انواع سنسور نوری

سنسور نوری بر اساس دریافت یا ارسال سیگنال های نوری غیر مجاورتی وظایف خود را اعمال می نماید. به طور کلی سنسور پالس های نور را تبدیل به سیگنال های الکترونیکی می نماید  و برای سیستم کنترلی می فرستد . البته که این قطعه پرکاربرد صنعتی ویژگی های مثبت زیادی به همراه دارد  و در مدل های مختلفی نیز تولید می گردد. همچنین هر یک از مدل ها به شیوه خاص خود عمل کرده و برای سیستم های مرتبط کاربرد دارد.

سنسور و کاربرد آنها یا حسگرها، (یعنی حس کننده) از قسمت های کاربردی و اساسی در اتوماسیون به حساب می آیند و می تواند موارد فیزیکی همچون فشار، حرارت، رطوبت، دما، و غیره را به کميت های الکتریکی پيوسته یا غير پيوسته تبدیل کند و به همین منظور سنسورهای مختلفی نظیر سنسور نوری، سنسور فشار، سنسور القایی و غیره طراحی و ساخته شده اند. عملکرد سنسورها و قابليت اتصال آنها به دستگاه های مختلف از جمله PLC باعث شده است تا سنسور بخشی از اجزای جدا نشدنی دستگاه کنترل اتوماتيک باشد. سنسورها اطلاعات مختلفی از وضعیت اجزای متحرک سیستم را به واحد کنترل ارسال کرده و باعث تغییر وضعیت عملکرد دستگاه ها می شوند.

عملکرد سنسورها و قابلیت اتصال آنها به دستگاه های مختلف از جمله plc باعث شده است که سنسور بخشی از اجزای جدا نشدنی دستگاه کنترل اتوماتیک و رباتیک باشد. سنسورها قطعات پایه ای در صنعت های مختلف است و در دو نوع مختلف وجود دارند:

-  سنسور با تماس مکانیکی مانند: میکروسوئیچ و ... .

-  سنسور بدون تماس مکانیکی مانند:  سنسورهای نوری و یا سنسورهای حرارتی و ... .

سنسور چیست ؟ (حسگر )

سنسور  از کلمه sens گرفته می شود که معنای  حس کننده یا حسگر دارد  که می تواند کمیت هایی همچون  دما و رطوبت، فشار و... را به کمیت های الکتریکی پیوسته ( آنالوگ / analogue ) یا غیرپیوسته ( دیجیتال / Digital ) تبدیل نماید. سنسورها یکی از پر کاربردترین تجهیزات اتوماسیون صنعتی محسوب می گردد که همانند حواس پنجگانه انسان برای ماشین ها عمل می نماید.

سنسورهای تماسی:

برای سنجش دمای محیط کاربرد دارد . 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 به شمار یم روند  که با نزدیک شدن یک جسم یا قطعه، آن را حس نموده  و فعال می گردد.

مزایای سنسورهای غیرتماسی:

* سرعت سوئیچینگ بالا

* عدم ایجاد نویز در زمان سوئیچینگ

* عدم نیاز به نیرو و فشار

* طول عمر زیاد

* قابل استفاده در محیط های مختلف با شرایط سخت کاری

* سنسورهای فتوالکتریک یا نوری

سنسورهای نوری نوعی از سنسورهای مجاورتی است. سنسورهای نوری برای تشخیص وجود یا عدم وجود یک شیء از امواج نوری مدوله شده استفاده می کند، (نور مدوله شده پالس هایی با فرکانسی مابین ۳۰-۵ kHz  است). استفاده از نور مدوله شده سبب بالا رفتن رِنج تشخیص سنسور و همچنین پایین آمدن اثر نور محیط بر روی سنسور می شود، این نور می تواند در طیف نور مرئی سبز تا نور نامرئی مادون قرمز باشد. سنسورهای نوری بدون فرسایش است و این ویژگی آنها را برای سیکل های کاری نامحدودی توانا می سازد. این حسگر قادر به تشخیص خصوصیات و مختصات فیزیکی فراوانی است.

سنسورها چشم 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. سنسور نوری اشعه های نور را به سیگنال های الکترونیکی تبدیل می کند. این وسیله می تواند تغییرات یک یا چند پرتو نور را اندازه گیری کند. زمانی که تغییری اتفاق می افتد، حسگر نوری به عنوان یک ماشه فوتوالکتریک، افزایش و یا هر دو خروجی الکتریکی کاهش می یابد.

از ویژگی های بارز این حسگر، توانایی آن در اندازه گیری تغییرات از یک یا چند پرتو نور است. این تغییر اغلب بر اساس تغییرات شدت نور رخ می دهد. هنگامی که یک تغییر فاز، سنسور فتوالکتریک نور به عنوان یک محرک عمل می کند و یا افزایش یا کاهش برق خروجی (بسته به نوع سنسور) را انجام می دهد. از این وسیله می توان برای یافتن و پیدا کردن اشیا متفاوت که با فاصله های بسیار از هم قرار دارند، استفاده کرد.

سنسور نوری در بسیاری از مصارف صنعتی  همچون تشخیص اجسام کاربرد دارند که این سنسورها را فتوالکتریک یا فوتوالکتریک نیز می نامند. مکانیزم عملکرد این حسگرها ارسال نور است. سنسورهای نوری زمانی که یک شی پرتو نور را قطع می کند، فعال می شوند. همچنین جهت اتوماتیک کردن خطوط تولید، آسانسورها، پله های برقی، درب های ورودی پارکینگ، دستگاه های بسته بندی و غیره استفاده می شود.

سنسور نوری هم دقت تشخیص شرایط و موقعیت بالایی دارد و هم مدت زمان زیادی این اطلاعات را در حافظه‌ ی خود ثبت و ضبط می‌کند. نوع مجاورتی آن مسافت‌های دور را هم پوشش می‌دهد. همچنین از آنجا که این سنسورها اشیاء را بر اساس بازتاب یا مقدار نور متوقف شده، تشخیص می‌دهند. تقریباً قدرت تشخیص همه ی مواد، از جمله شیشه، چوب، فلزات، پلاستیک و حتی مایعات را دارند.

* ساختمان سنسور نوری

 سنسور نوری از دو قسمت اصلی:

الف) فرستنده

ب) گیرنده

تشکیل شده است. ولی با توجه به انواع سنسور نوری مختلف می توان اجزای دیگری همچون: هدایت کننده نور و یا منعکس کننده و غیره را هم به آن اضافه کرد. زمانی که فرستنده و گیرنده در یک جا متمرکز باشند، این وسیله به عنوان سنسورهای نوری انعکاسی شناخته می شود، اگر در دو واحد مجزا قرار گیرند، به عنوان سنسورهای نوری یک مسیره شناخته می شوند. 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  می کند.

مدل لامپ به کار رفته در فرستنده نوری، ال ای دی است. مکانیزم این نور دارای الگوریتمی است که سنسور را قادر می‌سازد تا مابین نوری که از جسم مشخص می تابد، با سایر نورهایی که در محیط پراکنده می‌شوند، فرق بگذارد. در گیرنده نور دریافتی فیلتر شده و سپس توسط مدارهای الکترونیکی تحلیل می گردد. گیرنده از یک ترانزیستور تشکیل شده است. نور را درک می‌کند و به سیگنال آنالوگ تبدیل می‌کند. گیرنده رد شدن جسم و قطع سیگنال را تشخیص می‌دهد.

*  ساختمان داخلی سنسور نوری

این وسیله نسبت به عواملی همانند: گرد و غبار، روغن و کثیف بودن محیط حساس بوده و در چنین شرایطی کار آن مختل می شود. برای انواع سنسور نوری، ضریب کاری مشخصی تعریف شده است که این ضریب با کلمه ی ( B بتا ) نمایش داده می شود و برابر خارج قسمت توان نور دریافتی یک سنسور (PE)  به حداقل توان نور دریافتی که باعث قطع و وصل سنسور می شود (PS) تعریف شده است. در اغلب سنسورهای نوری در حال حاضر از یک مدار مجتمعی که Application Specific Integrated Circuit) ASIC) نامیده می‌شود، استفاده می‌شود.

* از لحاظ چگونگی قرارگیری اجزای اصلی این وسیله، سنسور نوری به سه دسته ی اصلی  تقسیم می شود که عبارتند از:

- سنسورهای نوری رفلکتوری یا آینه دار

- سنسورهای نوری یک طرفه

- سنسورهای نوری دو طرفه

و سنسورهای نوری دیگر همچون:

- سنسور نوری چنگالی

- سنسور فیبر نوری با آمپلی فایر

- سنسور نوری ifm

- سنسور نوری  SICK

-  سنسور نوری pepprl +fuchs

- سنسور نوری BALLUFF

*  سنسورهای نوری رفلکتوری یا آینه ای

در این سنسور بخش فرستنده و گیرنده در کنار یکدیگر در داخل یک کیس نصب می شوند و نور مدوله شده در فضا منتشر می شود، باید در رو به روی سنسور یک آینه نصب می شود تا با برخورد این نور به رفلکتور با زاویه معین و به صورت یک خط به سمت گیرنده منعکس شود. در صورتی که یک مانع در مسیر انعکاس این نور قرار گیرد، دیگر امکان دریافت این نور توسط گیرنده امکان پذیر نیست و در نتیجه سنسور وجود مانع را تشخیص داده و خروجی سنسور تغییر وضعیت می دهد. سنسور نوری رفلکتوری فاصله ی سوئیچینگ بیشتری نسبت به سنسور نوری یک طرفه دارد، اما فاصله ی سوئیچینگ آن کمتر از سنسور نوری دو طرفه است.

این وسیله از پرکاربردترین سنسورهای نوری است که در اتوماسیون کارخانه مورد استفاده قرار می گیرد، این سنسور نوری دارای قدرت تشخیص، برد قابل تشخیص و قیمت مناسبی است و همین امر باعث شده نسبت به دیگر سنسورهای نوری پرکاربردتر باشد. این سنسور در نوار نقاله‌ها، اتوماسیون کارخانجات، تشخیص بطری‌های خالی و شفاف،گیت‌ها و درهای ورودی (در ساختمان‌ سازی‌ها) تشخیص اجسامی که با سرعت بالا در حال حرکت است، کاربرد دارد.

*  سنسورهای نوری یک طرفه:

سنسورهای نوری یک طرفه، پرتوی نور را از فرستنده ارسال کرده، اجسامی که از جلوی سنسور عبور می کند، پرتو نور به آنها می‌خورد و قسمتی از نور به گیرنده‌ی سنسور باز تابانده می‌شود تا عبور اجسام تشخیص داده شود. میزان انعکاس این نور به رنگ، نوع سطح، حجم و زاویه مانع بستگی دارد. فرستنده و گیرنده در این سنسور، در کنار یکدیگر در داخل یک کیس نصب می شوند.

همانگونه که می دانید رنگ اجسام در تشخیص آنها تأثیرگذار است و سنسورهای نوری یک طرفه توانایی تشخیص این اجسام روشن با سطح بازتابش صیقلی همچون: مقوا با رنگ های روشن، پارچه با رنگ های روشن، شیشه های روشن و پلاستیک های روشن را داراست.

برای نصب سنسورهای یک طرفه باید دقت لازم صورت گیرد تا زمینه ی پشت سنسور نور را جذب یا منحرف کند تا در صورتی که مانعی رو به روی سنسور وجود نداشت، نور منعکس شده به سنسور باعث فعال شدن سنسور نشود. این سنسورها زمانی مورد استفاده قرار می گیرند که نصب انعکاس‌دهنده سخت باشد یا زمانی که به دقت بالایی برای تشخیص نیاز نباشد.

- کاربرد سنسور نوری یک طرفه

از جمله کاربردهای این سنسورها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1-  تشخیص چند شیء بر روی یک سیستم نقاله معمولی

2- شناسایی اشیاء نیمه شفاف بر عهده ی این سنسور است.

3- اتوماسیون صنعتی در زمینه حمل

4- مواقعی که با پرتوهای گسترده سر و کار داریم. (مانند صنعت سرامیک‌سازی) از این وسیله استفاده می شود.

5- این وسیله به راحتی  قابل نصب و تنظیم کردن است.

6 - سنسور نوری یک طرفه یک تکه است بنابراین هزینه ی آن نیز کاهش پیدا می کند.

- معایب سنسور نوری یک طرفه

- برد این وسیله کم است.

- این نوع سنسور توانایی تشخیص پلاستیک های مات سیاه، لاستیک های سیاه و پارچه های تیره را ندارد.

- برد سنسور و مسافتی که قادر به تشخیص اجسام است، بسیار وابسته به رنگ، ابعاد و ساختار اجسام دارد.

- دقت و اطمینان کمتری  نسبت به سنسورهای دوطرفه و آینه‌ای دارد.

*  سنسورهای نوری دو طرفه

در این نوع سنسور فرستنده و گیرنده به صورت جدا از یکدیگر مورد استفاده قرار می گیرند. نور ارسال شده به وسیله ی فرستنده ارسال می شود و گیرنده ای که در مقابل فرستنده نصب شده است، این نور را دریافت می کند و اگر در میان فرستنده و گیرنده مانعی قرار گیرد، نور توسط گیرنده دریافت نمی شود، در این موقع سنسور وجود مانع را تشخیص و خروجی سنسور تغییر وضعیت می دهد. سنسور نوری دو طرفه بیشترین فاصله سوئیچینگ را در بین انواع سنسورهای نوری دارد، فاصله سوئیچینگ این سنسور در برخی موارد به بیش از ۱۰۰ متر هم می رسد.

تشخیص اشیاء بسیار کوچک، تشخیص اشیاء مبهم، تشخیص محتویات ظرف، شناسایی محل دقیق شیء، در گیت‌های ورودی برای تشخیص عبور افراد، در اتوماسیون کارخانه‌ها برای جایگذاری دقیق اشیا، چک کردن شستن مته، جلوگیری از سانحه با نصب سنسور نوری دو طرفه، در دو طرف درب برقی پارکینگ از کاربردهای این وسیله است.

توانایی تشخیص در فواصل زیاد و حافظه‌ی بالا، تشخیص موقعیت دقیق اشیاء، قابل اعتماد بودن و خطای بسیار ناچیز و دقت بالا از مزایای سنسورهای نوری دو طرفه و نیاز به اتصال دو کابل، زمان زیاد برای تنظیم کردن و به کار انداختن و هزینه زیاد از معایب سنسورهای نوری دوطرفه است.

* فرق بین سنسورهای نوری یک طرفه و دو طرفه

از سنسورهای نوری یک طرفه فقط برای تشخیص رنگ‌های روشن استفاده می شود؛. مثلاً این نوع سنسور پارچه‌های رنگ روشن، شیشه‌های رنگ روشن و پلاستیک‌های رنگ روشن را خیلی راحت تشخیص می‎‌دهد، اما قادر به تشخیص پلاستیک های مات سیاه، لاستیک های سیاه و پارچه های تیره نیست. سنسورهای نوری دو طرفه می‌توانند برای تشخیص رنگ‌های تیره و روشن و کاملاً تیره هم به کار گرفته می شود.

مزایای و معایب سنسور نوری

همانطور که می دانید با توجه به سرعت و عملکرد دقیقی که سنسور ها دارند، نقش پر رنگی را در دنیای صنعت ایفا  می کنند. این سنسورها به علت ارسال و دریافت پالس های نوری نیازی به برخورد مستقیم با اجسام  ندارند. همچنین این سنسورها می توانند اجسام را از فاصله نسبتا دور تشخیص دهند. دوام بالا، توانایی تشخیص اجسام مختلف و عملکرد خوب در محل های صنعتی، از دیگر مزایای این نوع حسگرها می باشند.

سنسورهای نوری با توجه به مزایا و کاربردهای گسترده خود معایبی نیز به همراه دارند. برای مثال در حسگرهای نوری دو طرفه مراحل نصب سخت می باشد و زمان نسبتا زیادی می برد. همچنین کلیه سنسورهای نوری در محیط های بسیار تاریک دقت کمی دارند و اشیای دارای رنگ تیره را به سختی تشخیص می دهند.

سنسور کنترل سطح نوری

سوئیچ سطح مایع نوری برای تشخیص سطح بالا ، پایین یا متوسط تقریباً در هر مخزن ، بزرگ یا کوچک مناسب است. آنها همچنین برای تشخیص نشت مناسب هستند تا از آسیب های پرهزینه جلوگیری شود. در داخل محفظه یک سنسور LED و یک ترانزیستور فوتونی وجود دارد. هنگامی که نوک سنسور در هوا است ، نور مادون قرمز درون نوک سنسور به آشکارساز منعکس می شود. وقتی مایع مادون قرمز خارج از نوک سنسور در مایع شکسته شود ، انرژی رسیده به آشکارساز را کاهش می دهد ، بنابراین سوئیچ به راحتی کار می کند.

در روش رادیومتری

امواج گاما انرژی به مخزن تابیده می شود و مقدار انرژی جذب شده اندازه گیری می شود. در این روش حتی می توان میزان مواد را تعیین کرد. لازم به ذکر است که مواد مختلف جذب امواج گامای متفاوتی دارند.

سطح سنج راداری

اندازه گیری سطح بدون تماس با فرستنده سیلندر یا نشانگر سطح رادار به دلیل اینکه مستقل از دما ، فشار ، چگالی ، رسانایی ، پارامترهای بخار یا گرد و غبار است روشهای دقیق و موثر برای اندازه گیری سطح مخازن پودر و آشفته مایع ، سطوح فوم یا فوم و مخازن آهک یا سیمان با مواد دقیق میلیمتری حاوی گرد و غبار و جامدات ، مانند شاخص های سطح در 70 رادار سنج در مدل ها و مکانیزم های مختلف ارائه شده است. از سطح سنج رادار تا ارتفاع با درجه حرارت و فشار بالا برای انواع مایعات و جامدات مانند اسیدها و بازها ، حلالهای آلی ، الکل ، روغن و فرآورده های نفتی ، گازهای مایع و گرانول های پلیمری ، آهک ، سیمان ، غلات ، دانه ها ، شکر ، پودرهای فلزی ، کربن ، زغال سنگ و قابل استفاده هستند.

سطح سنج آلتراسونیک

فرستنده های سنسور التراسونیک در سطح ترانسمیترهای راداری غیر تماسی قرار دارند. در این تجهیزات ، امواج مافوق صوت به سطح محصول داخل مخزن منتقل می شود. پس از برخورد ، این امواج به دلیل تفاوت چگالی هوا و محصول از سطح محصول منعکس شده و به سنسور باز می گردند. زمان ارسال و دریافت این موج با فاصله بین سنسور و سطح ماده ارتباط مستقیم دارد. محاسبه این زمان اندازه گیری سطح ماده در مخزن را فراهم می کند.

یک مدار کنترل مبتنی بر ریزپردازنده مسئول نظارت و کنترل فعالیت فرستنده است. در ساختار فرستنده ، دو مدار انتقال پالس وجود دارد ، یکی برای انتقال پالس و دیگری برای دریافت. کاربرد مهم آن در سرعت سنج ها و سنجش سطح مخزن است و در اندازه گیری جریان و اندازه گیری مورد استفاده قرار می گیرد.

مزایای استفاده از این نوع سنسورها عبارتند از:

• این سنسورها قطعات متحرک ندارند
• آنها جمع و جور هستند
• آنها قابل اعتماد هستند
• آنها تحت تأثیر خواص موادی که احساس می کنند نیستند.
• به لطف ارتعاشاتی که ایجاد می کند خود را تمیز می کند.

معایب استفاده از این نوع سنسورها

    آنها می توانند گران باشند
    در برخی موارد ، محیط می تواند بر آنها تأثیر منفی بگذارد.

سنسور فشار

در کنترل اکثر فرآیندهای صنعتی، اندازه گیری فشار بسیار مهم در نظر گرفته می شود. سنسور فشار اطلاعات فشار را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. اکثر سنسور های فشار، تغییر شکل دیافراگم را با توجه به اختلاف فشار اعمال شده در هر دو جهت اندازه گیری می کنند.

تولیدکنندگان از عناوین مختلفی برای چنین محصولاتی استفاده می کنند. «سنسور فشار» و «مبدل فشار» را می توان به عنوان مترادف و معادل استفاده کرد. اصطلاح "فرستنده فشار" برای سنسور فشار مجهز به قطعات الکترونیکی استفاده می شود که آن را قادر می سازد سیگنال خروجی استانداردی را ارائه دهد.

سنسور فشار چیست؟
 
سنسور فشار یک اصطلاح چتری است که برای توصیف هر وسیله ای که می تواند فشار را تشخیص و یا اندازه گیری کند استفاده می شود. همراه با "ابزار فشار" این رایج ترین اصطلاح است. ما در اینجا در مورد سوئیچ های فشار صحبت نمی کنیم، اما از نظر فنی حتی آن سوئیچ ها سنسور فشار هستند. لازم به ذکر است که وقتی از این اصطلاح استفاده می کنیم، منظور یک ابزار اندازه گیری پیوسته است که سیگنالی را منتشر می کند که به یک واحد اندازه گیری خاص در یک مقیاس یا محدوده خاص (مثلا 0-500 psi) کالیبره شده است.

سنسور فشار چگونه ساخته می شود؟
 

بیایید نگاهی گذرا به طراحی و عملکرد سنسور فشار بیاندازیم. سنسور فشار از محل اتصال فشار در نقطه اندازه گیری پیچ می شود. عنصر حسگر فشار، فشار موجود را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. الکترونیک پایین دست این سیگنال را تقویت و استاندارد می کند.

سیگنال استاندارد شده از طریق یک لینک الکتریکی برای ارزیابی سیگنال ارسال می شود. اکنون می بینیم که چگونه اجزای جداگانه در منطقه تولید کنار هم قرار می گیرند. در مرحله اول اتصال فشار به عنصر سنسور فشار جوش داده می شود. در یک برنامه اندازه گیری فشار، سنسور فشار از طریق یک پورت فشار به نقطه اندازه گیری متصل می شود. عنصر حسگر فشار موجود را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.

پس از نصب PCB، این الکترونیک سیگنال سنسور را تقویت و استاندارد می کند. اکنون تنها چیزی که مورد نیاز است اتصال الکتریکی مورد نیاز بین سنسور و PCB است. این مجموعه مونتاژ شده پیش تنیده (فورجینگ خودکار) است. برای اطمینان از پایداری فشار طولانی مدت، فشاری خارج از محدوده فشار بیش از حد به این سنسور فشار اعمال می شود. در مرحله بعد بدنه نصب می شود. بدنه از تجهیزات الکترونیکی در برابر تأثیرات مکانیکی و محیطی محافظت می کند. به منظور بهبود خوانایی و دوام برچسب محصول، سنسور های فشار دارای علامت لیزری هستند. این کار در یک مرحله با جوش بدنه انجام می شود. سپس اتصال برق نصب می شود. برای انتقال سیگنال استاندارد، برای ارزیابی سیگنال در دستگاه ها استفاده می شود.

در طول تنظیم فشار، آزمایش ولتاژ بالا به طور همزمان برای بررسی راندمان انجام می شود. تجهیزات داخلی پر از تجهیزات اضافی است. اسناد تجهیزات، مانند دستورالعمل های عملیاتی و گزارش های آزمایش کالیبراسیون، گنجانده شده است. در نهایت با چسباندن برچسب بسته بندی، سنسور فشار اکنون آماده ارسال است.

در نهایت

نوعی سنسور بدون تماس مکانیکی می باشد. سنسور های نوری با تبدیل نور و یا تغییرات دامنه نور به سیگنال های الکترونیکی می تواند کمیت فیزیکی نور را اندازه گیری نماید. در حالت کلی سنسورهای نوری از ساختار داخلی ساده‌ای برخوردار می باشند  معمولا سنسور های نوری از سه بخش اصلی فرستنده، گیرنده، خروجی تشکیل شده اند. در نهایت برای خرید و کسب اطلاعات بیشتر به وب سایت آژند برق مراجعه نمایید .