سنسور چیست؟ آشنایی با عملکرد + انواع آن در صنعت برق
سنسور برق چیست؟
سنسور برق یا حسگر، یک تجهیز الکتریکی است که وظیفهاش تشخیص یک کمیت فیزیکی (مانند دما، فشار، رطوبت، نور، فاصله، جریان، ولتاژ و…) و تبدیل آن به یک سیگنال الکتریکی قابل اندازهگیری است. در سیستمهای الکترونیکی و کنترل، سنسورها نقش چشم و گوش سیستم را ایفا میکنند.
در تعریف فنی، سنسور برق تجهیزی است که یک کمیت فیزیکی را گرفته و آن را به سیگنال الکتریکی (آنالوگ یا دیجیتال) تبدیل میکند، بهطوریکه این سیگنال برای پردازش، اندازهگیری یا کنترل قابل استفاده باشد.
طبقهبندی سنسور برق
1. بر اساس نوع سیگنال خروجی:
| توضیح | نوع |
|---|---|
| خروجی پیوسته است، مانند ولتاژ 0 تا 5 ولت یا جریان 4 تا 20 میلی آمپر | سنسور آنالوگ |
| خروجی گسسته یا صفر و یک دارد. | سنسور دیجیتال |
2. بر اساس کمیت قابل اندازهگیری:
| کاربرد و کمیت قابل تشخیص | نوع سنسور برق |
|---|---|
| مانند PTC، NTC، ترموکوپل | سنسور دما |
| فشار هوا، مایعات | سنسور فشار |
| اندازهگیری جریان AC/DC | سنسور جریان |
| مانیتورینگ ولتاژ AC یا DC | سنسور ولتاژ |
| تشخیص شدت نور | سنسور نور |
| سنجش میزان بخار آب در هوا | سنسور رطوبت |
عملکرد سنسور برق
عملکرد سنسور برق از نظر فنی به فرآیندی اطلاق میشود که در آن یک کمیت فیزیکی یا شیمیایی (مانند دما، فشار، نور، میدان مغناطیسی، رطوبت، حرکت، ولتاژ یا جریان) توسط یک عنصر حسگر (Sensing Element) شناسایی شده و سپس به یک سیگنال الکتریکی قابل تفسیر تبدیل میشود.
این سیگنال میتواند آنالوگ یا دیجیتال باشد و در ادامه وارد یک سیستم پردازشی مانند میکروکنترلر، PLC، سیستمهای کنترل صنعتی یا سیستمهای اندازهگیری میگردد.
سنسور برق از نظر ساختار داخلی معمولاً شامل سه بخش اصلی هستند:
1. عنصر حسگر: این بخش مستقیماً با کمیت فیزیکی در تماس است و بستگی به نوع سنسور ممکن است از مواد نیمهرسانا، پیزوالکتریک، مغناطیسی، اپتوالکترونیکی، نوری یا مکانیکی ساخته شده باشد.
برای مثال، در سنسور دما از نیمهرساناهای دماحساس مانند سیلیکون یا آلیاژهای پلاتین (RTD) استفاده میشود.
2. مبدل اولیه: این بخش وظیفه دارد خروجی عنصر حسگر را که معمولاً بهصورت تغییر مقاومت، ظرفیت، ولتاژ، جریان یا فرکانس است، به یک سیگنال استاندارد (ولتاژی یا جریانی) تبدیل کند.
بهطور مثال، در سنسور فشار، دیافراگم فشار را به یک کرنش مکانیکی تبدیل میکند و سپس با استفاده از کرنشسنجها آن را به ولتاژ تبدیل میکند.
3. مدار واسط: چون سیگنال خروجی اولیه معمولاً ضعیف، نویزی و ناپایدار است. در این بخش با استفاده از فیلتر، تقویتکننده، مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) یا مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC)، سیگنال تقویت، تثبیت و تبدیل میشود تا برای پردازش در سیستمهای کنترلی آماده شود.
مهمترین سنسورها در صنعت برق
1. سنسور فشار
سنسور فشار یک تجهیز الکترونیکی حساس به فشار است که برای اندازهگیری فشار گازها یا مایعات به کار میرود. این سنسور با تبدیل فشار فیزیکی به سیگنال الکتریکی قابل اندازهگیری، امکان مانیتورینگ و کنترل دقیق سیستمهای صنعتی، پزشکی، خودرویی و هیدرولیکی را فراهم میکند. سنسورهای فشار در واقع نوعی ترانسدیوسر هستند.
اساس عملکرد این سنسورها معمولاً بر مبنای تغییر خواص الکتریکی ناشی از تغییر شکل مکانیکی دیافراگم داخلی سنسور است. رایجترین ساختار، شامل یک دیافراگم حساس به فشار و یک پل وتستون است.
دیافراگم، تحت تأثیر فشار ورودی تغییر شکل میدهد. این تغییر شکل توسط استرین گیجهای نصبشده روی آن حس میشود. استرین گیجها مقاومت الکتریکی متغیر دارند و با کشیده یا فشرده شدن، مقدار مقاومتشان تغییر میکند.
چهار استرین گیج معمولاً در آرایش پل وتستون به کار میروند. تغییر مقاومت در این پل باعث ایجاد ولتاژ خروجی نامتعادل در دو سر پل میشود. این ولتاژ معمولاً بسیار کوچک (چند میلیولت) است و توسط تقویتکنندههای عملیاتی (OP-AMP) تقویت میشود.
سیگنال تقویتشده ممکن است مستقیماً به صورت ولتاژ آنالوگ (مثلاً 0 تا 5 ولت)، جریان آنالوگ (مثلاً 4 تا 20 میلیآمپر) یا سیگنال دیجیتال در اختیار سیستم کنترلی قرار گیرد.
2. سنسور اثر هال
سنسور اثر هال (Hall Effect Sensor) یک تجهیز الکترونیکی است که برای تشخیص میدان مغناطیسی و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی مورد استفاده قرار میگیرد. این سنسور بر پایه پدیدهای فیزیکی به نام اثر هال (Hall Effect) عمل میکند که در سال 1879 توسط “ادوین هال” کشف شد.
اساس عملکرد سنسور اثر هال به این صورت است که وقتی جریان الکتریکی از یک ماده نیمههادی عبور میکند و در همان لحظه میدان مغناطیسی عمود بر جهت جریان به آن اعمال شود، نیروی لورنتس بر حاملهای بار (الکترونها یا حفرهها) وارد میشود.
این نیرو باعث انحراف حاملهای بار به یک سمت ماده شده و در نتیجه، در دو طرف ماده اختلاف پتانسیلی ایجاد میگردد که به آن ولتاژ هال گفته میشود.
در ساختار الکتریکی یک سنسور هال، معمولاً یک ماده نیمههادی مستطیلی شکل وجود دارد که از یک طرف، جریان مرجع عبور داده میشود و از طرف دیگر، ولتاژ هال بین دو نقطه مجاور بهصورت عمود بر جریان اندازهگیری میشود.
این ولتاژ بسیار کوچک است (در حد میلیولت یا میکروولت) و نیاز به تقویتکننده عملیاتی (OP-AMP) دارد تا به سطح قابلاستفاده برای مدارهای بعدی برسد.
3. سنسور نوری
سنسور نوری یک نوع مبدل است که با استفاده از نور برای تشخیص وجود، فاصله، موقعیت، یا تغییر در سطح جسم عمل میکند. اساس عملکرد این سنسور بر پایه تولید و آشکارسازی نور و تغییر مشخصههای نوری هنگام برخورد نور با اجسام است.
سنسور نوری بهطور معمول از دو بخش اصلی تشکیل شده است:
1. فرستنده: معمولاً یک LED مادون قرمز یا لیزر دیود که پرتوی نوری را ارسال میکند.
2. گیرنده: معمولاً یک فتودیود، فتوترانزیستور یا آوالانش فوتودیود که نور بازتابشده یا عبوری را دریافت میکند و به سیگنال الکتریکی تبدیل میکند.
عملکرد سنسور نوری بر اساس تغییرات نوری (مقدار یا مسیر نور) در حضور یا عدم حضور جسم است.
در سادهترین حالت: نور ارسالشده توسط فرستنده به سمت ناحیه هدف هدایت میشود. اگر جسمی وجود داشته باشد، نور بازتاب مییابد یا قطع میشود. گیرنده، میزان نور دریافتی را اندازهگیری کرده و با مقایسه آن با یک سطح آستانه (Threshold)، خروجی منطقی (HIGH/LOW) تولید میکند.
مدار تقویتکننده، فیلتر، و اشمیتتریگر در مسیر سیگنال خروجی قرار دارند تا نویز حذف شده و خروجی پایدار حاصل شود.
4. سنسور RTD
سنسور RTD یا حسگر دمای مقاومتی یکی از پرکاربردترین سنسورها در اندازهگیری دقیق دما در محیطهای صنعتی و آزمایشگاهی است. عملکرد اصلی RTD بر پایه تغییر مقاومت الکتریکی فلزات با تغییر دما استوار است.
فلزاتی مانند پلاتین (Pt)، نیکل و مس به دلیل خواص فیزیکی پایدار، رایجترین مواد مورد استفاده در RTDها هستند؛ اما پلاتین (Pt100، Pt1000) به دلیل خطی بودن، پایداری طولانیمدت و مقاومت در برابر خوردگی، متداولترین ماده در این سنسورها به شمار میرود.
عملکرد RTD بر مبنای رابطه بین مقاومت الکتریکی یک فلز و دما است. با افزایش دما، مقاومت فلز افزایش مییابد و این تغییر مقاومت به صورت تابعی خطی یا شبهخطی با دما رفتار میکند.
5. ترمیستور
سنسور ترمیستور یک نوع حسگر دمای مقاومتی است که مقاومت الکتریکی آن به طور قابل توجهی با تغییر دما تغییر میکند. واژه “ترمیستور” ترکیبی از کلمات Thermal و Resistor است. برخلاف RTD که عمدتاً فلزی و دارای رفتار خطیتری است، ترمیستورها از مواد نیمههادی سرامیکی ساخته میشوند و دارای وابستگی غیرخطی شدید میان مقاومت و دما هستند.
ترمیستورها بر اساس تغییر مقاومت الکتریکی با تغییر دما کار میکنند. این تغییرات بسیار بزرگتر از RTD بوده و باعث حساسیت بالای ترمیستورها میشود.
انواع ترمیستور:
NTC: رایجترین نوع ترمیستور که با افزایش دما، مقاومت آن کاهش مییابد. بیشتر در کاربردهای اندازهگیری و کنترل دما استفاده میشود.
PTC: مقاومت آن با افزایش دما افزایش مییابد. معمولاً در کاربردهای حفاظتی مانند قطع جریان بیشازحد بهکار میرود.
6. سنسور رطوبت
سنسور رطوبت تجهیزی است که برای اندازهگیری میزان بخار آب موجود در هوا یا گازهای دیگر بهکار میرود. این حسگرها معمولاً رطوبت نسبی را بهصورت درصدی بین 0 تا 100% اندازهگیری میکنند.
رطوبت نسبی نشاندهنده نسبت فشار بخار آب موجود به فشار بخار اشباع در دمای مشخص است. انواع مختلفی از سنسورهای رطوبت وجود دارند، اما متداولترین نوع صنعتی و دقیق آن، سنسور خازنی است.
7. لودسل
سنسور لودسل یک مبدل نیرو است که برای اندازهگیری وزن یا نیروی فشاری/کششی بهکار میرود. عملکرد اصلی لودسل مبتنی بر تبدیل نیرو به سیگنال الکتریکی قابل اندازهگیری است. این سنسورها بهطور گسترده در سیستمهای آزمایشگاهی، خطوط تولید و تجهیزات اندازهگیری نیرو استفاده میشوند.
لودسلها عمدتاً از یک المان مکانیکی الاستیک (مانند تیر یا دیسک تغییر شکلپذیر) و تعدادی گیج کشش تشکیل شدهاند. این گیجها معمولاً مقاومتهای الکتریکی بسیار ظریفی هستند که به سطح لودسل چسبانده شدهاند.
زمانی که نیرویی به ساختار مکانیکی لودسل وارد میشود، آن قسمت دچار تغییر شکل مکانیکی (کرنش) میشود. این کرنش (تغییر طول یا فشردگی) باعث تغییر مقاومت الکتریکی در گیجها میگردد.
آیا این مقاله برایتان مفید بود؟
