ما در دنیایی از سنسور و حسگر زندگی می کنیم. انواع مختلف سنسورها را می توانید در خانه ها، ادارات، ماشین ها و جاهایی که شاید فکرش را هم نمی کنید، بیابید. روشن شدن خودکار چراغ‌ها با تشخیص حضور ما، تنظیم دمای اتاق، تشخیص دود یا آتش، باز کردن درهای گاراژ و پارکینگ و بسیاری کارهای دیگر که این حسگرها انجام می دهند، باعث آسان تر شدن زندگی ما شده است. در این مطلب قصد داریم ضمن اینکه بررسی می کنیم سنسور چیست، به معرفی انواع، کاربردها و مزایای استفاده از حسگر ها بپردازیم.
فهرست مطالب
سنسور یا حسگر چیست؟
سنسور یا حسگر، یک دستگاه الکترونیکی است که از آن برای اندازه گیری کمیت های مختلفی چون دما، رطوبت، فشار، استفاده می شود. هر سنسور با توجه به ساختار و متغیرهایی که اندازه گیری می کند، کاربرد های متفاوتی دارد. اما به طور کلی می توان گفت که کار اصلی سنسورها، تبدیل پارامترهای فیزیکی به سیگنال الکتریکی است. بنابراین خروجی یک حسگر، یک سیگنال آنالوگ یا دیجیتال است. حسگرها بر اساس نوع سیگنال، نوع عملکرد، نوع پارامتر هایی که اندازه گیری می کنند و … به دسته های مختلفی تقسیم می شوند.
اگر بخواهیم تعریف تخصصی تری از سنسور داشته باشیم، می توان گفت که حسگر به عنوان دستگاه یا ماژولی تعریف می شود که به تشخیص هر گونه تغییر در کمیت فیزیکی مانند فشار، نیرو یا کمیت الکتریکی مانند جریان یا هر شکل دیگری از انرژی کمک می کند. پس از مشاهده تغییرات، حسگر، ورودی شناسایی شده را به یک میکروکنترلر یا میکروپروسسور ارسال می کند.
در نهایت، سنسور یک سیگنال خروجی قابل خواندن تولید می کند که می تواند نوری، الکتریکی یا هر شکلی از سیگنال باشد که مربوط به تغییر در سیگنال ورودی است. در هر سیستم اندازه گیری، سنسورها نقش اصلی را ایفا می کنند. در واقع حسگر ها اولین عنصر در بلوک دیاگرام سیستم اندازه گیری هستند که برای تولید خروجی معتبر در تماس مستقیم با متغیرها هستند.
نحوه عملکرد سنسور ها به چه صورت است؟
سنسورها به دلیل تغییر شرایط فیزیکی با ایجاد تغییر در خواص الکتریکی خود واکنش نشان می دهند. مشاهده شده است که حسگر های مصنوعی در بیشتر موارد برای تجزیه و تحلیل، گرفتن و انتقال اطلاعات محیطی، به سیستم های الکترونیکی متکی هستند. به عبارت ساده می توان گفت که یک حسگر محرک هایی مانند صدا، حرکت، گرما و نور را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند. این سیگنال ها از طریق یک رابط منتقل می شوند که بیشتر آنها را به یک کد باینری یا دودویی تبدیل می کند و آنها را برای پردازش به رایانه ارسال می کند.
سنسورها عمدتاً به عنوان یک کلید یا سوئیچ عمل می کنند و برای کنترل جریان بارهای الکتریکی عبوری از مدار استفاده می شوند. سوئیچ ها بخش مهمی از الکترونیک را تشکیل می دهند زیرا به دلیل تغییر وضعیت مدار شناخته می شوند. اجزای موجود در حسگرها مانند ترانزیستورها، دیودها، آی سی ها یا تراشه ها از مواد نیمه هادی تشکیل شده اند. این مواد در مدارهای حسگر گنجانده شده اند تا بتوان از آنها به عنوان کلید استفاده کرد.
طبقه بندی حسگر ها
طبقه بندی های مختلفی از حسگرها توسط کارشناسان مختلف صورت گرفته است. برخی بسیار ساده و برخی بسیار پیچیده هستند.
- در دیدگاه اول، سنسورها به دو دسته کلی اکتیو و پسیو تقسیم می شوند. سنسورهای اکتیو آنهایی هستند که به سیگنال تحریک خارجی یا سیگنال قدرت نیاز دارند؛ در حالی که سنسورهای پسیو به هیچ سیگنال قدرت خارجی نیاز ندارند و مستقیماً پاسخ خروجی را تولید می کنند.
- نوع دیگر طبقه بندی بر اساس ابزار تشخیص استفاده شده در حسگر است. برخی از ابزارهای تشخیص عبارتند از: الکتریکی، بیولوژیکی، شیمیایی، رادیواکتیو و غیره.
- طبقه بندی بعدی بر اساس پدیده تبدیل یعنی ورودی و خروجی است. برخی از پدیده های تبدیل رایج عبارتند از: فوتوالکتریک، ترموالکتریک، الکتروشیمیایی، الکترومغناطیسی، ترمواپتیک و غیره.
- طبقه بندی نهایی سنسورها، سنسورهای آنالوگ و دیجیتال هستند. حسگر های آنالوگ یک خروجی آنالوگ تولید می کنند، یعنی یک سیگنال خروجی پیوسته (معمولا ولتاژ اما گاهی اوقات مقادیر دیگری مانند مقاومت و غیره). حسگرهای دیجیتال، بر خلاف حسگرهای آنالوگ، با داده های گسسته یا دیجیتال کار می کنند. داده های موجود در حسگرهای دیجیتال که برای تبدیل و انتقال استفاده می شوند، ماهیت دیجیتالی دارند.
لیست انواع سنسور ها
در ادامه لیستی از انواع سنسورهایی که برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند، آورده شده است. همه این حسگر ها برای اندازه گیری یکی از ویژگی های فیزیکی مانند دما، مقاومت، ظرفیت، رسانایی، انتقال حرارت و مثال آن استفاده می شوند.
- سنسور دما
- حسگر مجاورتی
- سنسور مادون قرمز
- سنسور فشار
- حسگر روشنایی
- سنسور اولتراسونیک
- سنسور دود، گاز و الکل
- حسگر لمسی
- حسگر رنگ
- سنسور رطوبت
- حسگر موقعیت
- حسگر مغناطیسی (ماژول سنسور اثر هال)
- سنسور صدا
- حسگر شیب
- حسگر جریان و سطح
- سنسور PIR
سنسور دما
سنسور دما یکی از رایج ترین و محبوب ترین سنسورهاست. حسگر دما همانطور که از نامش پیداست، دما را حس می کند، یعنی تغییرات دما را اندازه گیری می کند. انواع مختلفی از حسگرهای دما مانند آی سی های سنسور دما (مانند LM35DZ، DS18B20)، ترمیستورها، ترموکوپل ها، RTD (دستگاه های مقاومتی دمایی) و غیره وجود دارد. سنسورهای دما می توانند آنالوگ یا دیجیتال باشند. در یک حسگر دمای آنالوگ، تغییرات در دما مربوط به تغییر در ویژگی فیزیکی آن مانند مقاومت یا ولتاژ است. LM35DZ یک حسگر دمای آنالوگ کلاسیک است.
با ورود به حسگر دمای دیجیتال، خروجی یک مقدار دیجیتال گسسته است. DS18B20 یک سنسور دمای دیجیتال ساده است. سنسورهای دما در همه جا مانند کامپیوتر، تلفن همراه، خودرو، سیستم های تهویه مطبوع، صنایع و غیره استفاده می شوند.
سنسور مجاورتی
سنسور مجاورتی یک حسگر نوع غیر تماسی (نو تاچ) است که وجود یک شی را تشخیص می دهد. سنسورهای مجاورتی را می توان با استفاده از تکنیک های مختلف مانند نوری (مانند مادون قرمز یا لیزر)، صدا (التراسونیک)، مغناطیسی (اثر هال)، خازنی و غیره پیاده سازی کرد. برخی از کاربردهای حسگرهای مجاورتی عبارتند از: تلفن همراه، اتومبیل (حسگر پارک)، صنایع (تراز اشیاء) و نزدیکی زمین در هواپیما.
سنسور مادون قرمز (سنسور IR)
سنسورهای مادون قرمز یا IR سنسورهای مبتنی بر نور هستند که در کاربردهای مختلفی مانند تشخیص نزدیکی و تشخیص اشیا استفاده می‌شوند. حسگرهای IR به عنوان حسگر مجاورتی تقریباً در همه تلفن های همراه استفاده می شوند. دو نوع سنسور مادون قرمز یا IR وجود دارد: نوع انتقالی و نوع انعکاسی.
در سنسور IR نوع انتقالی، فرستنده IR (معمولا یک LED IR) و آشکارساز IR (معمولا یک فوتودیود) رو به روی یکدیگر قرار می گیرند به طوری که وقتی یک جسم از بین آنها عبور می کند، حسگر، شی را تشخیص می دهد.
نوع دیگر سنسور IR، نوع انعکاسی است. در این حالت فرستنده و آشکارساز در مجاورت یکدیگر رو به روی جسم قرار می گیرند. هنگامی که یک جسم جلوی حسگر می آید، نور مادون قرمز از فرستنده IR از جسم منعکس می شود و توسط گیرنده IR شناسایی می شود؛ بنابراین حسگر جسم را تشخیص می دهد. برخی از کاربردهای مختلفی که حسگر IR در آنها پیاده سازی می شود عبارتند از: تلفن همراه، ربات، مونتاژ صنعتی و خودرو.
سنسور اولتراسونیک (Ultrasonic)
سنسور اولتراسونیک یک دستگاه غیر تماسی است که می تواند برای اندازه گیری فاصله و همچنین سرعت یک جسم مورد استفاده قرار گیرد. سنسور اولتراسونیک بر اساس خواص امواج صوتی با فرکانسی بیشتر از محدوده قابل شنیدن انسان کار می کند. با استفاده از زمان پرواز موج صوتی، یک حسگر اولتراسونیک می تواند فاصله جسم را اندازه گیری کند (مشابه SONAR). اثر دوپلر موج صوتی برای اندازه گیری سرعت یک جسم استفاده می شود.
حسگر روشنایی
سنسورهای نور که گاهی اوقات به عنوان سنسور عکس نیز شناخته می شوند، یکی از حسگرهای مهم هستند. یک حسگر نور ساده که امروزه موجود است، مقاومت وابسته به نور یا LDR است. خاصیت LDR این است که مقاومت آن با شدت نور محیط نسبت معکوس دارد، یعنی زمانی که شدت نور افزایش می یابد، مقاومت آن کاهش می یابد و برعکس.
با استفاده از مدار LDR می توانیم تغییرات مقاومت آن را برای اندازه گیری شدت نور کالیبره کنیم. دو سنسور نور دیگر (یا حسگر عکس) وجود دارد که اغلب در طراحی سیستم های الکترونیکی پیچیده استفاده می شود. آنها فوتودیود و فوتوترانزیستور هستند؛ که همه از جمله سنسورهای آنالوگ می باشند.
سنسور گاز و دود
یکی از سنسورهای بسیار مفید در کاربردهای مرتبط با ایمنی، سنسورهای دود و گاز هستند. تقریباً تمامی ادارات و صنایع، مجهز به چند حسگر تشخیص دود هستند که هر دودی (در اثر آتش سوزی) را تشخیص داده و زنگ هشدار را به صدا در می آورند. سنسورهای گاز بیشتر در آزمایشگاه ها، آشپزخانه ها و صنایع در مقیاس بزرگ رایج هستند. آنها می توانند گازهای مختلفی مانند LPG، پروپان، بوتان، متان (CH4) و غیره را شناسایی کنند. امروزه حسگرهای دود (که اغلب می توانند دود و گاز را نیز تشخیص دهند) به عنوان یک اقدام ایمنی در اکثر خانه ها نصب می شوند. به عنوان مثال هشداردهنده یا سنسور مونوکسید کربن، حسگری است که وجود گاز کربن مونوکسید را تشخیص داده و شما را از وجود آن مطلع می کند.
حسگر لمسی یا تاچ
حسگرهای لمسی، همانطور که از نام آن پیداست، لمس انگشت یا قلم را تشخیص می دهند. اغلب سنسورهای لمسی به دو نوع مقاومتی و خازنی طبقه بندی می شوند. تقریباً تمام سنسورهای لمسی مدرن از نوع خازنی هستند زیرا دقیق تر هستند و نسبت سیگنال به نویز بهتری دارند. ما به حسگرهای لمسی اهمیت زیادی نمی دهیم اما آنها بخشی جدایی ناپذیر از زندگی ما شدند. همه دستگاه های دارای صفحه لمسی (مانند تلفن همراه، تبلت، لپ تاپ و غیره) دارای حسگرهای لمسی هستند. یکی رایج ترین کاربردهایی که سنسور لمسی دارد، در پدهای لمسی لپ تاپ هایی است که روزانه با آن ها سر و کار داریم.
سنسور رطوبت
سیستم های نظارت بر آب و هوا، اغلب ارائه دهنده ی داده های مربوط به دما و رطوبت هستند. بنابراین، اندازه گیری رطوبت در بسیاری از کاربردها، یک وظیفه مهم است و حسگرهای رطوبت به ما در دستیابی به این هدف کمک می کنند. اغلب همه حسگرهای رطوبت، رطوبت نسبی (نسبت محتوای آب موجود در هوا به حداکثر پتانسیل هوا برای نگهداری آب) را اندازه گیری می کنند. از آنجایی که رطوبت نسبی به دمای هوا بستگی دارد، تقریباً تمام سنسورهای رطوبت می توانند دما را نیز اندازه گیری کنند. سنسورهای رطوبت به نوع خازنی، نوع مقاومتی و نوع رسانای حرارتی طبقه بندی می شوند. سنسور دما و رطوبت DHT11 و DHT22 دو مورد از سنسورهای رطوبتی هستند که اغلب در جامعه DIY مورد استفاده قرار می گیرند (نوع اولی یک نوع مقاومتی است در حالی که دومی نوع خازنی است).
حسگر شیب
یکی از ساده‌ترین و ارزان‌ترین حسگرهای موجود که اغلب برای تشخیص شیب یا جهت مورد استفاده قرار می گیرد، سنسور شیب است. پیش از این، سنسورهای شیب از جیوه تشکیل شده بودند (و از این رو گاهی اوقات به عنوان سوئیچ های جیوه نامیده می شدند) اما اکثر حسگرهای شیب مدرن حاوی یک توپ غلتکی هستند.
مزایا و معایب حسگرهای مختلف
حال بیایید به مزایای سنسورهای مختلف بپردازیم.
- وقتی صحبت از یک سنسور لمسی می شود، سوراخ محور موجود در ناحیه حسگر ممکن است برای ایجاد سپر خود استفاده شود.
- حسگر رنگ برای تشخیص رنگ، اجتناب از نور محیط و دنبال کردن خطوط شناخته شده است.
- حسگر ژیروسکوپ را می توان برای چرخش دقیق و اندازه گیری چرخش ربات استفاده کرد.
- یک سنسور مادون قرمز به یافتن چراغ و گیرنده از راه دور کمک می کند و برای کار و کمک به اندازه گیری دقیق مجاورت شناخته شده است.
- یک حسگر اولتراسونیک بر حسب سانتی متر اندازه گیری می کند و اندازه گیری دقیق فاصله را فراهم می کند.
اینها نکات مثبت سنسورهای مختلف بود، اجازه دهید معایب سنسورهای مختلف را بدانیم.
- یک مشکل در مورد حسگر لمسی این است که جسم باید قسمت قرمز سنسور را لمس کند و ناحیه حسگر آن کوچک است.
- حسگر رنگ تنها زمانی قابل اعتماد است که در فاصله نزدیک باشد و رنگ روشنی که تشخیص می دهد سفید باشد.
- در مورد حسگر ژیروسکوپی، ربات باید در هنگام وصل بودن ثابت باشد. اما می تواند غیر قابل اعتماد باشد و بارها لمس شود.
- از دیگر معایب سنسورهای مختلف می توان به صدای اولتراسونیک اشاره کرد که ممکن است با سنسور تداخل ایجاد کند.
- سنسور مادون قرمز در FLL مجاز نیست و بر حسب سانتی متر یا اینچ اندازه گیری نمی شود.
