📣Для поддержания длительного тока в проводнике необходимо поддерживать постоянную разность потенциалов между его концами. Эту роль выполняют источники постоянного тока (постоянного напряжения) – гальванические элементы, аккумуляторы и генераторы постоянного тока.

💡Прежде чем перейти к определению данных понятий, давайте остановимся на понятии “’элемент”. Элемент – это электрическое устройство, которое при подключении к цепи генерирует разность потенциалов, что приводит к перетеканию ионов или заряда от более высокого потенциала к более низкому.

⚠️Элемент – это единичный источник энергии. При объединении нескольких элементов для создания разности потенциалов они образуют – батарею.

В зависимости от типа преобразования энергии их делят на 2 вида:

1️⃣Электролитический элемент, который преобразовывает электрическую энергию в химическую. Поток электронов протекает от анода к катоду.

2️⃣Электрохимический элемент, который преобразовывает химическую энергию в электрическую. Поток электронов протекает от катода к аноду.

Также элементы разделяют на первичные и вторичные:

1️⃣Первичные элементы – это элементы, который не перезаряжаются. Как только запасенная энергия в них расходуется, они становятся бесполезными, то есть по своей сути являются одноразовыми.

2️⃣Вторичные элементы – это перезаряжаемые элементы. Данные устройства основаны на принципе обратных химических реакций и являются более экономичными и экологически чистыми, чем первичные элементы.

📣Гальванический элемент – это устройство, в котором химическая реакция используется для производства электрической энергии.

❓Так, энергия Гиббса спонтанной окислительно-восстановительной реакции преобразуется в электрическую, которая используется для питания различных устройств.

🤫Принцип работы гальванического элемента рассмотрим на примере элемента Даниэля, изобретённого британским химиком Джоном Даниэлом в 1836 году.

💡Элемент Даниэля состоит из двух электродов: цинкового, помещенного в раствор ZnSO4 и медного, помещенного в раствор СuSO4. При этом цинковый электрод служит анодом, а медный — катодом. При химической реакции цинка с серной кислотой происходит окисление цинка с образованием ионов Zn2+ и выделением электронов. Эти электроны поступают на медный электрод, где происходит восстановление ионов в медь.

🥸Таким образом, в результате химической реакции в элементе Даниэля происходит перенос электронов через внешнюю цепь, что обеспечивает возникновение разности потенциалов между двумя электродами. Данный потенциал можно использовать для подачи тока во внешнюю цепь и питания электрических устройств.

❓Аккумулятор, как и гальванический элемент, является химическим источником постоянного тока. Однако, в отличие от гальванического элемента, образующиеся в аккумуляторах в результате химических реакций соединения, могут быть разложены и доведены до первичного состояния. Иными словами, химическая энергия превращается в электрическую и наоборот.

⚠️Принцип работы аккумулятора рассмотрим на примере свинцового аккумулятора, часто применяемого в автомобилестроении.

💡Свинцовый аккумулятор состоит из емкости, заполненной дистиллированной водой с добавлением серной кислоты, и двух пластин, помещенных в нее. Первая пластина изготовлена из чистого свинца, вторая – из диоксида свинца.

💯Чистый свинец является более активным веществом. Так, из свинцовой пластинки в раствор выходят положительно заряженные ионы, тем самым заряжая ее отрицательно.
Диоксид свинца менее активен и растворяется слабее. Молекулы диоксида свинца, соединяясь с молекулами воды, разделяются на отрицательные ионы OH и положительные ионы четырехвалентного свинца, которые в дальнейшем осаждаются на пластинке, заряжая ее положительно.

Процесс зарядки:

1️⃣При зарядке аккумулятора подается постоянное напряжение, что приводит к преобразованию химической энергии в электрическую.

2️⃣В процессе зарядки происходит реакция, в результате которой свинец окисляется до свинцового диоксида на положительной пластине, а на отрицательной пластине происходит обратная реакция, восстановление свинца.

3️⃣Это приводит к накоплению электрической энергии в аккумуляторе.

Процесс разрядки:

1️⃣ При использовании аккумулятора, химическая энергия превращается обратно в электрическую энергию.

2️⃣Свинцовый диоксид на положительной пластине и свинец на отрицательной пластине реагируют с серной кислотой, выделяя электроны.

❓Генератор постоянного тока - это электротехническое устройство, способное на выводе формировать напряжение с постоянной частотой.

Стандартный генератор постоянного тока состоит из 4 основных элементов:

▪️Пары разнополюсных магнитов
▪️Вращающейся проводящей рамки
▪️Коллектора (Нужен для выпрямления ЭДС)
▪️Щетки (Предназначены для передачи тока)

🤫Принцип работы генератора постоянного тока строится на законе электромагнитной индукции. Так, во вращающейся рамке, пересекающей магнитный поток, возникает ЭДС (электродвижущая сила) и в следствие этого - ток. Данный процесс будет подробно описан в следующем разделе CSI BASE.

📣Завтра начнется публикация одной из важнейших частей раздела "Устройства в роботах" - "Датчики".

❓Всего было подготовлено свыше 20 статей, охватывающих описание различных датчиков, часто использующихся при проектировании роботов.

‼️Просим вас, дорогие читатели, в случае нахождения неточностей или различного рода ошибок в наших статьях, указывать о них в комментариях или в личных сообщениях (@csi_robo). Мы стараемся сделать материал максимально информативным и точным, чего без вашей помощи нам не добиться.

❓Датчик - это аналог органам чувств человека у роботов. Датчики — это устройства, которые преобразуют физические параметры окружающей среды в электрические сигналы, которые получает и анализирует система управления робота.

Датчики разделяют на два основных вида:

1️⃣Внутренние датчики. Они отслеживают данные и параметры, касающиеся самого робота: скорость перемещения, ускорение, напряжение в системе питания.

2️⃣Внешние датчики. Они собирают информацию об окружающей среде, позволяя роботу ориентироваться в пространстве и взаимодействовать с объектами

💡Современные роботы используют целый комплекс внутренних и внешних датчиков для достижения поставленной перед ними задачи с максимальной эффективностью.

❓Датчик перемещения - датчик, который определяет величину перемещения робота (углового, линейного) и параметры его движения. Подобные датчики важны для навигации, управления и взаимодействия робота с пространственными объектами.

Датчики перемещения в целом делятся на 2 вида:

1️⃣Линейные датчики перемещения, определяющие основные параметры и величину перемещения линейно двигающихся объектов. По принципу действия их разделяют на 3 основных вида:

1️⃣🔤1️⃣Потенциометрические. В своей основе имеют электрический контур, содержащий потенциометр (переменный резистор). Детектор фиксирует изменение напряжения на выходе, которое в дальнейшем преобразуется в цифровой или аналоговый сигнал.

1️⃣🔤2️⃣Индуктивные. В своей основе имеют электрический контур, содержащий катушку индуктивности. Детектор фиксирует изменения индуктивности и преобразует полученные данные в цифровой или аналоговый  сигнал.

1️⃣🔤3️⃣Магнитострикционные.  Принцип работы основывается на эффекте магнитострикции, эффекта, при котором изменение состояния намагниченности тела приводит к изменению его размеров.

2️⃣Угловые датчики перемещения, определяющие  основные параметры и величину перемещения вращающихся тел.

📣Датчик скорости - датчик для отслеживания скорости движения робота и других объектов. Данный датчик в первую очередь применяется для повышения точности работы приводов и плавности хода.

Выделяют несколько основных видов датчиков скорости:

1️⃣Оптический датчик скорости. Принцип его работы основан на фиксации изменения интенсивности света или лазерного луча при его пересечении объектом с определённой скоростью. Такие датчики охватывают как правило большой диапазон скоростей.

2️⃣Магнитный датчик скорости. Принцип его работы основан на законе электромагнитной индукции, когда в ходе движения магнитного объекта вблизи катушки в ней возникает электрический ток, изменения которого дают нам право судить о скорости движения объекта. 

3️⃣Электромеханический датчик скорости. Принцип его работы основан на преобразовании механического вращения вала в электрический сигнал. Такие датчики часто применяются в автомобилестроении для фиксации скорости машины.

4️⃣Доплеровский радарный датчик. Принцип его работы основан на эффекте Доплера. Радар излучает радиоволны, которые отражаются от движущегося объекта и возвращаются в приемник устройства с определенным изменением частоты (или длины) волн. Анализ изменений частоты или длины волны позволяет вычислить скорость движения объекта. 

5️⃣Пьезоэлектрический датчик. Принцип его работы основан на свойствах пьезоэлементов, которые при изменении их геометрических размеров генерируют электрический ток. Фиксация подобных мельчайших изменений и предоставляет нам возможность получения необходимых показателей.

👀Датчики скорости активно используют в медицине, автомобилестроении, авиации и промышленном производстве.

🔔Гироскоп — это устройство, отвечающее за балансировку и стабилизацию движения робота или его подвижных частей, на которые он установлен. Он измеряет скорость и направление наклона объекта.

❓Гироскоп получил широкое применение в промышленной робототехнике. Так, он устанавливается на движущиеся части промышленного робота, что позволяет оператору или системе оценивать их положение в пространстве, обеспечивая повышение точности и эффективности проведения работ.

⚠️Принцип работы устройства основан на законе сохранения момента импульса (углового момента). О нем будет рассказано в следующем разделе.

❓Современные роботы не просто двигаются по определенному алгоритму, многие из них становятся все более адаптированы к взаимодействию с окружающей средой. Ключевым устройством, позволяющим роботу взаимодействовать с внешним миром, является датчик силы.

Главные задачи, которые стоят перед датчиком силы:

▪️Контроль силы захвата
▪️Аналог тактильным органам чувств
▪️Соблюдение равновесия

💡Принцип работы датчиков силы основан на преобразовании механического воздействия в электрический сигнал.

В целом датчики силы можно разбить на 4 вида:

1️⃣Тензометрические датчики. Их принцип основан на изменении электрического сопротивления материала при его деформации. В результате изменения сопротивления можно судить о величине приложенной силы.

2️⃣Пьезоэлектрические датчики. О них мы уже упоминали в наших предыдущих статьях. Их механическая деформация приводит к возникновению электрических зарядов.

3️⃣Ёмкостные датчики. Их принцип основывается на сжатии под действием силы пластин конденсатора (ему в дальнейшем будет посвящена отдельная статья), что изменяет его ёмкость. Анализируя степень ее изменения, можно судить о величине приложенной силы.

4️⃣Оптоволоконные датчики. Принцип работы подобных датчиков основывается на преобразовании измеряемых параметров в световой сигнал, который в дальнейшем анализируется в специальных устройствах.

🙂Датчики силы получили широкое применение в промышленных и коллаборативных роботах, протезах и манипуляторах.

📣Наряду с датчиком силы, который является аналогом тактильных органов чувств у робота, не менее важным сенсором является - датчик звука, выполняющий функции человеческого уха. Он позволяет роботам получать информацию из окружающей среды, анализировать ее и соответственно реагировать нужным способом.

❓В целом принцип работы у таких датчиков один: Устройство улавливает звуковые волны и, когда они достигают чувствительного элемента (к примеру, мембраны), волны вызывают колебания, которые в дальнейшем преобразуются в электрический сигнал. В дальнейшем данные сигналы обрабатываются микроконтроллером.    

⚠️К основным параметрам звуковых датчиков относятся: чувствительность к звуку, диапазон частот, способность воспринимать звук из определенного направления и другие.

Выделяют 4 основных вида звуковых датчиков:

1️⃣Микрофоны. Известные всем датчики для записи звука и распознавания речи.

Принцип работы простейшего микрофона: Звуковые волны заставляют колебаться диафрагму внутри микрофона, которая передает движение проводнику, который, перемещаясь в магнитном поле, согласно закону электромагнитной индукции, индуцирует электрический ток.

2️⃣Акустические датчики ударных волн, реагирующие на резкие звуковые импульсы, к примеру, хлопок в ладоши.

3️⃣Датчики уровня звука, измеряющие громкость, интенсивность и другие параметры измеряемого звука.

4️⃣Ультразвуковые датчики, улавливающие звуки, недоступные для восприятия человеческому слуховому аппарату. Широко используются в навигации, а в основе их функционирования лежит принцип эхолокации, когда измерение времени возврата звуковых волн предоставляет нам точные данные о расстоянии до какого-либо объекта. Про ультразвуковой датчик в дальнейшем будет опубликована отдельная статья.

🙂Датчики звука применяются в робототехнике для возможности голосового управления роботами, навигации, контроля громкости звука и т.д

Начальные 15 (18) статей раздела "Устройства в роботах" CSI BASE уже доступны на нашем сайте!

🔗Ссылка: csifuture.com/csibase

📣Сейчас полностью опубликованы 2 раздела статей: "Робототехника: наука о роботах" и "Механизмы в роботах". Теперь стали доступны первые статьи раздела "Устройства в роботах".

⌛С завтрашнего дня в нашем Telegram-канале CSI BASE начнется публикация 16-30 статей раздела "Устройства в роботах", после чего они также будут опубликованы на нашем сайте.

📣Световые датчики играют важную роль, позволяя роботам воспринимать изменения освещённости, различать цвета, ориентироваться в пространстве и реагировать на внешние световые сигналы. Датчики света - аналоги зрительным органам чувств человека у роботов.

Принцип работы светового датчика:

💡Световой датчик преобразует световые потоки в электрический сигнал. Основным элементом таких сенсоров чаще всего служит фотодиод, фоторезистор или фототранзистор. Работа таких устройств основана на фотоэффекте.

В природе существует 4 вида фотоэффекта:

1️⃣Внутренний фотоэффект - переход электронов из связанного состояния в свободное без испускания наружу, что повышает их концентрацию внутри тела и увеличивает электропроводность тела (величина, обратная сопротивлению). Имеется красная граница фотоэффекта, частота излучения, не достигнув которую невозможно наблюдать фотоэффект.

2️⃣Внешний фотоэффект - явление вырывания электронов вещества под действием электромагнитного излучения, что создаёт фототок. Имеется красная граница фотоэффекта, частота излучения, не достигнув которую невозможно наблюдать фотоэффект.

3️⃣Вентильный фотоэффект - разновидность внутреннего фотоэффекта, который заключается в возникновении ЭДС при освещении контакта двух полупроводников или проводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Так, при поглощении кванта (неделимая порция чего-либо) полупроводником освобождается пара электрон-дырка, которые перетекают в разных направлениях. На одном полупроводнике образуется избыток дырок, на другом - избыток электронов, что создаёт разность потенциалов (напряжение). Имеет аналогичную красную границу фотоэффекта.

4️⃣Многофотонный фотоэффект - фотоэффект, когда, к примеру, электрон поглощает за раз два фотона, а не один, как при обычных условиях. Данный вид фотоэффекта происходит при высокой интенсивности света.

❗️По фотоэффекту будет опубликована отдельная статья в следующем разделе CSI BASE.

Основные параметры:
▪️Чувствительность
▪️Диапазон восприятия (спектр световых волн, которые способен уловить датчик)
▪️Время отклика — скорость реакции датчика на изменение света.
▪️Угол обзора — область пространства, из которой датчик улавливает свет.

Выделяют следующие виды датчиков света:

1️⃣Фоторезисторы, изменяющие свое сопротивление при облучении светом. В основе их работы лежит внутренний фотоэффект.

2️⃣Фотодиоды. Принцип их работы основывается на внутреннем фотоэффекте. Используются для быстрой регистрации световых сигналов.

3️⃣Фототранзисторы — работают аналогично фотодиодам, но усиливают сигнал, что делает их более чувствительными. В основе их работы лежит внутренний фотоэффект.

4️⃣Инфракрасные (ИК) датчики — улавливают невидимое для глаза инфракрасное излучение. Принцип их работы заключается в обнаружении изменений инфракрасного излучения объектов. (будет отдельная статья)

5️⃣Цветовые датчики — различают цвета, анализируя интенсивность света в разных спектральных диапазонах (RGB). Разные цвета света имеют разную частоту и длину.  Так, красный цвет имеет наибольшую длину, но наименьшую частоту, а фиолетовый цвет - наибольшую частоту и наименьшую длину. По данной теме будут опубликованы отдельные статьи в следующем разделе CSI BASE.

❓Температурные датчики играют важную роль в робототехнике, обеспечивая контроль рабочих условий, защиту оборудования и анализ окружающей среды. Они позволяют роботам адаптироваться к изменениям температуры, предотвращать перегрев и обеспечивают корректную работу устройства.

⚠️Температурные датчики измеряют температуру с помощью различных физических принципов, таких как изменение сопротивления, напряжения или анализ инфракрасного излучения. 

Основные характеристики:
▪️Диапазон измеряемых температур.
▪️Точность измерения
▪️Совместимость с электроникой устройства
▪️Устойчивость к внешним воздействиям

Выделяют следующие виды датчиков температуры:

1️⃣Терморезисторы – изменяют сопротивление при изменении температуры. Изготавливаются из полупроводников. Главным параметром является температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Выделяют два типа терморезисторов: термистор (отрицательный ТКС, с ростом температуры его сопротивление падает) и позистор (положительный ТКС, с ростом температуры его сопротивление растет).

2️⃣Термопары – генерируют напряжение, зависящее от разницы температур между двумя проводниками. Принцип работы термопара основан на термоэлектрическом эффекте (эффект Зеебека). Эффект Зеебека - явление возникновения ЭДС на концах последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

3️⃣Полупроводниковые датчики. Изготавливаются из полупроводников. Принцип их работы основывается на зависимости напряжения на p-n переходе (электронно-дырочный переход) от температуры.

4️⃣Инфракрасные датчики (пирометр) определяют температуру по интенсивности инфракрасного излучения. Принцип их работы основывается на анализе инфракрасного излучения, невидимого для человеческого глаза. Так, нагретые тела выступают источниками инфракрасного излучения. Чем сильнее нагрето тело – тем выше интенсивность излучения. Датчик анализирует данный показатель и переводит полученные данные в электрический сигнал.

🍩Добрый день, дорогие читатели!

🙂Приносим свои извинения за задержку публикаций статей из цикла CSI BASE.

👀В течение завтрашнего дня будет опубликовано сразу 3 статьи на темы: ультразвуковой датчик, датчик влажности, лидар. Постараемся как можно быстрее произвести публикацию в целом 30 статей, после чего дополнительные 15 глав появятся на нашем сайте csifuture.com/csibase

👀Ультразвуковой датчик – это устройство, которое использует ультразвуковые волны для измерения расстояния до объекта или проверки его присутствия в определенной области пространства.

❓Принцип их работы основан на эхолокации. Они излучают ультразвуковые волны, которые отражаются от объектов и возвращаются обратно. Измерив время, за которое волна проходит расстояние туда и обратно, можно судить о расстоянии до объекта. Конечно же, при условии того, что робот движется, также учитывают и расстояние, пройденное телом за время возврата ультразвуковых волн.

💡Углубимся в принцип работы устройства: датчик с помощью пьезоэлектрического преобразователя генерирует ультразвуковые волны, которые при столкновении с объектом отражаются в обратную сторону. Датчик принимает их обратно путем использования все того же пьезоэлемента. Все параметры, такие как время возврата волн и собственная скорость движения тела, анализируются и мы получаем данные о расстоянии от ультразвукового датчика до преграды, отражающей ультразвуковые волны. К слову, скорость распространения ультразвуковых волн в воздухе при нормальных условиях 340м/c.

При расчетах часто используют эффект Доплера. Эффект Доплера — это изменение частоты или длины волн (звуковых, световых и т.б), наблюдаемое при относительном движении источника волн и наблюдателя. Если источник движется к наблюдателю, частота волн увеличивается (их длина уменьшается), а если источник удаляется — частота уменьшается (длина волн увеличивается).

🤫Ультразвуковые датчики отлично зарекомендовали себя в навигации на местности, определении наличия объектов в пространстве и расстояния до них, целях проведения подводных и подземных исследований или в любой другой миссии в условиях низкой видимости.

🔔Лидар (англ. LiDAR - Light Detection and Ranging) – это своеобразный аналог ультразвуковому датчику, выполняющий схожие функции.

💡Принцип работы лидара основывается на использовании лазерного излучения и чем-то напоминает устройство ультразвукового датчика. Лазер – это источник когерентных (волны одинаковой частоты и разности фаз, следующий раздел CSI BASE) электромагнитных волн, способный создавать крайне концентрированные пучки световой энергии. Таким образом, лидар создает лазерный луч. После отражения от объекта детектор принимает его обратно и, учитывая время возврата и собственную скорость объекта, выявляет расстояние до какого-либо тела в пространстве. При расчетах часто используют эффект Доплера, описанный в предыдущей статье.

Выделяют два вида лидаров по типу излучаемого сигнала:

1️⃣Импульсные лидары, излучающие короткие импульсы света и измеряющие время их возвращения. Подобный вид датчиков широко используется в геодезии.

2️⃣Лидары, работающие в непрерывном режиме, которые излучают постоянный непрерывный лазерный луч, и измеряют расстояние на основе частотных модуляций.

❓Лидары широко применяются в автомобилестроении, геодезии, археологии, навигации, картографии, сельском хозяйстве, позволяя точно определять расстояние до объекта и при больших расстояниях.

👀Ток – это направленное движение заряженных частиц. Когда ток протекает по проводнику, можно наблюдать его нагревание, проявление магнитного действия и другие явления. Одним из главных условий существования тока в цепи является наличие электрического поля, которое обеспечивает упорядоченное движение заряженных частиц.

⚠️Электрический заряд – физическая скалярная величина, показывающая способность тел принимать участие в электромагнитных взаимодействиях или быть источником таких полей. 

🤫Сила тока – это физическая величина, определяющаяся зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника за единицу времени.  Примечательно, что проводник – это вещество, материал или среда, хорошо проводящие электрический ток вследствие наличия свободных носителей заряда. Стоит отметить, что сила тока измеряется в амперах (А), откуда и происходит название рассматриваемого в данном пункте прибора – амперметра.

💡Амперметр – это прибор для измерения силы тока.

📣Амперметр включают в цепь последовательно с нагрузкой. Это обусловлено тем, что при последовательном соединении сила тока на всех участках одинакова. 

❓Амперметр имеет клеммы, помеченные знаками + и -. Обратите внимание, что при включении амперметра в цепь необходимо, чтобы провод от положительной клеммы источника тока был соединен с плюсом амперметра, а отрицательной клеммы источника с его минусом.

🥸Существует также понятие идеального амперметра. Это такой амперметр, у которого отсутствует внутреннее сопротивление (ближайшая статья) Напряжение (ближайшая статья) на таком приборе всегда равно нулю, а сам он эквивалентен кусочку провода.

‼️Все расчетные формулы будут приведены в следующем разделе CSI BASE.

🔔В современном мире мы часто можем встретить выражения “высокое напряжение”, “опасное для жизни напряжение” и тому подобное. Так что же это все-таки такое?

📣В прошлом пункте нами уже было упомянуто, что важнейшим условием существования тока в цепи является наличие электрического поля, которое собственно и обеспечивает упорядоченное движение частиц. По ходу передвижения на заряд действует сила (следующий раздел CSI BASE) а вследствие и совершается определенная работа (следующий раздел CSI BASE). Таким образом, поле, совершая определенную работу, способно перемещать заряд из одной точки цепи в другую.

🥸Так вот, напряжение – это физическая величина, которая равна отношению работы по перемещению заряда к его величине. Напряжение принято измерять в вольтах (В).

❓Вольтметр – это прибор для измерения напряжения в цепи.

👀Вольтметр включают в цепь параллельно нагрузке. Это обусловлено тем, что напряжение на параллельных участках цепи равно.

🤫Клеммы вольтметра как и у амперметра имеют обозначения + и -. Обратите внимание, что при включении вольтметра в цепь необходимо, чтобы провод от положительной клеммы источника тока был соединен с плюсом вольтметра, а отрицательной клеммы источника с его минусом.

⚠️Следует также ввести важное утверждение – “ Электрический ток существует при наличии напряжения на концах участка цепи.”

💡Стоит отметить, что существует и идеальный вольтметр. Это вольтметр, обладающий бесконечным внутренним сопротивлением (ближайшая статья). Такой прибор не пропускает через себя электрический ток и эквивалентен разрыву цепи.

‼️Все расчетные формулы будут приведены в следующем разделе CSI BASE.

🔔Ещё 9 статей из цикла CSI BASE будут опубликованы до конца текущей недели, после чего дополнительные 15 статей будут доступны на сайте нашего проекта.

🙂Извиняемся за задержку публикации статей, которая связана с реализацией проектов CSI RoboTime и CSI Lab RoboProject, ознакомится с которыми можно в нашем основном паблике "Робототехника CSI"