امروزه انواع مختلفی از سنسورها برای اندازه‌گیری پدیده‌های طبیعی در بازار وجود دارد. در این مقاله به دسته‌بندی و مقایسه رایج‌ترین انواع سنسورها خواهیم پرداخت. این دسته‌بندی می‌تواند به کاربران در انتخاب سنسور متناسب با نیازشان کمک کند.
انتخاب سنسور دما
از رایج‌ترین سنسورها در اندازه‌گیری دما می‌توان به ترموکوپل، ترمیستور و آشکارساز مقاومتی دما (resistance temperature detectors) یا RTD اشاره کرد. محبوبیت سنسورهای فیبر نوری نیز، علیرغم عملکرد تخصصی و پیچیده آنها، بین کاربران در حال افزایش است.
ترموکوپل
ترموکوپل‌ها، به عنوان محبوب‌ترین نوع سنسورهای دمایی، در کاربردهایی که با محدوده‌های دمایی بالا سروکار دارند؛ موثر واقع می‌شوند. این نوع سنسورها نسبتا ارزان بوده (1 تا 50 دلار) و زمان پاسخگویی آنها بسیار پایین (کسری از ثانیه) میباشد. به دلیل ساختار خاص این نوع حسگرها، دستیابی به دقت اندازه‌گیری کمتر از 1 درجه سانتیگراد مشکل خواهد بود.
سنسور دمای مقاومتی یا RTD
محبوبیت آشکارسازهای مقاومتی را می‌توان با ترموکوپل‌ها مقایسه کرد. خوانش دما در این حسگرها تا سال‌ها، ثابت باقی خواهد ماند. این نوع از سنسورها بر خلاف ترموکوپل‌ها، محدوده دمایی پایین‌تری داشته (بین 200- تا 500 درجه سانتیگراد)، نیاز به تحریک جریان دارند و زمان پاسخگویی آنها نیز بیشتر است (بین 2.5 تا 10 ثانیه). آشکارسازها در کاربردهایی که نیاز به اندازه‌گیری دقیق دما (بین 1.9- و 1.9 درصد) بوده و زمان پاسخگویی در آنها حیاتی نیست، مورد استفاده قرار می‌گیرند. هزینه تهیه آنها نیز بین 25 تا 1000 دلار است.
ترمیستور
ترمیستورها، برخلاف دو نوع سنسور پیشین، محدوده دمایی کمتری دارند (بین 90- تا 130 درجه سانتیگراد). این قطعات علیرغم دقت بالای آنها (بین 0.5- تا 0.5 درجه سانتیگراد)، نسبت به ترموکوپل‌ها و آشکارسازها ضعیف‌ترند. در ترمیستورها، برخلاف آشکارسازها که از تحریک جریان استفاده می‌شود، تحریک ولتاژ مورد استفاده قرار می‌گیرد. ترمیستور به طور میانگین بین 2 تا 10 دلار قیمت دارد.
فیبر نوری
فیبرهای نوری در محیط‌های پرخطری که ممکن است تداخل امواج الکترومغناطیسی وجود داشته باشد، عملکرد خوبی دارند. این قطعات غیر رسانا و از نظر الکتریکی غیرفعال (پسیو) بوده و در برابر نویزهای ناشی از تداخل الکترومغناطیسی (electromagnetic interference) مصون هستند. فیبرهای نوری می‌توانند دادهها را در فواصل طولانی، با حداقل کسر یکپارچگی سیگنال، انتقال دهند.
جدول مقایسه انواع سنسورهای دما
|
نوع سنسور دما
|
حالت‌دهنده سیگنال مورد نیاز
|
دقت
|
حساسیت
|
مقایسه
|
|---|---|---|---|---|
|
ترموکوپل
|
تقویت کننده/ فیلترینگ/ جبران ساز اتصال سرد
|
متوسط
|
متوسط
|
ارزان/ رنج دمای گسترده/خودتوان/ ارزان
|
|
RTD
|
تقویت‌کننده/ فیلتر/ محرک جریان
|
عالی
|
خوب
|
بسیار پایدار و دقیق
|
|
ترمیستور
|
تقویت‌کننده/ فیلتر/ محرک ولتاژ
|
خوب
|
عالی
|
مقاومت بالا / جرم حرارتی کم
|
|
فیبر نوری
|
تقویت‌کننده کوچک یا بدون تقویت‌کننده / فیلتر
|
عالی
|
عالی
|
مناسب محیط‌های پرخطر/ مناسب استفاده در فواصل طولانی/ ایمنی در برابر نویز ناشی از تداخل الکترومغناطیسی/ کوچک و سبک
|
انتخاب سنسور کرنش سنج مناسب
کرنش معمولا توسط یک گیج کرنش‌سنج مقاومتی اندازه‌گیری می‌شود. این نوع سنسورها به عنوان مقاومت‌های تخت، معمولا به سطح موردنظر متصل می‌شوند. یکی از کاربردهای گیج‌های کرنش‌سنج، آزمایش ساختاری بال‌های هواپیماهاست. این قطعات می‌توانند پیچش، خمش و کشش‌های جزئی سطوح را اندازه‌گیری کنند. از قرار گرفتن چند کرنش‌سنج در کنار هم، یک پل کرنش‌سنج (strain-gage bridge) ایجاد می‌شود.
به منظور نیل به دقت و حساسیت بالاتر اندازه‌گیری، می‌توان 4 کرنش‌سنج فعال را در کنار هم قرار داده و یک پل وتستون (Wheatstone bridge circuit) ساخت. به این ساختار، پل کامل (full-bridge configuration) نیز گفته می‌شود. همینطور می‌توان از ساختارهای نیم پل (که از 2 گیج کرنش‌سنج تشکیل شده‌اند) یا یک چهارم پل (که دارای 1 گیج کرنش‌سنج هستند) نیز استفاده نمود. لازم به ذکر است هرچه تعداد گیج‌های فعال بیشتر باشد، دقت اندازه‌گیری نیز بالاتر خواهد رفت.
گیج‌های کرنش‌سنج به تحریک جریان و ولتاژ نیاز داشته و نسبت به رانش حرارتی (temperature drift)، کرنش خمشی (bending strain) و کرنش محوری (axial strain) حساس هستند؛ این مساله موجب می‌شود تا گیج‌های مورد اشاره، در صورت عدم استفاده از کرنش‌سنج‌های مقاومتی (resistive strain gage)، خوانش‌های نادرستی ارائه دهند.
- پل‌های محوری (axial bridge)، کشش یا جداشدگی قطعات را اندازه‌گیری می‌کنند.
- پل‌های خمشی (bending bridge)، کشش یکطرفه یا انقباض روی قطعات را شناسایی می‌کنند.
- پل‌های پیچشی و برشی (torsional and shear bridge) مقدار پیچش یک قطعه را مشخص می‌کنند.
مقدار کرنش با واحد بدون بعد e یا e اندازه‌گیری می‌شود. این واحد، میزان تغییرات در سطح را نسبت به طول سطح جسم تحت اندازه‌گیری، محاسبه و ارائه می‌کند.
همانند کاربرد فیبرهای نوری در جایگاه سنسورهای دمایی در محیط‌های پرریسک، می‌توان از فیبرهای نوری به منظور اندازه‌گیری مقدار کرنش سطوح استفاده نمود. در این ساختار، به جای قطعات اندازه‌گیری الکتریکی، از تداخل الکترومغناطیسی برای رسیدن به هدف اندازه‌گیری استفاده می‌شود. سنسورهای کرنش‌سنج از نوع فیبر نوری غیر رسانا بوده و از نظر الکتریکی غیر فعال هستند. همینطور در برابر نویزهای ناشی از تداخل الکترومغناطیسی مصون بوده و قادرند دادهها را در فواصل طولانی، با حداقل کسر یکپارچگی سیگنال، انتقال دهند.
جدول مقایسه ساختار گیج‌های کرنش‌سنج
|
کرنش سنج
|
ساختار گیج
|
نوع پل
|
حساسیت
|
جزئیات و ویژگی
|
|---|---|---|---|---|
|
محوری
|
1
|
1/4
|
0.5
|
متوسط: پیاده‌سازی آن ساده است، اما گاهی لازم است به منظور تعدیل دما از گیج‌های مصنوعی (dummy gage) استفاده نمود. به کشش‌های محوری به یک میزان واکنش نشان می‌دهد.
|
|
2
|
1/2
|
0.65
|
خوب: قابلیت تعدیل دما در این نوع وجود دارد، اما به کشش خمشی حساس است.
|
|
|
3
|
1/2
|
1
|
خوب: نسبت به دما حساس بوده و تعدیل انجام نمی‌دهد اما در برابر کشش خمشی مقاوم است. برای تعدیل دما در آن باید از گیج‌های مصنوعی استفاده نمود.
|
|
|
4
|
کامل
|
1.3
|
عالی: تعدیل دمایی را انجام داده و نسبت به کشش خمشی مقاوم است.
|
|
|
خمشی
|
5
|
1/4
|
0.5
|
متوسط: پیاده‌سازی آن ساده است، اما گاهی لازم است به منظور تعدیل دما از گیج‌های مصنوعی استفاده نمود. به کشش‌های محوری به یک میزان واکنش نشان می‌دهد.
|
|
6
|
1/2
|
1
|
خوب: کشش محوری را نادیده گرفته و قابلیت تعدیل دمایی دارد.
|
|
|
7
|
کامل
|
2
|
عالی: کشش محوری را نادیده گرفته و قابلیت تعدیل دما دارد. میزان حساسیت بالایی نسبت به کشش خمشی دارد.
|
|
|
پیچشی و برشی
|
8
|
1/2
|
1
|
متوسط: گیج باید با زاویه 45 درجه نسبت به محور مرکزی نصب شود.
|
|
9
|
کامل
|
2
|
عالی: نسبت به نوع پل 2/1 حساس‌تر بوده و قابلیت آن را دارد تا هم کشش محوری و هم کشش خمشی را نادیده بگیرد.
|
|
شماره ساختار گیج
|
شکل
|
|---|---|
1
2
3
4
5
6
7
8
انتخاب سنسور صوت
از میکروفون‌ها به منظور اندازه‌گیری صدا استفاده می‌شود، هرچند انواع مختلفی از آن در انتخاب نوع سنسور وجود دارد که در ادامه به آنها اشاره خواهیم کرد:
میکروفون خازنی یا کاندنسر
این نوع میکروفون‌ها به دو نوع پیش-پلاریزه (pre-polarized) و پلاریزه خارجی (externaly polarized) تقسیم می‌شوند. در نوع اول، منبع تغذیه در داخل میکروفون گنجانده شده و در نوع دوم، میکروفون به منبع تغذیه‌ای اضافی نیاز خواهد داشت که البته موجب افزایش هزینه‌ها خواهد بود. میکروفون‌های پیش-پلاریزه، در محیط‌های مرطوب که احتمال آسیب قطعات منبع تغذیه وجود دارد کاربرد دارند. از سوی دیگر، میکروفون‌های پلاریزه خارجی، در مناطق و محیط‌هایی با دمای بسیار بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند.
میکروفون کریستال یا پیزوالکتریک
این نوع میکروفون‌ها در اندازه‌گیری ضربه یا فشار ارتعاشات مورد استفاده قرار می‌گیرند. همینطور دوام بسیار بالایی داشته و رنج فشار قابل اندازه‌گیری توسط آنها بسیار بالاست. در نقطه مقابل، نسبت به نویز حساس نبوده و قابلیت فیلتر نویز ندارند.
میکروفون دینامیکی/ مغناطیسی
این تجهیزات، برای القای مغناطیسی بار الکتریکی، نیازمند حرکت بوده، به نحوی که آنها را در برابر آب مقاوم می‌کند. این نوع میکروفون‌ها در محیط‌های خشن به خوبی کار کرده اما مناسب محیط‌های مغناطیسی نیستند.
میکروفون الکترت
(electret microphones) این نوع میکروفون‌ها کوچک بوده و در تشخیص صداهای با فرکانس بالا موثر عمل می‌کنند. این تجهیزات بسیار ارزان بوده و در بسیاری از رایانه‌ها و دستگاه‌های الکترونیکی در سراسر جهان به کار می‌روند. تنها نقطه ضعف آنها، سطح بیس پایین ارائه شده توسط آنهاست. علاوه بر این، میکروفون‌های ذغالی که البته امروزه کمتر رایج هستند، می‌توانند در کاربردهایی که نیاز چندانی به کیفیت بالای صدا نیست مورد استفاده قرار گیرند.
جدول مقایسه سنسورهای صوت
|
نوع میکروفون
|
قیمت
|
محیط استفاده
|
امپدانس
|
حساسیت
|
مقایسه
|
|---|---|---|---|---|---|
|
کاندنسر پیش پلاریزه
|
متوسط
|
محکم
|
متوسط
|
عالی
|
کاربرد زیادی دارند/در محیط‌های مرطوب بهترین عملکرد را دارند
|
|
کاندنسر پلاریزه خارجی
|
بالا
|
محکم
|
خوب
|
خوب
|
کاربرد زیادی دارند/در محیط‌های با دمای بالا بهترین عملکرد را دارند
|
|
ذغالی
|
پایین
|
معمولی
|
بالا
|
خوب
|
کیفیت پایینی دارند/در گوشی‌های تلفن از آنها استفاده می‌شود
|
|
الکترت
|
پایین
|
معمولی
|
پایین
|
متوسط
|
در فرکانس‌های بالا عملکرد بهتری دارند
|
|
پیزوالکتریک
|
متوسط
|
محکم
|
بالا
|
خوب
|
مناسب در کاربردهای اندازه‌گیری شدت ضربه یا فشار ارتعاشات
|
|
دینامیکی/ مغناطیسی
|
بالا
|
محکم
|
متوسط
|
متوسط
|
مقاوم در برابر رطوبت/عدم کارکرد مطلوب در محیط‌های مغناطیسی
|
انتخاب سنسور لرزش
سنسور پیزوالکتریک سرامیکی (شتاب‌سنج)
لرزش یا شتاب معمولا توسط سنسورهای پیزوالکتریک سرامیکی اندازه‌گیری می‌شود.
3 عامل مهم، سنسورهای لرزش را از سایر سنسورها متمایز می‌سازد: وجود فرکانس طبیعی (natural frequency)، ضریب میرایی (damping coefficient) و ضریب مقیاس (scale factor). ضریب مقیاس، خروجی را به ورودی شتاب‌سنج مرتبط کرده و از این طریق بر میزان حساسیت سنسور تاثیر می‌گذارد. فرکانس طبیعی و ضریب میرایی نیز میزان دقت سنسور لرزش‌سنج را مشخص می‌کنند. در سیستمی متشکل از فنر و یک جرم متصل، چنانچه جرم را از حالت تعادل خارج کرده و به سمت عقب کشیده و آنرا رها کنیم، جرم به جلو و عقب ارتعاش کرده تا مجددا به نقطه تعادل بازگردد. مقاومتی که جرم را به نقطه تعادل برمی‌گرداند توسط ضریب میرایی آن و سرعت ارتعاش جرم به سمت جلو و عقب توسط فرکانس طبیعی آن مشخص می‌شود.
سنسورهای پیزوالکتریک سرامیکی به دلیل کاربردهای وسیعشان، محبوب‌ترین نوع حسگرها در دسته حسگرهای لرزشی هستند. از این نوع سنسورهای لرزشی می‌توان در اندازه‌گیری شوک ناشی از انفجار، همینطور اندازه‌گیری لرزش با فرکانس‌های بالا و پایین اجسام استفاده نمود. خروجی این سنسورها در محدوده میلی ولت بوده و برای پردازش ولتاژ کریستال‌های پیزوالکتریک، به یک آشکارساز با امپدانس ورودی بالا و نویز کم نیاز خواهند داشت.
پروب‌های مجاورتی و ترانسفورماتورهای تفاضلی متغیر خطی (LVDT)
پروب‌های مجاورتی و LVDT ها عملکرد مشابهی داشته و به اندازه‌گیری ارتعاشات حالت ثابت یا با فرکانس پایین اجسام محدود می‌شوند. در عین حال سنسور LVDT فرکانس طبیعی بالاتری دارد؛ به این معنی که می‌تواند لرزش‌های بیشتری را تشخیص دهد. پروب مجاورتی در ساده‌ترین حالت یک جرم فلزی است که به لغزنده یک پتانسیومتر متصل شده است.
سنسور لرزش رلوکتانس متغیر
این نوع سنسور از طریق حرکت یک آهنربا حول یک سیم‌پیچ برای اندازه‌گیری حرکت و ارتعاش استفاده می‌کند. ویژگی خاص این سنسور آن است که تنها زمانی خروجی ارائه می‌دهد که جرم مورد بررسی آن در حال حرکت باشد. این امر به ویژه در مطالعات مربوط به زمین لرزه‌ها و اکتشافات نفتی و تشخیص ارتعاشات لایه‌های سنگ‌های زیرزمینی مفید خواهد بود.
جدول مقایسه سنسورهای لرزش
|
نوع سنسور لرزش
|
فرکانس طبیعی
|
تعداد AX
|
ضریب میرایی
|
ضریب مقیاس
|
مقایسه
|
|---|---|---|---|---|---|
|
پیزوالکتریک سرامیکی (شتاب‌سنج)
|
5kHz<
|
حداکثر 3
|
کوچک
|
نیازمند خروجی بالا
|
مورد استفاده در اندازه‌گیری ارتعاشات و لرزش
|
|
ترانسفورماتورهای تفاضلی متغیر خطی
|
80Hz>
|
حداکثر 3
|
متوسط
|
متغیر
|
محدود به اندازه‌گیری شتاب حالت ثابت یا ارتعاشات با فرکانس پایین
|
|
پروب‌های مجاورتی
|
30Hz>
|
حداکثر 3
|
متوسط
|
متغیر
|
محدود به اندازه‌گیری شتاب حالت ثابت یا ارتعاشات با فرکانس پایین/شامل یک جرم فلزی که به لغزنده یک پتانسیومتر متصل شده
|
|
رلوکتانس متغیر
|
100Hz>
|
حداکثر 3
|
متوسط
|
متغیر
|
تنها زمانی خروجی تولید می‌شود که جرم موردنظر در حرکت باشد/در مطالعه زمین لرزه و اکتشافات نفتی مورد استفاده قرار می‌گیرد
|
انتخاب سنسور موقعیت و جابجایی
انواع مختلفی از سنسورهای موقعیت در بازار وجود دارد. به منظور انتخاب از میان این انواع، توجه به معیارهایی چون سطح تحریک، فیلترسازی، محیطی که سنسور در آن عمل می‌کند و اینکه آیا برای اندازه‌گیری فاصله نیاز به اتصال مستقیم فیزیکی وجود دارد یا خیر، مهم خواهد بود. همانند سنسورهای فشارسنج یا نیروسنج، اتفاق نظری بر روی انتخاب نوع سنسور در این کاربرد وجود ندارد. مدت زمان طولانیست که موقعیت اجسام توسط سنسورها اندازه‌گیری می‌شود؛ در نتیجه مواردی چون اولویت‌ها و کاربرد موردنظر کاربر، در انتخاب نوع سنسور تاثیرگذار خواهد بود.
سنسور اثر هال (Hall effect sensor)
با استفاده از این سنسورها می‌توان وجود یک جسم را از طریق فشار یک دکمه توسط آن مشخص نمود. این حسگر تنها وجود یا عدم وجود جسم را گزارش داده و در مورد مکان دقیق آن جسم اطلاعاتی ارائه نمی‌دهد. سنسورهای اثر هال در کیبورد رایانه یا حتی در مسابقات بوکس ربات‌ها، برای تشخیص زمان وارد آمدن ضربه استفاده می‌شوند. در صورت عدم تماس جسم با دکمه سنسور، حسگر هیچ مقیاسی از فاصله شی از آن ارائه نمی‌دهد ولی در کاربردهایی که به اطلاعات دقیق موقعیت نیاز نیست کاربرد موثری دارند.
پتانسیومتر
پتانسیومترها حسگرهایی هستند که از یک کنتاکت لغزان برای ایجاد یک تقسیم‌کننده ولتاژ قابل تنظیم استفاده می کنند. این ولتاژ قابل تنظیم، موقعیت را شناسایی می‌کند. پتانسیومترها کششی جزئی به جسمی که به صورت فیزیکی به آن متصل هستند، وارد می‌کنند. این سنسورها در مقایسه با سایر سنسورهای موقعیت ارزان‌تر بوده و از دقت بالایی نیز برخوردارند.
انکودر نوری
انکودرهای نوری در دو نوع خطی و چرخشی موجوداند. این حسگرها در اندازه‌گیری سرعت، جهت‌یابی و تعیین موقعیت اجسام، دقت بالایی دارند. همانطور که از نام آنها نیز پیداست، این نوع حسگرها از نور به منظور تعیین موقعیت اجسام استفاده می‌کنند. این حسگرها فاصله مورد اندازه‌گیری را به تعدادی میله راه راه فرضی (striped bar) تقسیم می‌کنند. هرچه تعداد این میله‌ها بیشتر باشد، دقت اندازه‌گیری نیز بالاتر است. تعداد این میله‌ها در برخی کدگذارهای چرخشی تا 30000 عدد می‌رسد که البته دقت آنها را بسیار بالا می‌برد. این سنسورها به دلیل سرعت پاسخ بالایشان، در کاربردهای کنترل حرکت اجسام کارایی خوبی دارند.
سنسورهایی مانند پتانسیومتر، به دلیل نیازشان به اتصال به جسم هدف برای ارائه خروجی، همواره مقداری اصطکاک یا مقاومت به المان‌های تشکیل‌دهنده‌شان وارد می‌کنند. کدگذارها یا انکودرهای نوری برخلاف این نوع سنسورها، هیچ مقاومتی تولید نکرده و بسیار سبک هستند، هرچند در محیط‌های خشن یا دارای گردوغبار به عایق نیاز خواهند داشت که البته موجب وارد آوردن هزینه‌های اضافی خواهد شد. از سوی دیگر، به منظور نیل به دقت بالاتر در برخی کاربردها، کدگذارهای نوری به بلبرینگ‌هایی نیاز دارند که از عدم هماهنگی بین این قطعات و تجهیزاتی که بر روی آن سوار می‌شوند جلوگیری کنند؛ هرچند این بلبرینگ‌ها نیز موجب اعمال هزینه‌های اضافی خواهند شد.
ترانسفورماتورهای تفاضلی متغیر خطی چرخشی
ترانسفورماتورهای تفاضلی خطی و چرخشی، از القای مغناطیسی برای تعیین موقعیت اجسام استفاده می‌کنند. هر دو نوع این ترانسفورمرها، به دلیل استحکامشان، در حوزه‌های صنعتی و هوافضا کاربرد فراوانی دارند؛ از سوی دیگر، به شکل‌دهنده سیگنال نیاز دارند که البته موجب افزایش هزینه‌ها خواهد بود. این حسگرها باید به طور دقیق، در بسته‌بندی‌های محکم که معمولا گران نیز هستند عرضه شوند. ترانسفورمرهای تفاضلی، به دلیل قیمت نسبتا بالایشان (به دلیل استفاده از سیم‌پیچ‌های گران قیمت در آنها) از یک سو و دقت بالای اندازه‌گیری آنها از سوی دیگر شناخته شده‌اند.
سنسور جریان ادی
سنسورهای جریان گردابی یا ادی (Eddy-current sensor) از میدان مغناطیسی برای تعیین موقعیت اجسام استفاده کرده و قیمت متوسطی دارند. در کاربردهایی که به اطلاعات موقعیت‌یابی بسیار دقیق نیاز بوده یا در مواردی که فاصله زیادی بین سنسور و جسم هدف وجود دارد، کمتر از این نوع سنسورها استفاده می‌شود. این نوع حسگرها در خطوط مونتاژ عملکرد مناسبی دارند؛ به این ترتیب که بر روی تجهیزات مکانیکی ثابت نصب شده و برای اندازه‌گیری میزان حرکت ماشین‌آلات بر روی آنها استفاده می‌شوند. به منظور حصول موقعیت‌یابی دقیق‌تر می‌توان از سنسورهای مجاورتی نوری استفاده نمود.
سنسور مجاورت نوری (reflective Light Proximity Sensor)
این نوع سنسورها مدت زمان بین تابش تا بازگشت پرتو نور به هدف را اندازه‌گیری کرده و از آن برای سنجش فاصله استفاده می‌کنند. این حسگرها زمان پاسخ کوتاهی داشته و در کاربردهایی که فاصله بین سنسور و جسم هدف زیاد است عملکرد بسیار خوبی دارند. این نوع سنسورهای مجاورتی نیازمند خط دید مستقیم بوده و کیفیت و دقتشان ارتباط مستقیمی با قیمت آنها دارد.
جدول مقایسه سنسورهای موقعیت
|
نوع سنسور موقعیت
|
قیمت
|
محیط استفاده
|
دقت
|
حساسیت
|
مقایسه
|
|---|---|---|---|---|---|
|
اثر هال
|
پایین
|
استاندارد
|
خاموش/روشن
|
خاموش/روشن
|
صرفا زمانیکه سنسور به هدف نزدیک بوده و از طریق تماس با حسگر، کارکرد دارد.
|
|
انکودر نوری (خطی و دوار)
|
متغیر
|
استاندارد
|
متغیر
|
بالا
|
دقت سنسور با استناد به تعداد ستون‌های فرضی بین جسم و سنسور ارزیابی می‌شود.
|
|
پتانسیومتر
|
پایین
|
استاندارد
|
بالا
|
بالا
|
نیازمند اتصال به جسم هدف متحرک هستند
|
|
ترانسفورماتورهای تفاضلی متغیر خطی و چرخشی
|
بالا
|
دقت بالا و مناسب استفاده در محیط‌های صنعتی آلوده
|
بالا
|
بالا
|
در توان‌های بالا به خوبی کار می‌کنند./به شکل‌دهی سیگنال نیاز دارند./نوع چرخشی در محدوده دمایی 30± تا 70 درجه سانتیگراد عمل می‌کنند.
|
|
جریان ادی
|
متوسط
|
عملکرد بدون تماس با جسم هدف/مناسب عملکرد در محیط‌های صنعتی آلوده/عدم حساسیت به المان‌های قرار گرفته بین سنسور و جسم هدف
|
متوسط
|
متغیر
|
در کاربردهایی که نیاز به حساسیت و وضوح بالایی هست، مناسب نیستند./در کاربردهایی که فاصله زیادی بین سنسور و جسم هدف وجود دارد مناسب نیستند (در این مورد، استفاده از سنسورهای نوری و لیزری توصیه می‌شود.)/یکی از کاربردهای خوب این سنسورها، نصب روی تجهیزات مکانیکی ثابت در خطوط مونتاژ و اندازه‌گیری میزان حرکت ماشین‌آلات بر روی آنهاست.
|
|
نوری
|
متغیر
|
استاندارد
|
متغیر
|
بالا
|
نیازمند خط دید مستقیم نسبت به هدف اندازه‌گیری هستند./در مواقعی که فاصله بین سنسور و جسم هدف زیاد است، کاربردی‌اند/ دقت سنسور، تحت تاثیر کیفیت ساخت آن قرار دارد.
|
انتخاب سنسور فشار
مفهوم فشار مانند گرما، مفهومی نسبی است. هوای داخل یک اتاق ممکن است گرم تلقی شود، درحالیکه مطلقا قابل قیاس با گرمای سطح خورشید نیست. یه همین دلیل اندازه‌گیری فشار با استناد به یک مقدار مرجع محاسبه می‌شود.
انواع اندازه‌گیری فشار عبارتند از: مطلق، گیج (gauge)، خلاء، تفاضلی و عایقی (sealed). در ادامه به مثالی در ارتباط با اندازه‌گیری فشار داخل تایر خودرو خواهیم پرداخت. توجه به این نکته لازم است که هر یک از این 5 نوع، مرجع اندازه‌گیری مخصوص به خود را دارند.
- فشار مطلق عبارت است از فشار استاندارد ناشی از وزن اتمسفر (325 kPa) همراه با فشار اضافی ناشی از تایر. فشار معمولی تایر به میزان 34 PSI معادل 234 kPa میباشد. فشار مطلق آن نیز برابر 234 kPa بعلاوه مقدار وزن اتمسفر (101.325 kPa) است.
- فشار گیج، نسبت به فشار محلی جو که معادل 234 kPa یا 34 PSI است اندازه‌گیری می‌شود.
- فشار خلاء، نسبت به فشار خلاء مطلق یا فشار محلی جو اندازه‌گیری می‌شود. یک تایر پنچر می‌تواند فشاری معادل با اتمسفر محلی یا 0 kPa (نسبت به فشار اتمسفر) ایجاد کند. فشار خلاء، معادل 234 kPa (نسبت به خلاء مطلق) میباشد.
- فشار تفاضلی از تفاوت بین دو سطح فشار محاسبه می‌شود. در مثال تایر، این مقدار، اختلاف فشار بین دو تایر خواهد بود. این مقدار می‌تواند به عنوان اختلاف فشار بین اتمسفر و فشار داخل یک تایر تعبیر شود.
- اندازه‌گیری فشار به شیوه sealed از طریق اندازه‌گیری فشار تفاضلی بوسیله یک مرجع فشار مشخص، انجام می‌شود. این مرجع فشار معمولا فشار سطح دریا در نظر گرفته می‌شود، اما بسته به کاربرد می‌توان مراجع دیگری در نظر گرفت.
هر یک از پنج نوع اندازه‌گیری فشار، مقدار فشار متفاوتی اعلام خواهند کرد، در نتیجه قبل از بکارگیری هر یک از آنها لازم است به نحوه اندازه‌گیری فشار توسط سنسور توجه شود.
سنسورهای فشار به انواع شرطی و غیرشرطی تقسیم می‌شوند. در حالت معمول سنسورهای شرطی گران‌تر‌اند، زیرا دارای قطعاتی برای فیلترسازی و تقویت سیگنال، همینطور رابط تحریک (excitation leads) و مدارهای منتظم برای اندازه‌گیری فشار هستند. در صورت استفاده از سنسورهای غیرشرطی مبتنی بر پل (bridge)، سخت‌افزار موردنظر نیازمند شکل‌دهنده سیگنال خواهد بود. برای بررسی اینکه سنسور به قطعات دیگری چون تقویت یا فیلترسازی نیاز دارد یا خیر، به مستندات سنسور مراجعه کنید.
جدول مقایسه انواع راه‌های اندازه‌گیری فشار
|
نوع اندازه گیری فشار
|
مثال تایر
|
مقایسه
|
|---|---|---|
|
فشار مطلق
|
فشار مطلق = فشار استاندارد جو + فشار گیج
|
نسبت به فشار 0 Pa، فشار در خلاء
|
|
فشار گیج
|
خوانده شده از گیج فشار تایر
|
نسبت به فشار محلی جو
|
|
مبتنی بر فشار خلا
|
با درنظر گرفتن فشار محلی جو به عنوان فشار مرجع، مقدار ارائه شده معمولا منفی است. تایر پنچر = 0kPa در گیج خلاء
|
نسبت به فشار مطلق در خلاء (0 Pa) یا فشار محلی جو
|
|
فشار تفاضلی
|
فشار تفاضلی = تفاضل فشار بین دو تایر
|
نسبت به یک مرجع تحت فشار
|
|
Sealed
|
فشار sealed = فشار گیج + تفاضل بین فشار محلی جو و فشار در سطح دریا
|
نسبت به فشار در سطح دریا
|
انتخاب سنسور نیرو
تا چندی پیش، از ترازوهای اهرمی مکانیکی به منظور اندازه‌گیری نیرو استفاده می‌شد. امروزه استفاده از لودسل‌های مبتنی بر گیج‌های کرنش‌سنج رایج‌تر است، زیرا برخلاف مورد قبل، نیازی به کالیبراسیون و تعمیر و نگهداری نخواهند داشت.
لودسل‌ها به انواع شرطی و غیرشرطی تقسیم می‌شوند. در حالت معمول سنسورهای شرطی گران‌تر‌اند، زیرا دارای قطعاتی برای فیلترسازی و تقویت سیگنال، همینطور رابط تحریک (excitation leads) و مدارهای منتظم برای اندازه‌گیری فشار هستند. در صورت استفاده از سنسورهای غیرشرطی مبتنی بر پل (bridge)، سخت‌افزار موردنظر نیازمند شکل‌دهنده سیگنال خواهد بود. برای بررسی اینکه سنسور به قطعات دیگری چون تقویت یا فیلترسازی دارد یا خیر، به مستندات سنسور مراجعه کنید.
لودسل‌های خمشی (beam style load cell) معمولا زمانی کاربردی‌اند که نیروی وارد شده خطی است. از این قطعات معمولا هم در وزن‌کشی اجسام کوچک و هم وزن‌کشی اجسام بزرگ (بین 10 lb تا 5000 lb) استفاده می‌شود. حساسیت این قطعات متوسط بوده اما دقت اندازه‌گیری بالایی دارند. این نوع لودسل معمولا ساختار ساده‌ای داشته و هزینه آن نیز کم است.
تفاوت لودسل‌های خمشی نوع S با انواع معمولی لودسل‌های خمشی، در طراحی آنهاست. بدلیل این تفاوت در طراحی، سنسور نوع S برای بکارگیری در سامانه‌های قدرت رد بار (load rejection) و اندازه‌گیری وزن اجسام مورد استفاده قرار می‌گیرند. این لودسل‌های ارزان قیمت ساختار ساده‌ای دارند.
لودسل‌های بشکه‌ای (canister) قدرت تحمل بیشتری نسبت به لودسل‌های خمشی و نوع S دارند. این سنسورها حساسیت بالایی داشته و می‌توانند حرکت بار را مدیریت کنند، هرچند نیازمند حافظت افقی بار میباشند.
لودسل‌های فشاری مینیاتوری (low-profile load cell) به گونه‌ای طراحی شده‌اند که برای حصول خوانش دقیق، نیازی به حرکت و جابجایی ندارند. در کاربردهایی که محدودیت زمانی وجود دارد، استفاده از این لودسل‌ها پیشنهاد می‌شود.
لودسل‌های دکمه‌ای و واشری (button and washer load cells) معمولا برای وزن‌کشی اجسام کوچکتر (حداکثر 200 پوند) مورد استفاده قرار می‌گیرند. همانند لودسل‌های مینیاتوری، برای رسیدن به دقت بالاتر وزن‌کشی، بهتر است شی موردنظر ساکن و بدون حرکت باشد. بار باید در مرکز یک سنجه کوچک قرار بگیرد. مزیت این لودسل‌ها قیمت پایین آنهاست.
جدول مقایسه انواع سنسورهای لودسل
|
نوع لودسل
|
قیمت
|
محدوده وزن
|
دقت
|
حساسیت
|
مقایسه
|
|---|---|---|---|---|---|
|
خمشی
|
پایین
|
5k lb-10
|
بالا
|
متوسط
|
قابل استفاده در مخازن و ترازوهای سکودار/گیج‌های کششی در معرض دید بوده و نیاز به حفاظت دارند.
|
|
خمشی نوع S
|
پایین
|
5k lb-10
|
بالا
|
متوسط
|
قابل استفاده در تانکرها و ترازوهای سکودار/آب‌بندی و حفاظت از آنها نسبت به لودسل‌های خمشی راحت‌تر است
|
|
بشکه ای
|
متوسط
|
حداکثر 500k lb
|
متوسط
|
بالا
|
مورد استفاده در کامیون‌ها، مخازن و هاپراسکیل (hopper scale)قابلیت مدیریت حرکات جسم مورد اندازه‌گیری/بدون نیاز به حفاظت افقی بار
|
|
مینیاتوری
|
پایین
|
5-500k lb
|
متوسط
|
متوسط
|
ساخته شده از فولاد ضدزنگ/مورد استفاده در مخازن، ترازوها و bin ها/حرکت بار مجاز نیست
|
|
دکمه ای و واشری
|
پایین
|
0-50k lb یا 0-200 lb
|
پایین
|
متوسط
|
بار باید در مرکز قرار گیرد/حرکت بار مجاز نیست
|
