أنواع المستشعرات وخصائصها
تعريف المستشعرات
المستشعر أو الجهاز الحساس هي أسماء للأجهزة الموجودة اليوم في جميع أنحاء عالمنا، سواء في المنزل أو السيارة أو المكتب، وتسهم في تسهيل حياتنا بطرق لم تكن ممكنة في الماضي، حيث يمكن للمستشعرات أن تشغل الأضواء وتعدل درجة حرارة الغرفة وتكتشف الحرائق وتفتح أبواب المرآب أو المراكز التجارية وتقوم بالعديد من المهام الأخرى.
يمكن تعريف المستشعر على أنه جهاز أو وحدة تكتشف أي تغييرات في الكمية المادية مثل الضغط، أو القوة، أو الكمية الكهربائية مثل التيار، أو أي شكل آخر من أشكال الطاقة. بعد رصد التغييرات، يرسل المستشعر الإدخال المكتشف إلى متحكم أو معالج دقيق، وبناء على تلك المدخلات، يولد المستشعر إشارة خرج يمكن قراءتها، سواء بصورة بصرية أو كهربائية أو أي شكل آخر يتوافق مع تغيير إشارة الإدخال.
تلعب المستشعرات دورًا رئيسيًا في أي نظام قياس، حيث تعد المستشعرات العنصر الأساسي في مخطط الكتلة لنظام القياس، والتي تتصل مباشرة بالمتغيرات لإنتاج مخرجات قابلة للقراءة.
على سبيل المثال، يتألف نظام التحكم التلقائي في الطيران من مجموعة من الأجهزة الاستشعارية المختلفة مثل التحكم في السرعة ومراقبة الارتفاع وتتبع الموقع وحالة الأبواب واكتشاف العوائق ومستوى الوقود والمناورة وغيرها الكثير. يقوم الكمبيوتر بجمع البيانات من كل هذه الأجهزة الاستشعارية ومعالجتها عن طريق مقارنتها بقيم محددة مسبقا.
يوفر الكمبيوتر إشارات تحكم لأجزاء مختلفة في الطائرة، مثل المحركات واللوحات والدفات والمحركات، ويساعد على رحلة سلسة، ويعمل الطيار الآلي بواسطة جمع أجهزة الاستشعار والكمبيوتر والميكانيكا.
يقوم المستشعر هنا بتقديم مدخلات للحاسوب، والذي يمثل العقل الذي يدير النظام، ثم يأتي دور الميكانيكا والتي تمثل نتائج النظام (حركة الطائرة)، وجميع هذه العوامل ضرورية معا للحصول على نظام آلي ناجح.
أنواع المستشعرات
تتضمن التصنيفات المختلفة لأجهزة الاستشعار تصنيف المستشعرات وفقًا لخصائصها، وتشمل هذه التصنيفات:
- مستشعرات نشيطة ومستشعرات خاملة.
- مستشعرات تناظرية مقابل مستشعرات رقمية.
يمكن تصنيف المستشعرات الأربعة السابقة إلى فئات أخرى وفقًا للطريقة التي تعتمد عليها المستشعر، بما في ذلك بعض وسائل الكشف الكهربائية والبيولوجية والكيميائية والإشعاعية.
تعتمد المستشعرات على المدخلات والمخرجات الكهروضوئية والكهروحرارية والكهروكيميائية والكهرومغناطيسية والحرارية وغيرها.
المستشعرات النشيطة والخاملة
الأجهزة الاستشعارية النشطة هي تلك التي تتطلب إشارة إثارة خارجية أو إشارة طاقة.
المستشعرات الخاملة لا تحتاج إلى أي إشارة طاقة خارجية من المستشعرات السلبية، وتولد استجابة خرج مباشرة.
المستشعرات الرقمية مقابل المستشعرات التناظرية
- المستشعرات الرقمية
عندما يتم تحويل البيانات ونقلها رقميا، فإنها تسمى أجهزة استشعار رقمية، والمستشعرات الرقمية هي التي تنتج إشارات مخرجات منفصلة، حيث تكون الإشارات المنفصلة غير متصلة ببعضها على مدار الوقت، ويمكن تمثيلها في صورة بايتز للإرسال المتوازي وبتز للإرسال التسلسلي. ويتم تمثيل كمية القياس في شكل رقمي، ويمكن أن يكون الإخراج الرقمي في شكل المنطق الرقمي 1 أو المنطق الرقمي 0، واللذان يعبران عن حالة التشغيل أو الإيقاف.
يتكون المستشعر الرقمي من جهاز استشعار وكابل وجهاز إرسال، ويتم تحويل الإشارة المقاسة إلى إشارة رقمية داخل المستشعر نفسه بدون أي مكون خارجي، ويستخدم الكابل لإرسال الإشارات الرقمية على مسافات طويلة.
- المستشعرات التناظرية
تُطلق على المستشعر الذي ينتج إشارة تناظرية مستمرة في الوقت بالإخراج التناظري اسم المستشعرات التناظرية، ويجب أن يتناسب الناتج التناظري الذي يخرج من تلك المستشعرات مع المدخلات المقاسة أو المعطاة للنظام،
عمومًا، يتم إنتاج الجهد التناظري في النطاق من 0 إلى 5 فولت، ومن الأمثلة على الإشارات التناظرية التي تنتجها المستشعرات الفيزيائية مثل درجة الحرارة والجهد والضغط والإزاحة.
خصائص المستشعرات
يمكن تصنيف أي جهاز على أنه مستشعر اعتمادًا على خصائصه،والتي تشمل:
- الجهاز هو محولٌ للطاقة، يتفاعل خصائصه الكهربائية مع نقل الطاقة.
- جهاز يرصد التغيرات في البيئة المادية
- يكون جهاز محول إدخال الطاقة
- المستشعر جزء من نظام الكتروني
أمثلة على المستشعرات
تستخدم أجهزة الاستشعار المختلفة التي يشيع استخدامها في تطبيقات مختلفة لقياس خصائص فيزيائية مثل درجة الحرارة والمقاومة والسعة والتوصيل ونقل الحرارة وما إلى ذلك.
- مستشعر الأشعة تحت الحمراء
- مجسات درجة الحرارة والمزدوجات الحرارية
- مستشعر القرب
- مستشعر تأثير هول
- أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية
- مقاييس التسارع ومستشعر الجيروسكوب
- مقياس الضغط
- مستشعر تأثير القاعة
- مستشعر تحميل خلية
- مستشعر الضوء
- مستشعر اللون
- استشعار تعمل باللمس
- استشعار الخيمة
- كاشف الحركة PIR ومستشعر الاهتزاز
- جهاز الكشف عن المعادن وجهاز استشعار تدفق المياه وضربات القلب
- مستشعر التدفق والمستوى
- مستشعر الدخان والضباب والغاز والإيثانول والكحول
- يساعد في قياس الرطوبة ورطوبة التربة ومستشعر المطر
مستشعر درجة الحرارة
يعتبر مستشعر درجة الحرارة من الأجهزة الاستشعارية الأكثر شيوعًا والأكثر استخدامًا، حيث يستشعر درجة الحرارة ويقيس التغيرات فيها، ويعتبر أحد الأنواع الرئيسية من المستشعرات التناظرية.
تستخدم هذه الأنواع من الأجهزة في معظم الأماكن، وكان التطبيق الأولي لجهاز استشعار درجة الحرارة هو قياس حرارة جسم الإنسان.
تُصنّف مستشعرات درجة الحرارة إلى أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار، كالثرمستورات أو المقاومات الحرارية وأجهزة استشعار درجة الحرارة الرقمية وبعض الأنواع الأخرى.
تُعَد وحدة التحكم في درجة الحرارة الرقمية القابلة للبرمجة مشروعًا إلكترونيًا عمليًا يعتمد على نظام مدمج، ويستخدم للتحكم في درجة حرارة أي جهاز بناءً على متطلبات التطبيل الصناعية، حيث يتم استشعار التغير في درجات حرارة الدوائر الكهربائية داخل الأجهزة المختلفة.
مستشعرات الأشعة تحت الحمراء
تسمى الشرائح الصغيرة التي تحتوي على خلية ضوئية وتستخدم لإصدار وكشف ضوء الأشعة تحت الحمراء بمستشعرات الأشعة تحت الحمراء، وتستخدم مستشعرات الأشعة تحت الحمراء بشكل عام في تصميم تقنية التحكم عن بعد.
يمكن استخدام مستشعرات الأشعة تحت الحمراء لكشف عوائق السيارة الآلية ومن ثم التحكم في اتجاه السيارة الآلية، وهناك أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار التي تعمل بهذه الطريقة، ولكن النوع الأبسط والأكثر استخدامًا في حياتنا هو جهاز التحكم عن بعد للتلفزيون.
مستشعر الموجات فوق الصوتية
تستخدم أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية لقياس المسافة أو وقت السفر، حيث يتم إصدار موجات فوق صوتية من مصدر، وبعد وصول الموجات إلى الهدف يتم انعكاسها، ويتم جمع الإشارة مرة أخرى بواسطة الكاشف، ويتم قياس وقت السفر بين الموجة المرسلة والموجة المنعكسة باستخدام جهاز استشعار الموجات فوق الصوتية.
يتم استخدام المستشعر بالموجات فوق الصوتية بعنصر واحد للإرسال والاستقبال.
مستشعر تأثير هول
يطلق على المستشعر الذي يعمل على مبدأ التأثير المغناطيسي اسم مستشعر تأثير هول Hall Effect، وفي هذا النوع يكون المجال المغناطيسي هو المدخلات والإشارة الكهربائية هي المخرجات، وفيه يتم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي لتنشيط مستشعر تأثير هول، وهو يعتمد على أن جميع المغناطيسات لها خاصيتان مهمتان هما كثافة التدفق والقطبية، وكثافة التدفق المغناطيسي موجودة دائمًا حول الجسم. لذلك ، سيكون خرج مستشعر تأثير هو دال على كثافة التدفق.
تستخدم المستشعرات النوعية هذه بشكل هام في السيارات لضبط المسافة والسرعة والتحكم في الأكياس الهوائية وكشف سرعة نظام المكابح، كما يتم استخدامها أيضا في نظام GPS لتحديد المواقع وغيرها.