سنسورها انواع و عملکرد سنسور

سنسورها تقریباً در تمام سیستم‌های اتوماسیون و کنترل صنعتی حضور دارند. برای اینکه یک سیستم بتواند درباره وضعیت محیط یا یک فرایند تصمیم بگیرد، ابتدا باید اطلاعاتی مانند دما، فشار، موقعیت، فاصله، سطح مایع، سرعت یا حضور یک جسم را دریافت کند. سنسور (Sensor) تجهیزی است که یک کمیت یا تغییر فیزیکی را تشخیص می‌دهد و آن را به سیگنالی قابل استفاده برای سیستم اندازه‌گیری یا کنترل تبدیل می‌کند. برای مثال، در یک خط تولید ممکن است سنسور مجاورتی حضور قطعه را تشخیص دهد، سنسور دما وضعیت حرارتی دستگاه را اندازه‌گیری کند و سنسور فشار اطلاعات مربوط به فشار سیال را در اختیار سیستم کنترل قرار دهد. PLC یا کنترلر نیز براساس این اطلاعات می‌تواند فرمان مناسب را صادر کند. اما همه سنسورها به یک شکل کار نمی‌کنند. بعضی سنسورها خروجی دیجیتال دارند و فقط وجود یا نبود یک وضعیت را مشخص می‌کنند، در حالی که برخی دیگر مقدار یک کمیت را به‌صورت پیوسته اندازه‌گیری می‌کنند. همچنین سنسورها را می‌توان براساس کمیت اندازه‌گیری‌شده، نحوه تشخیص، نوع خروجی و کاربرد به گروه‌های مختلف تقسیم کرد. در ادامه ابتدا بررسی می‌کنیم سنسور چیست و چگونه کار می‌کند و سپس با انواع سنسورهای مورد استفاده در صنعت، تفاوت سنسور با ترانسدیوسر و لیمیت سوئیچ و نکات مهم انتخاب سنسور آشنا می‌شویم.

سنسور چیست؟

سنسور وسیله‌ای است که تغییر یک کمیت فیزیکی، شیمیایی یا شرایط محیطی را تشخیص می‌دهد و متناسب با آن یک خروجی ایجاد می‌کند. این خروجی می‌تواند در اختیار تجهیزاتی مانند PLC، کنترلر، نمایشگر، سیستم ثبت داده یا مدار الکترونیکی قرار گیرد. کمیتی که سنسور تشخیص می‌دهد به نوع آن بستگی دارد. برای مثال:

- سنسور دما، تغییرات دما را تشخیص می‌دهد.

- سنسور فشار برای اندازه‌گیری یا تشخیص فشار استفاده می‌شود.

- سنسور مجاورتی می‌تواند حضور یک جسم را بدون تماس مکانیکی تشخیص دهد.

- سنسور نوری با استفاده از نور وجود، عبور یا موقعیت جسم را تشخیص می‌دهد.

- سنسور سطح برای مشخص کردن سطح مواد مایع یا جامد در مخزن استفاده می‌شود.

بنابراین «سنسور» نام یک تجهیز مشخص با یک عملکرد ثابت نیست، بلکه خانواده بزرگی از تجهیزات اندازه‌گیری و تشخیص را شامل می‌شود.

سنسور چگونه کار می‌کند؟

اساس عملکرد سنسور را می‌توان به سه مرحله ساده تقسیم کرد:

1. دریافت کمیت ورودی

ابتدا یک پدیده یا کمیت فیزیکی در محیط وجود دارد؛ مانند دما، فشار، نور، فاصله یا حرکت.

2. تشخیص یا تبدیل تغییر

المان حساس سنسور نسبت به این کمیت واکنش نشان می‌دهد. نوع این واکنش به فناوری سنسور بستگی دارد. برای مثال، تغییر دما می‌تواند باعث تغییر مقاومت یک عنصر حساس شود یا نزدیک شدن یک جسم فلزی می‌تواند میدان الکترومغناطیسی یک سنسور القایی را تغییر دهد.

3. تولید خروجی

تغییر ایجادشده به یک سیگنال قابل استفاده تبدیل می‌شود. این خروجی ممکن است یک وضعیت روشن/خاموش، ولتاژ، جریان یا داده دیجیتال باشد. در یک سیستم اتوماسیون، خروجی سنسور معمولاً به ورودی PLC یا کنترلر ارسال می‌شود. کنترلر نیز براساس برنامه تعریف‌شده تصمیم می‌گیرد چه عملی انجام شود. برای مثال، اگر یک سنسور سطح تشخیص دهد مخزن به حد تعیین‌شده رسیده است، کنترلر می‌تواند فرمان توقف پمپ را صادر کند.

اجزای اصلی یک سنسور چیست؟

ساختار دقیق سنسورها با یکدیگر متفاوت است، اما در بسیاری از آن‌ها می‌توان چند بخش کلی را در نظر گرفت.

عنصر حساس یا Sensing Element

بخشی است که مستقیماً به تغییر کمیت مورد اندازه‌گیری واکنش نشان می‌دهد. عملکرد این بخش می‌تواند براساس تغییر مقاومت، ظرفیت، میدان مغناطیسی، نور یا سایر پدیده‌های فیزیکی باشد.

مدار پردازش سیگنال

سیگنال اولیه ایجادشده در عنصر حساس همیشه مستقیماً قابل استفاده نیست. مدار داخلی سنسور می‌تواند این سیگنال را تقویت، فیلتر، خطی‌سازی یا به شکل دیگری تبدیل کند.

بخش خروجی

خروجی اطلاعات سنسور را در اختیار سیستم بعدی قرار می‌دهد. بسته به نوع سنسور، این خروجی می‌تواند دیجیتال، آنالوگ یا مبتنی بر یک پروتکل ارتباطی باشد.

خروجی سنسورها چه انواعی دارد؟

شناخت نوع خروجی هنگام انتخاب سنسور اهمیت زیادی دارد؛ زیرا خروجی سنسور باید با ورودی تجهیزی که قرار است اطلاعات را دریافت کند سازگار باشد.

خروجی دیجیتال یا سوئیچینگ

در این حالت سنسور معمولاً دو وضعیت دارد؛ برای مثال وجود یا عدم وجود جسم. سنسورهای مجاورتی مورد استفاده در اتوماسیون صنعتی نمونه رایجی از این گروه هستند. در این تجهیزات ممکن است با اصطلاحاتی مانند PNP و NPN نیز روبه‌رو شوید که نحوه سوئیچ کردن خروجی را مشخص می‌کنند.

خروجی آنالوگ

در خروجی آنالوگ، سیگنال متناسب با مقدار اندازه‌گیری‌شده تغییر می‌کند. برای مثال ممکن است یک ترانسمیتر فشار محدوده فشار مشخصی را به سیگنال استاندارد 4 تا 20 میلی‌آمپر تبدیل کند. خروجی‌هایی مانند 0 تا 10 ولت نیز در تجهیزات صنعتی استفاده می‌شوند.

خروجی ارتباطی یا دیجیتال داده

برخی سنسورهای جدید امکان انتقال اطلاعات از طریق رابط‌ها و پروتکل‌های ارتباطی را فراهم می‌کنند. این سنسورها ممکن است علاوه بر مقدار اندازه‌گیری‌شده، اطلاعات تشخیصی یا پارامترهای دیگری را نیز در اختیار سیستم کنترل قرار دهند. نوع رابط مورد استفاده باید با کنترلر و ساختار شبکه صنعتی سازگار باشد.

سنسورها چگونه دسته‌بندی می‌شوند؟

برای دسته‌بندی سنسورها فقط یک روش وجود ندارد. می‌توان آن‌ها را براساس کمیت اندازه‌گیری‌شده، روش تشخیص، نوع خروجی یا نیاز به تماس با جسم طبقه‌بندی کرد. از نظر کمیت مورد اندازه‌گیری، گروه‌های مهم شامل موارد زیر هستند:

- سنسور دما

- سنسور فشار

- سنسور سطح

- سنسور جریان

- سنسور موقعیت و جابه‌جایی

- سنسور سرعت

- سنسور رطوبت

- سنسور نور

از نظر روش تشخیص نیز سنسورهایی مانند القایی، خازنی، نوری، اولتراسونیک و مغناطیسی وجود دارند.

انواع سنسورها کدام‌اند؟

سنسورها را می‌توان براساس کمیتی که اندازه‌گیری می‌کنند یا فناوری مورد استفاده برای تشخیص دسته‌بندی کرد. در محیط‌های صنعتی، انتخاب نوع سنسور فقط به این بستگی ندارد که «چه چیزی» باید تشخیص داده شود؛ جنس جسم، فاصله تشخیص، دقت مورد نیاز، شرایط محیطی و نوع خروجی نیز اهمیت دارند. در ادامه مهم‌ترین انواع سنسورهای مورد استفاده در صنعت را بررسی می‌کنیم.

سنسور القایی

سنسور القایی (Inductive Proximity Sensor) برای تشخیص اجسام فلزی بدون نیاز به تماس فیزیکی استفاده می‌شود. این سنسور یک میدان الکترومغناطیسی در مقابل سطح فعال خود ایجاد می‌کند. وقتی جسم فلزی وارد محدوده تشخیص می‌شود، شرایط این میدان تغییر می‌کند و مدار داخلی سنسور حضور جسم را تشخیص می‌دهد. سنسورهای القایی در خطوط تولید و ماشین‌آلات صنعتی کاربرد زیادی دارند؛ برای مثال می‌توان از آن‌ها برای تشخیص حضور یک قطعه فلزی، شمارش قطعات یا مشخص کردن موقعیت مکانیزم استفاده کرد.

یکی از مزایای مهم این سنسورها، تشخیص بدون تماس است. در نتیجه برخلاف کلیدهای مکانیکی، برای تشخیص جسم نیازی به برخورد فیزیکی مداوم وجود ندارد. البته فاصله تشخیص محدود است و مقدار آن به طراحی سنسور، اندازه و جنس جسم هدف بستگی دارد.

سنسور خازنی

سنسور خازنی (Capacitive Proximity Sensor) برخلاف مدل القایی فقط به اجسام فلزی محدود نیست و می‌تواند تغییر ناشی از حضور بسیاری از مواد فلزی و غیرفلزی را تشخیص دهد. اساس عملکرد این سنسور بر تغییر ظرفیت الکتریکی در محدوده حساس آن است. نزدیک شدن جسم می‌تواند ظرفیت ایجادشده را تغییر دهد و سنسور براساس این تغییر عمل کند. به همین دلیل سنسورهای خازنی می‌توانند برای تشخیص موادی مانند پلاستیک، شیشه، چوب، پودر، دانه و بعضی مایعات مورد استفاده قرار گیرند.

یکی از کاربردهای مهم آن‌ها تشخیص سطح مواد داخل مخزن است. در بعضی شرایط امکان تشخیص ماده از پشت دیواره غیرفلزی مخزن نیز وجود دارد. با این حال رطوبت، رسوب مواد و شرایط محیط می‌توانند روی عملکرد سنسور خازنی تأثیر بگذارند و تنظیم حساسیت آن اهمیت دارد.

سنسور نوری

سنسور نوری یا Photoelectric Sensor از نور برای تشخیص وجود، عبور یا موقعیت یک جسم استفاده می‌کند. این سنسورها معمولاً دارای یک فرستنده و گیرنده نور هستند و تغییر در مسیر یا شدت نور را برای تشخیص جسم بررسی می‌کنند. سنسورهای نوری از نظر نحوه قرارگیری فرستنده، گیرنده و جسم هدف انواع مختلفی دارند.

سنسور نوری یک‌طرفه یا Diffuse

در این ساختار، فرستنده و گیرنده در یک بدنه قرار دارند. نور به سمت جسم فرستاده می‌شود و بخشی از آن از سطح جسم به گیرنده بازمی‌گردد. مزیت اصلی این روش نصب ساده‌تر است، زیرا به رفلکتور یا گیرنده جداگانه در سمت مقابل نیاز ندارد. رنگ، جنس و میزان بازتاب سطح جسم می‌تواند بر فاصله و قابلیت تشخیص تأثیر بگذارد.

سنسور نوری رفلکتوری یا Retro-reflective

در این روش فرستنده و گیرنده در یک بدنه قرار دارند و یک رفلکتور در سمت مقابل نصب می‌شود. نور از سنسور به رفلکتور می‌رسد و به سمت گیرنده بازمی‌گردد. ورود جسم به مسیر نور باعث تغییر وضعیت خروجی سنسور می‌شود.

سنسور نوری دوطرفه یا Through-beam

در مدل Through-beam، فرستنده و گیرنده در دو طرف مسیر و روبه‌روی یکدیگر نصب می‌شوند. جسم با قرار گرفتن میان فرستنده و گیرنده مسیر نور را قطع می‌کند. این ساختار معمولاً امکان تشخیص در فاصله بیشتری نسبت به بسیاری از ساختارهای دیگر فتوالکتریک را فراهم می‌کند.

سنسور اولتراسونیک چیست؟

سنسور اولتراسونیک (Ultrasonic Sensor) با ارسال امواج صوتی با فرکانسی بالاتر از محدوده شنوایی انسان و دریافت بازتاب آن‌ها کار می‌کند. سنسور یک پالس صوتی ارسال می‌کند و مدت زمان رفت و برگشت موج را اندازه می‌گیرد. با استفاده از این زمان می‌توان فاصله جسم را تخمین زد. از سنسور اولتراسونیک می‌توان برای کاربردهایی مانند:

- تشخیص حضور جسم

- اندازه‌گیری فاصله

- کنترل سطح مخزن

- تشخیص بعضی اجسام شفاف

استفاده کرد.

یکی از مزیت‌های آن این است که عملکردش مانند سنسور نوری مستقیماً به رنگ جسم وابسته نیست. با این حال شکل و زاویه سطح، شرایط محیط و بعضی مواد جاذب صوت می‌توانند روی اندازه‌گیری اثر بگذارند.

سنسور مغناطیسی چیست؟

سنسورهای مغناطیسی وجود یا تغییر میدان مغناطیسی را تشخیص می‌دهند. یکی از کاربردهای رایج آن‌ها تشخیص موقعیت پیستون در سیلندرهای پنوماتیک است. در این سیستم‌ها یک آهنربا روی پیستون قرار دارد و سنسور نصب‌شده روی بدنه سیلندر عبور یا حضور آن را تشخیص می‌دهد. Hall Effect و Reed Switch دو فناوری متداولی هستند که در تجهیزات تشخیص مغناطیسی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

انواع سنسور براساس کمیت اندازه‌گیری‌شده

گروه دیگری از سنسورها براساس متغیری که اندازه‌گیری می‌کنند دسته‌بندی می‌شوند.

سنسور دما

سنسور دما برای اندازه‌گیری یا تشخیص تغییرات دما استفاده می‌شود. ترموکوپل، RTD و ترمیستور از فناوری‌های رایج اندازه‌گیری دما هستند، اما عملکرد و محدوده کاری آن‌ها یکسان نیست. ترموکوپل از اتصال دو فلز متفاوت استفاده می‌کند و اختلاف دما باعث ایجاد ولتاژ کوچکی در آن می‌شود. محدوده دمای قابل اندازه‌گیری به نوع ترموکوپل بستگی دارد. RTD براساس تغییر مقاومت الکتریکی یک فلز با دما کار می‌کند. Pt100 یکی از نمونه‌های شناخته‌شده RTD است. ترمیستور نیز مقاومت وابسته به دما دارد و در انواع مختلف تجهیزات اندازه‌گیری و کنترل استفاده می‌شود. انتخاب میان این گزینه‌ها به محدوده دما، دقت، سرعت پاسخ و شرایط محیط بستگی دارد.

سنسور فشار

سنسور فشار برای تشخیص یا اندازه‌گیری فشار گاز و مایع استفاده می‌شود. در تجهیزات صنعتی ممکن است خروجی سنسور یا ترانسمیتر فشار به‌صورت یک سیگنال استاندارد مانند 4 تا 20 میلی‌آمپر یا 0 تا 10 ولت در اختیار سیستم کنترل قرار گیرد. از این تجهیزات در سیستم‌های پمپاژ، کمپرسورها، تجهیزات هیدرولیک و پنوماتیک و خطوط فرایندی استفاده می‌شود. نوع فشار مورد اندازه‌گیری نیز اهمیت دارد و ممکن است فشار گیج، مطلق یا تفاضلی موردنظر باشد.

سنسور سطح

سنسور سطح (Level Sensor) برای تشخیص یا اندازه‌گیری مقدار ماده موجود در مخزن به کار می‌رود. اندازه‌گیری سطح می‌تواند به دو شکل کلی انجام شود:

• تشخیص نقطه‌ای سطح: مشخص می‌کند ماده به یک نقطه مشخص رسیده است یا خیر.
• اندازه‌گیری پیوسته سطح: مقدار سطح ماده را در یک محدوده اندازه‌گیری می‌کند.

برای اندازه‌گیری سطح از فناوری‌های مختلفی مانند شناور، خازنی، اولتراسونیک، راداری و هیدرواستاتیک استفاده می‌شود. انتخاب فناوری مناسب به نوع ماده، ارتفاع مخزن، فشار و دما و شرایط فرایند بستگی دارد.

سنسور جریان

سنسور یا فلوسنسور برای تشخیص یا اندازه‌گیری جریان سیال در لوله و سیستم‌های فرایندی استفاده می‌شود. روش اندازه‌گیری جریان می‌تواند بسیار متفاوت باشد. تجهیزات توربینی، مغناطیسی، اولتراسونیک، حرارتی و اختلاف فشاری نمونه‌هایی از فناوری‌های مورد استفاده برای اندازه‌گیری دبی هستند. بنابراین برای انتخاب سنسور جریان باید نوع سیال، محدوده دبی، قطر لوله، فشار، دما و دقت مورد نیاز مشخص باشد.

سنسور موقعیت و جابه‌جایی

این گروه برای مشخص کردن موقعیت یا مقدار حرکت یک جسم استفاده می‌شوند. بسته به کاربرد می‌توان از سنسورهای مختلفی مانند انکودر، LVDT، سنسورهای لیزری یا سنسورهای مجاورتی استفاده کرد. در ماشین‌آلات صنعتی، اطلاعات موقعیت برای کنترل حرکت، تعیین نقطه توقف، اندازه‌گیری جابه‌جایی و هماهنگی بخش‌های مختلف دستگاه اهمیت دارد.

سنسور سرعت

سنسور سرعت برای اندازه‌گیری سرعت خطی یا دورانی استفاده می‌شود. برای مثال در الکتروموتورها و ماشین‌آلات دوار می‌توان از انکودر یا تجهیزات دیگر برای اندازه‌گیری دور محور استفاده کرد. در سیستم‌های کنترل دور موتور، فیدبک سرعت می‌تواند به کنترلر کمک کند سرعت واقعی را با مقدار تنظیم‌شده مقایسه و در صورت نیاز اصلاح کند.

سنسور رطوبت

سنسور رطوبت برای اندازه‌گیری میزان رطوبت محیط یا در کاربردهای تخصصی‌تر، رطوبت یک ماده استفاده می‌شود. این سنسورها در سیستم‌های HVAC، انبارها، فرایندهای تولید و محیط‌هایی که کنترل شرایط آب‌وهوایی اهمیت دارد کاربرد دارند.

سنسور نور

سنسور نور شدت یا وجود نور را تشخیص می‌دهد. فوتودیود و فوتوترانزیستور از المان‌هایی هستند که می‌توانند در ساخت سیستم‌های حساس به نور استفاده شوند. کاربرد این گروه از سنجش شدت روشنایی تا تشخیص تغییرات نوری در سیستم‌های کنترلی متفاوت است.

سنسور تماسی و غیرتماسی چه تفاوتی دارند؟

یکی دیگر از روش‌های دسته‌بندی سنسورها، تفکیک آن‌ها به تماسی و غیرتماسی است. سنسور تماسی برای تشخیص وضعیت نیازمند تماس مکانیکی با جسم است. لیمیت سوئیچ مکانیکی نمونه‌ای شناخته‌شده از این روش تشخیص است. در مقابل، سنسورهای غیرتماسی می‌توانند بدون برخورد مستقیم با جسم، حضور یا وضعیت آن را تشخیص دهند. سنسورهای القایی، خازنی، نوری و اولتراسونیک نمونه‌هایی از تجهیزات غیرتماسی هستند. حذف تماس مکانیکی در بسیاری از کاربردهای پرتکرار می‌تواند استهلاک ناشی از برخورد را کاهش دهد، اما به این معنی نیست که سنسور غیرتماسی همیشه انتخاب بهتری است. شرایط محیط، جنس جسم، فاصله تشخیص، هزینه و الزامات ایمنی در انتخاب روش مناسب نقش دارند.

تفاوت سنسور، ترانسدیوسر، ترانسمیتر و لیمیت سوئیچ چیست؟

در سیستم‌های اندازه‌گیری و اتوماسیون صنعتی، اصطلاحاتی مانند Sensor، Transducer، Transmitter و Limit Switch گاهی به‌جای یکدیگر استفاده می‌شوند؛ در حالی که از نظر فنی دقیقاً یک مفهوم ندارند. شناخت تفاوت آن‌ها کمک می‌کند هنگام انتخاب تجهیزات، مشخص باشد هر وسیله چه اطلاعاتی دریافت می‌کند و چه نوع خروجی در اختیار سیستم کنترل قرار می‌دهد.

تفاوت سنسور و ترانسدیوسر

ترانسدیوسر (Transducer) به‌طور کلی وسیله‌ای است که یک شکل از انرژی یا یک کمیت را به شکل دیگری تبدیل می‌کند. سنسور را می‌توان نوعی ترانسدیوسر ورودی در نظر گرفت؛ زیرا یک کمیت فیزیکی مانند دما، فشار، نور یا جابه‌جایی را دریافت می‌کند و آن را به سیگنالی تبدیل می‌کند که قابلیت اندازه‌گیری یا پردازش دارد. برای مثال، در یک RTD تغییر دما باعث تغییر مقاومت الکتریکی می‌شود. در اینجا تغییر یک کمیت فیزیکی به تغییر یک مشخصه الکتریکی تبدیل شده است. اما مفهوم Transducer گسترده‌تر از Sensor است و تمام ترانسدیوسرها الزاماً سنسور نیستند. تجهیزاتی که سیگنال الکتریکی را به حرکت، صدا یا شکل دیگری از انرژی تبدیل می‌کنند نیز در تعریف عمومی ترانسدیوسر قرار می‌گیرند.

تفاوت سنسور و ترانسمیتر

ترانسمیتر (Transmitter) معمولاً سیگنال حاصل از اندازه‌گیری را دریافت و آن را به یک سیگنال استاندارد و مناسب برای انتقال به سیستم کنترل تبدیل می‌کند. برای مثال، در یک مجموعه اندازه‌گیری فشار، عنصر حساس تغییر فشار را تشخیص می‌دهد و ترانسمیتر می‌تواند مقدار اندازه‌گیری‌شده را به سیگنال استانداردی مانند 4 تا 20 میلی‌آمپر تبدیل کند. در عمل، بسیاری از تجهیزات صنعتی سنسور و مدار تبدیل و ارسال سیگنال را در یک بدنه دارند. به همین دلیل در بازار ممکن است تجهیز کامل نیز با عنوان سنسور فشار یا سنسور دما شناخته شود. اما از نظر عملکردی بهتر است تفاوت این دو مفهوم را بدانیم.

• سنسور: کمیت را حس یا اندازه‌گیری می‌کند.
• ترانسمیتر: اطلاعات اندازه‌گیری‌شده را به یک سیگنال استاندارد قابل انتقال تبدیل می‌کند.

این تفاوت هنگام طراحی سیستم‌های ابزار دقیق اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

لیمیت سوئیچ چیست؟

لیمیت سوئیچ (Limit Switch) یک وسیله تشخیص موقعیت است که معمولاً با تماس مکانیکی جسم عمل می‌کند. برای مثال، وقتی یک بخش متحرک ماشین به انتهای مسیر خود می‌رسد، می‌تواند اهرم یا قسمت مکانیکی لیمیت سوئیچ را فشار دهد. در نتیجه وضعیت کنتاکت‌های الکتریکی آن تغییر می‌کند و این تغییر به مدار فرمان یا PLC اطلاع می‌دهد که مکانیزم به موقعیت موردنظر رسیده است. از لیمیت سوئیچ می‌توان برای کاربردهایی مانند موارد زیر استفاده کرد:

- تشخیص انتهای مسیر حرکت

- مشخص کردن باز یا بسته بودن یک مکانیزم

- تشخیص موقعیت قطعات ماشین

- ایجاد اینترلاک در مدارهای کنترلی

- محدود کردن محدوده حرکت تجهیزات

سنسور اکتیو و پسیو چیست؟

اصطلاح Active و Passive Sensor در منابع مختلف با تعریف‌های متفاوتی استفاده می‌شود؛ بنابراین بهتر است هنگام استفاده از این اصطلاحات مشخص شود منظور کدام نوع دسته‌بندی است. در یکی از دسته‌بندی‌های رایج، سنسورهای Active برای انجام فرایند اندازه‌گیری انرژی یا سیگنالی را به محیط ارسال می‌کنند و پاسخ آن را بررسی می‌کنند. برای مثال، سنسور اولتراسونیک موج صوتی ارسال می‌کند و بازتاب آن را دریافت می‌کند. برخی سنسورهای نوری نیز نور را به سمت هدف ارسال کرده و بازتاب یا قطع شدن آن را بررسی می‌کنند. در مقابل، سنسورهای Passive بدون ارسال چنین انرژی تحریک‌کننده‌ای به هدف، تغییر موجود در محیط را دریافت می‌کنند. با این حال، این تعریف را نباید با نیاز یا عدم نیاز سنسور به تغذیه الکتریکی اشتباه گرفت. ممکن است یک سنسور برای مدار داخلی خود به تغذیه نیاز داشته باشد اما در یک طبقه‌بندی دیگر همچنان Passive نامیده شود. به همین دلیل در مشخصات فنی تجهیزات صنعتی بهتر است به‌جای اتکا به عبارت Active یا Passive، مشخصات واقعی مانند ولتاژ تغذیه، نوع خروجی و روش اندازه‌گیری بررسی شوند.

سنسور PNP و NPN چیست؟

در سنسورهای صنعتی دارای خروجی ترانزیستوری DC، اصطلاح‌های PNP و NPN بسیار رایج هستند. تفاوت اصلی آن‌ها در نحوه سوئیچ کردن جریان در خروجی است.

سنسور PNP

در یک سنسور PNP متداول، هنگام فعال شدن خروجی، ولتاژ مثبت تغذیه از طریق خروجی در اختیار بار یا ورودی PLC قرار می‌گیرد. به این نوع خروجی معمولاً Sourcing نیز گفته می‌شود.

سنسور NPN

در سنسور NPN، هنگام فعال شدن خروجی، مسیر خروجی به سمت صفر ولت یا منفی منبع تغذیه سوئیچ می‌شود. این نوع خروجی معمولاً Sinking نامیده می‌شود. انتخاب PNP یا NPN باید با نوع ورودی PLC یا کنترلر و نحوه سیم‌بندی سیستم سازگار باشد. نمی‌توان صرفاً یکی را بدون بررسی مدار جایگزین دیگری کرد.

سنسور NO و NC چیست؟

در مشخصات سنسورها ممکن است با عبارت‌های Normally Open (NO) و Normally Closed (NC) نیز مواجه شوید. این اصطلاحات وضعیت خروجی سنسور را در شرایط عادی مشخص می‌کنند.

• در یک خروجی NO، خروجی در حالت عادی غیرفعال است و با تشخیص هدف فعال می‌شود.
• در یک خروجی NC، وضعیت برعکس است و خروجی در حالت عادی فعال بوده و با تشخیص هدف تغییر وضعیت می‌دهد.

برخی سنسورها نیز امکان انتخاب یا ارائه هر دو وضعیت را دارند. انتخاب NO یا NC باید براساس منطق مدار فرمان، نیاز ایمنی و عملکرد مورد انتظار سیستم انجام شود.

سنسور دو سیمه، سه سیمه و چهار سیمه چه تفاوتی دارند؟

تعداد سیم‌های سنسور به نوع تغذیه و خروجی آن مربوط است و نحوه اتصال همه سنسورها یکسان نیست.

سنسور دو سیمه

در سنسور دو سیمه، تغذیه و مسیر خروجی از همان دو سیم عبور می‌کنند. این ساختار در بعضی سنسورهای AC/DC و تجهیزات صنعتی دیده می‌شود. در زمان انتخاب باید به جریان نشتی و افت ولتاژ سنسور توجه شود، زیرا سنسور به‌صورت سری در مدار بار قرار می‌گیرد.

سنسور سه سیمه

سنسورهای سه سیمه DC بسیار رایج هستند. معمولاً دو سیم برای تغذیه مثبت و منفی و سیم سوم برای خروجی استفاده می‌شود. بسیاری از سنسورهای مجاورتی PNP و NPN ساختار سه سیمه دارند.

سنسور چهار سیمه

در سنسور چهار سیمه ممکن است علاوه بر تغذیه، دو خروجی مستقل مانند NO و NC در اختیار کاربر قرار گیرد. البته عملکرد دقیق سیم‌ها باید همیشه از دیتاشیت همان مدل بررسی شود. تعداد سیم به‌تنهایی برای تشخیص نوع عملکرد سنسور کافی نیست و قبل از اتصال باید دیاگرام سیم‌بندی سازنده بررسی شود.

سیگنال‌های رایج سنسورها در صنعت

برای اتصال سنسورها به PLC، کنترلر یا سیستم ابزار دقیق، شکل خروجی اهمیت زیادی دارد. چند نمونه رایج عبارت‌اند از:

• خروجی ON/OFF: برای اعلام یک وضعیت مانند وجود یا عدم وجود جسم.
• 4–20 mA: یکی از سیگنال‌های آنالوگ رایج در ابزار دقیق که برای انتقال متغیرهایی مانند فشار، سطح و دما استفاده می‌شود.
• 0–10 V: خروجی آنالوگ ولتاژی که در بسیاری از تجهیزات کنترلی دیده می‌شود.
• Pulse/Frequency: در تجهیزاتی مانند بعضی سنسورهای سرعت، انکودرها و فلومترها استفاده می‌شود.
• خروجی‌های ارتباطی: در سنسورهای هوشمند ممکن است داده از طریق رابط‌هایی مانند IO-Link یا شبکه‌های صنعتی منتقل شود.

انتخاب نوع خروجی باید براساس فاصله انتقال، محیط الکتریکی، دقت مورد نیاز و ورودی‌های سیستم کنترل انجام شود.

سنسور چگونه به PLC متصل می‌شود؟

در یک سیستم اتوماسیون، PLC اطلاعات سنسورها را از طریق ماژول‌های ورودی دریافت می‌کند. سنسورهای سوئیچینگ معمولاً به ورودی دیجیتال PLC متصل می‌شوند، در حالی که تجهیزاتی با خروجی 4–20 mA یا 0–10 V به ورودی آنالوگ مناسب نیاز دارند.

قبل از اتصال باید مواردی مانند موارد زیر بررسی شوند:

- ولتاژ تغذیه سنسور

- PNP یا NPN بودن خروجی

- NO یا NC بودن

- حداکثر جریان خروجی

- نوع ورودی PLC

- مشترک یا COM ورودی‌ها

- نوع و محدوده سیگنال آنالوگ

برای سنسورهای آنالوگ، تنظیم Scale در PLC نیز اهمیت دارد. برای مثال اگر یک ترانسمیتر فشار بازه 0 تا 10 بار را با خروجی 4 تا 20 میلی‌آمپر ارائه کند، برنامه PLC باید مقدار جریان دریافت‌شده را به محدوده واقعی فشار تبدیل کند.

سنسورها چه کاربردی در صنعت دارند؟

در یک سیستم صنعتی، سنسور نقطه ارتباط میان شرایط واقعی فرایند و سیستم کنترل است. PLC یا کنترلر برای تصمیم‌گیری باید بداند در ماشین یا فرایند چه اتفاقی افتاده است و بخش زیادی از این اطلاعات توسط سنسورها تأمین می‌شود. کاربرد سنسورها فقط به تشخیص حضور یک قطعه محدود نیست. اندازه‌گیری متغیرهای فرایندی، کنترل موقعیت، حفاظت از تجهیزات و پایش شرایط ماشین از کاربردهای مهم آن‌ها هستند.

تشخیص حضور و شمارش قطعات

در خطوط تولید می‌توان از سنسورهای القایی، خازنی یا نوری برای تشخیص عبور یا حضور قطعات استفاده کرد. برای مثال، یک سنسور نوری می‌تواند عبور محصول روی نوار نقاله را تشخیص دهد و PLC براساس پالس‌های دریافتی تعداد محصولات را محاسبه کند. نوع سنسور باید متناسب با جنس، ابعاد، رنگ و فاصله جسم انتخاب شود. برای یک قطعه فلزی ممکن است سنسور القایی گزینه مناسبی باشد، در حالی که برای تشخیص یک بسته پلاستیکی فناوری دیگری مناسب‌تر است.

کنترل موقعیت تجهیزات

در ماشین‌آلات صنعتی لازم است موقعیت بخش‌های متحرک مشخص باشد. لیمیت سوئیچ، سنسور مجاورتی، سنسور مغناطیسی و انکودر می‌توانند بسته به کاربرد برای تشخیص موقعیت استفاده شوند. برای مثال، در یک سیلندر پنوماتیک می‌توان با سنسور مغناطیسی رسیدن پیستون به نقطه موردنظر را تشخیص داد.

اندازه‌گیری دما

دما در بسیاری از فرایندهای صنعتی یکی از متغیرهای مهم است. افزایش بیش از حد دمای موتور، یاتاقان، مخزن یا فرایند می‌تواند عملکرد تجهیزات را تحت تأثیر قرار دهد. RTD، ترموکوپل و سایر سنسورهای دما براساس محدوده اندازه‌گیری، دقت و شرایط محیط انتخاب می‌شوند.

اندازه‌گیری فشار

در سیستم‌های پمپاژ، هیدرولیک، پنوماتیک و خطوط فرایندی از سنسور یا ترانسمیتر فشار برای اندازه‌گیری فشار استفاده می‌شود. اطلاعات فشار می‌تواند برای نمایش، کنترل یا حفاظت سیستم مورد استفاده قرار گیرد. برای مثال، کنترلر می‌تواند براساس فشار اندازه‌گیری‌شده فرمان روشن یا خاموش شدن پمپ را صادر کند.

کنترل سطح مخازن

یکی دیگر از کاربردهای مهم سنسورها، تشخیص سطح مواد در مخازن است. گاهی فقط لازم است مشخص شود مخزن پر یا خالی شده است. در این حالت تشخیص نقطه‌ای کافی است. اما در برخی فرایندها باید مقدار سطح به‌صورت پیوسته اندازه‌گیری شود. نوع ماده، کف یا بخار موجود در مخزن، فشار، دما و شکل مخزن از عواملی هستند که روی انتخاب فناوری اندازه‌گیری سطح اثر دارند.

اندازه‌گیری سرعت و موقعیت موتور

در سیستم‌های حرکتی می‌توان از انکودر و سایر سنسورهای سرعت و موقعیت برای دریافت فیدبک استفاده کرد. در سیستم Closed Loop، کنترلر مقدار واقعی سرعت یا موقعیت را با مقدار موردنظر مقایسه می‌کند و براساس اختلاف آن‌ها فرمان مناسب را صادر می‌کند.

حفاظت و پایش تجهیزات

سنسورها می‌توانند برای تشخیص شرایطی استفاده شوند که ادامه کار دستگاه در آن‌ها مناسب نیست. برای مثال افزایش دما، افت فشار یا رسیدن سطح مخزن به محدوده بحرانی می‌تواند توسط سنسور تشخیص داده شود و سیستم کنترل براساس آن هشدار ایجاد کند یا در صورت طراحی مناسب، دستگاه را متوقف کند.

چگونه سنسور مناسب انتخاب کنیم؟

یکی از اشتباهات رایج این است که سنسور فقط براساس نام آن انتخاب شود؛ مثلاً صرفاً گفته شود «یک سنسور القایی می‌خواهیم. حتی دو سنسور القایی می‌توانند از نظر فاصله تشخیص، ابعاد، نوع خروجی، ولتاژ تغذیه، فرکانس سوئیچینگ و درجه حفاظت تفاوت زیادی داشته باشند. برای انتخاب سنسور مناسب بهتر است ابتدا چند سؤال مشخص پاسخ داده شود.

چه چیزی قرار است تشخیص داده شود؟

اولین معیار، نوع هدف یا کمیت مورد اندازه‌گیری است. اگر هدف یک قطعه فلزی باشد، سنسور القایی می‌تواند گزینه مناسبی باشد. اگر جسم غیرفلزی است، ممکن است سنسور خازنی، نوری یا اولتراسونیک مناسب‌تر باشد. برای اندازه‌گیری دما، فشار یا سطح نیز باید فناوری متناسب با همان کمیت انتخاب شود.

فاصله تشخیص چقدر است؟

هر سنسور محدوده عملکرد مشخصی دارد. برای سنسورهای مجاورتی، فاصله نامی تشخیص الزاماً به این معنی نیست که تمام اجسام در همان فاصله با شرایط یکسان تشخیص داده می‌شوند. جنس و ابعاد هدف، نحوه نصب و شرایط محیط می‌توانند فاصله عملی تشخیص را تغییر دهند. به همین دلیل باید اطلاعات دیتاشیت همان سنسور بررسی شود.

نوع خروجی سنسور چیست؟

قبل از خرید باید مشخص شود سیستم کنترل چه ورودی‌ای دارد. در سنسورهای دیجیتال صنعتی، PNP یا NPN و NO یا NC بودن خروجی اهمیت دارد. در اندازه‌گیری‌های پیوسته نیز ممکن است به خروجی‌هایی مانند 4–20 mA یا 0–10 V نیاز باشد. اگر خروجی سنسور با ورودی PLC یا کنترلر سازگار نباشد، اتصال مستقیم آن امکان‌پذیر نخواهد بود یا به تجهیزات واسط نیاز خواهد داشت.

ولتاژ تغذیه سنسور چقدر است؟

بسیاری از سنسورهای اتوماسیون با 24V DC کار می‌کنند، اما این موضوع برای تمام تجهیزات صدق نمی‌کند. محدوده ولتاژ مجاز باید از دیتاشیت بررسی شود. اعمال ولتاژ نامناسب می‌تواند باعث عملکرد نادرست یا آسیب سنسور شود.

دقت سنسور چقدر باید باشد؟

در کاربردهای اندازه‌گیری، دقت یکی از مشخصات اصلی است. اما باید میان مفاهیمی مانند Accuracy، Resolution و Repeatability تفاوت قائل شد.

• Accuracy یا دقت اندازه‌گیری نشان می‌دهد مقدار اندازه‌گیری‌شده تا چه اندازه به مقدار واقعی نزدیک است.
• Resolution یا تفکیک‌پذیری کوچک‌ترین تغییری است که سیستم می‌تواند تشخیص دهد.
• Repeatability یا تکرارپذیری بیان می‌کند سنسور در شرایط یکسان تا چه اندازه نتیجه مشابهی ارائه می‌دهد.

ممکن است یک تجهیز تکرارپذیری بسیار خوبی داشته باشد اما Accuracy آن برای کاربرد خاص کافی نباشد. بنابراین مشخصات باید براساس نیاز واقعی فرایند بررسی شوند.

سرعت پاسخ سنسور چقدر است؟

در ماشین‌آلات سریع، مدت زمان پاسخ سنسور اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. اگر قطعات با سرعت زیادی از مقابل سنسور عبور کنند، تجهیز باید بتواند تغییر وضعیت را در زمان کافی تشخیص دهد. در سنسورهای سوئیچینگ معمولاً پارامترهایی مانند Response Time یا Switching Frequency در دیتاشیت ارائه می‌شوند.

شرایط محیطی محل نصب چگونه است؟

سنسوری که در یک تابلو تمیز کار می‌کند با سنسوری که کنار دستگاه در معرض آب، گردوغبار، روغن یا مواد شیمیایی قرار دارد شرایط یکسانی ندارد. مواردی مانند:

• دمای محیط

• رطوبت

• گردوغبار

• آب و شست‌وشو

• روغن و مواد شیمیایی

• لرزش

• شوک مکانیکی

باید هنگام انتخاب بررسی شوند.

درجه حفاظت IP سنسور چیست؟

IP Rating میزان حفاظت محفظه تجهیز در برابر ورود اجسام جامد و آب را طبق طبقه‌بندی مربوط مشخص می‌کند. برای مثال، در عبارت IP67 رقم اول و دوم هرکدام معنای مشخصی دارند و نباید صرفاً عدد بزرگ‌تر را بدون توجه به شرایط آزمون «بهتر» تلقی کرد. اگر سنسور در محیطی نصب می‌شود که شست‌وشوی شدید، غوطه‌وری یا شرایط خاص دارد، باید درجه حفاظت مناسب همان شرایط انتخاب شود.

نحوه نصب سنسور چگونه است؟

در بعضی سنسورها نحوه قرارگیری نسبت به فلزات اطراف یا سایر سنسورها روی عملکرد تأثیر دارد. برای مثال سنسورهای القایی ممکن است از نظر نصب Flush (Shielded) یا Non-flush (Unshielded) باشند و فاصله مورد نیاز آن‌ها از اجسام فلزی اطراف متفاوت باشد. رعایت نکردن فاصله‌های نصب می‌تواند محدوده تشخیص را تغییر دهد یا باعث عملکرد نامطمئن شود.

عوامل ایجاد خطا در عملکرد سنسورها

گاهی سنسور سالم است، اما شرایط نصب باعث می‌شود عملکرد آن قابل اعتماد نباشد.

نصب سنسور در محل نامناسب

قرار گرفتن هدف خارج از محدوده تشخیص یا نصب سنسور با زاویه نامناسب می‌تواند باعث قطع و وصل نامطمئن خروجی شود.

انتخاب فناوری نامناسب

استفاده از سنسور القایی برای جسم غیرفلزی یا انتخاب سنسور نوری بدون توجه به شرایط سطح هدف نمونه‌هایی از انتخاب نادرست فناوری هستند.

آلودگی سطح سنسور

در سنسورهای نوری، گردوغبار، روغن یا سایر آلودگی‌ها روی لنز می‌توانند عملکرد تشخیص را مختل کنند. رسوب مواد روی سنسورهای خازنی نیز ممکن است روی شرایط تشخیص اثر بگذارد.

نویز الکتریکی

موتورها، کنتاکتورها، درایوهای فرکانس متغیر و سایر تجهیزات قدرت می‌توانند نویز الکترومغناطیسی ایجاد کنند. مسیر کابل، شیلدینگ، ارت و جداسازی کابل‌های سیگنال از کابل‌های قدرت باید مطابق الزامات سازنده و اصول طراحی سیستم انجام شود.

سیم‌بندی اشتباه

اشتباه در تشخیص PNP و NPN، اتصال نادرست تغذیه یا استفاده از ورودی نامتناسب PLC می‌تواند باعث کار نکردن سنسور شود و در بعضی شرایط به تجهیزات آسیب برساند.

تنظیم حساسیت نامناسب

برخی سنسورها امکان تنظیم حساسیت یا Teach-in دارند. تنظیم نامناسب ممکن است باعث شود سنسور جسم موردنظر را تشخیص ندهد یا نسبت به اجسام و شرایط ناخواسته واکنش نشان دهد.

جمع‌بندی

سنسور یکی از اجزای اصلی سیستم‌های اندازه‌گیری، کنترل و اتوماسیون است که برای تشخیص یک وضعیت یا اندازه‌گیری کمیت‌هایی مانند دما، فشار، سطح، فاصله، موقعیت، سرعت و رطوبت استفاده می‌شود. اطلاعات سنسور می‌تواند در اختیار PLC، کنترلر، نمایشگر یا سایر تجهیزات قرار گیرد تا سیستم براساس شرایط واقعی فرایند تصمیم‌گیری کند. سنسورها را می‌توان به روش‌های مختلف دسته‌بندی کرد. سنسورهای القایی، خازنی، نوری، اولتراسونیک و مغناطیسی بیشتر براساس فناوری تشخیص شناخته می‌شوند، در حالی که تجهیزاتی مانند سنسور دما، فشار، سطح و سرعت براساس کمیتی که اندازه‌گیری می‌کنند دسته‌بندی می‌شوند. شناخت نوع سنسور به‌تنهایی برای انتخاب آن کافی نیست. فاصله تشخیص، جنس هدف، نوع خروجی، PNP یا NPN بودن، NO یا NC بودن، ولتاژ تغذیه، سرعت پاسخ، دقت، درجه حفاظت IP و شرایط محیط نصب نیز باید بررسی شوند. همچنین اصطلاحاتی مانند سنسور، ترانسدیوسر، ترانسمیتر و لیمیت سوئیچ دقیقاً یک مفهوم ندارند. شناخت تفاوت این تجهیزات به‌خصوص هنگام طراحی مدارهای اتوماسیون و ابزار دقیق اهمیت دارد. در نهایت، بهترین سنسور لزوماً مدلی با بیشترین فاصله تشخیص یا بالاترین مشخصات فنی نیست؛ سنسور مناسب مدلی است که مشخصات آن با هدف، شرایط محیطی، سیستم کنترل و نیاز واقعی فرایند هماهنگ باشد.

سوالات متداول درباره سنسورها

سنسور چیست و چه کاری انجام می‌دهد؟

سنسور تجهیزی است که یک کمیت یا تغییر فیزیکی و محیطی مانند دما، فشار، نور، موقعیت یا حضور جسم را تشخیص می‌دهد و متناسب با آن یک سیگنال قابل استفاده برای سیستم اندازه‌گیری یا کنترل ایجاد می‌کند.

انواع سنسورهای صنعتی کدام‌اند؟

سنسورها را می‌توان به روش‌های مختلف دسته‌بندی کرد. سنسورهای القایی، خازنی، نوری، اولتراسونیک و مغناطیسی از انواع رایج براساس روش تشخیص هستند. سنسورهای دما، فشار، سطح، جریان، سرعت و موقعیت نیز براساس کمیت اندازه‌گیری‌شده دسته‌بندی می‌شوند.

تفاوت سنسور القایی و خازنی چیست؟

سنسور القایی برای تشخیص اجسام فلزی طراحی شده است، در حالی که سنسور خازنی می‌تواند علاوه بر فلز، بسیاری از مواد غیرفلزی مانند پلاستیک، شیشه، پودر و بعضی مایعات را نیز تشخیص دهد. شرایط محیطی و جنس هدف روی عملکرد هر دو نوع تأثیر دارند و انتخاب باید براساس کاربرد انجام شود.

برای تشخیص اجسام غیرفلزی از چه سنسوری استفاده کنیم؟

بسته به جنس جسم و شرایط کاربرد می‌توان از سنسور خازنی، نوری یا اولتراسونیک استفاده کرد. برای مثال، شفاف بودن جسم ممکن است روی انتخاب نوع سنسور نوری تأثیر بگذارد. بنابراین نمی‌توان یک فناوری را برای تمام اجسام غیرفلزی پیشنهاد کرد.

تفاوت سنسور PNP و NPN چیست؟

تفاوت اصلی در نحوه سوئیچ کردن خروجی است. در خروجی PNP متداول، هنگام فعال شدن سنسور، خروجی به سمت ولتاژ مثبت تغذیه سوئیچ می‌شود؛ در حالی که خروجی NPN مسیر را به سمت صفر ولت سوئیچ می‌کند.

تفاوت سنسور NO و NC چیست؟

در خروجی Normally Open یا NO، خروجی در حالت عادی غیرفعال است و با تشخیص هدف تغییر وضعیت می‌دهد. در Normally Closed یا NC وضعیت خروجی در حالت عادی متفاوت است و با تشخیص هدف تغییر می‌کند.

تفاوت سنسور و لیمیت سوئیچ چیست؟

لیمیت سوئیچ معمولاً برای تشخیص موقعیت به تماس مکانیکی با جسم نیاز دارد. بسیاری از سنسورهای مجاورتی می‌توانند بدون تماس مستقیم حضور جسم را تشخیص دهند.