مشخصات و پارامترهای مهم در سنسورها

در مقالات قبلی با ماهیت سنسور، کاربرد و انواع سنسور ها در صنعت آشنا شدیم. اکنون لازم است به آشنایی با برخی از مشخصات سنسورها بپردازیم. به این منظور ابتدا باید با مفهوم دستگاه یا سیستم‌های اندازه‌گیری آشنا شویم. سیستم‌های اندازه‌گیری از 3 جزء سنسور، تقویت‌کننده و نمایشگر ساخته‌شده‌اند. سنسورها مهم‌ترین بخش در دستگاه‌های اندازه‌گیری هستند که یک کمیت فیزیکی را دریافت کرده و در پاسخ به آن‌ یک سیگنال قابل قرائت تولید می‌کنند. در انتخاب دستگاه اندازه‌گیری مناسب باید مشخصات سیستم موردنظر و سنسور ها به‌خوبی شناخته شود تا از هزینه‌ های بی‌مورد، ایجاد مشکل در اثر انتخاب نادرست سنسور، خطا در اندازه‌گیری و موارد این‌چنین جلوگیری شود. به این منظور به بررسی مشخصات و پارامترهای مهم سنسورها می‌پردازیم.

رنج کاری سنسور: Range

رنج کاری سنسور محدوده‌ی حداکثر و حداقل بازه ایی است که سنسور به‌خوبی در آن کار می‌کند. گاهی سنسورها در خارج این بازه نیز می‌توانند عمل کنند اما در این صورت به کالیبراسیون خاصی نیاز دارند. نام دیگر مشخصه ی رنج کاری در سنسورها، حوزه‌ی اندازه‌ گیری، اسپن Span و یا بازه است. دقت کنید که همواره بايد سنسوري انتخاب کنید كه حوزه اندازه‌گیری آن، دامنه تغييرات احتمالي كميت مورد كنترل را تحت پوشش قرار دهد. معمولاً براي اطمينان بيشتر، حوزه اندازه‌گیری را مقداری بزرگ‌تر از دامنه تغييرات احتمالي كميت مورد اندازه‌گیری انتخاب می‌کنند.

صحت یا درستی: Precision

یکی از مشخصه‌ها‌ی مهم در سنسور‌ها، صحت یا درستی است. به مقدار نزدیکی کمیت اندازه‌گیری شده نسبت به مقدار واقعی صحت می‌گویند، پس هر چه داده‌ها به مقدار واقعی نزدیک‌تر باشند صحت بیشتری خواهیم داشت و بسته به این که در پروژه ی شما میزان درستی و صحت داده‌ها و نزدیکی آن‌ها به مقدار واقعی چقدر مهم باشد، سنسوری متناسب با آن مقدار تهیه می‌کنید. رابطه‌ی زیر برای به دست‌آوردن میزان صحت استفاده می‌شود.

دقت: Accuracy

یکی دیگر از مشخصه‌های مهم سنسور‌ها، دقت یا Accuracy می‌باشد. به میزان وضوح و دقت در بیان کمیت اندازه‌گیری شده دقت می‌گویند. هر چه وسیله اندازه‌گیری کمیت را با تعداد رقم اعشار بیشتري نمایش دهد، دقت بالاتري دارد؛ به‌طور مثال کمیت اندازه‌گیری شده A با مقدار 2.0012 نسبت به کمیت B با مقدار 2.001 دقت بیشتري دارد. داده‌های دقیق ممکن است داده‌های درستی نباشند؛ زیرا ممکن است داده‌ها به هم نزدیک باشند، یعنی دقت خوبی داشته باشند اما از مقدار واقعی دور باشند یا به‌بیان‌دیگر، دارای صحت کمی باشند. برای درک بهتر تفاوت میان دو مشخصه ی دقت Precision و صحت Accuracy سنسورها، توجه شمارا به انیمیشن زیر جلب می‌نماییم.

اکنون به نکات زیر توجه کنید:

1. صحت قابلیت اصلاح دارد اما دقت را نمیتوان اصلاح کرد.
2. به فرآیند تصحیح صحت و یا اندازه گیری دقت، کالیبراسیون می گویند.
3. افزایش دقت، نیاز به هزینه ی بیشتر و تهیه ی سنسوری پیشرفته تر دارد.
4. Accuracy بالا، به معنی Error کم در اندازه گیری است.

خطی‌بودن: Linearity

خطی بودن، یکی دیگر از مشخصات سنسورهاست. هنگامی‌که رابطه‌ی تغییرات ورودی نسبت به تغییرات خروجی در یک وسیله‌ی اندازه‌گیری خطی باشد، وسیله‌ی اندازه‌گیری را خطی می‌نامند. خاصیت خطی بودن موجب سادگی فرآیند کالیبراسیون می‌شود.

ایده آل آن است که دستگاه اندازه‌گیری در تمام بازه‌ی اندازه‌گیری خود خطی باشد اما در عمل اکثراً این‌طور نیست.

صفر اندازه‌گیری: Zero

به نقطه ایی در محدوده‌ی اندازه‌گیری که به‌عنوان نقطه‌ی صفر در نظر گرفته می‌شود، صفر اندازه گیری می گویند. لزومی ندارد که در نقطه‌ی صفر اندازه‌گیری خروجی سنسور حتماً صفر باشد، به‌طور مثال در اندازه‌گیری دما، می‌توان نقطه‌ی صفر می‌تواند دمای یخ زدن آب باشد.

رانش: Drift

از دیگر مشخصات مهم در سنسورها می‌توان به رانش نیز اشاره کرد که به مقدار کم و زیاد در همه ی سنسورها اتفاق می‌افتد. به تغییر تدریجی خروجی سنسور نسبت به زمان، رانش می‌گویند. رانش حساسیت یا همان Sensitivity Drift، با گذشت زمان افزایش می‌یابد و در ابتدا صفر است.

انحراف صفر: Zero Drift

به انحراف اندازه خروجي در نقطه صفر از مقدار مشخص‌شده كه معمولاً صفر است انحراف از صفر می‌گویند. علت این پدیده می‌تواند تغییرات عناصر به‌کاررفته در ساخت دستگاه براثر دما و یا گذشت زمان باشد. Zero Drift ممکن است منجر به ایجاد خطاهای جدی در حلقه‌ی کنترل شود. این پدیده ممکن است سطحی Short Term و یا ذاتی Long Term باشد. Short Term به انحرافی گفته می‌شود که ناشی از عوامل محیطی و خارجی مانند دما یا تغییرات تغذیه باشد و Long Term انحرافی است که ناشی از فرسودگی و یا تغییر خواص دستگاه اندازه‌گیری باگذشت زمان باشد.

در تصویر زیر، به مقایسه‌ی دو مشخصه‌ی Zero Drift و Sensitivity Drift در سنسور‌ها پرداخته‌ایم.

1) خروجی تنها شامل zero drift2) خروجی تنها شامل sensitivity drift3) خروجی هم شامل zero drift و هم شامل sensitivity drift

حساسيت: Sensitivity

طبق تعریف، به نسبت تغییرات خروجی به تغییرات ورودی، حساسیت آن سنسور می‌گویند که به‌بیان‌دیگر همان شیب منحنی خروجی به ورودی است.

رزولوشن : Resolution

به کوچک‌ترین اندازه‌ی تغییرات کمیت که سنسور توانایی اندازه‌گیری آن را داشته باشد، رزولوشن می‌گویند. رزولوشن تا حد زیادی به طراحی و اجزای استفاده‌شده در دستگاه اندازه‌گیری بستگی دارد.

زمان پاسخ‌دهی: Response Time

به مدت‌زمان‌ایی که سنسور نیاز دارد تا تغییرات ورودی را در خروجی اعمال کند، زمان پاسخ‌دهی می‌گویند؛ به‌عبارت‌دیگر مدت‌زمانی است که طول می‌کشد تا خروجی سنسور به مقدار نهایی و پایدار خود برسد.

باند مرده: Dead Band

یکی دیگر از مشخصات سنسورها، باند مرده یا Dead Band است و به محدوده ایی از سیگنال ورودی گفته میشود که سنسور نسبت به آن حساسیت ندارد، یعنی محدوده ایی از ورودی که سنسور دارای خروجی نباشد.

قابلیت اطمینان: Reliability

به توانایی سنسور در اندازه‌گیری صحیح تحت شرایط کاری مشخص قابلیت اطمینان می‌گویند.

تکرارپذیری: Repeatability

مشخصه‌ی تکرار‌پذیری در سنسورها، بیان‌کننده‌ی میزان فاصله خروجی‌ها به ورودی‌های یکسان‌ایی است که به‌صورت پشت سر هم و بافاصله زمانی کم و با شرایط اندازه‌گیری، ابزار، مکان و روش اندازه‌گیری کاملاً یکسان انجام‌گرفته است؛ به‌عبارت‌دیگر، تکرارپذیری مشخص‌کننده این است که تحت شرایط و ورودی ثابت، داده‌های خروجی سنسور چقدر به یکدیگر نزدیک خواهند بود.

قابلیت تکثیر: Reproducability

نشان‌دهنده‌ی میزان نزدیکی خروجی‌های سنسور تحت ورودی ثابت و شرایط محیطی متغیر است.

بایاس: Bias

بایاس، همان میزان خطا بین میانگین مقادیر اندازه‌گیری شده و مقدار واقعی است.

سنسور ایده آل به چه معنی است؟

یک سنسور ایده آل باید دارای خروجی خطی یا خروجی ریاضی ساده برای اندازه‌گیری باشد. از مشخصات یک سنسور خوب می‌توان به مواردی مثل حساسیت کافی، درجه‌ی بالای دقت، درجه‌ی بالای خطی بودن، گستره‌ی دینامیکی خوب، عدم حساسیت به تداخل و تأثیرات محیطی اشاره کرد.

پارامترهای مهم در سنسورها

همان‌طور که در مقاله‌ی سنسور چیست مطالعه کردیم، گام بعدی پس از انتخاب نوع سنسور، شکل ظاهری و محل نصب، تعیین پارامترها و مشخصات مهم در سنسورها یا همان مشخصه‌های کاری آن‌هاست. برای شروع این کار می‌توان سؤال‌های زیر را مطرح و به آن‌ها پاسخ داد:

• سرعت تغییراتی که سنسور باید تشخیص دهد چقدر است؟ مثلاً در یک ثانیه سنسور باید چند بار چیزی را تشخیص دهد؟ پاسخ به این سؤال تعداد عملکرد یافرکانس سوئیچ سنسور را مشخص می‌کند.
• سنسور در چه فاصله‌ای باید تغییرات را تشخیص دهد؟ پاسخ به این سؤال، پارامتر فاصله‌ی سوئیچینگ را مشخص می‌کند.
• حداکثر تغییرات فیزیکی و الکتریکی مانند دما، افت ولتاژ، آلودگی‌ها و … چقدر هستند؟ پاسخ به این سؤال فاصله‌ی سوئیچینگ مؤثر، مفید و عملیاتی را مشخص می‌کند.
• میزان حساسیت کار و خسارات احتمالی در صورت صحیح کار نکردن سنسور چقدر است؟

مشخصه‌های کاری یک سنسور متنوع است و به حساسیت ماشین‌آلات و سیستم کنترل بستگی دارد. به‌عنوان‌مثال برای کارهای دقیق و حساس باید پارامترهای 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 برداشت این مشخصات و میزان تغییرات مجاز آن‌ها باید به کاتالوگ شرکت‌های سازنده مراجعه کرد. در نظر داشته باشید که هرقدر حساسیت‌ها و المان‌های کاری یک سنسور پیچیده‌تر و دقیق‌تر شود، قیمت آن نیز افزایش پیدا می‌کند و انتخاب یک سنسور بسیار حساس و گران‌قیمت برای کارهای معمولی و یا انتخاب یک سنسور با توانایی و ضریب اطمینان پایین در کارهای بسیار حساس، هر دو باعث اتلاف هزینه و خسارت‌های بعدی می‌شوند.

برای پاسخ به سؤالات بالا باید با پارامترهای مهم و مشخصه ها ی کاری در سنسورها آشنا شویم. ازاین‌رو توجه شمارا به تعاریف زیر جلب می‌نماییم.

• فرکانس سوئیچینگ یا fs: Switching Frequency or Response Frequency

فرکانس سوئیچینگ یا فرکانس پاسخ یا سرعت پاسخ، یکی از مشخصه های بسیار مهم در سنسورهاست که به حداکثر تعداد عملیات سوئیچینگ یک سنسور در ثانیه گفته می‌شود. به بیان کلی‌تر می‌توان گفت فرکانس سوئیچینگ اندازه‌گیری تعداد روشن و خاموش شدن سنسور در هر ثانیه برحسب هرتز است. پارامتر فرکانس سوئیچینگ در سنسورها طبق استاندارد DIN EN 50010 با شرایطی طبق عکس زیر، اندازه‌گیری می‌شود. برای محاسبه‌ی حداکثر تعداد عملیات سوئیچینگ یک سنسور در ثانیه مطابق شکل زیر از یک چرخ‌دنده استفاده می‌شود. همان‌طور که در شکل مشخص است طول فرورفتگی‌ها باید دو برابر لبه‌های برآمده بوده و بخش‌های برآمده نیز باید مستطیل شکل باشند. علاوه بر این فاصله‌ی سنسور مورد آزمایش با چرخ‌دنده نیز به اندازه‌ی s یا همان فاصله‌ی سوئیچینگ است. اکنون چرخ‌دنده شروع به چرخش می‌کند تا مقدار حداکثر تعداد عملیات سوئیچینگ آن محاسبه شود.

پارامتر فرکانس سوئیچینگ در سنسورها، شامل طیف گسترده و متفاوتی می‌شود که دانستن این طیف در استفاده از انواع مختلف سنسورها، از اهمیت بالایی برخوردار است. جدول زیر مقادیر متداول آن را نمایش می‌دهد.

فرکانس سوئیچینگ	نوع سنسور
200 … 300 هرتز	سنسور القایی
5 … 20 هرتز	سنسور خازنی
200 … 1500 هرتز	سنسور فوتوالکتریک
1 … 15 هرتز	سنسور لیزر
1 … 15 هرتز	سنسور التراسونیک
3000 … 10000 هرتز	سنسور مغناطیسی

به‌طور مثال فرض کنید می‌خواهیم با استفاده از یک سنسور مجاورتی از نوع القایی سرعت یک الکتروموتور را اندازه‌گیری کنیم، برای این کار یکی از مهم‌ترین مشخصه هایی که در انتخاب سنسور باید رعایت شود، پارامتر فرکانس پاسخ آن است، البته در این مثال به دیگر مشخصات سنسور ازجمله PNP و NPN بودن آن نیز باید توجه داشته باشید زیرا برخی از PLC ها در اتصال ورودی به آن‌ها دارای محدودیت هستند.

• فاصله‌ی سوئیچینگ یا S: Switching Distance

منظور از پارامتر S در سنسورها همان فاصله‌ی بین قطعه‌ی استاندارد و سطح حساس سنسور به هنگام عمل سوییچینگ می‌باشد که به‌اندازه و مشخصات بوبین سنسور بستگی دارد.

• فاصله‌ی سوئیچینگ نامی یا Sn: Nominal Switching Distance

این پارامتر، فاصله ایی است که در حالت متعارف و بدون در نظر گرفتن پارامترهای متغیر از قبیل درجه حرارت، ولتاژ تغذیه و … تعریف‌شده است.

• فاصله‌ی سوئیچینگ مؤثر یا Sr: Effective Switching Distance

از دیگر مشخصه هایی که برای سنسور در نظر گرفته می‌شود، فاصله‌ی سوئیچینگ مؤثر است که به فاصله‌ی سوئیچینگ تحت شرایط ولتاژ نامی و حرارت 20 درجه‌ی سانتی‌گراد اطلاق می‌شود. در این حالت تلرانس ها و پارامترهای متغیر نیز در نظر گرفته‌شده است. محدوده‌ی فاصله‌ی سوئیچینگ مؤثر نیز در بازه‌ی   0.9Sn < Sr < 1.1 Sn قرار می‌گیرد.

• فاصله‌ی سوئيچينگ مفيد یا Su: Useful Switching Distance

به فاصله‌ای که عمل سوئيچينگ در آن تحت شرایط ایی با رنج حرارت و ولتاژ مجاز انجام می‌شود، فاصله‌ی سوئیچینگ مفید می‌گویند که محدوده‌ی این پارامتر نیز در بازه‌ی  0.81Sn < Su < 1.21Sn قرار می‌گیرد.

• فاصله‌ی سوئيچينگ عملياتی یا Sa: Operating Switching Distance

از دیگر مشخصه های سنسورها، فاصله‌ی سوئیچینگ عملیاتی یا Sa می‌باشد که درواقع همان فاصله‌ای است که تحت شرايط مجاز، عملکرد سنسور تضمین‌شده است.

• پسماند یا هیسترزیس یا H: hysteresis

همان‌طور که در مقاله‌ی مشخصات سنسورها به آن اشاره شد، از ویژگی‌هایی که یک سنسور خوب می‌تواند داشته باشد، دو مشخصه‌ی مهم صحت Precision و رزولوشن Resolution می‌باشد و یکی از پارامترهای مهم سنسورها که بر روی صحت آن‌ها تأثیر می‌گذارد، هیسترزیس است. برخی از سنسورها دچار پدیده‌ی هیسترزیس می‌شوند، در این سنسورها خروجی سنسور علاوه بر مقدار ورودی به جهت تغییرات ورودی نیز بستگی دارد.

پارامتر هیسترزیس، فاصله‌ی بین نقطه‌ی وصل شدن هنگام نزدیک شدن به سنسور و نقطه‌ی قطع شدن هنگام دور شدن قطعه از سنسور می‌باشد. حداکثر این مقدار 10% فاصله‌ی نامی سنسور هست.

• ولتاژ تغذيه یا V supply

از دیگر پارامترهای مهم سنسورها که باید به آن توجه کنید، ولتاژ تغذیه‌ی آن‌ها است که به حداکثر و حداقل ولتاژی می‌گویند که در آن محدوده، سنسور عملکرد مطمئنی خواهد داشت.

• جريان نشتی یا I leakage

به جریانی که در حالت قطع از سنسورهای دو سیمه عبور می کند، جریان نشتی می گویند. این جریان ممکن است ناچیز باشد، اما در برخی موارد نیز ممکن است پس از تحریک بار، آن را در حالت وصل نگه دارد.

• جريان بی‌باری یا I no-load

جريانی است که در حالت اتصال سیم‌های تغذیه‌ی سنسور به منبع تغذيه از آن عبور می‌نماید.

• جريان بار ماکزيمم یا I-max

به حداکثر جريان پيوسته که می توان از خروجی سنسور عبور داد، جریان بار ماکزیمم می گویند.

• افت ولتاژ یا Voltage Drop

به حداکثر ولتاژ طبقه‌ی خروجی سنسور که در حالت سوئیچ می‌باشد و جریان مجاز از آن عبور می‌کند، افت ولتاژ می‌گویند.

• دمای محیط یا Ta: Ambient Temperature

محدوده حرارتی است که در آن محدوده عملکرد سنسور تضمین‌شده می‌باشد.

• کلاس حفاظتی یا IP: Ingress Protection

این پارامتر مربوط به حفاظت سنسور در برابر نفوذ اجسام خارجی و همچنین حفاظت در برابر نفوذ مایعات در سنسور است. بیشتر سنسورهای موجود در بازار دارای خصوصیات حفاظتی زیر می‌باشند:

• حفاظت در برابر اتصال معکوس سیم‌های سنسور
• حفاظت در برابر اتصال کوتاه
• حفاظت در برابر ولتاژ ضربه‌ای
• حفاظت در برابر قطع یکی از سیم‌های سنسور

اکنون مسئله این است که با توجه به IP یک سنسور، چطور یک انتخاب درست داشته باشیم؟

سنسورها اغلب در محیط‌های صنعتی مورداستفاده قرار می‌گیرند، ازاین‌رو احتمال آسیب به این قطعات الکترونیکی بالا رفته و موجب کوتاهی عمر آن‌ها خواهد شد. به‌طورکلی برای سنسورها در این زمینه دو رتبه‌بندی NEMA و IP در نظر گرفته‌شده است که تعیین می‌کنند محفظه‌ی آن‌ها چه میزان در برابر نفوذ گردوغبار و رطوبت مقاومت می‌کند. IP یا همان Ingress Protection توسط کمیسیون بین‌المللی الکترونیک IEC، برای مکان‌های غیر خطرناک تعریف‌شده است و عمدتاً در اروپا و آسیا مورداستفاده قرار می‌گیرد و رتبه‌بندی NEMA توسط انجمن ملی تولیدکنندگان برق توسعه‌یافته و اصولاً در ایالات‌متحده مورداستفاده قرار می‌گیرد. نکته‌ی قابل‌توجه این است که همه‌ی سنسورها برای عملکرد خوب نیازی به مقاومت در برابر محیط‌های سخت ندارند به‌عنوان‌مثال اگر بخواهیم همه‌ی سنسورهای خود را از سنسورهای با IP67 انتخاب کنیم درصورتی‌که در محیطی استفاده می‌کنیم که نیازی به این IP نباشد، اصلاً مقرون‌به‌صرفه نخواهد بود. پس لازم در انتخاب خود دقت کنید.

اکنون سؤال این است که اعداد ایی که در کنار IP می‌آیند به چه معنی هستند؟

فرض کنید IPxy را موردبررسی قرار می‌دهیم. عدد x نشان‌دهنده‌ی میزان حفاظت در برابر نفوذ گردوغبار و جامدات است و عدد دوم نشان‌دهنده‌ی میزان نفوذ در برابر مایعات و آب است. هر چه محیط ایی که از سنسور در آن استفاده می‌کنیم خشن‌تر باشد عدد IP بالاتری را باید انتخاب کنیم. اکنون در جدول زیر به بررسی مفهوم اعداد در IP خواهیم‌پرداخت. در جدول زیر به تفسیر مفهوم رقم اول از سمت چپ در IP سنسورها پرداخته‌ایم.

درجه‌ی محافظت در برابر جامدات	رقم اول IP از سمت چپ
بدون محافظت	0
حفاظت شده در برابر اجسام جامد خارجی با قطر بیشتر از 50 میلی‌متر	1
حفاظت شده در برابر اجسام جامد خارجی با قطر بیشتر از 12 میلی‌متر	2
حفاظت شده در برابر اجسام جامد خارجی با قطر بیشتر از 2.5 میلی‌متر	3
حفاظت شده در برابر اجسام جامد خارجی با قطر بیشتر از 1 میلی‌متر	4
حفاظت‌شده در برابر نفوذ گردوغبار	5
غیرقابل نفوذ در برابر گردوغبار	6

در جدول زیر نیز به تفسیر رقم دوم در IP سنسورها پرداختیم.

درجه‌ی محافظت در برابر مایعات	رقم دوم IP از سمت چپ
بدون محافظت	0
حفاظت شده در برابر چکه‌ی عمودی آب بر بدنه‌ی دستگاه	1
حفاظت شده در برابر چکیدن قطره‌های عمودی آب بر بدنه‌ی دستگاه، زمانی که دستگاه تا 15 درجه نسبت به افق جابه‌جا شده است.	2
حفاظت شده در برابر پاشش آب تا 60 درجه از هر دو طرف	3
حفاظت شده در برابر پاشش آب از هر طرف بر بدنه‌ی دستگاه	4
حفاظت شده در برابر پاشش آب با فشار، از زوایای مختلف بر بدنه‌ی دستگاه	5
حفاظت شده در برابر پاشش آب با فشار زیاد، از زوایای مختلف بر بدنه‌ی دستگاه	6
حفاظت شده در برابر غرق شدن دستگاه در آب برای مدت زمان و میزان فشار استاندارد	7
حفاظت شده در برابر غوطه‌وری طولانی‌مدت	8

علائم اختصاری سنسورها ی مختلف در مدارات الکتریکی

این وب سایت دارای مجوز از وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی بوده و هر گونه کپی و نسخه برداری و انتشار مجدد اطلاعات آن غیرمجاز است. لطفا در صورت مشاهده هرگونه سوء استفاده ما را مطلع کنید.