سنسور چیست؟ انواع سنسورها و کاربردهای آنها

مقدمه:

ما در دنیایی از سنسورها زندگی می کنیم. می‌توانید انواع مختلفی از سنسورها را در خانه‌ها، ادارات، ماشین‌ها و زندگی روزمره خود بیابید. به عنوان مثال، روشن شدن چراغ‌های روشنایی با تشخیص حضور ما، تنظیم دمای اتاق، تشخیص دود یا آتش، درست کردن قهوه‌ای لذیذ، باز کردن درب گاراژ با تشخیص حضور ماشین و بسیاری از موارد دیگر تنها بخشی از کاربردهایی است که سنسورها برای ما به ارمغان آورده اند.

قبل از پرداختن به این موضوعات که “سنسور چیست؟”، “انواع مختلف آن کدام است؟” و “هر سنسور چه کاربردهایی دارد؟“؛ ابتدا به بررسی عملکرد یک سیستم خودکار در حضور سنسورها می پردازیم.

کاربرد واقعی سنسورها

مثالی که در اینجا درباره آن صحبت می کنیم، سیستم خلبان خودکار در هواپیماها است. تقریباً تمام هواپیماهای غیرنظامی و نظامی دارای ویژگی سیستم کنترل پرواز خودکار (یا خلبان خودکار) هستند.

یک سیستم کنترل خودکار پرواز از چندین سنسور برای عملکردهای مختلف مانند کنترل سرعت، نظارت بر ارتفاع، ردیابی موقعیت، وضعیت درها، تشخیص موانع، سطح سوخت، مانور و بسیاری از موارد دیگر تشکیل شده است. یک کامپیوتر داده ها را از تمام این سنسورها دریافت و پردازش می کند.

 کامپیوتر بر مبنای مقادیر از پیش تعیین شده برای هریک از وضعیت های ممکن،  سیگنال‌های کنترلی را به بخش‌های مختلف مانند موتورها، فلپ‌ها، سکان‌ها ارسال می‌کند. همان طور که مشاهده کردید، ترکیبی از سنسورها، کامپیوترها و اجزای مکانیکی امکان پرواز هواپیما در حالت خلبان خودکار را فراهم می کنند.

همه پارامترها یعنی سنسورها (که ورودی ها را به رایانه ها می دهند)، رایانه ها (مغز سیستم) و اجزای مکانیکی (خروجی های سیستم مانند موتورها و موتورها) به یک اندازه در ساختن یک سیستم خودکار موفق نقش دارند.

این مثال یک نسخه بسیار ساده شده از سیستم کنترل پرواز است. در واقع، صدها سیستم کنترلی وجود دارد که وظایف منحصر به فردی را برای یک سفر ایمن برعهده دارند.

در این آموزش، ما بر روی بخش سنسور، در یک سیستم تمرکز خواهیم کرد و به مفاهیم مختلف مرتبط با سنسورها (مانند انواع، ویژگی ها، طبقه بندی) خواهیم پرداخت.

سنسور چیست؟

تعاریف متعددی در مورد سنسور وجود دارد، اما من می‌خواهم سنسور را به عنوان یک “دستگاه ورودی“ تعریف کنم که یک خروجی (سیگنال) را با توجه به یک کمیت فیزیکی خاص (ورودی) ارائه می دهد.

اصطلاح “دستگاه ورودی” در تعریف سنسور به این معنی است که سنسور بخشی از یک سیستم کنترلی بزرگتر است. سنسور برای یک سیستم کنترلی اصلی (مانند یک پردازنده یا یک میکروکنترلر) ورودی را فراهم می کند.

یکی دیگر از تعاریف منحصر به فرد سنسور به شرح زیر است:

سنسور، دستگاهی است که سیگنال ها را از یک حوزه انرژی به حوزه الکتریکی تبدیل می کند. برای درک بهتر از چیستی سنسور به تعریف آن در قالب یک مثال می پردازیم.

ساده ترین مثال  برای سنسور، یک LDR یا یک مقاومت وابسته به نور است. LDR تجهیزی است که مقاومت آن با توجه به شدت نوری که در معرض آن قرار می گیرد متفاوت است. وقتی نوری که روی LDR می افتد زیاد باشد، مقاومت آن بسیار کم می شود و وقتی نور کمتر است، مقاومت LDR بسیار زیاد می شود.

می‌توانیم این LDR را به یک تقسیم‌کننده ولتاژ (همراه با سایر مقاومت‌ها) وصل کنیم و  ولتاژ دو سر آن را اندازه بگیریم. ولتاژ دو سر LDR را می توان برحسب میزان نوری که روی آن می افتد، کالیبره کرد.

تا اینجا متوجه شدیم که “سنسور چیست؟“ در ادامه به طبقه بندی سنسورها خواهیم پرداخت.

طبقه بندی سنسورها

دسته بندی های مختلفی از سنسورها توسط کارشناسان مختلف ارائه شده است. برخی بسیار ساده و برخی بسیار پیچیده هستند. طبقه بندی زیر یک طبقه بندی بسیار ساده از سنسورها است.

در طبقه بندی اول سنسورها به دو دسته Active و Passive تقسیم می شوند. سنسورهای فعال آنهایی هستند که به سیگنال تحریک خارجی نیاز دارند. از طرف دیگر، سنسورهای غیرفعال به هیچ سیگنال تحریک خارجی نیاز ندارند و مستقیماً سیگنال خروجی را تولید می کنند.

نوع دیگر طبقه بندی بر اساس ابزار تشخیص در سنسور است. برخی از ابزارهای تشخیص عبارتند از:

• الکتریکی
• بیولوژیکی
• شیمیایی
• رادیواکتیو

طبقه بندی بعدی بر اساس پدیده تبدیل ورودی به خروجی است. برخی از پدیده های تبدیل رایج عبارتند از:

• فوتوالکتریک
• ترموالکتریک
• الکتروشیمیایی
• الکترومغناطیسی
• ترمواپتیک

طبقه بندی نهایی سنسورها، سنسورهای آنالوگ و دیجیتال هستند. سنسورهای آنالوگ یک خروجی آنالوگ، یعنی یک سیگنال خروجی پیوسته (معمولا ولتاژ اما گاهی اوقات مقادیر دیگری مانند مقاومت) با توجه به کمیت اندازه گیری شده تولید می کنند.

سنسورهای دیجیتال بر خلاف سنسورهای آنالوگ با داده های گسسته یا دیجیتال کار می کنند. داده های موجود در سنسورهای دیجیتال که برای تبدیل و انتقال استفاده می شوند، ماهیت دیجیتالی دارند.

انواع مختلف سنسور

در زیر لیستی از انواع سنسورهایی که معمولاً در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند آورده شده است. همه این سنسورها برای اندازه گیری یکی از ویژگی های فیزیکی مانند دما، مقاومت، ظرفیت، رسانایی، انتقال حرارت استفاده می شوند.

• سنسور دما
• سنسور مجاورت
• شتاب سنج
• سنسور مادون قرمز
• سنسور فشار
• سنسور روشنایی
• سنسور اولتراسونیک
• سنسور دود، گاز و الکل
• تاچ سنسور
• سنسور رنگ
• سنسور رطوبت
• سنسور موقعیت
• سنسور مغناطیسی (سنسور اثر هال)
• میکروفون (سنسور صدا)
• سنسور شیب
• سنسور جریان و سطح
• سنسور PIR
• سنسور فشار و وزن

در ادامه به بررسی چند مورد از سنسورهای فوق خواهیم پرداخت. اگر علاقمند به این موضوعات هستید موارد را با ما در میان بگذارید تا به بررسی موارد بیشتر با جزییات دقیق تر بپردازیم.

سنسور دما

یکی از رایج ترین و محبوب ترین سنسورها، سنسور دما است. سنسور دما همانطور که از نامش پیداست، دما را حس می کند، یعنی تغییرات دما را اندازه گیری می کند.

انواع مختلفی از سنسورهای دما مانند آی سی های سنسور دما (مانند LM35، DS18B20)، ترمیستورها، ترموکوپل ها، RTD (دستگاه های مقاومتی دمایی) وجود دارد.

سنسورهای دما می توانند آنالوگ یا دیجیتال باشند. در یک سنسور دمای آنالوگ، تغییرات دما منجر به تغییر در ویژگی فیزیکی سنسور مانند مقاومت یا ولتاژ می شود. LM35 یک سنسور دمای آنالوگ کلاسیک است.

در سنسورهای دمای دیجیتال، خروجی یک مقدار دیجیتال گسسته است. DS18B20 یک سنسور دمای دیجیتال ساده است.

سنسورهای دما در جاهای مختلف از جمله در کامپیوتر، تلفن همراه، خودرو، سیستم های تهویه مطبوع، صنایع استفاده می شوند.

سنسور دمای MAC-DT1 تولیدی شرکت فراروپایا است. این سنسور در دسته بندی گفته شده جز سنسورهای دیجیتال دارای خروجی مدباس است.

سنسورهای مجاورت

سنسور مجاورت یک سنسور غیر تماسی است که وجود یک شی را تشخیص می دهد. سنسورهای مجاورت را می توان با استفاده از تکنیک های مختلف مانند نوری (مانند مادون قرمز یا لیزر)، صدا (التراسونیک)، مغناطیسی (اثر هال)، خازنی پیاده سازی کرد.

از کاربردهای سنسورهای مجاورتی می توان به استفاده از آن در تلفن همراه، اتومبیل (حسگر پارک)، هواپیما و صنایع مختلف اشاره کرد.

سنسور مادون قرمز (سنسور IR)

سنسورهای مادون قرمز، سنسورهای مبتنی بر نور هستند که در کاربردهای مختلفی مانند تشخیص نزدیکی و تشخیص اشیا استفاده می‌شوند. سنسورهای IR به عنوان سنسور مجاورت تقریباً در همه تلفن های همراه یافت می شوند.

دو نوع سنسور مادون قرمز یا IR وجود دارد: نوع انتقالی (Transmissive) و نوع بازتابی (Reflective). در سنسور IR نوع Transmissive، فرستنده IR  و آشکارساز IR رو به روی یکدیگر قرار می گیرند به طوری که وقتی یک جسم از بین آنها عبور می کند، سنسور شی را تشخیص می دهد.

نوع دیگر سنسور IR، بازتابی است. در این حالت فرستنده و آشکارساز در مجاورت یکدیگر رو به روی جسم قرار می گیرند. هنگامی که جسم جلوی سنسور قرار می گیرد، نور مادون قرمز از فرستنده IR از جسم منعکس شده و توسط گیرنده IR شناسایی می شود. در نتیجه سنسور جسم را تشخیص می دهد.

از کاربردهای سنسور IR می توان به استفاده از آن در تلفن همراه، ربات، خطوط مونتاژ صنعتی و خودرو اشاره کرد.

سنسور اولتراسونیک

سنسور اولتراسونیک یک تجهیز غیر تماسی است که می تواند برای اندازه گیری فاصله و همچنین سرعت یک جسم مورد استفاده قرار گیرد. سنسورهای اولتراسونیک بر اساس خواص امواج صوتی با فرکانسی بالاتر از محدوده قابل شنیدن انسان کار می کنند.

سنسور اولتراسونیک بر مبنای خاصیت دوپلر موج کار می کند. طبق این خاصیت هرگاه گیرنده‌ای به سمت یک منبع ساکن که از خود موج صوتی می‌فرستد برود، بسامد صوتی که می‌گیرد بیشتر از وقتی است که نسبت به منبع ساکن باشد (شنونده صدا را زیرتر می‌شنود). و اگر از منبع صوت دور شود، موجی را با بسامد کمتر می‌گیرد (شنونده صدا را بم‌تر می‌شنود). اگر منبع موج نیز از گیرنده دور یا به او نزدیک شود، بسامد صوتی که شنونده می‌شنود نیز به ترتیب کمتر یا بیشتر می‌شود.

سنسور اولتراسونیک به عنوان یک منبع صوتی موجی را ارسال می کند. موج پس از برخورد به جسم بازتاب پیدا می کند. در ادامه موج بازتابی توسط سنسور دریافت می شود. اندازه گیری فاصله سنسور تا شی بر مبنای زمان سپری شده محاسبه می شود.

سنسور نوری

سنسورهای نوری که گاهی اوقات به عنوان Photo Sensor نیز شناخته می شوند. یک سنسور نوری ساده، مقاومت وابسته به نور یا LDR است. LDR  را می توان به صورت یک مقاومت متغیر با نور دانست. به این صورت که مقاومت یک LDR با شدت نور محیط نسبت معکوس دارد، یعنی وقتی شدت نور افزایش می یابد، مقاومت آن کاهش می یابد و  با کاهش نور محیط مقاومت آن افزایش می یابد.

با استفاده از یک مدار می توان تغییرات مقاومت LDR را برای اندازه گیری شدت نور کالیبره کرد. Photo Diode و Photo Transistor دو سنسور نوری دیگری هستند که اغلب در طراحی سیستم های الکترونیکی پیچیده استفاده می شود. این سنسورها در دسته سنسورهای آنالوگ طبقه بندی می شوند.

همچنین سنسورهای نور دیجیتال مانند BH1750 و TSL2561 وجود دارند که می توانند شدت نور را محاسبه کرده و مقدار معادل دیجیتالی را ارائه دهند.

سنسورهای دود و گاز

یکی از سنسورهای بسیار مفید در کاربردهای مرتبط با ایمنی، سنسورهای دود و گاز هستند. تقریباً تمامی ادارات و صنایع، مجهز به چند تشخیص دهنده دود هستند که هر دودی (در اثر آتش سوزی) را تشخیص داده و زنگ خطر 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 سنسورهای دود (که اغلب می توانند دود و گاز را نیز تشخیص دهند) به عنوان یک اقدام ایمنی در اکثر خانه ها نصب می شوند.

سری سنسورهای “MQ” مجموعه ای از سنسورهای ارزان قیمت برای تشخیص CO، CO2، CH4، الکل، پروپان، بوتان، LPG و غیره هستند. شما می توانید از این سنسورها برای ساختن اپلیکیشن سنسور دود خود استفاده کنید.

سنسور الکل

همانطور که از نام آن پیداست، یک سنسور الکل، الکل را تشخیص می دهد. معمولاً از حسگرهای الکل در دستگاه های تنفس سنجی استفاده می شود که مست بودن یا نبودن فرد را مشخص می کند.

تاچ سنسور

ما به سنسورهای لمسی اهمیت زیادی نمی دهیم اما آنها بخشی جدایی ناپذیر از زندگی ما شدند. خواه ندانید، همه دستگاه های صفحه لمسی (تلفن همراه، تبلت، لپ تاپ و غیره) دارای حسگرهای لمسی هستند. یکی دیگر از کاربردهای رایج سنسور لمسی، پدهای لمسی در لپ‌تاپ‌های ما است.

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.

سنسور رنگ

سنسور رنگ یک تجهیز مفید در ساخت اپلیکیشن های حسگر رنگ در زمینه پردازش تصویر، شناسایی رنگ، ردیابی اشیاء است. TCS3200 یک سنسور رنگ ساده است که می‌تواند هر رنگی را تشخیص داده و موج مربعی متناسب با طول موج رنگ شناسایی شده تولید کند.

سنسور رطوبت

اگر سیستم های نظارت بر آب و هوا را ببینید، اغلب داده های دما و رطوبت را ارائه می دهند. بنابراین، اندازه گیری رطوبت در بسیاری از کاربردها یک وظیفه مهم است و سنسورهای رطوبت به ما در دستیابی به این امر کمک می کنند.

اغلب سنسورهای رطوبت، رطوبت نسبی را اندازه گیری می کنند. از آنجایی که رطوبت نسبی به دمای هوا بستگی دارد، تقریباً تمام سنسورهای رطوبت می توانند دما را اندازه گیری کنند. MAC-DTH1 یک سنسور دما و رطوبت نسبی دیجیتال است. این سنسور ساخت شرکت فراروپایا است و امکان ارسال اطلاعات به صورت خروجی مدباس را دارد.

سنسورهای رطوبت به صورت خازنی، مقاومتی و رسانای حرارتی طبقه بندی می شوند. DHT11 و DHT22 دو مورد از سنسورهای رطوبتی هستند. ( اولی یک نوع مقاومتی است در حالی که دومی نوع خازنی است).

برای بررسی و مطالعه بیشتر در خصوص سنسورهای رطوبت مقاله ” بررسی انواع و عملکرد سنسورهای رطوبت” را مطالعه کنید.