مقاله در مورد سنسورها و ادوات ها

بخشی از مقاله

سنسورها و ادوات ها

ادوات ورودی ( سنسورها ، ترانسدیوسرها و ترانسمیترها
:
ادوات ورودی ( سنسورها ، ترانسدیوسرها و ترانسمیترها
سنسورها ، ترانسمیترها و ترانسمیترها اجزای یک پروسه صنعتی هستند که کاربردهای فراوانی در پروسه های متنوع دارند.
کاربرد عمده این قطعات در ارزیابی عملکرد سیستم و ارائه یک فیدبک با مقدار و وضعیت مناسب است که بدین ترتیب کنترلر سیستم متوجه وضعیت کارکرد آن و جگونگی حالت خروجی خواهد شد .
یک سنسور بنا به تعریف ، قطعه ای است که به پارامترهای فیزیکی نظیر حرکت ، حرارت ، نور ، فشار ، الکتریسیته ، مغناطیس و دیگر حالات انرژی حساس است و در هنگام تحریک آنها از خود عکس العمل نشان می دهد .
یک ترانسدیوسر بنا به تعریف ، قطعه ای است که وظیفه تبدیل حالات انرژی به یکدیگر را برعهده دارد ، بدین معنی که اگر یک سنسور فشار همراه یک ترانسدیوسر باشد ، سنسور فشار پارمتر را اندازه می گیرد و مقدار تعیین شده را به ترانسدیوسر تحویل می دهد ، سپس ترانسدیوسر آن را به یک سیگنال الکتریکی قابل درک برای کنترلر و صد البته قابل ارسال توسط سیم های فلزی ، تبدیل می کند .بنابراین همواره خروجی یک ترانسدیوسر ، سیگنال الکتریکی است که در سمت دیگر خط می تواند مشخصه ها و پارامترهای الکتریکی نظیر ولتاژ ، جریان و فرکانس را تغییر دهد ، البته به این نکته باید توجه داشت که سنسور انتخاب شده باید از نوع شنشورهای مبدل پارامترهای فیزیکی به الکتریکی باشد و بتواند مثلأ دمای اندازه گیری شده را به یک سیگنال بسیار ضعیف تبدیل کند که در مرحله بعدی وارد ترانسدیوسر شده و سپس به مدارهای الکترونیکی تحویل داده خواهد شد .
برای درک این مطلب به تفاوتهای میان دو سنسور انداره گیر دما می پردازیم : ترموکوپل و درجه حرارت جیوه ای ، دو نوع سنسور دما هستند که هر دو یک عمل را انجام می دهند ، اما ترموکوپل در شمت خروجی سیگنال الکتریکی ارائه می دهد ، در حالی که درجه حرارت جیوه ای خروجی خود را به شکل تغییرات ارتفاع در جیوه داخلش نشان می دهد .
ترانسمیتر وسیله ای است که یک سیگنال الکتریکی ضعیف را دریافت کرده و به سطوح قابل قبول برای کنترلرها و مدارهای الکترونیکی تبدیل می کند ، مثلأ یک حلقه فیدبک سیگنالی در سطح ماکروولت یا میلی ولت یا میلی آمپرتولید می کند و این سیگنال ضعیف می تواند با عبور از ترانسمیتر به سیگنالی در سطوح صفر تا ده ولت و یا 4 تا 20 میلی آمپر تبدیل شود. ترانسمیترها عمومأ از قطعاتی مثلop-amp برای تقویت و خطی کردن این سطوح ضعیف سیگنال استفاده می کند .

سنسورها و ملحقات آنها مثل ترانسدیوسرها را در گروه های بزرگی تحت عنوان ابزار دقیق قرار داده و آنها را بر اساس نوع انرژی قابل استفاده و روشهای تبدیل ، دسته بندی می کنند .
حسگر - سنسور
حسگر يك وسيله الكتريكي است كه تغييرات فيزيكي يا شيميايي را اندازه گيري مي كند و آن را به سيگنال الكتريكي تبديل مي نمايد.حسگرها در واقع ابزار ارتباط ربات با دنياي خارج و كسب اطلاعات محيطي و نيز داخلي مي باشند. انتخاب درست حسگرها تأثير بسيار زيادي در ميزان كارايي ربات دارد. بسته به نوع اطلاعاتي كه ربات نياز دارد از حسگرهاي مختلفي مي توان استفاده نمود:
– فاصله
– رنگ
– نور
– صدا
– حركت و لرزش

– دما
– دود
– و...
اما چرا از حسگرها استفاده مي كنيم ؟ همانطور كه در ابتداي اين گفتار اشاره شد حسگرها اطلاعات مورد نياز ربات را در اختيار آن قرار مي دهند و كميتهاي فيزيكي يا شيميايي موردنظر را به سيگنالهاي الكتريكي تبديل مي كنند.مزاياي سيگنالهاي الكتريكي را مي توان بصورت زير دسته بندي كرد:
– پردازش راحتتر و ارزانتر
– انتقال آسان
– دقت بالا
– سرعت بالا
– و...
حسگرهاي مورد استفاده در رباتيك:
در يك دسته بندي كلي حسگرهاي مورد استفاده در رباتها را مي توان در يك دسته خلاصه كرد:
– حسگرهاي تماسي ( Contact )
مهمترين كاربردهاي اين حسگرها به اين شرح مي باشد:
– آشكارسازي تماس دو جسم
– اندازه گيري نيروها و گشتاورهايي كه حين حركت ربات بين اجزاي مختلف آن ايجاد مي شود .
در شكل يك ميكرو سوئيچ يا حسگر تماسي نشان داده شده است. در صورت برخورد تيغه فلزي به مانع و فشرده شدن كليد زير تيغه همانند قطع و وصل شدن يك كليد ولتاژ خروجي سوئيچ تغيير مي كند.
– حسگرهاي هم جواري (Prox

imity )
آشكارسازي اشيا نزديك به روبات مهمترين كاربرد اين حسگرها مي باشد. انواع مختلفي از حسگرهاي هم جواري در بازار موجود است از جمله مي توان به موارد زير اشاره نمود:
– القايي
– اثرهال
– خازني
– اولتراسونيك
– نوري
– حسگرهاي دوربرد ( Far away)
كاربرد اصلي اين حسگرها به شرح زير مي باشد:
– فاصله سنج (ليزو و اولتراسونيك)
– بينايي (دوربينCCD)
در شكل يك زوج گيرنده و فرستنده اولتراسونيك (ماورا صوت) نشان داده شده است. اساس كار اين حسگرها بر مبناي پديده داپلر مي باشد.
- حسگر نوري (گيرنده-فرستنده)
يكي از پركاربردترين حسگرهاي مورد استفاده در ساخت رباتها حسگرهاي نوري هستند. حسگر نوري گيرنده- فرستنده از يك ديود نوراني (فرستنده) و يك ترانزيستور نوري (گيرنده) تشكيل شده است.
خروجي اين حسگر در صورتيكه مقابل سطح سفيد قرار بگيرد 5 ولت و در صورتي كه در مقابل يك سطح تيره قرار گيرد صفر ولت مي باشد. البته اين وضعيت مي تواند در مدلهاي مختلف حسگر برعكس باشد. در هر حال اين حسگر در مواجهه با دو سطح نوري مختلف ولتاژ متفاوتي توليد مي كند.
در زير يك نمونه مدار راه انداز زوج حسگر نوري گيرنده فرستنده نشان داده شده است. مقادير مقاوتهاي نشان داده شده در مدلهاي متفاوت متغيير است و با مطالعه ديتا شيت آنها مي توان مقدار بهينه مقاومت را بدست آورد.
سنسورهای بدنه (BodySensors) : این سنسورها اطلاعاتی را درباره موقعیت و مکانی که ربات در آن قرار داردفراهم می‌کنند. این اطلاعات نیز به کمک تغییر وضعیت‌هایی که در سوییچ‌ها حاصل می‌شود، به دست می‌آیند. با دریافت و پردازش اطلاعات بدست آمده ربات می‌تواند از شیب حرکت خود و این‌که به کدام سمت در حال حرکت است آگاه شود. در نهایت هم عکس‌العملی متناسب با ورودی دریافت شده از خود بروز می‌دهد.
سنسور جهت‌یاب مغناطیسی(Direction Magnetic Field Sensor): با بهره‌گیری از خاصیت مغناطیسی زمین و میدان مغناطیسی قوی موجود، قطب‌نمای الکترونیکی هم ساخته شده است که می‌تواند اطلاعاتی را درباره جهت‌های مغناطیسی فراهم سازد. این امکانات به یک ربات کمک می‌کند تا بتواند از جهت حرکت خود آگاه شده و برای تداوم حرکت خود در جهتی خاص تصمصم‌گیری کند. این سنسورها دارای چهار خروجی می‌باشند که هرکدام مبین یکی از جهت‌ها است. البته با استفاده از یک منطق صحیح نیز می‌توان شناخت هشت جهت مغناطیسی را امکان‌پذیر ساخت.

سنسورهای فشار و تماس (Touch and Pressure Sensors) : شبیه‌سازی حس لامسه انسان کاری دشوار به نظر می‌رسد. اما سنسورهای ساده‌ای وجود دارند که برای درک لمس و فشار مورد استفاده قرار می‌گیرند. از این سنسورها در جلوگیری از تصادفات و افتادن اتومبیل‌ها در دست‌اندازها استفاده می‌شود. این سنسورها در دست‌ها و بازوهای ربات‌ هم به منظورهای مختلفی استفاده می‌شوند. مثلا برای متوقف کردن حرکت ربات در هنگام برخورد عامل نهایی با یک شی. همچنین این سنسورها به ربات‌ها برای اعمال نیروی کافی برای بلند کردن جسمی از روی زمین و قرار دادن آن در جایی مناسب نیز کمک می‌کند. با توجه به این توضیحات می‌توان عملکرد آن‌ها را به چهار دسته زیر تقسیم کرد: 1- رسیدن به هدف، 2- جلوگیری از برخورد، 3- تشخیص یک شی.
سنسورهای گرمایی (Heat Sensors) : یکی از انواع سنسورهای گرمایی ترمینستورها هستند. این سنسورها المان‌های مقاومتی پسیوی هستند که مقاومتشان متناسب با دمایشان تغییر می‌کند. بسته به اینکه در اثر گرما مقاومتشان افزایش یا کاهش می‌یابد، برای آن‌ها به ترتیب ضریب حرارتی مثبت یا منفی را تعریف می‌کنند. نوع دیگری از سنسورهای گرمایی ترموکوپل‌ها هستند که آن‌ها نیز در اثر تغییر دمای محیط ولتاژ کوچکی را تولید می‌کنند. در استفاده از این سنسورها معمولا یک سر ترموکوپل را به دمای مرجع وصل کرده و سر دیگر را در نقطه‌ای که باید دمایش اندازه‌گیری شود، قرار می‌دهند.

سنسورهای بویایی (SmellSensors) : تا همین اواخر سنسوری که بتواند مشابه حس

بویایی انسان عمل کند، وجود نداشت. آنچه که موجود بود یک‌سری سنسورهای حساس برای شناسایی گازها بود که اصولا هم برای شناسایی گازهای سمی کاربرد داشتند. ساختمان این سنسورها به این صورت است که یک المان مقاومتی پسیو که از منبع تغذیه‌ای مجزا، با ولتاژ 5+ ولت تغذیه می‌شود، در کنار یک سنسور قرار دارد که با گرم شدن این المان حساسیت لازم برای پاسخ‌گویی سنسور به محرک‌های محیطی فراهم می‌شود. برای کالیبره کردن این دستگاه ابتدا مقدار ناچیزی از هر بو یا عطر دلخواه را به سیستم اعمال کرده و پاسخ آن را ثبت می‌کنند و پس از آن این پاسخ را به عنوان مرجعی برای قیاس در استفاده‌های بعدی به کار می‌‌برند. اصولا در ساختمان این سیستم چند سنسور، به طور همزمان عمل می‌کنند و سپس پاسخ‌های دریافتی از آن‌ها به شبکه‌ عصبی ربات منتقل شده و تحلیل و پردازش لازم روی آن صورت می‌گیرد. نکته مهم درباره کار این سنسورها در این است که آن‌ها نمی‌توانند یک بو یا عطر را به طور مطلق انداره‌ بگیرند. بلکه با اندازه‌گیری اختلاف بین آن‌ها به تشخیص بو می‌پردازند.

سنسورهای موقعیت مفاصل : رایج‌ترین نوع این سنسورها کدگشاها (Encoders) هستند که هم از قدرت بالای تبادل اطلاعات با کامپیوتر برخوردارند و هم اینکه ساده، دقیق، مورد اعتماد و نویز

ناپذیرند. این دسته انکدرها را به دو دسته می‌توان تقسیم کرد:
انکدرهای مطلق: در این کدگشا ها موقعیت به کد باینری یا کد خاکستریBCD (Binary Codded Decible) تبدیل می‌شود. این انکدرها به علت سنگینی و گران‌قیمت بودن و اینکه سیگنال‌های زیادی را برای ارسال اطلاعات نیاز دارند، کاربرد وسیعی ندارند. همانطور که می‌دانیم به‌کار گیری تعداد زیادی سیگنال درصد خطای کار را افزایش می‌دهد و این اصلا مطلوب نیست. پس از این انکدرها فقط در مواردی که مطلق بودن مکان‌ها برای ما خیلی مهم است و مشکلی هم از احاظ بار فابل تحمل ربات متوجه ما نباشد، استفاده می‌شود.

انکدرهای افزاینده: این کدگشا ها دارای قطار پالس و یک پالس مرجع که برای کالیبره کردن بکار می‌رود هستند، از روی شمارش قطارهای پالس نسبت به نقطه مرجع به موقعیت مورد نظر دست می‌یابند. از روی فرکانس (عرض پالس‌ها) می‌توان به سرعت چرخش و از روی محاسبه تغییرات فرکانس در واحد زمان (تغییرات عرض پالس) به شتاب حرکت دوارنی پی برد. حتی می‌توان جهت چرخش را نیز فهمید. فرض کنید سیگنال‌های A و B و C سه سیگنالی باشند که از کدگشا به کنترل‌کننده ارسال می‌شود. B سیگنالی است که با یک چهارم پریود تاخیر نسبت به A. از روی اختلاف فاز بین این دو می‌توان به جهت چرخش پی برد.
اينکودر دستگاهی است الکترونيکی که اطلاعات دريافتی را به صورت کد ( رمز ) ارسال می نمايد و در پايانه اين اطلاعات توسط دستگاه ديگری به نام ديکودر رمزگشائی و بنا به نياز پردازش می گردد . در بسياری از دستگاههای اندازه گيری برای ارسال اطلاعات از اينکودر استفاده می شود که اين دستگاه نيز توسط سازندگان آن اينکودر ناميده می شود .
اينکودر ( ENCODER ) وسيله ای برای اندازه گيری ميزان جابجائی از نقطه ای به نقطه ديگر است . اين وسيله به اشکال و با ميزان دقتهای متفاوتی ساخته می شود . اندازه گيری اين جابجائی می تواند حول يک محور به صورت دوران يا اندازه گيری مسير در طول ، عرض ، ارتفاع و يا تلفيقی از حالات ذکر شده باشد .
اينکودرها از طريق يک وسيله مدرج شده متناسب با نوع حرکت ، که انواع آن توضيح داده می شود و دو سنسور A و B ، دو سيگنال توليد می کنند . اين سيگنالها به نام سيگنال سنسور A و سيگنال سنسور B ناميده می شوند و با ثابت بودن وسيله مدرج شده و حرکت سنسورها و يا ثابت بودن سنسورها و حرکت وسيله مدرج شده توليد می شوند . هرچه تعداد سيگنالهای توليد شده در يک فاصله ثابت بيشتر باشد واحد اندازه گيری کوچکتر و در نتيجه دقت اندازه گيری بيشتر می شود .
اين سيگنالها به دو شکل آنالوگ و يا ديجيتال توليد می شوند و همانگونه که در شکل 2 مشخص است ( به استثناء سيستم پرچمی FLAG ، اگر مدت زمان يک سيگنال را تا سيگنال بعدی در يک حرکت با سرعت ثابت و تقسيمات 360 درجه در نظر بگيريم ، 180 درجه سطح پائين ( صفر منطقی ) و 180 درجه سطح بالا ( يک منطقی ) می باشند . حال اگر دو سيگنال A و B را با هم مقايسه کنيم شاهد اين تقسيمات به چهار منطقه 90 درجه ای خواهيم بود که اختلاف 90 درجه ای اين دو سيگنال در هم سطح شدن و پردازش آن می تواند منتهی به تشخيص جهت حرکت شود .

به اين ترتيب که اگر سيگنال A اول يک منطقی شود و با اختلاف 90 درجه سيگنال B در سطح يک منطقی قرار گيرد جهت حرکت به يک سو و در صورتی که سيگنال B اول يک منطقی شود و با اختلاف 90 درجه سيگنال A در سطح يک منطقی قرار گيرد ، جهت حرکت مخالف جهت اول تشخيص داده می شود . اينکودرها سيگنال سومی به نام Z دارند که اين سيگنال را مرجع ( REFRENC ) می نامند .
اينکودرها بنا به نياز مصرف برای توليد تعداد سيگنالهای مختلف ساخته می شوند که می توان به انواع يک سيگنال ، 2 سيگنال ، 3 سيگنال و 6 سيگنال اشاره کرد .
نوع 6 سيگنال آن تشکيل شده از سيگنالهای A و B و Z است که قبلاً به آنها اشاره شد . سه سيگنال بعدی سيگنالهای " Aو " Bو " Z هستند که اين سيگنالها دقيقاً مخالف سيگنالهای A و B و Z عمل می کنند . به اين ترتيب که وقتی سيگنال Aدر سطح منتفی يک قرار دارد سيگنال " Aدر سطح منطقی صفر قرار می گيرد . عملکرد سيگنالهای " Bو " Zنيز همانند سيگنال " Aاست .
رايج ترين نوع اينکودرها که برای اندازه گيری ميزان جابجائی در سطح مورد استفاده قرار می گيرد ، سخت افزار ماوس ( mouse ) است که روی اکثر ميزها در کنار کامپيوترها ديده می شود برای لمس کردن نحوه عملکرد اينکودرها شما می توانيد با بازکردن قاب اين دستگاه شاهد دو صفحه مدرج دوار ، دو سنسور نوری و مدار الکترونيکی باشيد . با حرکت دادن ماوس در سطح ، گوی زيرين به حرکت درآمده و باعث حرکت صفحه مدرج در ميان سنسورها می گردد به همين طريق سيگنالهای A و B توليد می شوند . پردازش اين سيگنالها ميزان جابجائی حول محور X و Y را تعيين می کند .

هر روبات از اجزایی تشکیل شده که کارایی آن را تعیین می کند. اجزای تشکیل دهنده
یک روبات به طور کلی به 6 دسته زیر تقسیم می شود:

1.ساختار بدنه و جزء ثابت روبات: همان گونه که مشخص است، هر روبات و یا کلا هر
وسیله نیاز به چهار چوب و اجزای ثابتی دارد تا بقیه قسمت ها روی آنها سوار شده و
ضمن حفط نظم و انسجام وسیله از بعضی نقاط حساس محافظت به عمل آید. بدن
انسان را به عنوان یک روبات فوق العاده پیچیده در نظر بگیرید. استخوان ها به عنوان
اجزای ثابتی هستند که تمامی قسمتهای دیگر روی آنها سوار شده اند.
ضمنا وظیفه حفاظت از بعضی نقاط مانند مغز نیز به عهده استخوان ها می باشد. در

یک روبات نیز به یک چارچوب که امکان قرارگیری قسمت های مختلف روبات روی آن
وجود داشته باشد نیاز است. در این صورت ما نسبت به کارکرد اساسی و رفع نقایص آن
مطمئن تر خواهیم بود.

۲اجزای متحرک: طبیعی است که برای انجام هدفی از طریق یک روبات نیاز به قسمت
هایی است که بتوانند حرکت کرده و نیاز مورد نظر را انجام دهند. یک وسیله هوشمند
اگر قابلیت تحرک نداشته باشد بیشتر به یک رایانه شبیه است تا روبات. بازوهای
مکانیکی و چرخها از مهمترین اجزای متحرک به شمار می روند.

۳.اجزای حرکتی: برای به حرکت در آمدن قسمت های مختلف روبات نیاز به وسایلی
داریم تا نیروی لازم را برای به حرکت در آوردن قسمت های متحرک روبات را فراهم کنند.
موتورهای الکتریکی، پمپ های هیدرولیک، رله های الکترومغناطیسی و ... نمونه ای از
این اجزا به شمار می روند.