كيف يمكن للمصنعين ضمان الدقة والموثوقية في العمليات المؤتمتة؟ تتعمق هذه المقالة في أنواع مختلفة من المستشعرات، بدءًا من مستشعرات التقارب إلى المستشعرات البصرية، مع تسليط الضوء على استخداماتها المحددة ومعايير الاختيار. من خلال فهم العوامل الرئيسية مثل الحساسية واستجابة التردد والاستقرار، ستتعلم كيفية اختيار المستشعر المناسب لأي تطبيق، مما يؤدي في النهاية إلى تعزيز كفاءة الإنتاج وجودة المنتج.
أجهزة الاستشعار هي نوع أساسي من معدات المعلومات الإلكترونية في الصناعة التحويلية، وهي مكونات خاصة للأجهزة الإلكترونية الجديدة التي يتم تطويرها.
تُعرف صناعة أجهزة الاستشعار على الصعيدين المحلي والدولي على حد سواء كصناعة عالية التقنية ذات آفاق تطوير كبيرة، نظرًا لمحتواها التقني العالي، وفوائدها الاقتصادية الجيدة، وقدرتها القوية على الاختراق، وآفاقها السوقية الواسعة.
وبدافع من صناعة المعلومات الإلكترونية المزدهرة، شكلت صناعة أجهزة الاستشعار أساسًا صناعيًا معينًا وأحرزت تقدمًا كبيرًا في الابتكار التكنولوجي والبحث والتطوير المستقل والتحول في الإنجاز والقدرة التنافسية، مما ساهم بشكل كبير في تعزيز التنمية الاقتصادية الوطنية.
مع ظهور عصر المعلومات، أصبحت أجهزة الاستشعار هي الوسيلة والطريقة الرئيسية للناس للحصول على المعلومات في المجالات الطبيعية والإنتاجية.
في الإنتاج الصناعي الحديث، وخاصةً في عمليات الإنتاج المؤتمتة، تُستخدم أجهزة استشعار مختلفة لمراقبة ومراقبة مختلف المعلمات في عملية الإنتاج والتحكم فيها، مما يضمن تشغيل المعدات في حالة طبيعية أو مثالية وإنتاج منتجات عالية الجودة. في البحوث الأساسية، تتمتع أجهزة الاستشعار بمكانة متميزة.
في الوقت الحاضر، تغلغلت أجهزة الاستشعار بالفعل في مجالات واسعة للغاية مثل الإنتاج الصناعي، وتطوير الفضاء، والكشف عن المحيطات، وحماية البيئة، والتحقيق في الموارد، والتشخيص الطبي، والهندسة الحيوية، وحتى حماية الآثار الثقافية.
ويمكن ملاحظة أن الدور الهام لتكنولوجيا الاستشعار في تطوير الاقتصاد وتعزيز التقدم الاجتماعي واضح جداً. وتبين اﻷرقام اﻹحصائية أن اﻹيرادات السنوية لسوق أجهزة اﻻستشعار الذكية العالمية ستزداد بمعدل ٠٠١ تيرابايت ٣ تيرا بايت في السنة.
في الوقت الحالي، يبلغ عدد أجهزة الاستشعار المثبتة مع المعالجات في جميع أنحاء العالم 65 مليون جهاز، وسيصل هذا العدد إلى 2.8 تريليون بحلول عام 2019.
تعد معرفة المستشعرات أيضًا تخصصًا كهربائيًا كبيرًا نسبيًا يتطلب خبرة كبيرة نسبيًا لإتقانها بإتقان. سنشرح المزيد عنه في المستقبل، ولكننا سنتحدث اليوم بشكل أساسي عن الاختيار.
لتنفيذ مهمة قياس محددة، من الضروري أولاً النظر في نوع مبدأ المستشعر الذي يجب استخدامه. وهذا يتطلب تحليلاً دقيقًا لعوامل مختلفة لاتخاذ القرار.
على سبيل المثال، إذا أخذنا مقياس التدفق كمثال، فهناك مقياس التدفق الكهرومغناطيسي ومقياس التدفق الدوامي ومقياس التدفق فوق الصوتي، والتي تعتمد على الهدف المحدد عند اختيار مقياس التدفق.
بالإضافة إلى ذلك، من الضروري أيضًا الإشارة إلى نوع وضع الإخراج الذي يجب استخدامه، مثل إشارة تيار بسلكين أو 4 أسلاك، أو إشارة تيار بسلكين أو 4-20 مللي أمبير، أو 4-20 مللي أمبير، أو إشارة جهد 0-10 فولت، أو بعض بروتوكولات الاتصال.
بشكل عام، ضمن النطاق الخطي للمستشعر، من المستحسن أن تكون حساسية المستشعر أعلى. وذلك لأنه فقط عندما تكون الحساسية عالية بما فيه الكفاية، تكون قيمة إشارة الخرج المقابلة للتغير المقاس كبيرة نسبيًا.
وعلاوة على ذلك، فإن هذه الحساسية مفيدة لمعالجة الإشارات. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أنه عندما تكون حساسية المستشعر عالية، يمكن تضخيم إشارات التداخل الخارجية التي لا علاقة لها بالجسم المقيس بواسطة نظام التضخيم وتؤثر على دقة القياس.
ولذلك، يجب أن يكون للمستشعر نفسه نسبة إشارة إلى ضوضاء أعلى، ويجب تقليل إشارات التداخل الواردة من الخارج قدر الإمكان.
حساسية المستشعر اتجاهية. عندما يكون الجسم المقاس عبارة عن متجه واحد ويتطلب اتجاهية عالية، يجب اختيار مستشعر آخر بحساسية أقل في الاتجاهات الأخرى. إذا كان الجسم المقاس عبارة عن متجه متعدد الأبعاد، يجب أن تكون الحساسية التبادلية للمستشعر صغيرة قدر الإمكان.
تحدد خصائص الاستجابة الترددية لأجهزة الاستشعار نطاق تردد الجسم المقاس، والذي يجب أن يبقى غير مشوه ضمن نطاق التردد المسموح به.
من الناحية العملية، هناك دائمًا تأخير معين في استجابة المستشعر، ويفضل أن يكون زمن التأخير أقصر ما يمكن. كلما زادت استجابة تردد المستشعر، زاد نطاق تردد الإشارة الذي يمكن قياسه.
في القياس الديناميكي، يجب أن تستند خصائص الاستجابة إلى خصائص الإشارة (الحالة المستقرة، العابرة، العشوائية، إلخ) لتجنب الأخطاء الكبيرة.
بعد استخدام المستشعر لفترة معينة، تسمى قدرة المستشعر على الحفاظ على أدائه بالثبات. لا ترتبط العوامل التي تؤثر على ثبات المستشعر على المدى الطويل بهيكل المستشعر فحسب، بل ترتبط أيضًا بشكل أساسي ببيئة استخدام المستشعر.
لذلك، لضمان ثبات المستشعر بشكل جيد، يجب أن يتمتع المستشعر بقدرة قوية على التكيف مع البيئة.
قبل اختيار جهاز استشعار، يجب دراسة بيئة الاستخدام، ويجب اختيار أجهزة الاستشعار المناسبة بناءً على بيئة الاستخدام المحددة أو اتخاذ التدابير المناسبة للحد من تأثير البيئة.
الدقة هي مؤشر أداء مهم لأجهزة الاستشعار، وهي حلقة مهمة تتعلق بدقة القياس لنظام القياس بأكمله. ومع ذلك، فإن دقة المستشعر محدودة بنطاقه.
بشكل عام، كلما كان المدى أكبر، كلما كانت الدقة أقل، ولكن من المحتمل جدًا أن يكون للمستشعرات عالية الدقة نطاق غير كافٍ. وهذا يتسبب في أن تكون أجهزة الاستشعار عالية الدقة ذات المدى الكبير مكلفة للغاية.
لذلك، يجب إجراء تعديلات عند اختيار أجهزة الاستشعار وفقًا لهذه الاعتبارات.
عند اختيار مستشعر أخذ العينات، من الضروري التأكد من قدرة الجهاز على تلبية ظروف التشغيل الأساسية للتطبيق (يمكن الرجوع إلى ورقة البيانات المقدمة من الشركة المصنعة).
تتضمن أهم 6 شروط تشغيل أهم 6 شروط تشغيل:
عند التفكير في استخدام المستشعرات مع IO-Link، هناك أيضًا 6 أشياء أخرى يجب أخذها في الاعتبار:
في الإنتاج الصناعي الحديث، وخاصةً في عمليات الإنتاج المؤتمتة، تُستخدم أجهزة استشعار مختلفة لمراقبة والتحكم في مختلف المعلمات في عملية الإنتاج، بحيث تعمل المعدات في حالة طبيعية أو مثالية وتحقق المنتجات أفضل جودة.
لذلك، يمكن القول أنه بدون العديد من أجهزة الاستشعار الممتازة، سيفقد الإنتاج الحديث أساسه. فيما يلي، سنقدم مقدمة مفصلة للعديد من أنواع أجهزة الاستشعار الأكثر شيوعًا في التصنيع، إلى جانب بعض تقنيات التطبيق والأفكار.
تكتشف مستشعرات القرب وجود الأجسام في المنطقة المجاورة دون تلامس مادي. وهي أجهزة إخراج منفصلة.
عادةً ما تكتشف مستشعرات القرب المغناطيسية ما إذا كان المشغل قد وصل إلى موضع معين من خلال استشعار مغناطيس موجود في المشغل.
ليس من الجيد عمومًا شراء مشغل من إحدى الشركات وحساس تقارب مغناطيسي من شركة أخرى. على الرغم من أن الشركة المصنعة للمستشعر قد تقول أن المستشعر متوافق مع المشغلات X و Y و Z، إلا أن الحقيقة هي أن التغييرات في المغناطيس أو موضع التركيب يمكن أن تسبب مشاكل في الاستشعار.
على سبيل المثال، قد ينشط المستشعر أو يفشل في التنشيط عندما لا يكون المغناطيس في الموضع الصحيح. إذا كانت الشركة المصنعة للمشغل تقدم مستشعرات قرب تتوافق مع المشغل، فيجب أن تكون هذه المستشعرات هي المستشعرات المفضلة.
لا تحتوي مستشعرات القرب القائمة على الترانزستور على أجزاء متحركة ولها عمر خدمة طويل. وتستخدم حساسات القرب المحملة بنابض ملامسات ميكانيكية، ولها عمر خدمة أقصر، ولكنها أقل تكلفة من أنواع الترانزستور. الحساسات المحملة بنابض هي الأنسب للتطبيقات التي تتطلب طاقة تيار متردد وتلك التي تعمل في بيئات ذات درجة حرارة عالية.
تحتوي مستشعرات الموضع على خرج تناظري وتعرض موضع المشغل بناءً على مؤشر موضع المغناطيس المركب عليه. من وجهة نظر التحكم، توفر مستشعرات الموضع قدرًا كبيرًا من المرونة. يمكن لمهندسي التحكم إنشاء سلسلة من قيم نقاط الضبط المطابقة لتغيرات المكونات.
نظرًا لأن مستشعرات الموضع هذه تعتمد على المغناطيس (مثل مستشعرات القرب)، فمن الأفضل شراء المستشعرات والمشغلات من نفس الشركة المصنعة (إن أمكن). من خلال وظيفة IO-Link، يمكن الحصول على البيانات من مستشعرات الموضع، والتي يمكن أن تبسط أيضًا التحكم وتسمح بتحديد المعلمات.
تستخدم حساسات القرب الاستقرائي قانون فاراداي للحث لقياس وجود جسم ما أو موضع الخرج التناظري. العامل الأكثر أهمية عند اختيار المستشعر الحثي هو تحديد نوع المعدن الذي سيكتشفه المستشعر، وبالتالي تحديد نطاق الاستشعار.
بالمقارنة مع المعادن السوداء، يتم تقليل نطاق استشعار المعادن الملونة بأكثر من 50%. يجب أن يوفر دليل منتج الشركة المصنعة معلومات عن اختيار العينة اللازمة.
تأكد من أن أجهزة استشعار الضغط أو التفريغ يمكنها قياس نطاق الضغط بكل من القياسات الإمبريالية (رطل لكل بوصة مربعة) والمترية (بار). حدد الشكل والحجم الأنسب للمساحة المخصصة.
عند تركيب المعدات، ضع في اعتبارك ما إذا كان يجب تكوين المستشعر بأضواء مؤشر أو شاشة عرض لتسهيل استخدام المشغل. إذا كان من الضروري إجراء تغييرات سريعة على القيم المحددة، يمكن النظر في مستشعرات الضغط والتفريغ المزودة بتكوين IO-Link.
مثل حساسات الضغط والتفريغ، يمكن اختيار حساسات التدفق بناءً على نطاق التدفق والحجم والقيم المحددة المتغيرة. يمكن تحديد خيارات العرض عند طلب الحساسات.
يمكن اختيار مستشعرات التدفق ذات معدلات التدفق المنخفضة نسبيًا لمنطقة معينة من المعدات أو للمعدات بأكملها.
أكثر أنواع أجهزة الاستشعار البصرية شيوعًا هي أجهزة الاستشعار الكهروضوئية المشتتة والانعكاس وعبر الشعاع. كما تندرج أجهزة الاستشعار بالليزر وأجهزة الاستشعار بالألياف البصرية تحت فئة أجهزة الاستشعار البصرية.
الحساسات الكهروضوئية هي في الغالب حساسات وجود تكتشف الأجسام عن طريق عكس أو مقاطعة شعاع من الضوء. ونظرًا لانخفاض تكلفتها وتعدد استخداماتها وموثوقيتها العالية، فإن هذه الحساسات من بين أكثر الحساسات استخدامًا في الصناعة التحويلية.
لا تتطلب أجهزة الاستشعار الكهروضوئية المنتشرة عاكسات. وهي أجهزة استشعار فعالة من حيث التكلفة تستخدم للكشف عن وجود الأجسام القريبة.
يمكن للمستشعرات الكهروضوئية العابرة للحزمة أن توفر أطول مدى استشعار. تحتوي هذه الحساسات على وحدات إرسال واستقبال منفصلة مثبتة في نقطتين. حساسات سلامة باب المرآب هي حساسات شعاعية. يشير انقطاع الشعاع إلى وجود هدف.
أجهزة الاستشعار الكهروضوئية من النوع الفتحة هي نوع مثير للاهتمام من خلال الشعاع؛ فهي تجمع بين جهاز إرسال وجهاز استقبال في وحدة مدمجة. تُستخدم الحساسات من النوع الفتحة للكشف عن وجود وغياب الأجزاء الصغيرة.
تحتوي المستشعرات الكهروضوئية العاكسة على مستشعر وعاكس وتستخدم لاستشعار التواجد متوسط المدى. ومن حيث الدقة والتكلفة، تقع هذه المستشعرات بين المستشعرات المنتشرة والمستشعرات العاكسة.
تُستخدم أجهزة استشعار الألياف البصرية لاستشعار التواجد والمسافة. يمكن ضبط المعلمات الموجودة في هذه المستشعرات متعددة الوظائف للكشف عن مختلف الألوان والخلفيات ونطاقات المسافات.
يمكن استخدام مستشعرات الليزر لاستشعار التواجد بعيد المدى وهي الأكثر دقة لتطبيقات القياس قصير المدى.
يمكن استخدام مستشعرات الرؤية لقراءة الباركود والعد والتحقق من الشكل وغير ذلك. مستشعرات الرؤية هي تطبيق مرئي اقتصادي وفعال يمكن استخدامه في الحالات التي تكون فيها أنظمة الكاميرا مكلفة ومعقدة.
تُستخدم مستشعرات الرؤية لقراءة الباركود، وتتبع المكونات الفردية، وتنفيذ خطوات عملية مصممة خصيصًا للمكون. يمكن لأجهزة الاستشعار التحقق من وظيفة عدد الأجزاء الموجودة على المكون. يمكن لمستشعرات الرؤية تحديد ما إذا كان قد تم تحقيق منحنى محدد أو شكل آخر.
نظرًا لأن هذه المستشعرات تتعامل مع الضوء، فإن اختبار المستشعرات في ظروف قريبة قدر الإمكان من بيئة التشغيل أمر بالغ الأهمية، مع مراعاة الضوء المحيط وانعكاسية الخلفية.
في معظم التطبيقات، يوصى بوضع حساسات الرؤية داخل مبيت لعزلها عن مصادر الضوء الخارجية. يعد طلب المساعدة من الشركة المصنعة لمستشعرات الرؤية أثناء اختبار المستشعر فكرة جيدة. تذكر أيضًا التأكد من اختيار ناقل المجال المناسب.
تقوم محولات الإشارات بتحويل إشارة الخرج التناظري من المستشعر إلى إشارة ثنائية على المحول، أو تحويلها إلى بيانات عملية IO-Link.
(1) مفتاح مغناطيسي:
هو اسم متخصص للمستشعرات المستخدمة في الأسطوانات، ويستخدم بشكل أساسي للكشف عن موضع مكابس الأسطوانة. عادة، يتم توفيره من قبل مورد الأسطوانة وفقًا لاستخدام العميل. كما يوحي الاسم، يكتشف المفتاح المغناطيسي الجسم المستهدف من خلال الحث الكهرومغناطيسي، لذا فإن دقة الكشف عنه منخفضة نسبيًا.
(2) مفتاح القرب:
تم تصميم مفتاح القرب وتصنيعه أيضًا استنادًا إلى مبدأ الحث الكهرومغناطيسي، لذلك يمكنه قياس الأجسام المعدنية المستهدفة فقط، وهناك اختلاف طفيف في مسافة الاستشعار عن معادن مختلفة.
في الوقت الحالي، تكون مسافات الاستشعار الشائعة الاستخدام لمفاتيح التبديل عن قرب كما يلي: 1 مم، 2 مم، 4 مم، 8 مم، 12 مم، إلخ. يوجد عادةً نوعان من مفاتيح التبديل عن قرب: مدمجة وغير مدمجة.
يشير ما يسمى بالنوع المدمج إلى حقيقة أن رأس الاستشعار لمفتاح القرب لا يكتشف الهدف المعدني في اتجاهه المحيطي، ويكتشف فقط الهدف المعدني أمامه، ويمكن تركيب رأس الاستشعار الحساس دون تعريض أقواس التثبيت المعدنية.
يعني ما يسمى بالنوع غير المدمج أن رأس الاستشعار لمفتاح القرب سيكتشف كلاً من الهدف المعدني أمامه والهدف المعدني في اتجاهه المحيطي في نفس الوقت، ويجب أن يكشف رأس الاستشعار الخاص بمفتاح القرب عن قوس التثبيت المعدني لمسافة معينة، ويجب ألا يكون هناك هدف معدني ضمن نطاق معين في الاتجاه المحيطي لتجنب الأحكام غير الصحيحة.
دقة الكشف لمفاتيح التبديل القربي أعلى من مفاتيح التبديل المغناطيسية. وعادة ما تستخدم مفاتيح التبديل التقاربية في الحالات التي تكون فيها متطلبات دقة الموضع للحكم على وجود أو عدم وجود المنتجات وتحديد مواقع التركيبات منخفضة نسبياً.
(3) مفتاح كهروضوئي:
تتميز طريقة الكشف الكهروضوئي بمزايا الدقة العالية والاستجابة السريعة وعدم التلامس، ويمكنها قياس معلمات متعددة. هيكل المستشعر بسيط ومرن، لذلك تستخدم أجهزة الاستشعار الكهروضوئية على نطاق واسع في الكشف والتحكم.
توجد ثلاثة أنواع تقريبًا من المفاتيح الكهروضوئية التي نذكرها عادةً: أحدها حساس كهروضوئي عاكس، والآخر حساس كهروضوئي عابر للحزم، والآخر حساس كهروضوئي يستخدم لوحة انعكاس لعكس الضوء.
يتم الكشف عن الأخيرين من خلال التظليل الناتج عن الجسم المستهدف، بينما يتم الكشف عن الأول من خلال انعكاس الضوء من خلال الجسم المستهدف.
ولذلك، عادةً ما يكون للنوعين الأخيرين مسافات استشعار أطول ودقة أعلى. ونظرًا لدقة الكشف العالية نسبيًا لأجهزة الاستشعار الكهروضوئية، فإنها تستخدم عادةً في الكشف عن الموضع الدقيق للمنتجات أو قطع العمل، وكذلك أجهزة التغذية الراجعة لأنظمة السائر والأنظمة المؤازرة.
(4) مستشعر الألياف البصرية:
مجس الألياف الضوئية هو أيضًا نوع من عناصر الكشف التي تستخدم تحويل الإشارة الكهروضوئية. ومقارنةً بالمفاتيح الكهروضوئية، يمكنه عادةً اكتشاف الأجسام المستهدفة الأصغر حجماً، وله مسافة استشعار أطول ودقة أعلى.
ولذلك، تُستخدم مستشعرات الألياف البصرية عادةً في تطبيقات الكشف الأكثر دقة وأجهزة التغذية المرتدة لتحديد المواقع لأنظمة السائر والأنظمة المؤازرة.
(5) الشبكة:
الشبكة أيضًا عبارة عن مستشعر يستخدم إشارات كهروضوئية. مساحة الكشف للشبكة كبيرة، لذلك يُطلق عليه أيضًا مستشعر المنطقة. ويتمثل مجال التطبيق الرئيسي للشبكة في وظائف التشابك والسلامة بين المعدات، وخاصة لحماية الأشخاص.
(6) المزدوجة الحرارية:
تُستخدم المزدوجات الحرارية بشكل أساسي للكشف عن درجة الحرارة المحيطة بها.
(7) كاشف الليزر:
تتمثل الوظيفة الرئيسية لكاشف الليزر في قياس الأبعاد الخارجية للجسم المستهدف بدقة.
(8) كاميرا صناعية:
تُعرف الكاميرا الصناعية أيضًا باسم CCD (الجهاز المقترن بالشحن) في الهندسة، وتستخدم بشكل أساسي للكشف عن الشكل الخارجي وموضع الجسم المستهدف. مع تحسين تكنولوجيا CCD الحالية، يمكن الآن تطبيق الكاميرات الصناعية عالية الدقة في مجالات القياس الدقيقة.
(9) أداة التشفير:
وفقًا لمبادئ العمل، يمكن تقسيم المشفرات إلى أنواع تزايدي ومطلق. تقوم أجهزة التشفير التزايدي بتحويل الإزاحة إلى إشارات كهربائية دورية، ثم تحول هذه الإشارة الكهربائية إلى نبضات عد، حيث يمثل عدد النبضات حجم الإزاحة.
يتوافق جهاز التشفير المطلق مع رمز رقمي محدد لكل موضع، لذا فإن إشارته ترتبط فقط بمواضع بداية القياس ونهايته، ولا ترتبط بعملية القياس في المنتصف.
عادةً ما تُستخدم أدوات التشفير في أنظمة التحكم في الحلقة المغلقة أو شبه المغلقة مع محركات السائر أو المحركات المؤازرة.
(10) مفتاح التبديل الجزئي:
المفتاح الصغير عبارة عن مستشعر من نوع التلامس، يستخدم بشكل أساسي للتوصيل بين المعدات أو للكشف عن حالة أبواب السلامة والحماية للمعدات.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO 
TR