۷ سنسور پرکاربرد در صنعت
سنسور (sensor)یعنی حس کننده,و از کلمه sens به معنی حس کردن گرفته شده و می تواند کمیت هایی مانند فشار، حرارت، رطوبت، دما، و … را به کمیتهای الکتریکی پیوسته (آنالوگ) یا غیرپیوسته (دیجیتال) تبدیل کند.سنسورها در انواع دستگاههای اندازه گیری، سیستمهای کنترل آنالوگ و دیجیتال مانندPLC مورد استفاده قرار می گیرند.
عملکرد سنسورها و قابلیت اتصال آنها به دستگاههای مختلف از جملهPLC باعث شده است که سنسور بخشی از اجزای جدا نشدنی دستگاه کنترل اتوماتیک باشد. سنسور ها بر اساس نوع و وظیفه ای که برای آن ها تعریف شده اطلاعات را به سیستم کنترل کننده می فرستند و سیستم طبق برنامه تعریف شده عمل می کند.
همیشه در علم الکتروینک این نکته وجود دارد که برای اینکه بتوانید الکترونیک را در هر جایی مورد استفاده قرار بدهید، باید پدیده ها را به زبان ولتاژ و جریان تبدیل کنید . سنسورها هم برای همین ساخته شده اند. سنسورها در انواع مختلف بسته به نیاز مورد استفاده ساخته شده اند ، اما همه ی سنسورها پدیده مورد بررسی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کنند یا اینکه بر سر راه یک مدار بسته می شوند.
• نیاز به سنسور در صنعت
با پیشرفت سریع اتوماسیون و پیچیده تر شدن پروسه های صنعتی و کاربرد روزافزون این شاخه از صنعت، نیاز شدیدی به کاربرد سنسورهای مختلف که اطلاعات مربوط به عملیات تولید را درک و بر اساس این اطلاعات فرمان های موردنیاز صادر گردد، احساس می شود. سنسورها به عنوان اعضای حسی یک سیستم، وظیفه جمع آوری و یا تبدیل اطلاعات را به صورتی که برای یک سیستم کنترل و یا اندازه گیری قابل تجزیه و تحلیل باشد، به عهده دارند.
در سال های اخیر سنسورها به صورت یک عنصر غیرقابل تفکیک سیستم های مختلف صنعتی مورد استفاده قرار گرفته اند و پیشرفت سریعی در جهت جواب گویی به تقاضاهای صنعت در این شاخه از علم الکترونیک انجام پذیرفته است. همان طور که گفته شد سنسورها جهت تبدیل عوامل فیزیکی مانند حرارت، فشار، نیرو، طول، زاویه چرخش، دبی و غیره به سیگنال های الکتریکی به کار برده می شوند و به همین منظور سنسورهای مختلفی که قابلیت تبدیل این عوامل را به جریان برق دارا هستند، ساخته شده اند. یک سنسور را می توان با خصوصیات زیر تعریف نمود:
• سنسور به عنوان تبدیل کننده اطلاعات فیزیکی به سیگنال هایی که می توان از آنها به عنوان سیگنال های کنترل استفاده نمود، عمل می کنند.
• یک سنسور نباید حتماً یک سیگنال الکتریکی تولید نماید مانند سنسورهای نیوماتیکی و … .
انواع خروجی های متداول سنسور ها
در استفاده از سنسورها باید با انواع سیگنال های خروجی الکتریکی آشنا بود. می توان خروجی ها را در پنج رده مختلف دسته بندی نمود.
نوع A: سنسورهایی با ماهیت قطع و وصل خروجی (دیجیتالی) مانند سنسورهای مجاورتی، فشار، اندازه گیری سطح مایعات و … این نوع سنسورها را عمدتاً می توان به طور مستقیم به دستگاه PLC متصل نمود.
نوع B: سنسورهایی که سیگنال خروجی آنها به صورت پالسی هستند، مانند سنسورهای اندازه گیری میزان چرخش و یا طول و … این نوع سنسورها اکثراً توسط Interface قابل وصل به دستگاه PLC می باشند. PLC می بایستی دارای شمارنده نرم افزاری و سخت افزاری باشد.
نوع C: سنسورهایی که سیگنال خروجی آنها به صورت آنالوگ بوده ولی دارای بخش تقویت کننده و یا تبدیل کننده نیستند. این سیگنال ها خیلی ضعیف بوده (در حد میلی ولت) و قابل استفاده مستقیم در دستگاه های کنترل نیستند، مانند سنسورهای پیزوالکتریک و یا سنسورهای Hall.
نوع D: سنسورهایی که سیگنال خروجی آنها به صورت آنالوگ بوده و واحد الکترونیک (تقویت کننده، تبدیل کننده) در خود سنسور تعبیه شده است. در این نوع سنسور خروجی ها را می توان به طور مستقیم جهت استفاده در دستگاه های کنترل استفاده نمود.
سنسورها را می‌توان از دیدگاه‌های مختلف به دسته‌های متفاوتی تقسیم کرد:
سنسور محیطی: این سنسورها اطلاعات را از محیط خارج و وضعیت اشیای اطراف ربات، دریافت می‌نمایند
سنسور بازخورد: این سنسور اطلاعات وضعیت ربات، ازجمله موقعیت بازوها، سرعت حرکت و شتاب آنها و نیروی وارد بر درایورها را دریافت می‌نمایند.
سنسور فعال: این سنسورها هم گیرنده و هم فرستنده دارند و نحوه کار آنها بدین ترتیب است که سیگنالی توسط سنسور ارسال و سپس دریافت می‌شود.
سنسور غیرفعال: این سنسورها فقط گیرنده دارند و سیگنال ارسال شده از سوی منبعی خارجی را آشکار می‌کنند، به همین دلیل ارزان‌تر، ساده‌تر و دارای کارایی کمتر هستند.
کاربرد سنسورها :
شمارش تولید : سنسورهای القائی ، خازنی و نوری
کنترل حرکت پارچه و … : سنسور نوری و خازنی
کنترل سطح مخازن : سنسور نوری و خازنی و خازنی کنترل سطح
تشخیص پارگی ورق : سنسور نوری
کنترل انحراف پارچه : سنسور نوری و خازنی
کنترل تردد :سنسور نوری
اندازه گیری سرعت :سنسور القائی و خازنی
اندازه گیری فاصله قطعه :سنسور القائی آنالوگ
انواع سنسورها
سنسورهای تماسی :
برای سنجش دمای محیط مورد استفاده قرار می گیرند. سنسورهای تماسی دمای خود را مورد سنجش قرار داده و با تماس این سنسور به جسم مورد نظر دیگر و یا قرار گرفتن سنسور در محیط، تعادل گرمایی بین سنسور و محیط ایجاد می شود و مورد سنجش قرار می گیرد.
سنسورهای غیرتماسی :
سنسورهایی هستند که با نزدیک شدن یک جسم یا قطعه، آن را حس کرده و فعال می شوند.
• انواع سنسور و کاربرد آن ها
سنسور ها انواع مختلفی دارند که با توجه به کاربرد آن ها طراحی شده اند. در ادامه هفت سنسور پرمصرف در صنعت را معرفی و عملکرد آن ها را بررسی می کنیم.
1. سنسور مجاورتی القایی
2. سنسور مجاورتی آلتراسونیک
3. سنسور فوتو الکتریک
4. سنسور مجاورتی خازنی
5. سنسور اثر هال
6. بررسی عملکرد سنسور گاز
7. سنسور فشار
سنسور مجاورتی القایی
سنسور القایی، سنسوری بدون تماس یا مجاورتی است که تنها در مقابل فلزات عکس العمل نشان می دهد و می تواند بخش فلزی را شناسایی کند و اطلاعات را به المان های الکتریکی مانند رله ها، شیرهای برقی، سیستم های اندازه گیری و مدارات کنترل الکتریکی مانند PLC ارسال کند. سنسور مجاورتی القایی پرکاربرد ترین ﺳﻨﺴﻮرﻫﺎي ﻣﺠﺎورﺗﻲ در صنعت ﺑه خصوص ﻧﻔﺖ و ﮔﺎز و ﭘﺘﺮوﺷﻴﻤﻲ است.
یک سنسور القایی از یک نوسان ساز (Demodulator, LC)، یک تقویت کننده و قسمت خروجی تشکیل شده است. توسط شکل خاص نوسان ساز، میدان مغناطیسی از طریق دریچه نیمه بازی در یک جهت معین منتشر می شود، به طوری که میدان مغناطیسی تولید شده در یک محدوده مشخصی فعال بوده و فقط در این منطقه امکان قطع و وصل سنسور وجود دارد. هنگامی که جریان برق سنسور وصل می گردد، نوسان ساز شروع به نوسان نموده و جریان مشخصی از آن عبور می کند.
اگر یک جسم هادی جریان الکتریکی در میدان مغناطیسی وارد گردد، در آن جریان گردابی به وجود آمده و قسمتی از انرژی اسیلاتور را جذب می کند، که این خود باعث تغییر میزان جریان مصرفی در نوسان ساز می گردد. این تغییرات در یک قسمت الکترونیکی تجزیه و تحلیل خروجی سنسور قطع و یا وصل می شود. سنسورهای القایی می توانند در کاربردهای وسیعی همچون اندازه گیری یک فاصله، تعیین یک سطح، اندازه گیری یک ضخامت و اندازه گیری یک ارتفاع مورد استفاده قرار گیرند.
سنسور مجاورتی آلتراسونیک
سنسور آلتراسونیک یک سنسور مجاورتی است که با ارسال یک پالس صوتی کوتاه و دریافت آن پس از انعکاس از سطح جسم مورد نظر، با محاسبۀ زمان رفت و برگشت فاصله را اندازه گیری می کند. کاربرد سنسور آلتراسونیک برای سنجش میزان فاصله، عمق، همگن نمودن مواد مذاب، آزمایش کیفی قطعات صنعتی جهت تشخیص شكاف‌ها و سوراخ‌های ریز و … است.
سنسور اولتراسونيک که به سطح سنج هم معروف است، به دليل دقت و سرعت بالا، عدم تماس با جسم و نداشتن خورندگی و سایش، پایین بودن هزینه های تعمیر و نگهداری و قیمت مناسب، يکی از بهترين سنسورها برای اندازه گيری فاصله و آشکار سازی اجسام در صنعت به شمار می آید.
سنسور مجاورتی فوتوالکتریک
سنسورهای فتوالکتریک از ابزارهای تشخیص موقعیت است که تشخیص آن با استفاده از پرتوی نور مدوله شده است. این پرتو توسط شیء منعکس شده و یا قطع می گردد. این سنسور از یک منبع انتشار نور، یک گیرنده برای کشف نور ارسالی و مدارات الکترونیکی برای تقویت سیگنال کشف شده جهت راه اندازی مدارات کنترلی تشکیل شده است.از کاربردهای این نوع حسگر می توان به سنجش ارتفاع، تشخیص اجسام، عمل شمارش به صورت تک سنسوری (روش انعکاس) و دو سنسوری اشاره نمود.
سنسور نوری
از سنسورهای نوری برای تشخیص تمام اجسام (فلزی و غیر فلزی) استفاده می شود. انواع سنسورهای نوری عبارتند از: سنسورهای مادون قرمز یکطرفه، دو طرفه، رفلکتوری،سنسورهای نوری کنترل سطح، فیبر نوری و …
این سنسورها مانند سنسورهای خازنی در مقابل همه چیز حساس هستند، از جمله کاربردهای آن عبارت اند از: کنترل سطوح مخازن، شمارش خط تولید، کنترل حرکت پارچه، کنترل عبور و مرور افراد، شناسایی لیبل، فرآیندهای شمارشی با سرعت بالا و کنترل لبه
سنسور نوری یک طرفه
سنسورهای نوری یک طرفه بر اساس ارسال امواج مادون قرمز مدوله شده و دریافت باز تابش امواج از سطوح مختلف عمل می کنند. در این سنسورها امواج مادون قرمز مدوله شده توسط فرستنده به طور مستقیم در فضا پخش می شود. هرگاه این امواج به مانعی برخورد کنند، منعکس می شوند که مقدار انعکاس آن بستگی به رنگ و جنس سطح مانع دارد و ممکن است به صورت خط مستقیم نباشد. انعکاس سطوح روشن و صیقلی بیش از سطوح تیره و غیرصیقلی بوده و فاصله سوئیچینگ این سنسورها بستگی به میزان انعکاس نور دارد. هرگاه در جلوی سنسور مانعی قرار گیرد و امواج انعکاس یافته به گیرنده این سنسور منتقل شود، خروجی تغییر حالت خواهد یافت.
سنسور نوری دو طرفه
سنسورهای نوری دوطرفه بر اساس ارسال امواج مادون قرمز مدوله شده در قسمت فرستنده و دریافت این امواج توسط گیرنده که در مقابل فرستنده نصب می شود عمل می نمایند. در این نوع سنسورها، فرستنده و گیرنده مجزا از هم هستند و کار می کنند. امواج مدوله شده مادون قرمز توسط فرستنده ارسال می شود و گیرنده که مقابل فرستنده نصب می گردد، امواج را دریافت می کند.
هرگاه مابین گیرنده و فرستنده مانعی وجود نداشته باشد این امواج به گیرنده می رسند، در صورت وجود مانع این امواج دیگر به گیرنده نخواهند رسید و سنسور سیگنال خروجی ارسال می کند. این سیگنال به دستگاه های مورد نظر رسیده و طبق دستور العمل از پیش تعیین شده، عملیات مورد نظر انجام می شود. به عنوان مثال ریل یا نوار نقاله از حرکت می ایستد یا آلارمی به صدا در می آید.
سنسور نوری رفلکتوری
سنسورهای فتوالکتریک رفلکتوری بر اساس ارسال امواج مادون قرمز مدوله شده و دریافت انعکاس این امواج از رفلکتور عمل می کند. در این سنسور امواج مادون قرمز به صورت تفکیک شده در فضا پخش می شوند. یک منعکس کننده در جلوی سنسور در فاصله معینی قرار می گیرد، امواج ارسال شده پس از برخورد به این منعکس کننده با زاویه 90 درجه نسبت به امواج پخش شده بطرف گیرنده برمی گردد.
سنسور نوری کنترل سطح
سنسورهای نوری کنترل سطح به منظور تشخیص سطح مایعاتی مثل الكل، اتر، آب مقطر، انواع اسیدها و روغن های صنعتی و… به کار می روند. این سنسورها، بر مبنای ارسال امواج مادون قرمز مدوله شده و دریافت امواج شکست یافته از نوک منشوری شکل سنسور عمل می کنند. اگر نوک سنسور در تماس با مایع باشد زاویه شکست امواج تغییر یافته و به گیرنده نمی رسد و خروجی سنسور تغییر حالت می دهد.
جنس بدنه این سنسورها از فولاد ضد زنگ و جنس پروپ آنها از آکرولیک انتخاب شده است که در مقابل مایعات مختلف و اسیدها بسیار مقاوم می باشند.
سنسور مجاورتی خازنی
سنسور خازنی یکی از انواع سنسورهای بدون تماس است که برای تشخیص اجسام فلزی و غیرفلزی استفاده می شوند. سنسورهای خازنی دارای حساسیت و پهنای باند بالایی هستند. از جمله کاربردهای سنسور خازنی می توان به کنترل سطح، کنترل مایعات داخل محفظه (بطری) و عمل شمارش اجسام اشاره نمود.
اساس کار سنسورهای خازنی بر پایه تغییرات ظرفیت خازنی است، که در یک مدار نوسان ساز RC قرار گرفته است. سنسورهای خازنی نسبت به سنسورهای القایی این مزیت را دارند که علاوه بر اجسام هادی، اشیا عایق را نیز حس می کنند. در این نوع از سنسورها جهت ایجاد میدان الکتریکی از دو الکترود استفاده می شود که یکی از الکترودها فعال بوده و دیگری به زمین متصل است.
همچنین الکترود خنثی کننده ای وجود دارد که اثر رطوبت هوا را بر روی خازن از بین می برد. اگر فلز، مواد مصنوعی، شیشه، چوب، آب و … وارد محدودۀ فعال سنسور گردد محدوده انتشار میدان الکتریکی نشتی خازن، باعث تغییر ظرفیت آن گردیده که مقدار این تغییرات به عوامل زیر بستگی دارد:
1- فاصله جسم از سنسور
2- ابعاد جسم
این نوع سنسورها دارای این مزیت هستند که خیلی ساده و کم حجم و به راحتی قابل نصب می باشند. سنسور خازنی دارای فاصله سوئیچ کمتری نسبت به سنسورهای القایی است. از جمله کاربردهای این حسگرها می توان به کنترل سطح، کنترل وجود مایع در بسته ها و عمل شمارش اجسام عایق اشاره کرد.
سنسور اثر هال
اساس کار سنسور اثر هال بر پایه این اصل استوار است که اگر یک هادی از میدان مغناطیسی عبور کند و خطوط میدان را قطع نماید ولتاژی در مسیر آن هادي القاء خواهد شد. گرچه سنسور اثر هال، سنسور میدان مغناطیسی است ولی می تواند به عنوان جزء اصلی در بسیاری از انواع حسگرهای جریان، دما، فشار و موقعیت و … استفاده شود. سنسور اثر هال، میدانی را که کمیت فیزیکی تولید می کند و یا تغییر می دهد حس می کند.
سنسور گاز
در محیط زندگی ما ممکن است آلاینده ها و گازهای بسیاری وجود داشته باشد که در نهایت منجر به تخریب محیط زیست، ایجاد باران های اسیدی، اثرات گلخانه ای، تخریب لایه اوزون و مسمومیت های خطرناک در افراد شود.
برای تشخیص این گازها و مواد شیمیایی به ابزاری نیاز است که بتواند آنها را تشخیص دهد. با ظهور و تکامل تکنولوژی میکروالکترونیک در دهه ۱۹۷۰ سنسورهای جدید مورد توجه قرار گرفتند و انواع سنسور ها با قیمت ارزان و کاربرد آسان تولید شد. سنسور گاز یکی از انواع سنسورها برای تشخیص این گاز ها است.
سنسور فشار
سنسور فشار یا ترانسمیتر فشار یکی از انواع سنسورها است که به منظور اندازه گیری فشار در سطح، فشار گازها و یا مایعات مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع سنسور معمولاً به صورت مبدل کار می‌کند و سیگنالی تابع اثر فشار تولید می کند.
