חיישנים הם מכשירים מורכבים המשמשים לעתים קרובות כדי לזהות ולהגיב לאותות חשמליים או אופטיים. המכשיר ממיר פרמטר פיזי (טמפרטורה, לחץ דם, לחות, מהירות) לאות שניתן למדוד על ידי המכשיר.
סיווג החיישנים במקרה זה עשוי להיות שונה. ישנם מספר פרמטרים בסיסיים להפצה של מכשירי מדידה, אשר יידונו בהמשך. בעיקרון, ההפרדה הזו נובעת מפעולה של כוחות שונים.
קל להסביר זאת באמצעות מדידת טמפרטורה כדוגמה. כספית במדחום זכוכית מתרחב ודוחס את הנוזל כדי להמיר את הטמפרטורה הנמדדת, אותה ניתן לקרוא על ידי צופה מצינור זכוכית מכויל.
קריטריוני בחירה
ישנן תכונות מסוימות שיש לקחת בחשבון בעת סיווג חיישן. הם רשומים למטה:
- דיוק.
- תנאים סביבתיים - בדרך כלל לחיישנים יש מגבלות בטמפרטורה, לחות.
- טווח - הגבלהמדידות חיישנים.
- כיול - נדרש עבור רוב מכשירי המדידה שכן הקריאות משתנות עם הזמן.
- עלות.
- Repeatability - קריאות משתנות נמדדות שוב ושוב באותה סביבה.
הפצה לפי קטגוריה
סיווגי חיישנים מחולקים לקטגוריות הבאות:
- מספר קלט ראשי של פרמטרים.
- עקרונות התמרה (באמצעות השפעות פיזיקליות וכימיות).
- חומר וטכנולוגיה.
- Destination.
עקרון ההמרה הוא קריטריון בסיסי לפיו לאיסוף מידע יעיל. בדרך כלל, קריטריונים לוגיסטיים נבחרים על ידי צוות הפיתוח.
סיווג חיישנים על סמך מאפיינים מופץ באופן הבא:
- טמפרטורה: תרמיסטורים, צמדים תרמיים, מדי חום התנגדות, מיקרו-מעגלים.
- לחץ: סיבים אופטיים, ואקום, מדי נוזלים גמישים, LVDT, אלקטרוני.
- זרימה: אלקטרומגנטית, לחץ דיפרנציאלי, תזוזה מיקוםית, מסה תרמית.
- חיישני רמה: לחץ דיפרנציאלי, תדר רדיו קולי, מכ"ם, תזוזה תרמית.
- קירבה ותזוזה: LVDT, פוטו-וולטאי, קיבולי, מגנטי, אולטרסאונד.
- חיישנים ביולוגיים: מראה תהודה, אלקטרוכימי, תהודה פלסמונית משטחית, פוטנציומטרי שניתן להתייחסות לאור.
- תמונה: CCD, CMOS.
- גז וכימיה: מוליכים למחצה, אינפרא אדום, הולכה, אלקטרוכימיים.
- האצה: גירוסקופים, מדי תאוצה.
- אחרים: חיישן לחות, חיישן מהירות, מסה, חיישן הטיה, כוח, צמיגות.
זוהי קבוצה גדולה של תת-סעיפים. ראוי לציין שעם גילוי טכנולוגיות חדשות, המקטעים מתחדשים כל הזמן.
הקצאת סיווג חיישנים לפי כיוון השימוש:
- שליטה, מדידה ואוטומציה של תהליך הייצור.
- שימוש לא תעשייתי: תעופה, מכשירים רפואיים, רכבים, מוצרי אלקטרוניקה.
ניתן לסווג חיישנים לפי דרישות הספק:
- חיישן פעיל - מכשירים שדורשים חשמל. לדוגמה, LiDAR (זיהוי אור ומבחן טווח), תא פוטו-מוליך.
- חיישן פסיבי - חיישנים שאינם דורשים חשמל. לדוגמה, מדי רדיו, צילום סרטים.
שני החלקים האלה כוללים את כל המכשירים המוכרים למדע.
ביישומים נוכחיים, ניתן לקבץ את הקצאת סיווג החיישנים באופן הבא:
- מדדי תאוצה - מבוססים על טכנולוגיית חיישנים מיקרו-אלקטרומכניים. הם משמשים לניטור חולים המפעילים קוצבי לב. ודינמיקת רכב.
- חיישנים ביו - מבוססים על טכנולוגיה אלקטרוכימית. משמש לבדיקת מזון, מכשירים רפואיים, מים וזיהוי פתוגנים ביולוגיים מסוכנים.
- חיישני תמונה - מבוססים על טכנולוגיית CMOS. הם משמשים מוצרי אלקטרוניקה, ביומטריה, ניטור תנועהתעבורה ואבטחה, כמו גם תמונות מחשב.
- גלאי תנועה - מבוססים על טכנולוגיות אינפרא אדום, קולי ומיקרוגל/רדאר. משמש במשחקי וידאו וסימולציות, הפעלת אור וזיהוי אבטחה.
סוגי חיישנים
יש גם קבוצה ראשית. הוא מחולק לשישה אזורים עיקריים:
- טמפרטורה.
- אינפרא אדום.
- אולטרה סגול.
- Sensor.
- גישה, תנועה.
- אולטרסאונד.
כל קבוצה עשויה לכלול תת-סעיפים, אם הטכנולוגיה משמשת אפילו חלקית כחלק ממכשיר מסוים.
1. חיישני טמפרטורה
זו אחת הקבוצות העיקריות. הסיווג של חיישני טמפרטורה מאחד את כל המכשירים שיש להם את היכולת להעריך פרמטרים על סמך חימום או קירור של סוג מסוים של חומר או חומר.
מכשיר זה אוסף מידע טמפרטורה ממקור וממיר אותו לצורה שציוד או אנשים אחרים יכולים להבין. ההמחשה הטובה ביותר של חיישן טמפרטורה היא כספית במדחום זכוכית. כספית בזכוכית מתרחבת ומתכווצת עם שינויים בטמפרטורה. הטמפרטורה החיצונית היא האלמנט ההתחלתי למדידת המחוון. מיקום הכספית נצפה על ידי הצופה כדי למדוד את הפרמטר. ישנם שני סוגים עיקריים של חיישני טמפרטורה:
- חיישני מגע. סוג זה של מכשיר דורש מגע פיזי ישיר עם החפץ או המנשא. הם בשליטהטמפרטורה של מוצקים, נוזלים וגזים בטווח טמפרטורות רחב.
- חיישני קירבה. סוג זה של חיישן אינו מצריך כל מגע פיזי עם האובייקט או המדיום הנמדד. הם שולטים במוצקים ובנוזלים שאינם מחזירי אור, אך חסרי תועלת לגזים בשל השקיפות הטבעית שלהם. מכשירים אלה משתמשים בחוק פלאנק למדידת טמפרטורה. חוק זה נוגע לחום הנפלט מהמקור כדי למדוד את המדד.
עבודה עם מכשירים שונים
עקרון הפעולה והסיווג של חיישני טמפרטורה מחולקים לשימוש בטכנולוגיה בסוגים אחרים של ציוד. אלה יכולים להיות לוחות מחוונים ברכב ויחידות ייצור מיוחדות בחנות תעשייתית.
- צמד תרמי - מודולים עשויים משני חוטים (כל אחד - מסגסוגות או מתכות הומוגניות שונות), היוצרים מעבר מדידה על ידי חיבור בקצה אחד. יחידת מדידה זו פתוחה למרכיבים הנלמדים. הקצה השני של החוט מסתיים במכשיר מדידה שבו נוצר צומת ייחוס. זרם זורם במעגל מכיוון שהטמפרטורות של שני הצמתים שונות. מתח המיליוולט המתקבל נמדד כדי לקבוע את הטמפרטורה בצומת.
- גלאי טמפרטורת התנגדות (RTDs) הם סוגים של תרמיסטורים שנועדו למדוד התנגדות חשמלית כשינויי טמפרטורה. הם יקרים יותר מכל מכשיר אחר לזיהוי טמפרטורה.
- תרמיסטורים. הם סוג אחר של נגד תרמי שבו גדולהשינוי בהתנגדות הוא פרופורציונלי לשינוי קטן בטמפרטורה.
2. חיישן IR
מכשיר זה פולט או מזהה קרינה אינפרא אדומה כדי לזהות שלב מסוים בסביבה. ככלל, קרינה תרמית נפלטת על ידי כל העצמים בספקטרום האינפרא אדום. חיישן זה מזהה את סוג המקור שאינו גלוי לעין האנושית.
הרעיון הבסיסי הוא להשתמש בנורות לד אינפרא אדום כדי להעביר גלי אור לאובייקט. יש להשתמש בדיודה IR נוספת מאותו סוג כדי לזהות את הגל המוחזר מהאובייקט.
עקרון הפעולה
סיווג חיישנים במערכת האוטומציה בכיוון זה נפוץ. זאת בשל העובדה שהטכנולוגיה מאפשרת להשתמש בכלים נוספים להערכת פרמטרים חיצוניים. כאשר מקלט אינפרא אדום נחשף לאור אינפרא אדום, נוצר הפרש מתח על פני החוטים. ניתן להשתמש במאפיינים החשמליים של רכיבי חיישן ה-IR כדי למדוד את המרחק לעצם. כאשר מקלט אינפרא אדום נחשף לאור, נוצר הבדל פוטנציאלי על פני החוטים.
אם רלוונטי:
- תרמוגרפיה: על פי חוק הקרינה של עצמים, ניתן לצפות בסביבה עם או בלי אור נראה באמצעות טכנולוגיה זו.
- חימום: ניתן להשתמש באינפרא אדום לבישול וחימום מחדש של מזון. הם יכולים להסיר קרח מכנפי המטוס. ממירים פופולריים בתעשייהתחומים כגון הדפסה, יציקת פלסטיק וריתוך פולימרי.
- ספקטרוסקופיה: טכניקה זו משמשת לזיהוי מולקולות על ידי ניתוח קשרים מרכיבים. הטכנולוגיה משתמשת בקרינת אור כדי לחקור תרכובות אורגניות.
- מטאורולוגיה: למדוד את גובה העננים, לחשב את הטמפרטורה של כדור הארץ ואת פני השטח אפשרי אם לוויינים מטאורולוגיים מצוידים ברדיומטרים סורקים.
- Photobiomodulation: משמש לכימותרפיה בחולי סרטן. בנוסף, הטכנולוגיה משמשת לטיפול בנגיף ההרפס.
- קלימטולוגיה: ניטור חילופי האנרגיה בין האטמוספרה לכדור הארץ.
- תקשורת: לייזר אינפרא אדום מספק אור לתקשורת בסיבים אופטיים. פליטות אלו משמשות גם לתקשורת למרחקים קצרים בין ציוד היקפי נייד למחשב.
3. חיישן UV
חיישנים אלה מודדים את העוצמה או העוצמה של קרינה אולטרה סגולה. לסוג של קרינה אלקטרומגנטית אורך גל ארוך יותר מקרני רנטגן, אך עדיין קצר יותר מקרינה גלויה.
חומר פעיל המכונה יהלום פולי-גביש משמש למדידה אמינה של אולטרה סגול. מכשירים יכולים לזהות השפעות סביבתיות שונות.
קריטריונים לבחירת מכשיר:
- טווחי אורך גל בננומטרים (ננומטר) שניתן לזהות באמצעות חיישני אולטרה סגול.
- טמפרטורת הפעלה.
- דיוק.
- משקל.
- טווחכוח.
עקרון הפעולה
חיישן אולטרה סגול קולט סוג אחד של אות אנרגיה ומשדר סוג אחר של אות. כדי לצפות ולתעד את זרמי הפלט הללו, הם נשלחים למד חשמלי. ליצירת גרפים ודוחות, הקריאות מועברות לממיר אנלוגי לדיגיטלי (ADC) ולאחר מכן למחשב עם תוכנה.
בשימוש במכשירים הבאים:
- UV phototubes הם חיישנים רגישים לקרינה המנטרים טיפול באוויר UV, טיפול במים UV וחשיפה לשמש.
- חיישני אור - למדוד את עוצמת האלומה הפוגעת.
- חיישני ספקטרום UV הם מכשירים מצמדי טעינה (CCD) המשמשים בהדמיה במעבדה.
- גלאי אור UV.
- גלאי UV קוטלי חיידקים.
- חיישני יציבות צילום.
4. חיישן מגע
זוהי עוד קבוצה גדולה של מכשירים. הסיווג של חיישני לחץ משמש להערכת הפרמטרים החיצוניים האחראים להופעת מאפיינים נוספים בפעולה של אובייקט או חומר מסוים.
חיישן המגע פועל כמו נגד משתנה בהתאם למקום חיבורו.
חיישן מגע מורכב מ:
- חומר מוליך מלא כגון נחושת.
- חומר ביניים מבודד כמו קצף או פלסטיק.
- חומר מוליך חלקית.
יחד עם זאת, אין הפרדה קפדנית. הסיווג של חיישני לחץ נקבע על ידי בחירת חיישן ספציפי, אשר מעריך את המתח המתהווה בתוך או מחוצה לו האובייקט הנבדק.
עקרון הפעולה
החומר המוליך חלקית מתנגד לזרימת הזרם. העיקרון של המקודד הליניארי הוא שזרימת הזרם נחשבת הפוכה יותר כאשר אורך החומר דרכו אמור הזרם לעבור ארוך יותר. כתוצאה מכך, ההתנגדות של החומר משתנה על ידי שינוי המיקום שבו הוא בא במגע עם עצם מוליך לחלוטין.
סיווג חיישני אוטומציה מבוסס כולו על העיקרון המתואר. כאן, משאבים נוספים מעורבים בצורה של תוכנה שפותחה במיוחד. בדרך כלל, תוכנה משויכת לחיישני מגע. התקנים יכולים לזכור "מגע אחרון" כאשר החיישן מושבת. הם יכולים לרשום את "המגע הראשון" ברגע שהחיישן מופעל ולהבין את כל המשמעויות הקשורות אליו. פעולה זו דומה להזזת עכבר מחשב לקצה השני של משטח העכבר כדי להזיז את הסמן לצד הרחוק של המסך.
5. חיישן קירבה
יותר ויותר, כלי רכב מודרניים משתמשים בטכנולוגיה זו. הסיווג של חיישנים חשמליים באמצעות מודולי אור וחיישנים צובר פופולריות בקרב יצרני רכב.
חיישן קירבה מזהה נוכחות של עצמים שכמעט חסריםנקודות מגע. מכיוון שאין מגע בין המודולים לאובייקט הנתפס ואין חלקים מכניים, למכשירים אלו חיי שירות ארוכים ואמינות גבוהה.
סוגים שונים של חיישני קרבה:
- חיישני קירבה אינדוקטיביים.
- חיישני קירבה קיבוליים.
- חיישני קרבה אולטרא-קוליים.
- חיישנים פוטואלקטריים.
- חיישני אולם.
עקרון הפעולה
חיישן הקרבה פולט שדה אלקטרומגנטי או אלקטרוסטטי או אלומת קרינה אלקטרומגנטית (כגון אינפרא אדום) וממתין לאות תגובה או לשינויים בשדה. האובייקט המתגלה ידוע בתור היעד של מודול הרישום.
סיווג חיישנים לפי עקרון הפעולה והמטרה יהיה כדלקמן:
- מכשירים אינדוקטיביים: יש מתנד בכניסה שמשנה את התנגדות ההפסד לקרבה של תווך מוליך חשמלי. התקנים אלה מועדפים עבור חפצי מתכת.
- חיישני קירבה קיבוליים: אלה ממירים את השינוי בקיבול האלקטרוסטטי בין אלקטרודות הזיהוי והאדמה. זה מתרחש כאשר מתקרבים לאובייקט קרוב עם שינוי בתדר התנודה. כדי לזהות עצם קרוב, תדר התנודה מומר למתח DC, אשר מושווה לסף שנקבע מראש. מתקנים אלה מועדפים עבור חפצי פלסטיק.
הסיווג של ציוד מדידה וחיישנים אינו מוגבל לתיאור ולפרמטרים לעיל. עם ההופעהסוגים חדשים של מכשירי מדידה, הקבוצה הכוללת גדלה. הגדרות שונות אושרו כדי להבחין בין חיישנים ומתמרים. ניתן להגדיר חיישנים כיסוד שחש אנרגיה על מנת לייצר וריאנט בצורת אנרגיה זהה או אחרת. החיישן ממיר את הערך הנמדד לאות הפלט הרצוי באמצעות עקרון ההמרה.
בהתבסס על האותות המתקבלים והנוצרים, ניתן לחלק את העיקרון לקבוצות הבאות: חשמלי, מכאני, תרמי, כימי, קורן ומגנטי.
6. חיישני אולטרסאונד
חיישן האולטרסאונד משמש לזיהוי נוכחות של חפץ. זה מושג על ידי פליטת גלים קוליים מראש המכשיר ולאחר מכן קליטת האות הקולי המוחזר מהאובייקט המתאים. זה עוזר בזיהוי המיקום, הנוכחות והתנועה של חפצים.
מכיוון שחיישנים קוליים מסתמכים על קול ולא על אור לצורך זיהוי, הם נמצאים בשימוש נרחב במדידת מפלס מים, בהליכי סריקה רפואית ובתעשיית הרכב. גלים אולטראסוניים יכולים לזהות עצמים בלתי נראים כגון שקפים, בקבוקי זכוכית, בקבוקי פלסטיק ויריעות זכוכית באמצעות החיישנים הרפלקטיביים שלהם.
עקרון הפעולה
סיווג חיישנים אינדוקטיביים מבוסס על היקף השימוש בהם. כאן חשוב לקחת בחשבון את התכונות הפיזיקליות והכימיות של עצמים. התנועה של גלים קוליים שונה בהתאם לצורה וסוג המדיום.לדוגמה, גלים קוליים עוברים ישר דרך תווך הומוגני ומשתקפים ומשודרים בחזרה לגבול בין מדיות שונות. גוף האדם באוויר גורם לשתקפות משמעותית וניתן לזהות אותו בקלות.
הטכנולוגיה משתמשת בעקרונות הבאים:
- רפלקציה מרובה. השתקפות מרובה מתרחשת כאשר גלים משתקפים יותר מפעם אחת בין החיישן למטרה.
- אזור הגבלה. ניתן לכוונן את מרחק החישה המינימלי ואת מרחק החישה המקסימלי. זה נקרא אזור המגבלה.
- אזור זיהוי. זהו המרווח בין פני השטח של ראש החיישן לבין מרחק הזיהוי המינימלי המתקבל על ידי התאמת מרחק הסריקה.
מכשירים המצוידים בטכנולוגיה זו יכולים לסרוק סוגים שונים של אובייקטים. נעשה שימוש פעיל במקורות קוליים ביצירת כלי רכב.
