Как работают почти все датчики

Электроника ничего не знает про свет, температуру и кислород. Когда говорят о современных электронных устройствах, обычно вспоминают микроконтроллеры, дисплеи, процессоры или искусственный интеллект.

Но есть одна интересная особенность.

Ни один микроконтроллер сам по себе не умеет измерять:

• температуру;
• давление;
• освещённость;
• влажность;
• содержание кислорода;
• расстояние;
• магнитное поле.

Для него всё это просто не существует. Он умеет работать только с электрическими сигналами. Именно поэтому между окружающим миром и электроникой всегда стоит датчик.

Что на самом деле делает любой датчик

Представьте, что нужно измерить температуру воздуха. Температура — это физическая величина. Она не течёт по проводам. Не имеет напряжения. Не имеет двоичного кода. Поэтому датчик сначала превращает температуру в электрический сигнал, а уже этот сигнал измеряет микросхема. Именно это и является основной задачей любого датчика.

Преобразовать одно физическое явление в другое.

Но электрические сигналы бывают разными

Дальше начинаются различия в зависимости от того, что именно "выдаёт" датчик. Вариантов не так много:

1. сопротивление;

2. напряжение;

3. ток;

4. частоту;

Некоторые датчики сразу передают готовые цифровые данные по:

• I²C;
• SPI;
• UART;
• CAN.

Но даже цифровой датчик внутри всё равно сначала получает аналоговый электрический сигнал, а уже потом преобразует его встроенной электроникой.

Самый простой пример — фоторезистор

*Знатоки скажут, что напряжение может не только уменьшаться, но и наоборот расти в зависимости от того где в делителе установлен фоторезистор, но в данной статье мы этим пренебрежём.

Фоторезистор знаком почти каждому. Когда становится светлее, его сопротивление уменьшается. Когда темнее — увеличивается.

Сам по себе он ничего не измеряет. Он просто меняет сопротивление. А дальше микроконтроллер измеряет ток или напряжение в делителе и вычисляет освещённость.

Получается довольно интересная цепочка.

Свет 🡢 Измерение сопротивления 🡢 Изменение тока 🡢 Измерение напряжения 🡢 АЦП Контроллера 🡢 Значение.

Фотодиод работает иначе

Фотодиод уже способен сам генерировать небольшой фототок. Чем больше света, тем больше носителей заряда появляется внутри полупроводника. Тем больше ток. Поэтому именно фотодиоды используют там, где требуется высокая скорость измерений.

Например:

• оптоволоконная связь;
• энкодеры;
• лазерные дальномеры.

Кислород тоже можно "измерить током"

Хороший пример — лямбда-зонд автомобиля. Многие удивляются, но внутри него нет никакой химической лаборатории. Используется специальная керамика на основе диоксида циркония. При высокой температуре она начинает проводить ионы кислорода. Если концентрация кислорода с двух сторон различается, возникает разность потенциалов. Именно её измеряет электронный блок управления двигателем.

То есть электроника снова измеряет электрический сигнал, а не кислород.

А как измеряют температуру?

Вариантов несколько.

Терморезистор просто меняет сопротивление. Термопара вообще сама создаёт небольшое напряжение. Цифровой датчик температуры сначала измеряет напряжение внутри собственного кристалла, а затем отправляет уже готовое число по цифровой шине.

Но принцип остаётся тем же: физическое явление превращается в электрический сигнал.

Почему промышленность любит ток 4–20 мА

Если открыть шкаф промышленной автоматики, почти наверняка встретится интерфейс 4–20 мА.

Почему именно ток?

Потому что ток почти не зависит от сопротивления длинного кабеля. Можно проложить десятки, а иногда и сотни метров линии связи, не опасаясь серьёзной погрешности.

Поэтому большинство промышленных датчиков давления, уровня, расхода используют именно токовую петлю.

А цифровые датчики?

Кажется, что цифровой датчик полностью отличается от аналогового. На самом деле нет.

Внутри любого цифрового датчика обычно находятся:

• чувствительный элемент;
• аналоговый усилитель;
• фильтр;
• АЦП;
• микроконтроллер;
• цифровой интерфейс.

То есть сначала происходит обычное аналоговое измерение, и только потом появляются красивые пакеты данных по I²C или SPI.

Получается, электроника измеряет только электричество?

Именно так.

Микроконтроллер ничего не знает о:

• свете;
• влажности;
• газах;
• ускорении;
• магнитном поле.

Для него существует только:

• напряжение;
• ток;
• сопротивление;
• частота;
• цифровые данные.

Всё остальное за него уже сделал датчик.

Вместо вывода

Современные датчики могут выглядеть совершенно по-разному. Одни используют свет. Другие — магнитное поле. Третьи — химические реакции. Четвёртые — ультразвук. Но всех их объединяет одна простая идея.

Любой датчик — это переводчик между физическим миром и электроникой.

Он превращает реальные процессы окружающего мира в электрический сигнал. А уже этот сигнал измеряет, обрабатывает и интерпретирует электронное устройство.