سنسور چیست؟ بررسی انواع و کاربرد آن 

در این بخش به بررسی سنسور، کاربرد سنسور ها و المان های مهم در انتخاب آن ها خواهیم پرداخت. در مقالات قبلی با میکروسوئیچ‌های معمولی و میکروسوئیچ های بدون سیم آشنا شدیم. میکروسوئیچ‌ها می‌توانند موقعیت جسم متحرک را براثر برخورد تشخیص دهند. در تصویر زیر برخورد فیزیکی میکروسوئیچ با اجسام را مشاهده می‌کنید. وجود قطعات مکانیکی و برخوردهای فیزیکی باعث ایجاد محدودیت‌هایی چون ابعاد بزرگ، آسیب به قطعات حساس، زمان پاسخ‌گویی طولانی، تعداد عملکرد محدود، کاهش عمر، عملکردهای بی‌مورد، نیاز به سرویس و نگه‌داری، تأثیر عواملی مانند رطوبت، آلودگی و دما بر روی آن می‌شود. برای رفع این مشکلات می‌توان از سنسور ها استفاده کرد.

تعریف سنسور

به منظور استفاده‌ی بهینه از دستگاه‌های مختلف در حین انجام کار باید اطلاعات دقیقی از آن‌ها داشته باشیم تا به وسیله مدارهای کنترلی راندمان کاری دستگاه را به حداکثر مقدار ممکن برسانیم. پس به‌منظور تنظیم متغیر تحت کنترل، لازم است به صورت پیوسته مقدار آن اندازه‌گیری شده و برای مقایسه با مقدار مطلوب به کنترل کننده ارسال گردد. حال برای این‌که بتوانیم حلقه‌ی کنترل را بین دستگاه و مدار کنترل ببندیم از سنسور استفاده می‌کنیم. این ابزار ها بر اساس نوع و وظیفه‌ای که برایشان تعریف‌شده اطلاعات را به سیستم کنترل می‌فرستند. سپس سیستم طبق برنامه‌ی تعریف‌شده عمل می‌کند. در انیمیشن زیر کاربرد سنسور در کنترل حلقه بسته نمایش داده شده است.

به‌طور دقیق‌تر معنی sensor حس کننده است و از کلمه‌ی sens به معنی حس کردن گرفته‌شده است. حسگر یا سنسور، المان حس کننده‌ای است که کمیت‌های فیزیکی مانند فشار، حرارت، رطوبت، دما و … را به کمیت‌های الکتریکی پیوسته یا ناپیوسته به صورت آنالوگ و دیجیتال تبدیل می‌کند. درواقع این ابزار يك وسیله‌ی الكتريكی است كه تغييرات فيزيكی يا شيميايی را اندازه‌گیری کرده و آن را به سيگنال الكتريكی تبديل می‌نماید. در انیمیشن زیر عملکرد کلی یک نمونه سنسور بدون تماس را مشاهده می‌کنید.

انواع سنسور های صنعتی از نظر تماس

به صورت کلی سنسور ها از لحاظ  میزان فاصله با هدف مورد نظر به دو دسته‌ی کلی تقسیم می‌شوند:

• سنسور های تماسی Contact

حسگر  های تماسی مانند كليد قطع و وصل، تبديل كننده های فشاری و غیره از طریق تماس مكانيكی عمل می‌کنند. این نوع حسگرها در اتصالات مختلف محرک‌ها مخصوصا در عوامل نهایی یافت می‌شوند. به صورت کلی حسگر های تماسی به دو بخش سنسورهای تشخیص تماس و سنسورهای نیرو-فشار تقسیم می‌شوند.

• سنسور های بدون تماس یا مجاورتی Proximity sensor یا Non contact

سنسور های بدون تماس ابزاری هستند که با فاصله از جسم و بدون اتصال به آن عمل می کنند. به عنوان مثال  با نزدیک شدن یک قطعه وجود آن را حس کرده و فعال می شوند. عموما ساختمان این حسگرها پیچیده تر از نوع تماسی است. از طرفی مدل های بدون تماس سرعت و دقت بالاتری دارند. این سنسور ها در مدل های خازنی، القایی، التراسونیک و غیره به شکل گسترده ای در صنعت استفاده می شوند. از جمله مزایای این حسگر ها می‌توان به طول عمر زیاد، سرعت سوئیچینگ بالا و عدم نیاز به تماس اشاره کرد.

به‌عنوان‌مثال در انیمیشن زیر، استفاده از حسگر خازنی با خروجی آنالوگ و جریانی را در اندازه‌گیری سطح مایع مشاهده می‌کنید. در ابتدا، مخزن خالی بوده و مقدار جریان نمایش داده‌شده روی آمپرمتر نیز ناچیز (در حد صفر) است و همان‌طور که مشاهده می‌کنید، با افزایش سطح مایع در مخزن جریان خروجی حسگر نیز افزایش‌یافته و به‌این‌ترتیب می‌توان از آن در اندازه‌گیری سطح مایع داخل مخزن استفاده کرد.

انواع سنسور ها از نظر نوع خروجی

در مقالات قبلی اشاره شد که خروجی سنسور یک سیگنال کنترلی است. به صورت کلی دو نوع سیگنال کنترلی زیر در سیستم های الکتریکی وجود دارد:

1. سیگنال گسسته یا دیجیتال
2. سیگنال پیوسته یا آنالوگ

سیگنال دیجیتال تنها شامل دو سطح دامنه 0 و 1 بوده و از آن به عنوان فعال کننده استفاده می‌شود. به بیان دیگر با استفاده از سیگنال دیجیتال می‌توان فرمان قطع یا وصل یک مدار را صادر کرد. به عنوان مثال روشن و یا خاموش کردن فن خودرو با استفاده از یک سیگنال دیجیتال انجام می شود. در طرف مقابل سیگنال آنالوگ دارای دامنه بوده و می تواند شامل هر مقداری از اعداد حقیقی باشد. مقدار سیگنال آنالوگ با توجه به یک ورودی، بین دو مقدار حداقل و حداکثر تغییر می کند. این سیگنال همواره به صورت پیوسته و خطی می باشد. به عنوان مثال آمپر دمای موتور خودرو یک سیگنال آنالوگ است. از سیگنال آنالوگ جهت بررسی دائمی یک کمیت استفاده می شود.

از سیگنال های آنالوگ مهم در صنعت می توان به وزن کردن اشیا، تغییر دور یک فن با توجه به دمای محیط، تغییر دور پمپ با توجه به میزان حجم مایع داخل مخزن، تغییر میزان روشنایی، اندازه گیری جریان و ولتاژ مدار قدرت و غیره اشاره کرد. به علت تنوع در سنسور ها و کنترلرهای سیگنال آنالوگ استانداردهایی ایجاد شده است. به این ترتیب کاربر می تواند نوع و مقدار سیگنال را از استانداردها انتخاب کرده و سیستم خود را بر اساس آن برنامه ریزی کند. انواع سیگنال های آنالوگ عبارت اند از:

• سیگنال جریانی:

در این مدل از یک جریان خطی به منظور کنترل پیوسته استفاده می شود. این جریان با توجه به تغییرات ورودی تعیین شده و می تواند یکی از دو مدل  0-20 mA و 4-20 mA باشد.

• سیگنال ولتاژی:

استاندارد در این مدل از یک ولتاژ خطی به منظور کنترل پویسته استفاده می شود. این ولتاژ با توجه به تغییرات ورودی تعیین شده و می تواند یکی از چهار مدل 0,5V و 1,5V و 0,10V و -10,0,10V باشد.

از دیگر مشخصه های یک سیگنال آنالوگ رزولوشن آن است. رزولوشن به میزان دقت تغییرات بین دو مقدار حداقل و حداکثر گفته می شود. به عنوان مثال اگر رزولوشن یک سیگنال ولتاژی  0,10V معادل 10 باشد، آنگاه سیستم به ازای تغییر هر یک ولت عکس العمل نشان می دهد. در سیستم های امروزی روزلوشن قابلیت اندازه گیری بیش از چند هزار واحد را دارد. به این ترتیب با استفاده از سیگنال های آنالوگ می توان سیستم های فوق العاده دقیقی طراحی کرد.

سنسور دیجیتال یا باینری

این ابزار تنها دو سیگنال خروجی متفاوت داشته و مانند كليد قطع و وصل عمل می‌کنند. در صورت تحريك شدن حسگر دیجیتال توسط عوامل فيزيكي سيگنال وصل و يا قطع می‌شود. در این نوع تنها دو حالت  صفر و یک مانند وضعیت خاموش و روشن وجود دارد. تغییر وضعیت در آن‌ها با توجه به یک مقدار خاص فیزیکی انجام می‌شود. در اغلب حسگرها این مقدار فیزیکی قابل تنظیم است. سنسور های القایی، نوری، خازنی، مغناطیسی و غیره از جمله مدل های دیجیتال پرکاربرد هستند.

از  سنسور های دیجیتال می‌توان در مدار فرمان استفاده کرد. قابل ذکر است که برخی از حسگرها دارای ولتاژ کاری پایین و خروجی‌های ترانزیستوری هستند. این موارد ممکن است باعث محدودیت استفاده از آن‌ها به صورت مستقیم در تمام مدارها شود. این مدل ها به کنترلر خاصی نیاز نداشته و مانند شستی‌ها، میکروسوئیچ‌ها و … سیم‌بندی می‌شوند. در تصویر زیر شمارش محصولات با حسگر دیجیتال را مشاهده می کنید.

سنسور آنالوگ

در خروجی این مدل یک سیگنال الکتریکی تولید می‌شود. مقدار این سیگنال همواره متناسب با تغییر در مقدار کمیت فیزیکی مورد سنجش است. در سنسور هاي آنالوگ مقادیر کمیت های فيزيكي اندازه گیری و به سيگنال هاي آنالوگ ولتاژی يا جريانی تبديل مي شود. سنسور های اندازه گیری دما مانند ترموکوپل و اندازه گیری فشار جزء دسته‌ی حسگر های آنالوگ هستند. در تصویر زیر کاربرد سنسور آنالوگ مافوق صوت یا سنسور التراسونیک در تشخیص سطح قلات یک سیلو را مشاهده می‌کنید.

به صورت کلی حسگرهایی که جهت اندازه‌گیری استفاده می‌شوند اغلب خروجی آنالوگ داشته و باید به یک کنترلر مانند رله‌های کنترل دما، کنترل رطوبت، کنترل سطح، PLC و … متصل شوند؛ به‌ بیان دیگر این نوع حسگرها را نمی‌توان به‌صورت مستقیم و بدون واسطه در مدار فرمان استفاده کرد. طبق تصویر زیر اگر تغییرات تدریجی کمیت فیزیکی اهمیت داشته باشد باید از حسگر های آنالوگ استفاده کنیم. سنسور های دیجیتال تنها به عنوان سوئیچ استفاده شده و فقط دارای دو مقدار صفر و یک هستند.

مزایا و معایب سنسور

ازجمله مزایای این تجهیزات عبارت است از:

• عدم وجود قطعات مکانیکی و عمر بسیار بالا. البته در برخی از سنسور های اندازه‌گیری فشار، قطعات مکانیکی وجود دارد اما اغلب حسگرها فاقد سیستم‌های مکانیکی هستند.
• عدم عملکردهای بی‌مورد. به‌عنوان‌مثال برخورد سریع تجهیزات در میکروسوئیچ‌ها باعث صدور چند فرمان در یک‌ لحظه‌ی کوتاه می‌شود.
• دقت و سرعت بسیار بالا
• رنج ولتاژی مختلف DC، AC و AC/DC :UC
• مدل‌های خروجی متنوع مانند رله باز، بسته، چنج آور، ترانزیستور و …
• بدون نیاز به تماس یا انتقال نیرو برای شناسایی و اندازه‌گیری
• ابعاد کوچک و توانایی کار در محیط‌های آلوده، خطرناک، داخل تجهیزات و …

کاربرد سنسور

حسگر ها در صنایع مختلف مانند اتومبیل، هواپیمایی، دریایی، پزشکی، مخابرات، مواد شیمیایی و سخت‌افزار کاربرد دارند. هم‌چنین در انواع دستگاه‌های اندازه‌گیری، سیستم‌های کنترل آنالوگ و دیجیتال مانند PLC مورد استفاده قرار می‌گیرند. عملکرد حسگرها و قابلیت اتصال آن‌ها به دستگاه‌های مختلف از جمله PLC باعث شده است که آن ها بخش جدا نشدنی دستگاه کنترل اتوماتیک و رباتیک باشد. به‌طور مثال، ازجمله کاربرد سنسور ها در صنعت اتومبیل می‌توان به ترمز ضد قفل یا ABS، کیسه‌های هوا در خودروها و موارد این ‌چنینی اشاره کرد.

پس به‌طورکلی از Sensor ها می‌توان در بخش‌های مختلف صنعت استفاده کرد. به‌عنوان‌مثال از کاربرد سنسور در صنعت می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تشخیص موقعیت اجسام
• تشخیص جهت حرکت اجسام
• تشخیص وضعیت قرارگیری اجسام
• شمارش
• اندازه‌گیری سرعت
• اندازه‌گیری فاصله
• تشخیص و اندازه‌گیری کمیت‌های مختلف مانند حرارت، رطوبت، نور، مواد و گازهای مختلف
• سیستم‌های ایمنی و …

ساختمان و نحوه سیم بندی سنسورها در مقالات بعدی بررسی خواهد شد.

کاربرد سنسور در کنترل

• سیگنال های خطایی که از طریق فیدبک توسط حسگر به کنترل کننده ارسال میشود دارای خطای کمتر و سرعت بیشتر خواهد بود.
• محل خطا را به‌عنوان یک تشخیص‌دهنده‌ی هوشمند خطا مشخص می‌کنند.
• فرسودگی ابزار را تشخیص می‌دهند.
• مقادیر اندازه‌گیری شده که برای بهینه‌سازی فرآیند تولید به‌وسیله‌ی مطابقت با کنترل و تنظیمات موردنیاز است، را فراهم می‌کنند.
• سنسور ها در اتوماسیون پروسه کنترل کیفیت، کاربرد دارد.
• در نظارت و مانیتورینگ بر روند کلی سیستم کاربرد دارند.
• ایجاد سیگنال خطر در محل کار مثلاً در صورت تجمع بیش‌ازحد آلاینده ها
• با حذف حضور نیروی انسانی، محیط امن تری را ایجاد میکند.

در انیمیشن زیر کاربرد حسگر جهت تشخیص موقعیت، جهت حرکت و یا سالم بودن مته را مشاهده می‌کنید.

سنسورها و ربات‌ها

حسگر ها که بخشی از تجهیزات پیچیده تر هستند، در توسعه‌ی صنعت رباتیک نقش به سزایی دارند. همان‌طور که گفته شد این تجهیزات یک کمیت فیزیکی را دریافت کرده و آن را تبدیل به سیگنال الکتریکی می‌کنند. اکنون اگر بخواهیم کاربرد سنسور ها در صنعت رباتیک را بررسی کنیم، می‌توانیم سنسور اندازه‌گیری دما را در نظر بگیریم. این تجهیز دما را اندازه‌گیری کرده و خروجی را به یک سیگنال قابل فهم برای ربات تبدیل می‌کند و ربات بر اساس برنامه ی کنترلی که برای آن تعریف‌شده، تصمیم گرفته و آن را اجرا می‌کند. در واقع حسگرها از دو جهت برای صنعت رباتیک مهم هستند، در درجه اول آن‌ها به هوشمندتر شدن ربات‌ها کمک به سزایی می‌کنند و در درجه‌ی دوم امکان کنترل و نظارت از راه دور و تصمیم‌گیری در مورد آنچه ربات در آینده انجام می‌دهد را به کاربران می‌دهد.

اکنون که با سنسور و کاربردهای آن آشنا شدید، به مطالعه‌ی مقاله‌ی مشخصات سنسور‌ها بپردازید تا از صرف هزینه و زمان اضافه در اثر انتخاب نادرست یک حسگر برای پروژه ی خود جلوگیری کنید. در مقالات بعدی به بررسی لیست انواع سنسور ها می‌پردازیم.

المان های مهم در انتخاب سنسور

حسگرها در مدل‌های بسیار متنوعی عرضه می‌شوند و نیاز است برای انتخاب مناسب آن‌ها، مواردی را بررسی کنیم. به عنوان مثال قبل از تهیه باید کمیت مورد نظر جهت شناسایی یا اندازه‌گیری، روش کار، شرایط محیط، نوع مدار فرمان، مشخصه‌ها، نوع خروجی و … را به خوبی مشخص کنیم. برای این کار سؤال‌های زیر مطرح می‌شوند:

• حسگر برای اندازه‌گیری یا تشخیص چه کمیت یا جسمی استفاده خواهد شد؟
• حسگر باید با قطعه‌ی موردنظر تماس داشته باشد یا خیر؟
• شکل ظاهری، محل و روش نصب حسگر مشخص‌شده است؟
• محل نصب حسگر ازنظر شرایط محیطی، آلودگی و … چگونه است؟
• حسگر باید چه مشخصه‌های الکتریکی شامل تغذیه، نوع خروجی، روش اتصال و … داشته باشد؟
• چه مشخصه‌های کاری مانند سرعت، فاصله، عوامل تأثیرگذار و … موردنیاز است؟

به‌طورکلی می‌توان حسگرها را در کلاس‌های متفاوتی طبقه‌بندی کرد. برای دسته‌بندی کلی حسگرها، عنوان‌های دسته‌بندی مختلفی وجود دارد. به صورت کلی حسگرها را می‌توان ازنظر نیاز به منبع خارجی در انواع Passive و Active، از نظر ابزارهای تشخیصی استفاده‌شده در حسگرها، به دو کلاس تماسی و غیر تماسی، ازنظر نوع خروجی به دودسته‌ی آنالوگ و دیجیتال، NPN و PNP و ازنظر نوع تغذیه به تغذیه‌ی AC و DC و تقسیم‌بندی کرد.

ابتدایی‌ترین و مهم‌ترین نکته در انتخاب سنسور، مشخص کردن نوع کمیت یا جسم مورد سنجش می‌باشد. به عنوان مثال در حسگر های آنالوگ باید مشخص کنیم که چه کمیتی قرار است اندازه‌گیری شود.

همانطور که در بالا اشاره شد با مدل‌های متنوع سنسورهای آنالوگ می‌توان حرارت، فاصله، سطح مایعات، سطح جامدات، سرعت و … را اندازه‌گیری کرد. به عنوان مثال و طبق انیمیشن زیر، از یک حسگر برای اندازه‌گیری سطح مایعات داخل مخزن استفاده شده است و ازآنجاکه یک حسگر آنالوگ با خروجی جریان 4 تا 20 میلی‌آمپر است، امکان تشخیص خطا را نیز برای کاربر فراهم می‌کند، زیرا در حالتی که خروجی جریان صفر باشد، به معنی بروز خطا در سیستم خواهد بود.

برای انتخاب سنسور دیجیتال، نوع مواد تشکیل دهنده‌ی جسم اهمیت زیادی دارد. حسگر های القایی برای تشخیص مواد فلزی، سنسور خازنی برای مواد فلزی و غیر فلزی و سنسورهای نوری و صوتی برای مواد مختلف استفاده می‌شوند. به عنوان مثال و طبق تصویر زیر، نمی‌توان از حسگر القایی برای تشخیص کفش ورزشی در یک خط تولید استفاده کرد. بهترین گزینه در این مثال حسگر خازنی می‌باشد.

همانطور که در بالا ذکر کردیم حسگرها صرف نظر از نوع کاربری، در مدل‌های تماسی و غیر تماسی ساخته می‌شوند. برای کمتر کردن معایب تماس مستقیم بهتر است تا حد ممکن از سنسورهای غیر تماسی استفاده شود. سنسور خازنی، القایی و نوری از انواع بدون تماس، و سنسورهای دما و کنترل سطح مایعات می‌توانند به صورت‌های تماسی و غیر تماسی یا مجاورتی Proximity sensor استفاده شود. در مقاله ی انواع سنسور ها و کاربرد آن ها به بررسی مدل های مختلفی از سنسور های آنالوگ و دیجیتال پرداخته ایم.

در گام بعدی و  با توجه به محل نصب حسگر، باید مشخصات ظاهری و ابعاد آن را مشخص کنیم. حسگرها در مدل‌های مختلفی مانند استوانه‌ای با قسمت حساس بیرون زده Non-Flush، استوانه‌ای صاف یا محصور شده Flush، مکعبی، شیار دار Slot Type، حلقه‌ای Ring Type و .. در ابعاد مختلف تولید می‌شوند. شکل ظاهری حسگر علاوه بر محل نصب، به فاصله و مواد تشکیل دهنده‌ی جسم نیز بستگی دارد. در تصویر زیر انواع شکل ظاهری حسگرها را مشاهده می کنید.

هر یک از حسگرهای نمایش داده شده در تصویر فوق، برای محل خاص و روش کنترل خاصی مناسب هستند. در محیط‌هایی که فاصله‌ بسیار کم بوده و امکان برخورد جسم با قسمت حساس حسگر وجود دارد، می‌توان از مدل استوانه‌ای محصور شده و یا مکعبی استفاده کرد. در نمونه‌های دیگر و برای مشخص کردن وضعیت اجسامی که دارای شرایط یا سرعت خاصی هستند می‌توان از مدل‌های شیاردار یا حلقه‌ای استفاده کرد. به عنوان مثال و طبق گزینه‌ی 4 برای افزایش دقت در مشخص کردن موقعیت یک دیسک از نوع شیاردار و طبق گزینه‌ی 5 برای مشخص کردن وضعیت نخ در ماشین‌های ریسندگی از نوع حلقه‌ای استفاده می‌شود.

در نظر داشته باشید که برخی از المان‌های محیطی مانند هم جواری با حسگرهای دیگر، دما، رطوبت، آلودگی و … در عملکرد صحیح حسگرها تاثیر دارند. به‌عنوان‌مثال فاصله‌ی کمتر از حد مجاز در نصب چند حسگر القایی و یا وجود آلودگی‌های محیطی در عملکرد حسگرهای خازنی مؤثر است. برای دست‌یابی به حداکثر دقت و کارایی باید شرایط محیطی را مشخص کرده و سپس به اطلاعات درج شده در کاتالوگ سنسورها مراجعه کرد.

مشخصه‌های الکتریکی در حسگرها بسیار متنوع بوده و باید بر اساس کمیت مورد اندازه‌گیری و نوع مدار فرمان انتخاب شود. به صورت کلی مشخصه‌های الکتریکی یک حسگر را می‌توان به سه گروه تغذیه، خروجی و روش اتصال تقسیم کرد.

تغذیه‌ی حسگرها را می‌توان بر اساس نوع مدار به صورت AC یا DC با مقادیر مختلف و یا به صورت AC/DC با یک رنج گسترده انتخاب کرد. بهترین حالت این است که ولتاژ کاری حسگر با ولتاژ مدار فرمان یکی باشد تا نیازی به نصب منابع تغذیه وجود نداشته باشد.

در انیمیشن زیر، نحوه‌ی اتصال یک سنسور نوری ترانزیستوری از نوع PNP به بار و منبع تغذیه را مشاهده می‌کنید.

خروجی سنسورها در مدل‌های متنوعی مانند جریانی، ولتاژی، قطع و وصل به صورت نرمال باز، قطع و وصل به صورت نرمال بسته، قطع و وصل به صورت چنج آور، پالس، تحت شبکه و … وجود داشته و باید بر اساس نقش سنسور در مدار فرمان انتخاب شود. همان‌طور که شرح داده شد، حسگرهای آنالوگ نیاز به کنترلر داشته و نمی‌توانند به صورت مستقل در مدار فرمان قرار بگیرند.

گام بعدی پس از انتخاب نوع حسگر، شکل ظاهری و محل نصب، تعیین مشخصه‌های کاری آن است. این مرحله نیاز به‌دقت زیادی داشته و در عملکرد صحیح ماشین‌آلات و مدارهای فرمان بسیار اهمیت دارد. مشخصه‌های کاری بر اساس نوع حسگر، برند و مدل بسیار متفاوت بوده و باید بر اساس ماشین یا قسمتی که می‌خواهیم آن را اتوماسیون کنیم، حساسیت، هزینه‌ها و … انتخاب شود. به‌عنوان‌مثال برای کارهای دقیق و حساس باید المان‌های بیشتری مانند هیسترزیس، ولتاژ تغذیه، افت ولتاژ، ریپل، جریان نشتی، جریان بی‌باری، جریان بار ماکزیمم، دمای محیط، کلاس حفاظتی و … را در انتخاب سنسورها لحاظ کنیم. برای کسب اطلاعات بیشتر به مقاله ی مشخصات سنسور ها مراجعه فرمائید.