ژانویه
سنسور چیست؟ انواع سنسورها و کاربردهای آنها
در این مقاله به برسی انواع سنسور ها وکاربرد آنها میپردازیم.
فهرست محتوا
- مقدمه‌ای بر سنسورها
- سنسور چیست؟
- طبقه‌بندی سنسورها
- 1- سنسورهای فعال
- 2- سنسورهای پسیو
- 3- سنسورهای دیجیتال و آنالوگ
- انواع مختلف سنسورها
- سنسورهای آنالوگ
- سنسورهای دیجیتال
- 1- سنسور نور
- 2- شتاب‌سنج دیجیتال
- 3- کاربرد سنسورهای دیجیتال
- کاربرد زنده سنسورها
مقدمه‌ای بر سنسورها
دنیا پر است از سنسورها. در زندگی روزمره، تقریباً در تمام فعالیت‌های خود از اتوماسیون استفاده می‌کنیم. اتوماسیون یعنی خاموش و روشن کردن فن‌ها و چراغ‌ها با استفاده از تلفن‌های هوشمند، کنترل تلوزیون با استفاده از برنامه‌های موبایلی، تنظیم دمای اتاق، دتکتورهای دود و غیره. تمام این کارها به کمک سنسورها انجام می‌شود. امروزه، تمام محصولات مبتنی بر سیستم‌های داخلی دارای سنسور هستند.
کاربردهای بسیاری برای سنسورها وجود دارد، مانند دوربین‌های CCTV با کنترل از موبایل، نظارت بر آب و هوا و برنامه‌های پیشبینی و غیره. سنسورها نقش بسیار مهمی در نظارت و شناسایی مراقبت‌های بهداشتی دارند. بنابراین، قبل از ساخت سنسور، باید ببینیم سنسور دقیقاً چه کاری انجام می‌دهد و چند نوع سنسور وجود دارد.
سنسور چیست؟
سنسور دستگاه یا ماژولی است که شناسایی یک کمیت فیزیکی مانند فشار، نیرو یا کمیت الکتریکی مانند جریان یا هر نوع انرژی دیگر را تسهیل می‌کند. پس از مشاهده تغییرات، سنسور ورودی شناسایی شده را به یک میکروکنترلر یا ریزپردازنده ارسال می‌کند.
در نهایت، سنسور یک سیگنال خروجی قابل خواندن ارائه می‌کند که می‌تواند نوری، الکتریکی یا هر نوع سیگنال دیگری باشد که نشانگر تغییرات سیگنال ورودی است. و در تمام سیستم‌های اندازه‌گیری، سنسورها نقش بسیار مهمی دارند. در واقع، سنسورها اولین عنصر بلوک دیاگرام سیستم اندازه‌گیری هستند، که ارتباط مستقیمی با متغیرهای تولید خروجی معتبر دارد. اکنون می‌دانید سنسور در واقع یعنی چه؟ بیایید انواع آن و کاربردهای آن را در ادامه ببینیم.
طبقه‌بندی سنسورها
1.سنسورهای اکتیو و پسیو
2.سنسورهای آنالوگ و دیجیتال
1- سنسورهای فعال (اکتیو)
سنسورهای اکتیو نوعی سنسور هستند که سیگنال خروجی به کمک تغذیه محرک خارجی تولید می شود. ویژگی‌های فیزیکی سنسور با توجه به اثر خارجی اعمال شده تغییر می‌کند. بنابراین، همچنین سنسور خود ژنراتور نیز نامیده می‌شود.
مثال، LVDT و کشش سنج.
2- سنسورهای پسیو
سنسورهای پسیو نوعی سنسور هستند که بدون تغذیه تحریک خارجی سیگنال خروجی تولید می‌کنند. آنها نیازمند تحریک یا ولتاژ اضافی نیستند.
مثال: ترموکوپل، که با توجه به گرما یک مقدار ولتاژ تولید می‌کند. این سنسور نیازمند تغذیه خروجی نیست.
3- سنسورهای آنالوگ و دیجیتال
انواع مختلف سنسورهای دیجیتال و آنالوگ در ادامه به همراه کاربردهایشان آمده‌است.
انواع مختلف سنسورها
سنسورهای مختلفی برای اندازه‌گیریِ ویژگی‌های فیزیکی مانند ضربان قلب و نبض، سرعت، انتقال گرما، دما و غیره وجود دارد. انواع سنسورها در ادامه لیست‌شده و یکی یکی جزئیات استفاده و کاربردهای آنها را ارائه خواهیم کرد.
- 1- سنسور مادون قرمز (IR)
- 2- سنسورهای ترموکوپل و دما
- 3- سنسور مجاورت
- 4- سنسور فراصوت
- 5- سنسور ژیروسکوپ و شتاب‌سنج
- 6- سنسور فشار
- 7- سنسور اثر هال
- 8- لودسل
- 9- سنسور نور
- 10- سنسور رنگ
- 11- سنسور تاچ (لمس)
- 12- سنسور ویبره و دتکتور حرکت PIR
- 13- دتکتور فلز، سنسور ضربان و جریان آب
- 14- سنسور سطح و جریان
- 15- سنسور دود، مه، گاز، اتانول و الکل
- 16- سنسور باران و رطوبت خاک، سنسور رطوبت
سنسورهای آنالوگ
سنسورهایی که با توجه به زمان سیگنال پیوسته تولید می‌کنند سنسورهای آنالوگ نامیده می‌شوند. خروجی آنالوگ تولید‌شده با ورودی اندازه‌گیری‌شده در سیستم مطابقت و نسبت دارد. در کل، ولتاژ آنالوگ در بازه 0 و 5 ولت است و یا در خروجی جریان تولید می‌شود. انواع پارامترهای فیزیکی مانند دما، فشار، جابه‌جایی و غیره نمونه‌هایی از سیگنال‌های پیوسته هستند.
مثال: شتاب‌سنج، سنسور سرعت، سنسور فشار، سنسور نور، سنسور دما
سنسور IR (سنسور مادون قرمز)
وقتی به طیف الکترومغناطیسی نگاه می‌کنیم، منطقه مادون قرمز به سه قسمت تقسیم می‌شود: نزدیک مادون قرمز، میانه مادون قرمز و مادون قرمز دور[3]. طیف مادون قرمز دارای بازه فرکانس بالاتری نسبت به میکروویو و فرکانس کمتری نسبت به نور مرئی دارد. سنسور مادون قرمز برای ساطع کردن و شناسایی تشعشعات IR استفاده‌می‌شود. بر اساس این اصول، سنسور IR را می‌توان به عنوان شناسایی مانع به کار برد. دو نوع سنسور IR با نام‌های سنسور IR اکتیو و پسیو وجود دارد.
سنسور پسیو IR: وقتی سنسور از منبع IR برای شناسایی انرژیِ ساطع شده از مانع استفاده نمی‌کند به عنوان سنسور IR پسیو عمل‌می‌کند. مثال‌هایی از آن عبارتند از ترموکوپل، دتکتور پیزو الکتریک و بولومتر که نوعی سنسور پسیو هستند.
سنسور اکتیو IR: وقتی دو قطعه وجود دارد که به عنوان منبع IR و دتکتور IR عمل می‌کنند سنسور اکتیو نامیده‌می‌شود. LED یا دیود لیزر به عنوان منبع IR استفاده‌می‌شوند. فتودیود یا فتوترانزیستور نیز به عنوان دتکتور IR عمل می‌کنند.
سنسورهای دما و ترموکوپل
همانطور که قبلاً نیز به آن اشاره شد، سنسور آنالوگ سیگنال‌هایی تولید‌می‌کند که با گذر زمان پیوسته است. مقدار خروجی دریافتی از سنسور در حد میکروولت یا میلی‌ولت تغییر‌می‌کند. به همین دلیل، شکل‌دهی سیگنال برای تقویت آن مورد نیاز‌است. مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) برای تبدیل سیگنال آنالوگ دریافتی به سیگنال دیجیتال استفاده‌می‌شود.
سنسور دما، دما را حس کرده و تغییرات دما را اندازه‌گیری‌می‌کند. سایر انواع سنسورهای دما عبارتند از ترموکوپل، ترمیستور، قطعه دمای مقاومتی (RTD) و ICهای سنسور دما (LM35) و غیره.
سنسور مجاورت
سنسور مجاورت نوعی سنسور بدون ارتباط است که برای شناسایی شی استفاده‌می‌شود. این سنسور دارای ارتباط فیزیکی با شی نیست. شیء که فاصله آن باید اندازه‌گیری شود با نام هدف شناسایی می‌شود. نور IR و یا تشعشعات الکترومغناطیسی در سنسور مجاورت استفاده‌می‌شود. انواع مختلف سنسورهای مجاورت وجود دارد، مانند سنسورهای سلفی، خازنی، فراصوت و غیره. کاربردها: شناسایی شیء، اندازه‌گیری سرعت، چرخش، شناسایی، شناسایی ماده، سنسور پارک دنده عقب، شمارش شیء.
سنسور فراصوت
سنسورهای فراصوت برای اندازه‌گیری فاصله یا زمان سفر با استفاده از موج‌های فراصوت استفاده‌می‌شوند. یک منبع برای ساطع کردن موج فراصوت استفاده‌می‌شود. پس از اینکه موج به هدف برخورد کرد، موج‌ها منعکس‌شده و دتکتور سیگنال را جمع‌آوری می‌کند. زمان سفر بین موج انتقالی و موج دریافتی با استفاده‌از سنسور فراصوت اندازه‌گیری‌می‌شود. سنسورهای نوری از دو عنصر مختلف برای ارسال و دریافت استفاده‌می‌کنند. اما سنسور فراصوت از یک عنصر برای ارسال و دریافت استفاده‌می‌کند.
سنسور ژیروسکوپ و شتاب‌سنچ
شتاب سنج نوعی سنسور است که برای شناسایی تغییرات مکان، سرعت و لرزش استفاده‌می‌شود که از اندازه گیری و حس حرکت انجام می‌شود. این سنسور می‌تواند از نوع آنالوگ یا دیجیتال باشد. در شتاب سنج آنالوگ، با توجه به حجم شتاب اعمالی به شتاب سنج، سیگنال ولتاژ آنالوگ پیوسته‌ای تولید‌می‌شود.
سنسور ژیروسکوپ نیز به کمک جاذبه زمین برای تعیین جهت استفاده‌می‌شود که از سرعت زاویه‌ای استفاده‌می‌کند. تفاوت عمده‌ای که بین سنسورهای ژیروسکوپ و شتاب‌سنج وجود دارد این است که ژیروسکوپ می‌تواند چرخش را شناسایی کند اما شتاب سنج نه. به عبارت دیگر، ژیروسکوپ هر گونه چرخش و بدون تأثیر توسط شتاب را شناسایی‌می‌کند، اما شتاب سنج نمی‌تواند چرخش را از شتاب تمییز دهد و نمی‌تواند وقتی در مرکز چرخش قرار دارد آن را شناسایی کند.
سنسور فشار
سنسور فشار با اعمال ولتاژ ورودی و مقدار فشار کار‌می‌کند. این سنسور یک ولتاژ خروجی آنالوگ تولید‌می‌کند.
سنسور اثر هال
این سنسور بر اساس اصل اثر مغناطیسی به نام اثر هال[4] کار‌می‌کند. میدان مغناطیسی ورودی و سیگنال الکتریکی نیز خروجی این سنسور‌است. میدان مغناطیسی خارجی به سنسور اعمال‌شده و اثر هال را در آن فعال‌می‌کند. تمام مغناطیس‌ها دارای دو مشخصه مهم هستند، به نام تراکم شار و قطبیت. تراکم شار مغناطیسی به دور شیء همیشه وجود دارد. بنابراین، خروجی سنسور اثر هال تابعی از تراکم شار خواهد بود.
کاربردها: یکی از اصلی‌ترین موارد مصرف سنسور مغناطیسی سیستم‌های خودرویی برای احساس مکان، فاصله و سرعت‌است. برای مثال، مکان زاویه‌ی میل لنگ برای زاویه آتش جرقه‌زن‌ها، مکان صندلی‌های ماشین و کمربندها برای کنترل کیسه هوا و یا شناسایی سرعت چرخ برای سیستم ترمز بدون قفل (ABS). سنسورهای اثر هال برای شناسایی جایگاه GPS، سرعت و کنترل موتور نیز به کار برده‌می‌شوند.
لودسل
لودسل برای اندازه‌گیری وزن استفاده‌می‌شود. ورودی یک نیرو یا فشار است و خروجی نیز یک مقدار ولتاژ الکتریکی است. لودسل وزن شی را به صورت غیر مستقیم اندازه‌گیری‌می‌کند. چند نوع لودسل وجود دارد، لود سل بیم، لود سل تک نقطه و لودسل فشرده.
1- لودسل بیم: در کاربردهای صنعتی مانند ماشین آلات، وزن‌کنی تانک (تانکر) و تجهیزات پزشکی به کار می‌رود.
2- لودسل تک نقطه: برای کاربردهای کم وزن استفاده‌می‌شود، مانند جمع‌آوری زباله و ماشین آلات
3- لودسل فشرده: برای کاربردهای وزن بالا استفاده‌می‌شود، مانند دستگاه پزشکی، و کنترل پمپ
کاربردهای سنسورهای آنالوگ
شناسایی مسیرهای پنهان، قطعی در فلزها، کامپوزیت، پلاستیک، سرامیک و همچنین شناسایی سطح آب.
سنسورهای دیجیتال
وقتی داده تبدیل شده و به صورت دیجیتال منتقل می‌شود، سنسور دیجیتال نامیده‌می‌شود. سنسورهای دیجیتال سنسورهایی هستند که سیگنال‌های خروجی گسسته تولید می‌کنند. سیگنال‌های گسسته با گذر زمان پیوسته نیستند و می‌توان آنها را برای انتقال سریال با بیت و برای انتقال موازی با بایت ارائه کرد. کمیت اندازه‌گیری با فرمت دیجیتال ارائه‌می‌شود. خروجی دیجیتال می‌تواند به شکل منطق 1 یا منطق 0 باشد (روشن یا خاموش). سنسور دیجیتال از یک سنسور، کابل و یک فرستنده تشکیل شده‌است. سیگنال اندازه‌گیری شده در داخل خود سنسور بدون اجزای خارجی به سیگنال دیجیتال تبدیل‌می‌شود. برای انتقال فواصل دور از کابل استفاده‌می‌شود.
سنسور نور
LED دیجیتال یا دتکتور Opto برای تولید یک سیگنال دیجیتال و اندازه‌گیری سرعت چرخش محور استفاده‌می‌شود. یک دیسک به شفت در حال چرخش متصل می‌شود. محور وقتی می‌چرخد شیارهای خالی بر روی سطح خود دارد. وقتی محور با سرعتی مشخص می‌چرخد، این دیسک نیز به همراه آن می‌چرخد. سنسور از شیارهای روی صفحه عبور می‌کند و یک پالس خروجی با منطق 1 یا 0 تولید می‌کند. خروجی پس از عبور از یک شمارنده یا رجیستر بر روی LCD نمایش داده‌می‌شود.
شتاب سنج دیجیتال
شتاب سنج دیجیتال یک خروجی مربعی با فرکانس متغیر تولید می‌کند. متد تولید موج مربعی با استفاده از مدولاسیون پهنای پالس (PWM) انجام می‌شود. پهنای پالس خروجی سیگنال PWM با مقدار شتاب نسبت دارد.
سایر انواع سنسورها عبارتند از: سنسور دمای دیجیتال، انکودرها و غیره.
کاربردهای سنسورهای دیجیتال
- شناسایی نشتی در لوله‌های گاز و کابل‌ها با استفاده از سنسور فشار
- نظارت بر فشار در تایرها
- نظارت بر جریان هوا
- اندازه‌گیری سطح
- دستگاه تنفس (دستگاه پزشکی)
کاربرد سنسورهای بدون وقفه
کاربردهای انواع سنسور IR:
ترمومترهای تشعشعات: به دلیل حضور سنسور IR کار‌می‌کند. دمای یک شیء با استفاده از ترمومترهای تشعشعی اندازه‌گیری می‌شود.
دستگاه‌های تصویربرداری IR: سنسورهای IR برای تصویربرداری اشیا استفاده‌می‌شوند. این دستگاه‌ها در دوربین‌های ترموگرافی استفاده‌می‌شوند، که به عنوان تکنیک تصویر برداری غیرکشنده استفاده‌می‌شود.
ریموت تلوزیون: امروزه ریموت‌های تلوزیون مبتنی بر IR در خانه‌ها و تئاترها استفاده‌می‌شوند. این ریموت‌ها از نور به عنوان منبعی برای ارتباط استفاده می‌کنند. ریموت تلوزیون از چند دکمه و یک PCB تشکیل شده است. PCB یک مدار الکترونیکی‌است که برای احساس و شناسایی دکمه‌ای که فشرده شده‌است استفاده‌می‌شود. پس از فشرده‌شدن دکمه، سیگنال با کد مورس منتقل‌می‌شود. برای تقویت سیگنال از ترانزیستورها استفاده‌می‌شود. در نهایت سیگنال به IR LED می‌رسد. بورد مدار انتهایی به IR LED متصل است. یک سنسور در سمت گیرنده TV قرار می‌گیرد. IR LED نور IR ساطع کرده و سنسور نیز آن را حس‌می‌کند.
داخل ماشین – کاربردهای سنسور فرمان: در یک خودرو، سنسورهای فرمان بسیار حیاتی هستند. آنها زاویه چرخش فرمان را اندازه‌گیری کرده و در ناوبری کمک‌رسانی می‌کنند. این سنسورها نقش بسیار مهمی برای فرمان با دستور الکتریکی و هدایت پاور الکتریکی دارند.
داخل تلفن هوشمند – کاربردهای سنسور: در این دنیا، هر فردی یک تلفن هوشمند دارد. فناوری موبایل با سنسورها و فناوری‌های اتوماسیون بسیاری تولید شده‌اند. انواع مختلف سنسورها مانند اثر انگشت، مغناطیس سنج، ژیروسکوپ، شتاب سنج، بارومتر، ترمومتر، مجاورت، ضربان قلب، نور و بسیاری دیگر در تلفن‌های هوشمند قرار دارند.
مقالات مرتبط :
لینک زبان اصلی مقاله :