سنسور مکعبی چیست؟

سنسور القایی (Inductive Sensor)  سنسوری است که از اصل القای الکترومغناطیسی برای تشخیص یا اندازه‌گیری اشیاء فلزی استفاده می‌کند. در حقیقت جریان در این وسیله از طریق میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود و هنگامی که میدان مغناطیسی تغییر کند، جریان نیز تغییر می‌کند. از این خاصیت می‌توان برای تشخیص اشیاء فلزی که با یک میدان مغناطیسی در تعامل هستند، استفاده کرد. مواد غیر فلزی مانند مایعات یا بعضی از انواع خاک با میدان مغناطیسی تداخل ندارند؛ بنابراین یک سنسور القایی می تواند در شرایط مرطوب یا کثیف هم کار کند.

سنسور القایی (Inductive Sensor) – نحوه کار و ساختار

سنسور القایی یا Inductive Sensor بر اساس قانون القای فارادی عمل می‌کند. سنسورهای القایی عموما دارای دو ساختار داخلی مختلف هستند.ساده ترین نوع سنسور یک سیم پیچ را با اسیلاتور هدایت می‌کند. هنگامی که یک جسم فلزی به سیم پیچ نزدیک می‌شود، اندوکتانس سیم پیچ را تغییر می‌دهد و تغییر فرکانس یا تغییر جریان در سیم پیچ را ایجاد می‌کند. این سیم پیچ ممکن است هسته فرومغناطیسی داشته باشد تا میدان مغناطیسی شدیدتر شود و حساسیت دستگاه نیز افزایش یابد. در برخی کاربردها می توان از یک کویل بدون هسته فرومغناطیسی استفاده کرد، علی الخصوص اگر ناحیه پوشش دهی سنسور القایی منطقه بزرگی باشد.

شکل دیگری از سنسورهای القایی از یک سیم پیچ برای تولید یک میدان مغناطیسی در حال تغییر استفاده می‌کند و از یک سیم پیچ دوم (یا مدار دیگری) برای احساس تغییرات در میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک جسم استفاده می‌شود.

سنسور القایی و بررسی ویژگی‌های آن

در این بخش به بررسی سنسورهای القایی مکعبی می‌پردازیم ویژگی‌های فنی و ظاهری آن را بیان می‌کنیم.

اجزای سنسور القایی:

هر سنسور القایی استاندارد از قسمت های زیر تشکیل شده است که در همه سنسورها ثابت و ضروری هستند. این قطعات شامل مدار تشخیص ، مدار خروجی که جریان را قطع و وصل می کند ، هسته فریت ، مدار تولید کننده نوسان ساز و سیم پیچ است.

وظیفه هسته فریت و سیم پیچ القای میدان مغناطیسی در سنسور است و نوسان ساز مسئول تولید و هدایت میدان مغناطیسی است. این میدان معمولاً در اطراف هسته فریت تجمع می یابد ، بنابراین می توان آن را به راحتی به قسمت جلویی سنسور منتقل کرد. هنگامی که جسم فلزی در محدوده سنسور قرار دارد ، این میدان های مغناطیسی جهت دار به جسم فلزی جریان یافته و توسط آن دریافت می شود.

در نتیجه ، دامنه موج تولید شده توسط نوسان ساز کاهش می یابد و این تغییر دامنه در فرکانس توسط مدار آشکارساز منعکس می شود. هنگامی که تغییر دامنه به سطح خاصی می رسد ، مدار شروع به کار می کند و قسمت خروجی سنسور فعال می شود.
حال ، اگر جسم فلزی از میدان مغناطیسی سنسور خارج شود و از آن دور شود ، دامنه فرکانس نوسان ساز در مقایسه با وضعیتی که جسم فلزی در مجاورت آن قرار دارد ، افزایش می یابد و پس از رسیدن به مقدار مشخص ، خروجی سنسور متوقف می شود.

مزایای سنسورهای القایی:

از جمله مزایایی که سنسورهای القایی را به دستگاهی قدرتمند برای کمک به متخصصان صنایع مختلف تبدیل می کند ، می توانند در شرایط مختلف محیطی مانند وجود گرد و غبار و آلودگی از محیط مورد نیاز و سایر شرایط فیزیکی نامطلوب کار کنند. آنها می توانند در این شرایط به خوبی کار کنند و مشابه سایر شرایطی هستند که در محیط های مساعد استفاده می شوند.
محیط مرطوب با رطوبت زیاد در هوا مانع عملکرد عادی سنسور نمی شود و نیازی به پوشیدن و لمس اجسام فلزی در حین کار این دستگاه ها نیست. مزیت دیگر این سنسورها این است که رنگ و شکل فلز بر حضور آنها در محیط تأثیر نمی گذارد.

معایب سنسورهای القایی:

درک این نکات در مورد سنسورهای القایی برای انتخاب نوع مناسب سنسور بر اساس عملکرد مورد نظر بسیار مهم است. اگر این سنسورها در معرض میدان مغناطیسی قوی و امواج بزرگتر اطراف قرار گیرند ، عملکرد آنها آسیب می بیند و دچار اختلال می شود.

علاوه بر این ، آنها وجود اجسام فلزی را در فاصله ای کوتاهتر از سایر حسگرهای موجود تشخیص می دهند. علاوه بر این ، سنسورهای القایی فقط می توانند اجسام فلزی را تشخیص داده و آنها را از سایر اجسام متمایز کنند و در حضور اجسام غیر فلزی نمی توانند آنها را تشخیص دهند.

نوع ساختار سنسور القایی:

همانطور که در ابتدای بحث ذکر شد ، اساس عملکرد این سنسورها استفاده از قانون القای مغناطیسی فارادی است. حسگرهای القایی از نظر ساختار داخلی و مکانیسم عمل به دو دسته تقسیم می شوند:
ساختار اول ساده تر از ساختار دیگر است و کار با آن آسان است. در این نوع سنسور ساده ، جریان مغناطیسی توسط سیم پیچ و نوسان ساز تعبیه شده در سنسور هدایت می شود.
ساختار دوم مورد استفاده در سنسور القایی عملکرد متفاوتی با سنسور نوع ساده تر دارد. در نوع دوم ، سنسور شروع به تولید میدان مغناطیسی با کمک یک سیم پیچ می کند ، سیم پیچ دائما در حال تغییر و نوسان است و جریان ناهموار است.

سنسور مکعبی

ساختار اصلی سنسور مکعبی که با الهام از سنسور های سریDupuis  ساخته شده است، شامل یک هسته با 12 میله مونتاژ شده به شکل مکعب می باشد. این محصول قابلیت گسترش به صورت یک آرایه را نیز دارد. امروزه این نوع سنسور یکی از پر کاربردترین ها در صنایع مختلف است که در آن برای ایجاد یک قالب اندازه گیری ویژه، سیم پیچ در چهار لبه مکعب توزیع شده است. سپس شار مغناطیسی در چرخش هسته به طور متناوب در جهت میدان مغناطیسی خارجی اندازه گیری می شود. این امر باعث کاهش قابل توجه تعداد چرخش سیم پیچ و کم شدن مقاومت آن برای شار های معین می شود.

ساختار سنسور  مکعبی

یک سنسور مکعبی شامل چندین سنسوراست تا با هم یک آرایه مکعبی تشکیل دهند. از مزایای آن می توان به:

•    افزایش حساسیت
•    کاهش کندی در حرکت

اشاره نمود. در آن می توان تعداد چرخش مورد نیاز را بین لبه های مختلف هدایت کرد. هسته ها به گونه ای فعالیت می کنند که از نظر مغناطیسی بر یکدیگر اثر منفی نداشته باشند. آن ها از نقطه نظر الکتریکی به صورت سری به هم وصل شوند. افزایش حساسیت سنسور مکعبی به افزایش نفوذپذیری ظاهری مربوط می شود. هدف اصلی از طراحی این سنسور، تأیید کارایی پیکربندی است. این سنجش بطور خلاصه از طریق مقایسه تجربی با یک نمونه اولیه و اعتبارسنجی معادله نفوذپذیری ظاهری با هدف مقایسه با سنسورهای  کلاسیک صورت می پذیرد.

لبه های سنسور مکعبی توسط هسته های استوانه ای فرومغناطیسی با طول LC و قطر d طراحی می شوند. در نمونه های اولیه سنسور مکعبی، مدل سازی میزان نفوذپذیری ظاهری و تاثیر آن بر فرکانس رزونانس به خوبی ارزیابی شده است. مکعب هایی از جنس چینی در هر گوشه سازه پایه نصب شده اند تا مسیر فرو-مغناطیسی بسته مورد استفاده قرار بگیرد. این ماده فرومغناطیسی از نوع فریت B1 است که نفوذپذیری نسبی اولیه آن معمولاً در حدود 2500 است.

این محصول یک سنسور بسیار دقیق برای برنامه های کنترل حرکت است. یکی از اهداف طراحی و تولید این سنسور نظارت بر حرکات دقیق یک سیستم بازرسی مبتنی بر نور است که وجود نقص در نصب قطعات را اندازه گیری می کند. اندازه کوچک، کم هزینه بودن، دامنه وسیع عملکرد و دقت آن، امکان جذب بیشتر مشتری را نسبت به سایر سنسورهای مورد استفاده برای کاربردهای مشابه فراهم می کند.

سنسور  مکعبی شکل برای فضاهایی که امکان نصب مدل های استوانه ای شکل نیست طراحی شده اند. سنسور  مکعبی در ابعاد گوناگون موجود می باشد که فاصله حساسیت نمونه های بزرگ این دسته تا 50 میلیمتر نیز می رسد در نتیجه در جایی که فاصله حساسیت زیاد مورد نیاز است و محدودیت فضای نصب وجود ندارد از سنسور  مکعبی استفاده می شود.

سنسور نوری مکعبی

سنسور نوری مکعبی(حسگر فوتوالکتریک و یا چشم الکترونیکی)، حسگری  است که برای کشف فاصله، عدم وجود یا حضور یک شی با استفاده از یک فرستنده نور، اغلب مادون قرمز و یک گیرنده فوتوالکتریک استفاده می شود. آنها عمدتا در تولید صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. یک سنسورنوری مکعبی حاوی اپتیک همراه با الکترونیک است. این فقط یک منبع برق نیاز دارد این سنسور، مدولاسیون، demodulation، تقویت و سوئیچینگ خروجی خود را انجام می دهد.

از سنسورهای نوری مکعبی جهت آشکارسازی اجسام مختلف در خطوط تولید و صنایع استفاده می گردد. مزیت و برتری سنسورهای نوری به سنسورهای  در این است که اولا وابسته به جنس اجسام نبوده و قادرند تمامی اجسام را تشخیص دهند. ثانیا از برد بالاتری برخوردار بوده و اجسام را در فواصل دورتری تشخیص و آشکار نمایند. در سنسورهای نوری از نور مادون قرمز و نور لیزر استفاده می شود. در سنسورهایی که از نور لیزر استفاده می گردد به دلیل باریک بودن پرتو لیزر قادر به آشکارسازی اجسام با ضخامت بسیار کم می باشند. سنسورهای نوری با شکلهای بدنه متفاوت، ساختارهای متفاوت ( یک طرفه، دوطرفه و یک طرفه آینه دار) و خروجیهای متفاوت تولید می شوند.

درسنسور نوری مکعبی فرستنده و گیرنده در درون یک محفظه قرار داشته که با قرار گرفتن یک جسم در جلوی آن نور ارسالی توسط فرستنده منعکس و توسط گیرنده دریافت شده و در خروجی سنسور تغییر خواهیم داشت. حداکثر فاصله تشخیص برای این سنسور 70 سانتی متر می باشد. ولتاژ تغذیه این سنسور از 24 الی 240 ولت DC و AC بوده که نیاز به داشتن منبع تغذیه خاصی را برای آن مرتفع می سازد.

خروجی این سنسور دارای یک رله با کنتاکت NO+NC به شکل SPDT بوده که می توان خروجی را به طور مستقیم به مصرف کننده منتقل نمود. همچنین خروجی دارای حالت های Light On/ Dark On بوده که توسط پتانسیومتری قابل انتخاب می باشد. این محصول از کیفیت و دوام خوبی برخوردار بوده و دارای حفاظت IP64 می باشد. از این محصول در بسیاری از ماشین آلات نظیر پرس های صنعتی، دستگاه های بسته بندی و خطوط تولید استفاده می گردد.

سنسور نوری مکعبی آینه دار :

نوع عملکر سنسور آینه دار بدین شکل است که با استفاده از یک آینه منشور که مقابل سنسور قرار گرفته وجود اجسام مقابل سنسور را تشخیص می دهد . عملکرد این مدل از سنسور ها مشابه سنسور یک طرفه می باشد با این فرق که نور ارسال از سنسور به آینه برخورد کرده و با بازتاب زاویه ۹۰ درجه به سنسور باز میگردد و وقتی جسمی بین سنسور و آینه قرار بگیرد باعث قطع این ارتباط می شود .

سنسور نوری مکعبی دو طرفه :

عملکرد این نوع از سنسورنوری بدین شکل است که دارای یک گیرنده و یک فرستنده میباشد و در دونقطه جدا از یکدیگر و در مقابل هم نصب میشود و در هنگامی که جسم بین این فرستنده و گیرنده قرار بگیرد سنسور بسته به نوع عملکرد خود خروجی میدهد.

مزایای سنسور  مکعبی

از مزایای یک سنسور مکعبی می توان به موارد زیر اشاره نمود:

•    دقت بالا – 400 نانومتر و وضوح 3 نانومتر بر متر مربع
•    اندازه کوچک – حجم کل کمتر از اینچ مکعب
•    کم هزینه
•    پیاده سازی و استفاده ساده – سنجش های خطی بسیار دقیق با استفاده از میکروکنترلر ارزان قیمت
•    محدوده عملیاتی گسترده – 200 میکرون
•    نسبت سیگنال به نویز بالا – به راحتی می تواند در محیط های پر سر و صدا و مملو ازسیگنال عمل می کند

کاربرد های یک سنسور مکعبی

کاربرد های چنین سنسور شگفت انگیزی عبارتند از:

•    کنترل دقیق حرکت
•    سوئیچ های نوری
•    کنترل سخت درایو
•    لیتوگرافی نیمه هادی
•    اندازه گیری نیمه هادی
•    مکانیزم های حرکتی
•    تشخیص پزشکی
•    شتاب سنج MEMS
•    اندازه گیری محور در حال چرخش
•    مانیتورینگ سنجش لرزه

سنسورهای مکعبی کنونی ارزان هستند، اما نسبت به برخی دیگر از سنسورها ممکن است دقیق نباشند. انواع دیگر سنسور ها از جمله سنسور خازنی و نوری / لیزر از دقت بالایی برخوردار هستند اما بزرگتر و گرانتر بوده و برای کار به الگوریتم های پیچیده ای نیاز دارند. در مقایسه با سنسورهای هم کلاس، این فناوری دقیق، کوچک و ارزان است. خروجی آن به صورت خطی و با استفاده از میکروکنترلر های کم هزینه، محاسبات را آسان می کند.