سنسور چیست؟ بررسی انواع سنسورها و کاربرد آن‌ها در صنعت

کمیت فیزیکی چیست؟

هر پدیده‌ای در طبیعت که قابلیت اندازه‌گیری داشته باشد، کمیت فیزیکی نامیده می‌شود. کمیت‌هایی مانند وزن، فشار، سرعت، دما، رطوبت، سطح و بسیاری موارد دیگر در دسته کمیت‌های فیزیکی قرار می‌گیرند. این پارامترها پایه اصلی علوم مهندسی، ابزار دقیق و سیستم‌های کنترلی هستند و شناخت آن‌ها برای درک عملکرد سنسورها ضروری است.

تعریف اندازه‌گیری

اندازه‌گیری فرآیندی است که در آن مقدار یک کمیت بر اساس یک واحد استاندارد مشخص تعیین می‌شود. به بیان ساده، اندازه‌گیری یعنی مقایسه یک مقدار ناشناخته با یک واحد شناخته‌شده مانند متر، کیلوگرم، ولت یا پاسکال. بدون وجود استانداردهای اندازه‌گیری، امکان کنترل و تحلیل دقیق فرآیندهای صنعتی و علمی وجود نخواهد داشت.

انواع اندازه‌گیری در ابزار دقیق

اندازه‌گیری در سیستم‌های صنعتی و علمی به روش‌های مختلف انجام می‌شود که مهم‌ترین آن‌ها اندازه‌گیری مستقیم و استدلالی است. انتخاب روش مناسب اندازه‌گیری به نوع کمیت، شرایط محیطی و سطح دقت مورد نیاز بستگی دارد و در طراحی سنسورها نقش مهمی ایفا می‌کند.

اندازه‌گیری مستقیم

در اندازه‌گیری مستقیم، کمیت مورد نظر به‌صورت مستقیم حس شده و مقدار آن قرائت می‌شود. برای مثال، اگر بخواهیم شدت باد را بررسی کنیم، می‌توانیم مستقیماً آن را احساس کنیم. در صنعت نیز ابزارهایی مانند فلومترهای مکانیکی حجم سوخت یا آب عبوری را مستقیماً نمایش می‌دهند که نمونه‌ای از اندازه‌گیری مستقیم محسوب می‌شوند.

اندازه‌گیری استدلالی

در اندازه‌گیری استدلالی، کمیت اصلی به‌طور مستقیم اندازه‌گیری نمی‌شود، بلکه اثر آن بررسی شده و مقدار کمیت از روی نتایج جانبی تخمین زده می‌شود. به عنوان مثال، مشاهده حرکت شاخه‌های درخت نشان‌دهنده وجود باد است. در ابزار دقیق نیز برخی فلومترها با اندازه‌گیری فشار و محاسبه تغییرات آن، مقدار دبی جریان را به‌صورت غیرمستقیم مشخص می‌کنند.

دسته‌بندی کلی اندازه‌گیری‌

اندازه‌گیری‌ها به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند: اندازه‌گیری کمیت‌های الکتریکی و اندازه‌گیری کمیت‌های غیرالکتریکی. این تقسیم‌بندی اهمیت زیادی دارد زیرا بسیاری از سنسورها کمیت‌های غیرالکتریکی مانند فشار یا دما را به سیگنال‌های الکتریکی قابل پردازش تبدیل می‌کنند.

اندازه‌گیری کمیت‌های الکتریکی

کمیت‌های الکتریکی شامل پارامترهایی مانند ولتاژ، جریان، مقاومت و فرکانس هستند. مزیت مهم این کمیت‌ها قابلیت تبدیل به یکدیگر است. به عنوان مثال، اگر اندازه‌گیری مستقیم مقاومت ممکن نباشد، می‌توان آن را از طریق ولتاژ و جریان محاسبه کرد. همین ویژگی باعث شده ابزار دقیق مدرن به شدت به سیستم‌های الکترونیکی وابسته باشد.

اندازه‌گیری کمیت‌های غیرالکتریکی

کمیت‌های غیرالکتریکی شامل دما، فشار، سطح، نیرو، سرعت و رطوبت هستند. این کمیت‌ها در صنعت بسیار پرکاربردند اما معمولاً به‌صورت مستقیم قابل پردازش در سیستم‌های کنترلی نیستند. به همین دلیل سنسورها نقش واسطه‌ای دارند و این کمیت‌ها را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند.

مهم‌ترین کمیت‌های قابل اندازه‌گیری در صنعت

سنسور چیست؟

پارامترهای فیزیکی و شیمیایی را به شکل دیگری که معمولاً سیگنال الکتریکی میباشد تبدیل میکند. یا به عبارت دیگر عنصری از دستگاه اندازه گیری یا زنجیره ای اندازه گیریکه بطور مستقیم تحت تاثیر اندازه قرار می گیرد .عنصر حس کننده بخشی از مکانیسم ترانسدیوسر ( مبدل ) میباشد که در اتصال با کمیت مورد اندازه گیری میباشد؛ بطوریکه هر لحظه به تغییرات حاصله در کمیت مورد نظر برای اندازه گیری پاسخ میدهد .معمولاٌ تمام سنسورها احتیاج به مدارهای اضافی برای تولید ولتاژ و جریان دارند؛ غالباٌ کلمه سنسور برای وسیله ای استفاده میشود که دارای ترانسدیوسر و مدار مورد احتیاج برای تولید ولتاژ یا کمیت الکتریکی خروجی باشد.

ترانسدیوسر چیست؟

ترانسدیوسر یا مبدل، وسیله‌ای است که یک نوع انرژی را به نوع دیگری تبدیل می‌کند. برای مثال، تبدیل دما به ولتاژ، فشار به جریان یا نور به سیگنال دیجیتال از عملکردهای ترانسدیوسر است. در بسیاری از موارد، سنسور به عنوان بخش حس‌کننده اصلی در یک ترانسدیوسر شناخته می‌شود.

خروجی سنسورها: آنالوگ و دیجیتال

سنسور از نظر نوع خروجی به دو دسته کلی آنالوگ و دیجیتال تقسیم می‌شوند. نوع خروجی اهمیت زیادی در انتخاب سنسور مناسب برای سیستم‌های کنترلی و اتوماسیون صنعتی دارد و تعیین می‌کند داده چگونه به PLC یا سیستم پردازش منتقل شود.

خروجی آنالوگ

خروجی آنالوگ به سیگنالی گفته می‌شود که مقدار آن به‌صورت پیوسته در یک بازه تغییر می‌کند. برای مثال، سنسور دما ممکن است خروجی 0 تا 10 ولت تولید کند که هر مقدار ولتاژ نشان‌دهنده یک دمای مشخص است. این نوع خروجی برای اندازه‌گیری‌های دقیق و پیوسته کاربرد زیادی دارد.

خروجی دیجیتال

در خروجی دیجیتال، سیگنال تنها بین دو حالت صفر و یک تغییر می‌کند. این نوع خروجی معمولاً برای تشخیص وجود یا عدم وجود یک جسم در خطوط تولید استفاده می‌شود. سنسورهای دیجیتال به دلیل سادگی اتصال و سرعت بالا در سیستم‌های صنعتی بسیار محبوب هستند.

تقسیم‌بندی سنسورها در صنعت

سنسورها بر اساس نیازهای مختلف صنعتی به روش‌های گوناگون دسته‌بندی می‌شوند. رایج‌ترین دسته‌بندی‌ها شامل تقسیم‌بندی بر اساس عملکرد، کاربرد و نوع خروجی است که شناخت آن‌ها در انتخاب سنسور مناسب بسیار مهم است.

دسته‌بندی بر اساس نوع عملکرد

بر اساس عملکرد، سنسورها شامل انواع تماسی، حرارتی، مقاومتی، خازنی، القایی، نوری و لیزری، شیمیایی و مغناطیسی هستند. هرکدام از این سنسورها برای شرایط خاصی طراحی شده‌اند و در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دسته‌بندی سنسورها بر اساس نوع کاربرد

در این نوع دسته‌بندی، سنسورها بر اساس کاربردی که در صنعت دارند تقسیم می‌شوند. برای یک کاربرد مشخص ممکن است چند نوع سنسور مختلف وجود داشته باشد که بسته به شرایط محیطی و نیاز سیستم انتخاب می‌شوند.

کاربردهای رایج سنسورها در صنعت

• شمارش قطعات: سنسور القایی، خازنی، نوری
• تشخیص حرکت: سنسور نوری، خازنی
• کنترل سطح مایعات یا مواد: سنسور نوری، خازنی
• بررسی پیوستگی: سنسور نوری
• تشخیص انحراف: سنسور نوری، خازنی
• کنترل تردد و عبور: سنسور نوری، القایی
• اندازه‌گیری سرعت: سنسور القایی، خازنی
• تشخیص فاصله: سنسور القایی
• اندازه‌گیری مواد شیمیایی: سنسور خازنی، القایی
• اندازه‌گیری حرارت: سنسور بیمتال، مقاومتی

دسته‌بندی سنسورها بر اساس نوع خروجی

سنسورها از نظر نوع سیگنال خروجی به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند:

سنسور با خروجی آنالوگ

در این نوع سنسورها خروجی به صورت پیوسته تغییر می‌کند و مقدار آن در یک بازه مشخص قابل اندازه‌گیری است.

سنسور با خروجی دیجیتال

در این نوع سنسورها خروجی فقط بین دو حالت صفر و یک تغییر می‌کند و معمولاً برای تشخیص وجود یا عدم وجود جسم استفاده می‌شود.

سنسورهای تماسی

سنسورهای تماسی سنسورهایی هستند که برای عملکرد صحیح باید با جسم یا محیط مورد نظر تماس مستقیم داشته باشند. این سنسورها معمولاً در کاربردهایی استفاده می‌شوند که نیاز به لمس فیزیکی وجود دارد.

ترموکوپل‌ها

ترموکوپل یکی از رایج‌ترین سنسورهای تماسی برای اندازه‌گیری دما است. برای اینکه اندازه‌گیری دقیق انجام شود، باید بخش مشخصی از سنسور به صورت مستقیم با منبع حرارتی در تماس باشد.

سنسورهای سوئیچینگ

سنسورهای سوئیچینگ مانند کلیدهای مکانیکی یا میکروسوئیچ‌ها در خطوط تولید برای قطع و وصل مکانیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

این سنسورها قابلیت تشخیص موارد زیر را دارند:

• وجود یا عدم وجود فشار
• تحریک توسط نیروی مکانیکی
• کنترل وضعیت حرکت در سیستم‌های صنعتی

سنسورهای بدون تماس

سنسورهای بدون تماس یا مجاورتی (Proximity) بدون نیاز به تماس مستقیم، وجود جسم را تشخیص داده و فعال می‌شوند. به دلیل مزایای فراوان، استفاده از این سنسورها روز به روز در صنعت افزایش یافته است.

مزایای سنسورهای بدون تماس

سرعت سوئیچینگ بالا

سنسورهای بدون تماس نسبت به کلیدهای مکانیکی سرعت عملکرد بسیار بالاتری دارند. برخی سنسورهای القایی حتی توانایی کار تا سرعت ۲۵ کیلوهرتز را دارند.

طول عمر زیاد (Life Time)

به دلیل نداشتن کنتاکت مکانیکی و مقاومت بالا در برابر آب، روغن و گرد و غبار، طول عمر این سنسورها بسیار بیشتر است.

عدم نیاز به نیرو و فشار

در هنگام نزدیک شدن جسم، سنسور بدون وارد شدن فشار یا ضربه فعال می‌شود.

قابل استفاده در شرایط سخت صنعتی

این سنسورها به دلیل طراحی ایزوله می‌توانند در محیط‌های زیر بدون آسیب کار کنند:

• حرارت بالا
• فشار زیاد
• محیط مرطوب
• محیط‌های اسیدی یا روغنی

میکروسوئیچ‌ها و لیمیت سوئیچ‌ها در مدار فرمان صنعتی

میکروسوئیچ‌ها و لیمیت سوئیچ‌ها از پرکاربردترین تجهیزات در سیستم‌های کنترل صنعتی هستند که برای محدود کردن حرکت قطعات مکانیکی، تغییر مسیر حرکت دستگاه‌ها و کنترل موقعیت اجسام استفاده می‌شوند. این سنسورها معمولاً در مدار فرمان به عنوان یک کلید قطع و وصل عمل می‌کنند و نقش مهمی در ایمنی خطوط تولید، کنترل ماشین‌آلات و جلوگیری از برخورد یا حرکت بیش از حد قطعات دارند.

کاربرد میکروسوئیچ‌ها در کنترل حرکت و سطح مایعات

یکی از مهم‌ترین کاربردهای میکروسوئیچ‌ها، استفاده در سیستم‌هایی است که نیاز به کنترل حرکت یا تعیین موقعیت دقیق دارند. علاوه بر این، در برخی صنایع از لیمیت سوئیچ‌ها برای کنترل سطح مایعات داخل مخازن نیز استفاده می‌شود. به عنوان مثال، زمانی که سطح مایع به حد مشخصی برسد، سنسور فعال شده و فرمان قطع یا وصل پمپ صادر می‌شود که این موضوع باعث جلوگیری از سرریز یا خشک کار کردن تجهیزات می‌شود.

کنتاکت‌های سنسورهای تماسی

در سنسورهای تماسی دو نوع کنتاکت اصلی وجود دارد:

• کنتاکت‌های ثابت
• کنتاکت‌های متحرک

این کنتاکت‌ها وظیفه قطع یا وصل جریان الکتریکی را بر عهده دارند.

کنتاکت‌های قطع‌شونده (Normally Close – NC)

کنتاکت‌های قطع‌شونده یا Normally Close (NC) به کنتاکت‌هایی گفته می‌شود که در حالت عادی، یعنی زمانی که هیچ نیروی تحریک‌کننده‌ای به اهرم یا شستی سنسور وارد نشده است، در وضعیت وصل (بسته) قرار دارند. در این حالت جریان الکتریکی از کنتاکت عبور می‌کند و مدار فعال است. با وارد شدن فشار یا تحریک مکانیکی، این کنتاکت‌ها تغییر وضعیت داده و مدار را قطع می‌کنند. به همین دلیل، از کنتاکت‌های NC معمولاً در سیستم‌های ایمنی و مدارهای حفاظتی استفاده می‌شود.

کنتاکت‌های وصل‌شونده (Normally Open – NO)

کنتاکت‌های وصل‌شونده یا Normally Open (NO) به کنتاکت‌هایی گفته می‌شود که در حالت عادی، یعنی زمانی که هیچ نیرویی به اهرم سنسور وارد نشده باشد، در وضعیت قطع (باز) قرار دارند. در این حالت جریان الکتریکی عبور نمی‌کند و مدار غیرفعال است. زمانی که سنسور تحریک شود، کنتاکت NO بسته شده و جریان برق برقرار می‌شود. این نوع کنتاکت‌ها بیشتر در کاربردهایی استفاده می‌شوند که نیاز است مدار فقط هنگام وقوع یک رویداد خاص فعال شود.

با تماس جسم خارجی به شاستی کنتاکتھای شاستی الکتریسیته را از طریق کنتاکت ھای سنسور خود عبود داده و با قطع انرژی خارجی یا تماس جسم خارجی ، الکتریسیته را نیز قطع می نماید ویا بالعکس وصل مینماید.

اصول نصب و عملکرد صحیح سنسورهای تماسی

برای نصب صحیح سنسورهای تماسی باید به نکات زیر توجه کرد:

• A: سیستم آماده دریافت نیروی محرک خارجی است
• B: محدوده آزادی برای جلوگیری از نویز و ارتعاش در نظر گرفته می‌شود
• C: جسم کاملاً به سنسور تکیه داده و خروجی تغییر وضعیت می‌دهد (NC/NO)
• D: فاصله مناسب برای پذیرش تحریک
• E: فاصله برگشت سنسور به حالت آماده‌باش
• F: آماده‌سازی برای تحریک بعدی
• G: فاصله آزادی عملکرد برای جلوگیری از خطا