❓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"

📣Рассматривая электрические цепи, мы часто сталкиваемся с понятием "сопротивление". Именно оно определяет, как сильно цепь препятствует прохождению тока. Роль элемента, создающего это сопротивление, играет резистор.

❓Резистор – это пассивный электрический компонент, предназначенный для создания определённого сопротивления в цепи. Его основная функция — ограничение тока и распределение напряжения.

⚠️Сопротивление резистора обозначается буквой R и измеряется в Омах. Чем выше сопротивление, тем меньший ток проходит через резистор при постоянном напряжении (Закон Ома, который будет рассмотрен в следующем разделе CSI BASE)

🤫Резисторы бывают постоянными (с фиксированным значением сопротивления) и переменными (значение можно изменять). Реостат — яркий пример переменного резистора, который позволяет вручную управлять потоком электрического тока, уменьшая или увеличивая сопротивление.

👀Резисторы можно соединять последовательно или параллельно. Последовательное
соединение увеличивает общее сопротивление цепи, а при параллельном — общее сопротивление уменьшается. Подробности — в следующем разделе CSI BASE.

💡Примечательно, что резистор при прохождении через него тока нагревается, поскольку происходит выделение тепла. Это явление описывается законом Джоуля–Ленца (в следующем разделе CSI BASE).

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

👀Тепловизор — это устройство, фиксирующее инфракрасное излучение и преобразующее его в визуальное изображение температурных различий.

⚠️Инфракрасное излучение - это излучение, которое испускают все объекты, температура которых выше абсолютного нуля (0 Кельвинов или -273°С).

🤫Абсолютный нуль – температура, при которой прекращается тепловое движение молекул. О нем ещё будет упомянуто в следующем разделе CSI BASE (термодинамика)

🔔Инфракрасное излучение невидимо для человеческого глаза, однако его способен уловить тепловизор.

💡Принцип работы: Тепловизор оснащен специальной оптической системой, которая фокусирует инфракрасное излучение на детектор. Детектор преобразует инфракрасное излучение в электрический сигнал. Электрический сигнал усиливается и обрабатывается, конвертируясь в цветное изображение, где разные цвета соответствуют разным температурам, благодаря чему можно предельно точно определить температуру объекта.

🥸В робототехнике они находят всё более широкое применение благодаря способности «видеть» тепло даже в полной темноте, сквозь дым или лёгкие преграды. Это делает тепловизоры незаменимыми устройствами в задачах навигации, осуществления поисково-спасательных операций, диагностики и контроля окружающей среды.

❓Датчики влажности — важный компонент в современной робототехнике, особенно в системах, взаимодействующих с окружающей средой. Эти сенсоры измеряют уровень влажности воздуха или почвы и позволяют роботам адаптировать своё поведение в зависимости от условий окружающей среды.

Выделяют 4 наиболее популярных датчика влажности по принципу работы:

1️⃣Ёмкостный датчик влажности. Принцип его работы основан на изменении диэлектрической проницаемости (пост по конденсаторы выйдет в скором времени) среды в зависимости от насыщенности воздуха парами воды.

2️⃣Оптический датчик влажности. В основе работы данного датчика лежит понятие "точки росы" - состояния среды, при котором парообразная влага из воздуха оседает на поверхности в виде капель. Принцип его работы основан на подаче луча света на специальное зеркало, который после отражения улавливается фотоэлементом. Постепенное охлаждение поверхности зеркала приводит к конденсации водяных паров и рассеиванию отраженного светового луча. Интенсивность светового потока снижается, что заставляет снизится и величину тока, пропускаемого фотоэлементом. По изменения величины силы тока можно судить о влажности окружающей среды.

3️⃣Резистивный датчик влажности. Принцип его работы основывается на изменении сопротивления специального материала (оксид алюминия) при увлажнении. Измерение изменения сопротивления материала даёт нам право судить о величине увлажнения.

4️⃣Термисторный датчик влажности. В основе работы данного датчика лежит термистор - нелинейный резистор, сопротивление которого напрямую зависит от температуры. В конструкции используются два термистора, один из которых помещен в капсулу с сухим воздухом, а второй контактирует с окружающим воздухом. Со временем на втором термисторе оседают капли воды, которые, испаряясь, влияют на его физические показатели, а именно позволяют ему остывать быстрее, чем при обычных условиях. Анализируя данные изменения параметров термистора, можно судить о влажности окружающей среды.

👀Датчики влажности получили широкое применение в разработке агроботов, поисково-спасательных и домашних роботов.

‼️Оставшиеся статьи выйдут а течение завтрашнего дня.

🙂Извиняемся за очередную задержку .

❓Диод - это полупроводниковый элемент, способный проводить ток исключительно в одном направлении . Диод получил широкое распространение в электротехнике, используясь в целях защиты схем, выпрямления тока, индикации и т.д

💡Принцип работы диода строится на использовании двух различных полупроводников. Один из них p-типа, в котором имеется недостаток электронов (отрицательно заряженных частиц). На месте отсутствующего электрона, который покинул свое место в кристаллической решетке, появляется так называемая "дырка", условный положительный носитель заряда. Данный полупроводник - анод (положительный электрод) диода. Второй полупроводник - n-типа, где имеется избыток электронов (отрицательно заряженных частиц). Данный полупроводник - катод (отрицательный электрод) диода. На границе соприкосновения проводников образуется так называемый p-n переход.

👀И так, на границе p-n перехода происходит рекомбинация - процесс, при котором электрон из n-области встречается с дыркой из p-области. В n-области атомы, потерявшие электрон, становятся положительно заряженными ионами (донорами), а в p-области атомы, принявшие электрон, становятся отрицательно заряженными ионами (акцепторами). В итоге на границе остаются заряженные ионы, которые создают электрическое поле. На границе p-n перехода образуется так называемый потенциальный барьер или обедненная зона. Это невидимая "стенка", которая мешает электронам и дыркам переходить через границу между p- и n-областями. Данный барьер мешает протеканию тока.

⚠️Данный барьер можно преодолеть при помощи подачи внешнего напряжения.

1️⃣Если на анод диода подать "+", а на катод "-", то потенциальный барьер p-n перехода уменьшается. Носители заряда (электроны и дырки) начинают свободно пересекать границу. Ток протекает через диод.

2️⃣Если подсоединить к аноду "-", а к катоду "+", то барьер увеличивается. Ток через диод не течет.

❓Светодиод (LED - Light Emitting Diode) - электронное устройство, способное преобразовывать электрическую энергию в видимый свет.

⚠️Принцип работы светодиода основан на явлении электролюминесценции, когда электрический ток пропускается через полупроводниковый материал, что вызывает излучение фотонов.

👀Светодиод состоит из полупроводникового кристалла. Он содержит p- и n- типы слоев, которые образовывают p-n переход (электронно-дырочный переход). Подробнее о p-n переходе читайте в предыдущей статье "Диод".

💡Когда к светодиоду подаётся напряжение, происходит рекомбинация электронов и дырок, которая приводит к выделению энергии (испускание фотонов, частиц света).  Интенсивность света зависит от тока - чем он выше, тем выше и интенсивность.

Основные виды светодиодов: 

1️⃣Точечные светодиоды. Типичные светодиоды красного, зелёного, синего и других цветов.

2️⃣RGB-светодиоды Светодиоды, позволяющие формировать обилие оттенков за счёт смешивания цветов.

3️⃣ИК-светодиоды. Инфракрасные светодиоды, излучающие невидимый инфракрасный свет.

❓Светодиоды используются как индикаторы состояния, источники подсветки, элементы навигации и т.д

❓Ключ - это устройство или элемент схемы, который включает или выключает ток. Представьте обычный выключатель на стене: нажав на него один раз, свет загорится, второй раз - погаснет. Это и есть ключ, только в простом виде.

Ключи разделяют на следующие виды:

1️⃣Механические ключи, работу которых контролирует как правило человек. К ним относится типичная кнопка, которую мы подробно изучим в следующей статье.

2️⃣Электромеханические ключи (реле), которые управляются электрическим током. По ним выйдет отдельная статья (пункт 3.29)

3️⃣Электронные ключи, отличным примером которых служит транзистор, который мы подробно опишем в ближайших статьях.

Ключи применяются в целях:
▪️Управления подачей тока
▪️Автоматизации процессов
▪️Экономии энергии 
▪️Защиты электроцепей
▪️Управления мощными цепями с помощью слабого управляющего сигнала

❓Кнопка - это механический ключ, замыкающий или размыкающий электрическую цепь.

Кнопка используется в самых различных целях:
▪️Включение и выключение устройств
▪️Запуск программ и алгоритмов
▪️Переключение режимов работы
▪️Экстренное прерывание работы устройства

В робототехнике выделяют следующие виды кнопок:

1️⃣Тактовая кнопка, замыкающая цепь при нажатии. Как только палец будет отпущен - цепь снова разомкнется и ток перестанет течь.

2️⃣Кнопка на размыкание, которая при обычном режиме замыкает цепь, а при нажатии на нее - размыкает. Подобный вид ключа получил широкое применение в целях создания аварийных выключателей.

3️⃣Кнопка с фиксацией, которая сохраняет свое положение и размыкает или замыкает цепь вплоть до своего следующего нажатия. Удобна для включения определенного алгоритма программы, к слову, без необходимости удержания пальца в нажатом состоянии кнопки.

💡Стоит отметить, что при подключении к микроконтроллеру, один вывод кнопки подключается к земле (GND), а второй - к цифровому входу контроллера.

❓Реле - это устройство, которое включает или отключает электрическую цепь при помощи электромагнита, срабатывая автоматически при подаче тока.

👀Реле включает в себя катушку (электромагнит, создающий магнитное поле, когда по нему идёт ток), якорь (подвижная часть, притягиваемая к магниту) и контакты (проводники, способные замыкаться и размыкаться)

💡Пока катушка обесточена, контакты разомкнуты (цепь выключена). Как только на катушку подаётся ток — она становится магнитом, притягивая якорь, который замыкает контакт. Ток течет к нагрузке (к примеру, мотору). Когда ток в катушке пропадает — магнитное поле, создаваемое как раз таки током, исчезает, контакты возвращаются в исходное положение. Ток не течет.

❓"Но зачем нужно реле, если оно включается под действием тока и все можно подключить напрямую?" - спросите вы. Дело в том, что реле позволяет управлять мощной цепью с помощью слабого управляющего сигнала.

🤫К примеру, выявляется необходимость в подключения в цепь лампочки на 220В, а контролировать ее включение и выключение хочется через микроконтроллер, у которого на выходе напряжение всего 5В и ток сравнительно небольшой. Микроконтроллер не способен напрямую подключить такой довольно мощный электроприбор.

🙂Данную задачу решает реле: небольшой ток от микроконтроллера идёт на катушку реле, происходит вышеописанный процесс, который позволяют замкнуть мощную цепь и успешно, к примеру, включить лампочку на 220В.

❓Транзистор - это электронный компонент, работающий как электрический ключ и позволяющий усиливать электрический сигнал.

👀Рассмотрим принцип работы транзистора на примере транзистора с биполярным переходом (BJT) - одного из основных видов транзисторов

⚠️В основе его функционирования лежат 3 элемента: эмиттер, база и коллектор, которые располагаются в такой же последовательности, рассматривая схему с левого края.

❗️Транзистор состоит из трёх слоев: два n-типа (эмиттер и коллектор) по бокам и один p-тип (база) по середине.

💡P-тип имеет недостаток электронов и некие "дырки" (пустые места, оставленные электронами), а n-тип избыток электронов, часть из которых начинает заполнять дырки на p-слое, происходит процесс рекомбинации. В n-области атомы, потерявшие электрон, становятся положительно заряженными ионами (донорами), а в p-области атомы, принявшие электрон, становятся отрицательно заряженными ионами (акцепторами). В итоге на двух границах остаются заряженные ионы, которые создают электрическое поле. Появляются два энергетических барьера, которые препятствуют протеканию электронов.

🤫Когда мы подаем небольшое напряжение на базу (p-слой), энергетический барьер снижается, позволяя электронам течь от эмиттера к коллектору. Таким образом транзистор выступает неким электронным ключом, который пропускает ток исключительно при подаче небольшого напряжения на базу.

🙂Транзистор - величайшее изобретение человечества, на котором работает вся современная электроника.

P.S Подробнее о p-n переходе читайте в статье про диод (Пункт 3.25)

Дополнительные 15 статей раздела "Устройства в роботах" успешно опубликованы.

🙂В скором времени статьи появятся и на страничке сайта нашего проекта CSI BASE

👀 Остаётся ещё несколько статей из цикла третьего раздела "Устройства в роботах" CSI BASE, после чего мы начинаем публикацию статей раздела "Физика в робототехнике"

‼️Дополнительные 15 статей раздела "Устройства в роботах", ранее опубликованные в нашем Telegram-канале, будут доступны на нашем сайте в течение завтрашнего дня.

👀В среду начнется публикация оставшихся статей раздела.

🤫Уже на следующей неделе мы начнем публикация последнего утвержденного на данный момент раздела - "Физика в робототехнике" . Раздел расскажет о всех основных физических явлениях и законах, которые лежат в основе функционирования роботов.