در دنیای پیچیدهی اتوماسیون صنعتی، دقت و کارایی در ابعاد کوچک معنا مییابد. سنسور مکعبی با ساختار منحصربهفرد خود، مانند یک معمار چیرهدست، آرایشی هوشمندانه از قابلیتهای سنجش را در قالب یک مکعب جای داده است. این سنسور که الهامگرفته از طرحهای سری Dupuis است، با هستهای متشکل از 12 میلهی مونتاژشده به شکل مکعب و امکان گسترش به صورت آرایهای، امروزه به یکی از پرکاربردترین ابزارها در صنایع مختلف تبدیل شده است؛ گویی یک مکعب کوچک، دنیایی از اندازهگیریهای ویژه را در خود نهفته دارد. در این ساختار نوآورانه، سیمپیچ بهگونهای در چهار لبهی مکعب توزیع شده است تا قالبی ویژه برای اندازهگیری ایجاد گردد.
سنسور القایی (Inductive Sensor) نوعی حسگر است که با بهرهگیری از اصول القای الکترومغناطیسی، قادر به تشخیص و اندازهگیری اجسام فلزی میباشد. اساس عملکرد این سنسور بر پایهی ایجاد جریان الکتریکی از طریق میدان مغناطیسی استوار است؛ بهطوری که تغییر در میدان مغناطیسی منجر به تغییر در جریان میگردد. این ویژگی امکان تشخیص اشیاء فلزی را که با میدان مغناطیسی تعامل دارند، فراهم میسازد. از آنجایی که مواد غیرفلزی نظیر مایعات و برخی انواع خاک با میدان مغناطیسی تداخل ندارند، سنسورهای القایی میتوانند حتی در شرایط مرطوب یا آلوده نیز به طور موثر عمل کنند.
ساختار و نحوهی عملکرد سنسور القایی:
سنسور القایی یا Inductive Sensor بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی عمل میکند. این سنسورها عموماً از دو ساختار داخلی متفاوت بهره میبرند:
ساختار ساده با سیمپیچ و اسیلاتور: در سادهترین نوع، یک سیمپیچ توسط یک اسیلاتور تحریک میشود. هنگامی که یک جسم فلزی به سیمپیچ نزدیک میشود، اندوکتانس آن تغییر کرده و این تغییر، فرکانس یا جریان در سیمپیچ را تحت تأثیر قرار میدهد. برای تقویت میدان مغناطیسی و افزایش حساسیت، ممکن است از یک هستهی فرومغناطیسی در سیمپیچ استفاده شود. در برخی کاربردها، بهویژه در مواردی که ناحیهی پوششدهی سنسور بزرگ باشد، میتوان از سیمپیچ بدون هستهی فرومغناطیسی نیز استفاده کرد.
ساختار با دو سیمپیچ یا مدار مجزا: در نوع دیگر، یک سیمپیچ برای تولید یک میدان مغناطیسی متغیر به کار میرود و یک سیمپیچ دوم (یا مدار دیگر) تغییرات ایجادشده در این میدان مغناطیسی را در حضور یک جسم فلزی حس میکند.
در هر دو ساختار، تشخیص جسم فلزی بر اساس تغییرات ایجادشده در میدان مغناطیسی ناشی از حضور فلز صورت میگیرد.
اجزای کلیدی سنسور القایی مکعبی:
یک سنسور القایی استاندارد، از اجزای ثابتی تشکیل شده است که عملکرد آن را ممکن میسازند. این اجزا عبارتند از:
مدار تشخیص (Detection Circuit): وظیفهی تشخیص تغییرات در میدان مغناطیسی و تبدیل آن به یک سیگنال الکتریکی را بر عهده دارد.
مدار خروجی (Output Circuit): جریان الکتریکی را بر اساس سیگنال تشخیص، قطع و وصل میکند و امکان ارتباط با سایر اجزای سیستم را فراهم میسازد.
هستهی فریت (Ferrite Core): به همراه سیمپیچ، میدان مغناطیسی را در سنسور القا میکند و به تمرکز میدان در ناحیهی جلویی سنسور کمک میکند.
مدار تولیدکنندهی نوسانساز (Oscillator Circuit): میدان مغناطیسی مورد نیاز برای تشخیص اجسام فلزی را تولید و هدایت میکند.
سیمپیچ (Coil): با عبور جریان الکتریکی از آن، میدان مغناطیسی ایجاد میشود و تغییرات در اندوکتانس آن مبنای تشخیص جسم فلزی قرار میگیرد.
هنگامی که یک جسم فلزی در محدودهی میدان مغناطیسی سنسور قرار میگیرد، خطوط میدان مغناطیسی به داخل جسم نفوذ کرده و توسط آن دریافت میشوند. این امر منجر به کاهش دامنهی موج تولیدشده توسط نوسانساز میگردد. مدار آشکارساز این تغییر دامنه را تشخیص داده و هنگامی که این تغییر به سطح مشخصی میرسد، مدار خروجی سنسور فعال میشود. با دور شدن جسم فلزی از میدان مغناطیسی، دامنهی فرکانس نوسانساز افزایش یافته و پس از رسیدن به مقدار معین، خروجی سنسور متوقف میشود.
مزایا و معایب سنسورهای القایی:
سنسورهای القایی به دلیل ویژگیهای منحصربهفرد خود، در صنایع مختلف کاربردهای گستردهای یافتهاند.
مزایا:
عملکرد در شرایط محیطی نامساعد: این سنسورها قادر به عملکرد موثر در محیطهای دارای گرد و غبار، آلودگی و رطوبت بالا هستند.
عدم نیاز به تماس فیزیکی: تشخیص اجسام فلزی بدون نیاز به لمس آنها صورت میگیرد.
عدم تأثیر رنگ و شکل فلز: حضور اجسام فلزی با رنگ و شکلهای مختلف به عملکرد سنسور خللی وارد نمیکند.
معایب:
حساسیت به میدانهای مغناطیسی قوی: قرار گرفتن در معرض میدانهای مغناطیسی قوی میتواند عملکرد این سنسورها را مختل کند.
محدودیت فاصلهی تشخیص: فاصلهی تشخیص اجسام فلزی در مقایسه با سایر حسگرها معمولاً کوتاهتر است.
قابلیت تشخیص محدود به اجسام فلزی: سنسورهای القایی تنها قادر به تشخیص اجسام فلزی بوده و اجسام غیرفلزی را شناسایی نمیکنند.
سنسور مکعبی: ساختار و ویژگیهای خاص:
سنسور مکعبی با ساختار ویژهی خود، مزایایی را نسبت به سنسورهای القایی استوانهای شکل ارائه میدهد. ساختار اصلی آن شامل یک هسته با 12 میلهی مونتاژشده به شکل مکعب است و امکان گسترش به صورت آرایهای را نیز دارا میباشد. در این نوع سنسور، سیمپیچ در چهار لبهی مکعب توزیع شده است، که این امر منجر به کاهش قابل توجه تعداد دور سیمپیچ و در نتیجه کاهش مقاومت آن برای شار مغناطیسی معین میگردد. شار مغناطیسی به طور متناوب در جهت میدان مغناطیسی خارجی در هسته به گردش درمیآید.
مزایای ساختار مکعبی:
افزایش حساسیت: آرایش مکعبی سنسور منجر به افزایش نفوذپذیری ظاهری و در نتیجه حساسیت بالاتر میگردد.
کاهش کندی در حرکت: طراحی خاص هسته به گونهای است که از نظر مغناطیسی اثر منفی بر یکدیگر ندارند و از نظر الکتریکی به صورت سری به هم متصل میشوند، که این امر میتواند به کاهش کندی در برخی کاربردهای حرکتی منجر شود.
در طراحی لبههای سنسور مکعبی از هستههای استوانهای فرومغناطیسی با طول LC و قطر d استفاده میشود. در نمونههای اولیهی این سنسور، میزان نفوذپذیری ظاهری و تأثیر آن بر فرکانس رزونانس به دقت مورد ارزیابی قرار گرفته است. برای ایجاد مسیر فرو-مغناطیسی بسته، مکعبهایی از جنس چینی در هر گوشهی سازهی پایه نصب شدهاند. مادهی فرومغناطیسی مورد استفاده معمولاً فریت B1 با نفوذپذیری نسبی اولیه در حدود 2500 است.
سنسور مکعبی به عنوان یک حسگر بسیار دقیق برای کاربردهای کنترل حرکت شناخته میشود. یکی از اهداف اصلی طراحی و تولید این سنسور، نظارت بر حرکات دقیق در سیستمهای بازرسی مبتنی بر نور برای تشخیص نقص در نصب قطعات است. ابعاد کوچک، هزینهی پایین، دامنهی وسیع عملکرد و دقت بالای آن، این سنسور را به گزینهای جذابتر نسبت به سایر حسگرهای مورد استفاده در کاربردهای مشابه تبدیل کرده است. همچنین، سنسورهای مکعبی برای فضاهایی که امکان نصب مدلهای استوانهای وجود ندارد، طراحی شدهاند و در ابعاد گوناگونی با فاصلهی حساسیت تا 50 میلیمتر نیز موجود میباشند.
