6.2 Sensorer og målinger

Teknologiens sanseorganer

Hvordan vet smarttelefonen din hvilken vei er opp? Hvordan kan en bil bremse automatisk hvis den oppdager en hindring? Hvordan måler vi temperaturen i et rom, luftfuktigheten i et drivhus, eller surheten i et akvarium over tid?

Svaret er sensorer. Sensorer er teknologiens sanseorganer. Akkurat som øynene dine registrerer lys og ørene dine registrerer lyd, registrerer sensorer fysiske og kjemiske egenskaper i omgivelsene og gjør dem om til elektriske signaler som datamaskiner kan forstå. I dette kapittelet skal vi utforske hva sensorer er, hvilke typer som finnes, forskjellen mellom analog og digital måling, og hvordan dataloggere gjør naturfagsforsøk mye enklere og mer nøyaktige.

Fra kvikksølv til mikrobrikker: Hva er en sensor?

En sensor er et instrument som gjør tre ting. Først registrerer den en fysisk eller kjemisk egenskap, for eksempel temperatur, lys eller trykk. Deretter måler den størrelsen på denne egenskapen. Til slutt omformer den informasjonen til et elektrisk signal som kan leses av et elektronisk system.

Før sensorer fantes, brukte vi analoge måleinstrumenter. Et gammelt kvikksølvtermometer er et godt eksempel: kvikksølvet utvider seg når temperaturen stiger, og du leser av verdien på en skala med øynene. Resultatet er kontinuerlig, kvikksølvet kan stoppe mellom to streker, og nøyaktigheten avhenger av hvor godt du klarer å lese av. Men det kan ikke kobles til en datamaskin.

Moderne digitale sensorer fungerer annerledes. En elektronisk komponent, for eksempel en termistor, endrer sin elektriske motstand når temperaturen endrer seg. Motstanden omregnes til et eksakt tall av en mikroprosessor, og resultatet vises som et nøyaktig tall, for eksempel 22,3 grader Celsius. Alle får samme avlesning, og sensoren kan kobles til dataloggere og datamaskiner for automatisk lagring og analyse av tusenvis av målinger.

Kalibrering er en viktig del av sensorbruk. Det betyr å justere sensoren slik at den gir nøyaktige målinger ved å sammenligne dens avlesning med en kjent standardverdi. For eksempel kalibreres en pH-sensor ved å senke den i løsninger med kjent pH, som pH 4 og pH 7, og justere sensoren til den viser riktig. Uten kalibrering kan sensoren gi feil verdier.

Sensorenes mangfold: Fra temperatur til pH

Det finnes en sensor for nesten alt du kan tenke deg. La oss ta en rask rundtur gjennom de viktigste typene.

Temperatursensoren er kanskje den mest kjente. Den bruker materialer som endrer egenskaper ved temperaturendring, som en termistor der motstanden endres. Du finner den i termometre, termostater, kjøleskap, værstasjoner og naturfagsforsøk der du vil måle temperaturendring i kjemiske reaksjoner.

Lyssensoren, eller fotocellen, måler lysstyrke i enheten lux. Når lys treffer sensoren, endres den elektriske motstanden. Den brukes i gatelamper som slår seg på automatisk når det blir mørkt, i smarttelefoner som justerer skjermens lysstyrke, og i naturfagsforsøk der du måler lysstyrke under fotosyntese.

Trykksensoren måler kraft per areal ved hjelp av trykkfølsomme materialer. Den sitter i værstasjoner for å måle lufttrykk, i biler for å overvåke dekktrykk, og i høydemålere der høyden beregnes fra lufttrykket.

Bevegelsessensoren, eller akselerometeret, måler endring i hastighet eller retning. Det er den som roterer skjermen på telefonen din når du snur den, den som teller skrittene dine i en smartklokke, og den som utløser kollisjonsputer i biler.

pH-sensoren måler surhetsgraden i en løsning ved å registrere konsentrasjonen av hydrogenioner. Den brukes i naturfagsforsøk, akvarier, vannkvalitetstesting og jordbruk.

Fuktighetssensoren måler mengden vanndamp i luften ved å registrere endring i elektrisk motstand eller kapasitans ved fuktighet. Du finner den i værstasjoner, drivhus der den regulerer vanning, og badeventilatorer som slår seg på ved høy fuktighet.

Dataloggeren: Din usynlige forskningsassistent

Forestill deg at du skal måle temperaturen i et klasserom gjennom en hel skoledag. Du kunne sitte ved siden av termometeret og notere verdien hvert tiende minutt, hele dagen. Eller du kunne bruke en datalogger og la den gjøre jobben for deg.

En datalogger er et elektronisk system som automatisk samler inn data fra en eller flere sensorer over tid. Dataene lagres med nøyaktig tidsstempel og kan senere analyseres som grafer eller tabeller. Komponenten består av selve sensoren eller sensorene, en datalogger-enhet som mottar signaler og lagrer data, og programvare som viser dataene som graf eller tabell og kan eksportere dem til Excel for videre analyse.

Fordelene med en datalogger er mange. Du får kontinuerlig måling uten å måtte sitte og passe på. Alle målinger har nøyaktig tidsstempel. Du kan samle tusenvis av målinger automatisk. Og dataene vises som grafer der du enkelt kan se mønstre og trender.

I naturfagsforsøk er dataloggere uvurderlige. Du kan måle temperaturendring ved fordamping og se nøyaktig hvordan temperaturen synker over tid. Du kan følge pH-endringen i en kjemisk reaksjon sekund for sekund. Du kan logge lysstyrke gjennom et helt døgn og se soloppgang, middag og solnedgang som tydelige kurver. Eller du kan måle CO₂-nivået i et klasserom gjennom en skoledag og se at det øker når mange elever er til stede og synker etter lufting.

Oppsummering

I dette kapittelet har vi utforsket sensorer som teknologiens sanseorganer. En sensor registrerer, måler og omformer fysiske eller kjemiske egenskaper til elektriske signaler. Vi har sett forskjellen mellom analog måling, der signalet er kontinuerlig, og digital måling, der signalet er omgjort til tallverdier som datamaskiner kan behandle.

Vi har blitt kjent med mange sensortyper: temperatursensorer, lyssensorer, trykksensorer, bevegelsessensorer, pH-sensorer og fuktighetssensorer, alle med sine spesielle bruksområder i hverdagen og i forsøk. Vi har lært at kalibrering, det å justere sensoren mot kjente standardverdier, er avgjørende for nøyaktige målinger.

Til slutt har vi oppdaget dataloggeren som en uvurderlig forskningsassistent som automatisk samler data over tid med nøyaktige tidsstempler og presenterer resultatene som grafer der mønstre og trender blir tydelige.