بررسی مشخصه های فنی سنسورها

شاخصه هاي معرف يک سنسور را می توان در موارد زير خلاصه نمود:

صحت، دقت، حساسيت، بازة ورودي و خروجي، بيشينة بازة مطمئن، هيسترزيس، تفکيک پذيري (رزولوشن)، زمان پاسخ، پهناي باند، غيرخطي بودن، امپدانس ورودي و خروجي، دماي محيطي، فضاي مرده، تکرارپذيري، دماي محيط، پايداري حرارتي، منبع تغذيه، نفوذپذيري، خطاي لرزش، مواد سازنده، حجم، وزن و طول عمر.

  • صحت

خروجي بدست آمده از سنسور در حالت پايدار بايد گوياي مقدار واقعي کميت فيزيکي اندازه گيري شده باشد. در حالت ايده آل صحت[۱] اندازه گيري سنسور ۱۰۰% است و به ميزان انحراف از اين حالت از صحت سنسور کاسته مي شود. به بيان آماري، هر چه ميانگين جامعة آماري خروجي سنسور، به مقدار ايده آل متناظر با کميت فيزيکي اندازه گيري شده نزديکتر باشد، اندازه گيري سنسور صحيحتر است. خطا به عنوان پارامتري که باعث کاهش دقت در سنسورها مي شود، بر اساس علل مختلفي مي تواند روي دهد: مواد استفاده شده، عمر طولاني، خطاهاي راه اندازي، خطاهاي کاليبراسيون، خطاي بارگزاري سنسور در مدارات الکترونيکي، نويز و غيره. خطاها معمولا به چهار نوع تقسيم مي شوند:

• خطاهاي آماري که بستگي به زمان ندارند.
• خطاهاي ديناميک که به زمان بستگي دارند.
• خطاهاي تصادفي اختلاف اندازه گيري هاي متفاوت از يک مقدار ثابت است.
• خطاهاي سيستماتيک که خطاهايي ثابت در تمام زمان ها و شرايط هستند.

دو نمونه از اين خطاها در شکل زیر به معرض نمايش در آمده است.

d

خطاهاي تصادفي و سيستماتيک در مثال تيراندازي به سيبل

  • دقت

هر چه اندازه گيري سنسور بازاي يک کميت فيزيکي يکسان در حالت هاي مختلف همگراتر باشد، سنسور از دقت بيشتري برخوردار است. به بيان آماري هر چه انحراف معيار جامعة آماري خروجي سنسور کمتر باشد، سنسور دقيقتر است. در تصوير زير تفاوت صحت و دقت نمايش داده شده است. در شکل زیر دقت[۲] و صحت يک تيراندازي در چهار حالت متفاوت بررسي شده است.

f

دقت و صحت در مثال تيراندازي به سيبل

  • بازة ورودي و خروجي

حداکثر و حداقل مقدار کميت فيزيکي مورد اندازه گيري را بازة[۳] ورودي و حداکثر و حداقل خروجي را به ازاي ورودي هاي متناظر بازة خروجي مي گويند.

  • بيشينة بازة مطمئن

بيشينة بازة مطمئن[۴]، حداکثر بازة ورودي است که سنسور آسيب نخواهد ديد.

  • زمان پاسخ

اگر مقدار کميت فيزيکي به صورت پله اي تغيير کند، مدت زماني که طول مي کشد تا خروجي سنسور به ۹۰% مقدار نهايي خود برسد را زمان پاسخ[۵] مي گويند. البته اين مقدار معمولا براي حالتي است که سنسور از لحاظ ديناميکي، سيستم خطي درجه اول محسوب شود و در غير اين صورت و خصوصا براي سيستم هاي کنترلي پيچيده لازم است تابع تبديل[۶] سنسور بدست آيد. معادل اين مشخصه براي سنسورهايي که در حالت قطع و وصل کار مي کنند فرکانس سوئيچينگ است و آن حداکثر تعداد قطع و وصل يک سنسور در يک ثانيه را بيان مي کند.

  • نقاط نيمه قدرت

نقاط نيمه قدرت[۷] فرکانس هايي هستند که در آن پاسخ فرکانسي سنسور به ميزان ۳db افت مي کند. معمولا پهناي باند سنسور نيز از تفاضل اين دو نقطه بدست مي آيد.

  • رزولوشن

رزولوشن (تفکيک پذيري)[۸]، کوچکترين مقدار تغيير در ورودي است که باعث پاسخ در خروجي سنسور گردد.

  • قابليت اطمينان

قابليت اطمينان[۹] مقدار آماري کيفيت يک سنسور (کلا وسيله اي) است که توانايي آن وسيله را براي انجام وظيفه اش تحت شرايط عادي راه اندازي بدون خطا، براي يک دوره زماني يا تعداد سيکل هاي مشخص تعيين مي کند. اين مقدار معمولا به ساعت، سال و … بيان مي شود.

  • فضاي مرده

بيشترين مقدار تغيير در ورودي که در ازاي آن سنسور پاسخي ندهد، فضاي مرده[۱۰] ناميده مي­شود.

  • حد آستانه

حداقل مقدار ورودي در ابتداي بازة ورودي که سنسور بعد از آن شروع به کار کند، حد آستانه[۱۱] ناميده مي­شود.

  • تکرارپذيري

توانايي سنسور در ارائه خروجي يکسان به ازاي ورودي هاي يکسان، در زمان هاي متفاوت (مستقل از مسير هيسترزيس)[۱۲] تکرار پذيري[۱۳] ناميده مي­شود. اين مقدار براي يک سنسور، مقدار بيشينه تفاوت بين دو مقدار خوانده شده در ازاي يک مقدار ورودي ثابت، در زمان ها و شرايط متفاوت است. به اين مقدار تلرانس[۱۴] هم گفته مي شود.

  • حساسيت

تغييرات خروجي نسبت به تغييرات ورودي معمولا در اندازه واحد، حساسیت[۱۵] ناميده مي شود. حساسيت مي­تواند خطي و يا غيرخطي باشد.

  • پايداري حرارتي

پايداري حرارتي[۱۶]، در حالتي که ورودي ثابت باشد ولي دماي محيط تغيير کند، ثبات خروجي را بيان مي­کند. به طور مثال تغييرات فاصله موثر سوئيچينگ در اثر تغييرات دما طبق استاندارد ۲-۵-۶۰۹۴۷EN  و در محدوده دماي ۲۰ درجه سلسيوس زير صفر تا ۶۰ درجه سلسيوس بالاي صفر حداکثر ۱۰% است.

  • حرارت محيط

حرارت محيط[۱۷] محدوده حرارتي است که در آن محدوده، عملکرد سنسور تضمين شده است.

  • کلاس حفاظتي

بر طبق استاندارد ۴۰۰۵۰DIN  سنسورها بر اساس نفوذپذيري طبقه بندي مي شوند. مقاومت نفوذپذيري سنسورها بر اساس دو عدد که بعد از IP ذکر مي شوند قابل ارزيابي هستند. اين دو عدد کلاس حفاظتي[۱۸] ناميده شده و به ترتيب مقاومت در برابر اشياء و ذرات و همچنين آب را نشان مي دهند و طبق جداول زير تعريف مي شوند.

توضيح عدد اول ذکر شده پس از IP

مقاومت مؤثر اندازه اشياء و ذرات که سنسور در برابر آن ها محافظت شده است. (ميلي متر) سطح
بدون هيچ حفاظتي در برابر تماس و ورود اشياء ____ ۰
هر سطح وسيعي از بدن مانند پشت دست، ولي نه در برابر تماس عمدي اعضاي بدن ۵۰< ۱
انگشت و يا اشياي شبيه به آن ۱۲٫۵< ۲
ابزارآلات، سيم هاي ضخيم و … ۲٫۵< ۳
اغلب سيم ها، پيچ ها و … ۱< ۴
حفاظت کامل در برابر تماس ولي ورود ذرات کاملا متوقف شده نيست، از طرفي به مقداري هم نيست که در کار سنسور مداخله کند. تا حدودي مقاوم در برابر ذرات ۵
جلوگيري کامل از ورود ذرات و ممانعت کامل از تماس مقاوم در برابر ذرات ۶

توضيح عدد دوم ذکر شده پس از IP

جزئيات محافظت سطح
___ بدون محافظت ۰
چکيدن آب به طور عمود به طوري که آسيب جدي (از لحاظ مکانيکي) نداشته باشد. چکيدن آب ۱
چکيدن آب به طور عمود به طوري که آسيب جدي (از لحاظ مکانيکي) نداشته باشد وقتي که محفظه دستگاه تا ۱۵ درجه از حالت معمولي چرخش داشته باشد. چکيدن آب با زاويه تا ۱۵ درجه ۲
افشانه آب تا زاويه ۶۰ درجه نسبت به حالت عمود، به شرطي که آسيب جدي (از لحاظ مکانيکي) نداشته باشد. آب به صورت افشانه ۳
پاشش آب از هر جهت به طوري که آسيب جدي (از لحاظ مکانيکي) نداشته باشد. پاشش آب ۴
آبي که از يک نازل در برابر محفظه از هر جهت بپاشد، به طوري که آسيب جدي (از لحاظ مکانيکي) نداشته باشد. آب فوران يافته ۵
آبي که به شدت از يک نازل در برابر محفظه از هر جهت بپاشد، به طوري که آسيب جدي (از لحاظ مکانيکي) نداشته باشد. آب به شدت بيرون زده ۶
وقتي که محفظه در فشار و زمان مشخصي در آب فرورفته باشد، ورود آب به مقدار مشکل زا نبايد ممکن باشد. غوطه ور شدن در آب تا ۱ متر ۷
تجهيزات براي غوطه وري مداوم در آب تحت شرايطي که توسط توليدکننده مشخص مي شود، مناسب است.

توجه: به طور معمول، اين بدين معني است که تجهيزات محکم دربسته شده اند.

غوطه ور شدن در آب بيش از ۱ متر ۸
حفاظت در برابر آب و بخار با فشار بالا براي شستشو فشار آب و بخار ۹

در برخي از شرايط حساس مانند صنايع نفت، گاز و پتروشيمي استانداردهاي مشابهي جهت حفاظت در برابر انفجار نيز در نظر گرفته شده است يک نمونه از اين استانداردهاي ضد جرقه که در صنايع نفت استفاده مي شود، استاندارد EX ناميده مي شود.

  • هيسترزيس

اگر کميت مورد اندازه گيري سنسور تغيير کند و در نهايت به مقدار نخست برگردد، در حالت ايده آل خروجي سنسور نيز متناظر با کميت مذکور مي بايستي به مقدار نخست برگردد. ولي در عمل و در دنياي واقعي و در حالت کلي، خروجي سنسور مسيري را طي مي کند که در نهايت ممکن است به نقطة شروع خود برنگردد.

g

نمودار هيستريزيس سنسور

  • غيرخطي بودن

غير خطي بودن[۱۹]، ميزان فاصله از خطي بودن رابطه بين ورودي و خروجي را بيان مي کند. البته به جاي اين خصوصيت، گاه از خطي بودن ياد مي شود که در آن صورت تعريف آن عبارتست از حداکثر فاصلة بين منحني کاليبراسيون و يک خط مستقيم که بين صفر و حداکثر مقدار منحني مذکور رسم مي شود. اين خصوصيت معمولا به صورت درصدي از مقدار بيشينه بيان مي گردد.

  • حساسيت به اختلال[۲۰]

کاليبراسيون و خصوصيات سنسور در شرايط کنترل شدة دما و فشار و … معتبر هستند. در غير اين صورت رابطة ورودي و خروجي سنسور در حالت کلي دو خطاي عمده ناشي از اختلال خواهد داشت: انحراف صفر[۲۱] و انحراف حساسيت[۲۲]. اين دو خطا بايد در پردازش هاي بعدي تصحيح شوند. در شکل زير نحوة تاثير اين دو خطا را در خروجي مي بينيم.

9876

حساسيت به اختلال

  • خطاي لرزش

بيشينة تغيير خروجي سنسور به ازاي ورودي ثابت و لرزش مکانيکي خطاي لرزش[۲۳] ناميده مي شود.

  • اشباع

اشباع[۲۴] مقداري از کميت ورودي است که بيش (يا کمتر) از آن خروجي تقريبا ثابت مي شود.

  • مشخصه هاي يک سنسور ايده آل

پس از بررسي شاخصه هاي معرف سنسور، حال نوبت به بررسي مشخصه هاي يک سنسور ايده آل مي رسد تا از اين منظر بتوان فهميد که نزديکتر شدن به چه مشخصه هايي يک سنسور را به حالت ايده آل نزديک مي نمايد.

مشخصات يک سنسور ايده آل به شرح زير است:

• تمام مشخصه هاي ذکر شده براي سنسور را در حد قابل قبول داشته باشد.
• بازگشت پذير باشد.
• سرعت پاسخ بالايي داشته باشد.
• حساسيت بالايي داشته باشد.
• عمر طولاني داشته باشد.
• آلوده کننده نباشد.
• غير سمي باشد.
• به کارگيري آن آسان باشد.
• اندازه آن کوچک و قابل حمل باشد.
• ساخت آن ساده باشد.
• ارزان باشد.

پس از اينکه مشخصه هاي يک سنسور ايده آل مورد بررسي قرار داده شد، اکنون يک تقسيم بندي متعارف ديگري از مشخصه هاي سنسور که بعضا در برخي کاربردها و محصولات به آن اشاره مي­شود، مورد بررسي قرار خواهد گرفت. اين تقسيم بندي مشخصه هاي سنسورها را بر اساس ويژگي هاي ايستا و پوياي آنها دسته بندي مي­کند.

  • مشخصات ايستا و پويا

مشخصه هاي سنسور را مي توان از لحاظ حالت گذار سيستم به دو دسته زير تقسيم نمود:

• مشخصات استاتيکي: مشخصاتي که پاسخ نهايي آن با وجود همه اثرات گذار سيستم ثابت باقي مي- ماند، همانند حساسيت، دقت، صحت، هيسترزيس، خطا، تفکيک پذيري، خطي بودن.

• مشخصات ديناميکي: مشخصاتي است که  همانند سيستم هاي کنترلي نسبت به حالت گذار سيستم ناشي از شکل موج هاي مختلف ورودي واکنش نشان مي دهند. اين مشخصات شامل سيستم هاي نوع صفر، نوع اول و نوع دوم هستند.

همچنين نمونه اي از تقسيم بندي مشخصه هاي سنسور در قالب تقسيم بندي استاتيکي و ديناميکي در شکل زیر به معرض نمايش در آمده است.

12345

مشخصات ديناميکي و استاتيکي سنسورها

 


[۱] Accuracy

[۲] Precision

[۳] Range or Span

[۴] Safe Overrange

[۵] Time Response

[۶]  Tranfer Function ot Frequency Response

[۷] Half Power Points or Cuttoff Frequency

[۸] Resolution or discrimination

[۹] Reliability

[۱۰] Dead Space or Deadband

[۱۱] Thereshold

[۱۲] در برخي موارد مسير طي شده در هيسترزيس تا نقطه مزبور، ممکن است در پاسخ اثر بگذارد.

[۱۳] Repeatability or Reproducibility

[۱۴] Tolerance

[۱۵] Sensitivity

[۱۶] Temperature Drift or Thermal Stability

[۱۷] Ambient Temperature

[۱۸] International Protection Rating or Ingress Protection Rating

[۱۹] Nonlinearity

[۲۰] Disturbance

[۲۱] Zero Drift

[۲۲] Sensitivity Drift

[۲۳] Vibration Error

[۲۴] Saturation

شاید این مطالب را هم دوست داشته باشید

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *