Jutiklis

Plačiausia prasme, jutiklis – tai daiktas, kurio tikslas yra nustatyti įvykius ar pasikeitimus aplinkoje, nusiųsti informaciją į kompiuterį, kuris tada pasako išvesties įrenginiui teikti atitinkamą išvestį.

Jutiklis yra prietaisas, kuris konvertuoja realaus pasaulio duomenis (analoginius) į duomenis, kuriuos kompiuteris gali suprasti naudojant analoginį skaitmeninį keitiklį. Matuojami įvairiausi dydžiai: linijinis ar kampinis poslinkis, greitis, temperatūra, šviesos intensyvumas, slėgis, masė ir t. t. Jutikliai yra naudojami kasdieniniuose daiktuose kaip lietimui jautrūs mygtukai lifte(lytėjimo jutikliai), lempos, kurios keičia ryškumą vos prisilietus pirštu bei dar daugybę programų, apie kurias daugelis žmonių net nežino. Jutikliai plačiai naudojami įvairiose technikos srityse, įvairiuose mechatronikos įrenginiuose.^[1] Su mikro mašinų tobulėjimu ir lengvai naudojamų mikro kontrolerių platformomis, jutiklių panaudojimas išsiplėtė iš dažniausiai naudojamų analoginių temperatūros ar slėgio matavimų į pavyzdžiui AHRS jutiklius. Be to, analoginiai jutikliai kaip potenciometrai ir jėgą jaučiantys rezistoriai vis dar yra plačiai naudojami. Programos, įskaitant gamybos, mašinų, lėktuvų, aeronautikos, automobilių, medicinos, robotų bei daugelį kitų aspektų mūsų kasdieniame gyvenime.

Rūšys

Jutikliai yra įvairiausių rūšių, tipų ir konstrukcijų. Bendriausiu atveju, jie būna dviejų tipų:

Parametriniai (keičiantis kontroliuojamam įėjimo dydžiui kinta jutiklių parametrai, kaip induktyvumas, talpa, elektrinė varža ir t. t., todėl kinta ir išėjimo parametrai, kaip įtampos, srovės dydžiai. Jiems būtinas išorinis energijos šaltinis. Parametrinių jutiklių pavyzdžiai: varžiniai, induktyvieji, talpiniai jutikliai);
Generatoriniai (vyksta tiesioginis vienos energijos rūšies keitimas kitos rūšies energija, kaip, pavyzdžiui, fotoelektriniuose jutikliuose šviesos energija transformuojama į elektros energiją, o termoporose – šilumos energiją į elektros ir pan.).

Jutikliai pagal sandarą

Jutiklis pagal sandarą gali būti: paprastasis (sudaro tik jautrusis elementas) ir sudėtingas (be jautriojo elemento yra papildomi įtaisai, kaip rastriniai diskai, kodavimo juostos, stiprintuvai ir t. t.).

Jutikliai pagal paskirtį

Deformacijų ir slėgio jutikliai;
Pozicijos, krypties, poslinkio ir judesio jutikliai;
Šviesos ir radiacijos jutikliai;
Temperatūros jutikliai;
Garso, infragarso ir ultragarso jutikliai;
Kietojo kūno, skysčių ir dujų jutikliai;
Aplinkos ir atmosferos jutikliai.

Jutikliai pagal veikimo principą

Pagal veikimo principą jutikliai gali būti naudojami skirtingos paskirties jutikliuose, pavyzdžiui, varžiniai jutikliai ir deformacijos, ir temperatūros, ir poslinkio nustatymui.

Varžiniai (įėjimo signalas keičia jutiklio elektrinę varžą, jei jutiklis įjungtas į elektros grandinę, jo išėjimo signalas yra įtampa, srovė); Varžiniai jutikliai: potenciometriniai jutikliai (kintamasis varžas su trimis išvadais, potenciometras, judamasis kontaktas reaguoja į kampinį arba linijinį poslinkį ir formuoja elektrinę įtampą), skystieji elektrolitiniai (jutikliai elektrolito pagrindu), kontaktinės varžos (varža kinta nuo kontakto su kūnu), termistoriai (jutiklį sudaro varžinė medžiaga – puslaidininkis, kai didinama temperatūra, puslaidininkio varža mažėja) ir įtempio jutikliai (nusodinta vielelė su popieriaus juostele, skirta mažoms deformacijoms nustatyti, deformuojantis kūnui, kinta jutiklio varža).
Induktyvieji (jautrusis elementas – ritė, maitinama kintamąja elektros srove, kai objektas sukasi arba tiesiai juda link ritės, oro tarpas tarp jų keičia ritės induktyvumą, tokiu būdu nustatomas poslinkis) ir transformatoriniai (sudaro dvi ritės, nejudantis magnetolaidis ir judantis inkaras, nustatantys slenkamąjį judėjimą);
Talpiniai (jautrusis elementas – kondensatorius, maitinamas kintamąja elektros srove, kaip ir induktyviųjų jutiklių, tokiu pat principu nustatomi objekto poslinkiai ir judėjimo kampas) ir pjezoelektriniai (jautrusis elementas – Pjezo kristalas, reaguojantis į mechaninį ir elektrinį poveikį, jei kristalas deformuojamas, susidaro elektrinis impulsas, o jei kristalas paveikiamas elektrinio lauko, padidėja slėgis ultragarso diapazone);
Fotoelektriniai, optiniai (visų fotoelektrinių jutiklių principas pagrįstas fotoefekto reiškiniu, naudojami fotoimtuvai, kaip fotovaržos, fotodiodai, fototranzistoriai reaguoja į šviesos, elektromagnetinių spindulių poveikį, leidžia įvertinti apšvietą, spinduliavimo intensyvumą, linijinį ir kampinį poslinkį, objektų temperatūrą);
Radiaciniai (jautrusis elementas – inertinės dujos, radioaktyvi dalelė, patenkanti į vamzdį, jonizuoja dujas, kurios tampa laidžios ir sukuria elektros srovę, šiuo principu plačiai naudojamas Geigerio ir Miulerio skaitiklis);
Terminiai (pagr. jutikliai – termoporos, sudarytos iš dviejų skirtingų laidininkų, pavyzdžiui, chromelis – aliumelis, radžis – platina, kaitinant vieną laidininkų sujungimo tašką, atsiranda termoelektrovara, sukurianti srovę grandinėje);
Pneumatiniai (jautrusis elementas – oras, kintant jo kiekiui, ar spūdumui, kinta slėgis) ir hidrauliniai (jautrusis elementas – skystis, kintant jo kiekiui, ar spūdumui, kinta slėgis);
Kompensaciniai (sudaro šaltinis, kompensuojantis jutiklio užfiksuotą signalą, kad tiriamasis objektas nebūtų apkrautas ir nebūtų iškraipomas signalas).

Virtualūs jutikliai

Virtualūs jutikliai fiziškai neegzistuoja, bet yra įdiegti į įvairią programinę įrangą. Jie naudojami ten, kur tikrieji jutikliai yra per brangus, ar aplinkoje, kurioje realūs davikliai gali sugesti arba susidėvi greitai. Daugelis programų yra procesai, kurių metu norimos reikšmės nėra matuojamos, nes procese nėra tinkamų aparatūros jutiklių arba jutiklis gali būti sustabdytas jeigu procesas skirtas ne kalibravimui ir priežiūrai.

Virtualūs jutikliai jau yra naudojami chemijos pramonėje ir atveria galimybes kitose industrijose kaip plastiko pramonė.

Skaitmeniniai jutikliai

Automatizavimo srityje skaitmeninės sistemos vis dažniau keičia analogines sistemas. Todėl jutiklių, kurių signalas būtų skaitmeninis, taip pad kyla. Paprasta konstrukcija, kai ASK Archyvuota kopija 2016-12-13 iš Wayback Machine projekto. yra faktiškai įtrauktas į jutiklių sistemą Tai galima įkelti į, pavyzdžiui, Delta-Sigma moduliavimo technologiją ir tai gali pasiūlyti daug privalumų:

Tiesiogiai nustatyti skaitmeninės išvesties signalą (be procesoriaus ar ASK įsikišimo);
Aukštą tiesiškumą naudojant jau esamus atsiliepimus;
Didelė amplitudė ir dinamika;

Taikymo sritys

Terminas “jutiklis” yra naudojamas technologijos ir gyvosios gamtos (biologijos ir medicinos) moksle. Taip pat suintensyvėjo gamtos mokslų srityje prieš kelerius metus. Pastarųjų pavyzdžiai yra laikomi CCD vaizdo jutikliai Archyvuota kopija 2016-12-20 iš Wayback Machine projekto. ir dalelių skaitikliai, naudojami astronomijoje, geodezijoje ir kosmoso kelionėse.

Jutikliai automatizuotose procesuose kaip signalo generatoriai atlieka svarbų vaidmenį technologijoje. Jų aptikta reikšmė ar padėtis dažniausiai perdirbama elektroniniu būdu valdymo bloke, kuris atitinkamai paleidžia tinkamus tolimesnius veiksmus. Pastaraisiais metais, paskesnis signalo apdorojimo būdas vis dažniau yra integruojamas į jutiklį. Tokie jutikliai yra mikroprocesorius ar mikrosistema ir turi, taip sakant “intelektą”. Jie taip pat vadinasi "išmanieji jutikliai".

Jutiklių nukrypimai

Jeigu jutiklis nėra tobulas, kelių rūšių nukrypimai gali būti stebimi:

Jautrumas praktikoje gali skirtis nuo nurodyto dydžio. Tai vadinama jautrumo klaida.
Kadangi išeinančio signalo diapazonas yra visada ribotas, išėjęs signalas galiausiai pasieks minimumą arba maksimumą kaip matuojamas objektas viršis ribas. Skalės diapazonas apibrėžia didžiausia ir mažiausia išmatuoto objekto reikšmes.
Jeigu išmatuotas signalas keičiasi nepriklausomai nuo išmatuoto objekto, tai yra apibrėžta kaip driftas (telekomunikacijų). Ilgalaikis driftas dažniausiai rodo lėtą jutiklio savybių irimą per ilgą laiko tarpą.
Triukšmas yra atsitiktinis signalo nukrypimas, kuris priklauso nuo laiko.
Jutikliai gali šiek tiek būti jautrūs pašalinėms aplinkybėms. Pavyzdžiui, daugelis jutiklių yra įtakojami jų aplinkos temperatūros.

Visi nukrypimai gali būti suskirstyti į sistemines ir atsitiktines klaidas. Sistemines klaidas kartais galima apeiti naudojant įvairias kalibravimo strategijas. Triukšmas yra atsitiktinė klaida, kurią galima sumažinti signalų apdorojimo būdu kaip filtracija.

Jutiklių klaidų mažinimo būdai

Svarbiausi jutiklių rodikliai: jautrumas ir matavimo paklaida. Išvengti paklaidų beveik neįmanoma, todėl naudojami keli būdai jų išvengti ir gauti gana tikslius rodmenis. Pagrindiniai klaidų mažinimo būdai:

Signalo kompensavimas kitais energijos šaltiniais;
Grįžtamojo ryšio sistemos panaudojimas;
Signalo filtravimas
Amplitudinė ir dažninė moduliacija;
Statinė ir dinaminė korekcija.

Jutikliai gamtoje

Visi gyvi organizmai turi organinius jutiklius su panašiomis mechaninių jutiklių funkcijomis. Dauguma iš jų yra ląstelėse, kurios yra jautrios:

Šviesai, judesiui, temperatūrai, magnetiniam laukui, gravitacijai, drėgmei, vibracijai, spaudimui ir kitiems fiziniams aspektams iš išorinės aplinkos.
Fiziniai aspektai iš vidinės aplinkos kaip tempimasis, organizmo judėjimas ir kt.
Aplinkos molekulės, įtraukiant toksinus, maistines medžiagas ir feromonus.
Skirtumui tarp organizme esančių reikalingų medžiagų ir svetimkūnių.

Šaltiniai

↑ V. Kvedaras, Elektronikos įtaisai ir sistemos, Vilnius: Technika, 2012.

Nuorodos

http://www.mdpi.com/ – žurnalas apie jutiklius. (angl.)
http://techno.su.lt/~valiulis/dokai/Elmat11_ASK_SAK.pdf Archyvuota kopija 2016-12-13 iš Wayback Machine projekto. - analoginis-skaitmeninis konverteris.

[1] V. Kvedaras, Elektronikos įtaisai ir sistemos, Vilnius: Technika, 2012.

[1]