مجله جم ترونیک
آشنایی با انواع سنسورها
فناوریهای هوشمند و اتوماسیون صنعتی به سرعت در حال پیشرفت هستند؛ به همین دلیل، امروزه استفاده از ابزارهایی که بتوانند دادههای محیطی را با دقت بالا تشخیص داده و منتقل کنند، ضروری است. سنسورها یا حسگرها به عنوان یکی از مهمترین ابزارهای جمعآوری اطلاعات، در سیستمهای مختلف صنعتی، پزشکی، خانگی و خودرویی مورد استفاده قرار میگیرند. آنها با درک تغییرات فیزیکی یا شیمیایی در محیط، نقش مهمی در کنترل، پایش و تحلیل دادهها ایفا میکنند و به همین دلیل شناخت دقیق آنها برای مهندسان، تکنسینها و کاربران فناوریهای نوین اهمیت زیادی دارد.
تنوع در انواع سنسور به حدی است که برای هر نوع کاربرد خاص، گزینهای متناسب با نیاز وجود دارد. از سنسورهای ساده دمایی گرفته تا سنسورهای پیشرفته مادون قرمز و فشار، همگی با ساختار و عملکرد متفاوت طراحی شدهاند تا دقیقترین خروجی ممکن را در شرایط مختلف ارائه دهند. در این مطلب، به معرفی کامل انواع سنسورها، طبقهبندی آنها و نکاتی که هنگام انتخاب و استفاده از آنها باید مد نظر قرار داد، خواهیم پرداخت.
سنسور چیست؟
در دنیای امروز که تکنولوژی بهسرعت در حال پیشرفت است، سنسورها به عنوان چشم و گوش سیستمهای هوشمند شناخته میشوند. سنسورها تجهیزاتی هستند که با دریافت اطلاعات از محیط اطراف، آن را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل میکنند. این سیگنالها سپس توسط پردازندهها یا کنترلکنندهها تحلیل شده و به اقداماتی مانند هشدار دادن، روشن کردن یک وسیله، ثبت دادهها یا کنترل فرآیندها منجر میشوند. به بیان سادهتر، سنسور حسگرهایی هستند که بهصورت فیزیکی یا الکترونیکی تغییرات محیطی را شناسایی کرده و به آن واکنش نشان میدهند.
سنسورها در اشکال، اندازهها و عملکردهای مختلف طراحی شدهاند و بسته به نوع کاربرد، ویژگیها و دقتهای متفاوتی دارند. از اندازهگیری دمای یک محیط گرفته تا تشخیص حرکت در یک اتاق یا حتی اندازهگیری گازهای موجود در هوا، همگی میتواند به کمک سنسورها انجام میشود. دنیای الکترونیک، اتوماسیون صنعتی، پزشکی، خودروسازی، کشاورزی هوشمند و بسیاری دیگر از حوزهها بهشدت وابسته به سنسورها هستند. در نتیجه شناخت انواع سنسور و عملکرد آنها، یکی از ارکان مهم در طراحی سیستمهای هوشمند به شمار میرود.
سنسورها از سه بخش اصلی تشکیل شدهاند:
- بخش حسگر: تغییرات محیطی را تشخیص میدهد (مانند دیافراگم در سنسور فشار).
- مبدل: سیگنال فیزیکی را به الکتریکی تبدیل میکند (مانند مواد پیزوالکتریک).
- مدار خروجی: سیگنال را برای پردازش آماده میکند (آنالوگ یا دیجیتال).
طبقه بندی انواع سنسور ها
سنسورها را میتوان از جنبههای مختلفی طبقهبندی کرد. نخستین معیار برای تقسیمبندی انواع سنسور، نوع سیگنال خروجی آنهاست. بر این اساس، سنسورها به دو گروه آنالوگ و دیجیتال تقسیم میشوند. سنسورهای آنالوگ، سیگنال خروجی پیوسته دارند؛ مانند ولتاژ یا جریان متغیر. در حالی که خروجی سنسورهای دیجیتال تنها شامل دو حالت صفر یا یک است. سنسورهای دیجیتال برای پردازش پیشرفته و ادغام با سیستمهای مدرن مناسبترند.
دستهبندی مهم دیگر، بر اساس نوع کمیتی است که سنسور اندازهگیری میکند. بر این اساس، میتوان از سنسورهای دما، فشار، رطوبت، نور، صوت، گاز، وزن، فاصله، حرکت، میدان مغناطیسی و… نام برد. هر یک از این سنسورها بسته به نوع عملکردشان، اصول خاصی برای کار دارند. برخی از سنسورها مانند سنسورهای مادون قرمز یا اولتراسونیک، از پالسهای الکترومغناطیسی استفاده کرده و برخی دیگر بر اساس تغییرات فیزیکی مانند تغییر در مقاومت یا خازن کار میکنند. دسته دیگری از سنسورها نیز به تغییرات شیمیایی یا بیولوژیکی حساس هستند؛ مانند حسگرهای گاز CO، pH، اکسیژن محلول و یا قند خون، ضربان قلب، آنزیمها و DNA.
تقسیمبندی سوم، بر اساس کاربرد و حوزه استفاده است. در این دستهبندی، سنسورها به گروههای مختلفی چون سنسورهای صنعتی، پزشکی، خودرویی، خانگی، نظامی، کشاورزی و رباتیک تقسیم میشوند. برای مثال، انواع سنسور های صنعتی اغلب در محیطهای سخت، پر گرد و غبار، یا با دمای بالا برای اتوماسیون، کنترل فرآیند و مانیتورینگ تجهیزات مورد استفاده قرار میگیرند و به همین دلیل طراحی مقاومتری دارند. در حالی که سنسورهای پزشکی باید دقت بسیار بالا و سازگاری زیستی داشته باشند؛ از این سنسورها معمولاً برای مانیتورینگ سلامت، تشخیص بیماری و تصویربرداری استفاده میکنند.
دستهبندی دیگر، بر اساس نحوه عملکرد است؛ سنسورها به دو دسته فعال و غیرفعال، بر اساس نیاز به منبع انرژی خارجی برای تولید خروجی تقسیم میشوند. سنسورهای فعال به منبع انرژی خارجی نیاز ندارند و خروجی را مستقیماً تولید میکنند، در حالی که سنسورهای غیرفعال برای تولید خروجی به یک منبع انرژی خارجی نیاز دارند. برای مثال، ترموکوپل و سنسورهای سنجش کشش از جمله سنسورهای فعال محسوب شده و سنسورهای مقاومت حرارتی (RTD) و فشار بهعنوان سنسورهای غیرفعال شناخته میشوند.
بر اساس فناوری ساخت نیز میتوان سنسورها را به دستههای MEMS (میکروالکترومکانیکی، کوچک و دقیق مانند شتابسنج)، مبتنی بر نور (مانند فوتوسل، لیزر)، مبتنی بر میدان مغناطیسی (مانند اثر هال)، پیزوالکتریک (برای فشار و ارتعاش مانند سنسور ضربه) و شیمیایی (مانند سنسور گاز) تقسیم کرد.
معرفی انواع سنسور
در این بخش به معرفی مهمترین و پرکاربردترین انواع سنسور ها در حوزههای مختلف میپردازیم:
- سنسور القایی: این سنسور برای تشخیص اشیای فلزی بدون تماس فیزیکی مورد استفاده قرار میگیرد؛ یعنی میتواند با ایجاد میدان مغناطیسی، فلزات را بدون تماس تشخیص دهد. سنسور القایی در خطوط تولید صنعتی، برای شمارش قطعات یا کنترل موقعیت مکانیکی کاربرد دارد. از دیگر ویژگیهای این نوع سنسور میتوان به دقت بالا، مقاومت در برابر گردوغبار، روغن و رطوبت، برد کوتاه (چند میلیمتر تا چند سانتیمتر) اشاره کرد.
- سنسور جریان: این نوع سنسور میزان جریان عبوری از یک مدار را اندازهگیری میکند. سنسور جریان در سیستمهای قدرت، تجهیزات الکترونیکی، ایستگاههای برق و باتریها کاربرد گستردهای دارد. این سنسورها معمولاً دامنه گستردهای، از میلی آمپر تا چند آمپر را پوشش میدهند.
- سنسور فشار: سنسور فشار برای اندازهگیری فشار گاز یا مایع به کار میرود. کاربرد آن در صنایع پتروشیمی، پزشکی (فشار خون)، خودرو (فشار تایر) و سامانههای تهویه هوا بسیار رایج است. این نوع سنسورها در مدلهای مطلق، نسبی و تفاضلی موجود هستند.
- سنسور نور (فتوسل): این سنسورها میزان نور محیط را اندازهگیری میکنند. از آنها در دوربینها، سیستمهای روشنایی هوشمند، تلفنهای همراه و بسیاری از گجتها استفاده میشود.
- سنسور گاز: یکی از انواع سنسور های صنعتی، سنسور گاز است که جهت شناسایی گازهای خطرناک مانند مونوکسیدکربن، متان، دود یا دیاکسیدکربن به کار میرود. از این سنسورها در آشکارساز نشت گاز، پایش محیط زیست، ایمنی منازل و صنایع شیمیایی استفاده میکنند. همانطور که مشخص است، این سنسور نقش مهمی در ایمنی ایفا میکند.
- سنسور رطوبت: این سنسور میزان رطوبت نسبی یا مطلق را در محیط اندازهگیری میکند. در کشاورزی، گلخانهها، دستگاههای تهویه، هواشناسی و نگهداری مواد غذایی کاربرد زیادی دارد.
- سنسور دما: از رایجترین انواع سنسور الکترونیکی است که در قالب ترمیستور، ترموکوپل و RTD طراحی میشود. از سنسور دما در یخچال، سیستمهای گرمایشی، کورههای صنعتی، هواشناسی، اتومبیلها و تجهیزات صنعتی استفاده میشود. مدلهای صنعتی معمولاً دامنه دمایی بالاتر و دقت بیشتری نیز دارند.
- سنسور وزن (لودسل): این سنسورها فشار وارد شده به یک جسم را به وزن تبدیل میکنند. در ترازوهای دیجیتال، بستهبندی، تست مواد، سیستمهای توزین صنعتی و کنترل بار خودرو استفاده میشوند.
- سنسور مادون قرمز (IR): این سنسورها برای شناسایی گرما، حرکت یا فاصله استفاده میشوند. کاربرد آنها در ریموت کنترلها، رباتیک، تشخیص حضور، سیستمهای امنیتی، دستگاههای اندازهگیری حرارتی و دربهای اتوماتیک بسیار رایج است.
- سنسور رنگ: برای تشخیص رنگهای مختلف در یک جسم یا محیط به کار میروند. کاربرد این سنسور در ماشینهای چاپ برای کنترل کیفیت، خطوط رنگرزی، مرتبسازی محصولات و رباتهای تشخیص رنگ بسیار مفید است.
- سایر سنسورها: علاوهبر موارد گفته شده، میتوان به سنسورهای دیگری از جمله ژیروسکوپ (تشخیص چرخش و زاویه در پهپادها و سیستمهای ناوبری)، لمسی خازنی (تشخیص لمس در صفحات لمسی)، شتابسنج، التراسونیک و حسگر صوتی نیز اشاره کرد.
تمامی این سنسورها در دستههای مختلف مانند انواع سنسور صنعتی، انواع سنسورهای خانگی یا انواع سنسور الکترونیکی قرار میگیرند و میتوانند بسته به نیاز، با دقتها و حساسیتهای گوناگون در دسترس باشند.
نکات مهم در انتخاب و استفاده از سنسور ها
در انتخاب و استفاده از انواع سنسور ها باید به مجموعهای از فاکتورها توجه کرد. اولین نکته، نوع کمیتی است که قصد اندازهگیری آن را دارید؛ برای اندازهگیری دما نمیتوان از سنسور فشار استفاده کرد و بالعکس؛ بنابراین شناخت نیاز اولیه، گام اول انتخاب درست است.
نکته دوم، شرایط محیطی استفاده از سنسور است؛ اگر قرار است سنسور در فضای باز، محیطهای مرطوب یا دمای بالا قرار گیرد، باید دارای استانداردهای لازم برای مقاومت در برابر این شرایط باشد. در صنایع سنگین، استفاده از انواع سنسور های صنعتی که دارای استاندارد IP بالا و مقاومت مکانیکی قوی هستند، الزامی است.
نکته مهم دیگر، دقت و حساسیت سنسور است. در برخی کاربردها مانند تجهیزات پزشکی یا آزمایشگاهی، انحراف حتی یک دهم درجه میتواند نتایج را تغییر دهد؛ بنابراین، باید از سنسورهایی با دقت بالا استفاده کرد.
سازگاری سنسور با سیستمهای کنترلی نیز اهمیت بالایی دارد. بعضی از سنسورها به خروجی آنالوگ نیاز دارند، در حالی که برخی سیستمها تنها با خروجی دیجیتال کار میکنند؛ بنابراین، توجه به نوع سیگنال خروجی سنسور و تطابق آن با سیستم، بسیار حیاتی است.
نکته دیگر، سرعت پاسخدهی سنسور است. در برخی کاربردهای حیاتی مانند سیستمهای هشدار سریع یا کنترل خودکار، لازم است که سنسور در کسری از ثانیه واکنش نشان دهد. همچنین، طول عمر سنسور، میزان مصرف انرژی، قابلیت کالیبره شدن و امکان اتصال به شبکه نیز باید مورد توجه قرار گیرد.
درنهایت، در زمان استفاده از سنسورها باید به نکات نصب صحیح، فواصل مجاز، اتصال مناسب و نگهداری دورهای توجه شود. استفاده نادرست یا اتصال نامناسب میتواند کارایی سنسور را کاهش داده یا آن را بهکلی از کار بیندازد.
جمعبندی
با پیشرفت روزافزون فناوری و نیاز به هوشمندسازی فرآیندها، سنسورها به ابزاری حیاتی در صنایع، تجهیزات پزشکی، وسایل خانگی و حتی پروژههای آموزشی تبدیل شدهاند. تنوع بالا در انواع سنسور این امکان را فراهم کرده است که برای هر نوع نیاز و شرایط خاص، گزینهای مناسب وجود داشته باشد. آشنایی با ویژگیها، ساختار و نحوه عملکرد این سنسورها، کمک شایانی به انتخاب بهینه آنها در پروژههای گوناگون میکند. با در نظر گرفتن نکات فنی در انتخاب و نصب سنسورها، میتوان از عملکرد دقیق و کارآمد آنها در سیستمهای مختلف اطمینان حاصل کرد.
سوالات متداول
- چه تفاوتهایی بین سنسورهای آنالوگ و دیجیتال وجود دارد؟
سنسورهای آنالوگ سیگنالهای پیوسته مانند ولتاژ متغیر تولید میکنند، در حالی که خروجی سنسورهای دیجیتال تنها دو حالت صفر یا یک دارد و برای پردازش پیشرفته مناسبترند.
- سنسورها در چه صنایعی بیشترین استفاده را دارند؟
سنسورها در صنایع الکترونیک، پزشکی، خودروسازی، اتوماسیون صنعتی، کشاورزی و تجهیزات خانگی بیشترین کاربرد را دارند.
- چگونه میتوان دقت و حساسیت سنسورها را افزایش داد؟
با انتخاب سنسور متناسب با کاربرد، استفاده در شرایط محیطی مناسب، کالیبراسیون دورهای و اتصال صحیح به سیستم میتوان دقت و حساسیت آنها را بهبود بخشید.
