معرفی سنسورها و آشنایی با کاربرد آنها هدف ما در این مقاله است ، ما کمی در مورد سنسورها و نحوه انتخاب یک سنسور، الزامات سنسورها ، طبقه‌بندی سنسورها، چند مثال از سنسورهای آنالوگ و دیجیتال یاد خواهیم گرفت. ​

ما در یک دنیای آنالوگ با ابزارهای ارتباط دیجیتالی و کنترل اشیا مکانیکی با سیگنال‌های الکتریکی زندگی می‌کنیم. این امر به دلیل ابزارهایی مانند سنسورها و مبدل ها امکان پذیر است که به ما در تبدیل داده‌ها یا اطلاعات از یک حوزه به حوزه دیگر کمک می‌کند. ​همچنین لازم به ذکر است سنسورها در ساخت ربات ها نیز کاربرد دارد. ما در بخش آموزش اینترنت اشیا نیز بسیار از سنسور استفاده خواهیم کرد.

مقدمه

​​​​​​​​اندازه‌گیری یک بخش مهم در هر سیستم است، چه یک سیستم مکانیکی باشد و چه یک سیستم الکترونیکی. یک سیستم اندازه‌گیری شامل حسگرها، محرک‌ها، مبدل ها و دستگاه‌های پردازش سیگنال است. استفاده از این عناصر و دستگاه‌ها به سیستم‌های اندازه‌گیری محدود نمی‌شود. ​

اینها همچنین در سیستم‌هایی که وظایف ویژه‌ای را انجام می‌دهند، برای برقراری ارتباط با دنیای واقعی به کار می‌روند. ارتباط می‌تواند هر چیزی مانند خواندن وضعیت یک سیگنال از یک کلید یا تحریک یک خروجی خاص برای روشن کردن LED باشد. ​

تعاریف سنسور و مبدل

​​​​​​​​کلمات حسگر و مبدل ها به طور گسترده در ارتباط با سیستم‌های اندازه‌گیری به کار می‌روند. سنسور عنصری است که سیگنال‌هایی مربوط به مقدار اندازه‌گیری شده تولید می‌کند. طبق گفته انجمن ابزار آمریکا، “یک حسگر وسیله‌ای است که خروجی قابل‌استفاده را در پاسخ به مقدار مشخصی که اندازه‌گیری می‌شود فراهم می‌کند” کلمه سنسور از معنای اصلی “درک کردن” مشتق می‌شود. ​

به عبارت ساده‌تر، یک حسگر وسیله‌ای است که تغییرات و رویدادها را در یک محیط فیزیکی شناسایی می‌کند و یک سیگنال خروجی متناظر فراهم می‌کند که می‌تواند اندازه‌گیری و یا ثبت شود. در اینجا، سیگنال خروجی می‌تواند هر سیگنال قابل‌اندازه‌گیری باشد و عموما یک کمیت الکتریکی است. ​

سنسورها وسایلی هستند که اندازه گیری تابع ورودی را در یک سیستم انجام می‌دهند چون تغییرات را در یک کمیت “حس می‌کنند”. بهترین نمونه از سنسور، دماسنج جیوه‌ای است. در اینجا مقدار اندازه‌گیری شده گرما یا دما است. دمای اندازه‌گیری شده براساس انبساط و انقباض جیوه مایع به یک مقدار قابل خواندن بر روی لوله شیشه‌ای مدرج تبدیل می‌شود. ​

مبدل ها وسایلی هستند که در کنار حسگرها کار می‌کنند. یک سنسور یک رویداد فیزیکی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند در حالی که یک مبدل سیگنال الکتریکی را به رویداد فیزیکی تبدیل می‌کند. زمانی که حسگرها در ورودی یک سیستم مورد استفاده قرار می‌گیرند، مبدل ها برای انجام تابع خروجی در یک سیستم به کار می‌روند چون آن‌ها یک دستگاه خارجی را کنترل می‌کنند. ​

مبدل ها وسایلی هستند که انرژی را به شکلی دیگر تبدیل می‌کنند. به طور کلی انرژی به شکل یک سیگنال است. Transducer اصطلاحی است که در مجموع برای حسگرها و مبدل ها استفاده می‌شود. ​

معیارهای انتخاب یک سنسور

​​​​​​​​موارد زیر ویژگی‌های خاصی هستند که هنگام انتخاب یک سنسور در نظر گرفته می‌شوند. ​

۱. نوع حس کردن: پارامتری که مانند دما یا فشار حس می‌شود. ​

۲. اصل کار: اصل کار سنسور.

۳. مصرف برق: توان مصرف‌شده توسط سنسور یک نقش مهمی در تعیین توان کل سیستم دارد

۴. دقت: دقت سنسور یک عامل کلیدی در انتخاب یک حسگر است. ​

۵. شرایط محیطی: شرایطی که در آن سنسور در حال انجام است

۶. هزینه: بسته به هزینه کاربرد، یک حسگر کم‌هزینه یا حسگر با هزینه بالا می‌تواند استفاده شود. ​

۷. تفکیک‌پذیری و محدوده: کوچک‌ترین مقداری که می توان حس کرد و حد اندازه‌گیری مهم است. ​

۸. تنظیم و تکرار: تغییر مقادیر با زمان و توانایی تکرار اندازه‌گیری‌ها تحت شرایط مشابه. ​

الزامات اساسی حسگر

الزامات اصلی یک حسگر عبارتند از:

۱. دامنه: نشان‌دهنده محدودیت‌های ورودی است که می‌تواند در آن تغییر کند. در مورد اندازه‌گیری دما، یک ترموکوپل می‌تواند در محدوده ۲۵ تا ۲۵۰ درجه سانتیگراد باشد.

۲. دقت: این میزان دقت بین اندازه‌گیری واقعی و مقدار واقعی است. دقت به صورت درصد خروجی تمام دامنه بیان می‌شود.

۳. حساسیت: حساسیت یک رابطه بین سیگنال فیزیکی ورودی و سیگنال الکتریکی خروجی است. این نسبت تغییر در خروجی حسگر به تغییر واحد در مقدار ورودی است که باعث تغییر در خروجی می‌شود.

۴. پایداری: این توانایی سنسور برای تولید همان خروجی برای ورودی ثابت در طول یک دوره زمانی است.

۵. قابلیت تکرار: این توانایی سنسور برای تولید خروجی یک‌سان برای کاربردهای مختلف با مقدار ورودی یک‌سان است.

۶. زمان پاسخ: این سرعت تغییر در خروجی در یک تغییر گام‌به‌گام در ورودی است.

۷. خطی بودن: بر حسب درصد غیر خطی بودن مشخص می‌شود. غیر خطی بودن نشان‌دهنده انحراف منحنی اندازه‌گیری واقعی از منحنی اندازه‌گیری ایده‌آل است.

۸. استحکام: این معیار دوام زمانی است که سنسور تحت شرایط عملیاتی شدید استفاده می‌شود.

۹. آب اندازی: پسماند به صورت حداکثر تفاوت در خروجی در هر مقدار قابل‌اندازه‌گیری در محدوده مشخص‌شده سنسور تعریف می‌شود زمانی که ابتدا با افزایش و سپس با کاهش پارامتر ورودی به نقطه نزدیک می‌شود. Hysteresis یک ویژگی است که یک مبدل قادر به تکرار دقیق عملکرد خود هنگامی که در جهت مخالف عمل استفاده می‌شود، نیست. ​

طبقه‌بندی سنسورها

​​​​​​​​طرح طبقه‌بندی سنسورها می‌تواند از بسیار ساده تا بسیار پیچیده باشد. محرکی که احساس می‌شود عامل مهمی در این طبقه‌بندی است. ​

برخی از این محرک‌ها عبارتند از:

​​​​

۱. آکوستیک: موج، طیف و سرعت موج.

۲. الکتریسیته: جریان، بار، پتانسیل، میدان الکتریکی، گذردهی الکتریکی و رسانایی. ​

۳. میدان مغناطیسی، شار مغناطیسی و نفوذپذیری.

۴. حرارتی: دما، گرمای ویژه و رسانایی گرمایی

۵. مکانیکی: موقعیت، شتاب، نیرو، فشار، استرس، کرنش، جرم، چگالی، گشتاور، شکل، جهت گیری، زبری، سختی، انطباق، بلورینگی و ساختار. ​

۶. نوری: موج، سرعت موج، ضریب شکست، بازتاب پذیری، جذب و تابش. ​

پدیده تبدیل سنسورها نیز عامل مهمی در طبقه‌بندی حسگرها می‌باشد. برخی از این پدیده‌های تبدیلی عبارتند از: مگنتو الکتریک، ترموالکتریک و فوتوالکتریک. ​

سنسور active  و passive

تمام حسگرها می‌توانند براساس توان یا سیگنال مورد نیاز به دو نوع طبقه‌بندی شوند. آن‌ها سنسورهای Active و سنسورهای passive هستند. ​

به منظور عملکرد سنسورهای active، به توان از یک منبع خارجی نیاز است. این سیگنال یک سیگنال تحریک نامیده می‌شود، و براساس این سیگنال تحریک، سنسور خروجی را تولید می‌کند. gauge Strain مثالی از سنسور active است. این یک مقاومت حساس به فشار است و سیگنال الکتریکی خروجی را به تنهایی تولید نمی‌کند. مقدار نیروی اعمالی را می توان با مرتبط کردن آن با مقاومت شبکه اندازه‌گیری کرد. مقاومت را می توان با عبور جریان از آن اندازه‌گیری کرد. جریان به عنوان سیگنال تحریک عمل می‌کند. ​

در مقابل، سنسورهای passive به طور مستقیم سیگنال الکتریکی خروجی را در پاسخ به محرک ورودی تولید می‌کنند. تمام توان مورد نیاز یک سنسور passive از اندازه‌گیری‌ها به دست می‌آید. ترموکوپل یک حسگر passive است. ​

سنسورها و مبدل ها معمول مورد استفاده

​​​​​​برخی از رایج‌ترین سنسورها و مبدل‌های مورد استفاده برای محرک‌های مختلف (‏مقدار اندازه‌گیری شده)‏عبارتند از:

۱. برای حس کردن نور، تجهیزات ورودی یا حسگرها diode photo، transistor photo، مقاومت نوری و سلول‌های خورشیدی هستند. وسایل یا مبدل ها خروجی LED ها، نمایشگرها، لامپ‌ها و فیبرهای نوری هستند.

۲. برای تشخیص دما، حسگرها رزیستور، ترموکوپل، مقاومت حرارتی و ترموستات هستند. مبدل ها، بخاری‌ها هستند.

۳. برای تشخیص موقعیت ، دستگاه‌های ورودی پتانسیومتر، سنسور مجاورت، و ترانسفورماتور دیفرانسیلی هستند. دستگاه‌های خروجی، موتور و meter panel هستند.

۴. برای اندازه‌گیری فشار، حسگرها gauge strain و cell load هستند. محرک‌ها، آسانسورها، جک‌ها و ارتعاشات الکترومغناطیسی هستند.

۵. برای تشخیص صدا، دستگاه‌های ورودی میکروفن‌ها و دستگاه‌های خروجی بلندگو ها هستند.

۶. برای سنجش سرعت ، سنسورهای مورد استفاده، سنسورهای اثر داپلر و رزونانس هستند. خروجی ها موتور و ترمز هستند. ​

یک سیستم ساده با استفاده از سنسورها

​​​​​​​​یک سیستم صوتی معمولی نمونه‌ای از یک سیستم با استفاده از حسگرها و عملگرها است. ​

سیستم صوتی

سیستم صوتی

آن شامل میکروفن، تقویت‌کننده و بلندگو است. حسگر یا دستگاه با تابع ورودی یک میکروفن است. آن سیگنال‌های صوتی را حس می‌کند و آن‌ها را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند. تقویت‌کننده این سیگنال‌های الکتریکی را دریافت می‌کند و قدرت آن‌ها را تقویت می‌کند. ​

مبدل یا دستگاه دارای تابع خروجی بلندگو است. بلندگو سیگنال‌های الکتریکی تقویت‌شده را از تقویت‌کننده دریافت می‌کند و آن‌ها را به سیگنال‌های صوتی اما با دسترسی بیشتر تبدیل می‌کند. ​

سنسورهای آنالوگ

​​​​​​​یک سنسور آنالوگ سیگنال‌های خروجی پیوسته متغیر را در محدوده وسیعی از مقادیر تولید می‌کند. معمولا سیگنال خروجی ولتاژ است و این سیگنال خروجی با اندازه‌گیری‌ها متناسب است. مقادیری مثل سرعت، دما، فشار، کرنش و غیره اندازه‌گیری می‌شود در طبیعت پیوسته هستند و از این رو این مقادیر به صورت مقادیر آنالوگ می‌باشند. ​

سلول سولفید کادمیم (‏سلول CdS)‏که برای اندازه‌گیری شدت نور استفاده می‌شود یک حسگر آنالوگ است. مقاومت سلول CdS با توجه به شدت نور ورودی به آن تغییر می‌کند. وقتی به یک شبکه تقسیم کننده ولتاژ متصل می‌شود، تغییر در مقاومت را می توان از طریق تغییر ولتاژ خروجی مشاهده کرد. در این مدار، خروجی می‌تواند از هر جایی بین ۰ V تا ۵ V تغییر کند. ​

عملکرد سنسور آنالوگ

عملکرد سنسور آنالوگ

ترموکوپل یا دماسنج یک سنسور آنالوگ است. چیدمان زیر برای اندازه‌گیری دمای مایع در ظرف با استفاده از ترموکوپل استفاده می‌شود. ​

معرفی سنسورها

معرفی سنسورها

سیگنال خروجی تنظیمات بالا را می توان به صورت زیر نشان داد:

​​​​​​​​

عملکرد سنسور ترموکوپل

عملکرد سنسور ترموکوپل

خروجی یک حسگر آنالوگ به آرامی و به طور مداوم در طول زمان تغییر می‌کند. از این رو، زمان واکنش و دقت مدارهایی که از سنسورهای آنالوگ استفاده می‌کنند، کند و کم‌تر است. به منظور استفاده از این سیگنال‌ها در یک سیستم مبتنی بر میکروکنترلر، می‌توان از مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال استفاده کرد. ​

سنسورهای آنالوگ به طور کلی نیازمند منبع تغذیه خارجی و تقویت برخی شکل‌ها برای تولید سیگنال‌های خروجی مناسب هستند.

سنسورهای دیجیتال

​​​​​​​​یک سنسور دیجیتال سیگنال‌های دیجیتال مجزا تولید می‌کند. خروجی یک سنسور دیجیتال تنها دو حالت دارد، یعنی “روشن” و “خاموش”. روشن منطق ۱ و خاموش منطق ۰ است. کلید فشاری بهترین نمونه از سنسور دیجیتال است. در این حالت، سوئیچ تنها دو حالت ممکن دارد: یا روشن است وقتی فشار داده می‌شود یا خاموش است وقتی آزاد می‌شود یا فشار داده نمی‌شود. ​

تنظیمات زیر از یک سنسور نوری برای اندازه‌گیری سرعت و تولید یک سیگنال دیجیتال استفاده می‌کند. ​

تعیین سرعت موتور با سنسور

تعیین سرعت موتور با سنسور

در چیدمان بالا، دیسک دوار به شفت یک موتور متصل شده و دارای تعدادی اسلات شفاف است. سنسور نور وجود یا عدم وجود نور را می‌گیرد و براساس آن سیگنال منطقی ۱ یا منطق ۰ را ارسال می‌کند. ​

شمارشگر سرعت دیسک را نشان می‌دهد. دقت را می توان با افزایش شکاف‌های شفاف روی دیسک افزایش داد چون اجازه شمارش بیشتر در همان زمان را می‌دهد. ​

به طور کلی، دقت یک سنسور دیجیتال در مقایسه با یک سنسور آنالوگ بالا است. دقت بستگی به تعداد بیت‌هایی دارد که برای نشان دادن اندازه‌گیری‌ها استفاده می‌شوند. هر چه تعداد بیت‌ها بیشتر باشد، دقت بیشتر است. ​

​در نهایت اشاره به این نکته ضروریست که نوشتن برنامه برای عملکرد بهینه یک سنسور نیز اهمیت فراوانی دارد. در بخش آموزش رباتیک می آموزید که چگونه برای سنسورهای استفاده شده در ساخت ربات برنامه مناسب آن را بنویسید.