- سنسور و اهمیت کاربرد آن

1-1- مقدمه :

با پیشرفت سریع تکنیک اتوماسیون و پیچده تر شدن پروسه های صنعتی و کاربرد روز افزون این شاخه از تکنیک نیاز شدیدی به کاربرد سنسورهای مختلف که اطلاعات مربوط به عملیات تولید را درک و براساس این اطلاعات مقتضی صادر گردد، احساس می شود.

سنسورها به عنوان اعضای حسی یک سیستم، وظیفه جمع آوری و با تبدیل اطلاعات را به صورتی که برای یک سیستم کنترل و با اندازه گیری قابل تجزیه و تحلیل باشد به عهده دارند . در سالهای اخیر سنسورها به صورت یک عنصر قابل تفکیک سیستمهای مختلف صنعتی مورد استفاده قرار گرفته و پیشرفت سریعی در جهت جوابگویی به تقاضاهای صنعت در این شاخه از علم الکترونیک انجام پذیرفته است .

سنسورها جهت تبدیل عوامل فیزیکی مانند حرارت ، فشار ، نیرو ، طول، زاویه چرخش، دبی و غیره به سیگنالهای الکتریکی بکار برده می شوند و به همین منظور سنسورهای مختلفی که قابلیت ‌تبدیل این عوامل را به جریان برق دارا می باشند، ساخته شده اند .

یک سنسور را می توان با خصوصیات زیر تعریف نمود .

- سنسور به عنوان تبدیل کننده اطلاعات فیزیکی به سیگنالهایی، که می توان از آنها به عنوان سیگنالهای کنترل استفاده نمود . عمل می کنند .

- یک سنسور نباید حتماً یک سیگنال الکتریکی تولیدنماید . مانند سنسورهای پنیوماتیکی و...

- سنسورها در دو نوع مختلف وجود دارند .

الف )با تماس مکانیکی مانند کلید قطع و وصل ، تبدیل کننده های فشاری و...

ب) بدون تماس مکانیکی مانند سنسورهای نوری و یا حرارتی و ...

- سنسورها می توانند بعنوان چشمهای کنترل کننده یک سیستم مورد استفاده قرار گرفته و وظیفه مراقبت از پروسه و اعلام خرابی و یا نقص یک سیستم را به عهده بگیرند .

در کنار کلمة سنسور با واژه های زیر نیز در صنعت روبرو هستیم .

1- عنصر سنسور

قسمتی از سنسور را تشکیل می دهد . که عامل فیزیکی را حس کرده ، ولی بدون ، کمک قسمت آماده سازی سیگنال قادر به انجام وظیفه نیست .

2- سیستم سنسور ی(Sensor system)

مجموعه ای از عناصر اندازه گیری تبدیل و آماده سازی سیگنال را یک سیستم سنسوری می نامند .

3- سیستم مولتی سنسور

سیستم هایی که دارای چندین سنسور از یک نوع و یا از انواع مختلف می باشند سیستم مولتی سنسور می نامند .

2-1- انواع خروجیهای متداول سنسورها

در استفاده از سنسورها می بایستی با انواع سیگنالهای خروجی الکتریکی آشنا بود می توان خروجیها را در پنج ردة مختلف دسته بندی نمود .

نوع A:

سنسورهایی با ماهیت قطع و و صل خروجی ( باینری ) مانند سنسورهای نزدیکی ، فشار ، اندازه گیری سطح مایعات و ..

این نوع سنسورها را عمدتاٌ می توان بطور مستقیم به دستگاه P.L.C متصل نمود .

نوع B:

سنسورهایی که سیگنال خروجی آنها بصورت پالسی می باشند ؛ مانند سنسورهای اندازه گیری میزان چرخش و با طول و ..

این نوع سنسورها اکثراٌ توسط یک Interface قابل وصل به دستگاه P.L.C می باشند.

P.L.C. می بایستی دارای شمارندة نرم افزاری و سخت افزاری باشد .

نوع C :

سنسورهایی که سیگنال خروجی آنها بصورت آنالوگ بوده ولی دارای بخش تقویت کننده و یا تبدیل کننده نمی باشند . این سیگنالها خیلی ضعیف بوده (در حد ملی ولت) و قابل استفاده مستقیم در دستگاههای کنترل نمی باشند، مانند سنسورهای Piezoelectric و با سنسورهای Hall.

نوع D:

سنسورهایی که سیگنال خروجی آنها بصورت آنالوگ بوده و واحد الکترونیک (‌تقویت کننده تبدیل کننده ) در خود سنسور تعبیه شده است . در این نوع سنسور خروجیها را می توان بطور مستقیم جهت استفاده در دستگاههای کنترل استفاده نمود .

محدودة خروجی سیگنالها عموماً به شرح زیر می باشند:

0….10V

-5….+5V

1…5V

0…20mA

-10…+10mA

4…20mA

نوع E

سنسورهایی که سیگنالهای خروجی آنها مطابق با استانداردهای صنعتی می باشند مانند RS-485,RS-422-A,RS-232-C و با جهت Fieldbus مانند ASI,Profibus و.. در نظر گرفته شده اند .

3-1-سنسورهای باینری و آنالوگ

سنسورهای باینری مانند کلید قطع و وصل کار نموده و در صورت تحریک شدن سنسور که توسط عوامل فیزیکی صورت می گیرد . سیگنال وصل و یا قطع می گردد .در این نوع سنسورها فقط دو حالت «0» و «1» وجود دارد . در سنسورهای آنالوگ عوامل فیزیکی با توجه به شدت و تأثیر آنها به سیگنالهای آنالوگ ولتاژ و یا جریان تبدیل می شوند .

2- سوئیچهای بدون تماس

تحت این لفظ می توان سنسورهایی را طبقه بندی نمود ،که وظیفة اصلی آنها اعلام حضور یک قطعه در یک محل خاص می باشد .این نوع سوئیچها( سنسورها) دارای خروجی «0» و «1» منطقی بوده و دارای انواع مختلف می باشد کلیدهای بدون تماس بعلت استفاده فراوان در صنعت دارای اهمیت خاص بوده و در صنعت به نامهای مختلفی مانند میکروسوئیچ،کلیدهای انتهای مسیر و... معروف می باشند .

مزایای سوئیچهای بدون تماس عبارتند از :

1- بعلت عدم کنتاکت مکانیکی دارای طول عمر بیشتری هستند

2- می توان خیلی دقیق موقعیت قطعه را تعیین نمود .

3- بدون داشتن تماس با قطعه ، می تواند سیگنال مربوطه را ارسال دارد .

4- دارای سرعت عکس العمل سریع و بدون اشتباه می باشد

5- تعداد قطع و وصل تقریباً بی نهایت است.

6- می توان انواعی از این سنسورها را در شرایط کاری خیلی مشکل ( مانند رطوبت و یا حرارت بالا ) و یا خطرناک مانند ( محیط های قابل انفجار ) استفاده نمود .

سنسورهای علاوه بر داشتن سرعت انتقال بالای اطلاعات ، کنترل یک پروسه را آسان و زمان توقف دستگاه را در صورت خرابی بسیار کوتاه می نمایند . توسط سنسورها می توان محل و نوع خرابی ماشین را سریعاً تشخیص داده وتعمیرات لازم را انجام داد .

انواع سوئیچهای بدون تماس در جدول صفحة بعد نشان داده شده اند .

سنسورهای بدون تماس عموماً با ولتاژ مستقیم با 24 ولت کار می کنند محدودة کار این سنسورها بین 10 تا 30 ولت و 10 تا 55 ولت می باشد در کشورهای آسیای جنوبی و آمریکای شمالی و جنوبی همچنین استرالیا و آفریقای جنوبی حدود 30 درصد از سنسورهای القائی و نوری با جریان متناوب کار می کنند .

سنسورهای بدون تماس القائی ، خازنی و نوری در دو نوع ، با تغذیه DC‌ و تغذیه AC، ساخته می شوند . ولتاژ متداول جهت جریان متناوب 24 ولت ، 110 ولت ،120 ولت و یا 220 ولت می باشد .

مدلهایی هم از این سنسورها وجود دارند که هم با جریان متناوب ، و هم با جریان مستقیم قابلیت کار را داشته و محدودة ولتاژ کاری برای جریان مستقیم 12 ولت تا 240 ولت و برای جریان متناوب 24 ولت تا 240 ولت می باشند . نام دیگر این سوئیچها (Universal Current)U.C می باشند .

3- سنسورهای بدون تماس مغناطیسی

1-3- Reed سوئیچ

این نوع سوئیچها به میدان مغناطیسی حاصل از یک آهنربای دائمی و یا آهنربای الکتریکی حساس می باشند میدان مغناطیسی باعث اتصال دو زبانه که از جنس فرو مغناطیس ( آلیاژی از Fe-Ni,Ni-Fe) و در داخل یک کپسول شیشه ای می باشند . می شود . در داخل این کپسول شیشه ای گاز N2 که درمقابل اشتعال و فعل و انفعالات شیمیایی مقاوم می باشند پر شده است .

برخی از مشخصات فنی این نوع سنسورها به شرح جدول صفحة بعد می باشد .

Table 3.1: Technical characteristics or reed proximity sansors

درشکل 2-3 ساختمان Reed سوئیچ که به یک مقاومت از نوع سیم پیچ وصل شده است . نشان داده شده است دیودهای نوری نشاندهندة وضعیت قطع و وصل سوئیچ به همراه یک مقاومت وظیفة محافظت مدار را در مقابل ولتاژ بالای حاصل از قطع و وصل یک سیم پیچ را بر عهده دارند .

Reed کنتاکت ها می توانند با توجه به وضعیت قرار گرفتن میدان مغناطیسی یک آهنربای دائمی محدوده های مختلفی جهت فعال شدن داشته باشند در شکل 3-3 این محدوده ها رسم شده اند .

در محیط کاری Reed سوئیچ ها شدت میدان مغناطیسی مزاحم نباید بیشتر از 0.16 تسلا باشد . در این صورت بیاد این سنسورها را در مقابل میدانهای مزاحم ایزوله نمود .و حداقل فاصلة بین دو Reed سوئیچ بایستی 60 ‌میلی متر باشد .

2-3- سنسورهای بدون تماس و فاقد کنتاکت (‌تیغه )

1-2-3- سنسورهای القایی – مغناطیسی

در این سنسورها نوسان ساز LC‌وجود داشته که دارای یک هسته سیم پیچی شده مغناطیسی بسته می باشد با نزدیک نمودن یک میدان مغناطیسی این هستة مغناطیسی اشباع گردیده و این امر باعث تغییر جریان برق جاری شده در داخل سیم پیچ می شود بوسیلة یک تقویت کننده این اختلاف جریان حس و سپس جهت فعال کردن سنسور از آن استفاده می شود . این نوع از سنسورها فقط در مقابل میدانهای مغناطیسی حساس بوده و در مقابل فلزات از خود عکس العملی نشان نمی دهند .

2-2-3- سنسورهای بدون تماس بر اساس خاصیت Magnetorsistive

برخی از عناصر مانند InSb.Wi در میدان مغناطیس ،‌مقاومت الکرتیکی خود را تغییر می دهند و از این اصل برای ساخت این نوع از سوئیچ ها استفاده می کنند .

3-2-3- سنسورهای بدون تماس بر اساس خاصیت HALL

وقتی که یک نیمه رسانا مانند InSb در یک میدان مغناطیسی قرار گیرد ، در جهت عمود بر این میدان ولتاژی بر روی این نیمه رسانا ایجاد می شود که به ولتاژ Hall ‌معروف می باشد این نیمه رسانا باید بصورت ورقة‌نازکی که طول و عرض آن نسبت به ضخامت آن بزرگ بوده ، ساخته شود در روی این ورقه ها می توانند ولتاژی تا 1.5 ولت ایجاد شود .

4-2-3- سنسور Wiegand

سیم Wiegand آلیاژی از وانادیم (Vanadium) کبالت (Cobalt) و آهن است خاصیت آلیاژ wiegand این است که وقتی شدت یک میدان مغناطیسی از حد مشخصی تجاوز نماید ، جهت مغناطیسی محدودة Wiss بصورت ناگهانی تغییر می کند بطوریکه اگر یک سیم پیچ در دور سیم Wiegand قرار گیرد این تغییر ناگهانی به صورت جریان القایی در این آن قابل اندازه گیری می باشد .

و ولتاژی تا 3 ولت در سیم پیچ ایجاد می شود به همین خاطر اکثر این سنسورها احتیاجی به منبع تغذیه خارجی ندارند .

برخی از مشخصات عمومی سنسورهای القایی – مغناطیسی در جدول زیر نشان داده شده است .

Technical data on an inductive- megnrtic proximity sensor (example)

سنسورهای مغناطیسی – القایی دارای مزایای زیر نسبت به Reed سوئیچ ها می باشند:

- نداشتن کنتاکت ( تیغه )

- از بین نرفتن کنتاکت های فلزی

- در صورتیکه محور مغناطیسی به صورت مطلوب قرار گرفته باشد فقط در یک محدوده فعال می شوند .

همانند سایر سنسورهای مغناطیسی می بایستی در محیط کار به عوامل اختلال گر در کار این نوع سوئیچ ها توجه گردد . مانند میدان مغناطیسی خارجی و با دستگاههایی که این میادین را ایجادمی نمایند .

4- سنسورهای القایی

یک سنسور القائی از یک نوسان ساز ( LC) ، یک Demodulator ، یک تقویت کننده و قسمت خروجی تشکیل شده است

توسط شکل خاص نوسان ساز ، میدان مغناطیسی از طریق دریچة نیمه بازی در یک جهت معین منتشر می شود بطوریکه میدان مغناطیسی تولید شده در یک محدودة مشخصی فعال بوده و فقط در این منطقه امکان قطع و وصل سنسور وجود دارد .

هنگامی که جریان برق سنسور وصل میگردد . نوسان ساز شروع به نوسان نموده و جریان مشخصی از آن عبور می کند اگر یک جسم هادی جریان الکتریکی در میدان مغناطیسی وارد گردد ، در آن جریان گردابی بوجود آمده و قسمتی از انرژی اسیلاتور را جذب می کند که این خود باعث تغییر میزان جریان مصرفی در نوسان ساز می گردد . این تغییرات در یک قسمت الکترونیکی تجزیه و تحلیل و خروجی سنسور قطع و یا وصل می شود .

با استفاده از سنسورهای القائی فقط اجسام هادی جریان برق قابل حس می باشند . این سنسورها با خروجیهای N.O, N.C عرضه می گردند . فاصله ای که در آن یک سنسور تغییر حالت می دهد ( بسته شده و یا باز می گردد) به عنوان فاصلة سوئیچ معروف می باشند .

هر قدر سیم پیچ بکار رفته بزرگتر باشد ( در نتیجه سنسور هم بزرگتر خواهد بود ) فاصلة‌سوئیچ هم بیشتر می گردد .برای فاصلة سوئیچ 250 میلی متر نیز سنسورهای القائی وجود دارند .جهت تعیین فاصلة سوئیچ از ورقه های استاندارد که از جنس فلز ST37 هستند استفاده می شود که ضخامت آن یک میلی متر بوده و بصورت ورقه های مربع شکل می باشند .

طول ضلع این مربع باید برابر :

1- قطر دایرة منطقه اکتیو سنسور باشد

و یا

2- سه برابر فاصله سوئیچ باشد

بزرگتر بودن ابعاد این ورقه فقط باعث ایجاد تغییرات خیلی جزئی در مقدار اندازه گرفته شده ، خواهد شد . اما کوچک بودن ابعاد باعث بدست آمدن فاصلة سوئیچ کمتری می باشد در صورت استفاده از فلزات دیگر بغیر از ST37 باعث کمتر شدن فاصلة سوئیچ خواهد شد .

هنگام نصب سنسورهای القائی در داخل نگهدارنده های فلزی می بایستی توجه نمود که بعلت وجود اجسام فلزی در طراف آن کارکرد سنسورها مختلف نگردد . از نظر تکنولوژی نصب دو نوع سنسور القایی وجود دارد :

1- در اولین نوع که در شکل3 نشان داده شده است میدان مغناطیسی در اطراف سنسور پراکنده نبوده ، بلکه به علت شکل خاص ساخت آن میدان الکترومغناطیسی فقط در ناحیة جلوی سنسور وجود دارد . به همین علت نگه دارندة فلزی سنسور اختلالی در کارکرد سنسور بوجود نمی آورد .

اگر سنسور القایی دیگری در مجاورت سنسور القایی نصب گردد ، میبایستی در بین آنها حداقل فاصله ای برابر با قطر حساس سنسور وجود داشته باشد . منطقة‌آزاد که در بالای سنسورها می باشد حد فاصل بین سنسور و اجسام موجود د رجلوی سنسور بوده و این اشیاء نمی بایستی در میدان مغناطیسی سنسور داخل و توسط سنسور حس گردند . طول منطقه آزاد سه برابر فاصلة‌سوئیچ می باشد .

این نوع سنسور ها دارای این مزیت هستند که خیلی ساده و کم حجم ؛ قابل نصب می باشند . ولی دارای فاصلة سوئیچ کمتری نسبت به سنسورهای القائی نوع 2 می باشند .

2- در این نوع سنسور های القایی میدان الکترومغناطیسی نه تنها در مقابل سر حساس سنسور ، بلکه در اطراف و حول و حوش آن بصورت جانبی نیز منتشر می گردد . در نوع اخیر که درشکل 6-4 نشان داده شده است . باید هنگام نصب ابعاد ذکر شده رعایت گردد . تا نگه دارندة فلزی سنسور تأثیر منفی و اختلالی در کار سنسور بوجود نیاورد .

5- سنسورهای خازنی

اساس کار سنسورهای خازنی بر پایة‌تغییرات ظرفیت یک خازنی می باشد که در یک مدار نوسان ساز RC قرار گرفته است سنسورهای خازنی نسبت به سنسورهای القایی این مزیت را دارند ، که علاوه بر اجسام هادی ، اشیاء عایق را نیز حس می کنند .

در این نوع از سنسور جهت ایجاد میدان الکتریکی از دو الکترود استفاده می شود .که یکی از الکترودها فعال بوده ودیگر به زمین متصل می باشد همچنین الکترود خنثی کننده ای وجود دارد که اثر رطوبت هوا را برروی خازن از بین می برد اجزاء این سنسور در شکل 1-5 نشان داده شده است

اگر فلز ، مواد مصنوعی ، شیشه ، چوب ؛ آب و ... وارد محدودة فعال سنسور گردد
( محدودة‌انتشار میدان الکتریکی نشتی خازن ) باعث تغییر ظرفیت آن گردیده که مقدار این تغیرات به عوامل زیر بستگی دارد .

1- فاصلة جسم از سنسور 2- ابعاد جسم 3- ضریب دی الکتریک جسم

توسط یک پتانسیومتر قابل تنظیم می توان فاصلة سوئیچ را تنظیم نمود . و از این خاصیت جهت حس نمودن اجسام معینی استفاده می گردد . برای مثال می توان سطح یک مایع را داخل یک بطری پلاستیکی تعیین نمود . بدون اینکه بطری پلاستیکی خود باعث بکار افتادن سنسور گردد .

در جدول 1-5 فاصله سوئیچ برای ورقة مقوا در ارتباط با ضخامت ورقه نشان داده شده است ابعاد ورقه 30 میلی متر می باشد .