أجهزة الاستشعار هي أجهزة معقدة تستخدم غالبًا لاكتشاف الإشارات الكهربائية أو الضوئية والاستجابة لها. يقوم الجهاز بتحويل المعلمة الفيزيائية (درجة الحرارة ، ضغط الدم ، الرطوبة ، السرعة) إلى إشارة يمكن قياسها بواسطة الجهاز.
قد يختلف تصنيف المستشعرات في هذه الحالة. هناك العديد من المعلمات الأساسية لتوزيع أجهزة القياس ، والتي سيتم مناقشتها بمزيد من التفصيل. في الأساس ، هذا الفصل ناتج عن عمل قوى مختلفة.
يسهل شرح ذلك باستخدام قياس درجة الحرارة كمثال. يتمدد الزئبق الموجود في ميزان الحرارة الزجاجي ويضغط السائل لتحويل درجة الحرارة المقاسة ، والتي يمكن قراءتها بواسطة مراقب من أنبوب زجاجي مُعاير.
معايير الاختيار
هناك ميزات معينة يجب مراعاتها عند تصنيف المستشعر. تم سردها أدناه:
- دقة
- الظروف البيئية - عادة ما يكون لأجهزة الاستشعار قيود في درجة الحرارة والرطوبة.
- المدى - الحدقياسات الاستشعار.
- المعايرة - مطلوبة لمعظم أدوات القياس حيث تتغير القراءات بمرور الوقت.
- التكلفة.
- التكرار - يتم قياس القراءات المتغيرة بشكل متكرر في نفس البيئة
التوزيع حسب الفئة
تنقسم تصنيفات أجهزة الاستشعار إلى الفئات التالية:
- رقم الإدخال الأساسي للمعلمات.
- مبادئ التحويل (باستخدام التأثيرات الفيزيائية والكيميائية).
- المواد والتكنولوجيا.
- الوجهة
مبدأ النقل هو المعيار الأساسي المتبع لجمع المعلومات بشكل فعال. عادة ، يتم اختيار المعايير اللوجستية من قبل فريق التطوير.
يتم توزيع تصنيف المستشعرات على أساس الخصائص على النحو التالي:
- درجة الحرارة: الثرمستورات ، المزدوجات الحرارية ، موازين الحرارة المقاومة ، الدوائر الدقيقة.
- الضغط: الألياف البصرية ، الفراغ ، مقاييس السوائل المرنة ، LVDT ، الإلكترونية.
- التدفق: الكهرومغناطيسي ، الضغط التفاضلي ، الإزاحة الموضعية ، الكتلة الحرارية.
- مستشعرات المستوى: الضغط التفاضلي ، تردد الراديو بالموجات فوق الصوتية ، الرادار ، الإزاحة الحرارية.
- القرب والإزاحة: LVDT ، الكهروضوئية ، بالسعة ، المغناطيسية ، فوق الصوتية.
- المستشعرات الحيوية: مرآة رنانة ، كهروكيميائية ، رنين مأكل بالسطح ، مقياس جهد ضوئي قابل للعنونة.
- الصورة: CCD ، CMOS.
- الغاز والكيمياء: أشباه الموصلات ، الأشعة تحت الحمراء ، التوصيل ، الكهروكيميائية.
- التسارع: الجيروسكوبات ، مقاييس التسارع.
- أخرى: مستشعر الرطوبة ، مستشعر السرعة ، الكتلة ، مستشعر الإمالة ، القوة ، اللزوجة.
هذه مجموعة كبيرة من الأقسام الفرعية. يشار إلى أنه مع اكتشاف التقنيات الجديدة ، يتم تجديد الأقسام باستمرار.
تعيين تصنيف المستشعر بناءً على اتجاه الاستخدام:
- التحكم والقياس والأتمتة في عملية الإنتاج
- الاستخدام غير الصناعي: الطيران ، والأجهزة الطبية ، والسيارات ، والإلكترونيات الاستهلاكية.
يمكن تصنيف أجهزة الاستشعار وفقًا لمتطلبات الطاقة:
- مستشعر نشط - الأجهزة التي تتطلب طاقة. على سبيل المثال ، LiDAR (كشف الضوء ومعين المدى) ، خلية ضوئية.
- مستشعر سلبي - مستشعرات لا تتطلب طاقة. على سبيل المثال ، مقاييس الإشعاع ، تصوير الأفلام.
يتضمن هذان القسمان جميع الأجهزة المعروفة بالعلوم.
في التطبيقات الحالية ، يمكن تجميع تخصيص تصنيف المستشعر على النحو التالي:
- مقاييس التسارع - تعتمد على تقنية الاستشعار الكهروميكانيكية الدقيقة. يتم استخدامها لمراقبة المرضى الذين يقومون بتشغيل أجهزة تنظيم ضربات القلب. وديناميكيات السيارة
- أجهزة الاستشعار الحيوية - تعتمد على التكنولوجيا الكهروكيميائية. تستخدم لاختبار الغذاء والأجهزة الطبية والمياه واكتشاف مسببات الأمراض البيولوجية الخطيرة.
- مستشعرات الصور - تعتمد على تقنية CMOS. يتم استخدامها في الإلكترونيات الاستهلاكية ، والقياسات الحيوية ، ومراقبة حركة المرورالمرور والأمن وكذلك صور الكمبيوتر.
- أجهزة كشف الحركة - تعتمد على تقنيات الأشعة تحت الحمراء والموجات فوق الصوتية والميكروويف / الرادار. تستخدم في ألعاب الفيديو والمحاكاة والتفعيل الضوئي والكشف الأمني.
أنواع أجهزة الاستشعار
هناك أيضا مجموعة رئيسية. وهي مقسمة إلى ستة مجالات رئيسية:
- درجة الحرارة
- الأشعة تحت الحمراء.
- فوق بنفسجي.
- الاستشعار.
- نهج حركة
- الموجات فوق الصوتية.
قد تتضمن كل مجموعة أقسام فرعية ، إذا تم استخدام التكنولوجيا جزئيًا كجزء من جهاز معين.
1. مجسات درجة الحرارة
هذه واحدة من المجموعات الرئيسية. يوحد تصنيف مستشعرات درجة الحرارة جميع الأجهزة التي لديها القدرة على تقييم المعلمات بناءً على تسخين أو تبريد نوع معين من المواد أو المواد.
يجمع هذا الجهاز معلومات درجة الحرارة من المصدر ويحولها إلى شكل يمكن أن يفهمه الأشخاص أو المعدات الأخرى. أفضل مثال على حساس درجة الحرارة هو الزئبق الموجود في ميزان حرارة زجاجي. يتمدد الزئبق في الزجاج وينكمش مع التغيرات في درجات الحرارة. درجة الحرارة الخارجية هي عنصر البداية لقياس المؤشر. يتم ملاحظة موضع الزئبق من قبل العارض لقياس المعلمة. هناك نوعان رئيسيان من أجهزة استشعار درجة الحرارة:
- مستشعرات الاتصال. يتطلب هذا النوع من الأجهزة اتصالًا ماديًا مباشرًا بالجسم أو الناقل. هم في السيطرةدرجة حرارة المواد الصلبة والسوائل والغازات على نطاق واسع لدرجة الحرارة.
- مستشعرات القرب. لا يتطلب هذا النوع من أجهزة الاستشعار أي اتصال مادي مع الجسم أو الوسيط المقاس. يتحكمون في المواد الصلبة والسوائل غير العاكسة ، لكنهم غير مجديين للغازات بسبب شفافيتها الطبيعية. تستخدم هذه الأدوات قانون بلانك لقياس درجة الحرارة. يتعلق هذا القانون بالحرارة المنبعثة من المصدر لقياس المعيار.
العمل مع مختلف الأجهزة
ينقسم مبدأ التشغيل وتصنيف مستشعرات درجة الحرارة إلى استخدام التكنولوجيا في أنواع أخرى من المعدات. يمكن أن تكون هذه لوحات عدادات في السيارة ووحدات إنتاج خاصة في متجر صناعي.
- مزدوج حراري - الوحدات النمطية مصنوعة من سلكين (كل منهما - من سبائك أو معادن مختلفة متجانسة) ، والتي تشكل انتقالًا للقياس عن طريق التوصيل في نهاية واحدة. وحدة القياس هذه مفتوحة للعناصر المدروسة. ينتهي الطرف الآخر من السلك بجهاز قياس حيث يتم تشكيل تقاطع مرجعي. يتدفق التيار عبر الدائرة لأن درجات حرارة التقاطعين مختلفة. يتم قياس جهد الميلي فولت الناتج لتحديد درجة الحرارة عند التقاطع.
- كاشفات درجة حرارة المقاومة (RTDs) هي أنواع من الثرمستورات التي يتم تصنيعها لقياس المقاومة الكهربائية مع تغير درجات الحرارة. إنها أغلى من أي أجهزة أخرى لكشف درجة الحرارة.
- ثرمستورات. وهي نوع آخر من المقاومات الحرارية فيها كبيرةالتغير في المقاومة يتناسب مع تغير طفيف في درجة الحرارة.
2. مستشعر IR
يصدر هذا الجهاز أو يكتشف الأشعة تحت الحمراء لاكتشاف مرحلة معينة في البيئة. كقاعدة عامة ، ينبعث الإشعاع الحراري من جميع الكائنات الموجودة في طيف الأشعة تحت الحمراء. يكتشف هذا المستشعر نوع المصدر غير المرئي للعين البشرية.
الفكرة الأساسية هي استخدام مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء لنقل موجات الضوء إلى كائن ما. يجب استخدام صمام ثنائي آخر من نفس النوع للكشف عن الموجة المنعكسة من الجسم.
مبدأ العملية
تصنيف المستشعرات في نظام الأتمتة في هذا الاتجاه شائع. هذا يرجع إلى حقيقة أن التكنولوجيا تجعل من الممكن استخدام أدوات إضافية لتقييم المعلمات الخارجية. عندما يتعرض مستقبل الأشعة تحت الحمراء لضوء الأشعة تحت الحمراء ، يتطور فرق الجهد عبر الأسلاك. يمكن استخدام الخصائص الكهربائية لمكونات مستشعر الأشعة تحت الحمراء لقياس المسافة إلى الجسم. عندما يتعرض مستقبل الأشعة تحت الحمراء للضوء ، يحدث فرق الجهد عبر الأسلاك.
حيثما ينطبق ذلك:
- التصوير الحراري: وفقًا لقانون إشعاع الأجسام ، من الممكن مراقبة البيئة مع أو بدون ضوء مرئي باستخدام هذه التقنية.
- التدفئة: يمكن استخدام الأشعة تحت الحمراء لطهي الطعام وإعادة تسخينه. يمكنهم إزالة الجليد من أجنحة الطائرات. المحولات شائعة في الصناعةمجالات مثل الطباعة وصب البلاستيك ولحام البوليمر.
- التحليل الطيفي: تُستخدم هذه التقنية لتحديد الجزيئات من خلال تحليل الروابط المكونة. تستخدم التقنية الإشعاع الضوئي لدراسة المركبات العضوية.
- الأرصاد الجوية: قم بقياس ارتفاع السحب وحساب درجة حرارة الأرض والسطح ممكنًا إذا كانت الأقمار الصناعية للأرصاد الجوية مزودة بمقاييس إشعاع مسح.
- التحوير الضوئي: يستخدم في العلاج الكيميائي لمرضى السرطان. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام التكنولوجيا لعلاج فيروس الهربس.
- علم المناخ: رصد تبادل الطاقة بين الغلاف الجوي والأرض.
- الاتصال: يوفر ليزر الأشعة تحت الحمراء الضوء لاتصالات الألياف الضوئية. تُستخدم هذه الانبعاثات أيضًا للاتصال قصير المدى بين الأجهزة الطرفية للهاتف المحمول والكمبيوتر.
3. مستشعر الأشعة فوق البنفسجية
تقيس هذه المستشعرات شدة أو قوة الأشعة فوق البنفسجية الساقطة. شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي له طول موجي أطول من الأشعة السينية ، لكنه لا يزال أقصر من الإشعاع المرئي.
تُستخدم مادة نشطة تُعرف باسم الماس متعدد الكريستالات لقياس الأشعة فوق البنفسجية بشكل موثوق. يمكن للأجهزة الكشف عن التأثيرات البيئية المختلفة.
معايير اختيار الجهاز:
- نطاقات الطول الموجي بالنانومتر (نانومتر) التي يمكن اكتشافها بواسطة أجهزة الاستشعار فوق البنفسجية.
- درجة حرارة التشغيل
- دقة
- الوزن.
- المدى
مبدأ العملية
يستقبل مستشعر الأشعة فوق البنفسجية نوعًا واحدًا من إشارات الطاقة وينقل نوعًا آخر من الإشارات. لمراقبة وتسجيل تدفقات الإخراج هذه ، يتم إرسالها إلى عداد كهربائي. لإنشاء الرسوم البيانية والتقارير ، يتم نقل القراءات إلى محول تناظري إلى رقمي (ADC) ثم إلى كمبيوتر به برنامج.
يستخدم في الاجهزة التالية:
- الأنابيب الضوئية للأشعة فوق البنفسجية عبارة عن مستشعرات حساسة للإشعاع تراقب معالجة الهواء بالأشعة فوق البنفسجية ومعالجة المياه بالأشعة فوق البنفسجية والتعرض لأشعة الشمس.
- مستشعرات الضوء - قياس شدة شعاع الحادث
- مستشعرات طيف الأشعة فوق البنفسجية هي أجهزة مقترنة بالشحن (CCDs) تستخدم في التصوير المختبري.
- كاشفات ضوء الأشعة فوق البنفسجية.
- كاشفات مبيدات الجراثيم بالأشعة فوق البنفسجية.
- مستشعرات الثبات الضوئي.
4. مستشعر اللمس
هذه مجموعة كبيرة أخرى من الأجهزة. يتم استخدام تصنيف مستشعرات الضغط لتقييم المعلمات الخارجية المسؤولة عن ظهور خصائص إضافية تحت تأثير كائن أو مادة معينة.
يعمل مستشعر اللمس كمقاوم متغير حسب مكان توصيله.
يتكون مستشعر اللمس من:
- مادة موصلة بالكامل مثل النحاس.
- مادة وسيطة معزولة مثل الرغوة أو البلاستيك.
- مادة موصلة جزئيا.
في نفس الوقت لا يوجد فصل صارم. يتم تحديد تصنيف مستشعرات الضغط عن طريق اختيار مستشعر معين ، والذي يقوم بتقييم الجهد الناشئ داخل أو خارج الكائن قيد الدراسة.
مبدأ العملية
المادة الموصلة جزئيًا تعارض تدفق التيار. مبدأ المشفر الخطي هو أن تدفق التيار يعتبر معاكسًا أكثر عندما يكون طول المادة التي يمر التيار من خلالها أطول. نتيجة لذلك ، تتغير مقاومة المادة عن طريق تغيير الموضع الذي تتلامس فيه مع كائن موصل بالكامل.
يعتمد تصنيف مستشعرات الأتمتة بالكامل على المبدأ الموصوف. هنا ، يتم استخدام موارد إضافية في شكل برامج مطورة خصيصًا. عادةً ما يكون البرنامج مرتبطًا بأجهزة استشعار اللمس. يمكن للأجهزة تذكر "اللمسة الأخيرة" عند تعطيل المستشعر. يمكنهم تسجيل "اللمسة الأولى" بمجرد تنشيط المستشعر وفهم جميع المعاني المرتبطة به. يشبه هذا الإجراء تحريك فأرة الكمبيوتر إلى الطرف الآخر من لوحة الماوس لتحريك المؤشر إلى الجانب الآخر من الشاشة.
5. مستشعر القرب
تستخدم المركبات الحديثة هذه التكنولوجيا بشكل متزايد. يكتسب تصنيف المستشعرات الكهربائية التي تستخدم وحدات الإضاءة وأجهزة الاستشعار شعبية لدى مصنعي السيارات.
يكتشف مستشعر القرب وجود أشياء تكاد تكون خالية من أي شيءنقاط الاتصال. نظرًا لعدم وجود اتصال بين الوحدات النمطية والكائن المدرك وعدم وجود أجزاء ميكانيكية ، تتمتع هذه الأجهزة بعمر خدمة طويل وموثوقية عالية.
أنواع مختلفة من مستشعرات القرب:
- مستشعرات القرب الاستقرائي.
- مستشعرات القرب السعوية.
- مستشعرات القرب بالموجات فوق الصوتية.
- مستشعرات كهروضوئية.
- حساسات القاعة
مبدأ العملية
يُصدر مستشعر القرب مجالًا كهرومغناطيسيًا أو إلكتروستاتيكيًا أو شعاعًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي (مثل الأشعة تحت الحمراء) وينتظر إشارة استجابة أو تغييرات في المجال. يُعرف الكائن الذي يتم اكتشافه كهدف وحدة التسجيل.
سيكون تصنيف المستشعرات حسب مبدأ التشغيل والغرض كما يلي:
- الأجهزة الحثية: يوجد مذبذب عند الإدخال يغير مقاومة الخسارة إلى قرب وسيط موصل كهربائيًا. هذه الأجهزة مفضلة للأشياء المعدنية.
- مستشعرات القرب السعوية: تعمل على تحويل التغيير في السعة الكهروستاتيكية بين أقطاب الكشف والأرض. يحدث هذا عند الاقتراب من جسم قريب مع تغيير في تردد التذبذب. لاكتشاف جسم قريب ، يتم تحويل تردد التذبذب إلى جهد تيار مستمر ، والذي يتم مقارنته بعتبة محددة مسبقًا. هذه التركيبات مفضلة للأشياء البلاستيكية.
لا يقتصر تصنيف أجهزة القياس وأجهزة الاستشعار على الوصف والمعلمات أعلاه. مع قدومأنواع جديدة من أدوات القياس ، المجموعة الكلية آخذة في الازدياد. تمت الموافقة على تعريفات مختلفة للتمييز بين المستشعرات ومحولات الطاقة. يمكن تعريف المستشعرات على أنها عنصر يستشعر الطاقة من أجل إنتاج متغير في نفس الطاقة أو في شكل مختلف من الطاقة. يقوم المستشعر بتحويل القيمة المقاسة إلى إشارة الخرج المطلوبة باستخدام مبدأ التحويل.
بناءً على الإشارات المستقبلة والمُنشأة ، يمكن تقسيم المبدأ إلى المجموعات التالية: الكهربائية والميكانيكية والحرارية والكيميائية والإشعاعية والمغناطيسية.
6. مجسات بالموجات فوق الصوتية
يستخدم جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية للكشف عن وجود الجسم. يتم تحقيق ذلك عن طريق إرسال موجات فوق صوتية من رأس الجهاز ثم استقبال إشارة الموجات فوق الصوتية المنعكسة من الكائن المقابل. هذا يساعد في الكشف عن موضع ووجود وحركة الأشياء.
نظرًا لأن أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية تعتمد على الصوت بدلاً من الضوء للكشف عنها ، فهي تُستخدم على نطاق واسع في قياس مستوى المياه وإجراءات المسح الطبي وفي صناعة السيارات. يمكن للموجات فوق الصوتية اكتشاف الأجسام غير المرئية مثل الورق الشفاف والزجاجات والزجاجات البلاستيكية والزجاج بأجهزة الاستشعار العاكسة.
مبدأ العملية
يعتمد تصنيف أجهزة الاستشعار على نطاق استخدامها. من المهم هنا مراعاة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للأشياء. تختلف حركة الموجات فوق الصوتية حسب شكل الوسيط ونوعه.على سبيل المثال ، تنتقل الموجات فوق الصوتية مباشرة عبر وسط متجانس وتنعكس وتنتقل مرة أخرى إلى الحدود بين الوسائط المختلفة. يتسبب وجود جسم الإنسان في الهواء في انعكاس كبير ويمكن اكتشافه بسهولة.
تستخدم التكنولوجيا المبادئ التالية:
- تفكير متعدد. يحدث الانعكاس المتعدد عندما تنعكس الموجات أكثر من مرة بين المستشعر والهدف
- منطقة حد. يمكن ضبط الحد الأدنى لمسافة الاستشعار ومسافة الاستشعار القصوى. هذا يسمى منطقة الحد.
- منطقة الكشف. هذا هو الفاصل الزمني بين سطح رأس المستشعر والحد الأدنى لمسافة الكشف التي تم الحصول عليها عن طريق ضبط مسافة المسح.
يمكن للأجهزة المجهزة بهذه التقنية مسح أنواع مختلفة من الكائنات. تستخدم مصادر الموجات فوق الصوتية بنشاط في إنشاء المركبات.
