سنسور چیست؟ انواع سنسور ها و نحوه کار حسگر

سلام. سنسور چیست؟ انواع Sensor و نحوه کار آنها را آماده کردیم. یک مقاله جامع در مورد انواع سنسور ها و طرز عملکرد آنها.

عصر اتوماسیون (خودکار شدن ماشین الات) شروع شده است. بیشتر چیزهایی که از آنها استفاده می کنیم در حال حاضر خودکار شده اند. قدم اول در طراحی تجهیزات خودکار، شناخت سنسورهاست. سنسور ها ابزار و ماژول هایی هستند که در ساخت تجهیزات بدون دخالت انسان مفید واقع شده اند.

حتی در موبایل ها و گوشی های هوشمندی که ما بطور روزانه استفاده می کنیم از سنسورهایی چون سنسور هال، سنسور مجاورتی، شتاب سنج، صفحه تاچ (تماسی)، میکروفون و .. استفاده شده است. سنسور ها بدلیل حس کردن پارامترهای دنیای خارج و انتقال این اطلاعات به دستگاه ها و میکروکنترلرها، همانند چشم، گوش و بینی تجهیزات الکتریکی عمل می کنند.

سنسور چیست؟

سنسور را می توان به عنوان وسیله ای تعریف کرد که کاربرد آن در حس کردن و تشخیص مقادیر الکتریکی ای چون نیرو، فشار، کشش، نور و .. و سپس تبدیل آن به خروجی مطلوبی چون سیگنال الکتریکی به منظور اندازه گیری مقادیر الکتریکی است. در برخی موارد سنسور به تنهایی قادر به تحلیل سیگنال دریافت شده نیست. در این موارد در کنار سنسور یک واحد وضعیت سیگنال نیز مورد استفاده قرار می گیرد تا سطح ولتاژ خروجی سیگنال ها را با توجه به وسیله انتهایی بکاررفته ، در محدوده مورد نظر حفظ کند.

در واحد وضعیت سیگنال، ممکن است خروجی سنسور بمنظور رسیدن به ولتاژ خروجی مورد نظر، تقویت، فیلتر و یا اصلاح شود. بعنوان مثال یک میکروفون را در نظر بگیرید که سیگنال صدا را تشخیص داده و آن را تبدیل به ولتاژ خروجی ای (برحسب میلی ولت) می کند که مقدار آن برای راه اندازی یک مدار خروجی دشوار است.

در نتیجه، یک واحد وضعیت سیگنال (بعنوان یک تقویت کننده) بکار گرفته می شود تا قدرت سیگنال را افزایش دهد. با این وجود ممکن است استفاده از وضعیت سیگنال برای برخی از سنسورها مانند فتودیود، LDR و .. لازم نباشد. بسیاری از سیگنال ها نمی توانند بطور مستقل کار کنند. درنتیجه بایستی در کنار آن ولتاژ ورودی نیز به میزان کافی بکار گرفته شود. سنسورهای مختلف دارای محدوده کاربرد متفاوتی هستند که لازم است در هنگام استفاده از آنها این مسئله را مورد نظر قرار داد زیرا در غیر این صورت ممکن است موجب آسیب دائمی به سنسور شود.

انواع سنسور ها

ما در اینجا انواع مختلفی از سنسورهایی را که در بازار موجودند را مورد بررسی قرار داده و در مورد اثرگذاری، نحوه کار ، کاربرد آنها و ..بحث خواهیم کرد. در اینجا سنسورهای مختلفی که در زیر آمده است را بررسی خواهیم کرد :

سنسور نور

• سنسور مادون قرمز IR (ترنسمیتر IR / IR LED)
• دیود نوری (دریافت کننده IR)
• مقاومت تابع نور LDR

سنسور دما

• ترمیستور
• ترموکوپل

سنسور وزن، نیرو، فشار

• گیج فشار (سنسور فشار)
• سلول های بار (سنسور وزن)

سنسور موقعیت

• پتانسیومتر
• انکودر

سایر سنسور ها

• سنسور هال (تشخیص میدان مغناطیسی)
• سنسور فلکس
• سنسور صدا
• میکروفون
• سنسور آلتراسونیک (مافوق صوت)
• سنسور تماسی
• سنسور PIR
• سنسور Tilt
• سنسور شتاب سنج
• سنسور گاز

می بایست سنسور مورد نظر خود را بر اساس پروژه یا کاربرد مورد نظر انتخاب کرد. همانطور که پیش از این نیز ذکر شد بمنظور کارکرد سنسورها در ولتاژ مناسب، بایستی آنها را براساس ویژگی هایشان بکار برد.

اصول کار و کاربرد سنسور ها

در این قسمت اصول کار و کاربرد انواع سنسور ها را بررسی میکنیم.

دیود نوری مادون قرمز LED IR

این سنسور که با نام ترنسمیتر IR نیز شناخته می شود به منظور انتشار اشعه مادون قرمز به کار می رود. محدوده فرکانسی آنها بیشتر از محدوده فرکانس های مایکروویو است. ( یعنی بیشتر از 300 گیگاهرتز تا چندصد تراهرتز). اشعه تولید شده بوسیله یک LED مادون قرمز می تواند بوسیله یک دیود نوری دریافت شود (sense شود).

به مجموع LED مادون قرمز و دیود نوری سنسور مادون قرمز گفته می شود.

دیود نوری (سنسور نور)

دیود نوری یک وسیله نیمه هادی است که به منظور تشخیص اشعه های نوری و بخصوص دریافت اشعه مادون قرمز به کار می رود. ساختار آن شبیه به یک دیود اتصال P-N معمولی است اما اصول کاری آن متمایز است. همانطور که می دانیم یک اتصال P-N در بایاس معکوس منجر به ایجاد جریان های نشتی کوچکی می شود. در نتیجه از همین ویژگی بمنظور تشخیص اشعه های نوری استفاده می شود. یک دیود نوری بگونه ای ساخته شده است که بایستی اشعه های نوری به داخل اتصال P-N برخورد کنند. با وقوع این امر با افزایش شدت نوری که اعمال می کنیم جریان نشتی نیز افزایش می یابد. درنتیجه، در این روش دیود نوری بعنوان حسگر اشعه های نوری بکار رفته و می تواند جریان را در مدار حفظ کند. ما می توانیم بوسیله یک دیود نوری یک لامپ خیابانی خودکار ساده طراحی کنیم که در زمان کاهش شدت نور خورشید روشن شود. اما بایستی به این مسئله نیز توجه شود که دیودهای نور حتی با دریافت نور خیلی کم نیز شروع به کار می کنند.

LDR (مقاومت تابع نور)

همانطور که از نام آن پیداست LDR مقاومتی است که میزان آن تابع شدت نور است. این سنسور براساس اصل رسانایی نوری کار می کند که به معنای رسانش از طریق نور است. این قطعه بطور معمول از کادمیم سولفاید ساخته می شود. زمانی که نور به LDR می رسد مقاومت آن کاهش یافته و همانند یک رسانا عمل می کند و زمانی که نوری دریافت نمی کند مقاومت آن تقریبا تا حد مگااهم افزایش یافته و در حالت ایده آل مانند مدار باز عمل می کند. به این مسئله بایستی دقت شود که LDR تا زمانی که نور دقیقا برروی سطح آن متمرکز نشود عمل نخواهد کرد.

با استفاده از یک مدار بندی درست به همراه یک ترانزیستور می توان به منظور تشخیص وجود نور استفاده کرد. بدین صورت که اگر یک ترانزیستور بایاس شده به همراه یک مقاومت تقسیم کننده ولتاژ ( مقاومت بین بیس و امیتر) را با یک LDR جایگزین کنیم از این مدار می توان بعنوان  تشخیص دهنده نور استفاده کرد.

ترمیستور (سنسور دما)

از ترمیستور به منظور تشخیص تغییر دما استفاده می شود. ترمیستور دارای ضریب دمای منفی است بدین معنی که با افزایش دما مقاومت آن کاهش می یابد. در نتیجه مقاومت ترمیستورها می تواند با افزایش دما تغییر کرده (کاهش یابد) که همین امر موجب عبور جریان بیشتر از آن می شود. از تغییر در میزان جریان عبوری می توان بمنظور تعیین مقدار تغییر دما استفاده کرد. یکی از کاربردهای ترمیستور در تشخیص میزان افزایش دما و کنترل جریان نشتی در یک مدار ترانزیستوری است که موجب حفظ پایداری مدار می شود.

ترموکوپل (سنسور دما)

قطعه دیگری که بمنظور تعیین میزان تغییر دما بکار می رود ترموکوپل است. در ساختار این قطعه، دو فلز متفاوت در نقطه انتهایی خود به یکدیگر متصل شده اند. اصل اساسی در کارد این قطعه چنین است : زمانی که محل اتصال دو فلز متفاوت گرم شده و یا در معرض دمای زیاد قرار می گیرد یک تغییر پتانسل در عرض ترمینال های آن ایجاد می شود. در نتیجه می توان از این تغییر در اختلاف پتانسل، بمنظور اندازه گیری مقدار تغییر دما استفاده کرد.

گیج فشار (سنسور فشار/ نیرو)

یک گیج فشار بمنظور تشخیص فشار ناشی از وجود بار بکار می رود. این قطعه بر اساس اصل مقاومت عمل می کند. می دانیم که مقاومت یک سیم با طول سیم رابطه مستقیم و با مساحت سطح عرضی آن نسبت معکوس دارد (R = pl/a). در اینجا مشابه همین اصل بمنظور اندازه گیری میزان بار بکار می رود. همانند شکل زیر، برروی یک برد انعطاف پذیر یک سیم بصورت زیگزاگ قرار می گیرد. درنتیجه زمانی که برروی این برد خاص فشاری اعمال می شود، این برد در یک جهت خمیده شده و موجب تغییر در طول کلی و مساحت سطح عرضی این سیم و درنهایت منجر به تغییر مقاومت سیم می شود. مقاومت بدست آمده بسیار کم بوده (چندین اهم) اما می توان به کمک پل وتسون میزان آن را بدست آورد. بدون تغییر مقادیر بدست آمده گیج فشار در یکی از 4 بازوی پل قرار می گیرد.  در نتیجه زمانی که فشاری به برد اعمال می شود، با تغییر مقاومت، جریان عبوری از پل وتسون تغییر یافته و میزان فشار محاسبه می گردد. گیج های فشار عمدتا بمنظور محاسبه میزان مقدار فشار قابل تحمل بال های یک هواپیما بکار می روند. همچنین به منظور محاسبه تعداد مجاز وسایل نقلیه در یک جاده یا مسیر خاص نیز بکار می روند.

سلول بار (سنسور وزن)

سلول های بار همانند گیج های فشار عمل می کنند اما بگونه ای که با اندازه گیری مقادیر فیزیکی چون نیرو خروجی را بصورت سیگنال های الکتریکی ارائه می دهند.  زمانی که مقداری فشار برروی سلول بار اعمال می شود، ساختار آن تغییر یافته و موجب تغییر مقاومت شده و در نهایت نیز با کمک یک پل وتسون مقدار آن کالیبره می شود.

پتانسیومتر

یک پتانسیومتر به منظور تشخیص موقعیت بکار می رود و عموما دارای محدوده های مختلفی از مقاومت هاست که به پل های مختلفی از کلید متصل هستند. این قطعه دارای انواع چرخشی و خطی است. در نوع چرخشی یک وایپر به یک شفت طولانی قابل چرخش متصل است. زمانی که شفت چرخانده می شود موقعیت وایپر تغییر یافته و منجر به تغییر مجموع میزان مقاومت ها و درنتیجه تغییر ولتاژ خروجی می گردد. بنابراین می توان خروجی را بمنظور تشخیص تغییر در موقعیت کالیبره کرد.

انکودر

انکودر نیز به منظور تشخیص موقعیت بکار می رود. انکودر دارای یک دیسک مدور قابل چرخش با شیارهای ویژه است و زمانی که اشعه مادون قرمز و یا نور به آن می تابد تنها مقدار کمی از این نور از آن عبور کرده و قابل تشخیص است. در ادامه این اشعه ها به داده های دیجیتال (به اصطلاح باینری) انکود شده و یک موقعیت خاص را نمایان می سازند.

سنسور هال

نام این سنسور نشان دهنده کار کردن این سنسور طبق اثر هال است. تعریف این اثر چنین است: زمانی که یک میدان مغناطیسی به یک هادی حامل جریان (عمود بر میدان الکتریکی) نزدیک می شود یک اختلاف پتانسیل در طول این هادی بوجود می آید. با توجه به این تعریف، سنسور هال سنسوری است که به منظور تشخیص میدان مغناطیسی به کار رفته و خروجی را برحسب ولتاژ نشان می دهد.در ضمن این سنسور تنها قادر به تشخیص یک قطب مغناطیس است. سنسور هال در برخی از گوشی های هوشمند به منظور کمک در خاموش شدن صفحه نیز به کار می رود. بدین صورت که با نزدیک شدن پوشش زبانه (flap) گوشی (که حاوی یک آهنربا است) به صفحه، آن را خاموش می کند.

سنسور فلکس

این سنسور مبدلی است که با تغییر مقاومت آن شکل آن تغییر یافته و یا دچار خمیدگی می شود. طول این سنسور برابر با 2.2 اینچ و یا یک انگشت است. یک نمونه از این سنسور در شکل زیر نشان داده شده است. به بیان ساده با تغییر مقاومت ترمینال های آن این سنسور خمیده می شود. این تغییر مقاومت تنها زمانی مثبت است که ما بتوانیم آنها را بخوانیم. کنترل دستی تنها قادر به خواندن تغییرات ولتاژ است درنتیجه در این مورد بایستی از مدار کنترل کننده ولتاژ استفاده کنیم. با استفاده از این مدار ما قادر خواهیم بود تا تغییرات مقاومت را از روی تغییرات ولتاژ بدست آوریم.

میکروفون (سنسور صدا)

میکروفون را می توان در تمامی گوشی های هوشمند و موبایل ها دید. این سنسور می تواند سیگنال صدا را تشخیص داده و آن را به سیگنال های الکتریکی ولتاژ کوچک (میلی ولت) تبدیل کند. یک میکروفون دارای انواع مختلفی از جمله سنسور خازنی، سنسور کریستالی، سنسور کربنی و .. باشد. هریک از این نوع میکروفون ها به ترتیب بر اساس ویژگی های چون ظرفیت خازنی، تاثیر پیزوالکتریک و مقاومت کار می کنند. در اینجا به بررسی عملکرد یک میکروفون کریستالی که براساس تاثیر پیزوالکتریک عمل می کند می پردازیم. یک کریستال bimorph ،تحت فشار و یا لرزش، تولید ولتاژ متناوب نسبی می کند. یک دیافراگم از طریق یک پایه فرمان به کریستال متصل شده است و زمانی که سیگنال صدا به دیافراگم برخورد می کند، به جلو و عقب حرکت می کند. این جابجایی موجب تغییر موقعیت پایه فرمانی می شود که خود باعث لرزش های کریستال شده بود. درنتیجه یک ولتاژ متناوب با توجه به سیگنال صدای بکاررفته تولید می شود. بمنظور افزایش قدرت کلی سیگنال، ولتاژ تولید شده به یک تقویت کننده داده می شود. شما می توانید با استفاده از برخی میکروکنترلرها از جمله آردوینو مقدار میکروفون را برحسب دسی بل تغییر دهید.

سنسور التراسونیک (مافوق صوت)

التراسونیک تنها به معنای یک محدوده فرکانسی است. این محدوده فرکانسی بیشتر از محدوده فرکانسی قابل شنیدن توسط انسان است (بیشتر از 20 کیلوهرتر).  در نتیجه حتی در صورت وجود این فرکانس ها ما قادر به حس کردن و شنیدن آنها نیستیم. تنها بلندگوها و دریافت کننده های خاصی قادر به دریافت این امواج مافوق صوت هستند. سنسور مافوق صوت به منظور محاسبه فاصله بین فرستنده آلتراسونیک و هدف و همچنین محاسبه سرعت این هدف به کار می رود. سنسور آلتراسونیک HC-SR04 بمنظور محاسبه فاصله 2 تا 400 سانتی متر و با دقت 3 میلی متر به کار می رود.

ماژول HC-SR04 یک لرزش صدا در محدوده آلتراسونیک تولید کرده و زمانی که ما پایه تریگر را به مدت حدود 10 میکروثانیه High (فعال) کنیم 8 چرخه صوتی پشت سرهم را با سرعت صوت فرستاده و پس از برخورد با هدف مورد نظر، بوسیله پایه انعکاس صدا، سیگنال دریافت می شود. بسته به زمان بکاررفته برای لرزش صدا و برگشت آن، این سنسور پالس خروجی مناسبی را تولید می کند. ما می توانیم فاصله تا شیء مورد نظر را براساس زمان بکاررفته برای موج آلتراسونیک و برگشت آن به سنسور محاسبه کنیم. این سنسور دارای کاربردهای بسیاری است. ما می توانیم از این سنسور به منظور جلوگیری از برخورد برای ماشین های خودکار، ربات های حرکت کننده و .. استفاده کنیم. همین اصل در رادارها به منظور تشخیص هواپیماها و موشک های متجاوز به کار می رود. پشه قادر به دریافت امواج مافوق صوت است درنتیجه می توان از امواج مافوق صوت به منظور دفع کننده پشه ها نیز استفاده کرد.

سنسور تماسی

در رابطه با این سنسورها، می توان گفت تقریبا در صفحه تاچ تمام گوشی های هوشمندی که از آنها استفاده می کنیم از این سنسور ها به منظور تماس صفحه استفاده شده است. در نتیجه به بررسی عملکرد صفحات تاچ می پردازیم. بطورکلی سنسورهای تاچ دارای دو نوع سنسورهای تاچ خازنی و مقاومتی هستند. در ادامه بطور خلاصه به بررسی عملکرد این دو سنسور می پردازیم.

صفحات تاچ مقاومتی دارای یک صفحه مقاومتی و یک صفحه رسانا در زیر صفحه تاچ هستند که توسط یک فاصله هوایی از یکدیگر جدا شده و یک ولتاژ کم نیز به این دو صفحه اعمال می شود.

زمانی که صفحه تاچ را فشار داده و یا لمس می کنیم، صفحه رسانا در یک نقطه مشخص با صفحه مقاومتی تماس پیدا کرده و موجب ایجاد جریان در این نقطه مشخص می گردد، در نتیجه نرم افزار مکان مورد نظر را تشخیص داده و عملکرد مربوط با آن نقطه انجام می شود.

در صورتی که تاچ خازن بر مبنای بار الکترواستاتیکی که در بدن ما موجود است عمل می کند. صفحه تاچ از قبل توسط یک میدان الکتریکی باردار شده است. زمانی که ما صفحه تاچ را لمس می کنیم بدلیل بار الکترواستاتیکی که از طریق بدن ما جریان می یابد یک مدار بسته تشکیل می شود، درنتیجه نرم افزار مکان موردنظر برروی صفحه را تشخیص داده و عملکرد مربوطه انجام می گیرد. می توان مشاهده کرد که در صورت پوشیدن دستکش صفحه تاچ عمل نخواهد کرد زیرا در این صورت رسانایی لازم بین انگشت ها و صفحه برقرار نخواهد شد.

سنسور PIR

نام کامل این سنسور، سنسور تحت تاثیر مادون قرمز است. این سنسورها بمنظور تشخیص حرکت انسان، حیوانات و سایر اشیاء بکار می روند. می دانیم که اشعه مادون قرمز دارای خاصیت انعکاسی (بازتابی) است. زمانی که اشعه مادون قرمز به یک شیء برخورد می کند، بسته به دمای هدف، خواص این اشعه تغییر می کند، در نتیجه سیگنال دریافتی (برگشتی) حرکت شیء یا زنده بودن آن را تشخیص می دهد. حتی در صورت تغییر شکل هدف، ویژگی های اشعه مادون قرمز بازتابی، وجود شیء را تشخیص می دهند.

سنسور Tilt (شتاب سنج)

یک سنسور شتاب سنج می تواند نوسان و یا حرکت یک شیء را در یک مسیر خاص تشخیص دهد. این سنسور برمبنای نیروی شتاب ناشی از گرانش زمین عمل می کند. بخش های داخلی این سنسور بسیار حساس بوده بطوری که به کوچک ترین تغییر خارجی در موقعیت شیء واکنش نشان می دهند. این سنسور دارای یک کریستال پیزوالکتریک است که در هنگام نوسان شیء، موجب ایجاد تداخل (پارازیت) در کریستال شده و با تولید ولتاژ، موقعیت دقیق شیء را با توجه به 3 محور X ، Y و Z تشخیص می دهد. از این سنسورها عمدتا در موبایل ها و لپتاپ ها به منظور جلوگیری از شکستگی سرهای رسانای پردازنده ها استفاده می شود. بدین صورتکه با افتادن دستگاه، این سنسور شرایط افتادن دستگاه را تشخیص داده و عملکرد مربوطه برمبنای نرم افزار انجام می شود.

سنسور گاز

این سنسورها در کاربردهای صنعتی در تشخیص نشتی گاز نقش مهمی را ایفا می کنند. عدم نصب و استفاده از این سنسورها در محیط های صنعتی که احتمال نشت گاز در آنها بالاست، منجر به وقوع فاجعه های غیر قابل باوری می شود. این سنورها برمبنای نوع گاز قابل تشخیص، به انواع مختلفی تقسیم می شوند. عملکرد این سنسورها بدین صورت است:

در زیر صفحه فلزی این سنسورها، یک المنت حس کننده وجود دارد که به ترمینال های اعمال جریان به این سنسور متصل است. با برخورد ذرات گاز به این المنت، یک واکنش شیمیایی رخ داده و منجر به تغییر مقاومت این المنت و درنتیجه تغییر جریان آن می شود، درنهایت سنسور با دریافت این تغییر جریان، وجود گاز را تشخیص می دهد.

درپایان، می توان چنین نتیجه گرفت که سنسورها نه تنها ما را در اندازه گیری مقادیر فیزیکی و خودکار ساختن تجهیزات و دستگاه ها یاری می دهند، بلکه زندگی ما را نیز ایمن تر می سازند.