+انواع سنسورها و اهمیت کاربرد آنها
۱-۱- مقدمه :
با پیشرفت سریع تکنیک اتوماسیون و پیچده تر شدن پروسه های صنعتی و کاربرد روز افزون این شاخه از تکنیک نیاز شدیدی به کاربرد سنسورهای مختلف که اطلاعات مربوط به عملیات تولید را درک و بر اساس این اطلاعات مقتضی صادر گردد ، احساس می شود .
سنسورها به عنوان اعضای حسی یک سیستم، وظیفه جمع آوری و با تبدیل اطلاعات را به صورتی که برای یک سیستم کنترل و با اندازه گیری قابل تجزیه و تحلیل باشد به عهده دارند . در سالهای اخیر سنسورها به صورت یک عنصر قابل تفکیک سیستمهای مختلف صنعتی مورد استفاده قرار گرفته و پیشرفت سریعی در جهت جوابگویی به تقاضاهای صنعت در این شاخه از علم الکترونیک انجام پذیرفته است .

سنسورها جهت تبدیل عوامل فیزیکی مانند حرارت ، فشار ، نیرو ، طول ، زاویه چرخش ، دبی و غیره به سیگنالهای الکتریکی بکار برده می شوند و به همین منظور سنسورهای مختلفی که قابلیت ‌تبدیل این عوامل را به جریان برق دارا می باشند، ساخته شده اند .

یک سنسور را می توان با خصوصیات زیر تعریف نمود .
– سنسور به عنوان تبدیل کننده اطلاعات فیزیکی به سیگنالهایی، که می توان از آنها به عنوان سیگنالهای کنترل استفاده نمود . عمل می کنند .
– یک سنسور نباید حتماً یک سیگنال الکتریکی تولیدنماید . مانند سنسورهای پنیوماتیکی و…
– سنسورها در دو نوع مختلف وجود دارند .

الف )با تماس مکانیکی مانند کلید قطع و وصل ، تبدیل کننده های فشاری و…
ب) بدون تماس مکانیکی مانند سنسورهای نوری و یا حرارتی و …
– سنسورها می توانند بعنوان چشمهای کنترل کننده یک سیستم مورد استفاده قرار گرفته و وظیفه مراقبت از پروسه و اعلام خرابی و یا نقص یک سیستم را به عهده بگیرند .
در کنار کلمه سنسور با واژه های زیر نیز در صنعت روبرو هستیم .
۱- عنصر سنسور
قسمتی از سنسور را تشکیل می دهد . که عامل فیزیکی را حس کرده ، ولی بدون ، کمک قسمت آماده سازی سیگنال قادر به انجام وظیفه نیست .

۲- سیستم سنسور ی(Sensor system)
مجموعه ای از عناصر اندازه گیری تبدیل و آماده سازی سیگنال را یک سیستم سنسوری می نامند .

۳- سیستم مولتی سنسور
سیستم هایی که دارای چندین سنسور از یک نوع و یا از انواع مختلف می باشند سیستم مولتی سنسور می نامند .
۲-۱- انواع خروجیهای متداول سنسورها
در استفاده از سنسورها می بایستی با انواع سیگنالهای خروجی الکتریکی آشنا بود می توان خروجیها را در پنج رده مختلف دسته بندی نمود .
نوع A:
سنسورهایی با ماهیت قطع و و صل خروجی ( باینری ) مانند سنسورهای نزدیکی ، فشار ، اندازه گیری سطح مایعات و ..
این نوع سنسورها را عمدتاٌ می توان بطور مستقیم به دستگاه P.L.C متصل نمود .
نوع B:
سنسورهایی که سیگنال خروجی آنها بصورت پالسی می باشند ؛ مانند سنسورهای اندازه گیری میزان چرخش و با طول و ..
این نوع سنسورها اکثراٌ توسط یک Interface قابل وصل به دستگاه P.L.C می باشند.
P.L.C. می بایستی دارای شمارنده نرم افزاری و سخت افزاری باشد .
نوع C :
سنسورهایی که سیگنال خروجی آنها بصورت آنالوگ بوده ولی دارای بخش تقویت کننده و یا تبدیل کننده نمی باشند . این سیگنالها خیلی ضعیف بوده (در حد ملی ولت) و قابل استفاده مستقیم در دستگاههای کنترل نمی باشند، مانند سنسورهای Piezoelectric و با سنسورهای Hall.
نوع D:
سنسورهایی که سیگنال خروجی آنها بصورت آنالوگ بوده و واحد الکترونیک (‌تقویت کننده تبدیل کننده ) در خود سنسور تعبیه شده است . در این نوع سنسور خروجیها را می توان بطور مستقیم جهت استفاده در دستگاههای کنترل استفاده نمود .
محدوده خروجی سیگنالها عموماً به شرح زیر می باشند:
۰….۱۰V
-۵….+۵V
۱…۵V
۰…۲۰mA
-۱۰…+۱۰mA
۴…۲۰mA

نوع E
سنسورهایی که سیگنالهای خروجی آنها مطابق با استانداردهای صنعتی می 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-سنسورهای باینری و آنالوگ
سنسورهای باینری مانند کلید قطع و وصل کار نموده و در صورت تحریک شدن سنسور که توسط عوامل فیزیکی صورت می گیرد . سیگنال وصل و یا قطع می گردد .در این نوع سنسورها فقط دو حالت «۰» و «۱» وجود دارد . در سنسورهای آنالوگ عوامل فیزیکی با توجه به شدت و تأثیر آنها به سیگنالهای آنالوگ ولتاژ و یا جریان تبدیل می شوند .
۲- سوئیچهای بدون تماس
تحت این لفظ می توان سنسورهایی را طبقه بندی نمود ،که وظیفه اصلی آنها اعلام حضور یک قطعه در یک محل خاص می باشد .این نوع سوئیچها( سنسورها) دارای خروجی «۰» و «۱» منطقی بوده و دارای انواع مختلف می باشد کلیدهای بدون تماس بعلت استفاده فراوان در صنعت دارای اهمیت خاص بوده و در صنعت به نامهای مختلفی مانند میکروسوئیچ،کلیدهای انتهای مسیر و… معروف می باشند .

مزایای سوئیچهای بدون تماس عبارتند از :
۱- بعلت عدم کنتاکت مکانیکی دارای طول عمر بیشتری هستند
۲- می توان خیلی دقیق موقعیت قطعه را تعیین نمود .
۳- بدون داشتن تماس با قطعه ، می تواند سیگنال مربوطه را ارسال دارد .
۴- دارای سرعت عکس العمل سریع و بدون اشتباه می باشد
۵- تعداد قطع و وصل تقریباً بی نهایت است.

۶- می توان انواعی از این سنسورها را در شرایط کاری خیلی مشکل ( مانند رطوبت و یا حرارت بالا ) و یا خطرناک مانند ( محیط های قابل انفجار ) استفاده نمود .
سنسورهای علاوه بر داشتن سرعت انتقال بالای اطلاعات ، کنترل یک پروسه را آسان و زمان توقف دستگاه را در صورت خرابی بسیار کوتاه می نمایند . توسط سنسورها می توان محل و نوع خرابی ماشین را سریعاً تشخیص داده وتعمیرات لازم را انجام داد .
انواع سوئیچهای بدون تماس در جدول صفحه بعد نشان داده شده اند .

سنسورهای بدون تماس عموماً با ولتاژ مستقیم با ۲۴ ولت کار می کنند محدوده کار این سنسورها بین ۱۰ تا ۳۰ ولت و ۱۰ تا ۵۵ ولت می باشد در کشورهای آسیای جنوبی و آمریکای شمالی و جنوبی همچنین استرالیا و آفریقای جنوبی حدود ۳۰ درصد از سنسورهای القائی و نوری با جریان متناوب کار می کنند .
سنسورهای بدون تماس القائی ، خازنی و نوری در دو نوع ، با تغذیه DC‌ و تغذیه AC، ساخته می شوند . ولتاژ متداول جهت جریان متناوب ۲۴ ولت ، ۱۱۰ ولت ،۱۲۰ ولت و یا ۲۲۰ ولت می باشد .

مدلهایی هم از این سنسورها وجود دارند که هم با جریان متناوب ، و هم با جریان مستقیم قابلیت کار را داشته و محدوده ولتاژ کاری برای جریان مستقیم ۱۲ ولت تا ۲۴۰ ولت و برای جریان متناوب ۲۴ ولت تا ۲۴۰ ولت می باشند . نام دیگر این سوئیچها (Universal Current)U.C می باشند .

۳- سنسورهای بدون تماس مغناطیسی
۱-۳- Reed سوئیچ
این نوع سوئیچها به میدان مغناطیسی حاصل از یک آهنربای دائمی و یا آهنربای الکتریکی حساس می باشند میدان مغناطیسی باعث اتصال دو زبانه که از جنس فرو مغناطیس ( آلیاژی از Fe-Ni,Ni-Fe) و در داخل یک کپسول شیشه ای می باشند . می شود . در داخل این کپسول شیشه ای گاز N2 که درمقابل اشتعال و فعل و انفعالات شیمیایی مقاوم می باشند پر شده است .

برخی از مشخصات فنی این نوع سنسورها به شرح جدول صفحه بعد می باشد .
۱۲V…۲۷/V DC or AC Switching Voltage
±۰٫۱mm Switching accuracy
۴۰W Max.Contact rating
۰٫۱۶mT Max . magn . interference induction
۲A Max.switching current
۵۰۰Hz Max. Switching frequency
≤۲ms Switching time
۰٫۱ Conductance
Contact service life
۵٫۱۰۶Switching cycles (With prctectiv circuit)
IP66 Protection class to IEC 529.Din 40 050
-۲۰°C…۶۰°C Ambient operating temperature
Table 3.1: Technical characteristics or reed proximity sansors

درشکل ۲-۳ ساختمان Reed سوئیچ که به یک مقاومت از نوع سیم پیچ وصل شده است . نشان داده شده است دیودهای نوری نشاندهنده وضعیت قطع و وصل سوئیچ به همراه یک مقاومت وظیفه محافظت مدار را در مقابل ولتاژ بالای حاصل از قطع و وصل یک سیم پیچ را بر عهده دارند .

Reed کنتاکت ها می توانند با توجه به وضعیت قرار گرفتن میدان مغناطیسی یک آهنربای دائمی محدوده های مختلفی جهت فعال شدن داشته باشند در شکل ۳-۳ این محدوده ها رسم شده اند .

در محیط کاری Reed سوئیچ ها شدت میدان مغناطیسی مزاحم نباید بیشتر از ۰٫۱۶ تسلا باشد . در این صورت بیاد این سنسورها را در مقابل میدانهای مزاحم ایزوله نمود .و حداقل فاصله بین دو Reed سوئیچ بایستی ۶۰ ‌میلی متر باشد .
۲-۳- سنسورهای بدون تماس و فاقد کنتاکت (‌تیغه )
۱-۲-۳- سنسورهای القایی – مغناطیسی

در این سنسورها نوسان ساز LC‌وجود داشته که دارای یک هسته سیم پیچی شده مغناطیسی بسته می باشد با نزدیک نمودن یک میدان مغناطیسی این هسته مغناطیسی اشباع گردیده و این امر باعث تغییر جریان برق جاری شده در داخل سیم پیچ می شود بوسیله یک تقویت کننده این اختلاف جریان حس و سپس جهت فعال کردن سنسور از آن استفاده می شود . این نوع از سنسورها فقط در مقابل میدانهای مغناطیسی حساس بوده و در مقابل فلزات از خود عکس العملی نشان نمی دهند .
۲-۲-۳- سنسورهای بدون تماس بر اساس خاصیت Magnetorsistive

برخی از عناصر مانند InSb.Wi در میدان مغناطیس ،‌مقاومت الکرتیکی خود را تغییر می دهند و از این اصل برای ساخت این نوع از سوئیچ ها استفاده می کنند .
۳-۲-۳- سنسورهای بدون تماس بر اساس خاصیت HALL
وقتی که یک نیمه رسانا مانند InSb در یک میدان مغناطیسی قرار گیرد ، در جهت عمود بر این میدان ولتاژی بر روی این نیمه رسانا ایجاد می شود که به ولتاژ Hall ‌معروف می باشد این نیمه رسانا باید بصورت ورقه‌نازکی که طول و عرض آن نسبت به ضخامت آن بزرگ بوده ، ساخته شود در روی این ورقه ها می توانند ولتاژی تا ۱٫۵ ولت ایجاد شود .
۴-۲-۳- سنسور Wiegand

سیم Wiegand آلیاژی از وانادیم (Vanadium) کبالت (Cobalt) و آهن است خاصیت آلیاژ wiegand این است که وقتی شدت یک میدان مغناطیسی از حد مشخصی تجاوز نماید ، جهت مغناطیسی محدوده Wiss بصورت ناگهانی تغییر می کند بطوریکه اگر یک سیم پیچ در دور سیم Wiegand قرار گیرد این تغییر ناگهانی به صورت جریان القایی در این آن قابل اندازه گیری می باشد .
و ولتاژی تا ۳ ولت در سیم پیچ ایجاد می شود به همین خاطر اکثر این سنسورها احتیاجی به منبع تغذیه خارجی ندارند .
برخی از مشخصات عمومی سنسورهای القایی – مغناطیسی در جدول زیر نشان داده شده است .

۱۰…۳۰ V Operating voltage
۲۰۰ mA Max. Switching current
۲…۳۵ mt Min. response induction
۱ mT Max. magn. Interference induction
۲A Response travel
۷…۱۷ mm (Dependent on field strength and cylinder)
۰٫۱…۱٫۵mm Hysteresis
۰٫۱ mm
Switching point accuracy
Voltage drop

۳V (at max. switching ctrrent)
۶٫۵mA mex Current consumption
-۲۰°C…۷۰°C Operating remperature
۱۰۰۰Hz 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)

سنسورهای مغناطیسی – القایی دارای مزایای زیر نسبت به Reed سوئیچ ها می باشند:
– نداشتن کنتاکت ( تیغه )
– از بین نرفتن کنتاکت های فلزی
– در صورتیکه محور مغناطیسی به صورت مطلوب قرار گرفته باشد فقط در یک محدوده فعال می شوند .
همانند سایر سنسورهای مغناطیسی می بایستی در محیط کار به عوامل اختلال گر در کار این نوع سوئیچ ها توجه گردد . مانند میدان مغناطیسی خارجی و با دستگاههایی که این میادین را ایجادمی نمایند .

۴- سنسورهای القایی
یک سنسور القائی از یک نوسان ساز ( LC) ، یک Demodulator ، یک تقویت کننده و قسمت خروجی تشکیل شده است

توسط شکل خاص نوسان ساز ، میدان مغناطیسی از طریق دریچه نیمه بازی در یک جهت معین منتشر می شود بطوریکه میدان مغناطیسی تولید شده در یک محدوده مشخصی فعال بوده و فقط در این منطقه امکان قطع و وصل سنسور وجود دارد .
هنگامی که جریان برق سنسور وصل میگردد . نوسان ساز شروع به نوسان نموده و جریان مشخصی از آن عبور می کند اگر یک جسم هادی جریان الکتریکی در میدان مغناطیسی وارد گردد ، در آن جریان گردابی بوجود آمده و قسمتی از انرژی اسیلاتور را جذب می کند که این خود باعث تغییر میزان جریان مصرفی در نوسان ساز می گردد . این تغییرات در یک قسمت الکترونیکی تجزیه و تحلیل و خروجی سنسور قطع و یا وصل می شود .

با استفاده از سنسورهای القائی فقط اجسام هادی جریان برق قابل حس می باشند . این سنسورها با خروجیهای N.O, N.C عرضه می گردند . فاصله ای که در آن یک سنسور تغییر حالت می دهد ( بسته شده و یا باز می گردد) به عنوان فاصله سوئیچ معروف می باشند .
هر قدر سیم پیچ بکار رفته بزرگتر باشد ( در نتیجه سنسور هم بزرگتر خواهد بود ) فاصله‌سوئیچ هم بیشتر می گردد .برای فاصله سوئیچ ۲۵۰ میلی متر نیز سنسورهای القائی وجود دارند .جهت تعیین فاصله سوئیچ از ورقه های استاندارد که از جنس فلز ST37 هستند استفاده می شود که ضخامت آن یک میلی متر بوده و بصورت ورقه های مربع شکل می باشند .
طول ضلع این مربع باید برابر :

۱- قطر دایره منطقه اکتیو سنسور باشد
و یا
۲- سه برابر فاصله سوئیچ باشد
بزرگتر بودن ابعاد این ورقه فقط باعث ایجاد تغییرات خیلی جزئی در مقدار اندازه گرفته شده ، خواهد شد . اما کوچک بودن ابعاد باعث بدست آمدن فاصله سوئیچ کمتری می باشد در صورت استفاده از فلزات دیگر بغیر از ST37 باعث کمتر شدن فاصله سوئیچ خواهد شد .
هنگام نصب سنسورهای القائی در داخل نگهدارنده های فلزی می بایستی توجه نمود که بعلت وجود اجسام فلزی در طراف آن کارکرد سنسورها مختلف نگردد . از نظر تکنولوژی نصب دو نوع سنسور القایی وجود دارد :

۱- در اولین نوع که در شکل۳ نشان داده شده است میدان مغناطیسی در اطراف سنسور پراکنده نبوده ، بلکه به علت شکل خاص ساخت آن میدان الکترومغناطیسی فقط در ناحیه جلوی سنسور وجود دارد . به همین علت نگه دارنده فلزی سنسور اختلالی در کارکرد سنسور بوجود نمی آورد .
اگر سنسور القایی دیگری در مجاورت سنسور القایی نصب گردد ، میبایستی در بین آنها حداقل فاصله ای برابر با قطر حساس سنسور وجود داشته باشد . منطقه‌آزاد که در بالای سنسورها می باشد حد فاصل بین سنسور و اجسام موجود د رجلوی سنسور بوده و این اشیاء نمی بایستی در میدان مغناطیسی سنسور داخل و توسط سنسور حس گردند . طول منطقه آزاد سه برابر فاصله‌سوئیچ می باشد .

این نوع سنسور ها دارای این مزیت هستند که خیلی ساده و کم حجم ؛ قابل نصب می باشند . ولی دارای فاصله سوئیچ کمتری نسبت به سنسورهای القائی نوع ۲ می باشند .
۲- در این نوع سنسور های القایی میدان الکترومغناطیسی نه تنها در مقابل سر حساس سنسور ، بلکه در اطراف و حول و حوش آن بصورت جانبی نیز منتشر می گردد . در نوع اخیر که درشکل ۶-۴ نشان داده شده است . باید هنگام نصب ابعاد ذکر شده رعایت گردد . تا نگه دارنده فلزی سنسور تأثیر منفی و اختلالی در کار سنسور بوجود نیاورد .

۵- سنسورهای خازنی
اساس کار سنسورهای خازنی بر پایه‌تغییرات ظرفیت یک خازنی می باشد که در یک مدار نوسان ساز RC قرار گرفته است سنسورهای خازنی نسبت به سنسورهای القایی این مزیت را دارند ، که علاوه بر اجسام هادی ، اشیاء عایق را نیز حس می کنند .
در این نوع از سنسور جهت ایجاد میدان الکتریکی از دو الکترود استفاده می شود .که یکی از الکترودها فعال بوده ودیگر به زمین متصل می باشد همچنین الکترود خنثی کننده ای وجود دارد که اثر رطوبت هوا را برروی خازن از بین می برد اجزاء این سنسور در شکل ۱-۵ نشان داده شده است

اگر فلز ، مواد مصنوعی ، شیشه ، چوب ؛ آب و … وارد محدوده فعال سنسور گردد
( محدوده‌انتشار میدان الکتریکی نشتی خازن ) باعث تغییر ظرفیت آن گردیده که مقدار این تغیرات به عوامل زیر بستگی دارد .
۱- فاصله جسم از سنسور ۲- ابعاد جسم ۳- ضریب دی الکتریک جسم
توسط یک پتانسیومتر قابل تنظیم می توان فاصله سوئیچ را تنظیم نمود . و از این خاصیت جهت حس نمودن اجسام معینی استفاده می گردد . برای مثال می توان سطح یک مایع را داخل یک بطری پلاستیکی تعیین نمود . بدون اینکه بطری پلاستیکی خود باعث بکار افتادن سنسور گردد .
در جدول ۱-۵ فاصله سوئیچ برای ورقه مقوا در ارتباط با ضخامت ورقه نشان داده شده است ابعاد ورقه ۳۰ میلی متر می باشد .

Switching distance
Material thickness
—– ۱٫۵mm
۰٫۲mm 3.0mm
۱٫۰mm 4.5mm
۲٫۰mm 6.0mm
۲٫۳mm 6.0mm
۲٫۵mm 9.0mm
۲٫۵mm 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 سوئیچ برای اجسام مختلف نشان داده شده است . همانطور که در این جدول مشاهده می شود فاصله سوئیچ برای تمام فلزات یکسان می باشد همچنین در جدول ۳-۵ برخی از مشخصات فنی سنسورهای خازنی جهت اطلاع نوشته شده است .
Reduction factor
Material
۱٫۰ All metals
۱٫۰ Water
۰٫۳…۰٫۵ Glass
۰٫۳…۰٫۶ Plastic
۰٫۳…۰٫۵ Cardboard
۰٫۲…۰٫۷ Wood (dependent on humidity)
۰٫۱…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
-۲۵°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

سنسورهای خازنی نسبت به کثیف شدن خیلی حساس بوده و حساسیت آنها به رطوبت بخاطر بالا بودن ضریب دی الکتریک آب ( ( زیاد می باشد همچنین امکان حس کردن اجسام در پشت یک دیواره هم وجود دارد . و جهت این کار می بایستی حس گردد .( در پشت مانع ) حدود ۴ برابر ضریب دی الکتریک دیواره باشد جنس دیواره نباید از فلز باشد .
برای حس کردن اجسام فلزی بجای سنسورهای خازنی از سنسورهای القایی استفاده می گردد ، زیر سنسورهای القائی در مقایسه با سنسورهای خازنی ارزانتر می باشند . برای حس کردن اجسام غیر فلزی نیز اکثراً از سنسورهای نوری استفاده می گردد . مورد استفاده سنسورهای خازنی بیشتر و تشخیص سطح مایعات در ظروف پلاستیکی و امثالهم و یا اجسام غیر فلزی در داخل یک محفظه می باشد .

۶- سنسورهای نوری
سنسورهای نوری با سافتاده از نور و قطعات الکترونیکی کارکرده و از نور قرمز و با مادون قرمز بهره می جویند . منبع تولید نرو قرمز و یا مادون قرمز ، دیودهای نوری (‌LEDS) می باشد این دیودها ارزان ،مقاوم و دارای طول عمر زیادی بوده و می توان نور آنها را به راحتی مدوله نمود . در گیرنده از فتودیود و یا فتوترانزیستور استفاده می‌گردد نور قرمز از این جهت مناسب می باشد که اولاً قابل رویت بوده و می توان با چشم محور انتشار آنرا تنظیم نمود . و دوماً اینکه نور قرمز براحتی در فیبرهای نوری قابل انتقال می باشد و ضریب میرایی در فیبرنوری برای طول موج نور قرمز کمتر
می باشد .

نور مادون قرمز قابل رویت نمی باشد و در مواردی استفاده می شود که به توان بالای نوری جهت مسافت های طولانی احتیاج باشد همچنین تأثیر اختلالات نوری محیط اطراف برروی نور مادون قرمز کمتر می باشد .
در هر نوع از سنسورها از یک واحد الکترونیکی جهت مدوله کردن نور استفاده می شود تا نور محیط اختلالی در کار سنسور بوجود نیاورد . گیرنده نوری برروی فرکانس مدولاسیون تنظیم شده تا فقط نور مدوله شده را دریافت نماید . در سنسورهای نوری یک مسیره از سیستم ذکر شده جهت از بین بردن تأثیر نورهای دیگر استفاده نگردیده .بلکه از فیلتر میان گذر ( Bandpass) استفاده شده است همچنین اگر فیلترهای نوری که بتوانند اثر نور آفتاب ، را خنثی نمایند استفاده گردد ضریب اطمینان سنسورهای نوری بالا می رود در شکل ۱-۶ ساختمان داخلی یک سنسور نوری نشان داده شده است .

مثالی جهت سنسورهای نوری
• فرستنده سنسورهای نوری بدون استفاده از فیبر نوری
– دیود نوری از جنس GaAlAS
– طول موج ۸۸۰ نانومتر ( غیر قابل رویت )
• فرستنده سنسورهای نوری با استفاده از فیبر نوری
– دیود نوری از جنس GaAlAS

– طول موج ۶۶۰ نانومتر ( ‌نور قابل رویت )
* گیرنده
– فتو ترانزیستور از جنس سیلیسیوم
سنسورهای نوری را می توان به دو دسته تقسیم نمود :
۱- سنسورهای نوری یک مسیره ( بدون بازتاب )
۲- سنسورهای نوری انعکاسی
هر کدام از سنسورهای بالا می توانند به دو طریق فعال گردند :
۱)فعال شدن توسط نور

در این سنسور خروجی هنگامی وجود خواهد داشت که مانع از مسیر نور کنار رفته ونور توسط گیرنده دریافت گردد . به همین جهت به حالت عادی باز و یا Normally Open معروف می باشند بنابراین در سنسورهای نوری یک مسیره مادامی که جسمی در مسیر نور فرستاده شده قرار گرفته است مانع از رسیدن آن به گیرنده گردیده و خروجی سنسور قطع می باشد .
۲) وصل توسط تاریکی
این نوع سنسور برعکس حالت قبلی عمل کرده و با قطع شدن اشعه نور توسط یک مانع ، خروجی فعال می گردد به همین جهت به حالت عادی بسته و با Normally Closed معروف می باشند .
۱-۶- ساختمان سنسور نوری
یک سنسور نوری از دو قسمت اصلی تشکیل شده است ،۱- فرستنده ۲- گیرنده
البته با توجه به انواع مختلف سنسورها می توان اجزای دیگری مانند هدایت کننده نور و یا منعکس کننده و امثالهم را هم به آن اضافه نمود .
فرستند و گیرنده می توانند در یک واحد متمرکز باشند ، که در اینصورت به‌ سنسورهای نوری انعکاسی معروف می باشند . یا در دو واحد مجزا بوده که بعنوان سنسورهای نوری یک مسیره شناخته می شوند . در فرستنده یک منبع تولید نور جهت نور قرمز و یا مادون قرمز قرار دارد که بر طبق قوانین اپتیک در یک خط راست نور را ساطع کرده و در گیرنده نور دریافتی فیلتر شده و سپس توسط مدارهای الکترونیکی تحلیل می گردد .

در داخل بدنه سنسورها لایه‌ایزولاسیون وجود داشته و قطعات الکترونیکی داخل آن توسط پوشش پلاستیکی مذاب محافظت گردیده اند . در انتها سنسور پناسیومتر قابل تنظیم جهت تغییر حساسیت سنسور وجود دارد همچنین یک لامپ LED در روی سنسور وجود داشته که در حالت فعال بودن سنسور روشن می گردد.
سنسورهای نوری حساس به عواملی مانند گرد وغبار ، روغن و کثیف بودن محیط کاری بوده ودر اینگونه شرایط کار آن مختلف می گردد برای مثال در سنسورهای یک مسیره که نور ساطع شده ، فاصله‌بین فرستنده و گیرنده را طی می نماید بر اثر گرد و غبار و یا عوامل دیگر امکان دارد که نور فرستاده شده به گیرنده نرسیده و سنوسر این اختلال را بعنوان وجود یک جسم تفسیر نماید و یا در صورت کثیف شدن لنز فرستنده توان نور فرستاده شده ضعیف گردیده و برای مثال در سنسورهای انعکاسی نور برگشتی دیگر انرژی لازم جهت تحلیل در گیرنده را نخواهد داشت .

برای سنسورهای نوری ضریب کاری تعریف شده که این ضریب با کلمه β ( بتا ) نمایش داده شده و برابر خارج قسمت توان نور دریافتی یک سنسور ( PE) به حداقل توان نور دریافتی که باعث قطع ووصل سنسور می گردد ( PS) تعریف شده است .

‌اگر دو مقدار Ps , PE برابر باشند . در اینصورت مقدار بتا برابر۱ خواهد بود و در اینصورت رزرو کاری برای سنسور وجود ندارد و اگر بتا برابر ۱٫۵ باشد ، در اینصورت ۵۰% رزرو کاری موجود می باشد این ضریب بسته به فاصله فرستنده و گیرنده در سنسورهای نوری یک مسیره و با فاصله فرستنده از منشور منعکس کننده در سنسورهای نوری انعکاسی و با فاصله فرستنده از جسم مورد نظر در سنسورهایی که بر اساس نور انعکاسی از سطح اجسام کارکرده می باشد که این فاصله با s‌نمایش داده می شود نمودار ارتباط β با S سنسور های نوری مختلف با همدیگر تفاوت داشته و منحنی آنها در شکلهای ۳-۶ الی ۵-۶ نشان داده شده است .

هر قدر محیط کاری نامناسبتر باشد ، می بایستی ضریب کاری نیز بزرگتر در نظر گرفته شود .برای هر سنسور از طرف کارخانه سازنده منحنی کاری آن نیز داده می شود و برای هر فاصله می بایستی از روی نمودار ضریب کاری مربوطه را انتخاب نمود جهت وارت نمودن شرایط نامساعد کاری ضریب بعنوان ضریب انتقال در نظر گرفته می شود که مفهوم این ضریب بدین صورت می باشد :
نشان دهنده اینست که محیط کاری کاملاً مساعد و بدون آلودگی می باشد و نشانگر این می باشد که یک دهم توان نوری سنسور به گیرنده می رسد و به همین جهت می بایستی بتا بزرگتر از ۱۰ انتخاب گردد .
اگر منحنی در دسترس نباشد می بایستی این نمودار را توسط آزمایش بدست آورد وجود یک لامپ چشمک زن در روی سنسور جهت اعلام وضعیت ضریب کاری مطلوب خواهد بود .در صورت آلودگی بیش از حد سنسور و پایین رفتن این ضریب لامپ روشن خواهد شد همچنین این لامپ می تواند در صورت کثیف شدن سنسور به مرور زمان شخص را متوجه کثیف بودن سنسور بنماید . روشن شدن این لامپ اعلام می تواند علل دیگری بغیر از شرایط نامساعد کار داشته باشد
برای مثال :
– فاصله گیرنده و فرستنده از همدیگر خیلی دور باشد
– تنظیم ناصحیح سنسور
– ضعیف شدن دیود نوری فرستنده
– شکستگی در فیبر نوری انتقال اشعه نور
۲-۶- انواع سنسورهای نوری
در نمودار شکل ۶-۶ انواع سنسور ها نمایش 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 سنسورهای نوری یک مسیر فرستنده و گیرنده در دو واحد مجزا قرار گرفته و به همین جهت فاصله S می تواند طولانی باشد قطع نور بعنوان وجود مانع تفسیر می گردد اجسام حس شده باعث می گردند که شعاع نوری به گیرنده ونرسیده و یا در مورد اجسام نسبتاٌ شفاف مقدار نور رسیده خیلی ناچیز باشد .

در جدول ۱-۶ برخی مشخصات فنی این نوع از سنسورها نشان داده شده اند .

گیرنده دارای خروجی ترانزیستوری از نوع NPN , PNP بوده ودر بعضی از انواع آن نیز خروجی رله ای بکار رفته است .

محدوده نوری که در آن امکان حس اشیاء وجود دارد کاملاً‌دقیق بوده و به روزنه تابش بستگی دارد به همین جهت حرکت اشیاء در موازات شعاع نوری امکان پذیری
می‌ باشد ( شکل ۸-۶)

مزیت سنسورهای نوری یک مسیره عبارتند از :
– برد زیاد سنسور
– اشیاء کوچک در فاصله های زیاد قابل تشخیص می باشند .
– برای شرایط کاری غیر مطلوب نیز قابل استفاده می باشند .
– سنسور می تواند اجسام صیقلی شفاف و غیر صیقلی را حس بنماید
– قابلیت تنظیم دقیق
– قابلیت اطمینان زیاد به خاطر دریافت دائمی نور توسط گیرنده در حالت عادی
معایب این سنسور عبارتند از :
– بعلت وجود گیرنده و فرستنده در دو واحد مجزا ، احتیاج سخت افزاری سیستم دو برابر می باشد .
– برای اجسام کاملاً شفاف نمی توان از آن استفاده نمود( در مورد اجسام شفاف می توان توان فرستنده را طوری تنظیم نمود که پس از برخورد به جسم شفاف ، دیگر نور رسیده به گیرنده قابل حس نباشد ).
– از کار افتادن فرستنده به عنوان وجود یک مانع تفسیر گردیده که این امر رد مسائل ایمنی بسیار مهم می باشد .
۱-۲-۶- سنسورهای نوری انعکاسی ( از نوع بازتاب از روی منشور انعکاس )
در این نوع از سنسورها فرستنده و گیرنده در یک واحد متمرکز می باشند همچنین به یک منعکس کننده جهت برگشت دادن نور فرستاده شده نیز احتیاج می باشد قطع شعاع نوری باعث عملکرد سنسور می گردد . در این نوع از سنسور می بایستی به این نکته توجه نمود که شی مورد نظر نورتابیده شده را از سطح خود دوباره به گیرنده انعکاس ندهد ، در غیر اینصورت وجود این جسم حس نمی گردد .
سنسورهای نوری انعکاسی از نوع بازتاب از روی منشور انعکاسی نسبت به سنسورهای نوری انعکاسی که بازتاب نور آنها توسط اشیاء صورت می گیرد دارای این مزیت می باشند که برد کاری آنها بیشتر می باش در شکل ۱۱-۶ ساختمان کاری آن نشان داده شده است

برخی از مشخصات فنی این 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
۱۰۰…۵۰۰ mA DC Switching current (transistor output)
۰°C…۶۰°C Ambient operating temperature
Sensitive Sensitivity to dirt
Long (approx. 100 000 h) Service life
۱۰…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
مزایای این سنسور ها عبارتند از :
– قابلیت اطمینان زیاد بخاطر دریافت دائمی نور توسط گیرنده در حالت عادی
– نصب اسان و قابلیت تنظیم ساده
– برد نسبتاً زیاد
عیب این نوع سنسور حس نکردن اجسام شفاف و یا روشن می باشد .
درکاربرد با این سنسور می بایستی به نکات زیر توجه نمود :
– می توان با کم کردن توان نور فرستنده اجسام شفاف را هم حس نمود .
– اجسامی که دارای سطح بازتابی می باشند می بایستی طوری در مسیر نور قرار گیرند که نور انعکاس یافته از سطح آنها به گیرنده نرسد ( عمود بر مسیر انتشار نور قرار نگیرند .)
– برای اجسام خیلی کوچک می توان از شکافهای مخصوصی جهت عبور نور فرستنده استفاده نمود.
– از کار افتادن فرستنده به عنوان وجود یک شی تحلیل می گردد .
– منعکس کننده ها می توانند کثیف شده و یا بر اثر حرارت تغییر فرم پیدا نموده ودر نتیجه راندمان کاری بسیار پایین آید .
۲-۲-۶- سنسور نوری بازتابی بر اساس انعکاس نور از روی اجسام
در این نوع از سنسور فرستنده و گیرنده در یک واحد متمرکز می باشند قسمتی از نور ساطع شده از فرستنده توسط اجسام مورد نظر انعکاس یافته و به گیرنده رسیده و باعث فعال شدن آن می شود
فاصله ای که در آن می توان اجسام را حس نمود معمولاً کوتاه( در حد چند دسیمتر ) بوده که باندازه نوع سطح ، شکل ، رنگ و عوامل جنبی بسیاری بستگی دارد . همچنین می بایستی در صورت عدم حضور یک جسم در مسیر نور فرستنده ؛ نور ساطع شده از دیواره ها ویا از اطراف به گیرنده نرسیده و باعث فعال گشتن سنسورنگردند .
در جدور ۳-۶ برخی از مشخصات فنی این 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
۱۰۰…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
۱۰…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 برای یک ورقه‌سفید که عمود بر راستای انتشار نور می باشد ، تعیین نموده اند . همچنین در شکل ۱۰-۶ می توان دید که برای فاصله های نزدیک سطح کوچک برای فواصل طولانی سطوح منعکس کننده نور نیز به همان نسبت بزرگتر خواهند بود

مزیت های این سنسور ها به شرح زیر می باشند
– احتیاجی به منشور منعکس کننده نمی باشد
– وجود اجسامی در مقابل مسیر نور حس می گردد که بتوانند نور کافی به گیرنده برسانند
– بر خلاف سنسورهای نوری یک مسیره که حتماً اجسام شعاع نور تابش یافته را قطع و از رسیدن آن به طور کامل به گیرنده جلوگیری می کردند در این نوع از سنسور می تواند یک جسم بصورت موازی و در امتداد شعاع نور ساطع شده قرار داشته باشد .
– می توان با تنظیم توان سنسور اجسام مختلفی که در مقابل یک دیواره قرار دارند بطور انتخابی حس نمود
– عیب این سنسور در دقیق نبودن مرز منطقه فعال آن می باشد و همچنین از کار افتادن سنسور به عنوان عدم وجود جسم تفسیر می گردد(‌مسئله ایمنی پرس )
۳-۲-۶- سنسورهای نوری با استفاده از فیبرهای نوری
از این نوع خاص از سنسورهای نوری جهت انتقال شعاع نوری از فیبرهای نوری استفاده می گردد. این سنسورها در مواردی به کار می روند که بعلت کمبود جا نمی توان دستگاه سنسور را بطور مستقیم بر روی دستگاه نصب نمود و یا در محیط های کاری که امکان انفجار وجود دارد نمی توان دستگاه سنسور را که با جریان برق کار کرده و امکان ایجاد جرقه رد هنگام قطع و وصل وجود دارد ، استفاده نمود . همچنین توسط فیبرهای نوری می توان اشیاء خیلی کوچک را هم حس نمود .
اساس کار این سنسور مانند سنسورهای نوری یک مسیره می باشد و بخاطر قابلیت انعطاف رشته های فیبر نوری می توان تقریباً به دلخواه سنسور را نصب نمود.
مزایای این سنسورها عبارتند از :
– تشخیص اجسام در مکانهائی که امکان دسترسی به آنها دشوار میباشد
– امکان نصب در محیط کاری خطرناک و یا غیر مطلوب
– تشخیص اجسام کوچک
– امکان تغییر مکان فیبرهای نوری با توجه به نوع کاری وجود دارد
فیبرهای نوری را می توان به دو دسته تقسیم نمود :
۱- فیبرهای نوری از حنس پلیمر
۲- فیبرهای نوری از جنس شیشه
هر کدام از این انواع مزایای خاص خود را داشته که می توان به شرح زیر آنها را نام برد :
فیبرهای نوری از جنس پلیمر مقاومتر از نوع شیشه ای بوده و می توان در طولهای مختلف آنها را تهیه نمود زیرا براحتی قابل برش با وسیله تیزی می باشد همچنین نسبت به نوع شیشه ای ارزان می باشند .
فیبرهای نوری از جنس شیشه برای محیط های کاری با حرارت بالا مناسب بوده و ضریب میرایی برای نور جاری شده در داخل آنها خیلی کم می باشد همچنین دارای طول عمر بیشتری نیز می باشند .
فیبرهای نوری در مقابل نورهای مزاحم حتی الامکان ایزوله می باشند . ولی نورهای شدیدی مانند نور فلاش ، نورافکن و یا نور شدید خورشید می تواند در کار آنها اختلال بوجود آورد .
۷- سنسورهای صوتی
اساس کار سنسورهای صوتی بر پایه ایجاد فرستادن وسپس دریافت انعکاس امواج صوتی میباشد
انعکاس بر اثر برخورد این امواج به سطح اجسام ایجاد می گردد . هوا عامل انتقال امواج صوتی می باشد این سنسور از سه بخش تشکیل شده است (شکل ۱-۷)

۱- تبدیل کننده امواج صوتی
۲- تحلیل کننده سیگنالها
۳- قسمت خروجی
قسمت تولید امواج صوتی از یک کریستال کوارتز تشکیل شده که بر اثر عبور جریان برق مرتعش گردیده و پالسهای کوتاه مدت صوتی ایجاد می نماید فرکانس امواج تولید شده در محدوده فرکانس ۳۰-۳۰۰KHZ که برای گوش انسان غیر قابل شنیدن بوده می باشد در اکثر این سنسورها بعد از ارسال امواج صوتی فرستنده تبدیل به گیرنده امواج (‌میکروفن ) گردیده و منتظر دریافت امواج انعکاسی می ماند همچنین فیلترهای خاصی در سیستم وجود دارند که امواج مزاحم را نادیده گرفته . فقط امواج انعکاسی را از جسم مورد نظر به داخل سنسور راه می یابند . شکل ۲-۷ امواج تولید شده و انعکاس یافته را نشان می دهد.

سنسورهای صوتی به خاطر سرعت انتشار امواج در محیط با فرکانسی در حدود یک الی صد هرتز بسته به نوع سنسور ، امواج ارسالی را تکرار می کنند
توسط این سنسور ها می توان مواد مختلف را حس نموده و عوامل جنبی مانند گرد و غبار ، بخار آب و دود وذرات دیگر معلق در هوا در کار این سنسور تأثیر نمی گذارند همچنین فرم ، شکل ظاهر و رنگ اجسام نیز تأثیری برروی کار این سنسور نداشته و مواد در سه حالت جامد ؛ مایع ، گاز قابل حس می باشند فقط می بایستی اجسام جذاب امواج صوتی مانند سطوح متخلخل ، لباس و پشم شیشه ، امثالهم در مسیر امواج نباشد .
در سنسورهای صوتی غالباً فرستنده و گیرنده در یک واحد متمرکز بوده ولی سنسورهای صوتی با گیرنده و فرستنده‌جدا از هم نیز وجود دارد از این سنسور ها غالباً در صنایع غذایی ، سیستمهای انتقال اشیاء، کارخانه های تولید شیشه ، مواد مصنوعی و فلز ، انبار کالا و امثالهم استفاده می گردد .
مزیت این سنسورها به شرح زیر می باشند :
۱- برد آنها زیاد می باشد ( چندین متر )
۲- اشیاء بی رنگ نیز قابل حس می باشند
۳- اجسام شفاف را برعکس سنسورهای نوری می توان تشخیص داد
۴- در مقابل آلودگی هوا و کثیف شدن حساس نیستند
۵- در محیط های باز قابل استفاده می باشند .
۶- امکان تشخیص اجسام بدون تماس در یک فاصله کاملاً دقیق امکان پذیر باشد
در مقابل مزیت های ذکر شده می توان معایب زیر را برای این نوع از سنسورها برشمرد
۱- در صورت قرار گرفتن یک جسم بصورتی که امواج انعکاسی به جهتی دیگر بغیر از جهت سنسور فرستاده شود امکان دریافت امواج وجود نداشته و به همین جهت سطوح منعکس کننده می بایستی عمود بر محور انتشار امواج قرار گیرد .
۲- سرعت عکس العمل این سنسور نسبتاً کم می باشد و محدوده فرکانس قطع ووصل ۱ الی ۱۲۵ هرتز می باشد
۳- سنسور های صوتی گرانتر از سنسورهای نوری می باشند
درجدول ۱-۷ برخی از مشخصات فنی این سنسورها جهت اطلاع ذکر گردیده 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
۱۰۰…۴۰۰ mA DC Switching current (transistor output)
۰°C…۷۰°C, partly as low as – ۱۰°C Ambient operating temperature
moderate Sensitivity to dirt
Long Service life
۳۰ kHz… ۳۰۰kHz Ultrasonic frequency
۱…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 سنسورهای صوتی علاوه بر یک دیود نوری ، پتانسیومتر قابل تنظیمی که محدوده کاری سنسور را مشخص می نماید تعبیه شده است همچنین نوع دیگری از این سنسور که قابل برنامه ریزی می باشد . و دارای یک مدار الکترونیکی می باشد. وجود داشته که می توان محدوده کاری را از قبل در آن برنامه ریزی نمود و سپس انتخاب کرد. همچنین در بعضی از این سنسورها ورودی سینکرون وجود داشته که در صورت استفاده از چند سنسور صوتی که در کنار هم، اختلالی در کار یکدیگر ایجاد ننمایند. در صورتی که این واحد ورودی وجود نداشته باشد. می بایستی حداقل فاصله بین سنسورها رعایت گردد که جدول زیر محدوده کاری و فاصله سنسورها از همدیگر را نشان می دهد. ( جدل ۲-۷)