انواع سنسورها و اهميت كاربرد آنها
۱-۱- مقدمه :
با پيشرفت سريع تكنيك اتوماسيون و پيچده تر شدن پروسه هاي صنعتي و كاربرد روز افزون اين شاخه از تكنيك نياز شديدي به كاربرد سنسورهاي مختلف كه اطلاعات مربوط به عمليات توليد را درك و بر اساس اين اطلاعات مقتضي صادر گردد ، احساس مي شود .
سنسورها به عنوان اعضاي حسي يك سيستم، وظيفه جمع آوري و با تبديل اطلاعات را به صورتي كه براي يك سيستم كنترل و با اندازه گيري قابل تجزيه و تحليل باشد به عهده دارند . در سالهاي اخير سنسورها به صورت يك عنصر قابل تفكيك سيستمهاي مختلف صنعتي مورد استفاده قرار گرفته و پيشرفت سريعي در جهت جوابگويي به تقاضاهاي صنعت در اين شاخه از علم الكترونيك انجام پذيرفته است .

سنسورها جهت تبديل عوامل فيزيكي مانند حرارت ، فشار ، نيرو ، طول ، زاويه چرخش ، دبي و غيره به سيگنالهاي الكتريكي بكار برده مي شوند و به همين منظور سنسورهاي مختلفي كه قابليت ‌تبديل اين عوامل را به جريان برق دارا مي باشند، ساخته شده اند .

يك سنسور را مي توان با خصوصيات زير تعريف نمود .
– سنسور به عنوان تبديل كننده اطلاعات فيزيكي به سيگنالهايي، كه مي توان از آنها به عنوان سيگنالهاي كنترل استفاده نمود . عمل مي كنند .
– يك سنسور نبايد حتماً يك سيگنال الكتريكي توليدنمايد . مانند سنسورهاي پنيوماتيكي و…
– سنسورها در دو نوع مختلف وجود دارند .

الف )با تماس مكانيكي مانند كليد قطع و وصل ، تبديل كننده هاي فشاري و…
ب) بدون تماس مكانيكي مانند سنسورهاي نوري و يا حرارتي و …
– سنسورها مي توانند بعنوان چشمهاي كنترل كننده يك سيستم مورد استفاده قرار گرفته و وظيفه مراقبت از پروسه و اعلام خرابي و يا نقص يك سيستم را به عهده بگيرند .
در كنار كلمة سنسور با واژه هاي زير نيز در صنعت روبرو هستيم .
۱- عنصر سنسور
قسمتي از سنسور را تشكيل مي دهد . كه عامل فيزيكي را حس كرده ، ولي بدون ، كمك قسمت آماده سازي سيگنال قادر به انجام وظيفه نيست .

۲- سيستم سنسور ي(Sensor system)
مجموعه اي از عناصر اندازه گيري تبديل و آماده سازي سيگنال را يك سيستم سنسوري مي نامند .

۳- سيستم مولتي سنسور
سيستم هايي كه داراي چندين سنسور از يك نوع و يا از انواع مختلف مي باشند سيستم مولتي سنسور مي نامند .
۲-۱- انواع خروجيهاي متداول سنسورها
در استفاده از سنسورها مي بايستي با انواع سيگنالهاي خروجي الكتريكي آشنا بود مي توان خروجيها را در پنج ردة مختلف دسته بندي نمود .
نوع A:
سنسورهايي با ماهيت قطع و و صل خروجي ( باينري ) مانند سنسورهاي نزديكي ، فشار ، اندازه گيري سطح مايعات و ..
اين نوع سنسورها را عمدتاٌ مي توان بطور مستقيم به دستگاه P.L.C متصل نمود .
نوع B:
سنسورهايي كه سيگنال خروجي آنها بصورت پالسي مي باشند ؛ مانند سنسورهاي اندازه گيري ميزان چرخش و با طول و ..
اين نوع سنسورها اكثراٌ توسط يك Interface قابل وصل به دستگاه P.L.C مي باشند.
P.L.C. مي بايستي داراي شمارندة نرم افزاري و سخت افزاري باشد .
نوع C :
سنسورهايي كه سيگنال خروجي آنها بصورت آنالوگ بوده ولي داراي بخش تقويت كننده و يا تبديل كننده نمي باشند . اين سيگنالها خيلي ضعيف بوده (در حد ملي ولت) و قابل استفاده مستقيم در دستگاههاي كنترل نمي باشند، مانند سنسورهاي Piezoelectric و با سنسورهاي Hall.
نوع D:
سنسورهايي كه سيگنال خروجي آنها بصورت آنالوگ بوده و واحد الكترونيك (‌تقويت كننده تبديل كننده ) در خود سنسور تعبيه شده است . در اين نوع سنسور خروجيها را مي توان بطور مستقيم جهت استفاده در دستگاههاي كنترل استفاده نمود .
محدودة خروجي سيگنالها عموماً به شرح زير مي باشند:
۰….۱۰V
-5….+۵V
1…۵V
0…۲۰mA
-10…+۱۰mA
4…۲۰mA

نوع E
سنسورهايي كه سيگنالهاي خروجي آنها مطابق با استانداردهاي صنعتي مي باشند مانند RS-485,RS-422-A,RS-232-C و با جهت Fieldbus مانند ASI,Profibus و.. در نظر گرفته شده اند .

۳-۱-سنسورهاي باينري و آنالوگ
سنسورهاي باينري مانند كليد قطع و وصل كار نموده و در صورت تحريك شدن سنسور كه توسط عوامل فيزيكي صورت مي گيرد . سيگنال وصل و يا قطع مي گردد .در اين نوع سنسورها فقط دو حالت «۰» و «۱» وجود دارد . در سنسورهاي آنالوگ عوامل فيزيكي با توجه به شدت و تأثير آنها به سيگنالهاي آنالوگ ولتاژ و يا جريان تبديل مي شوند .
۲- سوئيچهاي بدون تماس
تحت اين لفظ مي توان سنسورهايي را طبقه بندي نمود ،كه وظيفة اصلي آنها اعلام حضور يك قطعه در يك محل خاص مي باشد .اين نوع سوئيچها( سنسورها) داراي خروجي «۰» و «۱» منطقي بوده و داراي انواع مختلف مي باشد كليدهاي بدون تماس بعلت استفاده فراوان در صنعت داراي اهميت خاص بوده و در صنعت به نامهاي مختلفي مانند ميكروسوئيچ،كليدهاي انتهاي مسير و… معروف مي باشند .

مزاياي سوئيچهاي بدون تماس عبارتند از :
۱- بعلت عدم كنتاكت مكانيكي داراي طول عمر بيشتري هستند
۲- مي توان خيلي دقيق موقعيت قطعه را تعيين نمود .
۳- بدون داشتن تماس با قطعه ، مي تواند سيگنال مربوطه را ارسال دارد .
۴- داراي سرعت عكس العمل سريع و بدون اشتباه مي باشد
۵- تعداد قطع و وصل تقريباً بي نهايت است.

۶- مي توان انواعي از اين سنسورها را در شرايط كاري خيلي مشكل ( مانند رطوبت و يا حرارت بالا ) و يا خطرناك مانند ( محيط هاي قابل انفجار ) استفاده نمود .
سنسورهاي علاوه بر داشتن سرعت انتقال بالاي اطلاعات ، كنترل يك پروسه را آسان و زمان توقف دستگاه را در صورت خرابي بسيار كوتاه مي نمايند . توسط سنسورها مي توان محل و نوع خرابي ماشين را سريعاً تشخيص داده وتعميرات لازم را انجام داد .
انواع سوئيچهاي بدون تماس در جدول صفحة بعد نشان داده شده اند .

سنسورهاي بدون تماس عموماً با ولتاژ مستقيم با ۲۴ ولت كار مي كنند محدودة كار اين سنسورها بين ۱۰ تا ۳۰ ولت و ۱۰ تا ۵۵ ولت مي باشد در كشورهاي آسياي جنوبي و آمريكاي شمالي و جنوبي همچنين استراليا و آفريقاي جنوبي حدود ۳۰ درصد از سنسورهاي القائي و نوري با جريان متناوب كار مي كنند .
سنسورهاي بدون تماس القائي ، خازني و نوري در دو نوع ، با تغذيه DC‌ و تغذيه AC، ساخته مي شوند . ولتاژ متداول جهت جريان متناوب ۲۴ ولت ، ۱۱۰ ولت ،۱۲۰ ولت و يا ۲۲۰ ولت مي باشد .

مدلهايي هم از اين سنسورها وجود دارند كه هم با جريان متناوب ، و هم با جريان مستقيم قابليت كار را داشته و محدودة ولتاژ كاري براي جريان مستقيم ۱۲ ولت تا ۲۴۰ ولت و براي جريان متناوب ۲۴ ولت تا ۲۴۰ ولت مي باشند . نام ديگر اين سوئيچها (Universal Current)U.C مي باشند .

۳- سنسورهاي بدون تماس مغناطيسي
۱-۳- Reed سوئيچ
اين نوع سوئيچها به ميدان مغناطيسي حاصل از يك آهنرباي دائمي و يا آهنرباي الكتريكي حساس مي باشند ميدان مغناطيسي باعث اتصال دو زبانه كه از جنس فرو مغناطيس ( آلياژي از Fe-Ni,Ni-Fe) و در داخل يك كپسول شيشه اي مي باشند . مي شود . در داخل اين كپسول شيشه اي گاز N2 كه درمقابل اشتعال و فعل و انفعالات شيميايي مقاوم مي باشند پر شده است .

برخي از مشخصات فني اين نوع سنسورها به شرح جدول صفحة بعد مي باشد .
۱۲V…۲۷/V DC or AC Switching Voltage
±۰٫۱mm Switching accuracy
40W Max.Contact rating
0.16mT Max . magn . interference induction
2A Max.switching current
500Hz Max. Switching frequency
≤۲ms Switching time
0.1 Conductance
Contact service life
5.106Switching cycles (With prctectiv circuit)
IP66 Protection class to IEC 529.Din 40 050
-20°C…۶۰°C Ambient operating temperature
Table 3.1: Technical characteristics or reed proximity sansors

درشكل ۲-۳ ساختمان Reed سوئيچ كه به يك مقاومت از نوع سيم پيچ وصل شده است . نشان داده شده است ديودهاي نوري نشاندهندة وضعيت قطع و وصل سوئيچ به همراه يك مقاومت وظيفة محافظت مدار را در مقابل ولتاژ بالاي حاصل از قطع و وصل يك سيم پيچ را بر عهده دارند .

Reed كنتاكت ها مي توانند با توجه به وضعيت قرار گرفتن ميدان مغناطيسي يك آهنرباي دائمي محدوده هاي مختلفي جهت فعال شدن داشته باشند در شكل ۳-۳ اين محدوده ها رسم شده اند .

در محيط كاري Reed سوئيچ ها شدت ميدان مغناطيسي مزاحم نبايد بيشتر از ۰٫۱۶ تسلا باشد . در اين صورت بياد اين سنسورها را در مقابل ميدانهاي مزاحم ايزوله نمود .و حداقل فاصلة بين دو Reed سوئيچ بايستي ۶۰ ‌ميلي متر باشد .
۲-۳- سنسورهاي بدون تماس و فاقد كنتاكت (‌تيغه )
۱-۲-۳- سنسورهاي القايي – مغناطيسي

در اين سنسورها نوسان ساز LC‌وجود داشته كه داراي يك هسته سيم پيچي شده مغناطيسي بسته مي باشد با نزديك نمودن يك ميدان مغناطيسي اين هستة مغناطيسي اشباع گرديده و اين امر باعث تغيير جريان برق جاري شده در داخل سيم پيچ مي شود بوسيلة يك تقويت كننده اين اختلاف جريان حس و سپس جهت فعال كردن سنسور از آن استفاده مي شود . اين نوع از سنسورها فقط در مقابل ميدانهاي مغناطيسي حساس بوده و در مقابل فلزات از خود عكس العملي نشان نمي دهند .
۲-۲-۳- سنسورهاي بدون تماس بر اساس خاصيت Magnetorsistive

برخي از عناصر مانند InSb.Wi در ميدان مغناطيس ،‌مقاومت الكرتيكي خود را تغيير مي دهند و از اين اصل براي ساخت اين نوع از سوئيچ ها استفاده مي كنند .
۳-۲-۳- سنسورهاي بدون تماس بر اساس خاصيت HALL
وقتي كه يك نيمه رسانا مانند InSb در يك ميدان مغناطيسي قرار گيرد ، در جهت عمود بر اين ميدان ولتاژي بر روي اين نيمه رسانا ايجاد مي شود كه به ولتاژ Hall ‌معروف مي باشد اين نيمه رسانا بايد بصورت ورقة‌نازكي كه طول و عرض آن نسبت به ضخامت آن بزرگ بوده ، ساخته شود در روي اين ورقه ها مي توانند ولتاژي تا ۱٫۵ ولت ايجاد شود .
۴-۲-۳- سنسور Wiegand

سيم Wiegand آلياژي از واناديم (Vanadium) كبالت (Cobalt) و آهن است خاصيت آلياژ wiegand اين است كه وقتي شدت يك ميدان مغناطيسي از حد مشخصي تجاوز نمايد ، جهت مغناطيسي محدودة Wiss بصورت ناگهاني تغيير مي كند بطوريكه اگر يك سيم پيچ در دور سيم Wiegand قرار گيرد اين تغيير ناگهاني به صورت جريان القايي در اين آن قابل اندازه گيري مي باشد .
و ولتاژي تا ۳ ولت در سيم پيچ ايجاد مي شود به همين خاطر اكثر اين سنسورها احتياجي به منبع تغذيه خارجي ندارند .
برخي از مشخصات عمومي سنسورهاي القايي – مغناطيسي در جدول زير نشان داده شده است .

۱۰…۳۰ V Operating voltage
200 mA Max. Switching current
2…۳۵ mt Min. response induction
1 mT Max. magn. Interference induction
2A Response travel
7…۱۷ mm (Dependent on field strength and cylinder)
0.1…۱٫۵mm Hysteresis
0.1 mm
Switching point accuracy
Voltage drop

۳V (at max. switching ctrrent)
6.5mA mex Current consumption
-20°C…۷۰°C Operating remperature
1000Hz Switchingn frequency
IP 67 Protection to IEC 529, DIN 40 050
integrated Protective circuit for inductive
Technical data on an inductive- megnrtic proximity sensor (example)

سنسورهاي مغناطيسي – القايي داراي مزاياي زير نسبت به Reed سوئيچ ها مي باشند:
– نداشتن كنتاكت ( تيغه )
– از بين نرفتن كنتاكت هاي فلزي
– در صورتيكه محور مغناطيسي به صورت مطلوب قرار گرفته باشد فقط در يك محدوده فعال مي شوند .
همانند ساير سنسورهاي مغناطيسي مي بايستي در محيط كار به عوامل اختلال گر در كار اين نوع سوئيچ ها توجه گردد . مانند ميدان مغناطيسي خارجي و با دستگاههايي كه اين ميادين را ايجادمي نمايند .

۴- سنسورهاي القايي
يك سنسور القائي از يك نوسان ساز ( LC) ، يك Demodulator ، يك تقويت كننده و قسمت خروجي تشكيل شده است

توسط شكل خاص نوسان ساز ، ميدان مغناطيسي از طريق دريچة نيمه بازي در يك جهت معين منتشر مي شود بطوريكه ميدان مغناطيسي توليد شده در يك محدودة مشخصي فعال بوده و فقط در اين منطقه امكان قطع و وصل سنسور وجود دارد .
هنگامي كه جريان برق سنسور وصل ميگردد . نوسان ساز شروع به نوسان نموده و جريان مشخصي از آن عبور مي كند اگر يك جسم هادي جريان الكتريكي در ميدان مغناطيسي وارد گردد ، در آن جريان گردابي بوجود آمده و قسمتي از انرژي اسيلاتور را جذب مي كند كه اين خود باعث تغيير ميزان جريان مصرفي در نوسان ساز مي گردد . اين تغييرات در يك قسمت الكترونيكي تجزيه و تحليل و خروجي سنسور قطع و يا وصل مي شود .

با استفاده از سنسورهاي القائي فقط اجسام هادي جريان برق قابل حس مي باشند . اين سنسورها با خروجيهاي N.O, N.C عرضه مي گردند . فاصله اي كه در آن يك سنسور تغيير حالت مي دهد ( بسته شده و يا باز مي گردد) به عنوان فاصلة سوئيچ معروف مي باشند .
هر قدر سيم پيچ بكار رفته بزرگتر باشد ( در نتيجه سنسور هم بزرگتر خواهد بود ) فاصلة‌سوئيچ هم بيشتر مي گردد .براي فاصلة سوئيچ ۲۵۰ ميلي متر نيز سنسورهاي القائي وجود دارند .جهت تعيين فاصلة سوئيچ از ورقه هاي استاندارد كه از جنس فلز ST37 هستند استفاده مي شود كه ضخامت آن يك ميلي متر بوده و بصورت ورقه هاي مربع شكل مي باشند .
طول ضلع اين مربع بايد برابر :

۱- قطر دايرة منطقه اكتيو سنسور باشد
و يا
۲- سه برابر فاصله سوئيچ باشد
بزرگتر بودن ابعاد اين ورقه فقط باعث ايجاد تغييرات خيلي جزئي در مقدار اندازه گرفته شده ، خواهد شد . اما كوچك بودن ابعاد باعث بدست آمدن فاصلة سوئيچ كمتري مي باشد در صورت استفاده از فلزات ديگر بغير از ST37 باعث كمتر شدن فاصلة سوئيچ خواهد شد .
هنگام نصب سنسورهاي القائي در داخل نگهدارنده هاي فلزي مي بايستي توجه نمود كه بعلت وجود اجسام فلزي در طراف آن كاركرد سنسورها مختلف نگردد . از نظر تكنولوژي نصب دو نوع سنسور القايي وجود دارد :

۱- در اولين نوع كه در شكل۳ نشان داده شده است ميدان مغناطيسي در اطراف سنسور پراكنده نبوده ، بلكه به علت شكل خاص ساخت آن ميدان الكترومغناطيسي فقط در ناحية جلوي سنسور وجود دارد . به همين علت نگه دارندة فلزي سنسور اختلالي در كاركرد سنسور بوجود نمي آورد .
اگر سنسور القايي ديگري در مجاورت سنسور القايي نصب گردد ، ميبايستي در بين آنها حداقل فاصله اي برابر با قطر حساس سنسور وجود داشته باشد . منطقة‌آزاد كه در بالاي سنسورها مي باشد حد فاصل بين سنسور و اجسام موجود د رجلوي سنسور بوده و اين اشياء نمي بايستي در ميدان مغناطيسي سنسور داخل و توسط سنسور حس گردند . طول منطقه آزاد سه برابر فاصلة‌سوئيچ مي باشد .

اين نوع سنسور ها داراي اين مزيت هستند كه خيلي ساده و كم حجم ؛ قابل نصب مي باشند . ولي داراي فاصلة سوئيچ كمتري نسبت به سنسورهاي القائي نوع ۲ مي باشند .
۲- در اين نوع سنسور هاي القايي ميدان الكترومغناطيسي نه تنها در مقابل سر حساس سنسور ، بلكه در اطراف و حول و حوش آن بصورت جانبي نيز منتشر مي گردد . در نوع اخير كه درشكل ۶-۴ نشان داده شده است . بايد هنگام نصب ابعاد ذكر شده رعايت گردد . تا نگه دارندة فلزي سنسور تأثير منفي و اختلالي در كار سنسور بوجود نياورد .

۵- سنسورهاي خازني
اساس كار سنسورهاي خازني بر پاية‌تغييرات ظرفيت يك خازني مي باشد كه در يك مدار نوسان ساز RC قرار گرفته است سنسورهاي خازني نسبت به سنسورهاي القايي اين مزيت را دارند ، كه علاوه بر اجسام هادي ، اشياء عايق را نيز حس مي كنند .
در اين نوع از سنسور جهت ايجاد ميدان الكتريكي از دو الكترود استفاده مي شود .كه يكي از الكترودها فعال بوده وديگر به زمين متصل مي باشد همچنين الكترود خنثي كننده اي وجود دارد كه اثر رطوبت هوا را برروي خازن از بين مي برد اجزاء اين سنسور در شكل ۱-۵ نشان داده شده است

اگر فلز ، مواد مصنوعي ، شيشه ، چوب ؛ آب و … وارد محدودة فعال سنسور گردد
( محدودة‌انتشار ميدان الكتريكي نشتي خازن ) باعث تغيير ظرفيت آن گرديده كه مقدار اين تغيرات به عوامل زير بستگي دارد .
۱- فاصلة جسم از سنسور ۲- ابعاد جسم ۳- ضريب دي الكتريك جسم
توسط يك پتانسيومتر قابل تنظيم مي توان فاصلة سوئيچ را تنظيم نمود . و از اين خاصيت جهت حس نمودن اجسام معيني استفاده مي گردد . براي مثال مي توان سطح يك مايع را داخل يك بطري پلاستيكي تعيين نمود . بدون اينكه بطري پلاستيكي خود باعث بكار افتادن سنسور گردد .
در جدول ۱-۵ فاصله سوئيچ براي ورقة مقوا در ارتباط با ضخامت ورقه نشان داده شده است ابعاد ورقه ۳۰ ميلي متر مي باشد .

Switching distance
Material thickness
—– 1.5mm
0.2mm 3.0mm
1.0mm 4.5mm
2.0mm 6.0mm
2.3mm 6.0mm
2.5mm 9.0mm
2.5mm 10.5mm

Table5.1: Variation of Switching distance as a function of the material thicknees using a cardboard strip (width =30mm)
در جدول ۲-۵ فاصله سوئيچ براي اجسام مختلف نشان داده شده است . همانطور كه در اين جدول مشاهده مي شود فاصله سوئيچ براي تمام فلزات يكسان مي باشد همچنين در جدول ۳-۵ برخي از مشخصات فني سنسورهاي خازني جهت اطلاع نوشته شده است .
Reduction factor
Material
1.0 All metals
1.0 Water
0.3…۰٫۵ Glass
0.3…۰٫۶ Plastic
0.3…۰٫۵ Cardboard
0.2…۰٫۷ Wood (dependent on humidity)
0.1…۰٫۳ Oil

Table 5.2 Guide Values for reduction factor

typ.10…۳۰ V DC
Or 20…۲۵۰ V AC Operating voltage
typ. 5…۲۰mm
max.60mm(usually variable,adjustablevia potentiometer) Nominal switching distance
all materials with dielectric constant>1 Object material
max 500 mA DC Switching current
-25°C…+۷۰°C Ambient operating temperature
Sensitive Sensitivity to dirt

very long Service life
up to 300 Hz Switching frequency
Cylindrical
e.g.M18× ۱,M30×۱
UptoØ۳۰mm,block-shaped Design
Up to IP67 Protection to IEC 529,DIN40 050
Table5.3: Technical data of capscitive proximitySensors

سنسورهاي خازني نسبت به كثيف شدن خيلي حساس بوده و حساسيت آنها به رطوبت بخاطر بالا بودن ضريب دي الكتريك آب ( ( زياد مي باشد همچنين امكان حس كردن اجسام در پشت يك ديواره هم وجود دارد . و جهت اين كار مي بايستي حس گردد .( در پشت مانع ) حدود ۴ برابر ضريب دي الكتريك ديواره باشد جنس ديواره نبايد از فلز باشد .
براي حس كردن اجسام فلزي بجاي سنسورهاي خازني از سنسورهاي القايي استفاده مي گردد ، زير سنسورهاي القائي در مقايسه با سنسورهاي خازني ارزانتر مي باشند . براي حس كردن اجسام غير فلزي نيز اكثراً از سنسورهاي نوري استفاده مي گردد . مورد استفاده سنسورهاي خازني بيشتر و تشخيص سطح مايعات در ظروف پلاستيكي و امثالهم و يا اجسام غير فلزي در داخل يك محفظه مي باشد .

۶- سنسورهاي نوري
سنسورهاي نوري با سافتاده از نور و قطعات الكترونيكي كاركرده و از نور قرمز و با مادون قرمز بهره مي جويند . منبع توليد نرو قرمز و يا مادون قرمز ، ديودهاي نوري (‌LEDS) مي باشد اين ديودها ارزان ،مقاوم و داراي طول عمر زيادي بوده و مي توان نور آنها را به راحتي مدوله نمود . در گيرنده از فتوديود و يا فتوترانزيستور استفاده مي‌گردد نور قرمز از اين جهت مناسب مي باشد كه اولاً قابل رويت بوده و مي توان با چشم محور انتشار آنرا تنظيم نمود . و دوماً اينكه نور قرمز براحتي در فيبرهاي نوري قابل انتقال مي باشد و ضريب ميرايي در فيبرنوري براي طول موج نور قرمز كمتر
مي باشد .

نور مادون قرمز قابل رويت نمي باشد و در مواردي استفاده مي شود كه به توان بالاي نوري جهت مسافت هاي طولاني احتياج باشد همچنين تأثير اختلالات نوري محيط اطراف برروي نور مادون قرمز كمتر مي باشد .
در هر نوع از سنسورها از يك واحد الكترونيكي جهت مدوله كردن نور استفاده مي شود تا نور محيط اختلالي در كار سنسور بوجود نياورد . گيرنده نوري برروي فركانس مدولاسيون تنظيم شده تا فقط نور مدوله شده را دريافت نمايد . در سنسورهاي نوري يك مسيره از سيستم ذكر شده جهت از بين بردن تأثير نورهاي ديگر استفاده نگرديده .بلكه از فيلتر ميان گذر ( Bandpass) استفاده شده است همچنين اگر فيلترهاي نوري كه بتوانند اثر نور آفتاب ، را خنثي نمايند استفاده گردد ضريب اطمينان سنسورهاي نوري بالا مي رود در شكل ۱-۶ ساختمان داخلي يك سنسور نوري نشان داده شده است .

مثالي جهت سنسورهاي نوري
• فرستنده سنسورهاي نوري بدون استفاده از فيبر نوري
– ديود نوري از جنس GaAlAS
– طول موج ۸۸۰ نانومتر ( غير قابل رويت )
• فرستنده سنسورهاي نوري با استفاده از فيبر نوري
– ديود نوري از جنس GaAlAS

– طول موج ۶۶۰ نانومتر ( ‌نور قابل رويت )
* گيرنده
– فتو ترانزيستور از جنس سيليسيوم
سنسورهاي نوري را مي توان به دو دسته تقسيم نمود :
۱- سنسورهاي نوري يك مسيره ( بدون بازتاب )
۲- سنسورهاي نوري انعكاسي
هر كدام از سنسورهاي بالا مي توانند به دو طريق فعال گردند :
۱)فعال شدن توسط نور

در اين سنسور خروجي هنگامي وجود خواهد داشت كه مانع از مسير نور كنار رفته ونور توسط گيرنده دريافت گردد . به همين جهت به حالت عادي باز و يا Normally Open معروف مي باشند بنابراين در سنسورهاي نوري يك مسيره مادامي كه جسمي در مسير نور فرستاده شده قرار گرفته است مانع از رسيدن آن به گيرنده گرديده و خروجي سنسور قطع مي باشد .
۲) وصل توسط تاريكي
اين نوع سنسور برعكس حالت قبلي عمل كرده و با قطع شدن اشعة نور توسط يك مانع ، خروجي فعال مي گردد به همين جهت به حالت عادي بسته و با Normally Closed معروف مي باشند .
۱-۶- ساختمان سنسور نوري
يك سنسور نوري از دو قسمت اصلي تشكيل شده است ،۱- فرستنده ۲- گيرنده
البته با توجه به انواع مختلف سنسورها مي توان اجزاي ديگري مانند هدايت كننده نور و يا منعكس كننده و امثالهم را هم به آن اضافه نمود .
فرستند و گيرنده مي توانند در يك واحد متمركز باشند ، كه در اينصورت به‌ سنسورهاي نوري انعكاسي معروف مي باشند . يا در دو واحد مجزا بوده كه بعنوان سنسورهاي نوري يك مسيره شناخته مي شوند . در فرستنده يك منبع توليد نور جهت نور قرمز و يا مادون قرمز قرار دارد كه بر طبق قوانين اپتيك در يك خط راست نور را ساطع كرده و در گيرنده نور دريافتي فيلتر شده و سپس توسط مدارهاي الكترونيكي تحليل مي گردد .

در داخل بدنه سنسورها لاية‌ايزولاسيون وجود داشته و قطعات الكترونيكي داخل آن توسط پوشش پلاستيكي مذاب محافظت گرديده اند . در انتها سنسور پناسيومتر قابل تنظيم جهت تغيير حساسيت سنسور وجود دارد همچنين يك لامپ LED در روي سنسور وجود داشته كه در حالت فعال بودن سنسور روشن مي گردد.
سنسورهاي نوري حساس به عواملي مانند گرد وغبار ، روغن و كثيف بودن محيط كاري بوده ودر اينگونه شرايط كار آن مختلف مي گردد براي مثال در سنسورهاي يك مسيره كه نور ساطع شده ، فاصلة‌بين فرستنده و گيرنده را طي مي نمايد بر اثر گرد و غبار و يا عوامل ديگر امكان دارد كه نور فرستاده شده به گيرنده نرسيده و سنوسر اين اختلال را بعنوان وجود يك جسم تفسير نمايد و يا در صورت كثيف شدن لنز فرستنده توان نور فرستاده شده ضعيف گرديده و براي مثال در سنسورهاي انعكاسي نور برگشتي ديگر انرژي لازم جهت تحليل در گيرنده را نخواهد داشت .

براي سنسورهاي نوري ضريب كاري تعريف شده كه اين ضريب با كلمه β ( بتا ) نمايش داده شده و برابر خارج قسمت توان نور دريافتي يك سنسور ( PE) به حداقل توان نور دريافتي كه باعث قطع ووصل سنسور مي گردد ( PS) تعريف شده است .

‌اگر دو مقدار Ps , PE برابر باشند . در اينصورت مقدار بتا برابر۱ خواهد بود و در اينصورت رزرو كاري براي سنسور وجود ندارد و اگر بتا برابر ۱٫۵ باشد ، در اينصورت ۵۰% رزرو كاري موجود مي باشد اين ضريب بسته به فاصلة فرستنده و گيرنده در سنسورهاي نوري يك مسيره و با فاصله فرستنده از منشور منعكس كننده در سنسورهاي نوري انعكاسي و با فاصله فرستنده از جسم مورد نظر در سنسورهايي كه بر اساس نور انعكاسي از سطح اجسام كاركرده مي باشد كه اين فاصله با s‌نمايش داده مي شود نمودار ارتباط β با S سنسور هاي نوري مختلف با همديگر تفاوت داشته و منحني آنها در شكلهاي ۳-۶ الي ۵-۶ نشان داده شده است .

هر قدر محيط كاري نامناسبتر باشد ، مي بايستي ضريب كاري نيز بزرگتر در نظر گرفته شود .براي هر سنسور از طرف كارخانه سازنده منحني كاري آن نيز داده مي شود و براي هر فاصله مي بايستي از روي نمودار ضريب كاري مربوطه را انتخاب نمود جهت وارت نمودن شرايط نامساعد كاري ضريب بعنوان ضريب انتقال در نظر گرفته مي شود كه مفهوم اين ضريب بدين صورت مي باشد :
نشان دهنده اينست كه محيط كاري كاملاً مساعد و بدون آلودگي مي باشد و نشانگر اين مي باشد كه يك دهم توان نوري سنسور به گيرنده مي رسد و به همين جهت مي بايستي بتا بزرگتر از ۱۰ انتخاب گردد .
اگر منحني در دسترس نباشد مي بايستي اين نمودار را توسط آزمايش بدست آورد وجود يك لامپ چشمك زن در روي سنسور جهت اعلام وضعيت ضريب كاري مطلوب خواهد بود .در صورت آلودگي بيش از حد سنسور و پايين رفتن اين ضريب لامپ روشن خواهد شد همچنين اين لامپ مي تواند در صورت كثيف شدن سنسور به مرور زمان شخص را متوجه كثيف بودن سنسور بنمايد . روشن شدن اين لامپ اعلام مي تواند علل ديگري بغير از شرايط نامساعد كار داشته باشد
براي مثال :
– فاصله گيرنده و فرستنده از همديگر خيلي دور باشد
– تنظيم ناصحيح سنسور
– ضعيف شدن ديود نوري فرستنده
– شكستگي در فيبر نوري انتقال اشعه نور
۲-۶- انواع سنسورهاي نوري
در نمودار شكل ۶-۶ انواع سنسور ها نمايش داده شده است
Optical Proximity Sensors
Diffuse Through – beam sensors
Designs
With
Fibre –optica cable Retro
Reflective
Sensors Design
With
Fibre-optic cable
Fig-6-6 Variants of opticality proximity Sensors
در سنسورهاي نوري يك مسير فرستنده و گيرنده در دو واحد مجزا قرار گرفته و به همين جهت فاصلة S مي تواند طولاني باشد قطع نور بعنوان وجود مانع تفسير مي گردد اجسام حس شده باعث مي گردند كه شعاع نوري به گيرنده ونرسيده و يا در مورد اجسام نسبتاٌ شفاف مقدار نور رسيده خيلي ناچيز باشد .

در جدول ۱-۶ برخي مشخصات فني اين نوع از سنسورها نشان داده شده اند .

گيرنده داراي خروجي ترانزيستوري از نوع NPN , PNP بوده ودر بعضي از انواع آن نيز خروجي رله اي بكار رفته است .

محدودة نوري كه در آن امكان حس اشياء وجود دارد كاملاً‌دقيق بوده و به روزنة تابش بستگي دارد به همين جهت حركت اشياء در موازات شعاع نوري امكان پذيري
مي‌ باشد ( شكل ۸-۶)

مزيت سنسورهاي نوري يك مسيره عبارتند از :
– برد زياد سنسور
– اشياء كوچك در فاصله هاي زياد قابل تشخيص مي باشند .
– براي شرايط كاري غير مطلوب نيز قابل استفاده مي باشند .
– سنسور مي تواند اجسام صيقلي شفاف و غير صيقلي را حس بنمايد
– قابليت تنظيم دقيق
– قابليت اطمينان زياد به خاطر دريافت دائمي نور توسط گيرنده در حالت عادي
معايب اين سنسور عبارتند از :
– بعلت وجود گيرنده و فرستنده در دو واحد مجزا ، احتياج سخت افزاري سيستم دو برابر مي باشد .
– براي اجسام كاملاً شفاف نمي توان از آن استفاده نمود( در مورد اجسام شفاف مي توان توان فرستنده را طوري تنظيم نمود كه پس از برخورد به جسم شفاف ، ديگر نور رسيده به گيرنده قابل حس نباشد ).
– از كار افتادن فرستنده به عنوان وجود يك مانع تفسير گرديده كه اين امر رد مسائل ايمني بسيار مهم مي باشد .
۱-۲-۶- سنسورهاي نوري انعكاسي ( از نوع بازتاب از روي منشور انعكاس )
در اين نوع از سنسورها فرستنده و گيرنده در يك واحد متمركز مي باشند همچنين به يك منعكس كننده جهت برگشت دادن نور فرستاده شده نيز احتياج مي باشد قطع شعاع نوري باعث عملكرد سنسور مي گردد . در اين نوع از سنسور مي بايستي به اين نكته توجه نمود كه شي مورد نظر نورتابيده شده را از سطح خود دوباره به گيرنده انعكاس ندهد ، در غير اينصورت وجود اين جسم حس نمي گردد .
سنسورهاي نوري انعكاسي از نوع بازتاب از روي منشور انعكاسي نسبت به سنسورهاي نوري انعكاسي كه بازتاب نور آنها توسط اشياء صورت مي گيرد داراي اين مزيت مي باشند كه برد كاري آنها بيشتر مي باش در شكل ۱۱-۶ ساختمان كاري آن نشان داده شده است

برخي از مشخصات فني اين نوع از سنسور ها در جدول ۶-۲ آورده شده است .
typ.10…۳۰ V DC
Or 20…۲۵۰ V AC Operating voltage
Up to 10 m
(usually adjustable) Range
(dependent on reflector)
any, problems with reflecting objects Object material
100…۵۰۰ mA DC Switching current (transistor output)
0°C…۶۰°C Ambient operating temperature
Sensitive Sensitivity to dirt
Long (approx. 100 000 h) Service life
10…۱۰۰۰ Hz Switching frequency
Cylindrical ,block-shaped Design
Up to IP67 Protection to IEC 529,DIN 40 050
Table 6.2: Technical data of retro-reflective sensors
مزاياي اين سنسور ها عبارتند از :
– قابليت اطمينان زياد بخاطر دريافت دائمي نور توسط گيرنده در حالت عادي
– نصب اسان و قابليت تنظيم ساده
– برد نسبتاً زياد
عيب اين نوع سنسور حس نكردن اجسام شفاف و يا روشن مي باشد .
دركاربرد با اين سنسور مي بايستي به نكات زير توجه نمود :
– مي توان با كم كردن توان نور فرستنده اجسام شفاف را هم حس نمود .
– اجسامي كه داراي سطح بازتابي مي باشند مي بايستي طوري در مسير نور قرار گيرند كه نور انعكاس يافته از سطح آنها به گيرنده نرسد ( عمود بر مسير انتشار نور قرار نگيرند .)
– براي اجسام خيلي كوچك مي توان از شكافهاي مخصوصي جهت عبور نور فرستنده استفاده نمود.
– از كار افتادن فرستنده به عنوان وجود يك شي تحليل مي گردد .
– منعكس كننده ها مي توانند كثيف شده و يا بر اثر حرارت تغيير فرم پيدا نموده ودر نتيجه راندمان كاري بسيار پايين آيد .
۲-۲-۶- سنسور نوري بازتابي بر اساس انعكاس نور از روي اجسام
در اين نوع از سنسور فرستنده و گيرنده در يك واحد متمركز مي باشند قسمتي از نور ساطع شده از فرستنده توسط اجسام مورد نظر انعكاس يافته و به گيرنده رسيده و باعث فعال شدن آن مي شود
فاصله اي كه در آن مي توان اجسام را حس نمود معمولاً كوتاه( در حد چند دسيمتر ) بوده كه باندازه نوع سطح ، شكل ، رنگ و عوامل جنبي بسياري بستگي دارد . همچنين مي بايستي در صورت عدم حضور يك جسم در مسير نور فرستنده ؛ نور ساطع شده از ديواره ها ويا از اطراف به گيرنده نرسيده و باعث فعال گشتن سنسورنگردند .
در جدور ۳-۶ برخي از مشخصات فني اين نوع از سنسور نشان داده شده است
typ.10…۳۰ V DC
Or 20…۲۵۰ V AC Operating voltage
max. 50 mm up to 2 m (usually adjustable) Sensing range
any Object material
100…۵۰۰ mA DC Switching current (transistor output)
Or- 25°C…۸۰°C Ambient operating temperature
Sensitive Sensitivity to dirt
Long (approx. 100 000 h) Life cycle
10…۱۰۰۰ Hz Switching frequency
Cylindrical ,block-shaped Design
Up to IP67 Protection to IEC 529,DIN 40 050
Table 6.3: Technical data of Sensors

درجدول فوق برد سنسور را براي يك ورقة‌سفيد كه عمود بر راستاي انتشار نور مي باشد ، تعيين نموده اند . همچنين در شكل ۱۰-۶ مي توان ديد كه براي فاصله هاي نزديك سطح كوچك براي فواصل طولاني سطوح منعكس كننده نور نيز به همان نسبت بزرگتر خواهند بود

مزيت هاي اين سنسور ها به شرح زير مي باشند
– احتياجي به منشور منعكس كننده نمي باشد
– وجود اجسامي در مقابل مسير نور حس مي گردد كه بتوانند نور كافي به گيرنده برسانند
– بر خلاف سنسورهاي نوري يك مسيره كه حتماً اجسام شعاع نور تابش يافته را قطع و از رسيدن آن به طور كامل به گيرنده جلوگيري مي كردند در اين نوع از سنسور مي تواند يك جسم بصورت موازي و در امتداد شعاع نور ساطع شده قرار داشته باشد .
– مي توان با تنظيم توان سنسور اجسام مختلفي كه در مقابل يك ديواره قرار دارند بطور انتخابي حس نمود
– عيب اين سنسور در دقيق نبودن مرز منطقه فعال آن مي باشد و همچنين از كار افتادن سنسور به عنوان عدم وجود جسم تفسير مي گردد(‌مسئله ايمني پرس )
۳-۲-۶- سنسورهاي نوري با استفاده از فيبرهاي نوري
از اين نوع خاص از سنسورهاي نوري جهت انتقال شعاع نوري از فيبرهاي نوري استفاده مي گردد. اين سنسورها در مواردي به كار مي روند كه بعلت كمبود جا نمي توان دستگاه سنسور را بطور مستقيم بر روي دستگاه نصب نمود و يا در محيط هاي كاري كه امكان انفجار وجود دارد نمي توان دستگاه سنسور را كه با جريان برق كار كرده و امكان ايجاد جرقه رد هنگام قطع و وصل وجود دارد ، استفاده نمود . همچنين توسط فيبرهاي نوري مي توان اشياء خيلي كوچك را هم حس نمود .
اساس كار اين سنسور مانند سنسورهاي نوري يك مسيره مي باشد و بخاطر قابليت انعطاف رشته هاي فيبر نوري مي توان تقريباً به دلخواه سنسور را نصب نمود.
مزاياي اين سنسورها عبارتند از :
– تشخيص اجسام در مكانهائي كه امكان دسترسي به آنها دشوار ميباشد
– امكان نصب در محيط كاري خطرناك و يا غير مطلوب
– تشخيص اجسام كوچك
– امكان تغيير مكان فيبرهاي نوري با توجه به نوع كاري وجود دارد
فيبرهاي نوري را مي توان به دو دسته تقسيم نمود :
۱- فيبرهاي نوري از حنس پليمر
۲- فيبرهاي نوري از جنس شيشه
هر كدام از اين انواع مزاياي خاص خود را داشته كه مي توان به شرح زير آنها را نام برد :
فيبرهاي نوري از جنس پليمر مقاومتر از نوع شيشه اي بوده و مي توان در طولهاي مختلف آنها را تهيه نمود زيرا براحتي قابل برش با وسيلة تيزي مي باشد همچنين نسبت به نوع شيشه اي ارزان مي باشند .
فيبرهاي نوري از جنس شيشه براي محيط هاي كاري با حرارت بالا مناسب بوده و ضريب ميرايي براي نور جاري شده در داخل آنها خيلي كم مي باشد همچنين داراي طول عمر بيشتري نيز مي باشند .
فيبرهاي نوري در مقابل نورهاي مزاحم حتي الامكان ايزوله مي باشند . ولي نورهاي شديدي مانند نور فلاش ، نورافكن و يا نور شديد خورشيد مي تواند در كار آنها اختلال بوجود آورد .
۷- سنسورهاي صوتي
اساس كار سنسورهاي صوتي بر پاية ايجاد فرستادن وسپس دريافت انعكاس امواج صوتي ميباشد
انعكاس بر اثر برخورد اين امواج به سطح اجسام ايجاد مي گردد . هوا عامل انتقال امواج صوتي مي باشد اين سنسور از سه بخش تشكيل شده است (شكل ۱-۷)

۱- تبديل كننده امواج صوتي
۲- تحليل كننده سيگنالها
۳- قسمت خروجي
قسمت توليد امواج صوتي از يك كريستال كوارتز تشكيل شده كه بر اثر عبور جريان برق مرتعش گرديده و پالسهاي كوتاه مدت صوتي ايجاد مي نمايد فركانس امواج توليد شده در محدودة فركانس ۳۰-۳۰۰KHZ كه براي گوش انسان غير قابل شنيدن بوده مي باشد در اكثر اين سنسورها بعد از ارسال امواج صوتي فرستنده تبديل به گيرنده امواج (‌ميكروفن ) گرديده و منتظر دريافت امواج انعكاسي مي ماند همچنين فيلترهاي خاصي در سيستم وجود دارند كه امواج مزاحم را ناديده گرفته . فقط امواج انعكاسي را از جسم مورد نظر به داخل سنسور راه مي يابند . شكل ۲-۷ امواج توليد شده و انعكاس يافته را نشان مي دهد.

سنسورهاي صوتي به خاطر سرعت انتشار امواج در محيط با فركانسي در حدود يك الي صد هرتز بسته به نوع سنسور ، امواج ارسالي را تكرار مي كنند
توسط اين سنسور ها مي توان مواد مختلف را حس نموده و عوامل جنبي مانند گرد و غبار ، بخار آب و دود وذرات ديگر معلق در هوا در كار اين سنسور تأثير نمي گذارند همچنين فرم ، شكل ظاهر و رنگ اجسام نيز تأثيري برروي كار اين سنسور نداشته و مواد در سه حالت جامد ؛ مايع ، گاز قابل حس مي باشند فقط مي بايستي اجسام جذاب امواج صوتي مانند سطوح متخلخل ، لباس و پشم شيشه ، امثالهم در مسير امواج نباشد .
در سنسورهاي صوتي غالباً فرستنده و گيرنده در يك واحد متمركز بوده ولي سنسورهاي صوتي با گيرنده و فرستندة‌جدا از هم نيز وجود دارد از اين سنسور ها غالباً در صنايع غذايي ، سيستمهاي انتقال اشياء، كارخانه هاي توليد شيشه ، مواد مصنوعي و فلز ، انبار كالا و امثالهم استفاده مي گردد .
مزيت اين سنسورها به شرح زير مي باشند :
۱- برد آنها زياد مي باشد ( چندين متر )
۲- اشياء بي رنگ نيز قابل حس مي باشند
۳- اجسام شفاف را برعكس سنسورهاي نوري مي توان تشخيص داد
۴- در مقابل آلودگي هوا و كثيف شدن حساس نيستند
۵- در محيط هاي باز قابل استفاده مي باشند .
۶- امكان تشخيص اجسام بدون تماس در يك فاصله كاملاً دقيق امكان پذير باشد
در مقابل مزيت هاي ذكر شده مي توان معايب زير را براي اين نوع از سنسورها برشمرد
۱- در صورت قرار گرفتن يك جسم بصورتي كه امواج انعكاسي به جهتي ديگر بغير از جهت سنسور فرستاده شود امكان دريافت امواج وجود نداشته و به همين جهت سطوح منعكس كننده مي بايستي عمود بر محور انتشار امواج قرار گيرد .
۲- سرعت عكس العمل اين سنسور نسبتاً كم مي باشد و محدودة فركانس قطع ووصل ۱ الي ۱۲۵ هرتز مي باشد
۳- سنسور هاي صوتي گرانتر از سنسورهاي نوري مي باشند
درجدول ۱-۷ برخي از مشخصات فني اين سنسورها جهت اطلاع ذكر گرديده است .
typ.24 V DC
Operating voltage
Up to 10 m
Nominal switching distance
(usually adjustable)
any, With the exception of sound- absorbing materials Object material
100…۴۰۰ mA DC Switching current (transistor output)
0°C…۷۰°C, partly as low as – ۱۰°C Ambient operating temperature
moderate Sensitivity to dirt
Long Service life
30 kHz… ۳۰۰kHz Ultrasonic frequency
1…۱۲۵ Hz Switching frequency
Cylindrical ,block-shaped Design
typ. IP 65
max. up to IP 67 Protection to IEC 529,DIN 40 050
Table 7.1: Technical data of ultrasonic sensors

در سنسورهاي صوتي علاوه بر يك ديود نوري ، پتانسيومتر قابل تنظيمي كه محدودة كاري سنسور را مشخص مي نمايد تعبيه شده است همچنين نوع ديگري از اين سنسور كه قابل برنامه ريزي مي باشد . و داراي يك مدار الكترونيكي مي باشد. وجود داشته كه مي توان محدودة كاري را از قبل در آن برنامه ريزي نمود و سپس انتخاب كرد. همچنين در بعضي از اين سنسورها ورودي سينكرون وجود داشته كه در صورت استفاده از چند سنسور صوتي كه در كنار هم، اختلالي در كار يكديگر ايجاد ننمايند. در صورتي كه اين واحد ورودي وجود نداشته باشد. مي بايستي حداقل فاصله بين سنسورها رعايت گردد كه جدول زير محدودة كاري و فاصله سنسورها از همديگر را نشان مي دهد. ( جدل ۲-۷)