سنسور و چشم نوری

سنسور ( sensor ) در لغت به معنی حس کننده یا حسگر است که می تواند کمیت هایی همچون دما و رطوبت، فشار و... را به کمیت های الکتریکی پیوسته ( آنالوگ) یا غیرپیوسته ( دیجیتال ) تبدیل کند. سنسورها یکی از پر کاربردترین تجهیزات اتوماسیون صنعتی است که همانند حواس پنجگانه انسان برای ماشین ها عمل می کنند. در صنعت برای رسیدن به سرعت و دقت مطلوب در انجام فرآیندهای کاری (مانند ساخت یک محصول در خط تولید)، نیاز است که ماشین آلات و تجهیزات موجود در خطوط تولید به صورت اتوماتیک و به ترتیب و دقتی که نیاز است، کار را انجام دهند.

عملکرد سنسورها و قابلیت اتصال آنها به دستگاه های مختلف مانند  PLC، باعث شده است که سنسورها بخشی از اجزای جدا نشدنی دستگاه های کنترل اتوماتیک به حساب بیایند. سنسورها جهت تبدیل عوامل فیزیکی همانند حرارت، فشار، نیرو و… به سیگنال های الکتریکی به کار برده می شوند و به همین منظور سنسورهای مختلفی نظیر سنسور نوری، سنسور فشار، سنسور القایی و… طراحی و ساخته شده اند.

* انواع سنسور

- سنسور مجاورتی  (Proximity sensor)

سنسورهای مجاورتی یا پراکسیمیتی که معمولاً پراکس نامیده می شوند، برای تشخیص اشیاء فلزیِ نزدیک با استفاده از میدان مغناطیسی، استفاده می شوند. در بسیاری از محیط ها این سنسورها جایگزین سوییچ های محدود شدند.

-  سنسور مجاورتی ظرفیت پذیر (Capacitive proximity sensor)

این نوع  سنسور مانند سنسورهای مجاورتی هستند با این تفاوت که برای تشخیص مواد نارسانا استفاده می شوند. این سنسورها نسبت به آلودگی بسیار حساس است و طبق تاریخچه ی استفاده از آن ها، نشان داده اند که زیاد قابل اعتماد نیستند.

-  ردیاب مجاورتی فراصوت (Ultrasonic proximity detector)

ردیاب های مجاورتی فراصوت اشیاء جامد را با استفاده از صوت با فرکانس بالا تشخیص می دهند، اما بسیار به محیط، شرایط و خاک حساس هستند.

-  سنسور نوری (Optical sensor)

سنسورهای نوری طیف گسترده تری نسبت به سنسورهای مجاورتی دارند اما آنها به خاک و سایر مسائل زیست محیطی و مکانیکی حساس هستند، زیرا از نور برای سنجش استفاده می کنند. این سنسورها معمولاً زمانی استفاده می شوند که مشخص نیست هدف دقیقاً در کجا قرار دارد ولی باید دانست که هدف در محدوده مورد نظر ما است، به طور مثال جعبه هایی که روی نقاله در حرکت هستند در نظر گرفته شوند، مهم نیست که جعبه ها کجای نوار نقاله قرار دارند فقط مهم است که در حال حرکت روی نقاله باشند.

* سنسور نوری چیست؟

در عصر جدید سنسور نوری در موارد بسیاری مورد استفاده قرار می گیرد، سنسورهای نوری نوعی از سنسورهای مجاورتی است که بر پایه ی ارسال و دریافت نور مدوله شده کار می‌کنند، سنسور نوری یک نوع ردیاب الکترونیکی است که نور و یا تغییر در نور را به سیگنال های الکترونیکی تبدیل می کند.

سنسور نوری از آن دسته تجهیزاتی است که برای حس کننده از راه دور بسیار کاربرد دارد، به عبارت دیگر تماس فیزیکی با کمیت مورد اندازه گیری ندارند. این سنسورها بر اساس امواج مادون قرمز مدوله شده و دریافت بازتابش این امواج از تمامی سطوح عمل می کنند، پس به طور کلی می توان گفت که سنسور نوری یک ردیاب الکترونیکی است که نور یا تغییر در نور را به سیگنال الکترونیکی تبدیل می کند.

سنسورهای نوری را می توان مثل چشم برای انسان تشبیه کرد که می توانند نظارت بر کمیت های فیزیکی را به عهده بگیرند. این نظارت به گونه ایست که نیاز به تماس با اشیاء وجود ندارد و از فاصله ی دور امکان پذیر است. این سنسور، حس کننده از راه دور است، بدین معنا که تماس فیزیکی با کمیت مورد اندازه گیری ندارند. عملکرد این سنسورها بر اساس ارسال پرتو نور و دریافت بازتابش از سطوح مختلف است. همچنین سنسورهای نوری توانائی تشخیص اشیاء و مواد مختلف را دارند. 

سنسور نوری در بسیاری از مصارف صنعتی کاربرد دارد. از جمله کاربردهای آن می توان به یک لامپ که به طور خودکار در پاسخ به تاریکی روشن است، اشاره کرد سنسورهای موقعیت زمانی که یک شی پرتو نور را قطع می کند فعال می شوند. این سنسورها با قطع پرتو نور توسط یک شئ فعال می شوند. این سنسورها را " فتوالکتریک " نیز می نامند.

یک سنسورنور سیگنالی تولید می‌کند که نشان دهنده شدت نور است. این سیگنال،  اندازه‌گیری انرژی تابشی موجود در محدوده بسیار نازکی از فرکانس‌ها را مشخص می‌کند که اساساً نور (Light) نامیده می‌شود. محدوده ی این فرکانس‌ها از طیف فروسرخ تا نور مرئی و فرابنفش است. سنسور نور یک قطعه پسیو است که انرژی نوری را، چه قابل رؤیت باشد و چه در بخش‌های فروسرخ طیف قرار گیرد، به یک سیگنال الکتریکی در خروجی تبدیل می‌کند.

* ساختار سنسور نوری

- فرستنده نوری:

بیشتر سنسورهای نوری از متد داده‌های قطار پالسی استفاده می‌کنند. زیرا در این روش علاوه بر افزایش مسافت قابل تشخیص، نورها و نویزهای اضافی محیط قابل تشخیص هستند. در فرستنده یک منبع تولید نور جهت نور قرمز و یا مادون قرمز قرار دارد که بر طبق قوانین اپتیک در یک خط راست نور را ساطع کرده است.

- گیرنده نوری:

ترانزیستورها و دیودهای نوری در گیرنده، نور انتشار یافته از منبع را دریافت کرده و فیلتر شده و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند.

- مدار اصلی:

مدار قدرت، با ارائه نیروی مشخصی به اجزاء، حسگر را فعال می کند و مدار خروجی سیگنال دریافتی را به ON/OFF تقویت شده تبدیل می‌کند.

البته با توجه به  انواع سنسور نوری نوری مختلف می توان اجزای دیگری مانند: هدایت کننده نور و یا منعکس کننده و امثال آن را هم به آن اضافه نمود. فرستنده و گیرنده می توانند در یک واحد متمرکز باشند که در این صورت به سنسورهای نوری انعکاسی معروف است، یا در دو واحد مجزا بوده که به عنوان سنسورهای نوری یک مسیره شناخته می شوند.

سنسورهای نوری حساس به عواملی مانند: گرد و غبار، روغن و کثیف بودن محیط کاری بوده و در اینگونه شرایط کار آن مختل می گردد. برای مثال در سنسورهای یک مسیره که نور ساطع شده، فاصله بین فرستنده و گیرنده را طی می نماید. بر اثر گرد و غبار و یا عوامل دیگر امکان دارد که نور فرستاده شده به گیرنده نرسیده و سنسور این اختلال را به عنوان وجود یک جسم تفسیر نماید و یا در صورت کثیف شدن لنز فرستنده توان نور فرستاده شده ضعیف می شود و برای مثال در سنسورهای انعکاسی نور برگشتی دیگر انرژی لازم جهت تحلیل در گیرنده را نخواهد داشت.

* کاربرد سنسورهای نوری :

سنسور نوری را می توان در زمینه انرژی برای نظارت بر سازه ها یافت که تولید انرژی، تولید، توزیع، و تبدیل انرژی الکتریکی را بر عهده دارد. طبیعت توزیع فیبر نوری و non-conductive سنسورهای نوری مناسب برای برنامه های کاربردی نفت و گاز، از جمله نظارت خط لوله است. آنها همچنین می توانند در توربین بادی نظارت پره، نظارت بر سیستم عامل های دریایی، نظارت بر قدرت خط و نظارت چاه استفاده شوند.کاربردهای دیگر شامل زمینه های معدنی و حمل و نقل از جمله پل، باند فرود فرودگاه، سقف، راه آهن، هواپیما، بال، مخازن سوخت و نظارت بدنه کشتی است.

- شدت سنجش نور : در دستگاه هایی که برای اندازه گیری شدت نور محیط در گل خانه ها قرار دارد از سنسورهای نوری استفاده می کنند .

-Pluse Oximeter   : ابزاری است که میزان اکسیژن موجود در خون را اندازه گیری می کند .

- آلارم دهنده ی دود : در این دستگاه با به وجود آمدن دود در آنها ارتباط بین نور و فتودیود قطع یا وصل می گردد و باعث هشدار می شود .

- مانیتورینگ شعله : از این دستگاه ها برای مانیتورینگ میزان شعله ی آتش درون کوره ها استفاده می شود. فتودیودها در این تجهیزات به این صورت کار می کنند که میزان حرارت موجود در محفظه مورد نظر در میزان دریافت نور توسط فتودیود تأثیر می گذارد .

- Climate Control-Sunlight Detector :  برای ارزیابی میزان شدت نور خورشید در سیستم های هواشناسی استفاده می شوند .

-Brightness Control   : از این سنسور برای کنترل میزان شدت نور در کارخانه و سوله های ورزشی نیز استفاده می شوند .

- Bar Code Scanners   : در خواندن بارکدها برای شناسایی قطعات نیز از فتودیود استفاده می شود.

- غلظت سنجی : در سنجش میزان غلظت آلودگی آب نیز می توان در سنسورهای نوری استفاده کرد .

- موقعیت سنج : با استفاده از ابزار و تجهیزاتی مدرن به نام سنسورهای نوری به همراه بازتاب نور می توان موقعیت اجسام را تشخیص داد .

-  Light Pen  : در قلم های نوری برای نوشتن در تبلت ها و در برخی کارخانه ها برای نوشتن روی صفحات نمایشگر و .... از سنسورهای نوری استفاده می کنند .

- سنسور فیبر نوری : در کاربردهای سنجش از راه دور از سنسورهای فیبر نوری استفاده می شود.

* چشمی برای حل مسائل کاری اتوماسیون

سنسورهای نوری اغلب میدان جدیدی از کاربردها را باز می کنند و جستجوی بدون تماس با اشیاء مختلف و با فاصله های متفاوت آنها را برای تمام خطوط صنعت ایده آل می سازد. سنسورهای نوری بدون فرسایش هستند (با هیچ قطعه ای در تماس و فرسایش نیستند) و این خاصیت آنها را برای سیکل های کاری نامحدودی قادر می سازد.

* انواع سنسور نوری:

1- سنسور نوری یک طرفه

2- سنسور نوری دو طرفه یا مقابل هم

3- سنسور نوری رفلکتوری آینه دار

-  سنسورهای نوری یک طرفه :

سنسورهای نوری یک طرفه بر اساس ارسال نور مدوله شده و دریافت بازتابش این نور از سطوح مختلف کار می کنند. در این سنسور بخش فرستنده و گیرنده در کنار یکدیگر قرار دارند. در سنسور نوری یک طرفه، نور مدوله شده توسط فرستنده به طور مستقیم در فضا پخش می شود، در صورتی که این نور به مانعی برخورد کند به صورت مستقیم و غیر مستقیم منعکس می شود که میزان انعکاس این نور بستگی به رنگ، نوع سطح، حجم و زاویه مانع دارد.

انعکاس سطوح روشن و صیقلی بیش از سطوح تیره و غیر صیقلی بوده، نور انعکاس  یافته توسط گیرنده این سنسور دریافت و در صورتی که میزان این نور به حد کافی باشد خروجی تغییر وضعیت می دهد. دقت شود که فاصله سوئیچینگ این نوع سنسور بستگی به میزان انعکاس نور مدوله شده دارد، لذا سطوح روشن و صیقلی از فاصله دوری قابل تشخیص می باشند. فاصله سوئیچینگ این سنسور بر اساس مقوای سفید با سطح صاف بیان می شود و برای محاسبه فاصله سوئیچینگ برای سایر اجسام  می توان از ضریب تصحیح استفاده کرد.

همان طور که بیان شد رنگ اجسام در تشخیص آنها بسیار مؤثر است، به طور کلی سنسورهای نوری یک طرفه قادر به تشخیص این اجسام روشن با سطح باز تابش صیقلی مانند اجسام  زیر می باشند:

مقوا با رنگ های روشن

پارچه با رنگ های روشن

شیشه های روشن

پلاستیک های روشن

دقت شود که این نوع سنسور قادر به تشخیص پلاستیک های مات سیاه، لاستیک های سیاه و پارچه های تیره نیست و برای تشخیص این اجسام می توان از دو نوع  دیگر سنسور نوری ( رفلکتوری و دو طرفه ) استفاده کرد، البته این اجسام را می توان توسط سنسورهای خازنی و اولتراسونیک  هم تشخیص داد.

برای نصب سنسورهای یک طرفه می بایست دقت شود که زمینه پشت سنسور نور را جذب یا منحرف کند تا در صورتی که مانعی روبروی سنسور وجود نداشت، نور منعکس شده به سنسور  باعث فعال شدن سنسور نشود. سنسور نوری یک طرفه کمترین فاصل سوئیچینگ را در بین انواع سنسور نوری دارد، البته این فاصله نسبت به فاصله ی سوئیچینگ سنسورهای القایی و خازنی  بسیار بیشتر است، فاصله ی سوئیچینگ برای سنسورهای نوری یک طرفه در حدود 2 متر است.

- سنسورهای نوری دو طرفه :

سنسور نوری دو طرفه بر اساس ارسال نور مدوله شده در قسمت فرستنده و دریافت این نور توسط گیرنده ای که در مقابل فرستنده نصب می شود، عمل می کند. در این نوع سنسور فرستنده و گیرنده مجزا از یکدیگر است و نور مدوله شده توسط فرستنده ارسال می شود و گیرنده ای که در مقابل فرستنده نصب شده است این نور را دریافت می کند و در صورتی که مابین فرستنده و گیرنده مانعی قرار گیرد دیگر نور توسط گیرنده دریافت نمی شوند، در نتیجه سنسور وجود مانع را تشخیص داده و خروجی سنسور تغییر وضعیت می دهد. سنسور نوری دو طرفه بیشترین فاصله ی سوئیچینگ را در بین انواع سنسورهای نوری دارد، فاصله ی سوئیچینگ این سنسور در برخی موارد به بیش از ۱۰۰متر  نیز می رسد.

-  سنسورهای نوری رفلکتوری :

در  این نوع سنسور گیرنده و فرستنده که هر دو در یک بدنه قرار گرفته اند. شعاع نوری از فرستنده ساطع می شود. شعاع نوری ساطع شده به یک صفحه منعکس کننده ی نور که مقابل فرستنده قرار دارد رسیده و توسط آن منعکس می گردد و سپس توسط قسمت گیرنده سنسور حس می شود.

در روبروی سنسور یک رفلکتور نصب می گردد و با برخورد این نور به رفلکتور نور تحت زاویه ای معین به صورت یک خط مستقیم به سمت گیرنده سنسور انعکاس داده می شود، در صورتی که یک مانع در مسیر انعکاس این نور قرار گیرد، دیگر امکان دریافت این نور توسط گیرنده فراهم نیست در نتیجه سنسور وجود مانع را تشخیص داده و خروجی سنسور تغییر وضعیت می دهد.

خاصیت قابل توجه این نوع سنسور این است که برای موقعیت ها و جهت های مختلف با زاویه های متفاوت می توان آن را تنظیم نمود ( با تنظیم رفلکتور ) و از نظر حجمی و جاسازی در سیستم نیز بسیار مناسب است. ضمناً برای مسافت طولانی نیز قابل تنظیم و مؤثر است.

* فیبرهای نوری

فیبرهای نوری از فایبرگلاس مخصوص یا مواد پلیمری ساخته شده اند و به صورت رشته های سیم هستند آنها به عنوان چشم های انبساط یافته جهت سنسورهای نوری به حساب می آیند. شعاع نوری که از یک سنسور نوری ساطع می شود توسط این فیبرهای نوری می تواند به جهت و همچنین مسافت های مختلف هدایت گردد.

به وسیله ی این فیبرهای نوری می توان شعاع نوری را در مکان هایی که از نظر جا و مکان جهت نصب بدنه سنسور مشکل است هدایت نمود. توسط سنسورهای نوری و با کمک فیبرهای نوری می توان اشیاء بسیار کوچک را در زاویه ها و نقاطی که از نظر جا برای نصب سنسورها مقدور نیست تشخیص داد یا اصطلاحاً سنس نمود.

هر سه نوع سنسور نوری می توانند توسط کابل نوری به صورت مینیاتوری عمل نمایند. فیبرهای نوری در اندازه های ۱ متری و ۲ متری جهت سنسورها ساخته می شوند و قابلیت خمش در درجه های کم را دارند. برای انواع سنسور نوری، ضریب کاری تعریف شده که این ضریب با کلمه (B بتا) نمایش داده شده و برابر خارج قسمت توان نور دریافتی یک سنسور (PE) به حداقل توان نور دریافتی که باعث قطع و وصل سنسور می گردد (PS) تعریف شده است.

اگر دو مقدار PE و PS برابر باشند. در این صورت مقدار بتا برابر 1 خواهد بود و در این صورت رزرو کاری برای سنسور وجود ندارد و اگر بتا برابر 1. 5 باشد، در این صورت %50 رزرو کاری موجود است. این ضریب بسته به فاصله فرستنده و گیرنده در سنسورهای نوری یک مسیره و یا فاصله فرستنده از منشور منعکس کننده در سنسورهای نوری انعکاسی و یا فاصله فرستنده از جسم مورد نظر در سنسورهایی که بر اساس نور انعکاسی از سطح اجسام کار کرده است که این فاصله با S نمایش داده می شود. در انواع سنسور نوری نمودار ارتباط با S با همدیگر تفاوت داشته و منحنی آنها در شکل نشان داده شده است.

* سلول هادی نور

یک سنسور هادی نور یا فتوکنداکتور، الکتریسیته تولید نمی‌کند، اما وقتی در معرض انرژی نوری قرار گیرد، ویژگی‌های الکتریکی آن به سادگی تغییر می‌کند. رایج‌ترین نوع سلول هادی نور مقاومت نوری یا فتورزیستور است که مقاومت الکتریکی آن در پاسخ به تغییرات شدت نور تغییر می‌کند. مقاومت‌های نوری قطعات نیمه‌رسانایی هستند که در آنها انرژی نوری شارش الکترون‌ها و در نتیجه، جریان گذرنده از آنها را کنترل می‌کند. رایج‌ترین سلول هادی نور مقاومت حساس به نور (Light Dependent Resistor)  یا LDR است.

* مقاومت حساس به نور

همان‌گونه که از نامش پیداست، مقاومت وابسته یا حساس به نور (LDR) از یک قطعه نیمه‌ هادی مانند سولفید کادمیوم ساخته شده که مقاومت الکتریکی آن از چند هزار اهم در تاریکی تا چند صد اهم وقتی نور به آن تابانده شده و زوج حفره-الکترون در ماده تشکیل شود تغییر می‌کند. در یک  LDR، با افزایش شدت نور، مقاومت کاهش یافته و رسانایی زیاد می‌شود. همچنین، سلول‌های مقاومتی نوری به یک پاسخ زمانی طولانی در حد چند ثانیه نیاز دارند تا به تغییر شدت نور پاسخ دهند.

* مزایای استفاده از سنسور با کابل فیبر نوری عبارتند از:

- تشخیص قطعات در محیط هایی با دسترسی محدود (دسترسی از طریق یک سوراخ کوچک)

- امکان نصب بدنه ی سنسور دور از محیط های خطرناک (آب، گرما، تشعشع واحتمال انفجار)

- امکان تشخیص قطعات کوچک با دقت بالا

- تشخیص قطعات متحرک

- مکان استفاده از سنسور یک طرفه شبیه سنسورهای نوری دو طرفه

*  بعضی از دلایل سبب شده که سنسورهای نوری در میان عده ای از مردم از محبوبیت خاصی برخوردار باشند، در زیر به چند نمونه از آنها اشاره می شود :

- قابلیت نصب سریع و راحت .

- نیاز به تماس با اشیایی ندارد .

- قابلیت تنظیم سریع و مورد نظر .

- یک تکه بودن و کاهش هزینه ها .

- دیرتر خراب شده و عمر طولانی دارد.

- توانایی در اندازه گیری از یک یا چندین پرتو نوری .

- قابلیت تشخیص اجسام از راه و فواصل دور را دارد .

چشم نوری چگونه کار می کند؟

چشم نوری همان نور قرمز یا چشم الکترونیکی است که در بسیاری از نقاط مشاهده می کنید. لازم به ذکر است که دستگاه های چشم نوری نسبت به حرکت اجسام بسیار حساس هستند و ممکن است انواع ساده تری را در درب مغازه ها مشاهده کرده باشید.

برای توضیح اصل کار دستگاه ، باید توضیح داد که این سیستم ها در واقع یک رادار ساده هستند که متشکل از فرستنده و گیرنده مادون قرمز یا (اولتراسونیک) است. فرستنده به طور مداوم پالس های این امواج را تولید می کند و سپس آنها را به فضا پرتاب می کند (این امواج خطری برای شما ایجاد نمی کند).

این امواج به اجسام و موانع موجود در محیط اطراف دستگاه چشم نوری برخورد می کند و برخی از بازتاب های آنها به گیرنده برمی گردد و الگوی بازتابی را شکل می دهد که بستگی به نوع و چیدمان اجسام دارد. اکنون ، هنگامی که در را باز می کنید و در معرض تابش قرار می گیرید ، بدن شما با بازتاب بخش جدید موج به گیرنده ، الگوی بازتاب را تغییر می دهد. گیرنده این تغییر را تشخیص می دهد و یک سیگنال به جعبه کنترل می فرستد تا چراغ ها به راحتی روشن شوند ، نیازی به استفاده از کلید یا پریز برای آنها نیست.

تفاوت بین سنسور اولتراسونیک و چشم نوری

سنسورهای اولتراسونیک اغلب ممکن است با چشم نوری اشتباه گرفته شوند ، و تفاوت ممکن است آشکار نباشد. لازم به ذکر است که چشم نوری با تابش مادون قرمز کار می کند و سنسورهای دیگری نیز وجود دارند که چشم الکترونیکی نامیده می شوند ، اما بسیار مهم است که عملکرد آنها از طریق بینایی انجام نشود ، بلکه مانند گوش ها ، انسانها از شنوایی برای تکمیل آن استفاده می کنند. به این سنسورها سنسور اولتراسونیک گفته می شود. از سنسورهای اولتراسونیک در دزدگیر خودرو استفاده می شود.

آیا استفاده از دزدگیر برای ساختمان ضروری است؟

برای پاسخ به این س ،ال باید بیان کرد که استفاده از دزدگیر ساختمان مهم نیست ، بستگی به این دارد که آیا ساکنان ساختمان می خواهند سیستم هشدار برای ساختمان های خود پیاده کنند یا خیر. برای ساختمان ها ، اغلب از دوربین های مدار بسته و سنسورهای نوری یا چشم های نوری استفاده می شود تا بتوانید در هر شرایطی با آرامش خاطر در ساختمان زندگی کنید. سیستم های زنگ هشدار بیشتر در طلافروشی ها و جاهای دیگر استفاده می شود ، جایی که مردم می توانند در امنیت کامل تجارت خود را انجام دهند.

عوامل مضر برای چشم نوری:

شایان ذکر است که چشم نوری به عوامل زیر حساس است:
• گرد و خاک
• وجود روغن بر روی آنها
• محیط کاری کثیف
لطفاً توجه داشته باشید که اگر محیطی که چشم نوری در آن استفاده می شود کثیف باشد ، شرایط عملکرد آن مختل می شود. به عنوان مثال ، یک حسگر در مسیری که نور منتشر می کند ، فاصله بین فرستنده و گیرنده را طی می کند.