آشنایی با انواع سنسور ها
انواع سنسور
در این مقاله با انواع سنسور و کاربرد آن ها در صنعت آشنا میشویم. سنسور المان حس کنندهای است که کمیتهای فیزیکی مانند فشار، حرارت، رطوبت، دما و غیره را به کمیتهای الکتریکی آنالوگ یا دیجیتال تبدیل میکند. این تجهیز از ابزار های اساسی در انجام پروژه های صنعتی و اتوماسیون است. به منظور آشنایی با ماهیت و تعریف سنسور، کاربرد و المان های مهم در انتخاب سنسور لطفا مقاله سنسور چیست را مطالعه کنید. همانطور که در این مقاله اشاره شد سنسور در صنایع مختلف مانند اتومبیل، هواپیمایی، دریایی، پزشکی، مخابرات، مواد شیمیایی و سختافزار کاربرد دارد. همچنین سنسورها در انواع دستگاههای اندازهگیری، سیستمهای کنترل آنالوگ و دیجیتال مانند PLC مورد استفاده قرار میگیرند.
سنسور مغناطیسی
سنسور مغناطیسی از انواع سنسور مجاورتی است. عملکرد این تجهیز بر اساس حساسیت نسبت به میدان مغناطیسی اطراف آهنربای دائم یا الکتریکی میباشد. اگر یک میدان مغناطیسی مانند میدان مغناطیسی آهنربای دائم به سنسور نزدیک شود،کنتاکت های تیغه ای شکل جذب میدان مغناطیسی می شوند. این عمل باعث باز یا بسته شدن یک یا چند کنتاکت می گردد. سنسورهای مغناطیسی از آهن ربای دائمی و یا آهن ربای الکتریکیِ تولید شده با جریان AC و DC استفاده میکنند. از ویژگی های این سنسورها غیر تماسی بودن آن هاست. سنسور مغناطیسی در امور نظامی، ردیابی موقعیت، قطب نما، اندازه گیری سرعت چرخش و غیره کاربرد دارد. در تصویر زیر یک سنسور مغناطیسی شرکت ABB به همراه آهنربای دائم جهت کنترل درب را مشاهده میکنید.
سنسور القایی
سنسور القایی یکی از ارزانترین و پرکاربردترین سنسورها است. این تجهیز یکی از انواع سنسورهای بدون تماس بوده و تنها در مقابل فلزات عکسالعمل نشان میدهد. سنسور القایی توانایی ارسال فرمان مستقيم به رلهها، شيرهای برقی، دستگاههای اندازهگیری و مدارات کنترل الکترونيکی را دارد. این سنسور در مدلهای دیجیتال، آنالوگ و پالس با اشکال متفاوتی مانند استوانه ایی، مکعبی و U شکل تولید میشود. این نوع سنسور از نظر خروجی در انواع 2،3 و 4 سیمه و در دو مدل AC و DC ساخته میشود. به صورت کلی ساختمان این سنسورها از چهار طبقه ی اسیلاتور، دمدولاتور، اشمیت تریگر و تقویت خروجی تشکیل شده است. کاربرد سنسور القایی در اندازه گیری فاصله از قطعه، جداسازی قطعات، اندازه گیری ضخامت قطعات، اندازه گیری سرعت و جهت چرخش، وجود یا عدم وجود شیء و غیره است. در تصویر زیر یک نوع سنسور القایی دیجیتال را مشاهده میکنید.
سنسور خازنی
سنسور خازنی از دیگر انواع سنسور پرکاربرد در اتوماسیون صنعتی است. این سنسورها از نوع بدون تماس و بدون کنتاکت الکتریکی بوده و در مقابل فلزات و اغلب غیر فلزات عمل میکنند. ایده ی اصلی ساخت آنها بسیار شبیه به سنسورهای القایی است. مزیت این سنسور نسبت به سنسورهای القایی قابلیت تشخیص اشیاء عایق علاوه بر اجسام هادی میباشد. سنسور خازنی در دو نوع دیجیتال و آنالوگ موجود بوده و از قسمت های اسیلاتور، دمدولاتور، اشمیت تریگر و تقویت خروجی تشکیل شده است. به صورت کلی این سنسورها در مواردی چون کنترل سطح در مخازن پودر، غلات، مایعات، شمارش یا تشخیص موارد فلزی و غیر فلزی، کنترل صحیح بسته بندی و غیره کاربرد دارند. درتصویر زیر نوعی از سنسور خازنی را مشاهده میکنید.
سنسور اولتراسونیک
اولتراسونيك به معنای مافوق صوت است. در واقع امواج اولتراسونیک امواج مکانیکی هستند که فرکانس آنها بالاتر از حد شنوایی انسان است. اصطلاح مافوق صوت برای موج های الاستیکی با فرکانس بالای 20 کیلو هرتز به کار می رود. از کاربردهای امواجی با اين فركانس می توان به سنجش ميزان فاصله، سنجش ميزان عمق يك مخزن، تعيين فشار خون يك بيمار، همگن كردن مواد مذاب و غیره اشاره كرد.
یک سنسور اولتراسونیک غالبا دارای یک فرستنده و یک گیرندهی امواج اولتراسونیک است. این امواج پس از برخورد با یک مانع، منعکس شده و به سمت سنسور باز میگردند. به این ترتیب با توجه به زمان بازگشت و همچنین کیفیت امواج بازتابش شده به فاکتورهایی همچون فاصله تا مانع، نوع مانع و سرعت مانع دست پیدا میکنیم. بنابراین اساس کار سنسورهای صوتی بر پایهی ایجاد، فرستادن و سپس دریافت انعکاس امواج صوتی است. در تصویر زیر انواع این نوع سنسور را مشاهده میکنید.
سنسورهای اولتراسونیک در مدل های دیجیتال و آنالوگ تولید شده و به صورت پالسی عمل می کنند. به عنوان مثال هر چند ثانیه یک بار یک پالس ارسال کرده و فاصله را اندازه گیری میکنند. در نظر داشته باشید که هر ماده ای به یک کیفیت خاص، امواج اولتراسونیک را از خود عبور داده و مقداری از آن را بازتابش می کند. کاربرد این سنسور ها در تشخیص جابه جایی، وجود یا عدم وجود اجسام و غیره است.
سنسور نوری
سنسور های نوری یا Photoelectric با پیشرفت دانش اپتیک و خواص مختلف نور تولید شده است. سنسور نوری از انواع سنسور های بدون تماس بوده و یکی از پرکاربردترین سنسورها می باشد. این تجهیز نیز گونه ای از ابزارهای سنجش موقعیت است. در سنسور نوری ابتدا یک پرتو نور مدوله شده به سمت هدف ارسال شده و از طریق بررسی پرتو نور باز تاب یا شکست آن، موقعیت و حضور یک جسم را تشخیص میدهد. سنسور نوری در اندازه گیری فاصله، کنترل درب ها، شمارش و غیره کاربرد دارد.
به صورت کلی سنسورهای نوری در 3 دسته ی یک طرفه، رفلکتوری و دو طرفه قرار طبقه بندی می شوند. مدار کنترلی این نوع سنسور از یک فرستنده Emitter و یک گیرنده Receiver تشکیل شده است. به بیان دیگر Emitter منبع نور و Receiver دریافت کننده ی نور است. اساس کار سنسور نورانی دریافت سیگنال نورانی و تقویت آن است. به عبارت دیگر ابتدا سیگنال ضعیف دریافت شده توسط یک برد الکترونیکی تقویت میشود. این سیگنال تقویت شده در نهایت موجب تغییر در وضعیت خروجی سنسور خواهد شد. در تصویر زیر یکی از انواع سنسور نوری آنالوگ را مشاهده میکنید.
سنسور اثر هال
سنسور اثر هال تغییرات میدان مغناطیسی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. به عبارت دیگر عملکرد این سنسور با توجه به اثر فیزیکی هال توجیه می گردد. سیگنال خروجی این سنسور به دلایل زیر نیاز به پردازش دارد:
- رسیدن تغییرات ولتاژ خروجی این سنسور در اثر تغییرات میدان مغناطیسی به حد قابل قبول
- وجود نویز در محیط های صنعتی
مطابق با حالت های به دست آمده از پردازش سیگنال خروجی، انواع مختلفی از این سنسور تولید می شود. در یک دسته بندی کلی می توان این سنسورها را به دو دسته ی خطی هال و سوییچ هال تقسیم کرد. تعریف این گروه ها عبارتند از:
- سنسور خطی هال: خروجی این سنسور ها آنالوگ است. در این سنسور خروجی وابسته به شار مغناطیسی گذرنده از صفحات آن است.
- سنسور سوئیچ هال: خروجی این سنسور دیجیتال است. در سنسورهای دیجیتال اگر بزرگی میدان مغناطیسی به اندازه ی مطلوبی برسد، خروجی سنسور روشن یا On خواهد شد. در این سنسور اگر بزرگی میدان از حد معینی کمتر شود خروجی سنسور خاموش یا Off می شود. در تصویر زیر یک سنسور اثر هال را مشاهده میکنید.
انکودرها یا سنسورهای اندازه گیری حرکت از نوع نوری
انکودر یا کد کننده های نوری یکی از اصلی ترین قطعه هایی هستند که در تعیین موقعیت، جهت، سرعت و یا میزان جابه جایی قطعات مکانیکی استفاده می شوند. انکودر به دو صورت خطی و دورانی روی شفت الکتروموتور یا قطعه ی متحرک نصب می شود. این سنسور حرکت های جسم مورد نظر را به پالس های دیجیتال یا آنالوگ منظم تبدیل می کند. پالس های خروجی انکدر توسط سیستم های کنترلی ابزار دقیق مانند پی ال سی، اینورتر یا درایو شمارش و کنترل میشود. در اغلب موارد با رسیدن تعداد پالس ها به تعداد یا مقدار مورد نظر، فرمان خاصی صادر خواهد شد.
سنسورهای کنترل وضعیت انکودر از نظر ساختمان به دو گروه زیر تقسیم می شوند:
- خطی
- چرخشی
انکدر ها هم چنین از نظر کاری زیر به دو گروه تقسیم می شوند:
- افزایشی
- مطلق
به صورت کلی انکودر ها جهت تشخیص موقعیت یا position، سرعت یا velocity، جهت گردش شفت موتور یا direction و سایر تجهیزات متحرک مکانیکی استفاده می شوند. آن ها اطلاعات لازم برای کنترل دقیق سرعت در اپلیکیشن هایی مانند موقعیت یابی یک میز گردان یا rotary table، برداشتن و در جایی گذاشتن pick and place، مونتاژ ماشین آلات، بسته بندی و غیره را فراهم می کنند. در تصویر زیر نمونه ایی از انکودر را مشاهده میکنید.
جهت مطالعه ده ها مقاله ی تخصصی دیگر، بخش مقالات آموزش مدار فرمان را مشاهده کنید.
سنسور تشخیص رنگ
عملکرد اين سنسور بر اساس بازتاب نور از سطح مواد است. همانطور که میدانید اجسام يك سري از طول موج هاي نور را دريافت و يك سري ديگر را بازتاب مي كنند. طول موج بازتابش شده كه به چشم ما مي رسد همان رنگ آن ماده است. این تجهیز از خاصیت ذکر شده جهت آشکارسازی رنگ استفاده میکند.
نحوه عملکرد سنسور رنگ به اين صورت است که امواج ساطع شده از مواد را دريافت و آشكار مي كند. اطلاعات دریافتی توسط این سنسور از طریق یکی از راه هاي جريان، ولتاژ و يا فركانس اعلام مي شود. سنسورهای تشخیص رنگ در دو نوع دیجیتال و آنالوگ تولید می شوند. در نوع دیجیتال رنگ مورد نظر را در مقابل سنسور قرار داده و با این کار اصطلاحا سنسور را teach می کنیم. به این ترتیب سنسور تنها در مقابل همان رنگ خروجی خواهد داد. این نوع سنسور در مقابل شرایط محیط و براق یا کدر بودن جسم دارای خطا است. سنسورهای نوع آنالوگ شامل سه خروجی آنالوگ مربوط به رنگ های قرمز، سبز و آبی هستند. با ترکیب این سه خروجی ترکیبهای رنگی شبیهسازی میشود. در این مدل توانایی تشخیص تا دو میلیون رنگ وجود دارد. در تصویر زیر یکی از انواع سنسور تشخیص رنگ را مشاهده میکنید.
سنسور تشخیص گاز
به منظور تشخیص گازهای اشتعال زا یا بخارات برخواسته از مواد در محیط های صنعتی از سنسورهای گاز استفاده میشود. عملكرد سنسور گاز عامل مهمي در ايجاد محيط كاري ايمن در صنايع است. این سنسور عکس العمل های شیمیایی را تحلیل کرده و یک سیگنال الکتریکی متناسب با غلظت گاز ایجاد میکند. در تصویر زیر نمونه ایی از سنسور تشخیص گاز را مشاهده میکنید.
سنسور حرارتی
درجه ی حرارت یا دما یکی از مهم ترین کمیت های فیزیکی در صنعت است. به منظور اندازه گیری دقیق درجه حرارت محیط یا دمای اجسام؛ سنسورهای متنوعی ساخته شدهاند. از مهم ترین انواع سنسور های حرارتی می توان به این موارد اشاره کرد:
به صورت کلی سنسور های دما یکی از مهم ترین انواع سنسور در ابزار دقیق هستند. در ادامه سنسورهای دما یا حرارتی بیشتر بررسی شده اند.
ترموکوپل
ترموکوپل یکی از متداول ترین سنسورهای اندازه گیری دما در صنعت است. این سنسور از دو فلز غیر هم جنس ساخته شده که از یک طرف به یکدیگر متصل شده اند. با حرارت دادن محل اتصال این دو فلز ولتاژ کوچکی در خروجی ترموکوپل ایجاد میشود. این اختلاف پتانسیل یا ولتاژی خروجی تابع میزان حرارت اعمال شده به سنسور است. با بررسی میزان ولتاژ خروجی میتوان درجه ی حرارت اعمال شده به ترموکوپل را تشخیص داد. قابل ذکر است که مکانیزم ترموکوپل ها بر اساس پدیده ی سی بک یا Seebeck بوده که تغییرات دما را به ولتاژ تبدیل می کنند. در تصویر زیر نمونه ایی از ترموکوپل ها نمایش داده شده است.
به منظور بررسی نحوه ی خواندن دما با استفاده از ولتاژ خروجی ترموکوپل و محاسبات آن لطفا مقاله ی نحوه ی اندازه گیری دما با ترموکوپل را مطالعه کنید. هم چنین در مقاله ی ترموکوپل چیست، تعریف ترموکوپل و انواع و تیپ های ترموکوپل بررسی شده است.
سنسور RTD
مقاومت فلزات در اثر حرارت تغییر میکند. به منظور اندازه گیری تغییرات مقاومت در اثر تغییرات دما از سنسور RTD استفاده میکنیم. به صورت کلی RTD ها جزء سنسورهای خطی اندازه گیری دما بوده و سیگنال خروجی در آن ها یک سیگنال مقاومتی است. با قرار دادن RTD در یک بازوی پل وتستون می توان مقدار این مقاومت را اندازه گیری کرد. به منظور تبدیل این مقاومت اندازه گیری شده به مقدار دمای متناظر با آن از روش های زیر استفاده میکنیم:
- روش های استاندارد RTD مانند استاندارد IEC751
- معادله Callender_Van Dusen
ویژگی های ترمو مقاومتی به فلز یا آلیاژ به کار رفته در سنسور بستگی دارد. اغلب سه نوع فلز مقاومتی پلاتین یا Platinum، مس یا Copper و نیکل یا Nickel در ساخت RTD استفاده می شوند. مرسوم ترین نوع RTD ها از جنس پلاتین بوده و دو نوع اصلی آنها با عنوان PT100 و PT1000 شناخته میشوند. در تصویر زیر یکی از انواع سنسور های RTD نمایش داده شده است.
به منظور آشنایی با سنسور RTD و انواع آن مقاله ی سنسور RTD چیست را مطالعه کنید. هم چنین در مقاله ی فرمول محاسبه ی RTD به بررسی اندازه گیری مقاومت RTD و دما پرداخته ایم.
ترمیستور
ترمیستور مقاومت حساس به دما و ساخته شده از مواد نیمه هادی است. کلمه ترمیستور یا thermistor مخفف عبارت temperature sensitive resistors میباشد. ترمیستور حساسیت زیادی نسبت به حرارت داشته و به دو دسته ی زیر تقسیم میشود:
- PTC یا Positive Temperature Coefficient: در این ترمیستور ها با افزایش دما مقاومت آن ها افزایش مییابد. به بیان دیگر در ترمیستور PTC ضریب دمایی مثبت است.
- NTC یا Negative Temperature Coefficient: در این نوع سنسور ها با افزایش دما مقاومت ترمیستور کاهش مییابد. به بیان دیگر در ترمیستور NTC ضریب حرارتی منفی است. در تصویر زیر نمونه هایی از این ترمیستور نمایش داده شده است.
به منظور بررسی بیشتر ترمیستور ها لطفا مقاله ی ترمیستور چیست را مطالعه کنید.
ترمومترهای دیجیتالی
از ترمومتر های دیجیتالی پرتابل یا Portable Digital Thermometer به منظور اندازه گیری و تست دما استفاده میشود. ویژگی های این تجهیز عبارت اند از:
- مجهز به یک یا چند ورودی برای سنسورهای دما از جمله ترموکوپل نوع K، J، pt100 و غیره
- مجهز به صفحه نمایشگر دیجیتال برای نمایش دما به درجه ی سانتی گراد یا فارنهایت
- امکان تست چندین نمونه دما در مکان ها و زمان های مختلف
- قابلیت اندازه گیری هم زمان دما از دو تا 12 نقطه
در تصویر زیر نمونه ایی از ترمومترهای دیجیتال را مشاهده میکنید.
سنسور رطوبت
سنسور رطوبت یا رطوبت سنج میزان رطوبت نسبی هوا را اندازه گیری می کند. از این سنسور در محیط های حساس به رطوب مانند گلخانه ها، کارگاه ها، مرغداری و غیره استفاده میشود. به صورت کلی سنسورهای رطوبت بر اساس پارامتر مورد استفاده در اندازه گیری رطوبت به سه دسته سنسور های رطوبت خازنی، مقاومتی و حرارتی تقسیم میشوند. در رطوبت سنج های خازنی یا Capacitive Humidity Sensor میزان قدرت الکتریکی مواد دی الکتریک با افزایش یا کاهش رطوبت تغییر میکند.
سنسور های رطوبت مقاومتی یا Resistive Humidity Sensor معمولا از موادی با مقاومت نسبتا کم ساخته میشود. این مقاومت با تغییر رطوبت به صورت قابل توجهی تغییر میکند. دسته ی دیگر این سنسورها نوع حرارتی یا همان Thermal Conductivity Humidity Sensor هستند. در این سنسور ها از دو ترمیستور کوچک با ضریب دمایی منفی استفاده میشود. یکی از این ترمیستور ها در محفظه ایی پر از نیتروژن خشک قرار دارد. ترمیستور دیگر از طریق حفره های تهویه ی کوچک در معرض محیط باز قرار دارد. در این سنسور ابتدا مقاومت دو ترمیستور محاسبه میشود. تفاوت میان این دو مقدار به صورت مستقیم با رطوبت مطلق متناسب است. در تصویر زیر یک مورد از انواع سنسور رطوبت را مشاهده میکنید.
به منظور بررسی بیشتر سنسور رطوبت لطفا مقاله ی سنسور رطوبت چیست را مطالعه کنید.
سنسور فشار یا تنش
فشار به معنی نیروي وارد بر واحد سطح بوده و با علامت اختصاري P نشان داده میشود. واحد های اندازه گیری متفاوتی به این کمیت فیزیکی اختصاص داده شده است. در دستگاه بین المللی یکاها یا همان SI واحد پاسکال به عنوان واحد اندازه گیری استاندارد فشار معرفی شده است. یک پاسکال برابر با اعمال یک نیوتن نیرو بر یک متر مربع از سطح یک جسم است. در برخی از سنسور های وزن یا فشار از سیم های دارای مقاومت استفاده میشود. با ایجاد فشار یا وزن مقاومت این سیم ها تغییر کرده و در نهایت با اندازه گیری میزان تغییرات، میزان فشار یا وزن تشخیص داده میشود. در تصویر زیر یکی از انواع سنسور فشار را مشاهده میکنید.
Load cell لودسل
لودسل در لغت به معنای سلول وزن، وزن سنج یا حسگر بار است. لودسل یك نوع حسگر الكترونیكی جهت اندازه گیری وزن و نیرو است. از این سنسور اغلب در سیستم های توزین استفاده میشود. با اعمال نيرو روي لودسل يک سيگنال الکتريکي ضعيف در حد ميلي ولت روي سيم هاي خروجي آن ظاهر مي شود. به صورت کلی لودسل ها در کلاس یا رده های متفاوتی تقسیم میشوند. كلاس هر لودسل بیانگر موارد مختلفی از جمله دقت یا رزولوشن، ظرفیت و تعداد قسمت های تقسیم شده بر حسب استاندارد است.
جنس لودسل مي تواند از فولاد يا آلومينيوم باشد. در قسمتي از بدنه ی اين قطعه فلزي 2 يا چند مقاومت حساس به تغيير شکل یا Strain Gauge چسبانده شده است. این مقاومت ها با عناوین Strain Gauge یا کرنش سنج نیز شناخته میشوند. با اعمال نيرو بر لودسل بدنه ی فلزي تغيير شکل نامحسوسی پيدا میکند. این امر موجب تغییر شکل کرنش سنج ها ی متصل به لودسل میشود. در این سنسور مقاومت الکتريکي Strain Gauge ها به ميزان اندکي در حد صدم يا دهم اهم تغيير مي کند. قابل ذکر است که خروجی این سنسور معمولا از نوع آنالوگ می باشد. در تصویر زیر یک مدل از انواع این سنسور را مشاهده میکنید.
به منظور بررسی بیشتر لودسل لطفا مقاله ی لودسل چیست را مطالعه کنید.
جمع بندی
در این مقاله با سنسورهای پرکاربرد در صنعت آشنا شدیم. این سنسورها از نظر مشخصات، پارامترها، ویژگی، روش نصب و غیره در مقالات بعدی بررسی شده اند. به منظور کسب اطلاعات بیشتر در این خصوص می توانید مقالات بخش سنسورها را مطالعه کنید. در نظر داشته باشید که شناخت انواع سنسور می تواند در طراحی سیستم های اتوماسیون بسیار مفید باشد.
خیلی عالی بود اگر بخواهیم بیشتر اطلاعات کسب کنیم لطف بفرمائید ومرا راهنمای کنید
سلام وقت بخیر، ممنون از نظر لطف شما.
اطلاعات مربوط به سنسور، مشخصات و پارامترهای آن و هم چنین برخی از سنسور های پرکاربرد از جمله سنسور مغناطیسی، القایی، خازنی و غیره در سایر مقالات تجهیزات مدار فرمان مثلث زرد بررسی شده اند.
سلام
ممنون از مقاله کاربردی شما
سلام. وقت بخیر. سپاس از نظر لطف شما.
بسیار عالی بود متشکرم
خواهش میکنم. سپاس از نظر لطف شما.
سلام وقت به خیر مطالب خیلی عالی و آموزنده اگر امکانش هست ویدئوهای آموزشی هم به اشتراک بگذارید
سلام. وقت شما بخیر. سپاس از نظر لطف شما.
در برخی از مقالات ویدئوهای آموزش مرتبط قرار داده شده است. سایر ویدئوها را می توانید در شبکه های اجتماعی مثلث زرد و یا در کانال آپارات مشاهده بفرمایید.