أنواع المستشعرات وخصائصها

تعريف المستشعرات

المستشعر أو المجس أو الحساس كلها أسماء لأجهزة يمكن أن نجدها اليوم في عالمنا في كل مكان سواء في المنزل أو

السيارة

أو المكتب، وهي تعمل على تسهيل حياتنا بشكل لم يكن موجود في السابق حيث يمكن للمستشعرات وأنت في مكانك وبدون أي تدخل منك، أن تشغل الأضواء وتضبط درجة حرارة الغرفة وتكتشف وجود حريق وتفتح باب الجراج أو باب المول والعديد من المهام الآخرى.

ويمكن تعريف المستشعر بأنه جهاز أو وحدة تساعد على اكتشاف أي تغييرات في الكمية المادية مثل الضغط أو القوة أو الكمية الكهربائية مثل التيار أو أي شكل آخر من أشكال الطاقة، وبعد مراقبة التغييرات ، يرسل المستشعر الإدخال المكتشف إلى متحكم أو معالج دقيق، وبناء على تلك المدخلات ينتج المستشعر إشارة خرج قابلة للقراءة ، والتي يمكن أن تكون إما بصرية أو كهربائية أو أي شكل من أشكال الإشارة يتوافق مع التغيير في إشارة الإدخال.

وفي أي نظام قياس ، تلعب المستشعرات دورًا رئيسيًا، وفي الواقع ، تعد المستشعرات هي العنصر الأول في مخطط الكتلة لنظام القياس ، والذي يأتي على اتصال مباشر مع المتغيرات لإنتاج مخرجات صالحة للقراء.

على سبيل المثال يتكون نظام التحكم التلقائي في الطيران من عدة أجهزة استشعار لمختلف المهام مثل التحكم في السرعة ومراقبة الارتفاع وتتبع الموقع وحالة الأبواب واكتشاف العوائق ومستوى الوقود والمناورة وغيرها الكثير. يأخذ

الكمبيوتر

البيانات من كل هذه المستشعرات ويعالجها من خلال مقارنتها بقيم مصممة مسبقًا.

ويوفر الكمبيوتر بعد ذلك

إشارات

تحكم لأجزاء مختلفة مثل المحركات واللوحات والدفات والمحركات وما إلى ذلك التي تساعد في

رحلة

سلسة،كما يتيح الجمع بين أجهزة الاستشعار وأجهزة الكمبيوتر والميكانيكا تشغيل الطائرة في وضع الطيار الآلي.

والمستشعر هنا هو الذي يقدم مدخلات للكمبيوتر، والتي تمثل

الدماغ

الذي يدير النظام، ثم يأتي دور الميكانيكا والتي تمثل مخرجات النظام(حركة الطائرة) وكل تلك العوامل مهمة معًا للحصول على نظام آلي ناجح.[1]

أنواع المستشعرات

هناك العديد من التصنيفات لأجهزة الاستشعار حيث يتم تصنيف المستشعرات تبعًا لخصائصها، وتشمل تلك التصنيفات :

• مستشعرات نشيطة ومستشعرات خاملة.
• مستشعرات تناظرية مقابل مستشعرات رقمية.

كما يمكن تصنيف الفئات الأربعة السابقة من المستشعرات إلى فئات أخرى، وهي مستشعرات تعتمد على  وسيلة الكشف المستخدمة في المستشعر، وتشمل بعض وسائل الكشف الكهربية والبيولوجية والكيميائية والمشعة.

ومستشعرات تعتمد على المدخلات والمخرجات أو  الكهروضوئية ، الكهروحرارية ، الكهروكيميائية ، الكهرومغناطيسية ، الحرارية وغيرها.

المستشعرات النشيطة والخاملة

أجهزة الاستشعار النشطة هي تلك التي تتطلب إشارة إثارة خارجية أو إشارة طاقة.

والمستشعرات الخاملة لا تتطلب المستشعرات السلبية أي إشارة طاقة خارجية وتولد استجابة خرج مباشرة.

المستشعرات الرقمية مقابل المستشعرات التناظرية

• 
  المستشعرات الرقمية
  

عندما يتم تحويل البيانات ونقلها رقميًا ، 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 BITS للإرسال التسلسلي وBYTES  للإرسال المتوازي، ويتم تمثيل كمية القياس في شكل رقمي، ويمكن أن يكون الإخراج الرقمي في شكل المنطق الرقمي 1 أو المنطق المنطق 0 (يعبران عن حالة تشغيل أو إيقاف).

ويتكون 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 لمسافات طويلة.

• 
  المستشعرات التناظرية
  

يُطلق على المستشعر الذي ينتج إشارة مستمرة فيما يتعلق بالوقت مع الإخراج التناظري باسم المستشعرات التناظرية. الناتج التناظري الذي يخرج من تلك المستشعرات يجب ان يتناسب مع المدخلات المقاسة أو المعطاة للنظام،

بشكل عام ، يتم إنتاج الجهد التناظري في النطاق من 0 إلى 5 فولت ، وتعد الكميات الفيزيائية المختلفة مثل درجة الحرارة والجهد والضغط والإزاحة مثال للإشارات المستمرة التي تنتجها المستشعرات التناظرية.[2]

خصائص المستشعرات

يمكن تصنيف أي جهاز على أنه مستشعر اعتمادًا على خصائصه،والتي تشمل:

أمثلة على المستشعرات

فيما يلي قائمة بأنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار التي يشيع استخدامها في تطبيقات مختلفة. تُستخدم كل هذه المستشعرات لقياس إحدى الخصائص الفيزيائية 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
• الرطوبة ورطوبة التربة ومستشعر
  
  المطر
  

مستشعر درجة الحرارة

يعد مستشعر درجة الحرارة أحد أكثر أجهزة الاستشعار شيوعًا والأكثر استخدامًا، ومستشعر درجة الحرارة ، كما يوحي الاسم ، يستشعر درجة الحرارة ، أي أنه يقيس التغيرات في درجة الحرارة، وهو أحد أهم أنواع المستشعرات التناظرية.

وهذه الأنواع تستخدم في كل مكان تقريبًا والتطبيق العملي لجهاز استشعار درجة الحرارة الأول ،هو أجهزة قياس درجة حرارة جسم الإنسان.

ومستشعرات درجة الحرارة يتم تصنيفها أيضًا إلى أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار مثل الثرمستورات أو المقاومات الحرارية وأجهزة استشعار درجة الحرارة الرقمية وبعض الأنواع الأخرى.

و تعتبر وحدة التحكم في درجة الحرارة الرقمية القابلة للبرمجة مشروعًا إلكترونيًا عمليًا يعتمد على نظام مدمج وهو ، ويستخدم للتحكم في درجة حرارة أي جهاز بناءً على متطلبات التطبيقات الصناعية بحيث يستشعر التغير في درجات حرارة الدوائر الكهربية داخل الأجهزة المختلفة.[3]

مستشعرات الأشعة تحت الحمراء

تسمى شرائح

الصور

الصغيرة التي تحتوي على خلية ضوئية تستخدم لإصدار وكشف ضوء الأشعة تحت الحمراء باسم مستشعرات الأشعة تحت الحمراء، وتستخدم مستشعرات الأشعة تحت الحمراء بشكل عام لتصميم تقنية التحكم عن بعد.

يمكن استخدام مستشعرات الأشعة تحت الحمراء للكشف عن عوائق السيارة الآلية وبالتالي التحكم في اتجاه السيارة الآلية. هناك أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار التي تعمل بتلك الطريقة لكن أبسط نوع منها والأكثر استخداما في حياتنا هو ريموت كنترول التلفزيون.

مستشعر الموجات فوق الصوتية

تستخدم أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية لقياس المسافة أو وقت

السفر

باستخدام الموجات فوق الصوتية، حيث يتم استخدام مصدر لإصدار الموجات فوق الصوتية وبعد أن تصل الموجة إلى الهدف ، تنعكس الموجات ويجمع الكاشف الإشارة مرة أخرى، ويتم قياس وقت السفر بين الموجة المرسلة والموجة المنعكسة باستخدام جهاز استشعار الموجات فوق الصوتية.

ويستخدم المستشعر بالموجات فوق الصوتية يستخدم عنصرًا واحدًا 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.

وأحد التطبيقات الهامة لهذا النوع من المستشعرات هو الموجود في

السيارات

لقياس المسافة والسرعة والوقوف والتحكم في الأكياس الهوائية داخل السيارة أو الكشف عن السرعة الخاص بنظام مكابح السيارة ، وأضًا فإن تلك المستشعرات تستخدم في نظام GPS  لتحديد المواقع وغيرها.