أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار وعملها

لقد بدأ عصر الأتمتة بالفعل. يمكن أتمتة معظم الأشياء التي نستخدمها الآن. لتصميم الأجهزة المؤتمتة ، نحتاج أولاً إلى معرفة المستشعرات ، وهذه هي الوحدات / الأجهزة التي تساعد في إنجاز الأشياء دون تدخل بشري. حتى الهواتف المحمولة أو الهواتف الذكية التي نستخدمها يوميًا ستحتوي على بعض المستشعرات مثل مستشعر القاعة ومستشعر القرب ومقياس التسارع وشاشة اللمس والميكروفون وما إلى ذلك. يعمل هذا المستشعر كعيون وآذان وأنف أي جهاز كهربائي يستشعر المعلمات في العالم الخارجي ويعطيها قراءات للأجهزة أو متحكم.

ما هو المستشعر؟

يمكن تعريف المستشعر على أنه جهاز يمكن استخدامه لاستشعار / اكتشاف الكمية المادية مثل القوة والضغط والإجهاد والضوء وما إلى ذلك ثم تحويلها إلى الإخراج المطلوب مثل الإشارة الكهربائية لقياس الكمية المادية المطبقة . في حالات قليلة ، قد لا يكون المستشعر وحده كافيًا لتحليل الإشارة التي تم الحصول عليها. في هذه الحالات ، يتم استخدام وحدة تكييف الإشارة من أجل الحفاظ على مستويات جهد خرج المستشعر في النطاق المطلوب فيما يتعلق بالجهاز النهائي الذي نستخدمه.

في وحدة تكييف الإشارة ، يمكن تضخيم خرج المستشعر أو ترشيحه أو تعديله إلى جهد الخرج المطلوب. على سبيل المثال ، إذا اعتبرنا ميكروفونًا ، فإنه يكتشف إشارة الصوت ويتحول إلى جهد الخرج (من حيث المللي فولت) والذي يصبح من الصعب تشغيل دائرة خرج. لذلك ، يتم استخدام وحدة تكييف الإشارة (مكبر للصوت) لزيادة قوة الإشارة. لكن قد لا يكون تكييف الإشارة ضروريًا لجميع المستشعرات مثل الثنائي الضوئي و LDR وما إلى ذلك.

لا تعمل معظم المستشعرات بشكل مستقل. لذلك ، يجب تطبيق جهد إدخال كافٍ عليه. أجهزة الاستشعار المختلفة لها نطاقات تشغيل مختلفة يجب أخذها في الاعتبار أثناء العمل معها وإلا فقد يتلف المستشعر بشكل دائم.

أنواع المستشعرات:

دعونا نرى الأنواع المختلفة من المستشعرات المتوفرة في السوق ونناقش وظائفها وعملها وتطبيقاتها وما إلى ذلك. سنناقش أجهزة استشعار مختلفة مثل:

• مستشعر الضوء
  • مستشعر الأشعة تحت الحمراء (مرسل الأشعة تحت الحمراء / مؤشر LED بالأشعة تحت الحمراء)
  • الثنائي الضوئي (مستقبل الأشعة تحت الحمراء)
  • مقاوم يعتمد على الضوء
• جهاز استشعار درجة الحرارة
  • الثرمستور
  • الحرارية
• مستشعر الضغط / القوة / الوزن
  • مقياس الضغط (مستشعر الضغط)
  • خلايا الحمل (مستشعر الوزن)
• موقف الاستشعار
  • مقياس فرق الجهد
  • التشفير
• مستشعر القاعة (كشف المجال المغناطيسي)
• جهاز الاستشعار المرن
• مستشعر الصوت
  • ميكروفون
• أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية
• استشعار تعمل باللمس
• مستشعر PIR
• استشعار الخيمة
  • مقياس التسارع
• مستشعر الغاز

نحتاج إلى تحديد المستشعر المطلوب بناءً على مشروعنا أو تطبيقنا. كما ذكرنا سابقًا من أجل جعلها تعمل ، يجب استخدام الجهد المناسب بناءً على مواصفاتها.

الآن دعونا نرى مبدأ عمل أجهزة الاستشعار المختلفة وأين يمكن رؤيتها في حياتنا اليومية أو في تطبيقاتها.

الصمام IR:

ويسمى أيضًا باسم IR Transmitter. يتم استخدامه لإصدار الأشعة تحت الحمراء. نطاق هذه الترددات أكبر من ترددات الميكروويف (أي> 300 جيجا هرتز إلى بضع مئات من THz). يمكن استشعار الأشعة التي تم إنشاؤها بواسطة الأشعة تحت الحمراء LED بواسطة Photodiode الموضح أدناه. يسمى زوج IR LED و photodiode بمستشعر الأشعة تحت الحمراء. إليك كيفية عمل مستشعر الأشعة تحت الحمراء.

الصمام الثنائي للصور (مستشعر الضوء):

إنه جهاز أشباه الموصلات يستخدم للكشف عن أشعة الضوء ويستخدم في الغالب كمستقبل الأشعة تحت الحمراء . يشبه تركيبه الصمام الثنائي العادي للوصل PN لكن مبدأ العمل يختلف عنه. كما نعلم أن تقاطع PN يسمح بتيارات تسرب صغيرة عندما يكون منحازًا عكسيًا ، لذلك تُستخدم هذه الخاصية للكشف عن أشعة الضوء. يتم إنشاء الثنائي الضوئي بحيث تسقط أشعة الضوء على تقاطع PN مما يجعل تيار التسرب يزداد بناءً على شدة الضوء الذي طبقناه. لذلك ، بهذه الطريقة ، يمكن استخدام الثنائي الضوئي لاستشعار أشعة الضوء والحفاظ على التيار خلال الدائرة. تحقق هنا من عمل Photodiode مع مستشعر الأشعة تحت الحمراء.

باستخدام الثنائي الضوئي ، يمكننا بناء مصباح شارع أوتوماتيكي أساسي يتوهج عندما تنخفض شدة ضوء الشمس. لكن الثنائي الضوئي يعمل حتى لو سقطت عليه كمية صغيرة من الضوء ، لذا يجب توخي الحذر.

LDR (المقاوم المعتمد على الضوء):

كما يحدد الاسم نفسه أن المقاوم يعتمد على شدة الضوء. إنه يعمل على مبدأ الموصلية الضوئية التي تعني التوصيل بسبب الضوء. يتكون بشكل عام من كبريتيد الكادميوم. عندما يسقط الضوء على LDR ، تقل مقاومته وتعمل بشكل مشابه للموصل وعندما لا يسقط ضوء عليه ، تكون مقاومته تقريبًا في نطاق MΩ أو بشكل مثالي تعمل كدائرة مفتوحة . ملاحظة واحدة يجب أخذها في الاعتبار مع LDR وهي أنها لن تستجيب إذا لم يركز الضوء تمامًا على سطحه.

باستخدام الدوائر المناسبة باستخدام الترانزستور ، يمكن استخدامه للكشف عن توفر الضوء. يمكن أن يعمل الترانزستور المنحاز لمقسم الجهد مع R2 (المقاوم بين القاعدة والباعث) مع LDR ككاشف للضوء. تحقق هنا من الدوائر المختلفة بناءً على LDR.

الثرمستور (مستشعر درجة الحرارة):

يمكن استخدام الثرمستور لاكتشاف التباين في درجة الحرارة . لها معامل درجة حرارة سالب وهذا يعني أنه عندما تزيد درجة الحرارة تنخفض المقاومة. لذلك ، يمكن أن تتنوع مقاومة الثرمستور مع ارتفاع درجة الحرارة مما يؤدي إلى مزيد من التدفق الحالي من خلاله. يمكن استخدام هذا التغيير في التدفق الحالي لتحديد مقدار التغير في درجة الحرارة. أحد تطبيقات الثرمستور ، يتم استخدامه للكشف عن ارتفاع درجة الحرارة والتحكم في تيار التسرب في دائرة الترانزستور مما يساعد في الحفاظ على ثباتها. إليك تطبيق بسيط للثرمستور للتحكم في مروحة التيار المستمر تلقائيًا.

الحرارية (مستشعر درجة الحرارة):

مكون آخر يمكنه اكتشاف التباين في درجة الحرارة هو المزدوج الحراري. في بنائه ، يتم ربط معدنين مختلفين معًا لتشكيل تقاطع. مبدأها الرئيسي هو عندما يتم تسخين تقاطع معدنين مختلفين أو تعرضهما لدرجات حرارة عالية ، تتنوع الإمكانات عبر أطرافهما. لذلك ، يمكن استخدام الإمكانات المتغيرة بشكل أكبر لقياس مقدار التغير في درجة الحرارة.

مقياس الضغط (مستشعر الضغط / القوة):

يتم استخدام مقياس الضغط لاكتشاف الضغط عند تطبيق الحمل . إنه يعمل على مبدأ المقاومة ، فنحن نعلم أن المقاومة تتناسب طرديًا مع طول السلك وتتناسب عكسًا مع مساحة المقطع العرضي (R = ρl / a). يمكن استخدام نفس المبدأ هنا لقياس الحمل. على لوح مرن ، يتم ترتيب السلك بطريقة متعرجة كما هو موضح في الشكل أدناه. لذلك ، عندما يتم تطبيق الضغط على تلك اللوحة المعينة ، فإنه ينحني في اتجاه يسبب التغيير في الطول الكلي ومساحة المقطع العرضي للسلك. هذا يؤدي إلى تغيير في مقاومة السلك. المقاومة التي يتم الحصول عليها بهذه الطريقة دقيقة جدًا (عدد قليل من أوم) والتي يمكن تحديدها بمساعدة جسر ويتستون. يتم وضع مقياس الضغط في أحد الأذرع الأربعة في الجسر مع عدم تغيير القيم المتبقية. وبالتالي،عندما يتم تطبيق الضغط عليه حيث تتغير المقاومة يتغير التيار المار عبر الجسر ويمكن حساب الضغط.

تُستخدم مقاييس الإجهاد بشكل رئيسي لحساب مقدار الضغط الذي يمكن أن يتحمله جناح الطائرة ، كما تُستخدم لقياس عدد المركبات المسموح بها على طريق معين وما إلى ذلك.

خلية الحمل (مستشعر الوزن):

تشبه خلايا الحمل مقاييس الإجهاد التي تقيس الكمية المادية مثل القوة وتعطي الإخراج في شكل إشارات كهربائية. عندما يتم تطبيق بعض التوتر على خلية الحمل ، يتغير هيكلها مما يتسبب في تغيير المقاومة ، وأخيراً ، يمكن معايرة قيمتها باستخدام جسر ويتستون. هنا هو مشروع كيفية قياس الوزن باستخدام خلية الحمل.

مقياس فرق الجهد:

يتم استخدام مقياس الجهد لاكتشاف الموضع . يحتوي بشكل عام على نطاقات مختلفة من المقاومات المتصلة بأقطاب مختلفة للمفتاح. يمكن أن يكون مقياس الجهد إما من النوع الدوار أو الخطي. في النوع الدوار ، يتم توصيل الممسحة بعمود طويل يمكن تدويره. عندما يدور العمود ، يتغير موضع الماسحة بحيث تتغير المقاومة الناتجة مسببة التغيير في جهد الخرج. وبالتالي يمكن معايرة الإخراج لاكتشاف التغيير في موضعه.

التشفير:

لاكتشاف التغيير في الموضع ، يمكن أيضًا استخدام المشفر. له هيكل دائري يشبه القرص القابل للدوران مع فتحات محددة بينهما بحيث عندما تمر الأشعة تحت الحمراء أو الأشعة الضوئية من خلاله يتم اكتشاف عدد قليل من الأشعة الضوئية. علاوة على ذلك ، يتم تشفير هذه الأشعة في بيانات رقمية (من حيث ثنائي) والتي تمثل الموقع المحدد.

مستشعر القاعة:

يذكر الاسم نفسه أن المستشعر هو الذي يعمل على تأثير القاعة. يمكن تعريفه على أنه عندما يقترب مجال مغناطيسي من الموصل الحامل الحالي (عموديًا على اتجاه المجال الكهربائي) ، يتم تطوير فرق جهد عبر الموصل المحدد. باستخدام هذه الخاصية ، يتم استخدام مستشعر القاعة لاكتشاف المجال المغناطيسي وإعطاء ناتج من حيث الجهد. يجب توخي الحذر لأن مستشعر Hall يمكنه اكتشاف قطب واحد فقط من المغناطيس.

يتم استخدام مستشعر القاعة في عدد قليل من الهواتف الذكية التي تساعد في إيقاف تشغيل الشاشة عند إغلاق الغطاء القابل للطي (الذي يحتوي على مغناطيس) على الشاشة. فيما يلي تطبيق عملي واحد لمستشعر Hall Effect في Door Alarm.

جهاز الاستشعار المرن:

مستشعر FLEX هو محول طاقة يغير مقاومته عندما يتغير شكله أو عندما يكون مثنيًا . يبلغ طول مستشعر FLEX 2.2 بوصة أو بطول الإصبع. يظهر في الشكل. بمجرد التحدث عن مقاومة طرف المستشعر تزداد عندما يكون مثنيًا. لا يمكن لهذا التغيير في المقاومة أن يفيد ما لم نتمكن من قراءتها. يمكن لوحدة التحكم الموجودة في متناول اليد قراءة التغييرات في الجهد فقط ولا شيء أقل من ذلك ، لذلك ، سنستخدم دائرة مقسم الجهد ، حيث يمكننا اشتقاق تغيير المقاومة كتغير في الجهد. تعرف هنا على كيفية استخدام Flex Sensor.

الميكروفون (مستشعر الصوت):

يمكن رؤية الميكروفون على جميع الهواتف الذكية أو الهواتف المحمولة. يمكنه الكشف عن الإشارة الصوتية وتحويلها إلى إشارات كهربائية ذات جهد صغير (mV). يمكن أن يكون الميكروفون من أنواع عديدة مثل الميكروفون المكثف والميكروفون البلوري وميكروفون الكربون وما إلى ذلك ، يعمل كل نوع من الميكروفونات على خصائص مثل السعة والتأثير الكهروضغطي والمقاومة على التوالي. دعونا نرى تشغيل ميكروفون بلوري يعمل على التأثير الكهرضغطية. يتم استخدام بلورة ثنائية الشكل والتي تنتج جهدًا متناوبًا متناسبًا تحت الضغط أو الاهتزازات. يتم توصيل الحجاب الحاجز بالبلورة من خلال دبوس محرك بحيث عندما تضرب إشارة الصوت الحجاب الحاجز تتحرك جيئة وذهابا ،تغير هذه الحركة موضع دبوس المحرك الذي يسبب اهتزازات في البلورة وبالتالي يتم إنشاء جهد متناوب فيما يتعلق بالإشارة الصوتية المطبقة. يتم تغذية الجهد الناتج إلى مكبر للصوت من أجل زيادة القوة الإجمالية للإشارة. إليك دوائر مختلفة تعتمد على الميكروفون.

يمكنك أيضًا تحويل قيمة الميكروفون بالديسيبل باستخدام بعض وحدات التحكم الدقيقة مثل Arduino.

أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية:

الموجات فوق الصوتية لا تعني شيئًا سوى نطاق الترددات. مداها أكبر من النطاق المسموع (> 20 كيلوهرتز) لذلك حتى عندما يتم تشغيله لا يمكننا الشعور بهذه الإشارات الصوتية. فقط مكبرات صوت وأجهزة استقبال محددة يمكنها استشعار تلك الموجات فوق الصوتية. يستخدم هذا المستشعر بالموجات فوق الصوتية لحساب المسافة بين مرسل الموجات فوق الصوتية والهدف ويستخدم أيضًا لقياس سرعة الهدف .

يمكن استخدام مستشعر الموجات فوق الصوتية HC-SR04 لقياس المسافة في نطاق 2 سم إلى 400 سم بدقة 3 مم. دعونا نرى كيف تعمل هذه الوحدة. تولد وحدة HCSR04 اهتزازًا صوتيًا في نطاق الموجات فوق الصوتية عندما نجعل دبوس "Trigger" مرتفعًا لحوالي 10us والذي سيرسل انفجارًا صوتيًا من 8 دورات بسرعة الصوت وبعد ضرب الكائن ، سيتم استقباله بواسطة دبوس Echo. اعتمادًا على الوقت الذي يستغرقه اهتزاز الصوت للعودة ، فإنه يوفر خرج النبض المناسب. يمكننا حساب مسافة الجسم بناءً على الوقت الذي تستغرقه الموجة فوق الصوتية للعودة إلى المستشعر. تعرف على المزيد حول مستشعر الموجات فوق الصوتية هنا.

هناك العديد من التطبيقات مع حساس الموجات فوق الصوتية. يمكننا الاستفادة منه لتجنب العقبات التي تعترض السيارات الآلية ، والروبوتات المتحركة وما إلى ذلك. سيتم استخدام نفس المبدأ في RADAR لاكتشاف الصواريخ والطائرات الدخيلة. يمكن للبعوضة أن تستشعر الأصوات فوق الصوتية. لذلك ، يمكن استخدام الموجات فوق الصوتية كطارد للبعوض.

استشعار تعمل باللمس:

في هذا الجيل ، يمكننا القول أن جميعهم تقريبًا يستخدمون الهواتف الذكية ذات الشاشة العريضة التي يمكن أن تستشعر اللمس. لذا ، دعونا نرى كيف تعمل هذه الشاشة التي تعمل باللمس. في الأساس ، هناك نوعان من أجهزة استشعار اللمس القائمة على المقاومة وشاشات اللمس القائمة على السعوية . دعونا نتعرف بإيجاز على عمل هذه المستشعرات.

تحتوي شاشة اللمس المقاومة على صفيحة مقاومة في القاعدة ولوحة موصلة أسفل الشاشة ، كلاهما مفصول بفجوة هوائية بجهد صغير مطبق على الألواح. عندما نضغط على الشاشة أو نلمسها ، تلامس الورقة الموصلة الصفيحة المقاومة عند تلك النقطة مسببة تدفق التيار عند تلك النقطة بالذات ، يستشعر البرنامج الموقع ويتم تنفيذ الإجراء ذي الصلة.

في حين أن اللمس السعوي يعمل على الشحنة الكهروستاتيكية المتوفرة في أجسامنا. الشاشة مشحونة بالفعل بالمجال الكهربائي بالكامل. عندما نلمس الشاشة ، تتشكل دائرة مغلقة بسبب الشحنات الكهروستاتيكية التي تتدفق عبر أجسامنا. علاوة على ذلك ، يقرر البرنامج الموقع والإجراء المطلوب تنفيذه. يمكننا أن نلاحظ أن شاشة اللمس السعوية لن تعمل عند ارتداء قفازات اليد لأنه لن يكون هناك توصيل بين الإصبع (الأصابع) والشاشة.

مستشعر PIR:

يرمز مستشعر PIR إلى مستشعر الأشعة تحت الحمراء السلبية. تستخدم هذه للكشف عن حركة البشر أو الحيوانات أو الأشياء. نحن نعلم أن الأشعة تحت الحمراء لها خاصية الانعكاس. عندما تصطدم الأشعة تحت الحمراء بجسم ما ، اعتمادًا على درجة حرارة الهدف ، تتغير خصائص الأشعة تحت الحمراء ، تحدد هذه الإشارة المستقبلة حركة الكائنات أو الكائنات الحية. حتى لو تغير شكل الجسم ، فإن خصائص الأشعة تحت الحمراء المنعكسة يمكن أن تفرق بين الكائنات بدقة. هنا هو العمل الكامل أو مستشعر PIR.

مقياس التسارع (مستشعر الإمالة):

يمكن لمستشعر مقياس التسارع أن يشعر بميله أو حركته في اتجاه معين . إنه يعمل بناءً على قوة التسارع الناتجة عن جاذبية الأرض. الأجزاء الداخلية الصغيرة منه حساسة لدرجة أنها ستتفاعل مع تغيير خارجي صغير في الموضع. يحتوي على بلورة كهرضغطية عند الإمالة تسبب اضطرابًا في البلورة وتولد إمكانات تحدد الموضع الدقيق فيما يتعلق بمحور X و Y و Z.

تظهر هذه بشكل شائع في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة من أجل تجنب كسر خيوط المعالجات. عندما يسقط الجهاز ، يكتشف مقياس التسارع حالة السقوط ويقوم بالإجراء المناسب بناءً على البرنامج. فيما يلي بعض المشاريع التي تستخدم مقياس التسارع.

مستشعر الغاز:

في التطبيقات الصناعية ، تلعب أجهزة استشعار الغاز دورًا رئيسيًا في اكتشاف تسرب الغاز. إذا لم يتم تثبيت مثل هذا الجهاز في مثل هذه المناطق ، فإنه يؤدي في النهاية إلى كارثة لا تصدق. يتم تصنيف مستشعرات الغاز هذه إلى أنواع مختلفة بناءً على نوع الغاز المراد اكتشافه. دعونا نرى كيف يعمل هذا المستشعر. يوجد تحت الصفيحة المعدنية عنصر استشعار متصل بالأطراف حيث يتم تطبيق تيار عليها. عندما تصطدم جزيئات الغاز بعنصر الاستشعار ، يؤدي ذلك إلى تفاعل كيميائي بحيث تختلف مقاومة العناصر ويتغير التيار من خلاله أيضًا مما يمكنه في النهاية اكتشاف الغاز.

أخيرًا ، يمكننا أن نستنتج أن أجهزة الاستشعار لا تُستخدم فقط لجعل عملنا بسيطًا لقياس الكميات المادية ، مما يجعل الأجهزة مؤتمتة ولكنها تُستخدم أيضًا لمساعدة الكائنات الحية في مواجهة الكوارث.