką liniowość, choć w dokładnych pomiarach i tak konieczna jest korekcja „krzywizny” charakterystyki.

Scalone czujniki temperatury – wiele układów scalonych (np. LM35) umożliwia prosty pomiar temperatury z zachowaniem doskonałej liniowości oraz dużej czułości. Tego typu układy, zasilone napięciem stałym z określonego przez producenta zakresu, generują na wyjściu napięcie zależne od temperatury i dobrze scharakteryzowane za pomocą funkcji liniowej. Wspomniany układ LM35 jest wyskalowany fabrycznie w taki sposób, że napięcie na wyjściu przyrasta (od zera) o 10 mV/oC – można zatem z jego pomocą bez problemu zbudować całkiem porządny termometr cyfrowy lub analogowy, nie martwiąc się przy tym o nieliniowość i konieczność sztucznego przesuwania wskazań względem zakresu pomiarowego (tzw. offset).

Jak widzisz, nawet tak podstawowa wielkość, jak temperatura, może być mierzona za pomocą rozmaitych czujników reagujących na zmiany temperatury zmianą rezystancji bądź napięcia wyjściowego. Ciekawym i dość rzadkim w skali całej elektroniki przykładem jest tutaj termopara, która – w odróżnieniu od pozostałych wymienionych czujników – nie wymaga zasilania, gdyż sama generuje napięcia zależne od temperatury; jest zatem… źródłem napięcia!

Analogowe czujniki światła

Do czujników analogowych można także zaliczyć różnej maści sensory oświetlenia – fotorezystory, fotodiody i fototranzystory.

Fotorezystory – jak sama nazwa wskazuje, są to rezystory (półprzewodnikowe!), których rezystancja zależy od poziomu oświetlenia. Są to czujniki proste w użyciu, chętnie stosowane w czujnikach zmierzchowych i robotach typu light-follower („światłolub”) z uwagi na dobrą czułość w zakresie światła widzialnego.

Fotodiody – rodzaj diod krzemowych, które mogą pracować w trybie fotowoltaicznym lub w trybie fotoprzewodzenia. W tym pierwszym fotodioda pracuje jako… miniaturowe ogniwo słoneczne, generujące niewielkie napięcie po oświetleniu krzemowej struktury elementu. W trybie fotoprzewodzenia fotodioda działa w sposób podobny do fotorezystora, reagując zmianami przepływającego przez nią prądu (czyli zmienia się jej rezystancja) w odpowiedzi na zmiany natężenia światła.

Fototranzystory – najprościej rzecz ujmując, są to tranzystory sterowane światłem zamiast… prądem bazy. Choć na rynku znajdziemy fototranzystory trzykońcówkowe, w których prądem kolektora można sterować zarówno przez zmianę prądu bazy (niczym w klasycznym tranzystorze bipolarnym NPN), jak i oświetleniem, to zdecydowanie najczęściej spotykane są fototranzystory dwukońcówkowe, nieróżniące się wizualnie od diod LED.

Inne rodzaje czujników analogowych

Do czujników analogowych zaliczamy także wszelkie mniej lub bardziej rozbudowane sensory, pozwalające na pomiar różnych wielkości fizycznych i parametrów. Popularne czujniki wilgotności reagują zmianą napięcia wyjściowego lub rezystancji na zmiany wilgotności względnej powietrza (wyrażonej w procentach).

Analogowe czujniki odległości to tak naprawdę złożone układy elektroniczne, zintegrowane z miniaturową optyką. Działają w oparciu o tzw. metodę triangulacji (pomiar kąta odbicia wiązki podczerwieni, wysłanej przez nadajnik w stronę przeszkody), a wynik jest przedstawiany w postaci napięcia wyjściowego. Kultowe już czujniki z serii GP2Y (np. GP2Y0A21YK0F) są chętnie stosowane w wielu urządzeniach, w tym w szczególności w robotach mobilnych.

Podsumowanie

Przedstawione w tym artykule rodzaje czujników analogowych stanowią zaledwie niewielką część dostępnych w sprzedaży sensorów. Dziś trudno znaleźć wielkość fizyczną, dla której elektronicy i fizycy nie wypracowali przynajmniej kilku różnych rodzajów czujników. Co bardzo ważne, szczególnie w przypadku pomiarów tzw. wielkości nieelektrycznych (np. temperatury, oświetlenia czy wilgotności) zawsze posługujemy się tymi samymi pojęciami, pozwalającymi na scharakteryzowanie parametrów czujnika: czułością, dokładnością, stabilnością (np. w funkcji temperatury) czy też nieliniowością. Wszystkie te pojęcia „przemyciliśmy”, niejako mimochodem, przy okazji opisu poszczególnych grup sensorów – dzięki temu nie wchodząc w szczegóły matematyczne, poznałeś najważniejsze cechy ułatwiające opisywanie i porównywanie różnych czujników analogowych.