• Wed. Oct 20th, 2021

Wat zijn sensoren, hoe werken ze en waarom zijn ze overal?

Dec 16, 2020

Ontvang meer wetenschappelijk nieuws op deze manier …

Word lid van de Connect-nieuwsbrief voor geweldig wetenschappelijk nieuws, features en exclusieve primeurs. Onze duizenden abonnees kunnen het niet mis hebben.

Ze vertellen ons wat er in de omgeving gebeurt, op een manier die gemakkelijk te lezen en te begrijpen is.

Een sensor is elk apparaat dat een gebeurtenis of verandering in een omgeving meet en dit omzet in een elektronisch signaal dat kan worden gelezen en berekend.

Een sensor kan bijvoorbeeld fysieke parameters zoals vochtigheid, snelheid of temperatuur (om er maar een paar te noemen) opnemen en die gegevens leesbaar maken voor een computer of ander apparaat. Het neemt een “input”, die bijna alles kan zijn, en zet deze om in een “output” die onze elektronica kan begrijpen. Of anders gezegd: een sensor kan een aspect van de fysieke omgeving detecteren en daar bruikbare informatie van maken.

Inhoud [ verbergen ]

  • Sensoren, sensoren overal – nu ook in XS-maat
  • Hoe sensoren werken
  • Soorten sensoren
  • Internet of Things en daarbuiten

Sensoren, sensoren overal – nu ook in XS-maat

We leven in een wereld van sensoren. Van de tastbare liftknoppen tot de thermometers in onze huizen, ze zijn overal. Onze smartphones zijn bijvoorbeeld uitgerust met een reeks performante sensoren. Elke keer dat je een vliegtuig bestuurt, is er een heel arsenaal dat de piloot alles vertelt over luchtdruk, snelheid, tilt, alles wat echt kan helpen bij het besturen van het vliegtuig.

Kijk om je heen (en negeer zelfs het apparaat waarop je dit leest): hoeveel sensoren kun je om je heen zien?

Op het eerste gezicht denk je misschien dat er niet teveel zijn. Maar kijk dieper. Zit je in een auto, of zijn er auto’s om je heen? Het is duidelijk dat auto’s een vlaag van sensoren hebben, zelfs de oudere. In feite is het waarschijnlijk veilig om te zeggen dat, tenzij je dit leest terwijl je in de middle of nowhere kampeert, je waarschijnlijk omringd bent door sensoren die je niet eens opmerkt.

Het was niet altijd zo. Sensoren waren vroeger groot, omvangrijk en duur. Nu zijn ze klein en gemakkelijk mee te nemen. Onderzoekers en ingenieurs kijken niet alleen naar hoe goed de sensor werkt, ze kijken ook naar het energieverbruik, de benodigde materialen, de stevigheid en de kosten. Micro- en nanotechnologie en nieuwe materialen maken sensoren kleiner, slimmer en beter aangepast. Als gevolg hiervan zien we dat sensoren op veel nieuwe en opwindende gebieden worden toegepast. Sommige sensoren kunnen nu bijvoorbeeld worden gebruikt als medische apparaten, hetzij als wearables (voor het detecteren van zaken als glucose- of insulinespiegels) of zelfs in het menselijk lichaam .

Maar laten we, voordat we ons te veel laten meeslepen, eens kijken hoe sensoren echt werken.

Hoe sensoren werken

Een digitale druksensor.

Je begint eerst met iets dat je wilt voelen: de hoeveelheid die je meet. Het menselijk lichaam is bijvoorbeeld goed in het waarnemen van licht (met onze ogen), geuren (met onze neus) en smaken (met onze mond). In wezen is ons lichaam uitgerust met een set sensoren, maar elk voert een specifieke taak uit.

Evenzo, als je een elektronische sensor wilt bouwen, denk je eerst na over wat je wilt meten of voelen. Stel dat je een lichtsensor wilt bouwen. Je hebt een instrument nodig om licht om te zetten in een elektrisch signaal. Dat instrument wordt een fotodiode genoemd en het doet precies wat je wilt: het zet lichtenergie om in elektrische stroom. Maar laten we wat dieper graven: hoe doet de fotodiode dit?

Zonder al te veel technische details te bespreken, worden fotodiodes gemaakt van specifieke materialen en wanneer fotonen het oppervlak van deze materialen raken, creëren ze iets dat het foto-elektrische effect wordt genoemd, dat de voorheen stabiele energieconfiguratie van het materiaal verstoort. Dit kan een elektrisch signaal genereren dat vervolgens wordt opgevangen (en soms versterkt) zodat het door het systeem kan worden gelezen.

Als je een bewegingssensor wilt bouwen, heb je verschillende soorten materialen nodig, die kleine hoeveelheden stroom kunnen produceren als ze worden verplaatst of vervormd. De rest van het mechanisme is hetzelfde.

Een voorbeeld van een (bijna) draagbare sensor die alcohol in het lichaam volgt. Afbeeldingscredits: UC San Diego.

Dus in wezen werken sensoren over het algemeen op een vergelijkbare manier: je hebt iets nodig (zoals een fotodiode) dat je gewenste input kan omzetten in een elektrische stroom. Die elektrische stroom pikt je vervolgens op, versterkt deze indien nodig en geeft deze door aan je computer.

Een goede sensor moet de stroom heel precies kunnen vertellen. Als het licht bijvoorbeeld iets toeneemt, neemt ook de door de fotodiode geproduceerde stroom toe en moet de sensor dit kunnen zien. Hoe beter het vermogen, hoe beter de gevoeligheid. Maar sensoren moeten ook bestand zijn tegen trillingen en temperatuurveranderingen, die vaak de kwaliteit van de output beïnvloeden.

Soorten sensoren

Afbeeldingscredits: Jorge Ramirez.

Sensoren kunnen worden geclassificeerd op basis van verschillende aspecten. Sensoren zijn bijvoorbeeld:

  • actief (waarvoor een extern signaal nodig is); of
  • passief (die werken zonder enig extern signaal).

Sensoren kunnen ook zijn:

  • analoog (produceer een analoge output, dwz een continu signaal); of
  • digitaal (die werken met discrete, digitale gegevens).

Meestal worden sensoren echter geclassificeerd op basis van de fysieke eigenschap die ze meten. Hier zijn enkele voorbeelden:

  • lichtsensoren (die we al hebben besproken) worden overal gebruikt, ook op telefoons;
  • bewegingssensoren;
  • naderingssensoren, die verschillende fysische methoden kunnen gebruiken, zoals optisch met laser, ultrasoon of capacitief, enz.;
  • temperatuursensoren;
  • chemische sensoren, die voor verschillende soorten chemische stoffen kunnen werken, zoals bijvoorbeeld alcohol, rook of gas;
  • vochtigheidssensoren (uitstekend geschikt voor landbouw);
  • kantelsensoren.

De sensorwereld is nog nooit zo actief en gediversifieerd geweest, en daarom geloven velen nu dat sensoren een nieuw soort technologische revolutie zullen inluiden.

Internet of Things en daarbuiten

Sensoren worden niet langer alleen in de techniek gebruikt – in de geneeskunde en biotechnologie zijn het belangrijke instrumenten om biologische of fysische processen te meten. Milieuwetenschappen zoals we die vandaag kennen, zou niet bestaan ​​zonder nauwkeurige sensoren, en praktisch elk veld dat fysieke informatie nodig heeft, gebruikt sensoren om het te krijgen. Elk slim object is slim dankzij zijn sensoren, en hoe meer we om ons heen kijken, hoe meer objecten slim worden .

Je hebt misschien wel eens gehoord van internet of things (of IoT) – het idee om objecten om ons heen verbonden te hebben in een internetachtig netwerk. Dit zou betekenen dat de “dingen” worden ingebed met sensoren en software, en met elkaar kunnen communiceren. Een smarthome is bijvoorbeeld een goed voorbeeld van hoe het IoT zou werken: je slimme thermostaat zet de verwarming automatisch aan zodra de temperatuur onder een bepaalde waarde komt, of bijvoorbeeld 30 minuten voordat je van je werk vertrekt, dus je huis is lekker en gezellig als je aankomt. Verlichting zou sensoren hebben om te detecteren en automatisch uit te schakelen wanneer deze niet wordt gebruikt, en rook- / gasdetectoren zouden constant op de achtergrond werken.

Natuurlijk is het slimme huis niet het enige idee van het IoT. Auto’s zonder bestuurder zouden ook moeten worden verbonden met het IoT, zodat ze niet met elkaar in botsing komen en de bestuurders veilig houden. Vrijwel alles dat baat heeft bij automatisering, van geneeskunde tot geavanceerde technologie, zou kunnen profiteren van een IoT-aanpak. Maar om al deze futuristische dingen te laten werken, heb je nauwkeurige, robuuste en verbonden sensoren nodig.

Onze wereld zit vol met sensoren en het is onwaarschijnlijk dat dit binnenkort zal veranderen – als er iets is, kunnen we verwachten dat sensoren een nog belangrijkere rol in ons leven spelen.