سنسورها یکی از بنیادیترین عناصر در ساختار سیستمهای اتوماسیون صنعتی، دستگاههای کنترل، تجهیزات اندازهگیری و خطوط تولید مدرن هستند. با توسعه فناوری و نیاز روزافزون صنایع به دقت بیشتر، سرعت بالاتر و قابلیت اطمینان بیشتر، نقش سنسورها در فرایندهای صنعتی بطور چشمگیری افزایش یافته است. اساس کار هر سیستم کنترلی، چه کوچک و چه بزرگ، بر مبنای دریافت اطلاعات صحیح از محیط است؛ و این اطلاعات تنها زمانی معتبر هستند که توسط سنسورهای دقیق و پایدار اندازهگیری شوند.
بطور کلی، سنسور دستگاهی است که یک کمیت فیزیکی، شیمیایی یا محیطی را دریافت کرده و آن را به سیگنالی قابل پردازش معمولاً الکتریکی تبدیل میکند. این کمیت میتواند دما، فشار، نیرو، جابجایی، رطوبت، نور، جریان سیال، حضور جسم، شدت میدان مغناطیسی و بسیاری موارد دیگر باشد. اگر اندازهگیری این کمیتها دقیق و تکرارپذیر نباشد، تمام ساختار کنترلی یک سیستم ممکن است دچار اختلال شود. به همین دلیل شناخت ساختار، ویژگیها و محدودیتهای سنسورها برای مهندسان و تکنسینهای حوزه برق صنعتی، ابزار دقیق و اتوماسیون ضروری است.
یکی از مفاهیم اساسی در تحلیل و انتخاب سنسورها، تابع انتقال است. تابع انتقال رابطهای ریاضی است که نشان میدهد بین ورودی سنسور (Stimulus) و خروجی آن (Output Signal) چه ارتباطی برقرار است. این تابع معمولاً به صورت نمودار یا معادله نمایش داده میشود.
در حالت ایدهآل، بسیاری از سنسورها رفتار کاملاً خطی دارند؛ یعنی اگر مقدار ورودی دو برابر شود، خروجی نیز دو برابر میشود. اما در دنیای واقعی، خطی بودن تنها یک تقریب است و بهدلیل وجود تلرانس ساخت، خطاهای مواد، تغییرات دمایی و محدودیتهای طراحی، رفتار واقعی سنسور از خط مستقیم منحرف میشود. همین تفاوت میان حالت ایدهآل و واقعی، منشأ بسیاری از خطاهای اندازهگیری است.
برای مثال در یک سنسور جابجایی با محدوده اندازهگیری ۱۰ میلیمتر، ممکن است در نقطهای خاص خطا به ۰.۵ میلیمتر برسد. این خطا در ظاهر کوچک است، اما برای سیستمهایی با دقت بالا مثل کنترل موقعیت سرووموتورها، رباتیک یا تجهیزات بستهبندی قابلقبول نیست. بنابراین در مشخصات فنی سنسورها معمولاً پارامتری به نام Accuracy Limit ارائه میشود که محدوده خطا را نسبت به منحنی ایدهآل نشان میدهد.
مهندسان در عمل هنگام استفاده از یک سنسور، در واقع با تابع انتقال واقعی (Real Transfer Function) سروکار دارند و نه منحنی ایدهآل. شناخت این تفاوت برای تحلیل خطا و انتخاب صحیح سنسور اهمیت حیاتی دارد.
هر سنسور صرفنظر از نوع و تکنولوژی ساخت، مجموعهای از ویژگیها دارد که تعیین میکند آیا برای یک کاربرد صنعتی مناسب است یا خیر. مهمترین ویژگیها عبارتاند از:
حساسیت میزان تغییر خروجی سنسور نسبت به واحد تغییر ورودی است.
سنسورهایی با حساسیت بالا برای اندازهگیری تغییرات بسیار کوچک مناسباند؛ مانند سنسورهای فشار دقیق یا شتابسنجهای MEMS.
دقت نشان میدهد اندازهگیری چقدر به مقدار واقعی نزدیک است.
در صنعت، دقت معمولاً بهصورت درصدی از بازه کل بیان میشود.
سنسور باید در اندازهگیریهای متعدد تحت شرایط ثابت، خروجی یکسانی تولید کند.
این ویژگی در سیستمهای کیفیتمحور بسیار حیاتی است.
در محیطهای صنعتی مثل سردخانهها، کارخانجات مواد غذایی و پتروشیمی، عوامل محیطی باعث تغییر رفتار سنسور میشوند. پایداری بلندمدت نشان میدهد سنسور پس از ماهها یا سالها چقدر از مشخصات اولیه خود منحرف شده است.
در سیستمهای سریع مانند ماشینآلات بستهبندی، رباتیک یا خطوط مونتاژ، سنسور باید در مدت زمان کوتاهی به تغییرات پاسخ دهد.
برای مثال سنسورهای نوری سرعت پاسخ میلیثانیهای دارند؛ در حالی که سنسورهای حرارتی ممکن است چند ثانیه زمان نیاز داشته باشند.
در محیطهای صنعتی بهخاطر نویز الکترومغناطیسی، وجود موتورهای قدرتمند و کابلهای طولانی، سنسور باید نسبت به نویز ایمن باشد.
سنسورهای نوری و خازنی معمولاً به نویز مکانیکی حساساند؛ درحالیکه سنسورهای القایی نسبت به میدانهای الکتریکی مقاومتر هستند.
در اتوماسیون صنعتی، کوچکترین خطای سنسور میتواند باعث:
شود. بنابراین انتخاب سنسور باید بر اساس شرایط محیطی، نوع ورودی مورد نیاز، سرعت فرآیند، و نیازهای کنترل انجام شود. توجه به این نکات باعث میشود سیستم به بالاترین سطح پایداری و قابلیت اطمینان برسد.
در بسیاری از پروژههای صنعتی این دو واژه بهجای یکدیگر استفاده میشوند، اما تفاوت مهمی دارند:
در سیستمهای صنعتی مانند سردخانهها، پالایشگاهها و خطوط تولید، معمولاً از ترانسمیترها بهجای سنسورهای خام استفاده میشود تا خطا کاهش یافته و انتقال سیگنال با کابلهای طولانی امکانپذیر باشد.
این بخش پایهایترین اصول عملکرد سنسورها را توضیح دادیم و زمینهای برای ورود به مباحث تخصصیتر فراهم کردیم. شناخت تابع انتقال، ویژگیهای کلیدی، آثار خطا و نحوه انتخاب صحیح سنسور، مقدمهای ضروری برای درک صحیح انواع سنسورها و کاربردهای آنهاست.
در بخش بعد، وارد بررسی دستهبندی کامل سنسورها بر اساس پدیدههای فیزیکی میشویم جایی که مهمترین انواع سنسورها با مثالهای کاربردی معرفی خواهند شد.
سنسورها از نظر پدیدهای که برای اندازهگیری به کار میگیرند، در دستههای گوناگونی قرار میگیرند. هر سنسور بر اساس یک قانون فیزیکی مشخص عمل میکند: تغییر ظرفیت خازنی، تغییر مقاومت، اثر پیزوالکتریک، بازتاب نور، القای الکترومغناطیسی، اختلاف دما، فشار وارده و… . شناخت این اصول به مهندسان صنایع مختلف کمک میکند تا برای هر کاربرد، مناسبترین سنسور را انتخاب کنند. در ادامه، مهمترین دستههای سنسور را بر اساس مبانی فیزیکی و نیازهای اتوماسیون صنعتی بررسی میکنیم.
سنسورهای مکانیکی از سادهترین و قدیمیترین انواع سنسورها هستند و بر اساس جابجایی، فشار، نیرو یا تغییر شکل یک جسم عمل میکنند. این سنسورها در محیطهای صنعتی که شرایط سخت (دما، لرزش، ضربه) وجود دارد، هنوز جایگاه ویژهای دارند.
این سنسورها تغییر مکان، طول، زاویه یا فاصله را اندازهگیری میکنند.
انواع پرکاربرد شامل:
این سنسورها معمولاً بر اساس کرنشسنج (Strain Gauge) عمل میکنند.
در این تکنولوژی، تغییرات بسیار کوچک در طول یک المان فلزی باعث تغییر مقاومت الکتریکی میشود.
کاربردهای صنعتی:
یکی از مهمترین سنسورها در اتوماسیون صنعتی سنسورهای خازنی هستند. اساس کار آنها بر پایه تغییر ظرفیت خازنی بین دو صفحه الکترود است.
وقتی فاصله میان صفحات یا نوع ماده دیالکتریک میان آنها تغییر کند، ظرفیت خازنی تغییر میکند و این تغییر بهعنوان خروجی سنسور تفسیر میشود.
در برخی طراحیها، صفحه هدف میتواند خود جسم مورد اندازهگیری باشد—بهویژه اگر رسانا باشد.
این سنسورها بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی عمل میکنند و تنها اجسام فلزی را تشخیص میدهند.
سنسورهای نوری یکی از گستردهترین گروههای سنسورها هستند. این سنسورها بر اساس رفتار نور بازتاب، جذب، شکست، پراکندگی و تغییر قطبش عمل میکنند.
در صنایع بستهبندی و مواد غذایی، یکی از مشکلات رایج، بازتاب شدید نور از سطوح فلزی مانند قوطی یا فویل است.
در این حالت سنسورهای نوری بهاشتباه حضور جسم را تشخیص میدهند.
در این صورت با استفاده از فیلترهای قطبنده در فرستنده و گیرنده، میتوان بازتابهای ناخواسته را حذف کرد، زیرا نور بازتاب شده از اجسام فلزی قطبش خود را حفظ میکند.
این سنسورها از فیبر نوری برای انتقال یا دریافت نور استفاده میکنند.
بر اساس توضیحات کتاب، این سنسورها در محیطهایی که:
وجود داشته باشد، بسیار مناسباند.
این گروه شامل سنسورهایی است که دما یا تغییرات حرارتی را اندازهگیری میکنند.
کتاب یک فصل کامل به آنها اختصاص داده است.
این سنسورها بهدلیل رفتار غیرخطی و پدیده Self-heating برای اندازهگیری دقیق مناسب نیستند، اما برای:
بسیار مناسباند.
این سنسورها دمای یک جسم را بدون تماس اندازهگیری میکنند.
بر اساس مفهوم تابش حرارتی، انرژی منتشرشده از سطح جسم به دمای آن وابسته است؛ بنابراین سنسورهای IR قادرند دمای سطح اجسام را با سرعت بالا تشخیص دهند.
این سنسورها هر پدیدهای که میدان مغناطیسی را تغییر دهد شناسایی میکنند.
انواع مهم:
این سنسورها کمیتهای شیمیایی مانند غلظت گازها، ترکیبات شیمیایی یا رطوبت را اندازهگیری میکنند.
در این بخش دستههای اصلی سنسورها را بر اساس پدیده فیزیکی عملکردشان بررسی کردیم؛ از سنسورهای مکانیکی و خازنی گرفته تا سنسورهای حرارتی، اپتیکی و مغناطیسی. این دستهبندی پایهای برای انتخاب صحیح سنسور در محیطهای صنعتی پیچیده است.
در بخش بعدی به سنسورهای پیشرفته و تکنولوژیهای نوین مانند فیبر نوری، مادونقرمز، اپتیک دقیق و سنسورهای تصویری میپردازیم.
با پیشرفت فناوری و نیاز صنایع به اندازهگیریهای دقیقتر، سریعتر و در شرایط محیطی دشوارتر، نسل جدیدی از سنسورها با تکیه بر اصول اپتیکی، مادونقرمز، فیبر نوری و سیستمهای تصویربرداری ظهور کردهاند. این سنسورها، برخلاف انواع مکانیکی یا الکتریکی کلاسیک، قادرند بدون تماس مستقیم و با حساسیت بسیار بالا کمیتهای مختلف را اندازهگیری کنند. در این بخش، مهمترین این تکنولوژیها را از منظر اصول عملکرد، ویژگیها و کاربرد صنعتی بررسی میکنیم.
سنسورهای اپتیکی بر پایه تعامل نور با محیط، جسم هدف یا ماده مورد اندازهگیری کار میکنند. این تعامل میتواند شامل بازتاب، شکست، پراکندگی، جذب یا تغییر قطبش باشد. این تکنولوژی در بسیاری از بخشهای کتاب به تفصیل توضیح داده شده و ازمهمترین مباحث سنسورهای مدرن است.
در خطوط مرتبط با سنسورهای نوری، توضیح داده شده که استفاده از فیلترهای قطبنده (Polarizers) امکانی مهم برای افزایش دقت سنسورهای نوری است.
وقتی نور با یک فیلتر قطبنده از سنسور خارج میشود و به جسم برخورد میکند:
در نتیجه، با قرار دادن یک فیلتر قطبنده دوم در سمت گیرنده، سنسور میتواند:
این سنسورها از مثلثسازی نوری (Triangulation) یا زمان پرواز (Time of Flight) استفاده میکنند.
• Triangulation:
نور به جسم برخورد کرده و پرتو بازتابی روی یک آرایه حسگر میافتد.
موقعیت این نقطه بازتابی نشاندهنده فاصله است.
• Time of Flight:
سنسور زمان رفت و برگشت پالس نور را اندازهگیری میکند.
فیبر نوری یکی از انقلابیترین تکنولوژیهای انتقال و اندازهگیری در سنسورهای مدرن است.
در کتاب مثالهایی از سنسورهای سطح، فاصله و جابجایی بر پایه فیبر نوری آورده شده است.
دو مدل اصلی وجود دارد:
الف) سنسورهای Intensity-Modulated
نور از یک فیبر خارج میشود، به جسم برخورد میکند و بخشی از آن به فیبر گیرنده بازمیگردد.
شدت نور بازگشتی متناسب با فاصله یا مقدار اندازهگیری است.
ب) سنسورهای Interferometric
در این سیستمها، تغییرات بسیار کوچک در مسیر نور باعث تغییر در الگوی تداخل (Interference Pattern) میشود.
این تکنولوژی فوقالعاده دقیق است و حساسیت آن به حد نانومتر میرسد.
این سنسورها بر مبنای تابش حرارتی کار میکنند. هر جسم با دمای بالاتر از صفر مطلق، انرژی در طیف مادونقرمز ساطع میکند. شدت تابش وابسته به دمای سطح است و این اصل پایه عملکرد سنسورهای IR است.
کتاب فرادن انواع مختلف این سنسورها را بررسی میکند:
این سنسورها دما را بدون تماس فیزیکی اندازهگیری میکنند.
این ویژگی در مواردی مثل قطعات در حال چرخش، سطح داغ، یا قطعات حساس اهمیت ویژه دارد.
● اصول عملکرد:
تابع انتقال دمایی سنسورهای حرارتی معمولاً از نوع “چهارمین توان” است:
که در آن:
این معادله نشان میدهد که حساسیت سنسور IR در دماهای بالا بسیار زیاد است.
● کاربردهای صنعتی:
برخی سنسورهای مادونقرمز برای افزایش حساسیت باید تا دماهای بسیار پایین (مانند دمای نیتروژن مایع) سرد شوند. این سنسورها معمولاً از مواد نیمه رسانای خاصی مثل:
ساخته میشوند.
● مزایای این سنسورها:
● کاربردها:
با پیشرفت پردازندهها و الگوریتمهای پردازش تصویر، نسل جدیدی از سنسورها بهنام سنسورهای بینایی در صنعت مورد استفاده قرار گرفتهاند. این سنسورها برخلاف انواع قبلی که فقط یک کمیت را اندازهگیری میکردند، یک تصویر کامل از محیط ثبت میکنند و تحلیل آن تصویر به تصمیمگیری کمک میکند.
متداولترین حسگرهای تصویری عبارتاند از:
این سنسورها نور را به بار الکتریکی تبدیل میکنند و سپس پردازشگر داخلی آن را تحلیل میکند.
این نوع سنسورها در کتاب با عنوان Fabry-Perot Sensors نیز معرفی شدهاند.
اساس کار آنها بر پایه تغییرات بسیار کوچک فاصله بین دو سطح نیمهشفاف است که نور در میان آنها بازتاب میکند.
در این بخش نسل پیشرفتهتری از سنسورها را بررسی کردیم سنسورهایی که در آنها نور، مادونقرمز، تداخل و فیبر نوری نقش اصلی را بازی میکنند. خصوصیت مشترک این سنسورها دقت بالا، سرعت زیاد، و امکان اندازهگیری بدون تماس است؛ ویژگیهایی که آنها را برای صنایع حساس و فرآیندهای کنترل پیشرفته ایدهآل میکند.
در بخش بعد به سراغ مواد و فناوریهای ساخت سنسورها میرویم؛ مباحثی که در فهم نحوه انتخاب سنسور مناسب در شرایط صنعتی بسیار حیاتیاند.
مواد مورد استفاده در ساخت سنسورها، نقشی بسیار تعیینکننده در عملکرد، حساسیت، پایداری، نویز، پاسخ زمانی و حتی قیمت نهایی سنسور دارند. انتخاب درست ماده نه تنها ویژگیهای الکتریکی و مکانیکی سنسور را مشخص میکند، بلکه تعیین میکند آیا این سنسور برای محیطهای سخت صنعتی، دماهای بالا، لرزش شدید یا میدانهای الکترومغناطیسی مناسب است یا خیر. در این بخش، با تکیه بر مفاهیم مطرحشده در فصل مواد و تکنولوژیهای ساخت سنسورها، به بررسی مهمترین مواد و سازههایی میپردازیم که پایه ساخت سنسورهای مدرن را تشکیل میدهند.
نیمه رساناها قلب بسیاری از سنسورهای مدرن هستند. بسیاری از فناوریهای پیشرفته مانند حسگرهای نوری، مادونقرمز، فشار، شتابسنجها و حسگرهای گاز بر پایه رفتار الکترونها در مواد نیمهرسانا عمل میکنند.
مواد پیزوالکتریک در اثر اعمال فشار و تنش، شارژ الکتریکی تولید میکنند. این خاصیت باعث شده کاربردهای گستردهای در سنسورهای ارتعاش، نیرو، فشار و فراصوت داشته باشند.
کتاب توضیح داده است که پلیمرهای مختلف به دلیل خصوصیات متنوع خود بطور گسترده در سنسورسازی استفاده میشوند:
برخی پلیمرها خاصیتهای ویژهای دارند که آنها را برای کاربردهای خاص مناسب میکند.
این مواد در ابتدا خاصیت پیزوالکتریک ندارند و باید با فرآیند پولینگ (Poling) فعال شوند.
پس از پولینگ، قادرند مانند PZT شارژ الکتریکی تولید کنند، اما با ویژگیهایی مثل:
Kapton از مهمترین پلیمرهای دما-بالا در صنعت سنسور است.
ویژگیهای آن شامل:
در بسیاری از کاربردها، ترکیب چند ماده به سنسور اجازه میدهد هم سبک و هم مقاوم باشد. کامپوزیتها بهخصوص در سنسورهای MEMS و سازههای حساس کاربرد دارند.
مواد بهتنهایی اهمیت ندارند؛ روش ساخت نیز تعیین میکند که سنسور تا چه حد دقیق، کوچک و پایدار باشد. در ادامه، مهمترین فناوریهای ساخت سنسورهای مدرن را معرفی میکنیم.
MEMS یکی از مهمترین انقلابهای دنیای سنسورهاست. این فناوری امکان ساخت ساختارهای مکانیکی بسیار کوچک (در حد میکرومتر) بر پایه سیلیکون را فراهم کرد.
● مزیتها:
● کاربردهای MEMS:
در این روش، لایههای بسیار نازک از مواد مختلف روی زیرلایه (Substrate) رسوب داده میشود.
این فناوری در ساخت سنسورهای RTD، الکترودها، و کاستهای نوری استفاده میشود.
● ویژگیها:
در ساخت سنسورهای نوری، MEMS و حسگرهای نیمه رسانا از روشهای میکروساخت مانند:
این فرآیندها امکان ایجاد ساختارهایی با دقت بسیار بالا را فراهم میکنند.
برخی سنسورها نیازمند مواد فلزی خاص هستند، مثل:
در محیطهای واقعی، انتخاب ماده سنسور بر اساس معیارهای زیر انجام میشود:
این بخش توضیح داده شد که چرا انتخاب ماده مناسب یکی از مهمترین موضوعات در طراحی و انتخاب سنسورهاست. از نیمهرساناها تا پلیمرهای پیزوالکتریک و مواد کامپوزیت، هرکدام قابلیتها و محدودیتهایی دارند که آنها را برای محیطهای صنعتی متفاوت مناسب میکند. همچنین فناوریهای ساخت مانند MEMS، فیلم نازک و لیتوگرافی، نسل جدیدی از سنسورها را ایجاد کردهاند که کوچکتر، دقیقتر و قابلاعتمادتر هستند.
در محیطهای صنعتی، اندازهگیری دقیق همیشه با چالشهایی همراه است. حتی بهترین سنسورها نیز تحت تأثیر شرایط محیطی، نویز الکتریکی، تغییرات دما، ارتعاش، آلودگی و عوامل مکانیکی قرار میگیرند. آگاهی از انواع خطاها و روشهای مقابله با آنها برای مهندسان اتوماسیون ضروری است، زیرا بسیاری از توقفهای خط تولید، رفتار نامنظم PLC و خطاهای سیستمهای کنترلی ناشی از مشکلات سنسوری هستند. در این بخش مهمترین انواع خطا و نویز و همچنین اصول طراحی صحیح سیستمهای اندازهگیری را بررسی میکنیم.
هر سنسور در دنیای واقعی از منحنی رفتار ایدهآل خود انحراف دارد. این انحرافها اساس تحلیل خطا را تشکیل میدهند.
این خطا همیشه در یک جهت اتفاق میافتد.
مثال: یک سنسور جابجایی که همیشه ۰.۵ میلیمتر بیشتر نشان میدهد.
منشأ خطای سیستماتیک میتواند باشد:
این خطا با کالیبراسیون چند نقطهای (Multi-point Calibration) کاهش مییابد.
این خطا قابل پیشبینی نیست و در اندازهگیریهای مجزا تغییر میکند.
علتها:
کاهش این خطا معمولاً با فیلترگذاری نرمافزاری و میانگین گیری انجام میشود.
در برخی سنسورها، مقدار خروجی زمانی که ورودی افزایش مییابد با زمانی که ورودی کاهش مییابد تفاوت دارد.
این پدیده معمولاً در:
وجود دارد.
سنسور با گذشت زمان از مشخصات اولیه خود فاصله میگیرد.
این موضوع در محیطهای صنعتی به دلیل:
تمام سنسورها بهنوعی تحت تأثیر نویز الکترونیکی هستند.
این نویز میتواند در:
در مواد رسانا، الکترونها بر اثر دما حرکت تصادفی دارند که باعث ایجاد نویز میشود.
این نویز به دما و مقاومت وابسته است و قابل حذف کامل نیست، اما با کاهش پهنای باند اندازهگیری میتوان آن را کم کرد.
اتصال دو فلز متفاوت باعث ایجاد یک ولتاژ ناخواسته میشود.
این خطا در سیستمهایی که دقت میلیولت یا میکروولت نیاز دارند بسیار مهم است.
یکی از اشتباهات رایج در نصب سنسورها، اتصال زمین غیراستاندارد است.
چنانچه در مدار چند نقطه زمین با پتانسیل متفاوت وجود داشته باشد، Ground Loop ایجاد میشود که منجر به ولتاژهای ناخواسته در خروجی سنسور میگردد.
تمام “زمین”ها باید در یک نقطه مشترک به هم برسند—ترجیحاً نزدیک منبع تغذیه.
دما تقریباً بر تمام سنسورها اثر میگذارد.
حتی سنسورهای خازنی و نوری نیز تحت تأثیر تغییرات دما قرار میگیرند.
سنسورهای خازنی و اپتیکی شدیداً به رطوبت حساس هستند.
بخار آب یا قطرات روی لنز میتواند عملکرد را مختل کند.
در کارخانههای سیمان، فلزات، مواد غذایی و بستهبندی مشکل اصلی آلودگی است.
این آلودگیها میتوانند:
تجهیزات دوار، موتورهای قدرتمند و دستگاههای صنعتی لرزش قابلتوجهی ایجاد میکنند.
این لرزش میتواند در:
مهندسان باید هنگام طراحی سیستم سنسور، مجموعهای از اصول مهم را رعایت کنند:
برای مثال:
انتقال سیگنال بدون تغییر در فواصل زیاد سخت است.
خروجی ۴–۲۰ میلیآمپر بهترین گزینه صنعتی است زیرا:
هیچ سنسوری تا ابد دقیق نمیماند.
کالیبراسیون دورهای مخصوصاً در سنسورهای دما، فشار و رطوبت ضروری است.
سنسور باید:
در PLC یا کنترلر بهتر است از فیلترهای نرمافزاری استفاده شود تا نویز کاهش یابد.
بهعنوان مثال:
در این بخش دیدیم که چرا محیطهای صنعتی چالشهای زیادی برای سنسورها ایجاد میکنند. نویز الکتریکی، خطای دمایی، آلودگی، لرزش و حتی انتخاب نادرست ماده میتوانند دقت اندازهگیری را کاهش دهند. شناخت این خطاها و اعمال اصول صحیح طراحی، باعث افزایش قابلیت اطمینان و کاهش توقفهای ناخواسته در فرایندهای صنعتی میشود.
با پیشرفت فناوری، سنسورها از ابزارهای ساده اندازهگیری به اجزای هوشمند و پیچیدهای تبدیل شدهاند که نقشی اساسی در کنترل فرایندها، اتوماسیون، اینترنت اشیا و سیستمهای هوشمند بازی میکنند. آینده صنعت وابسته به سنسورهایی است که دقیقتر، کوچکتر، کممصرفتر و یکپارچهتر با سیستمهای دیجیتال باشند. در این بخش، روندهای نوظهور و آیندهساز در حوزه سنسورها را بررسی میکنیم.
فناوری MEMS شاید مهمترین تحول در دنیای سنسورها باشد. ترکیب ساختارهای مکانیکی با نیمهرساناها، امکان ساخت سنسورهایی را فراهم کرده که:
این فناوری در حال گسترش به حوزههای جدیدی مانند سنسورهای گاز، رطوبت و حتی سنجش زیستی است.
سنسورهای هوشمند تنها یک عنصر اندازهگیری نیستند؛ آنها یک سیستم کامل شامل:
هستند.
در صنایع مدرن، صرفاً اندازهگیری کافی نیست؛ داده باید قابل اشتراکگذاری، تحلیل و استفاده در سیستمهای بزرگتر باشد. اینجاست که سنسورهای IIoT نقش حیاتی پیدا میکنند.
سنسورها تنها داده خام نمیدهند؛
بلکه به سیستمهای تحلیلگر کمک میکنند تا پیشبینی کنند چه زمانی تجهیزات دچار نقص میشوند (Predictive Maintenance).
ظهور الگوریتمهای یادگیری عمیق باعث تغییر بنیادین در نحوه استفاده از دادههای سنسوری شده است.
هوش مصنوعی میتواند:
بسیاری از سنسورهای جدید دارای الگوریتمهای داخلی هستند که میتوانند:
این ویژگیها باعث کاهش وابستگی به کالیبراسیون دورهای و افزایش قابلیت اطمینان میشود.
نانو مواد امکان ساخت سنسورهایی را فراهم کردهاند که:
استفاده از مواد پیزوالکتریک و پلیمرهای نانو ساختار نیز در حال افزایش است.
رشد سنسورهای CMOS، پردازندههای سریع و الگوریتمهای هوشمند باعث شده سیستمهای بینایی ماشین به ابزار اصلی کنترل کیفیت تبدیل شوند.
یکی از بزرگترین چالشهای سامانههای حسگری بیسیم، مصرف توان است.
نسل جدید سنسورها از انرژی محیط مانند:
در آینده نهچندان دور، سنسورها بهجای اینکه تنها یک عنصر سختافزاری باشند، بخشی از یک اکوسیستم هوش مصنوعی خواهند بود. این اکوسیستم شامل:
میشود.
صنایع بزرگ در حال حرکت بهسمت Smart Manufacturing یا تولید هوشمند هستند، که در آن هر دستگاه با استفاده از دادههای سنسوری تصمیمگیری میکند.
در این مجموعه ششبخشی، سنسورها از دیدگاهی کاملاً تخصصی اما کاربردی بررسی شدند از اصول عملکرد، انواع مختلف، فناوریهای ساخت، چالشهای عملی تا آینده تکنولوژیهای اندازهگیری.
نقش سنسورها در صنایع مدرن دیگر محدود به اندازهگیری نیست؛ آنها قلب تپنده سیستمهای کنترل و اتوماسیون هستند. پیشرفتهایی مانند MEMS، فیبر نوری، سنسورهای هوشمند، شبکههای IIoT، هوش مصنوعی و نانو فناوری، نسل جدیدی از سنسورها را به وجود آوردهاند که دقت، سرعت و قابلیت اطمینان بسیار بیشتری نسبت به نسلهای گذشته دارند.
به کمک این فناوریها، صنایع میتوانند:
سنسورها آینده صنعت، شهرها، انرژی و حتی زندگی روزمره ما را شکل خواهند داد.
تعریف دقیق سنسور در حوزههای فنی و صنعتی چیست؟
سنسور یا حسگر، وسیلهای است که برای تشخیص، اندازهگیری و پاسخ به برخی از ورودیهای فیزیکی مانند نور، حرارت، حرکت، فشار یا نیرو طراحی شده است و این کمیتهای فیزیکی را به سیگنالهای الکتریکی قابل اندازهگیری تبدیل میکند.
وظیفه اصلی سنسور در یک سیستم کنترل خودکار چیست؟
وظیفه اصلی سنسور، فراهم آوردن دادههای دقیق و بهروز از وضعیت فرآیند یا محیط برای واحد کنترل (مانند PLC یا میکروکنترلر) است تا سیستم بتواند تصمیمات لازم برای تنظیم یا ادامه عملیات را اتخاذ نماید.
تفاوت اساسی بین سنسور و ترانسدیوسر (Transducer) در چیست؟
ترانسدیوسر به طور کلی هر وسیلهای است که انرژی را از یک شکل به شکل دیگر تبدیل میکند. سنسور زیرمجموعهای از ترانسدیوسرها است که انرژی محیطی را به سیگنال الکتریکی تبدیل میکند، در حالی که ترانسدیوسر شامل سنسورها و عملگرها (Actuators) میشود.
دستهبندی رایج سنسورها بر اساس نوع عملکرد چگونه است؟
سنسورها عموماً به دو دسته فعال (Active) و غیرفعال (Passive) تقسیم میشوند. سنسورهای فعال برای تولید سیگنال خروجی نیاز به منبع تغذیه خارجی دارند؛ در حالی که سنسورهای غیرفعال بدون نیاز به انرژی کمکی، سیگنال تولید میکنند.
سنسورهای تماسی و غیر تماسی چه تفاوتهایی در کاربرد دارند؟
سنسورهای تماسی (مانند ترموکوپل) برای اندازهگیری نیازمند تماس فیزیکی مستقیم با هدف هستند. سنسورهای غیر تماسی (مانند سنسورهای مجاورتی و اپتیکال) بدون تماس فیزیکی، کمیت مورد نظر را تشخیص داده یا اندازهگیری میکنند.
منظور از سنسورهای آنالوگ و دیجیتال چیست؟
سنسورهای آنالوگ خروجیهایی با مقادیر پیوسته تولید میکنند که متناسب با کمیت اندازهگیری شده است (مانند دما). سنسورهای دیجیتال تنها دو وضعیت صفر و یک (روشن/خاموش) یا سیگنالهای کدگذاری شده تولید میکنند (مانند سنسورهای مجاورتی).
پارامتر دقت (Accuracy) در عملکرد یک سنسور به چه معناست؟
دقت، معیاری است که نشان میدهد سیگنال خروجی سنسور تا چه حد به مقدار واقعی و استاندارد کمیت اندازهگیری شده نزدیک است. دقت بالا نشاندهنده خطای اندازهگیری کمتر است.
مفهوم رزولوشن (Resolution) یا تفکیکپذیری سنسور چیست؟
رزولوشن، کوچکترین تغییری در کمیت ورودی است که سنسور قادر به تشخیص و ثبت آن در خروجی خود میباشد.
منبع: راهنمای سنسور های مدرن
سنسور چیست؟ plc چیست؟ مدار ستاره و مثلث چیست؟ کلید هوایی چیست؟ انرژی تجدیدپذیر و فناوری های نوین تولید برق کلید مینیاتوری چیست؟ فیوز چیست؟ کلید کامپکت چیست؟ تابلو برق صنعتی چیست؟ کلید حرارتی چیست؟ رله و کنتاکتور و کاربرد آنها در تابلو برق صنعتی اگر همه ی جهان به انرژی پاک روی بیاودند چه می شود؟ فرق سردخانه های فول اتوماسیون با سردخانه های سنتی ترموستات های سردخانه ای سردخانه نیتروژنی چیست؟ سردخانه آمونیاکی چیست؟ سردخانه فریونی چیست؟ تابلو برق سردخانه چیست؟ پنل خورشیدی چیست؟ چه کسی برق را کشف کرد؟ سرعت برق راهکارهای افزایش عمر تجهیزات برقی خانگی چگونه مصرف برق را کاهش دهیم؟ کتاب راهنمای جامع STEP7 پیکربندی و برنامه نویسی شبکه اترنت صنعتی با نرم افزار STEP7 پیکربندی و برنامه نویسی شبکه PROFIBUS با نرم افزار STEP7 اتوماسیون صنعتی چیست؟
یک پاسخ
مطالب بسیار عالی و کاربردی