De sidste par årtier har været præget af dramatiske ændringer i verden af computere, software og computerteknologi. Som ingeniør er det fascinerende at være en del af en æra, der kan prale af enorme mængder af computerkraft. De mest populære er personlige computere, bærbare computere, håndholdte enheder som smartphones og smart-watches.

Det er blevet umuligt at forestille sig og leve et liv uden hjælp fra computerevnerne. Og det bedste er, at vi stadig skummer overfladen af det enorme computerpotentiale, der ligger i dvale i sådanne tilsyneladende intelligente maskiner.

Med fremkomsten af Internet-of-Things (eller IoT), der har taget computerteknologien til et nyt niveau og omdefineret ordet “smart” (How Smart Cities Can Help Build a Better Post-Pandemic World), er det rimeligt at sige, at spændingen kun er begyndt.

Denne artikel har til formål at besvare spørgsmålet “hvordan registrerer en sensor?” og fokuserer på fysikken i en sensors funktion.

Hvad er Internet-of-Things (IoT)?

Ingeniører og videnskabsmænd har en tendens til at nomenklere (vælge et navn for noget), så det nyligt opfundne begreb er selvforklarende. Udtrykket IoT er ikke anderledes.

Som navnet antyder, er IoT en paraply, der omfatter alle typer enheder. De er enten indlejret i et system eller eksisterer som en individuel enhed. Uanset hvad, er det vigtigste, at de kommunikerer (eller taler) med hinanden via internettet. Alle sådanne enheder har en indbygget sender og modtager, som gennemfører kommunikationsprocessen via internettet.

Alle IoT-systemer er imidlertid ikke ens og egner sig ikke nødvendigvis til alle applikationer. Faktisk er de beslægtet med os mennesker. Hvert individ er dygtig til noget. Man kan ikke forvente, at en skuespiller kan flyve et fly og en pilot kan spille med i en film. På samme måde kan man heller ikke forvente, at et enkelt IoT-system (og en enkelt enhed) kan klare alt. Derfor designer ingeniører forskellige systemer til at udføre forskellige opgaver for at give de bedst mulige resultater.

I den moderne forretning er kunden konge, og det gælder på tværs af alle brancher. Derfor designer, producerer og leverer systemdesignerne altid IoT-systemer for at give en problemfri brugeroplevelse. Udvikling af IoT-hardwareprodukter: How-To af Vera Kozyr, gentager den tid og indsats, som alle interessenter investerer i at skabe et system i plug-and-play-stil fra ende til ende ud fra et hardwareprodukts perspektiv.

Hvor vi udforsker indmaden i en IoT-enhed, er det vigtigt at skelne mellem en enhed og et system.

En enhed er som et individuelt medlem, mens systemet er som et team, der involverer den enkelte. En enhed er således en del af et system, mens det omvendte ikke er tilfældet.

Komponenter i IoT-systemet

Alle systemer består af flere individuelle komponenter (og underkomponenter), der i fællesskab arbejder hen imod at nå et fælles mål. Desuden er det at være en del af et system (team) sikrer højere produktivitet og opnår bedre resultater. De vigtigste komponenter i et IoT-system er:

• Sensorerne til at registrere fysiske størrelser
• På stedet central mikrocontroller, der styrer alle de handlinger, der udføres af sensorer og andre komponenter
• Cloud, Dataanalyse og -behandling til at analysere og behandle de modtagne data
• Sender og modtager til at etablere en kommunikation mellem forskellige sensorer, sensorer og mikrocontroller og den centrale cloud-server via internettet
• Brugergrænseflade til at kommunikere med og udføre opgaver, der instrueres af brugeren

IoT-sensorer: Et godt eksempel på et IoT-system er en smartphone, der normalt består af:

• Et GPS-modul (Global Positioning System) til at bestemme placeringen
• En temperatursensor til at registrere den omgivende temperatur
• En mikrofon til at registrere brugerens stemme og,
• En nærhedssensor til at registrere brugerens afstand til telefonen og låse den under et opkald.

De forskellige applikationer på smartphone bruger forskellige sensorer. Google Maps har f.eks. en brugergrænseflade (en app) til at interagere med GPS-modulet og indsamle placeringskoordinater. Den behandler dataene via en internetforbindelse for at hjælpe brugeren med at finde vej til sin destination.

Batteristyringssystem (BMS) er et andet eksempel på et IoT-system, der bruger flere sensorer. Et BMS er et elektronisk system, der beskytter og styrer batteriets drift. Kort sagt er det batteriets personlige vicevært. Jeg har forklaret, hvordan et smartphone BMS fungerer i min artikel – Battery Management System in Smartphones – i energyio.tech.

En sensor fungerer som en gateway mellem computerverdenen og den virkelige verden. Følgelig skal sensoren konvertere det, den registrerer i den virkelige verden, til noget særligt, som en datamaskine forstår.

Godt nok er det fælles led mellem de to verdener elektrisk energi!

Dermed er vi nået frem til sensorens tekniske definition – en sensor i et IoT-system registrerer den ønskede fysiske størrelse og konverterer den til et elektrisk signal, der sendes direkte eller via en mikrocontroller på stedet til den centrale cloud-baserede server.

En IoT-sensor er, ja, en sensor, der anvendes i et IoT-system.

Mikroelektromekaniske systemer (MEMS) og IoT-sensorers sensormekanisme

Mikroelektromekaniske systemer (eller MEMS) er en mikrosystemteknologi (MST), der består af meget små komponenter, der består af halvledermateriale som f.eks. silicium med en størrelse, der ligger i mikrometerområdet.

Om ikke alle, så bruger de fleste sensorer, der registrerer mekanisk energi, MEMS-teknologi på den ene eller den anden måde. Et accelerometer er et meget populært eksempel. Dette skyldes primært den hurtige vækst og den store afhængighed af computere.

Da MEMS-teknologiens fremstillingsmateriale er en halvleder, er den primære fordel, at den kan indlejres i et integreret kredsløb (IC). Et IC omfatter andre computerkomponenter (som også består af halvledermateriale), der handler på de data, der modtages fra sensorerne.

Den lille størrelse og chipintegration reducerer faktisk omkostningerne drastisk. Man kan bogstaveligt talt købe et MEMS-baseret accelerometer for mindre end ₹250 (3,34 USD). Desuden kan MEMS-baserede sensorer prale af høj følsomhed og registrere små ændringer, hvilket var utænkeligt med forgængerne.

Typer af sensormekanismer og arbejdsprincip

Afhængigt af anvendelsen kan et system omfatte en eller flere sensorer, der registrerer en anden fysisk størrelse, og derved have en unik sensormekanisme. De to af de mest populære sensormekanismer i MEMS-teknologien, der konverterer en fysisk ændring til et elektrisk signal, er:

1. Resistiv baseret sensorik
2. Kapacitiv baseret sensorik

Sensormekanismen i begge typer anvender et simpelt princip – enhver ændring i den fysiske størrelse opfanges ved en ændring i den elektriske modstand eller kapacitans af det materiale, der anvendes i sensoren. En større ændring i den fysiske størrelse viser således en større ændring i materialets modstand eller kapacitans og omvendt.

Den største forskel mellem de to typer er, hvordan de to mekanismer fungerer. Et resistivt baseret sensorsystem bruger, ja, en modstand, mens et kapacitivt baseret sensorsystem bruger en kondensator.

Du skal ikke være bekymret, hvis du ikke har hørt om en modstand og en kondensator før denne artikel. Du kan læse forskellen mellem dem. Tænk på de to komponenter som to personer med deres eget unikke sæt af egenskaber.

Resistiv baseret sensormekanisme (ved hjælp af MEMS-teknologi)

Vi har brugt resistive modstande til at måle, analysere, kontrollere og observere forskellige fysiske størrelser i over et århundrede. Som tidligere nævnt, når en fysisk størrelse (som f.eks. tryk) ændres, bestemmer størrelsen af ændringen i den elektriske modstand, hvor meget størrelsen er ændret.

Ændringen i den elektriske modstand er styret af fysiske principper som fotokonduktiv effekt, halvlederes termoresistive effekt og piezoresistiv effekt .

1. Registrering via ændringer i den fysiske geometri – Et materiales elektriske modstand afhænger af materialets geometri, længde og tværsnitsareal. Enhver ændring i længden og/eller tværsnitsarealet vil direkte påvirke materialets modstand.
2. Piezoresistiv effekt – Et piezoresistivt materiale er et særligt materiale, hvis elektriske modstand ændres, når materialet udsættes for en mekanisk deformation som f.eks. et skub, træk eller klemmer. Derfor anvender IoT-sensorer til tryk-, vibrations- og accelerationsmåling normalt piezoresistive materialer.

Andre resistive baserede sensormekanismer, der anvendes i IoT-sensorer

Selv om MEMS-baserede IoT-sensorer er yderst effektive til mekaniske, fysiske størrelser, er resistive sensorers funktion til detektering af ikke-mekaniske størrelser som lys og temperatur ikke den samme. Derfor ændrer sensormekanismen sig.

1. Lysfølsomhed – For at detektere lys er der behov for et særligt lysfølsomt materiale. Planter detekterer lys ved hjælp af særlige molekyler kaldet fotoreceptorer. På samme måde bruger enhver lysfølsom sensor fotoresistorer – et materiale, hvis elektriske modstand falder, når lysets intensitet stiger. En lysafhængig modstand eller almindeligvis kendt som LDR er en meget populær IoT-sensor, der anvendes til at detektere lys.
2. Temperaturaflæsning – Ligesom lysaflæsning kræver temperaturaflæsning også materialer, der er modtagelige over for ændringer i den omgivende temperatur. De fleste temperatursensorer består af en termistor – et materiale, hvis elektriske modstand aftager med stigende temperatur. En af de parametre, der anvendes til at forhindre overopladning af moderne lithium-ion-batterier, er f.eks. at registrere batteriets temperatur ved hjælp af termistorer.
3. Kemiske sensorer – Disse sensorer anvendes til at registrere et bestemt kemisk stof. Sensoren indeholder et sensorlag bestående af et materiale, hvis modstand ændres, når det reagerer med det kemiske stof. Mange IoT-systemer anvender f.eks. gassensoren i MQ-serien (MQ9, MQ2, MQ7 osv.). Den registrerer tilstedeværelsen af forskellige typer gasser som kulmonoxid, LPG og metan.

Konvertering til elektriske signaler

Den næstmest populære videnskabelige ligning, Ohm’s lov (V = IR), etablerer vel nok en direkte sammenhæng mellem elektrisk strøm, spænding og modstand. Det smukke ved denne lov er, at enhver lille ændring i modstanden kan omdannes til et elektrisk signal (spænding eller strøm) på et øjeblik.

Dermed anvender enhver resistiv baseret IoT-sensor (herunder MEMS-teknologi) direkte eller indirekte Ohm’s lov.

Kapacitiv baseret sensormekanisme i IoT-sensorer

En kapacitiv baseret sensormekanisme opfanger ændringen i en fysisk størrelse ved at ændre materialets kapacitet og afhænger ligesom modstand af materialets fysiske geometri.

Næsten alle kapacitivt baserede sensorsystemer er imidlertid overvejende afhængige af ændringer i den fysiske geometri – areal, afstand og materialets kapacitive evne, der beskrives ved den mængde ladning, det kan lagre.

En berøringssensor er en af de mest almindelige kapacitivt baserede sensorer i et IoT-system. En smartphone anvender en berøringsskærm, der består af mange berøringssensorer. I det væsentlige er det en tryksensor, der registrerer trykket/styrken fra fysisk berøring.

Når skærmen stimuleres af fysisk berøring, ændrer det udøvede tryk arealet eller/og afstanden, hvilket udløser en ændring i værdien af kapacitansen under skærmen.

Denne ændring i kapacitansen fungerer som en elektrisk kontakt, der driver et elektrisk signal til næste trin. Figur 3 illustrerer, hvordan en berøringssensor fungerer.

I lighed med de resistive baserede sensorsystemer, der anvender Ohm’s lov, har kapacitivt baserede systemer deres egen unikke relation, der kortlægger en ændring i den elektriske kapacitans til spænding og strøm. Desværre ligger den matematiske ligning uden for denne artikels rækkevidde.

Kapacitiv vs. resistiv aftastning

I resistiv-aftastning kræver nogle fysiske størrelser som lys og temperatur en særlig type materiale. Dette er både en fordel og en skæbne! På den ene side er modstandsvariationen unik for den størrelse, der måles. Men på den anden side kræver denne enestående egenskab en helt anden måle-/aftastningsprocedure.

I stedet opretholder de fleste kapacitivt baserede aftastningssystemer en ensartet aftastningsprocedure, da ændringen primært skyldes variationer i den fysiske geometri. Desuden er de relativt nye i forhold til deres resistive modstykke og er i øjeblikket begrænset til at aflæse mekaniske systemer ved hjælp af MEMS-teknologi.

Slutning

Jeg håber, at jeg var i stand til at forklare, hvordan nogle af de almindeligt anvendte sensorer i IoT-systemer fungerer. Desuden er fremstilling af sensordesign kun en del af et IoT. Systemet skal effektivt behandle de modtagne data og levere anvendelsesorienterede resultater ved at imødekomme brugerens krav.

Som det ser ud nu, er IoT-sensorer trængt ind i fremstillingsindustrien og har automatiseret de fleste manuelle operationer, hvilket har ført til en helt ny branche kaldet The Industrial IoT (IIOT).

I modsætning til personlige computere og smartphones skal IoT-teknologien endnu ikke gennemtvinge en dramatisk forandring i vores liv. Indtil da skal hele IoT-økosystemet fortsætte med at udvikle sig.

W. Y. Du, S. W. Yelich, “Resistive and Capacitive Based Sensing Technologies”, Sensors and Transducers Journal, april, 2008

P&S Technologies, “P&S OPC271 Opto-Potentiometer”, TNT Audio, juni, 2009

Wikimedia Common Contributors, “Photoresistor 2.jpg”, Wikimedia Commons, The Free Media Repository, november, 2018

“NTC Thermistor.jpg,” Wikimedia Commons, The Free Media Repository, september 2019

Wikimedia Common Contributors, “R against T for a thermistor.png,” Wikimedia Commons, The Free Media Repository, juli 2020

Wikimedia Common Contributors, “PeizoAccelThoery.gif,” Wikimedia Commons, The Free Media Repository, juli 2008

Indiamart, “Standard MQ 9 Combustible Gas Sensor”

D. Fischer, “Capacitive Touch Sensors,” Fujitsu Microelectronics Europe GmbH, jan. 2021