مقدمة عن الحساسات Sensors

مقدمة

الحساس Sensor هو أحد عناصر نظام الميكاترونيك أو نظام القياس الذي يدخل له عدد محدد فيزيائي physical parameter فيحوله إلي إشارة يمكن معالجتها عن طريق النظام . غالباً ما يثار للعنصر الفعال في الحساس بالمصطلح transducer ( محول الطاقة ) . تحتاج نظم المراقبة monitoring ونظم التحكم إلي حساسات لقياس الكميات الفيزيائية مثل الموضع position والمسافة distance و القوة Farce وانفعال المعادن Strain والحرارة temperature والاهتزاز والأساليب المستخدمة لقياس هذه الكميات ونوعيات أخري من الكميات الفيزيائية .

يستلزم تصميم الحساس Sensor أو محول الطاقة transducer تطبيق قانون ما أو مبدأ من مبادئ الفيزياء أو الكيمياء للربط بين الكمية المعنيين بها بواقعة ما قابلة للقياس .

قياس الموضع والسرعة :

بخلاف القياسات الكهربية مثل : ( الجهد والتيار والمقاومة ) فإن الكمية المقاسة الشائعة في نظم الميكاترونيك هي الموضع position . فغالبا ما نحتاج إلي معرفة موضع أجزاء عديدة من نظامنا لكي نتحكم في النظام . الجزء التالي سنقدم فيه حساسات تسمي proximity Sensors ومفاتيح يطلق عليها limit switches وهي فروع من حساسات الموضع التي عليها إكتشاف إن كان شئ ما قد قطع حدود إنتقائي أم . في جزء أخر سنقدم البوتانشيومتر ( المقاومة المتغيرة ) وهو جهاز تناظري رخيص الثمن يستخدم لقياس الموضع الخطي أو الموضع الدائري . جزء أخر يليه نقدم فيه المحول التفاضلي للمتغير الخطي liner variable differential transforme وهو جهاز تناظري يمكنه قياس الإزاحة الخطية linear displacement بدقة , ثم أخيراً جزء مخصص لتقديم المشفر الرقمي digital encoder وهو مفيد في قياس الموضع بصورة رقمية مناسبة للإتصال المباشر بالكمبيوتر أو أي نظام رقمي أخر .

ولأن معظم التطبيقات تشتمل علي قياس دوران عمود الإدارة والتحكم في هذا الدوران مثل : ( المفاصل في الروبوت والمخارط الرقمية والفرايز الرقمية والمحركات والمولدات الكهربية ) فإن حساسات الموضع الدائري rotary position sensors أكثر شيوعا من الحساسات الخطية .

يمكن الحصول علي قياسات السرعة عن طرق أخذ قياسات للموضع متعاقبة عند فترات زمنية معروفة ثم حساب المعدل الزمني لتغير قيم الموضع . التاكوميتر tachometer هو مثال لحساس السرعة الذي يؤدي هذا العمل لمحور دوران .

حساسات التقارب Proximity Sensors :

يحتوي حساس التقارب Proximity Sensors علي عنصر إما يغير حالته أو يغير إشارة تناظرية عندما يقترب من شئ لكنه لا يلمسه . من الوسائل المناسبة لتصميم هذه الحساسات : الطريقة المغناطيسية وطريقة السعة الكهربية وطريقة التيار الدوامي eddy current . يقدم زوج كاشف الضوء المعروف بإسم photo emitter-detector pair طريقة أخري , حيث يستخدم انعكاس شعاع الضوء للكشف عن وجود شئ دون لمسه . في العادة يكون باعث الضوء دابود مشع photodiode بينما يكون كاشف الضوء ترانزستور ضوئي phototransistor . يبين الشكل صور مختلفة للـ photo emitter – detector pair . في النوعين , النوع opposed mode والنوع retro – reflective mode الجسم هو الذي يقاطع الشعاع الضوئي , بينما في النوع proximity mode يعكس الجسم الشعاع الضوئي . يبين الشكل حساس تجاري يمكن استخدامه في مواد الـ retrorfelective أو مود الـ proximity , من التطبيقات الشائعة لحساسات التقارب ومفاتيح الحدود Limit switches عد الأجسام (الأشياء ) المتحركة وتحديد الحركة الجانبية لألية .

هناك تصميمات عديدة لمفاتيح الـ Limit switches , منها الـ puch – button والـ levered micro switches . جميع المفاتيح إما لفتح أو غلق التوصيلات بالدائرة الكهربية . فكما بيبين الشكل , فإن خصائص المفاتيح يتحدد عن طريق عدد الأقطاب (p) وعدد نقاط التوصيل (T) throws وكذلك إن كانت التوصيلات normally open (no) أم normally closed (NC) . القطب هو العنصر المتحرك في المفتاح الذي يتمم التوصيل بكسره , بينما نقطة التوصيل (T) هي النقطة التي يلتقي بها القطب ليلامسها عند إتمام التوصيل . المفتاح SPST هو المفتاح ذو القطب الواحد ونقطة التوصيل الواحدة , أما المفتاح SPDT هو المفتاح ذو القطب الواحد ونقطتي توصيل .

البوتانشيومتر Potentiometer

البوتانشيومتر الدائري هو جهاز مقاومة مقاومة متغيرة , يمكن إستخدامها لقياس الموضع الزاوي angular position . يشتمل البوتانشيومتر علي المنزلق wiper الذي يصنع التماس مع عنصر مقاومة , وبتحريك نقطة التلامس تتغير المقاومة بين المنزلق وطرق نهاية الجهاز بنسبة الإزاحة الزاوية . يبين الشكل الشكل الخارجي ومخطط بوتانشيومتر دائري potentiometer rotary نموذجي . من خلال تجزئة الجهد , فإن التغير في المقاومة يمكن استخدامه لتخليق جهد خرج يتناسب طردياً مع إزاحة الدخل .

المحول الفرقي ( التفاضلي ) للمتغير الخطي :

Liner Variable Differential Transformer

يطلق علي هذا المحول اسم (LVDT) نسبة لـ Liner Variable Differential Transformer , وهو عبارة عن محول طاقة transducer لقياس الإزاحة الخطية . فكما يبينه الشكل نجد أنه يتكون من ملفات ابتدائية وملفات ثانوية وقلب حديدي متحرك . فهو يعمل مثل المحول بدرجة كبيرة , تستنج الجهود في الملف الثانوي استجابة لإثارة الملف الإبتدائي , يجب إثارة الـ LVDT بإشارة تيار متغير AC لكي تستنتج استجابة AC في الملف الثانوي . يمكن تعيين موضع القلب عن طريق قياس استجابة الثانوي .

ولأن الثانوي عبارة عن ملفين موصلين علي التوالي بحيث تيارهما متضاد كما هو واضح في الشكل , لذلك فإن إشارة الخرج نصف كل قيمة واتجاه حركة القلب , يبين الشكل أيضا إثارة الإبتدائي V وإشارة الخرج v لوضعين مختلفين للقلب core .

توجد نقطة في منتصف موضع القلب عندها يكون الجهد المستنتج في كل ملف من ملفات الثانوي متساوي مع الأخر ولكن بينهما 180ْ زاوية وجه وبالتالي يكون جهد الحرج مساوياً للصفر (null) وبتحريك القلب من موضع الصفر (null) تزداد قيمة الخرج بنسبة طردية مع مقدار الإزاحة عن نقطة الصفر كما هو واضح في الشكل . إذن بقياس قيمة جهد الخرج , فإنه يمكننا بسهولة تحديد مقدار إزاحة القلب .

لتعيين اتجاه حركة القلب , فإنه يمكن توصيل الملفات الثانوية بدائرة demodulation كما هو مبين بالشكل تنتج قنطرة الدايودات التي بالدائرة موجة جيبية موحدة إما موجبة وإما سالبة علي حسب موضع القلب بالنسبة لموضع الـ null .

يمكن استخدام مرشح إمرار منخفض low-pass filter لتحويل الخرج الموحد إلي إشارة منعمة smoothed تتبع موضع القلب , انظر الشكل . يجب اختيار الـ cutoff frequency لهذا المرشح بمثابة لاستبعاد الترددات العالية بالموجة الموحدة دون المركبات الترددية المقترنة بحركة القلب . في العادة يتم اختيار ترد الإثارة بحيث يكون علي الأقل عشرة أمثال أقصي تردد متوقع لحركة القلب ليعطي تمثيلا جيدا للإزاحة المتغيرة مع الزمن .

مفتاح LVOTs تجارية مثل الموضحة في الشكل بأشكال أسطوانية مع اختلاف أقطارها وأطوالها ومقدار مشاويرها strokes في الغاب تشتمل علي دائرة داخلية التي تعطي جهد DC يتناسب مع الإزاحة .

من مميزات الـ LVDT الدقة عبر المدي الخطي وإشارة الخرج التناظرية قد لا تحتاج إلي تكبير . أيضاً هو أقل حساسية للنطاقات الواسعة لدرجة الحرارة عن محولات طاقة الموضع الأخري مثل : ( البوتانشيومترات والمشفرات encoders وأجهزة أشياء الموصلات ) أما عيوب الـ LVDTs فهي تنحصر في محدودية مدي الحركة ومحدودية الاستجابة الترددية . تحد التأثيرات الداخلية المقترنة بكتلة القلب واختيار تردد إثارة الابتدائي وتردد الـ cutoff للمرشح من الإستجابة الترددية الكلية للـ LVDT . هناك حساس يطلق عليه resolver وهو حساس موضع دائري يعمل مثل الـ LVDT تماماً يحتوي حساس الـ resolver علي محور دوران ( عضو دائر rotor ) معه الملف الابتدائي وعضو ثابت stator يحتوي علي مافي الثانوي بينهما زاوية ₀90 . عند إثارة الإبتدائي بإشارة AC , فإنه تستنتج جهود AC في ملفات الثانوي , تتناسب هذه الجهود مع جيب sine وجيب تمام cosine زاوية محور الدوران shaft . من هنا يكون الـ resolver مفيداً في التطبيقات التي تكون الدوال المثلثية للموضع مطلوبة .