سنسور چیست و انواع سنسور ( فشار ، گاز ، مادون قرمز ، اولتراسونیک ، رنگ ، اثر هال …)

انواع سنسور ها را در این مقاله آموزشی باهم برسی میکنیم. البته اجازه دهید ابتدا در مورد تعریف سنسور باهم صحبت کنیم. و در ادامه به برسی انواع سنسور های پرکابرد می‌پردازیم.

انواع سنسور ها

سنسور چیست؟

سنسور می تواند به عنوان وسیله ای تعریف شود که می تواند برای حس کردن یا تشخیص دادن کمیت فیزیکی شبیه نیرو، فشار، کشش، نور و غیره استفاده شود و سپس آن را به خروجی مطلوبی مانند سیگنال الکتریکی تبدیل می کند تا کمیت فیزیکی اعمال شده را اندازه گیری کند. درچند مورد،  یک سنسور ممکن نیست به تنهایی برای تحلیل کردن سیگنال به دست آمده، کافی باشد. در آن نمونه ها یک سیستم شایسته سازی سیگنال برای حفظ ولتاژ خروجی سنسور در محدوده مورد نظر با توجه به دستگاه نهایی که ما استفاده می کنیم، استفاده شده است.

در واحد آماده سازی سیگنال، خروجی سنسور ممکن است، تقویت شود، فیلتر شود و یا به ولتاژ خروجی مورد نظر تغییرداده شود. برای مثال، اگر میکروفونی را در نظر بگیریم که سیگنال صدا را تشخیص می دهد و به ولتاژ خروجی تبدیل می کند (که بر حسب میلی ولت است)،  برای راه اندازی یک مدار خارجی سخت می شود. بنابراین یک واحد شایسته سازی خروجی یعنی یک تقویت کننده برای افزایش قدرت سیگنال استفاده می شود. اما سیگنال متناسب شده برای همه ی سنسورها شبیه دیود حساس به نور، LDR و غیره لازم نیست.

اکثر سنسورها نمی توانند به صورت مستقل کار کنند. بنابراین ولتاژ ورودی کافی باید به آن اعمال شود. سنسور های متفاوت رنج کاری متفاوتی دارند که باید در حین کار کردن با آنها در نظر گرفته شود درغیر این صورت سنسور ممکن است دائما خراب شود.

انواع سنسور ها

به ما اجازه دهید تا انواع سنسور هایی که در مغازه ها وجود دارند را ببینیم و درباره ی کاربرد ها، نحوه کار،عملکردشان و… صحبت کنیم.

سنسور IR ( ال ای دی IR )

IR LED ، فرستنده IR هم نامیده می شود. آن برای ساطع کردن پرتو های فروسرخ استفاده می شود. محدوده این فرکانس ها بزرگتر از فرکانس های مایکروویو است. (یعنی بزرگتر از300 GHz  تا چند صد THz). پرتو های تولید شده با ال ای دی فروسرخ می توانند به وسیله ی فوتودیود (دیود حساس به نور) که در زیر توضیح داده شده است، احساس شوند. به جفت IR LED و دیود نوری  سنسور IR  گفته می شود. اینجا چگونگی کار یک سنسور IR وجود دارد.

فوتو دیود  (دیود حساس نسبت به نور ، سنسور نور )

دیود حساس نسبت به نور یک دستگاه نیمه هادی است که برای تشخیص پرتوهای نور استفاده می شود و اغلب به عنوان گیرنده IR استفاده می شود. ساختار آن شبیه یک دیود پیوند P-N معمولی است، اما قاعده کلی  طرز کار آن متفاوت است. همانطور که می دانیم یک پیوند P-N ، وقتی که در بایاس معکوس است، جریان نشتی کمی از آن عبور می کند. بنابراین از این ویژگی برای تشخیص پرتوهای نور استفاده می شود. یک دیود حساس نسبت به نور به طریقی ساخته شده است که پرتوهای نور باید بر روی پیوند P-N بیفتند که باعث افزایش جریان نشتی بر اساس شدت نوری که اعمال می شود، شوند. بنابراین به این روش یک سنسور نوری می تواند برای سنجش پرتو های نوری استفاده شود و جریان را در مدار نگه دارد.

با استفاده از یک فوتو دیود (دیود حساس نسبت به نور) ما می توانیم یک لامپ خیابان اتوماتیک اساسی بسازیم که وقتی که شدت نورخورشید کاهش می یابد، روشن می شود. اما فوتو دیود حتی اگر مقدار کمی نور بر روی آن بیفتد همانگونه کار می کند. باید مراقب باشید.

LDR ( مقاومت تابع نور )

همانطور که نامش مشخص می کند LDR مقاومتی است که مقدار آن تابع شدت نور است. آن بر اساس اصل رسانایی نوری کار می کند، که به معنای رسانایی به سبب نور است. آن به طور کلی از سولفید کادمیوم ساخته شده است. وقتی که نور بر روی LDR می افتد، مقاومتش کاهش می یابد و شبیه یک رسانا عمل می کند و وقتی که هیچ نوری بر روی آن نمی افتد، مقاومتش تقریبا  درحدود MΩ است یا به طور ایدآل شبیه مدار باز عمل می کند. نکته ای که باید درباره ی LDR در نظر گرفته شود این است که آن اگر نور دقیقا بر سطحش متمرکز نباشد ، (نسبت به نور) پاسخ نمی دهد.

با استفاده کردن از مداراتی مناسب مانند ترانزیستور، آن می تواند برای تشخیص نور ، استفاده شود. یک (مدار) بایاس تقسیم مقاومتی ترانزیستور با R2 (مقاومت بین بیس و امیتر) که  با LDR جایگزین شده است ، می تواند به عنوان یک تشخیص دهنده نور کار کند. ایجا مدارات مبتنی بر LDR را بررسی کنید.

• آموزش ساخت ردیاب خورشید با آردوینو و استپر موتور و مقاومت نوری

مقاومت گرمایی ( سنسور دما )

یک مقاومت گرمایی می تواند برای تشخیص تغییرات دما استفاده شود. آن یک ضریب دمایی منفی دارد که بدین معناست که وقتی که دما افزایش می یابد، مقاومت کم می شود. بنابراین مقاومت مقاومت گرمایی می تواند با افزایش دما تغییر کند که سبب جاری شدن جریان بیشتری در آن می شود. این تغییر در جریان الکتریکی می تواند برای تشخیص اندازه تغییر دما، استفاده شود. یک کاربرد مقاومت حرارتی این هست که برای تشخیص افزایش دما و کنترل جریان نشتی در مدار ترانزیستور استفاده می شود که به پایدار نگه داشتن آن کمک می کند.

ترموکوپل ( سنسور دما )

قطعه دیگری که می تواند تغییرات دما را تشخیص دهد، ترموکوپل است. در ساختمان آن،  دو فلز متفاوت برای ایجاد یک نقطه اتصال به یکدیگر متصل شده اند. قاعده اصلی آن، این است که نقطه اتصال دو فلز گرم می شود یا در معرض دماهای بالا قرار می گیرد ، پتانسیلی بین پایانه هایشان تغییر می کند. بنابراین، پتانسیل متغیر، می تواند برای اندازه گیری تغییر دما ، استفاده شود.

فشارسنج ( سنسور نیرو/ فشار )

یک فشار سنج برای اندازه گیری فشار وقتی که باری اعمال می شود، استفاده می شود. آن برمبنای قانون مقاومت کار می کند، ما می دانیم که مقاومت به طور مستقیم با طول سیم و به طور معکوس با مساحت سطح مقطع آن متناسب است (R=ρl/a) . همان قانونی که اینجا برای اندازه گیری بار می تواند استفاده شود. بر روی یک تخته قابل انعطاف، یک سیم در حالت zig-zang همانطور که در شکل زیر نشان داده شده ، مرتب شده است. بنابراین وقتی که به آن تخته مخصوص فشار اعمال می شود، آن در جهتی خم می شود که باعث تغییر در طول کلی  و مساحت سطح مقطع سیم می شود. این به تغییر در مقاومت سیم منجر می شود. بنابراین مقاومت به دست آمده بسیار جزئی (چند اهم ) است، که به کمک پل ویتستون تعیین می شود.  فشارسنج در یکی از چهار بازوی یک پل با ثابت بودن مقادیر باقیمانده، قرار داده می شود. بنابراین وقتی که فشار به آن اعمال می شود، مقاومت تغییر می کند، جریان عبوری از پل تغییر می کند و فشار می تواند محاسبه شود.

فشارسنج به طور گسترده ای برای محاسبه اندازه فشاری که یک بال هواپیما می تواند تحمل کند، استفاده می شود و آن همچنین برای اندازه گیری تعداد وسایل تقلیه ی مجاز بر روی یک جاده خاص و ..استفاده می شود.

لود سل ( سنسور وزن )

لودسل ها (Load Cells)  شبیه فشارسنج ها هستند که یک کمیت فیزیکی مانند نیرو را اندازه گیری می کنند و خروجی را به شکل سیگنال های الکتریکی می دهند. وقتی که فشاری بر لودسل ها (Load Cells) اعمال می شود، آن ساختار تغییر می کند و سبب تغییر در مقاومت می شود و نهایتا مقدار آن می تواند با استفاده از یک پل ویتستون کالیبره شود. اینجا پروژه ای درباره ی چگونگی اندازه گیری وزن با استفاده از لودسل ها (Load Cells)  وجود دارد.

پتانسیومتر

پتانسیومتر برای تشخیص موقعیت استفاده می شود. آن به طور کلی محدوده مختلفی از مقاومت های متصل به قطب های مختلف سویچ دارد. یک پتانسیومتر می تواند از نوع خطی یا دوار باشد. در نوع دوار ، یک جاروب کننده به شفت بلندی متصل شده است که می تواند چرخانده شود. وقتی که شفت چرخانده می شود موقعیت جاروب کننده تغییر می کند که مقاومت برایند تغییر می کند و سبب تغییر  ولتاژ خروجی می شود. بنابراین خروجی می تواند برای تشخیص تغییر وضعیتش کالیبره شود.

 برای اطلاعات بیشتر در مورد پتانسیومترها  :  انواع مقاومت های الکتریکی و کاربرد آنها

اینکودر

برای یافتن تغییر موقعیت، یک اینکودر هم می تواند استفاده شود. آن یک صفحه قابل چرخش دایره ای دارد، مثل ساختاری با سوراخ های خاص در بین آن که وقتی پرتو های IR یا پرتوهای نور از میان آن عبور می کنند آن فقط تعدادی از پرتوهای نور تشخیص داده می شوند. به علاوه این پرتوها به داده ای دیجیتال (بر حسب باینری) رمز گذاری شده اند که مربوط به موقعیت خاصی است.

سنسور هال

نام خود آن به تنهایی بیان می کند که آن سنسوری است که بر اساس اثر هال کار می کند. آن می تواند بدین صورت تعریف شود که وقتی  یک میدان مغناطیسی به رسانای حامل جریان (عمود بر جهت میدان مغناطیسی)  نزدیک شده است، آنگاه اختلاف پتانسیلی در طول رسانای داده شده ایجاد می شود. با استفاده از این ویژگی یک سنسور هال برای نمایان ساختن میدان مغناطیسی استفاده می شود و خروجی را برحسب ولتاژ می دهد. باید دقت شود که سنسور هال فقط می تواند یکی از قطب های مغناطیس را نمایان سازد.

سنسور هال در تعداد  کمی از گوشی های هوشمند استفاده شده است که در خاموش کردن صفحه نمایش وقتی که در کاور (که مغناطیس در آن وجود دارد) بر روی صفحه نمایش بسته می شود، کمک می کند.

• راه اندازی سنسور اثر هال با آردوینو
• راه اندازی موتور براشلس با سنسور اثر هال

سنسور FLEX

یک سنسور FLEX مبدلی است که زمانی که شکل آن تغییر داده می شود یا زمانی که آن خم شده است، مقاومتش تغییر می کند. یک سنسور شار به بلندی 2.2  اینچ یا طول انگشت است. سنسور FLEX  در شکل نمایش داده شده است. به سادگی صحبت کردن مقاومت ترمینال سنسور زمانی که خم می شود افزایش می یابد. زمانی که آن خم می شود، این تغییر در مقاومت می تواند خوب عمل نکند مگر این که ما بتوانیم آنها را بخوانیم. کنترل کننده ی بر روی دست تنها می تواند تغییرات ولتاژ را بخواند و نه چیز کمتری را. برای همین ما قصد داریم از مدار تقسیم  ولتاژ استفاده کنیم، بنابراین ما می توانیم تغییر مقاومت را به عنوان تغییر ولتاژ بدست آوریم. اینجا درباره یراه اندازی سنسور Flex با میکروکنترلر AVR یاد بگیرید.

میکروفون ( سنسور صدا )

میکروفون را در تمام گوشی های هوشمند یا موبایل ها می توان دید. آن می تواند سیگنال صوتی را تشخیص دهد و به ولتاژ کوچک ( mv) سیگنال های الکتریکی تبدیل کند. یک میکروفن می تواند یکی از انواع بسیاری شبیه میکروفون خازنی، میکروفون کریستالی، میکروفون کربنی و…باشد. هر نوعی از میکروفون بر اساس مشخصاتی شبیه ظرفیت الکتریکی( توان )، اثر پیزوالکتریک و مقاومت کار می کنند.

اجازه دهید عملکرد میکروفون کریستالی را ببینیم که بر مبنای اثر ‍‍‍‍‍‍پیزوالکتریک کار می کند. یک کریستال بیومورف استفاده می شود که تحت فشار یا ارتعاش ولتاژ متغیر متناسب تولید می کند.

یک دیافراگم از طریق پین متحرک به کریستال متصل شده است، به طوری که وقتی سیگنال صدا به دیافراگم برخورد می کند آن به جلو وعقب حرکت می کند، این حرکت موقعیت پین متحرک را تغییر می دهد که موجب ارتعاش در کریستال می شود و در نتیجه ولتاژ متناوب نسبت به سیگنال صدا اعمال شده ایجاد می شود. ولتاژ به دست آمده برای افزایش توان کلی سیگنال به یک تقویت کننده داده می شود.

سنسور فراصوت یا اولتراسونیک

فراصوت چیزی جز محدوده ای از فزکانس ها نیست. محدوده آن بزرگتر از محدوده ی شنوایی یعنی بزرگتر از 20kHz است. بنابراین حتی روشن است که ما نمی توانیم این سیگنال های صدا را احساس کنیم. تنها اسپیکر های خاص و گیرنده ها می توانند آن امواج فراصوت را دریافت کنند.این سنسور فراصوت برای محاسبه ی مسافت بین فرستنده فراصوت و هدف استفاده می شود و برای اندازه گیری سرعت هدف هم استفاده می شود. سنسور فراصوت HC-SR04، می تواند فاصله را در محدوده ی 2cm-400cm با دقت 3mm اندازه گیری کند. بیایید نحوه کار این ماژول را ببینیم. ماژول
HC-SR04 ارتعاش صوتی را در محدوده فراصوت ایجاد می کند وقتی که ما پین “Trigger” را برای حدود 10us افزایش می دهیم، که 8 تناوب صوتی، پشت سر هم در سرعت صدا ارسال می شود و بعد از برخورد با هدف (شیئ)، آن با پین اکو دریافت خواهد شد. بسته به زمان مصرف شده برای بازگشت ارتعاش صدا، آن خروجی پالس مناسب را فراهم می کند. ما می توانیم فاصله هدف را براساس زمان گرفته شده به وسیله ی موج فراصوت برای برگشت به سنسور، محاسبه کنیم.

کاربرهای زیادی با سنسور فراصوت وجود دارد. ما می توانیم از آن برای اجتناب از موانع در ماشین های اتوماتیک، ربات های متحرک و… استفاده کنیم. همین اصل در رادار ها برای تشخیص هواپیما ها و موشک های مزاحم استفاده می شود. پشه می تواند صداهای فراصوت را احساس کند، بنابراین امواج فراصوت می توانند به عنوان دافع پشه استفاده شوند.

سنسور لمسی یا تاچ

در این نسل ما می توانیم بگوییم که تقریبا همه از تلفن های هوشمندی استفاده می کنند که صفحه ی پهنی دارند که می تواند دست زدن ما را احساس کند، بنابراین بیایید ببینیم که این صفحه ی لمسی چطور کار می کند. به طور اساسی دو نوع سنسور لمسی وجود دارد، سنسور های لمسی  خازنی و مقاومتی . بیایید در مورد چگونگی کار این سنسور ها به طور مختصر بدانیم .

صفحه های لمسی مقاومتی، یک صفحه مقاومتی در پایه و یک صفحه رسانا زیر صفحه موبایل دارند. هر دوی اینها به وسیله ی یک فاصله ی هوایی با ولتاژ کوچک اعمال شده به صفحات، جدا شده اند.

وقتی که ما صفحه نمایش را لمس می کنیم یا فشار می دهیم صفحه رسانا در یک نقطه به صفحه مقاومتی می رسد، سبب جاری شدن جریان الکتریکی در آن نقطه مشخص می شود، نرم افزار موقعیت را دریافت می کند و عملیات مربوطه را انجام می شود.

در حالی که صفحه لمسی خازنی بر مبنای بار الکترواستاتیکی کار می کند که بر روی بدن ما وجود دارد. صفحه نمایش هم اکنون با تمام میدان الکتریکی شارژ شده است. وقتی که ما صفحه نمایش را لمس می کنیم به سبب بار الکترواستاتیکی که از میان بدن مان جریان می یابد، یک مدار بسته تشکیل می شود. به علاوه، نرم افزار، موقعیت را انتخاب می کند  و عملیات باید اجرا شود. ما می توانیم ببینیم که آن صفحه خازنی وقتی که دست با دستکش پوشانده می شود، کار نمی کند چون که اتصالی بین انگشتان و صفحه نمایش وجود ندارد.

سنسور PIR

سنسور PIR عبارت است از Passive Infrared Sensor ( سنسور فروسرخ پسیو ) . برای تشخیص حرکت انسان ها، حیوانات یا اشیا استفاده شده است. ما می دانیم که پرتوهای فروسرخ، خاصیت انعکاس دارند. وقتی که یک پرتو فروسرخ به هدفی  برخورد می کند بسته به دمای هدف، مشخصات پرتو فروسرخ تغییر می کند. این سیگنال دریافت شده حرکت اشیاء یا موجودات زنده را نمایان می کند. حتی اگر شکل شیئ تغییر کند، مشخصات پرتو های فروسرخ بازتابیده می تواند اشیاء را به طور دقیق متمایز کند. اینجا نحوه کار کامل سنسور PIR هست.

شتاب سنج ( سنسور شتاب )

یک سنسور شتاب سنج می تواند شتاب یا حرکت آن را در جهتی خاص احساس کند. آن بر اساس نیروی شتاب، کار می کند که به سبب گرانش زمین ایجاد شده است. قسمت های داخلی بسیار کوچک آن چنان حساس هستند که آنها به تغییر خارجی کوچکی در موقعیت عکس العمل نشان می دهند. آن یک کریستال پیزوالکتریک دارد، وقتی که کج می شود، اختلالی در کریستال ایجاد می کند و پتانسیلی تولید می کند که موقعیت دقیق نسبت به محور های X، Y و Z را تعیین می کند.

اینها معمولا در موبایل و لپ تاپ دیده می شود تا از شکستن پردازنده ها جلوگیری شود. وقتی که دستگاه می افتد، شتاب سنج وضعیت افتادن را تشخیص می دهد و عمل مربوطه را بر طبق نرم افزار انجام می دهد. اینجا توضیحات بیشتر در مورد سنسورهای شتاب سنج وجود دارد.

سنسور گاز

در کاربرد های صنعتی سنسور های گاز نقش مهمی در تشخیص نشتی گاز ایفا می کنند. اگر چنین دستگاهی در این مناطق نصب نگردد، در نهایت منجر به یک فاجعه باور نکردنی خواهد شد. این سنسور های گاز بر اساس نوع گازی که تشخیص می دهند به انواع مختلفی دسته بندی شده اند. بیایید نحوه کار این سنسور را ببینیم.  در زیر ورق فلزی عنصر حسگری وجود دارد که به پایانه هایی متصل شده است که جریان به آنها اعمال می شود. هنگامی که ذرات گاز به عنصر حساس رسیدند آن برخورد منجر به یک واکنش شیمیایی می شود که مقاومت عناصر تغییر می کند و جریان عبوری از آن نیز تغییر می کند که در نهایت می تواند گاز را تشخیص دهد.

بنابراین در نهایت می توان نتیجه گرفت که  انواع سنسور ها نه تنها برای ساده کردن کار ما  برای اندازه گیری مقادیر فیزیکی و ساختن دستگاه های اتوماتیک استفاده می شوند، بلکه برای کمک به موجودات زنده  در بلایا هم  مورد استفاده قرار می گیرند.

ما سعی کردیم در این مقاله اکثر انواع سنسور های پرکاربرد را پوشش دهیم و البته ده ها نوع سنسور دیگر نیز وجود دارد که پایه و اساس عملکردشان تقریبا مشابه است. در ادامه می‌توانید  ژیروسکوپ چیست؟ معرفی سنسور های ژیروسکوپ و کاربرد آن‌ها را نیز بخوانید. همچنین #نظر یادتون نظره.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.