جالب است بدانید که هرچه بیشتر تکنولوژی های مختلف مثل سنسورها، کنترلرها و نمایشگرها بخشی از صنعت ما را شامل می شوند، اطلاعات فنی، اهمیت بیشتری پیدا می کنند. دلیلش این است که وقتی از تجهیزات ابزار دقیق استفاده می کنید، سوالاتی نظیر نحوه ی نصب و سیم کشی، علل خرابی های متعدد کالا، ورودی ها و خروجی ها و از این قبیل سوالات را از خودتان می پرسید. بنابراین اگر تجهیزات ابزار دقیق خودتان مثل سنسور مجاورتی را بهتر بشناسید، با بهره وری بیشتر از سیستم کاری خود، میتوانید از رقبا، متمایز شوید.
سنسور مجاورتی چیست ؟ (Proximity Sensor)
سنسور مجاورتی تمامی سنسور هایی را شامل می شوند که از مکانیزم شناسایی بدون تماس استفاده می کنند برخلاف لیمیت سوییچ های مکانیکی که برای تشخیص شیء، باید تماس فیزیکی داشته باشند! سنسورهای مجاورتی اطلاعات مربوط به حرکت یا حضور یک شیء را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کنند و یا به عبارتی یک سنسور مجاورتی می تواند اشیاء را هنگامی که به سنسور نزدیک می شوند را بدون تماس فیزیکی با آن ها تشخیص دهد. سه نوع مکانیزم تشخیص وجود دارد که این عملیات را انجام می دهند:
- مکانیزمی که از جریان گردابی (Eddy Current) به وجود آمده در شیء فلزی توسط القای الکترومغناطیس استفاده می کند.
- مکانیزمی که تغییرات در ظرفیت الکتریکی، زمانی که شیء به سنسور نزدیک می شود را شناسایی می کند.
- مکانیزمی که از مغناطیس (Magnetic) استفاده می کند.
در این مقاله قصد داریم به بررسی سنسور مجاورتی، انواع آن و نحوه ی کارکرد این سنسور پرکاربرد در صنعت بپردازیم.
چرا سنسور مجاورتی؟ (مزایا)
۱) سنسورهای مجاورتی اشیا، را بدون تماس با آن ها شناسایی می کنند پس باعث سایش یا آسیب زدن به آن ها نمی شوند.
دستگاه هایی مانند لیمیت سوییچ ها اشیاء را در زمان تماس با آن ها شناسایی می کنند اما سنسورهای مجاورتی قادر به تشخیص بدون تماس حضور اشیاء هستند.
۲) برخلاف روش های شناسایی چشمی (Optical)،سنسورهای مجاورتی در مکان هایی که امکان پاشش آب یا روغن وجود دارند نیز مناسب اند.
شناسایی تقریبا بدون تاثیر خاک، روغن یا آب بر روی شیء شناسایی شده صورت می گیرد. مدل هایی با متریال Fluororesin مقاومت شیمیایی بالایی دارند و برای صنایع شیمیایی مفید هستند.
۳) سنسورهای مجاورتی سرعت پاسخگویی بالایی (High-Speed Response) نسبت به سوییچ های مکانیکی که نیازمند تماس فیزیکی هستند، دارند.
تشخیص مداوم اشیاء متحرک با سرعت بالا به دلیل سرعت (فرکانس) پاسخگویی بالا بعضا تا ۵KHz ممکن است.
۴) سنسورهای مجاورتی می توانند در محدوده های دمایی بالا نیز کار کنند.
سنسورهای مجاورتی می توانند در اپلیکیشن هایی با محدوده دمایی بین -۴۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی گراد استفاده شوند.
۵) سنسورهای مجاورتی تحت تاثیر رنگ قرار نمی گیرند.
سنسورهای مجاورتی تغییرات فیزیکی یک شیء را تشخیص می دهد بنابراین می توان گفت تحت تاثیر رنگ سطوح قرار نمی گیرند.
۶) برخلاف سوییچ ها که وابسته به تماس فیزیکی هستند، سنسورهای مجاورتی تحت تاثیر دمای محیط، اشیاء اطراف و سنسورهای دیگر قرار می گیرند.
سنسورهای مجاورتی القایی و خازنی تحت تاثیر تعامل با سنسورهای دیگر هستند. به همین خاطر، هنگام نصب باید توجه کافی نمود تا از تداخل متقابل جلوگیری شود. همچنین باید از تاثیر اشیا، فلزی اطراف سنسور القایی مانند محل نصب و همچنین تاثیر تمامی اشیاء اطراف سنسور خازنی بر آن جلوگیری نمود.
۷) سنسورهای مجاورتی دقت بالایی دارند.
سنسورهای مجاورتی برای تشخیص دقیق اشیاء به دلیل تکرارپذیری بالا (High Repeatability) بسیار مناسب هستند.
استاندارد صنعتی ژاپن (The Japanese Industrial Standards (JIS سنسور مجاورتی را در استاندارد JIS C 8201-5-2 تعریف می کند که مطابق با استاندارد IEC 60947-5-2 سوییچ های تشخیص موقعیت بدون تماس می باشد.
JIS، نام کلی سوییچ مجاورتی (Proximity Switch) را به تمام سنسورهایی که تشخیص موقعیت بدون تماس اشیاء را در فاصله نزدیک به سنسور انجام می دهند را داده و آن ها را تحت عنوان سنسور القایی، سنسور خازنی، سنسور التراسونیک، سنسور نوری (فتوالکتریک)، سنسور مغناطیسی وغیره طبقه بندی می کند.
طبق توضیحات، تمامی سنسورهای القایی که جهت تشخیص اشیاء فلزی، سنسورهای خازنی جهت تشخیص اشیاء فلزی و غیر فلزی و سنسورهایی که از میدان مغناطیسی DC استفاده می کنند، “سنسور مجاورتی” یا Proximity Sensor نامیده می شوند.
سنسور مجاورتی چگونه کار می کند؟ (بر پایه جریان گردابی)
نحوه عملکرد سنسور القایی جریان گردابی
یک میدان مغناطیسی فرکانس بالا توسط هسته (Coil) در مدار نوسان ساز ساخته می شود. هنگامی که یک شیء فلزی به میدان مغناطیسی وارد می شود، یک جریان القایی (جریان گردابی) در شیء به دلیل القای الکترومغناطیس جریان می یابد. هرچه شیء به سنسور نزدیک تر می شود، جریان القایی افزایش یافته و بدین جهت بار اعمالی بر روی مدار نوسان ساز نیز افزایش یابد.
بدین صورت نوسانات اسیلاتور یا ضعیف می شود یا متوقف می شود. مدارهای داخلی (Detection Circuit) تغییر وضعیت نوسانات را تشخیص داده و یک سیگنال شناسایی به خروجی ارسال می کند.
آن دسته از سنسورهایی که قادر به تشخیص فلزات غیرآهنی نیز هستند از نوع نوسان با فرکانس بالا محسوب می شوند. سنسورهای این دسته شامل یک مدار داخلی نوسان ساز است که در آن اتلاف انرژی ناشی از جریان القا شده به شیء بر تغییر فرکانس اثر می گذارد. زمانی که یک شیء فلزی غیرآهنی (Non-ferrous) مانند آلومینیوم یا مس به سنسور نزدیک می شود، فرکانس نوسانات افزایش می یابد. از طرف دیگر، وقتی یک فلز آهنی (Ferrous) مانند آهن به سنسور نزدیک می شود، فرکانس نوسان کاهش می یابد. زمانی که فرکانس نوسان بیشتر یا کمتر از فرکانس مرجع می شود، سنسور یک سیگنال شناسایی به خروجی ارسال می کند.
تغییر نوسانات یک سیگنال در حضور و عدم حضور آلومنیوم
اشیاء مغناطیسی و غیر مغناطیسی
نمای داخلی یک سنسور القایی
به خاطر داشته باشید اشیاء مغناطیسی به راحتی توسط آهنربا جذب می شوند در حالی که اشیاء غیر مغناطیس این گونه نیستند.
تغییر نوسانات سیگنال در حضور فلز
فقط تشخیص فلز!
سنسورهای مجاورتی القایی تنها می توانند اشیاء فلزی را تشخیص دهند.
تشخیص فلز از طریق پلاستیک مات
آن ها نمی توانند اشیاء غیرفلزی مانند پلاستیک، چوب، کاغذ و یا سرامیک را تشخیص دهند. برخلاف سنسورهای نوری (فتوالکتریک)، سنسورهای القایی این امکان را دارند تا یک شیء فلزی را از طریق پلاستیک مات و کدر تشخیص دهد.
تشخیص همه اجسام!
سنسورهای مجاورتی خازنی قادر به تشخیص تمام اشیاء فلزی و غیر فلزی مانند پلاستیک، چوب و کاغذ می باشند. بر روی بدنه ی اکثر سنسورهای خازنی یک پتانسیومتر (Potentiometer) جهت تنظیم درجه حساسیت تعبیه شده است. بنابراین شما قادر خواهید بود سطح مخازنی که مواد جامد موجود در سیال ممکن است به بدنه بچسبند را با تنظیم درجه حساسیت اندازه گیری کنید.
مقاومت عالی در برابر شرایط محیطی
سنسورهای مجاورتی بادوام هستند. به عنوان مثال سنسورهای القایی با IP67 دارای مقاومت بالایی در برابر آب، گرد و غبار یا پاشش روغن هستند.
۲Wire Inductive Sensor
سنسور های القایی دو سیمه به شما این امکان را می دهد تا به آسانی هر چه تمام تر سیم بندی را انجام دهید و قادر خواهید بود از آن ها در مدار های PNP و NPN نیز استفاده کنید. مزیت دیگر آن ها در میزان جریان مصرفی بسیار پایین در حدود ۱ میلی آمپر است.
طبقه بندی بر اساس ساختار
Self-Contained Type
- به محض روشن شدن برق میتوان از سنسوراستفاده کرد. (سیم کشی ساده)
- تنظیم حساسیت در این حالت امکان پذیر نیست.
- ایمنی در برابر نویز در این نوع بالاست.
Separate-Amplifier Type 
- در این نوع بین سنسور و آمپلی فایر سیم بندی نیاز است.
- افزایش فاصله سنس سنسور نسبت به حالت قبل.
- قابلیت تنظیم درجه حساسیت و افزایش دقت تشخیص.
Amplifier-In-Cable Type 
- به محض روشن شدن برق می توان از سنسور استفاده کرد. (سیم کشی ساده)
- تنظیم حساسیت در این حالت امکان پذیر نیست.
طبقه بندی بر اساس ساختمان
Shield | Flush | Embeddable Type 
اطراف هسته سنسور (Coil) با محافظ فلزی پوشانده شده است. از این نوع سنسور می توان در نصب سنسور به صورت هم سطح با محل نصب استفاده کرد.
Non-Shielded | Non-Flush | Non-Embeddable 
اطراف هسته سنسور (Coil) با محافظ فلزی پوشانده نشده است. این نوع سنسور فاصله تشخیص (فاصله سنس) بیشتری نسبت به نوع Shield دارد. از آن جایی که سنسور به راحتی تحت تاثیر اجسام فلزی اطراف قرار می گیرد، به محل نصب باید توجه شود.
سنسور مجاورتی آنالوگ
با نزدیک شدن شیء فلزی به سر سنسور مجاورتی مثل سنسور القایی آنالوگ، افت جریان گردابی (Eddy Current) افزایش می یابد و بر این اساس دامنه نوسانات نیز کوچک تر خواهد شد. این دامنه نوسانات برای به دست آوردن تغییرات ولتاژ DC یک سو می شود. در این دسته از سنسورها که تحت عنوان Displacement Sensors شناخته می شوند نه تنها حضور یک شیء را تشخیص می دهند بلکه میزان فاصله تا شیء را نیز اندازه گیری می کنند.
سیگنال یک سو شده و فاصله، یک رابطه تقریبا مستقیم با هم دارند. مدار خطی ساز (Linearization Circuit) نیز خطی بودن سیگنال را جهت ساخت یک سیگنال خطی متناسب با فاصله، تصحیح می کند.
کاربرد ها
با توجه به این که سنسورهای مجاورتی به صورت گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرد اما در ذیل چندین مورد از کاربردهای مهم سنسور مجاورتی جهت آشنایی بیشتر با این دسته از سنسورها قرار گرفته است:
اندازه گیری سطح مخزن
اندازه گیری سطح مایع در بطری
