معرفی انواع حسگرها در صنعت

کلمه ی حسگر از کلمه ی لاتین sentire به معنی حس کننده گرفته شده است . حسگرها می توانند اطلاعاتی در مورد رفتارهای فیزیکی و شیمیایی پروسه ها را به ما بدهند که معمولا این سیگنال ها را بطور مستقیم حس نمی کنیم .

به اصطلاح دیگر ، حسگرها المان هایی هستند که در مقابل تغییرات و یا مقادیر موجود متغیرها ، تاثیر می پذیرند و این اثر را به صورت یک سیگنال معمولا الکتریکی به ما تحویل می دهند .

جایگاه حسگرها در سیستم کنترل ، مشابه جایاه حواس پنج گانه ی انسان است . تصور کنید که انسان حرکتی را انجام دهد ، ولی انجام و ابعاد آن را حس نکند و یا حرفی بزند ولی گوشش آن را نشنود و یا غذایی را بخورد ، ولی مزه آن را نتواند بچشد .

بنابراین حسگرها یا سنسورها نقش مهمی در پروسه های صنعتی دارند .

مباحث عمومی حسگرها

حسگر و مبدل به المانی گفته می شود که سیگنال ( انرژی ) را از یک سیستم دریافت و به سیستم دیگر تحویل می دهد در واقع حسگر المانی است که به نور ، حرارت ، امپدانس الکتریکی و ... حساس است و تغییرات آن ها را به سیستم بعدی منتقل می کند . 

حسگرهای اندازه گیری دما  

اندازه گیری دما و ابزارهای آن ، بخش مهمی از کنترل پروسه های صنعتی را تشکیل می دهد .

مبنای فیزیکی اکثر مبدل ها و حسگرهای دما بر اساس موارد زیر است :

1- انبساط در اثر دما :

در ساختمان این مبدل ها ، از خاصیت انبساط اجسام و مایعات و گازها استفاده می شود . در این رابطه ، برای مایعات ، جامدات و گازها هر کدام مثالی می آوریم . ترمومتر شیشه ای ترمومتری است که در ساختار آن از مایعاتی مثل جیوه و الکل استفاده می شود . ترمومتر بی متال  بر اساس تغییر ساختار جامد می باشد ؛ ترمومتر فشاری ( گازی ) بر اساس انبساط گاز می باشد .

2- تغییر مقاومت الکتریکی در اثر دما :

وقتی دو هادی الکتریکی که دارای چگالی الکترون های آزاد متفاوتی در دمای مساوی هستند در کنار هم قرار بگیرند ؛ الکترون ها از هادی با چگالی الکترون آزاد بیشتر به طرف هادی با چگالی الکترون آزاد کمتر منتقل می شوند . بر اثر این انتقال جریان و ولتاژی ایجاد می شود . ولتاژی که از این طریق ایجاد می شود به شدت تابع دمایی است که به آن داده می شود . این طرز کار کلی یک حسگر در اثر تغییر مقاومت الکتریکی می باشد . از مشهورترین حسگرهای این حوزه ، حسگر ترموکوپل می باشد .

3- تغییر فرکانس رزونانس  

این نوع از حسگرها بر اساس تغییر فرکانس رزونانس اجسام کار می کنند . وقتیکه بر اثر دما ، فرکانس رزونانس یک جسم تغییر کند ، می توان دمای آن را بر این اساس اندازه گرفت .

4- تغییر رنگ اجسام

یکی از عوامل تشخیص میزان دمای یک جسم ، رنگی است که از آن ساطع می شود . با استفاده از دریافت نوری که از جسم ساطع می شود و دریافت و آنالیز آن نور ، می توان دمای آن جسم را تعیین کرد .

5- آثار ترموالکتریکی

یک دستگاه ترموالکتریک وسیله ای است که بر اثر اختلاف دما در دوسر آن ، اختلاف پتانسیل الکتریکی به وجود می آید

ترموکوپل ها و ترموپایل ها از جمله دستگاه های معروف هستند که بر اساس اثر ترموالکتریک ساخته شده اند .

6- تشعشع حرارتی

نیاز و تمایل به حسگرهای اندازه گیری دما بدون تماس فیزیکی با جسم به طور پیوسته روز به روز افزایش می یابد . در اکثر موارد ، پیرومترها بر اساس همین نیاز متناسب با خصوصیات فیزیکی اجسام انتشار دهنده و همین طور جذب کننده ی حرارت ساخته و به کار گرفته می شوند . اصول کار و نحوه کار پیرومتر تشعشی در تصویر زیر نشان داده شده است :

7- آثار پیرومتر آکوستیکی

می دانیم سرعت صوت بستگی به دمای ماده ای که صدا از آن عبور می کند ، دارد . پیرومتر آکوستیکی بر مبنای همین پدیده ساخته شده است . یعنی که تغییر سرعت صوت در ماده ، مبین تغییرات مقداری دمای آن است .

سرعت صوت در گازها نیز تابع دمای آنها می باشد . در تصویر زیر منبع صدا در یک طرف مخزن و میکروفون در طرف دیگر آن نصب شده است و پالس های صدا از منبع ارسال و از طرف میکروفون دریافت می شود .با توجه به اینکه فاصله آنها معلوم است ، دمای متوسط گاز به سادگی قابل محاسبه است .

8- تغییر شکل فیزیکی اجسام

یکی دیگر از روش هایی که می توان بر اساس آن دمای یک جسم را اندازه گیری کرد ؛ استفاده از تغییر شکل فیزیکی آن جسم و آنالیز آن می باشد .

عناصر اندازه گیری دما شامل موارد زیر است :

1- بی متال ها : اگر نوارهای فلزی (A,B) با ضریب انبساط حرارتی متفاوت به هم جوش خورده باشند ، در اثر افزایش دما نوار فلزی با ضریب انبساط بیشتر (B) طول بیشتر و نوار دیگر (A) طول کمتر خواهد داشت . بنابراین ، انتهای نوار نسبت به ابتدای آن ، به طرف نوار دوم (A) انحنا پیدا می کند .

همانطور که در تصویر بالا مشخص است ؛ بر اثر حرارت نوار بی متال به سمت بالا حرکت می کند .

2- ترموکوپل ها : اندازه گیری دما در ترموکوپل ها بر مبنای اثر سیبک است . دو هادی که دارای چگالی اکترون های آزاد متفاوتی در دمای مساوی هستند ، وقتی یک سر هر کدام از آن ها به هم جوش خورد ، الکترون ها از هادی با چگالی الکترون های آزاد بیشتر ، به طرف هادی با چگالی الکترون های آزاد کمتر منتقل می شود و نتیجه آن به وجود آمدن حفره های مثبت ازیک طرف و الکترون های آزاد در طرف دیگر است . ولتايی که از آن طریق بدست می آید تابع دمای نقطه اتصال می باشد . 

3- مبدل ها با ضریب حرارتی مثبت PTC : تغییرات دما موجب تغییر مقاومت اهمی فلزات و نیمه هادی ها می شود.  PTC ها ، به طور کلی از فلزات ساخته می شوند و دارای خصوصیات فیزیکی و الکتریکی منحصر به فردی هستند .

4- مبدل ها با ضریب حرارتی منفی NTC : وقتیکه مقاومت المان در اثر افزایش دما تقلیل یابد ، این حسگر NTC است. NTC ها عموما از نیمه هادی ها ساخته می شوند .

5- RTD ها و اتصالات آن ها : حسگرهای مقاومت حرارتی یا ضریب مثبت را در اصطلاح ، RTD نیز می گویند . در اکثر موارد از پل وتستون برای تبدیل تغییرات مقاومت RTD به تغییرات ولتاژ و یا جریان استفاده می شود که روش خوبی برای اندازه گیری مقاومت است . خروجی پل وتستون برای هدف های نمایشی و مخصوصا برای کنترل پروسس های حرارتی خیلی متناسب است .

 6- پیرومترهای تشعشعی : نیاز و تمایل به حسگرهای اندازه گیری دما بدون تماس فیزیکی با جسم ( اندازه گیری اجسام داغ و یا متحرک و یا گازهای داغ ) به طور پیوسته روز به روز افزایش می یابد . در اکثر موارد ، پیرومترها بر اساس همین نیاز متناسب با خصوصیات فیزیکی اجسام انتشار دهنده و همین طور جذب کننده حرارت ساخته و به کار گرفته می شوند که در آن ، حسگر تماس فیزیکی با جسم و یا گاز ندارد .

7- پیرومترهای آکوستیکی : سرعت صوت بستگی به دمای ماده ای که صدا از آن عبور می کند دارد . پیرومتر آکوستیکی بر مبنای همین پدیده ساخته شده است . یعنی که تغییر سرعت صوت در ماده ، مبین تغییرات مقدار دمای آن است .

8- آثار پیرومتری : آثار پیرومتری بر اساس سنجش دمای یک جسم از فاصله دور عمل می کند . پیرومتری یا رادیومتری برای عملیات هایی استفاده می شوند که امکان سنجش دما از فاصله نزدیک وجود ندارد .

حسگرهای موقعیت

حسگرهای موقعیت جهت تعیین موقعیت محصول در صنعت به کار برده می شود . این حسگر ها شامل موارد زیر می شود :

1- ترانسفورمرهای متغیر خطی تفاضلی LVDT :

مبدلLVDT ترانسفورماتور با یک سیم پیچ اولیه و دو سیم پیچ ثانویه است .این سنسور یا حسگر برای اندازه گیری تغییرات مکانی اجسام که می تواند تا 500 میلیمتر باشد به کار می رود . در تصویر زیر نمای کلی از ساختار داخلی این حسگر را مشاهده می کنید :

2- رزولورها :

رزولورها ترانسفورمترهایی با هسته گردان هستند و حساسیت و قابلیت تکرار خیلی بالایی دارند . برای اندازه گیری دقیق زوایا در رادارها ، آنتن ها و تلسکوپ ها و ... به کار گرفته می شوند .از لحاظ ساختار فیزیکی دو سیم پیچ ثانویه روی استاتور پخش هستند به طوریکه دو ربع متقابل محیط استاتور مربوط به هر کدام از فاز ها است . در تصویر زیر نمای کلی از ساختار داخلی یک رزولور را مشاهده می کنید .

3- حسگر های اندوکتانس و رلوکتانس متغیر

مبنای فیزیکی هر دو مبدل تغییر اندوکتانس بین دو قسمت است که با هم بصورت مغناطیسی کوپل شده اند . این حسگر شباهت زیادی باLVDT دارد ، با این تفاوت که LVDT دارای سه سیم پیچ و اندوکتانس متغیر دارای فقط یک سیم پیچ است . در تصویر زیر ساختار یک نمونه حسگر اندوکتانس را مشاهده می کنید .

4- حسگر های خازنی متغیر  

حسگرهای خازنی بر اساس اثر خازنی کار می کنند . طبق رابطه خازن ، تغییرات فاصله صفحات خازن ، دی الکتریک و ابعاد صفحات خازن بر روی ظرفیت خازن تاثیر گذار است و از همین  تاثیر جهت کنترل پروسه های صنعتی استفاده می شود . در تصویر زیر نمونه یک سنسور خازنی را مشاهده می کنید .

 در تصویر زیر نمای داخلی از سنسور خازنی را مشاهده می کنید :

5- مبدل اریفایس _ نازل

مبدل نیوماتیکی ( فلاپر _ نازل ) در مواردی که سیستم کنترل نیوماتیکی باشد به کار گرفته می شود .حسگرهای نیوماتیکی مشابه سیستم های کنترل نیوماتیکی خیلی ساده و مقاوم و با تعمیرات و نگهداری راحت و مطمئن هستند و قابلیت تطبیق خوبی با سیستم های الکترونیکی دارند ؛ از طرفی به دلیل اینکه امکان به وجود آمدن جرقه در این سیستم ها بر خلاف سیستم های الکتریکی وجود ندارد ، تناسب زیادی برای به کار گیری در پالایشگاه ها و تاسیسات نفت و گاز و پتروشیمی و مشابه آن دارند . نمونه بارزی از به کارگیری سیستم فلاپل نازل در اندازه گیری سطح مذاب شیشه است که در تصویر زیر مشاهده می کنید .

6- حسگرهای میدان مغناطیسی

حسگرهای میدان مغناطیسی شدت میدان مغناطیسی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند . دو گروه از این نوع حسگرها موجود است ؛ یکی اندازه گیری مستقیم میدان مغناطیسی به عنوان حسگر مغناطیس سنج برای مثال اندازه گیری شدت میدان مغناطیسی زمین . نوع دیگر اندازه گیری غیر مستقیم و استفاده از میدان مغناطیسی به عنوان حامل اطلاعات یک سیگنال غیرمغناطیسی ، برای مثال رله ها و سوییچ های مغناطیسی برای اندازه گیری زاویه و یا فاصله .

 7- اثر گالوانو مغناطیسی

اثر گالوانومغناطیسی در کل بحث روی مقاومت مغناطیسی و تمرکز مغناطیسی و ولتاژ هال است . 

8- ژنراتور هال و مقاومت مغناطیسی

ژنراتور هال بر روی یک سطح نیمه هادی ساخته می شود ؛ امتیاز بزرگ آن بهره گیری از سیلیکون برای ساخت آن می باشد . زیرا کل مدارات لازم برای ساخت این حسگر تماما بر روی یک آی سی قرار می گیرد .

حسگرهای مغناطیسی می توانند به عنوان حسگرهای آنالوگ با خروجی خطی و یا با کاربری سوییچ های هال به کار گرفته شوند که در مقایسه با حسگرهای تغییر مکان اندوکتیو و یا کاپاستیو دارای خروجی پایدارتر و توانایی اندازه گیری تغییرات با فرکانس صفر تا صد کیلوهرتز را دارند . حسگرهای اثر هال به عنوان حسگر موقعیت می توانند در تبدیل ارتعاشات مکانیکی به نوسانات الکتریکی مورد استفاده قرار گیرند . جهت اندازه گیری فشار حسگرهای هال همراه لودسل و مشابه آن و نیز در اندازه گیری سرعت زاویه ای و شتاب و تنش و کرنش همراه محورها و بالکن های الاستیکی می توانند به کار گرفته شوند .

حسگرهای پیزوالکتریک  

حسگرهای پیزوالکتریکی در اندازه گیری نیرو ، فشار ، شتاب و تغییر مکان و همینطور ارتعاشات و دیگر متغیرهایی که به نحوی با موضوعات بالا به طور مستقیم یا غیرمستقیم در رابطه قرار گیرند ، خیلی موثر هستند .

حساسیت بالا و تناسب آنها برای قرار گرفتن در پل های اندازه گیری و یا به کمک تقویت کننده ها به عنوان مبدل نیرو به ولتاژ با توجه به توان خیلی ناچیزی که مصرف می کنند و ابعاد فیزیکی به نسبت کم ، به این حسگرها امتیاز ویژه ای بخشیده است .

1- کرنش سنج های فلزی

کرنش سنج ها مبدل هایی هستند که اعمال تنش کششی و یا فشاری روی آن ها موجب تغییر مقاومت الکتریکی شان می گردد .

2- کرنش سنج های نیمه هادی

کرنش سنج های نیمه هادی نوار خیلی نازک از بلور سیلیکون هستند که معمولا روی حامل مناسب نصب شده است .

 3- حساسیت کرنش سنج ها

نسبت تغییرات مقاومت کرنش سنج به تغییرات طولی را می توان حساسیت کرنش سنج نامید .

 4- جبران اثر حرارت کرنش سنج های فلزی

در موارد زیادی ، به همراه به کارگیری کرنش سنج ، باید موضوع جبران اثر تغییرات دما و فشار را روی رفتار آن در نظر گرفت .  

5- حسگرهای پیزوالکتریکی

در یک بلور جسم پیزوالکتریکی تغییر فرم شبکه بلور موجب به وجود آمدن یک لایه بارهای الکتریکی متناسب با x می شود .

حسگرهای نیرو و فشار

در این حسگرها ، تغییرات طول و یا کرنش از طریق نیروی اعمال شده از خارج ، عامل تغییر ضریب نفوذ مغناطیسی می شود و یا اینکه رفتار هیسترزیس آن تغییر می کند . این رفتار در تمام مواد فرو مغناطیسی ظاهر می شود .

با توجه به اینکه با اعمال نیرو شکل هندسی مبدل تغییر می یابد و با تغییر آن ، ضریب نفوذ مغناطیسی و متعاقب آن رلوکتانس و یا اندوکتانس نیز تغییر می کند ؛ اصولا باید مدار الکترونیکی بعدی برای تبدیل آن متغیرها به سیگنال ولتاژ و یا جریان طراحی شود .

1- حسگرهای نیرو

حسگرهای نیرو به روش های مختلفی کار می کنند ؛ اعمال نیرو به یک جسم الاستیکی و اندازه گیری مقدار تغییر فرم آن، مثلا اندازه گیری اعمال نیرو به یک فنر . روش دیگر اندازه گیری تغییر ضریب نفوذ مغناطیسی در اثر اعمال نیرو است . روش دیگر مبدل های تبدیل نیرو به فشار است که به لودسل معروف است . لودسل های پیزوالکتریک ، لودسل های نیوماتیکی و هیدرولیکی از جمله این لودسل ها هستند .

2- حسگرهای فشار

اندازه گیری فشار نیاز مشترک خیلی از پروسس های کنترل صنعتی است و انواع مختلف حسگرها و مبدل های فشار وجود دارد .

فشار سنج با شکل U ، مبدل فشار به تغییر مکان ، حسگرهای پیزورزیستیو فشار از انواع فشار سنج های پرکاربرد در صنعت هستند .

4- حسگرهای الاستیکی

وقتیکه نیرویی به یک فنر اعمال می شود ، فنر تغییر شکل می دهد . انبساط و یا انقباض فنر متناسب با نیروی اعمال شده است و این پدیده مبنای حسگرهای الاستیکی است که متغیر ورودی آنها نیرو و متغیر خروجی آن ها تغییر مکان است . این مبدل ها کلا برای اندازه گیری گشتاور ، فشار و شتاب که متناسب با نیرو هستند ، به کار گرفته می شوند .

5- حسگرهای اندازه گیری گشتاور

مقدار انرژی ای که در اثر اعمال نیرو به انتهای شعاع یک جسم حول محور مرکزی به صورت انرژی چرخشی وارد می شود گشتاور نام دارد . به اصطلاح دیگر گشتاور مقدار انرژی مکانیکی است که از یک انتهای محور به انتهای دیگر منتقل می شود .حسگرهای اندازه گیری گشتاور از چند طریق انجام می شود ؛ اندازه گیری از طریق میله پیچش ، اندازه گیری نیروی واکنش در یاتاقان محور ، اندازه گیری گشتاور از طریق اندازه گیری تنش یا کرنش سنج ، اندازه گیری گشتاور با روش نوری ، اندازه گیری گشتاور از طریق مبدل های امواج سطحی صوتی .  

7- حسگرهای سرعت زاویه ای رلوکتانس متغیر

امکان طراحی و ساخت و تهیه حسگرهای مستعد و ارزان برای اندازه گیری سرعت زاویه ای و نیز امکان استفاده از حسگرهای فوق الذکر ، به نحوی برای اندازه گیری شتاب زاویه ای و یا حتی دیگر پارامترها ، از جمله سرعت حرکت های انتقالی ، باعث شده است که ابزار مربوط از جهات مختلف گسترده باشند . در اینجا سعی می شود ابزارهای مختلف جهت اندازه گیری سرعت زاویه ای ، به نحو شایسته ای مطرح شوند . ژنراتور تاکومتر DC ، تاکومتر AC ، مبدل سرعت زاویه ای با رلوکتانس متغیر ، سرعت سنج زاویه ای فتوالکتریکی و اندازه گیر سرعت زاویه ای گریز از مرکز از جمله این حسگرها هستند .

9- شتاب سنج ها

متغیرهای نیرو ، فشار ، شتاب و سرعت با هم رابطه علت و معلولی دارند . بنابراین ، با اندازه گیری کلی ، می توان به نحوی به دیگری دست یافت . به همین جهت ، در انواع شتاب سنج ها هم مستقیما خود شتاب اندازه گیری نمی شود ، بلکه پس از اندازه گیری یک متغیر واسط ، به مقدارشتاب می رسد . در اینجا چند نمونه از این نوع شتاب سنج ها را نام می بریم ؛ شتاب سنج مکانیکی ، شتاب سنج الکترواستاتیکی ، شتاب سنج پیزورزیستیو ، شتاب سنج پیزوالکتریکی ، شتاب سنج خازن تفاضلی .  

10- حسگرهای الکترومغناطیسی

این حسگر ها برای اندازه گیری سرعت های خطی و زاویه ای به کار گرفته می شوند که مبنای آن قانون فارادی اندوکسیون الکترومغناطیسی است .

حسگرهای دبی و سطح سنج

بدون شک اندازه گیری دبی ، دبی جرمی و سطح سیالات ، بخش قابل توجهی از پروسس های صنعتی را شامل می شود . به همین دلیل نیز ، حسگرها و مبدل های مربوط ، هم از نظر کیفی و هم از نظر کمی ، توسعه زیادی کرده اند .

حسگرهای اثر هال  

سنسور اثر هال بر اساس پدیده هال عمل می کنند . با نزدیک کردن یک هادی یا رسانا ( عموما فلز ) اختلاف پتانسیلی در سنسور ایجاد می شود که بر اساس همین اختلاف پتانسیل ، سنسور وجود آن رسانا را حس می کند .

حسگرهای دیگر

حسگرهای دیگری نیز در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند که از آن جمله است حسگرهای رطوبت ، حسگرهای ویسکوزیته ، حسگرهای چگالی ، حسگرهای گازی ، حسگرهای جامد الکترولیتی ، حسگرهای گازی نوری ، حسگرهای شیمیایی ، حسگرهای هدایت الکتریکی ، حسگرهای الکتروشیمیایی .

 جمع بندی  

در این مقاله به صورت اجمالی تعدادی انواع حسگرها و سنسورهای صنعتی را معرفی کرده و هر یک را به اختصار توضیح دادیم . نکته مهم این است که برای یادگیری کامل عملکرد و نصب سنسورها باید به صورت عملی کار کرد و آموزش های تئوری باید در کنار کار عملی انجام پذیرد تا نتیجه کاملی به هراه داشته باشد .

منبع : کتاب ابزار کنترل (1) ، حسگرها و مبدل ها ویرایش دوم ، مولف : مهندس محمود خاقانی میلانی ، انتشارات دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی