انواع سنسور ها و کاربرد آن ها - بخش دوم

سنسور‌های فشار:

فشار را به کمک دستگاه‌های فشارسنج اندازه می‌گیرند، عمده‌ترین فشار سنج‌ها که بر حسب مکانیزم کارشناسان نامگذاری شده است عبارتند از:

فشارسنج لوله U. شکل

فشارسنج مکلئود

فشارسنج جیوه‌ای

فشارسنج ترموکوپل

فشارسنج صوتی

فشارسنج خازنی

فشارسنج گاز ایده‌ال

فشارسنج لوله U. شکل

ساده‌ترین و معروفترین آن‌ها فشار سنج لوله U. شکل است که در آن مقداری جیوه در لوله U. شکل ریخته شده و میزان اختلاف فشار محیط هوا که برابر p۰ است و ماده داخل فشارسنج که بر مایع جیوه فشار وارد می‌کند از طریق اختلاف ارتفاع ستون مایع جیوه اندازه گیری می‌شود؛ بنابراین از این طریق فشار واقعی را می‌توانیم بدستآوریم:P = P۰ + ρg(h. – h۰)

در رابطه اخیر P. فشار وρ چگالی ماده و P۰ فشار اتمسفر، h۰ ارتفاع ستون مایع در فشار اتمسفر، g. شتاب جاذبه و h. ارتفاع ستونمایع در فشار ماده می‌باشد.

فشارسنج جیوه‌ای (Mercury Barometer)

این فشار سنج اساساً از یک لوله خالی از هوا درست شده است که یک طرف آنمسدود و طرف دیگر آن که باز است در ظرف پر از جیوه فرو برده شده است. فشار هوایبیرون، جیوه را از منبع به سمت داخل لوله می‌راند. جیوه تا حدی که وزن آن در داخللوله، دقیقاً معادل نیروی ناشی از فشار هوا گردد در لوله فشار سنج بالا می‌رود وسپس در حالت تبادل و سکون باقی می‌ماند. با تغییر فشار هوا، سطح جیوه در داخل لولهنیز بالا و پایین خواهد رفت. در شرایط نرمال جیوه به اندازه ۹۲/۲۹ اینچ یا ۷۶۰ میلیمتر در لوله بالا می‌آید که فشاری معادل ۱۵/۱۰۱۳ میلی بار است. جیوه در داخللوله فشارسنج به دلیل خاصیت کشش سطحی دارای یک سطح محدب است که هنگام تعیین فشار، باید بالاترین سطح محدب قرائت شود.

فشارسنج فلزی (Aneroid)

فشارسنج فلزی وسیله‌ای است مکانیکی که از یک محفظه قوطی شکل استوانه‌ای بدون هوا تشکیل شده است؛ با تغییر فشار هوا این محفظه منقبظ یا منبسط می‌شود. با یک سیستم نسبتاً پیچیده که مرکب از تعدادی اهرم و قرقره است این تغییرات بزرگ شده و به یک عقربه که بر روی صفحه مدرجی حرکت می‌کند، منتقل می‌شود. یک شاخص متحرک که می‌تواند در یک نقطه ثابت شود بر روی فشار سنج تعبیه شده است تا بتوان تغییرات فشار را نسبت به آخرین قرائت اندازه گیری کرد.

فشار نگار (Barograph)

فشار نگار مشابه فشارسنج فلزی است با این تفاوت که اثر تغییرات فشار درمحفظه بدون هوا، به یک قلم انتقال داده شده و قلم بر روی کاغذی که دور یک استوانه چرخان پیچیده شده است خط پیوسته‌ای را رسم می‌کند. محور عمودی این صفحه بر حسب واحدفشار و محور افقی آن بر حسب زمان مدرج شده است که معمولاً برای هر دو ساعت یک خطوجود دارد. فشار نگار‌های دقیقی هم ساخته شده است که قادرند تغییرات فشار را تا یکدهم میلی بار اندازه گیری نمایند، این دستگاه‌ها میکرو باروگراف نامیده شده‌اند.

سنسور‌ها در ربات:

سنسور‌ها اغلب برای درک اطلاعات تماسی، تنشی، مجاورتی، بینایی و صوتی به‌کار می‌روند. عملکرد سنسور‌ها بدین‌گونه است که با توجهبه تغییرات فاکتوری که نسبت به آن حساس هستند.

سطوح ولتاژی ناچیزی را درپاسخ ایجاد می‌کنند، که با پردازش این سیگنال‌های الکتریکی می‌توان اطلاعات دریافتیرا تفسیر کرده و برای تصمیم‌گیری‌های بعدی از آن‌ها استفاده نمود.

سنسورهارا می‌توان از دیدگاه‌های مختلف به دسته‌های متفاوتی تقسیم کرد که در ذیل می‌آید:.

 

سنسور محیطی: این سنسور‌ها اطلاعات را از محیط خارج و وضعیت اشیای اطرافربات، دریافت می‌نمایند.

 

سنسور بازخورد: این سنسور اطلاعات وضعیت ربات، ازجمله موقعیت بازوها، سرعت حرکت و شتاب آن‌ها و نیروی وارد بر درایور‌ها را دریافت می‌نمایند.

سنسور فعال: این سنسور‌ها هم گیرنده و هم فرستنده دارند و نحوه کار آن‌ها بدین ترتیب است که سیگنالی توسط سنسور ارسال و سپس دریافت می‌شود.. سنسور غیرفعال: این سنسور‌ها فقط گیرنده دارند و سیگنال ارسال شده از سوی منبعی خارجی را آشکار می‌کنند، به همین دلیل ارزان‌تر، ساده‌تر و دارای کارایی کمتر هستند.

سنسور‌ها از لحاظ فاصله‌ای که با هدف مورد نظر باید داشته باشندبه سه قسمت تقسیم می‌شوند:

سنسور تماسی: این نوع سنسور‌ها در اتصالات مختلفمحرک‌ها مخصوصا در عوامل نهایی یافت می‌شوند و به دو بخش قابل تفکیک‌اند.

i. سنسور‌های تشخیص تماس

ii. سنسور‌های نیرو-فشار

دو روش عمده در استفاده از سنسور‌ها وجود دارد:

۱. حس کردن استاتیک: در این روش محرک‌ها ثابت‌اند و حرکت‌هایی که صورت می‌گیرد بدون مراجعه لحظه‌ای به سنسور‌ها صورت می‌گیرد. به عنوان مثال در این روش ابتدا موقعیت شی تشخیص داده می‌شود و سپس حرکت به سوی آن نقطه صورت می‌گیرد.

۲. حس کردن حلقه بسته: در این روش بازو‌های ربات در طول حرکت با توجه به اطلاعات سنسور‌ها کنترل می‌شوند. اغلب سنسور‌ها در سیستم‌های بینا این‌گونه‌اند.

حال از لحاظ کاربردی با نمونه‌هایی از انواع سنسور‌ها درربات آشنا می‌شویم:

a. سنسور‌های بدنه (Body Sensors):

این سنسور‌ها اطلاعاتی رادرباره موقعیت و مکانی که ربات در آن قرار دارد فراهم می‌کنند. این اطلاعات نیز به کمک تغییر وضعیت‌هایی که در سوییچ‌ها حاصل می‌شود، به دست می‌آیند. با دریافت وپردازش اطلاعات بدست آمده ربات می‌تواند از شیب حرکت خود و این‌که به کدام سمت درحال حرکت است آگاه شود. در نهایت هم عکس‌العملی متناسب با ورودی دریافت شده از خودبروز می‌دهد.

b. سنسور جهت‌یاب مغناطیسی (Direction Magnetic Field Sensor) با بهره‌گیری از خاصیت مغناطیسی زمین و میدان مغناطیسی قوی موجود، قطب‌نمایالکترونیکی هم ساخته شده است که می‌تواند اطلاعاتی را درباره جهت‌های مغناطیسیفراهم سازد. این امکانات به یک ربات کمک می‌کند تا بتواند از جهت حرکت خود آگاه شدهو برای تداوم حرکت خود در جهتی خاص تصمصم‌گیری کند. این سنسور‌ها دارای چهار خروجیمی‌باشند که هرکدام مبین یکی از جهت‌ها است. البته با استفاده از یک منطق صحیح نیزمی‌توان شناخت هشت جهت مغناطیسی را امکان‌پذیر ساخت.

c. سنسور‌های فشار وتماس (Touch and Pressure Sensors) شبیه سازی حس لامسه انسان کاری دشوار به نظرمی‌رسد. اما سنسور‌های ساده‌ای وجود دارند که برای درک لمس و فشار مورد استفاده قرارمی‌گیرند. از این سنسور‌ها در جلوگیری از تصادفات و افتادن اتومبیل‌ها دردست‌انداز‌ها استفاده می‌شود. این سنسور‌ها در دست‌ها و بازو‌های ربات هم به منظورهایمختلفی استفاده می‌شوند. مثلا برای متوقف کردن حرکت ربات در هنگام برخورد عاملن‌هایی با یک شی. همچنین این سنسور‌ها به ربات‌ها برای اعمال نیروی کافی برای بلندکردن جسمی از روی زمین و قرار دادن آن در جایی مناسب نیز کمک می‌کند. با توجه بهاین توضیحات می‌توان عملکرد آن‌ها را به چهار دسته زیر تقسیم کرد: ۱- رسیدن به هدف،۲- جلوگیری از برخورد، ۳- تشخیص یک شی.

d. سنسور‌های گرمایی (Heat Sensors):

یکی از انواع سنسور‌های گرمایی ترمینستور‌ها هستند. این سنسور‌ها المان‌های مقاومتی پسیوی هستند که مقاومتشان متناسب با دمایشان تغییر می‌کند. بسته به اینکه در اثرگرما مقاومتشان افزایش یا کاهش می‌یابد، برای آن‌ها به ترتیب ضریب حرارتی مثبت یامنفی را تعریف می‌کنند. نوع دیگری از سنسور‌های گرمایی ترموکوپل‌ها هستند که آن‌هانیز در اثر تغییر دمای محیط ولتاژ کوچکی را تولید می‌کنند. در استفاده از این سنسور‌ها معمولا یک سر ترموکوپل را به دمای مرجع وصل کرده و سر دیگر را در نقطه‌ایکه باید دمایش اندازه‌گیری شود، قرار می‌دهند

سنسور‌های بویایی (Smell Sensors):

تا همین اواخر سنسوری که بتواند مشابه حس بویایی انسان عمل کند، وجودنداشت. آنچه که موجود بود یک‌سری سنسور‌های حساس برای شناسایی گاز‌ها بود که اصولا هم برای شناسایی گاز‌های سمی کاربرد داشتند. ساختمان این سنسور‌ها به این صورت است که یک المان مقاومتی پسیو که از منبع تغذیه‌ای مجزا، با ولتاژ ۵+ ولت تغذیه می‌شود، درکنار یک سنسور قرار دارد که با گرم شدن این المان حساسیت لازم برای پاسخ‌گویی سنسوربه محرک‌های محیطی فراهم می‌شود. برای کالیبره کردن این دستگاه ابتدا مقدار ناچیزی از هر بو یا عطر دلخواه را به سیستم اعمال کرده و پاسخ آن را ثبت می‌کنند و پس ازآن این پاسخ را به عنوان مرجعی برای قیاس در استفاده‌های بعدی به کار می‌برند. اصولا در ساختمان این سیستم چند سنسور، به طور همزمان عمل می‌کنند و سپس پاسخ‌های دریافتی از آن‌ها به شبکه عصبی ربات منتقل شده و تحلیل و پردازش لازم روی آن صورت می‌گیرد. نکته مهم درباره کار این سنسور‌ها در این است که آن‌ها نمی‌توانند یک بو یاعطر را به طور مطلق انداره بگیرند. بلکه با اندازه‌گیری اختلاف بین آن‌ها به تشخیص بو می‌پردازند.

نمونه‌ای از کاربرد:

آلمانی‌ها توانسته اند با ساخت سنسور بویایی ویژه‌ای بیماری‌های قلبی را تا ۹۰% کشف کنند. چنین اعلام شده که این حسگر می‌تواند انواعی از نارسایی قلبی را بر اساس بو‌ها تشخیص دهد.

f. سنسور‌های موقعیت مفاصل: رایج‌ترین نوع این سنسورهاکدگشا‌ها (Encoders) هستند که هم از قدرت بالای تبادل اطلاعات با کامپیوتربرخوردارند و هم اینکه ساده، دقیق، مورد اعتماد و نویز ناپذیرند. این دسته انکدرهارا به دو دسته می‌توان تقسیم کرد:

i. انکدر‌های مطلق: در این کدگشا‌ها موقعیتبه کد باینری یا کد خاکستری BCD Binary Codded Decible تبدیل می‌شود. این انکدر‌ها بهعلت سنگینی و گران‌قیمت بودن و اینکه سیگنال‌های زیادی را برای ارسال اطلاعات نیازدارند، کاربرد وسیعی ندارند. همانطور که می‌دانیم به‌کار گیری تعداد زیادی سیگنالدرصد خطای کار را افزایش می‌دهد و این اصلا مطلوب نیست. پس از این انکدر‌ها فقط درمواردی که مطلق بودن مکان‌ها برای ما خیلی مهم است و مشکلی هم از احاظ بار فابلتحمل ربات متوجه ما نباشد، استفاده می‌شود.

ii. انکدر‌های افزاینده: اینکدگشا‌ها دارای قطار پالس و یک پالس مرجع که برای کالیبره کردن بکار می‌رود هستند، از روی شمارش قطار‌های پالس نسبت به نقطه مرجع به موقعیت مورد نظر دست می‌یابند. ازروی فرکانس (عرض پالس‌ها) می‌توان به سرعت چرخش و از روی محاسبه تغییرات فرکانس درواحد زمان (تغییرات عرض پالس) به شتاب حرکت دوارنی پی برد. حتی می‌توان جهت چرخش رانیز فهمید. فرض کنید سیگنال‌های A. و B. و C. سه سیگنالی باشند که از کدگشا بهکنترل‌کننده ارسال می‌شود. B. سیگنالی است که با یک چهارم پریود تاخیر نسبت به A. ازروی اختلاف فاز بین این دو می‌توان به جهت چرخش پی برد.

سنسور مادون قرمز بدون حساسیت به نور محیط

این یک سنسور مادون قرمز که نسبت به نور روزحساسیت نداره و با استفاده از یک PLL کار می‌کنه!

و، اما چه جوری کار می‌کنه این از یه IC استفاده میکنه که دارای یه اوسیلاتور که روی فرکانس KHz ۴.۵ تنظیم شده این فرکانس توسط یه فرستنده مادون قرمز فرستاده می‌شه و توسط گیرنده مربوطه گرفته شده و ولتاژ DC اون حذف می‌شه (که معمولا این ولتاژ متناسب با نور‌های محیطه) بعدتوسط یه Phase Detector با فاز فرستنده مقایسه می‌شه و اگر برابر بود خروجی صفر میشه وجود یک PLL در مدار باعث می‌شه که حساسیت مدار به نور‌های پراکنده جلوگیری میکنه البته برای تنظیم حساسیت می‌تونین از پتانسیومتر مدار استفاده کنین

ازاین مدار می‌تونین هم برای تشخیص وجود یک مانع استفاده کنین و هم برای تشخیص رنگسیاه از سفید. فرستنده و گیرنده مدار رو می‌تونین رو بروی هم قرار بدین که با اینکار اگر مانعی در بین این دو باشه تشخیص داد می‌شه و هم می‌تونین هر دو رو کنار همقرار بدین البته باید مراقب باشین که نور فرستنده در این حالت مستقیم به گیرندهنرسه و فقط انعکاس اون رو گیرنده در یافت کنه با این کار اگه مانعی رو نزدیک این دوقرار بدین تشخیص داده می‌شه این فاصله حدود ۲cm که بستگی به رنگ جسم و جنس فرستندهو گیرنده دارد البته می‌توان آن را با پتانسیومتر مدار کمتر کرد با همین روش میتونین رنگ سیاه رو از سفید تشخیص بدین البته تنظیم پتانسیومتر یادتون نره

حسن این مدار اینه که با کم و زیاد شدن نور تنظیماتتون بهم نمی‌خوره دیگهبعداز یک ساعت تنظیم بعد که وارد محیط مسابقه شدین که نور دیگه‌ای داره همه چیز بهمنمی خوره.

حسگر‌های مافوق صوت (Ultrasonic):

یکی از مسائل مطرح در رباتیک ایجاددرک نسبت به محیط خارجی برای جلوگیری از برخورد نامطلوب به اشیاء موجود در محیطحرکت است.

از سوی دیگر ممکن است نیاز داشته باشیم که ربات بتواند درکی ازفاصله‌ها بدون تماس فیزیکی داشته باشد. برای این منظور از سنسور‌های مافوق صوت یا Ultrasonic استفاده می‌کنند. فرکانس‌های این محدوده را می‌توان بین ۴۰ کیلو هرتز تاچندین مگا هرتز در نظر گرفت. امواجی با این فرکانس‌ها کاربردهایی، چون سنجش میزانفاصله، سنجش میزان عمق یک مخزن و …. را دارند.

جهت استفاده از این امواج یکسری سنسور‌های مخصوص طراحی شده که می‌توان این سنسور‌ها را به دو دسته صنعتی و غیرصنعتی تقسیم بندی کرد. سنسور‌های غیر صنعتی در فرکانس‌هایی در حدود ۴۰ کیلو هرتز کارمی کنند و در بازار با قیمت‌های پایین در دسترس هستند. در این سنسور‌ها دقت کار بالانبوده و فقط در حد تشخیص یک فاصله یا عمق یک مایع می‌توان از آن‌ها استفاده کرد. امابلعکس در سنسور‌های صنعتی که در فرکانس‌های در حد مگا هرتز کار می‌کنند و به دلیل همین فرکانس بالا ما دقت زیادی را خواهیم داشت

مکانیزم کلی کار این سنسورها، فرستادن یک بیم و دریافت انعکاس آن و متعاقبا محاسبه زمان رفت و برگشت است. بدینترتیب می‌توان فواصل را نیز براحتی با در نظر گرفتن سرعت صوت در دما و فشار محیط، محاسبه کرد به همین دلیل این سنسور به صورت دو pack مجزای گیرنده و فرستنده موجودمی باشد.

نگاهی سریع به سنسور‌های رایج

SHT۱۱ سنسور رطوبت با خروجی دیجیتال

SHT۷۵ سنسور رطوبت با خروجی دیجیتال

Rhu-۲۰۷ سنسور رطوبت با خروجی مقاومتی

HS۱۱۰۱ سنسور رطوبتبا خروجی خازنی

۳۶۱۰ سنسور رطوبت با خروجی ولتاژ dc

Smt۱۶۰ سنسوردما با خروجی دیجیتال

LM۳۵ سنسور دما با خروجی آنالوگ

Gs۲۰۹ سنسورتشخیص فلزات

Tgs۴۱۶۱ سنسور تشخیص دی اکسید کربن

MQ-۴ سنسور گازمتان

Ss۱۱۱۸ سنسور اکسیژن

Ke-۲۵ سنسور اکسیژن

GR۵۰۰ سنسور وزن

MQ-۹ سنسور گاز مونوکسید کربن

MQ-۲ سنسور تشخیص دود

MQ-۵ سنسور گاز

Pir –dz۰۳۵ سنسور تشخیص انسان

L۲۹۸ درایور

Uln۲۰۰۳ درایور

Msk۴۲۲۵ درایور

۲۷xx حافظه prom

۲۸xx حافظه eeprom

Cmps۰۳ قطب نما

Tsl۲۵۵۰t سنسور تجزیهنور

Gp۲s۰۴ سنسور تشخیس سیاه و سفید

Tsl۲۳۰ تشخیص رنگ

LHI۶۴۸ سنسور حرارتی حساس به بدن

O۲A سنسور رطوبت و دما در یک پکخروجی دیجیتال

S۲H سنسور رطوبت مقاومتی

HAS ۴۰۰-S سنسور اندازهگیری جریان

LHI ۹۴۴ سنسورتشخیص حرکت (انسان و حیوان)

سنسور‌های تشخیص اثر انگشت:



در حال حاضر سنسور‌ها به روش‌های نوری، نیم هادی، خازنی و LE ساخته می‌شوند.

سنسور‌های نوری: این دسته از سنسور‌ها تصویر اثر انگشت را از طریق فشار دادن سر انگشتان بر روی لنز و منبع نوری ثبت می‌نمایند. صفحه این سنسور‌ها از الماس صنعتی (LANTAN) ساخته شده است.
سنسور‌های اثر انگشت نیمه هادی: در این سنسور‌ها، تصاویر اثر انگشت با تغییر در بار الکتریکی با توجه به فشار و ضربه حرارتی از انگشت به سنسور و یا با استفاده از میدان مغناطیسی یا امواج مافوق صوت برای تبدیل سیگنال به تصاویر بدست می‌آید.
در این سنسور‌ها صفحه نمایش از یک فیلم نازک ساخته می‌شود.
– سنسور‌های اثر انگشت LE: تصاویر با استفاده از مواد شیمیایی که نور را هنگام لمس انگشت روی آن‌ها منتشر می‌کنند، بدست می‌آید.

 در این نوع سنسور نیز صفحه نمایش از یک فیلم نازک ساخته می‌شود.