انواع سنسور، کاربرد و نحوه تست آن

آیا می دانید یکی از قطعات مهم سیستم های هوشمند سنسورها هستند؟ عملکرد سنسورها بسیار حیاتی است و بدون آن ها سیستم های هوشمند یا اتوماتیک؛ از وسایل خانگی گرفته تا تجهیزات صنعتی و ناوبری از کار می افتند. آشنایی با انواع حسگرها در صنعت و در زندگی روزمره یک ضرورت است، در این نوشته توضیح میدهیم سنسور چیست، با انواع سنسور، کاربرد و نحوه تست آن آشنا شویم؛ لطفا با ما همراه شوید.

سنسور چیست؟ مبدل انرژی های مختلف به انرژی الکتریکی

تعاریف مختلفی از حسگرها یا سنسور وجود دارد، به زبان ساده، سنسورها قطعاتی هستند که تغییرات شیمیایی یا فیزیکی را از یک حوزه انرژی به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. میتوان گفت سنسور بخشی از ورودی یک سیستم بزرگتر است که خروجی آن سیگنال الکتریکی است.

یک تعریف ساده در مورد سنسور چیست؟ می توان گفت یک سنسور محرک هایی مانند صدا، حرکت، گرما و نور را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند.

ساده ترین مثال از یک سنسور؛ LDR یا یک مقاومت وابسته به نور است. LDR قطعه ای است که مقاومت آن با شدت نوری که در معرض آن قرار می گیرد تغییر می کند. هرچه میزان نوری که روی یک LDR می تابد بیشتر باشد، مقاومت آن کمتر می شود و هنگامی که میزان نور کم می شود، در نتیجه مقدار مقاومت LDR زیاد خواهد شد.

مدار تست سنسور LDR خیلی ساده است در مدار زیر یک سر ldr به ولتاژ منبع تغذیه و سر دیگر آن به پتانسیومتر تنظیم قطع و وصل کننده ترانزیستور متصل شده است.

می ‌توان این LDR را در یک تقسیم‌ کننده ولتاژ (همراه با سایر مقاومت ‌ها) به کار برد و افت ولتاژ در LDR را بررسی کرد. برای تست سنسور LDR در مدار فوق، ابتدا پتانسیومتر را به وضعیت حداقل و حداکثر تنظیم کنید چنانچه (در صورت سلامت ترانزیستور) تغییری در شدت نور led بوجود نیاید سنسور خراب است.

برای درک بهتر اینکه کار سنسورها چیست، باید انواع آن را بشناسید، در ادامه به طبقه بندی سنسورها خواهیم پرداخت.

طبقه بندی انواع سنسورها

در طبقه بندی اول سنسورها به دو دسته Active و Passive (به ترتیب فعال و منفعل یعنی اینکه به ترتیب انرژی مصرف کرده یا تولید می کنند) تقسیم بندی می شوند. سنسورهای فعال آن دسته از قطعات الکترونیکی هستند که نیاز به سیگنال تحریک خارجی یا سیگنال توان دارند.

از طرف دیگر، سنسورهای منفعل به هیچ سیگنال خارجی نیاز ندارند و مستقیماً پاسخ خروجی را تولید می کنند.

نوع دیگر طبقه بندی بر اساس کمیت ها است که عبارتند از:

• الکتریکی
• بیولوژیکی
• شیمیایی
• رادیواکتیو

طبقه بندی بعدی بر اساس پدیده تبدیل یعنی ورودی و خروجی است. برخی از پدیده های تبدیل رایج عبارتند از:

• فوتوالکتریک
• ترموالکتریک
• الکتروشیمیایی
• الکترومغناطیسی
• ترمواپتیک و غیره.

طبقه بندی نهایی سنسورها بر اساس سنسورهای آنالوگ و دیجیتال است. سنسورهای آنالوگ یک خروجی آنالوگ تولید می کنند؛ یعنی تولید یک سیگنال خروجی پیوسته که معمولا ولتاژ است اما گاهی اوقات با توجه به کمیت اندازه گیری شده، مقادیر دیگری مانند مقاومت و غیره می باشد.

سنسورهای دیجیتال، بر خلاف سنسورهای آنالوگ، با داده های گسسته یا دیجیتال کار می کنند. داده های موجود در سنسورهای دیجیتال که برای تبدیل و انتقال استفاده می شوند، ماهیت دیجیتالی دارند.

انواع سنسور

سنسور انواع متفاوتی دارد؛ هرکدام از سنسورها در یکی از کمیت های فیزیکی مانند دما، مقاومت، رطوبت، رسانایی، انتقال حرارت و غیره کاربرد دارند. در ادامه،به انواع سنسور می پردازیم.

سنسور دما

سنسور دما یکی از رایج ترین و کاربردی ترین حسگرها است؛ همانطور که از نامش پیداست تغییرات دمای محیط را دریافت و به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. انواع مختلفی از سنسورهای دما مانند آی سی های سنسور دما (همچون LM35، DS18B20)، ترمیستورها، ترموکوپل ها، RTD (دستگاه های مقاومتی دمایی) و غیره وجود دارد. انواع سنسورهای دما می توانند آنالوگ یا دیجیتال باشند. در یک سنسور حرارتی آنالوگ، تغییرات در دما مربوط به تغییر در ویژگی فیزیکی آن مانند مقاومت یا ولتاژ است. LM35 یک سنسور دمای آنالوگ کلاسیک است.

پیشنهاد می کنیم مقاله تخصصی “ترمومتر چیست؟ آشنایی با انواع ترمومتر و کاربرد آن” را مطالعه کنید.

در سنسور دمای دیجیتال، خروجی یک مقدار دیجیتال گسسته است (معمولاً برخی از داده های عددی پس از تبدیل مقدار آنالوگ به مقدار دیجیتال ارائه می شوند). سنسورهای دما در همه جا مانند سیستم های تهویه مطبوع ، یخچال ها، اجاق گاز، تلفن همراه، خودرو وصنایع مختلف استفاده می شوند. در سیستم های برودتی، با استفاده از ترمومتر که سنسور به محل مورد آزمایش متصل می‌شود می‌توان دما را اندازه گیری کرد.

استفاده از سنسورهای دما در کاربردهای صنعتی ضروری است. این حسگرها در کنترل محیط برای تضمین ایمنی، دقت و کارایی حیاتی هستند.

سنسور مجاورتی

سنسور مجاورتی یک سنسور نوع غیر تماسی است که وجود یک شی را تشخیص می دهد. سنسورهای مجاورتی را می توان با استفاده از تکنیک های مختلف مانند نوری (مانند مادون قرمز یا لیزر)، صدا (اولتراسونیک)، مغناطیسی (اثر هال)، خازنی و غیره پیاده سازی کرد.

برخی از کاربردهای سنسورهای مجاورتی عبارتند از: تلفن همراه، اتومبیل (سنسور پارک)، صنایع (تراز اشیاء)، Ground Proximity (ارتفاع نسبت به زمین) در هواپیما و غیره.

سنسور مادون قرمز (سنسور IR)

سنسورهای مادون قرمز، سنسورهای حساس به نور هستند که در کاربردهای مختلفی مانند تشخیص مجاورت و تشخیص اشیا استفاده می‌ شوند. سنسورهای IR تقریباً در همه تلفن های همراه به عنوان سنسور مجاورتی استفاده می شوند.

دو نوع سنسور مادون قرمز یا IR وجود دارد: نوع انتقالی و نوع انعکاسی. در سنسور مادون قرمز نوع Transmissive، فرستنده IR (معمولا یک IR LED) و آشکارساز IR (معمولا یک دیود نوری) رو به روی یکدیگر قرار می گیرند به طوری که وقتی یک جسم از بین آن ها عبور می کند، سیستم شی را تشخیص می دهد.

نوع دیگر سنسور IR، سنسور IR نوع بازتابی است. در این حالت فرستنده و آشکارساز در مجاورت یکدیگر رو به روی جسم قرار می گیرند. هنگامی که یک جسم جلوی سنسور قرار می گیرد، نور مادون قرمز از فرستنده IR از جسم منعکس می شود و توسط گیرنده IR شناسایی می شود و در نتیجه سنسور جسم را تشخیص می دهد. کاربردهای مختلفی که سنسور IR در آن ها تعبیه می شود عبارتند از: تلفن همراه، ربات، ترمومترهای صنعتی، خودرو و غیره. برخی از اجسام دور از دسترس مثل لامپ‌های سقفی را نمی‌توان به طور مستقیم اندازه گیری کرد. به همین منظور دانشمندان با استفاده از روش‌هایی مثل استفاده از ترمومترهای مجهز به مادون قرمز و بر اساس حرارتی که جسم در محیط ساطع می‌کند، اقدام به اندازه گیری دما می‌کنند.

سنسور اولتراسونیک

سنسور اولتراسونیک دستگاهی از نوع غیر تماسی است که می تواند برای اندازه گیری فاصله و همچنین سرعت یک جسم مورد استفاده قرار گیرد. سنسور اولتراسونیک بر اساس خواص امواج صوتی با فرکانس بیشتر از محدوده شنوایی انسان کار می کند.

یک سنسور اولتراسونیک با استفاده از زمان پرواز موج صوتی، می تواند فاصله جسم را اندازه گیری کند (دقیقا مشابه SONAR). خاصیت Doppler Shift (اثر داپلر) موج صوتی برای اندازه گیری سرعت یک جسم استفاده می شود.

سنسور نوری

سنسورهای نوری که گاهی اوقات به عنوان فوتو سنسور نیز شناخته می شوند، سنسورهای بسیار مهم هستند. یک سنسور نوری ساده که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد، سنسور مقاومتی وابسته به نور یا LDR است. خاصیت LDR این است با افزایش و کاهش شدت نور مقاومت آن تغییر می کند و مقاومت آن با شدت نور محیط نسبت معکوس دارد. انواع LDR کاربردهای گسترده ای در مدار چراغ های خیابانی، دستگاه دزدگیر، دستگاه لوکس متر دارد.

با استفاده از LDR در یک مدار، می توان از تغییرات مقاومتی آن برای اندازه گیری شدت نور و کالیبراسیون استفاده کرد. دو سنسور نوری دیگر (یا فوتو سنسور) وجود دارد که اغلب در طراحی سیستم های الکترونیکی پیچیده استفاده می شود. این دو نوع Photo Diode و Photo Transistor (دیود نوری و ترانزیستور نوری) هستند. همه این نوع سنسورها از نوع سنسورهای آنالوگ هستند.

همچنین سنسورهای نوری دیجیتال مانند BH1750، TSL2561 و غیره نیز وجود دارند که می توانند شدت نور را محاسبه کرده و مقدار معادل دیجیتالی را ارائه دهند.

سنسورهای دود و گاز

یکی از سنسورهای بسیار مفید و کاربردی در زمینه ایمنی، سنسورهای دود و گاز هستند. تقریباً تمام ادارات و صنایع مجهز به چند دتکتور (شناساگر) دود هستند که هر دود (در اثر آتش سوزی) را تشخیص داده و زنگ هشدار را به صدا در می آورند.

سنسورهای گاز بیشتر در آزمایشگاه ها، آشپزخانه ها و صنایع و آن هم در مقیاس بزرگ امری رایج هستند. این سنسورها می توانند گازهای مختلفی مانند LPG، پروپان، بوتان، متان (CH₄) و غیره را شناسایی کنند.

کاربرد سنسورهای دود محدود به آشکارسازهای سیستم های ایمنی حریق صنایع و منازل نیست. سنسور های دود در ایمنی صنایع نفت و گاز و معادن نقش مهمی دارند.

سری سنسورهای MQ مجموعه ای از سنسورهای ارزان قیمت برای تشخیص CO، CO₂، CH₄، الکل، پروپان، بوتان، LPG و غیره هستند.

سنسور الکل

همانطور که از نام آن پیداست، سنسور الکل یا همان MQ3 می تواند محلول الکل را از دیگر مایعات تمیز دهد. معمولاً از سنسور الکل در محیط های آزمایشگاهی و در دستگاه های تنفس سنجی استفاده می شود.

سنسور تاچ

ما به سنسورهای تاچ (لمسی) اهمیت زیادی نمی دهیم اما آن ها بخشی جدایی ناپذیر از زندگی ما هستند. چه بدانید و چه ندانید، همه دستگاه های دارنده صفحه لمسی (تلفن همراه، تبلت، لپ تاپ و غیره) دارای سنسورهای تاچ هستند. یکی دیگر از کاربردهای رایج سنسور تاچ، پدهای لمسی در لپ ‌تاپ ‌ها است.

سنسورهای تاچ همانطور که از نامشان پیداست، لمس انگشت یا قلم را تشخیص می دهند. اغلب سنسورهای تاچ به دو نوع مقاومتی و خازنی طبقه بندی می شوند. تقریباً تمام سنسورهای لمسی مدرن از نوع خازنی هستند زیرا دقیق تر هستند و نسبت سیگنال به نویز بهتری دارند.

سنسور رنگ

سنسور رنگ، دستگاهی مفید در ساخت برنامه ‌های سنسور رنگ در زمینه پردازش تصویر، شناسایی رنگ، ردیابی اشیاء صنعتی و غیره است. TCS3200 یک سنسور رنگی ساده است که می ‌تواند هر رنگی را تشخیص دهد و موج مربعی متناسب با طول موج رنگ شناسایی شده تولید کند.

سنسور رطوبت

اگر به سیستم های نظارت بر آب و هوا توجه کرده باشید، اغلب داده های دما و رطوبت را ارائه می دهند. بنابراین، اندازه ‌گیری رطوبت در بسیاری از کاربردها یک امر مهم است و سنسورهای رطوبت به ما در یافتن مقدار آن کمک می‌ کنند.

اغلب سنسورهای رطوبت، میزان رطوبت نسبی (نسبت محتوای آب موجود در هوا به حداکثر پتانسیل هوا برای نگهداری آب) را اندازه گیری می کنند. از آنجایی که رطوبت نسبی به دمای هوا بستگی دارد، تقریباً تمام سنسورهای رطوبت می توانند دما را اندازه گیری کنند.

سنسورهای رطوبت به نوع خازنی، نوع مقاومتی و نوع رسانای حرارتی طبقه بندی می شوند. DHT11 و DHT22 دو مورد از سنسورهای رطوبتی هستند که بسیار مورد استفاده قرار می گیرند (نوع اولی یک نوع مقاومتی است در حالی که دومی نوع خازنی است).

سنسور شیب (تیلت)

سنسورهای شیب که اغلب برای تشخیص شیب یا جهت استفاده می‌ شوند، یکی از ساده ‌ترین و ارزان ترین نوع از سنسورهای موجود هستند. پیش از این در سنسورهای شیب از جیوه استفاده می شد (و از این رو گاهی اوقات به شکل سوئیچ های جیوه نامیده می شدند) اما اکثر سنسورهای شیب مدرن حاوی یک توپ غلتکی هستند.

کاربردهای در لحظه سنسور

مثالی که در اینجا درباره آن صحبت خواهیم کرد سیستم اتوپایلوت هواپیماهاست. تقریبا تمامی هواپیماهای نظامی و غیرنظامی از ویژگی سیستم کنترل پرواز خودکار یا چیزی به نام اتوپایلوت برخوردار هستند. سیستم کنترل پرواز خودکار شامل چندین سنسور همچون کنترل سرعت، نظارت بر ارتفاع، ردیابی موقعیت مکانی، وضعیت درها، تشخیص موانع، سطح سوخت، مانور دادن و غیره می شود. یک کامپیوتر داده ها را از این سنسورها دریافت کرده و آن ها را به وسیله مقایسه با مقادیر از پیش تعیین شده، پردازش می کند.

سپس کامپیوتر سیگنال های کنترلی را برای قسمت های مختلف همچون موتورها، باله ها، سکان هواپیما و غیره فراهم آورده تا پروازی آرام در پیش باشد. ترکیب سنسورها، کامپیوترها و سیستم مکانیکی امکان پرواز اتوپایلوت را فراهم می کند.

تمامی این پارامترها یا به عبارت دیگر سنسورها (که ورودی ها را برای کامپیوتر فراهم می آورند)، کامپیوترها (که مغز سیستم است) و مکانیک ها (که خروجی ها را برای بخش های مختلف همچون موتورها تامین می کنند به یک اندازه برای خلق یک سیستم اتوپایلوت موفق مهم هستند.

نحوه تست سنسورها

سنسورها با قرارگرفتن در معرض نور خورشید و برخی محیط های پرگرد و غبار، مرطوب و روغنی تهدید و خراب می شوند؛ سنسورهای مختلفی مثل سنسور اکسیژن، مپ سنسور، سنسور دریچه گاز، سنسور دور موتور و … در خودرو استفاده می شوند. تست سنسورهای خودرو توسط ابزارهای مختلفی مانند مولتی متر و اسیلوسکوپ انجام می گردد. برای آزمایش برخی از حسگرهای خودرو، دستگا ه های خاصی ساخته شده اند؛ برای نمونه، برای تست سنسور اکسیژن خودرو از میلی اهم متر استفاده می شود.

سخن پایانی

در این مقاله توضیح دادیم سنسور چیست؟ در ادامه مطلب به بررسی انواع سنسور، کاربرد و نحوه تست آن پرداختیم. سنسورها کاربردهای متنوع و بیشماری دارند که می توان پروژه های بسیاری را بر اساس آن ها تعریف کرد و به پیش برد. گاهی اوقات سنسورها به ‌درستی کار نمی‌کنند و باید عملکرد آن‌ها با ابزارهایی نظیر مولتی‌متر، اهم متر و غیره بررسی شود.

منابع:

https://www.techtarget.com/whatis/definition/sensor