سنسورها و کاربرد آنها

با گذر زمان و تغییر و تحول در دنیای مدرن و پیشرفت در تمام علوم مختلف، تكنیك اتوماسیون نیز همچون علوم دیگر برای تغییر و بروز شدن و پیشرفت قدم نهاده است؛ همچنین با پیچیده تر شدن پروسه های صنعتی و كاربرد روز افزون این شاخه از تكنیك احتیاج  به كاربرد سنسورهای مختلف كه اطلاعات مربوط به عملیات تولید را درك و بر اساس این اطلاعات مقتضی صادر گردد، احساس می شود.

دنیای امروز پر شده است از سنسورها و در جهان امروزی بشر تقریباً در تمام فعالیت‌های خود از اتوماسیون استفاده می کند (اتوماسیون یعنی خاموش و روشن کردن فن‌ها و چراغ‌ها با استفاده از تلفن‌های هوشمند، کنترل تلویزیون با استفاده از برنامه‌های موبایلی، تنظیم دمای اتاق، دتکتورهای دود و غیره. تمام این کارها به کمک سنسورها انجام می‌شود). سنسورها به عنوان اعضای حسی  یك سیستم، وظیفه ی جمع آوری و یا تبدیل اطلاعات را به صورتی كه برای یك سیستم كنترل و با اندازه گیری قابل تجزیه و تحلیل باشد به عهده دارند.

در سالهای اخیر سنسورها به صورت یك عنصر قابل تفكیك سیستم های مختلف صنعتی مورد استفاده قرار گرفته و پیشرفت سریعی در جهت جوابگویی به تقاضاهای صنعت در این شاخه از علم الكترونیك انجام پذیرفته است و امروزه تمام محصولات مبتنی بر سیستم‌های داخلی دارای سنسور هستند.

سنسور چیست؟

سنسور (sensor)یعنی حس کننده و از کلمه sens  به معنی حس کردن گرفته شده است، سنسور دستگاه، ماژولی است که شناسایی یک کمیت فیزیکی مانند فشار، نیرو یا کمیت الکتریکی مانند جریان یا هر نوع انرژی دیگر را به کمیتهای الکتریکی پیوسته (آنالوگ) یا غیرپیوسته (دیجیتال) تبدیل می کند. در واقع سنسورها اولین عنصر بلوک دیاگرام سیستم اندازه‌گیری هستند که ارتباط مستقیمی با متغیرهای تولید خروجی معتبر دارد. 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  سبب آن شده تا سنسور بخشی از اجزای جدا نشدنی دستگاه کنترل اتوماتیک باشد. سنسورها بر اساس نوع و وظیفه ای که برای آن ها تعریف شده است اطلاعات را به سیستم کنترل کننده می فرستند و سیستم طبق برنامه تعریف شده عمل می کند .سنسورها به عنوان اعضای حسی یک سیستم، وظیفه ی جمع آوری و تبدیل اطلاعات به صورتی که برای یک سیستم کنترل و با اندازه گیری قابل تجزیه و تحلیل باشد به عهده دارند. آنها اطلاعات مختلف از وضعیت اجزای متحرک سیستم را به واحد کنترل ارسال نموده و باعث تغییر وضعیت عملکرد دستگاهها می شوند.

امروزه سنسورهای هوشمند نقش مهمی در زندگی روزمره ما دارند و برای مواردی چون وضعیت سلامتی (ضربان قلب)، کیفیت هوا، امنیت خانه به کار می روند و به طور گسترده در اینترنت صنعتی اشیاء (IIoT) برای نظارت بر فرآیندهای تولید استفاده می شوند. به همین دلایل، مهم است که بدانیم سنسورها چگونه کار می کنند و چگونه می توانیم از آنها استفاده کنیم.

انواع مختلف سنسورها :

سنسورهای مختلفی برای اندازه‌گیریِ ویژگی‌های فیزیکی مانند: ضربان قلب و نبض، سرعت، انتقال گرما، دما و غیره وجود دارد. انواع سنسورها عبارتند از: سنسور مادون قرمز (IR، سنسورهای ترموکوپل و دما، سنسور مجاورت، سنسور فراصوت، سنسور ژیروسکوپ و شتاب‌سنج، سنسور فشار، سنسور اثر هال، لودسل، سنسور نور، سنسور رنگ، سنسور تاچ (لمس)، سنسور ویبره و دتکتور حرکت  PIR، دتکتور فلز، سنسور ضربان و جریان آب، سنسور سطح و جریان، سنسور دود، مه، گاز، اتانول و الکل، سنسور باران و رطوبت خاک، سنسور رطوبت.در زیر به توضیح برخی از این سنسورها می پردازیم با ما همراه باشید.

- سنسور مادون قرمز بدون حساسيت به نور محيط

سنسور مادون قرمز نسبت به نور روز حساسیت ندارد و با استفاده از یکPLL  کار می کند، این سنسور از IC استفاده می کند که دارای یک اسیلاتور که روی فرکانسKHz 4.5  تنظیم شده است، این فرکانس توسط فرستنده مادون قرمز فرستاده می شود و توسط گیرنده مربوطه گرفته شده و ولتاژDC  آن حذف می شود، سپس توسط یکPhase Detector  با فاز فرستنده مقایسه می شود و اگر برابر بود خروجی صفر می شود. وجود PLL در مدار باعث آن می گردد تا حساسیت مدار به نورهای پراکنده جلوگیری کند، البته برای تنظیم حساسیت می توان از پتانسیومتر مدار استفاده کرد.

از این مدار می توان هم برای تشخیص وجود مانع استفاده کرد و هم برای تشخیص رنگ سیاه از سفید. فرستنده و گیرنده مدار را می توان رو به روی هم قرار داد که با این کار اگر مانعی در بین این دو باشد تشخیص داده می شود و هم می توان هر دو را کنار هم قرار داد.

- سنسورهای نوری :

اين دسته از سنسورها تصوير اثر انگشت را از طريق فشار دادن سر انگشتان بر روی لنز و منبع نوری ثبت می نمايند. صفحه اين سنسورها از الماس صنعتی (LANTAN ) ساخته شده است.

سنسورهای اثر انگشت نيمه هادی :

در اين سنسورها، تصاوير اثر انگشت با تغيير در بار الكتريكی با توجه به فشار و ضربه حرارتی از انگشت به سنسور و يا با استفاده از ميدان مغناطيسی يا امواج مافوق صوت برای تبديل سيگنال به تصاوير بدست می آيد. در اين سنسورها صفحه نمايش از يك فيلم نازك ساخته می شود.

- سنسورهای رطوبت:

میزان بخار آب در هوا یا رطوبت بر انسان و همچنین بسیاری از فرآیندهای تولیدی صنایع تأثیر گذار است، بنابراین نظارت بر رطوبت از اهمیت بسیاری برخوردار است.

- سنسور فشار:

این سنسورها در سیستم IoT برای نظارت بر سیستم ها و دستگاه هایی که توسط سیگنال های فشار هستند، به کار می روند. سنسورهای دیجیتال در تلفن های همراه، دستگاه های ناوبری GPS و تجهیزات فضایی کاربرد دارد. همچنین از سنسورهای فشار در خودروهای هوشمند و هواپیماها برای تعیین نیرو و ارتفاع استفاده می شود.

- سنسور حرکت:

سنسورهای حرکتی نه تنها برای مقاصد امنیتی، بلکه برای کنترل اتوماتیک درب، پارکینگ، خشک کن های دستی، سیستم های مدیریت انرژی و غیره نیز مورد استفاده قرار می گیرند. سنسور مادون قرمز یک سنسور حرکتی محبوب برای بسیاری از پروژه ها می باشد.

برای استفاده از سنسورها  دو روش عمده وجود دارد:

- حس کردن استاتیک: در این روش محرک‌ها ثابت‌اند و حرکت‌هایی که انجام می شود بدون مراجعه لحظه‌ای به سنسورها صورت می‌گیرد. مثلاً در این روش ابتدا موقعیت شی تشخیص داده می‌شود و سپس حرکت به سوی آن نقطه صورت می‌گیرد.

- حس کردن حلقه بسته:  در این روش بازوهای ربات در طول حرکت با توجه به اطلاعات سنسورها کنترل می‌شوند. اغلب سنسورها در سیستم‌های بینا از این مدل هستند.

سنسور را می توان با استفاده از چندین ویژگی زیر توصیف کرد:

- محدوده: حداکثر و حداقل مقادیری که سنسور می تواند اندازه گیری کند.

- حساسیت: حداقل تغییر در پارامتر اندازه گیری شده که باعث تغییر قابل تشخیص در سیگنال های خروجی می شود.
- وضوح تصویر: حداقل تغییر در پدیده ای است که سنسور قادر به تشخیص آن است.

سنسورها از لحاظ فاصله‌ای که با هدف مورد نظر باید داشته باشند به سه قسمت تقسیم می‌شوند:

- سنسور تماسی: این نوع سنسورها در اتصالات مختلف محرک‌ها مخصوصاً در عوامل نهایی یافت می‌شوند و به دو بخش قابل تفکیک‌اند. سنسورهای تشخیص تماس و سنسورهای نیرو- فشار

 - سنسورهای مجاورتی: این گروه مشابه سنسورهای تماسی هستند، اما در این مورد برای حس کردن لازم نیست حتماً با شی در تماس باشد. عموماً این سنسورها از نظر ساخت از نوع پیشین دشوارترند ولی سرعت و دقت بالاتری را در اختیار سیستم قرار می‌دهند.

 - سنسورهای بدون تماس: سنسورهای بدون تماس به سنسورهائی گفته می شود که با فاصله از جسم و بدون اتصال به آن عمل می کند؛ مثلاً نزدیک شدن یک قطعه وجود آن را حس کرده و فعال می شوند. این عمل می تواند باعث جذب یک رله، کنتاکتور و یا ارسال سیگنال الکتریکی به طبقه ورودی یک سیستم گردد.

کاربرد سنسورها در ربات ها و صنعت رباتیک :

سنسورها اغلب برای درک اطلاعات تماسی، تنشی، مجاورتی، بینایی و صوتی به‌ کار می‌روند، عملکرد سنسورها بدین‌گونه است که با توجه به تغییرات فاکتوری که نسبت به آن حساس هستند، سطوح ولتاژ ناچیزی را در پاسخ ایجاد می‌کنند، که با پردازش این سیگنال‌های الکتریکی می‌توان اطلاعات دریافتی را تفسیر کرده و برای تصمیم‌گیری‌های بعدی از آن‌ها استفاده نمود.

در زیر به کاربرد نمونه‌هایی از انواع سنسورها در ربات آشنا می‌شویم:

- سنسورهای بدنه :

این سنسورها درباره ی موقعیت و مکانی که ربات در آن قرار دارد اطلاعات جمع آوری می کند. این اطلاعات نیز به کمک تغییر وضعیت‌هایی که در سوئیچ‌ها حاصل می‌شود، به دست می‌آیند. با دریافت و پردازش اطلاعات بدست آمده ربات می‌تواند از شیب حرکت خود و اینکه به کدام سمت درحال حرکت است آگاه شود. در نهایت عکس‌العملی متناسب با ورودی دریافت شده از خود بروز می‌دهد.

- سنسور جهت‌ یاب مغناطیسی :

 با استفاده از خاصیت مغناطیسی زمین و میدان مغناطیسی قوی موجود، قطب ‌نمای الکترونیکی هم ساخته شده است که می‌تواند اطلاعاتی را درباره ی جهت‌های مغناطیسی جمع آوری کند. این امکانات به یک ربات کمک می‌کند تا بتواند از جهت حرکت خود آگاه شود و برای تداوم حرکت خود در جهتی خاص تصمیم‌گیری کند. این سنسورها دارای چهار خروجی می‌باشند که هر کدام مبین یکی از جهت‌ها است. البته با استفاده از یک منطق صحیح نیز می‌توان شناخت هشت جهت مغناطیسی را ممکن کرد.

- سنسورهای فشار و تماس:

شاید بشر فکر می کرد شبیه‌ سازی حس لامسه انسان کاری دشوار است. اما سنسورهای ساده‌ای وجود دارند که برای درک لمس و فشار مورد استفاده قرار می‌گیرند. از این سنسورها برای جلوگیری از تصادفات و افتادن اتومبیل‌ها در دست‌اندازها استفاده می‌شود. این سنسورها در دست‌ها و بازوهای ربات‌ هم برای هدف های مختلفی مورد استفاده قرار می گیرد؛ مثلاً برای متوقف کردن حرکت ربات در هنگام برخورد عامل نهایی با یک شی. همچنین این سنسورها به ربات‌ها برای اعمال نیروی کافی برای بلند کردن جسمی از روی زمین و قرار دادن آن در جایی مناسب نیز کمک می‌کند.

- سنسورهای گرمایی :

یکی از انواع سنسورهای گرمایی ترمیستورها هستند. این سنسورها المان‌های مقاومتی پسیوی هستند که مقاومت آنها متناسب با دمایشان تغییر می‌کند. بسته به اینکه در اثر گرما مقاومتشان افزایش یا کاهش می‌یابد، برای آنها به ترتیب ضریب حرارتی مثبت یا منفی را تعریف می‌کنند. نوع دیگری از سنسورهای گرمایی ترموکوپل‌ها هستند که آ‌ن ها نیز در اثر تغییر دمای محیط ولتاژ کوچکی را تولید می‌کنند. در استفاده از این سنسورها معمولاً یک سر ترموکوپل را به دمای مرجع وصل کرده و سر دیگر را در نقطه‌ای که باید دمای آن اندازه‌گیری شود، قرار می‌دهند.

 سنسورهای بویایی :

تا چند وقت پیش سنسوری که بتواند شبیه حس بویایی انسان عمل کند، وجود نداشت. آنچه که موجود بود یک‌سری سنسورهای حساس برای شناسایی گازها بود که اصولاً هم برای شناسایی گازهای سمی کاربرد داشتند. ساختمان این سنسورها به این صورت است که یک المان مقاومتی پسیو که از منبع تغذیه‌ای مجزا، با ولتاژ ۵+ ولت تغذیه می‌شود، در کنار یک سنسور قرار دارد که با گرم شدن این المان حساسیت لازم برای پاسخ‌گویی سنسور به محرک‌های محیطی فراهم می‌شود.

 برای کالیبره کردن این دستگاه ابتدا مقدار ناچیزی از هر بو یا عطر دلخواه را به سیستم اعمال کرده و پاسخ آن را ثبت می‌کنند و پس از آن این پاسخ را به عنوان مرجعی برای قیاس در استفاده‌های بعدی به کار می‌‌برند. اصولاً در ساختمان این سیستم چند سنسور، به طور همزمان عمل می‌کنند و سپس پاسخ‌های دریافتی از آن‌ها به شبکه‌ عصبی ربات منتقل شده و تحلیل و پردازش لازم روی آن صورت می‌گیرد. نکته مهم درباره کار این سنسورها در این است که آن‌ها نمی‌توانند یک بو یا عطر را به طور مطلق انداره‌ بگیرند. بلکه با اندازه‌گیری اختلاف بین آن‌ها به تشخیص بو می‌پردازند.

سنسورها از دیدگاه‌های مختلف به دسته‌های متفاوت زیرتقسیم می شود:

- سنسور محیطی: این سنسورها اطلاعات را از محیط خارج و وضعیت اشیای اطراف ربات، دریافت می‌نمایند

- سنسور بازخورد: این سنسور اطلاعات وضعیت ربات، از جمله 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.