محتویات مقاله
معرفی
دنیای امروزه پر از انواع سنسور است. ما در زندگی روزمره خود و در تمام فعالیت‌هایمان با اتوماسیون مواجه می‌شویم. اتوماسیون شامل همه مواردی است که سیستم‌ها آن‌ها را به‌طور خودکار انجام می‌دهند؛ مواردی مانندِ روشن‌کردن چراغ‌ها و فن‌ها با استفاده از تلفن همراه، کنترل تلویزیون با استفاده از برنامه‌های موبایل، تنظیم دمای اتاق، آشکارسازهای دود و غیره است. همه این‌ها با کمک انواع سنسورها انجام می‌شود. در سال‌های اخیر، اغلب محصولات مبتنی بر سیستم‌های تعبیه‌ای دارای سنسورهای داخلی هستند.
موارد زیادی مانند دوربین مداربسته با کنترل موبایل، برنامه‌های پایش و پیش‌بینی آب‌وهوا و غیره وجود دارد که در آن‌ها سنسورها نقش بسیار مهمی دارند. همچنین در موارد بسیار حساسی مانند نظارت و تشخیص مراقبت‌های بهداشتی سنسورها بسیار کاربردی هستند. بنابراین، قبل از ساخت یک سنسور کاربردی، باید بدانیم که یک سنسور دقیقاً چه کاری انجام می‌دهد و چند نوع سنسور در دسترس و موجود است.
سنسور چیست؟
سنسور به‌عنوان دستگاه یا ماژولی تعریف می‌شود که به تشخیص هرگونه تغییر در کمیت‌های فیزیکی مانند فشار، نیرو یا کمیت‌های الکتریکی مانند جریان یا هر شکل دیگری از انرژی کمک می‌کند. سنسورها پس از تغییرات، ورودی شناسایی‌شده را به یک میکروکنترلر یا میکروپروسسور ارسال می‌کنند.
در نهایت، سنسور یک سیگنال خروجی قابل خواندن تولید می‌کند که این سیگنال می‌تواند نوری، الکتریکی یا هر شکلی باشد که تغییر در سیگنال ورودی را نشان دهد. در هر سیستم اندازه‌گیری، انواع سنسورها نقش اصلی را ایفا می‌کنند. در واقع، سنسورها اولین عنصر در بلوک دیاگرام سیستم اندازه‌گیری سنسورها هستند که در تماس مستقیم با متغیرها برای تولید خروجی معتبر قرار می‌گیرند. اکنون که می‌دانیم سنسور چیست و چه کاربردی دارد، به معرفی انواع سنسور و کاربردهای آن می‌پردازیم.
دسته‌بندی انوع سنسور
انواع سنسور را از جنبه‌های مختلف به دو صورت زیر دسته‌بندی کرد.
- سنسورهای اکتیو و پسیو
- سنسورهای آنالوگ و دیجیتال
سنسورهای اکتیو: سنسورهای اکتیو نوعی سنسور هستند که سیگنال خروجی را با کمک منبع تحریک خارجی تولید می‌کنند. ویژگی‌های فیزیکی سنسور با توجه به اثر خارجی اعمال‌شده متفاوت است؛ بنابراین به این سنسورها سنسورهای خودمولد (Self Generating Sensor) نیز می‌گویند. کرنش‌سنج و LVDT مثال‌هایی از این سنسورها هستند.
سنسورهای پسیو: سنسورهای پسیو نوعی سنسور هستند که سیگنال خروجی را بدون کمک منبع تحریک خارجی تولید می‌کنند. این سنسورها به هیچ محرک یا ولتاژ اضافه‌ای نیاز ندارند. ترموکوپل که مقدار ولتاژ مربوط به گرمای اعمال‌شده را به‌عنوان تولید می‌کند و نیازی به منبع تغذیه خارجی ندارد، مثالی از این نوع سنسور است.
سنسورهای آنالوگ و دیجیتال: انواع مختلف سنسورهای دیجیتال و آنالوگ همراه با معرفی کاربردهایشان در ادامه شرح داده شده‌اند.
انواع مختلف سنسور
انواع مختلفی از سنسورها برای اندازه‌گیری خواص فیزیکی مانند ضربان قلب و پالس‌ها، سرعت، انتقال حرارت، دما و غیره استفاده می‌شود. انواع سنسورها در ذیل فهرست شده‌اند و در ادامه، انواع رایج آن‌ها را با جزئیات و کاربردهایشان موردبحث قرار می‌دهیم.
- سنسور مادون‌قرمز (سنسور IR)
- سنسور دما و ترموکوپل
- سنسور مجاورت
- سنسور اولتراسونیک
- شتاب‌سنج و سنسور ژیروسکوپ
- سنسور فشار
- سنسور اثر هال
- سلول بارگذاری
- سنسور روشنایی
- سنسور رنگ
- سنسور تماسی
- سنسور شیب
- ردیاب حرکت PIR و سنسور لرزش
- فلزیاب، سنسور جریان آب و ضربان قلب
- سنسور جریان و سطح
- سنسور دود، مه، گاز، اتانول و الکل
- سنسور رطوبت، رطوبت خاک و باران
- سنسورهای آنالوگ
سنسور آنالوگ: سنسوری که سیگنال پیوسته نسبت به زمان را با خروجی آنالوگ تولید می‌کند، سنسور آنالوگ نامیده می‌شود. خروجی آنالوگ تولیدشده متناسب با اندازه‌گیری‌شده یا ورودی داده‌شده به سیستم است. به‌طورکلی، ولتاژ آنالوگ در محدوده 0 تا 5 ولت یا جریان به‌عنوان خروجی تولید می‌شود. پارامترهای فیزیکی مختلف مانند دما، تنش، فشار، جابه‌جایی و غیره نمونه‌هایی برای سیگنال‌های پیوسته هستند. شتاب‌سنج، سنسور سرعت، سنسور فشار، سنسور نور و سنسور دما مثال‌هایی از این نوع سنسور هستند.
سنسور مادون‌قرمز
وقتی به طیف الکترومغناطیسی نگاه می‌کنیم، ناحیه مادون‌قرمز به سه ناحیه به نام‌های مادون‌قرمز نزدیک، مادون‌قرمز میانی و ناحیه مادون‌قرمز دور تقسیم می‌شود. طیف مادون‌قرمز محدوده فرکانسی بالاتری نسبت به مایکروویو و فرکانس کمتری نسبت به نور مرئی دارد. یک سنسور مادون‌قرمز برای تشخیص تابش مادون‌قرمز یا IR استفاده می‌شود. با این اصل، سنسور IR می‌تواند به‌عنوان آشکارساز مانع استفاده شود. دو نوع سنسور مادون‌قرمز اکتیو و پسیو وجود دارد.
سنسور مادون‌قرمز پسیو: زمانی که سنسور از هیچ منبع مادون‌قرمزی برای تشخیص انرژی ساطعشده از موانع استفاده نمی‌کند، به‌عنوان یک سنسور مادون‌قرمز پسیو عمل می‌کند. نمونه‌هایی مانند ترموکوپل، آشکارساز برقی پیرو (Pyro) و بلومترها (حسگرهای آتش) در زمره سنسورهای پسیو قرار می‌گیرند.
سنسور مادون‌قرمز اکتیو: زمانی که دو جزء وجود داشته باشد که به‌عنوان منبع مادون قرمز و آشکارساز مادون قرمز عمل کند، به آن سنسور اکتیو می‌گویند. ال‌ای‌دی یا دیود لیزر به‌عنوان منبع مادون قرمز عمل می‌کنند. فوتودیود یا ترانزیستورهای نوری نیز به‌عنوان آشکارساز مادون قرمز عمل می‌کنند.
سنسور دما و ترموکوپل
همان‌طور که گفته شد سنسور آنالوگ سیگنال‌هایی تولید می‌کند که به‌طور مداوم با زمان تغییر می‌کنند. مقدار خروجی سنسور در محدوده میکروولت یا میلی‌ولت بسیار کوچک خواهد بود. به همین دلیل، مدارهایی برای تقویت سیگنال مورد نیاز است. مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) برای تبدیل سیگنال آنالوگ به‌دست‌آمده به مقدار دیجیتال استفاده می‌شوند.
سنسور دما، دما را حس و تغییرات آن را اندازه‌گیری می‌کند. انواع دیگر سنسورهای دما عبارت‌اند از ترموکوپل، ترمیستور، آشکارساز دمای مقاومتی (RTD) و آی‌سی‌های سنسور دما (LM35) و غیره.
سنسور مجاورت
سنسور مجاورت نوعی سنسور غیرتماسی است که برای تشخیص اشیا استفاده می‌شود و هیچ تماس فیزیکی‌ای با جسم ندارد. جسمی که قرار است فاصله آن اندازه‌گیری شود، به‌عنوان هدف شناخته می‌شود. نور مادون قرمز یا تابش الکترومغناطیسی در سنسور مجاورت استفاده می‌شود. انواع مختلفی از سنسورهای مجاورتی مانند القایی، خازنی، اولتراسونیک و غیره وجود دارد که در کاربردهای تشخیص اشیا، اندازه‌گیری سرعت، شناسایی چرخش، تشخیص مواد، سنسور پارک معکوس، شمارش اشیا و… از آن‌ها استفاده می‌شود.
سنسور اولتراسونیک
سنسورهای اولتراسونیک برای اندازه‌گیری مسافت یا زمان طی‌شده با استفاده از امواج اولتراسونیک استفاده می‌شوند. منبعی برای انتشار امواج اولتراسونیک به‌کار می‌رود. پس از برخورد موج به هدف، امواج منعکس شده و آشکارساز سیگنال را جمع‌آوری می‌کند. زمان طی‌شده بین موج ارسالی و موج منعکس‌شده با استفاده از سنسور اولتراسونیک اندازه‌گیری می‌شود. سنسورهای نوری از دو عنصر مختلف برای فرستنده و گیرنده استفاده می‌کنند، در حالی که سنسور اولتراسونیک از یک عنصر برای انتقال و دریافت استفاده می‌کند.
شتاب‌سنج و سنسور ژیروسکوپ
شتاب‌سنج نوعی سنسور است که برای تشخیص تغییرات موقعیت، سرعت و ارتعاش با حس کردن حرکت استفاده می‌شود و می‌تواند از نوع آنالوگ یا دیجیتال باشد. در شتاب‌سنج آنالوگ، بسته به حجم شتاب اعمالی به شتاب‌سنج، سیگنال ولتاژ آنالوگ پیوسته تولید می‌شود.
سنسور ژیروسکوپ برای تشخیص و تعیین جهت با کمک گرانش زمین، یعنی اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای است. تفاوت اصلی بین شتاب‌سنج و سنسور ژیروسکوپ این است که ژیروسکوپ می‌تواند چرخش را در جایی که شتاب‌سنج نمی‌تواند حس کند، اندازه بگیرد. به‌عبارت‌دیگر، ژیروسکوپ هر چرخشی را اندازه‌گیری می‌کند و تحت‌تأثیر شتاب قرار نمی‌گیرد و شتاب‌سنج نمی‌تواند چرخش را از شتاب تشخیص دهد و زمانی که در مرکز چرخش است قادر به کار صحیح نیست.
سنسور فشار
سنسور فشار با حس کردن مقدار فشار ولتاژ خروجی آنالوگ متناسب با آن را تولید می‌کند.
سنسور اثر هال
سنسوری که بر اساس اصل اثر مغناطیسی کار می‌کند، سنسور اثر هال نامیده می‌شود. در این سنسور، میدان مغناطیسی ورودی و سیگنال الکتریکی خروجی است. میدان مغناطیسی خارجی برای فعال‌کردن سنسور اثر هال اعمال می‌شود. همه آهن‌رباها دو ویژگی مهم دارند: چگالی شار و قطبیت. چگالی شار مغناطیسی همیشه در اطراف جسم وجود دارد؛ بنابراین، خروجی سنسور اثر هال تابعی از چگالی شار خواهد بود.
یکی از کاربردهای اصلی سنسورهای مغناطیسی در سیستم‌های خودرویی برای سنجش موقعیت، مسافت و سرعت است. به‌عنوان‌مثال، موقعیت زاویه‌ای میل‌لنگ برای زاویه شلیک شمع‌ها، موقعیت صندلی‌های خودرو و کمربندهای ایمنی برای کنترل کیسه هوا یا تشخیص سرعت چرخ برای سیستم ترمز ضد قفل (ABS). سنسورهای اثر هال برای تشخیص موقعیت GPS، تشخیص سرعت وکنترل موتور نیز به‌کار می‌روند.
سلول وزن‌کشی یا لود سل
از سلول وزن‌کشی یا لود سل برای اندازه‌گیری وزن استفاده می‌شود. ورودی نیرو یا فشار و خروجی مقدار ولتاژ الکتریکی است. لود سل وزن جسم را با روش غیرمستقیم اندازه‌گیری می‌کند. انواع کمی از لود سل وجود دارد که شامل لود سل اشعه‌ای، لود سل تک نقطه‌ای و لود سل تراکمی هستند.
لود سل اشعه‌ای در کاربردهای صنعتی مانند ماشین‌آلات، توزین مخازن، تجهیزات پزشکی استفاده می‌شود. لود سل تک نقطه‌ای در کاربردهای اندازه‌گیری وزن کم مانند جمع‌آوری زباله و ماشین‌آلات به‌کار می‌رود. لود سل تراکمی نیز برای کاربردهای اندازه‌گیری وزن بالا مانند دستگاه پزشکی برای کنترل پمپ استفاده می‌شود.
همچنین می‌توانید بخوانید:
کاربرد سنسورهای آنالوگ
از کاربرد سنسورهای آنالوگ می‌توان به شناسایی مسیرهای پنهان، ناپیوستگی در فلزات، کامپوزیت‌ها، پلاستیک‌ها، سرامیک‌ها و تشخیص سطح آب اشاره کرد.
سنسورهای دیجیتال
هنگامی که داده‌ها به‌صورت دیجیتالی تبدیل و ارسال شوند، به سنسور، سنسور دیجیتال می‌گوییم. سنسورهای دیجیتالی هستند که سیگنال‌های خروجی مجزا تولید می‌کنند و سیگنال‌ها گسسته‌زمان ناپیوسته خواهند بود و می‌توان آن‌ها را در «بیت» برای انتقال سریال و در «بایت» برای انتقال موازی نشان داد. کمیت اندازه‌گیری در قالب دیجیتال نمایش داده می‌شود. خروجی دیجیتال می‌تواند به‌صورت منطق 1 یا منطق 0 (روشن یا خاموش) باشد. سنسور دیجیتال از سنسور، کابل و فرستنده تشکیل شده است. سیگنال اندازه‌گیری‌شده در داخل خود سنسور بدون هیچ بخش خارجی به سیگنال دیجیتال تبدیل می‌شود. کابل برای انتقال از راه دور استفاده می‌شود.
سنسور روشنایی
ال‌ای‌دی دیجیتال یا آشکارساز نوری که برای تولید سیگنال دیجیتال برای اندازه‌گیری سرعت شفت چرخان استفاده می‌شو بدین صورت که یک دیسک به محور چرخان متصل می‌شود. محور چرخان دارای شکاف‌های شفاف در محیط خود است. هنگامی که شفت با سرعت می‌چرخد، دیسک نیز با آن می‌چرخد. سنسور از هر شکاف روی شفت عبور می‌کند که یک پالس خروجی به‌صورت منطق 1 یا منطق 0 تولید می‌کند. خروجی پس از عبور از شمارنده/رجیستر روی LCD نمایش داده می‌شود.
شتاب‌سنج دیجیتال
یک شتاب‌سنج دیجیتال خروجی موج مربعی با فرکانس متغیر تولید می‌کند. روش تولید موج مربعی مدولاسیون عرض پالس (PWM) است. خروجی سیگنال PWM، عرض پالس مستقیماً با مقدار شتاب متناسب است.
انواع دیگر سنسورهای دیجیتال عبارت‌اند از سنسور دما دیجیتال، رمزگذار و غیره.
کاربردهای سنسورهای دیجیتال
از کاربردهای سنسورهای دیجیتال می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- تشخیص نشتی در لوله‌ها و کابل‌های گاز با استفاده از سنسور فشار
- پایش فشار در تایرها
- نظارت بر جریان هوا
- سطح اندازه‌گیری
- پایش استنشاق (دستگاه پزشکی)
همچنین، دماسنج تشعشعی، با سنسور مادون قرمز کار می‌کند و دمای یک جسم با دماسنج‌های تشعشعی اندازه‌گیری می‌شود.
سنسورهای مادون قرمز برای تصویربرداری از اشیاء استفاده می‌شوند. آن‌ها در دوربین‌های ترموگرافی که برای تکنیک تصویربرداری غیرتهاجمی استفاده می‌شوند، به‌کار می‌روند.
این روزها از ریموت تلویزیون مبتنی بر مادون قرمز در خانه و سینما استفاده می‌شود. ریموت‌ها از نور مادون‌قرمز به‌عنوان منبع ارتباط استفاده می‌کنند. ریموت تلویزیون از دکمه‌ها و PCB تشکیل شده است. PCB شامل مدار الکتریکی است و دکمه آن را تحریک می‌کند تا عملکرد مشخصی را انجام دهد. هنگامی که دکمه فشار داده می‌شود، سیگنال منتقل می‌شود. ترانزیستورها برای تقویت سیگنال استفاده می‌شوند. در نهایت سیگنال به مادون قرمز ال‌ای‌دی می‌رسد. انتهای PCB به مادون قرمز ال‌ای‌دی متصل خواهد شد. یک سنسور در انتهای گیرنده تلویزیون قرار می‌گیرد. مادون قرمز ال‌ای‌دی نور مادون‌قرمز ساطع و سنسور آن را حس می‌کند.
در وسایل نقلیه، سنسورهای فرمان بسیار مهم هستند. آن‌ها زاویه چرخش فرمان را اندازه‌گیری می‌کنند و به ناوبری کمک بیشتری می‌کنند. این سنسورها در فرمان الکترونیکی و الکتریکی نقش دارند.
در دنیای کنونی، هر شخصی صاحب یک تلفن هوشمند است. فناوری تلفن همراه با سنسورها و فناوری اتوماسیون ساخته شده است؛ انواع مختلف سنسورهای مانند اثر انگشت، مغناطیس‌سنج، ژیروسکوپ، شتاب‌سنج، فشارسنج، دماسنج، سنسور مجاورت، نمایشگر ضربان قلب، سنسورهای نور و بسیاری دیگر.
