تويت
محسات
Sensors - Senseurs
المحسَّات
تقوم المحسَّات sensors أو مبدلات الطاقة transducers بتحويل المقدار المقاس (الظاهرة المقاسة) إلى إشارة كهربائية (إشارة جهد أو تيار) يمكن التعامل معها بسهولة من حيث قياسها أو التحكم بها أو نقلها، يمثل (الشكل-1) مخططاً لمبدأ عمل المحس.
ولأهمية المحسَّات في مجالات القياس والتحكم والمجالات الصناعية والطبية والمجالات الأخرى، فقد صارت ضرورية في هذه المجالات، وتمّ الاهتمام بتطويرها وإنتاجها؛ فازدادت أعدادها وأنواعها واختلفت مبادئ عملها وتعددت مجالات استخدامها.
تُعد المحسَّات العناصر الأساسية في أنظمة القياس وفي كثير من أنظمة التحكم، وبفضلها تمكّن العلماء من دراسة وقياس مختلف الظواهر الفيزيائية والكيميائية والحيوية (البيولوجية)، كالحرارة والضغط وشدة الضوء والرطوبة النسبية وقياس حموضة السوائل ونسب الشوارد وغيرها. وباستخدامها أيضاً تمّ التحكم في العديد من التطبيقات، كذلك تمّ بوساطتها قياس المقادير الميكانيكية مثل السرعة والاهتزاز والانزياح.
نظام القياس
يتألف نظام القياس أو نظام التحكم من ثلاثة أجزاء أساسية هي:
ـ مرحلة الدخل: وتتمثّل بالمحس المستخدم في عملية القياس.
ـ مرحلة تكييف الإشارة: وتمثل دارة القياس.
ـ مرحلة الخرج: وتمثل مرحلة إظهار نتيجة القياس أو القيام بعملية تحكم.
تشكّل مرحلة الدخل المرحلة الأساسية لنظام القياس، وتعتمد بنحو رئيس على نوع المحس المستخدم في نظام القياس حيث يتم في هذه المرحلة التحسس بمقدار الظاهرة المقاسة وتبديله لإشارة كهربائية تسهل معالجتها في المرحلة الثانية، ومن ثم الحصول على نتيجة القياس في مرحلة الخرج. يوضح (الشكل-2) مخططاً بسيطاً لنظام قياس أو نظام تحكم.
أنواع المحسَّات
ولوجود عدد كبير من المحسَّات، وانطلاقاً من الظاهرة المقاسة يمكن ترتيب أنواع هذه المحسَّات ضمن المجموعات الآتية، حيث يتوافر لكل مجموعة صفة مشتركة بين المحسَّات الموجودة ضمنها، وذلك لسهولة البحث عن محسّ معين وفقاً للظاهرة المقاسة: المحسَّات الميكانيكية، والمحسَّات الحرارية، والمحسَّات الكهربائية، والمحسَّات المغنطيسية والمحسَّات الضوئية والإشعاعية، والمحسَّات الفوق صوتية، والمحسَّات الكيميائية.
ليس من السهل وضع المحسَّات ضمن عدد محدد من المجموعات، بل تصنف في عدة مجموعات، وذلك لتعدد مواصفات المحسَّات وكثرة أنواعها، حيث يمكن ترتيبها إما حسب الظاهرة المقاسة أو حسب مجال الاستخدام أو حسب الصفة الكهربائية للمحس.
1- المحسَّات الميكانيكية mechanical sensors: تستخدم أنواع عدة من المحسَّات لقياس المقادير الميكانيكية، مثل الضغط والإزاحة والموضع والسرعة والتسارع والعزم والقوة، ومن أهمها ما يأتي:
أ - قائس التشوه (قائس الإجهاد) strain gauge: يُعدّ هذا المحس من أكثر المحسَّات الميكانيكية شيوعاً، ويتألف من جسم تحويل مؤلف من صفيحة ارتكاز على شكل رقاقة صغيرة تتمدد نتيجة تعرضها لقوة ميكانيكية، ومن جزء كاشف للقوة هو سلك معدني له مقاومة معينة يتم لصقه على جسم التحويل (الرقاقة) عند تعرض قائس التشوه لقوة تؤدي إلى تمدد جسم التحويل الذي يسبب تغير طول سلك المقاومة، وبالتالي تتغير قيمة المقاومة الكهربائية بمقدار متناسب مع القوة، يوجد لقائس التشوه صفة مميزة تعرف بعامل القياس gauge factor الذي يعرف بأنه نسبة التغير النسبي في قيمة المقاومة الكهربائية إلى التغير النسبي في طول المقاومة ويعطى بالعلاقة الآتية:
ب - المحس السعوي capacitive sensor: يتألف المكثف عادة من صفيحتين معدنيتين يفصل بينهما مادة عازلة كالهواء وغيرها، يستخدم مبدأ السعة في المحسَّات لقياس عدة مقادير مثل الإزاحة والقوة وغيرها. تعطى سعة المكثفة بالعلاقة الآتية:
حيث:
εo: ثابت العازلية في الفراغ ويساوي ت9.85×10-12 ، K ثابت العازلية التي تفصل بين صفيحتي المكثف.
C: سعة المكثف،
A: مساحة سطح الصفيحة المعدنية،
d: المسافة الفاصلة بين الصفحتين المعدنيتين.
بما أن السعة متناسبة طرداً مع العاملين K وA، وعكساً مع العامل d كما هو واضح من العلاقة السابقة فإن أي تغيير في هذه العوامل سيؤدي إلى تغيير قيمة السعة، وهذا ما يتعمده مبدأ عمل المحس السعوي عند تطبيق قوة ما على إحدى الصفحتين فإن المسافة بين الصفحتين تتغير، وبالتالي تتغير السعة، وهذا ما يستفاد منه في تحسس القوة، كما أن إزاحة إحدى الصفحتين ستؤدي إلى تغير السعة، ويستفاد من هذه الحالة في تحسس الإزاحة، ويوضح (الشكل-4) عدة نماذج لمبدأ عمل المحس السعوي.
يتصف المحس السعوي بإمكانيته الجيدة لقياس انزياحات كبيرة، أما مساوئه فهي صعوبة قياس السعة بدقة كبيرة إذ يتطلب ذلك دارات معقدة نسبياً، إضافة إلى مشكلة أسلاك الوصل بين المحس ودارات القياس.
ج ـ محس المحول التفاضلي المتغير خطياً linear variable differential transformer (LVDT): يعتمد مبدأ عمل المحول التفاضلي المتغير خطياً على النواة القابلة للتمغنط والتي تتحرك بتأثير القوة بين ملف ابتدائي (p)، وملفين ثانونيين (S1, S2) ملفوفين على جانبيه ولهما عدد اللفات نفسه، وموصلين على التسلسل، حيث تتعاكس القوة المحركة الكهربائية التي يولدها الملف الأول (V1) مع القوة المحركة الكهربائية التي يولدها الملف الثاني (V2)، عندما تكون النواة في المركز تتساوى القوى المحركة الكهربائية في الملفين ويكون خرج المحول (V0) مساوياً للصفر، وتزداد السيالة المغنطيسية في هذا الملف عند تحريك النواة باتجاه أحد الملفين، فيؤدي ذلك إلى زيادة القوة المحركة الكهربائية، وبالتالي يمكن تحسس القوة التي تقوم بتحريك الوشيعة فيه، ويكون الخرج مساوياً للفرق بين خرجي الملفين ومتوافقاً بالطور مع فرق الجهد بين طرفي الملف الذي تحركت النواة باتجاهه، وتنعكس الحالة إذا تحركت النواة بالاتجاه المعاكس. يبين (الشكل-5) مخططاً لمبدأ عمل هذا المحس، حيث يستخدم هذا النوع من المحسَّات كمحس للقوة أو للإزاحة.
د ـ المحس الكهرإجهادي piezoelectric sensor: يعتمد هذا المحس على توليد قوة محركة كهربائية في عنصر بللوري، حيث تتمتع البللورات بخاصية تجعلها تأخذ قطبية كهربائية نتيجة لتطبيق إجهاد ميكانيكي موجه على نحو مناسب لمحاور هذه البلورات (المحاور الكريستالوغرافية)، ومن خلال التجارب تبين أن الشحنة الكهربائية الناتجة من تلك البلورات تتناسب مع القوة الميكانيكية المطبقة عليها حسب العلاقة الآتية:
Q = K. F
حيث:
Q: الشحنة الكهربائية التي تظهر على سطح البللورة.
K: العامل الكهرإجهادي.
F: القوة الميكانيكية المطبقة على السطحين المتقابلين للبللورة.
يستخدم هذا المبدأ على نحو كبير في محسات قياس الضغط والتسارع. وتتصف المحسَّات الكهرإجهادية بسرعة استجابة عالية وإمكان العمل ضمن مجال حراري مرتفع، ومن مساوئها أنها تتطلب دارات كهربائية معقدة نسبياً لتكييف الإشارة الناتجة من المحس.
هـ ـ محسات قياس الضغط pressure measuring sensors: هناك عدد من المحسَّات الميكانيكية المستخدمة لقياس الضغط، والتي تعتمد عناصر تحسس مرنة يمكنها أن تتحرك عندما يتغير الضغط، حيث يستفاد من هذه الحركة لتحريك مؤشر أمام قرص مدرج بواحدة قياس الضغط، ومنها الأنواع الآتية:
ـ الغشاء diaphragm: عبارة عن عنصر بسيط معد لقياس الضغط، أحد الأطراف مفرغ أكثر من الجانب المعرّض للضغط الجوي يؤدي تطبيق الضغط (P) إلى انحراف الغشاء الذي يسبب انحرافاً للمؤشر بمقدار ∆X يتناسب مع قيمة الضغط المقاس (الشكل 6-آ).
ـ المنفاخ bellows: أسطوانة جدرانها عبارة عن شريحة رقيقة تشكل قشرة عميقة التعرجات (الشكل 6-ب)، يرواح عدد التعرجات ما بين 5-20 تعرجاً حسب مجال الضغط (P) المطبق، محكمة من إحدى النهايات، حيث تتحرك هذه النهاية المحكمة محورياً عندما يطبق الضغط على النهاية الأخرى بقيمة ∆X.
ـ أنبوب بوردون Bourdon tube: لهذا الأنبوب (الشكل 6-جـ) شكل حرف (C) له فتحة لدخول الضغط (P) ونهاية وحيدة تتصل مع الآلية الميكانيكية التي تقوم بتحريك المؤشر بمقدار ∆X يتناسب مع قيمة الضغط المطبق على الجهة الأخرى للأنبوب.
كما ويمكن استخدام المحسَّات والتي تعتمد على عناصر كهربائية والتي ذكرت سابقاً مثل قائس الإجهاد، والمحس السعوي، ومحس العنصر الكهرإجهادي لقياس الضغط أيضاً.
2- المحسَّات الحرارية temperature sensors: تستخدم هذه المحسَّات لقياس درجة الحرارة ومراقبتها والتحكم فيها، ومن أنواعها ما يأتي:
أ ـ المقاومة الكاشفة للحرارة resistance temperature detector (R.T.D): تعدّ المقاومة الكاشفة للحرارة من أكثر أنواع المحسَّات الحرارية انتشاراً، وتصنع من البلاتين أو النيكل أو النحاس أو خليطة (نيكل/حديد). تتغير مقاومتها خطياً بتغير درجة الحرارة حسب العلاقة الآتية:
R = R0 (1 + α (t - t0))
حيث:
R: قيمة مقاومة المحسّ كتابع لدرجة الحرارة.
R0: قيمة المقاومة عند درجة الحرارة المرجعية (تعطى عادة عند الدرجة صفر مئوية).
α: المعامل الحراري للمقاومة temperature coefficient.
t درجة الحرارة المقاسة، t0 درجة الحرارة المرجعية (عادة عند درجة الصفر المئوية)
تتصف المقاومة الكاشفة للحرارة بأنها تعمل في مجال متوسط لدرجة الحرارة. ولكنها تتأثر بالتسخين الذاتي، لذلك يجب الانتباه لتيار القياس، في دارة القياس كما يتأثر هذا المحس بمقاومة أسلاك التوصيل.
ب ـ الثرمستور thermistor: الثرمستور عبارة عن عنصر مقاومة يتحسس لتغيرات درجة الحرارة، يُصنع عادة من مواد نصف ناقلة أو من أكاسيد معدنية، وتتغير مقاومته مع تغير درجة الحرارة بتابع غير خطي حسب المعادلة الآتية:
حيث:
R: قيمة المقاومة كتابع لدرجة الحرارة،
R0 قيمة المقاومة عند درجة الحرارة المرجعية (تعطى عادة عند الدرجة صفر مئوية أو عند الدرجة 25 ْم).
β: المعامل الحراري للمقاومة.
T: درجة الحرارة المقاسة بالكلفن .
T0: درجة الحرارة المرجعية (عادة الدرجة k298.15 K)
هناك نوعان للثرمستور هما:
ـ ثرمستور ذو معامل حراري موجب positive temperature coefficient (PTC): وبالتالي تزداد قيمة مقاومة الثرمستور بتابع غير خطي مع ازدياد درجة الحرارة .
ـ ثرمستور ذو معامل حراري سالب negative temperature coefficient (NTC): وبالتالي تنقص قيمة مقاومة الثرمستور بتابع غير خطي مع ازدياد درجة الحرارة.
يمتاز الثرمستور بحساسيته العالية للحرارة بالمقارنة مع المقاومة الكاشفة، وسرعة الاستجابة لتغيرات درجة الحرارة. أما مساوئه فتكمن في مقاومته التي لها تابع غير خطي مع تغيرات درجة الحرارة، مما يتطلب دارة إضافية لتصحيح لا خطية المحس.
ج ـ المزدوجة الكهرحرارية thermocouple: يعتمد مبدأ عمل المزدوجة الكهرحرارية على توليد فرق جهد بتأثير درجة الحرارة بين طرفي ناقلين كهربائيين من معدنين مختلفين متصلين من أحد أطرافهما بنقطة تدعى وصلة القياس. يبين (الشكل-7) مخططاً بسيطاً لمزدوجة كهرحرارية.
فرق الجهد المتولد بين طرفي المزدوجة الكهرحرارية له تابع غير خطي بالنسبة لتغيرات درجة الحرارة. يتوافر للمزدوجة الحرارية عدة أنواع ولكل نوع من هذه الأنواع مجال قياس حراري مختلف عن النوع الأخر وهذه الأنواع هي: R, T, B, N, E, J, K, S وتمتاز المزدوجة الكهرحرارية بأنها تستخدم لقياس الحرارة العالية التي تصل إلى (1700 ْم)، ولكنها أقل استقراراً من المقاومة RTD عند تعرضها للحرارة المتوسطة والعالية في بعض التطبيقات.
د ـ محسَّات وصلة نصف ناقلة P-N junction: يعتمد مبدأ عمل هذه المحسَّات على الاستفادة من تأثير درجة الحرارة في خواص المواد نصف الناقلة لبعض العناصر الإلكترونية، مثل الديود والترانزيستور. تستخدم هذه المحسَّات وصلة نصف ناقلة من نوع (P-N). لقياس درجة الحرارة ضمن المجالات المنخفضة نسبياً (-55 ْم إلى150 ْم) تعطي على خرجها مباشرة تياراً أو جهداً متناسباً خطياً مع تغيرات درجة الحرارة. ومن أكثر المحسَّات انتشاراً واستخداماً في هذه المجموعة الأنواع الآتية:
ـ المحس AD 590: الذي يعطي تياراً خطياً متناسباً مع تغيرات درجة الحرارة بمعدل m1m A / K°
ـ المحس LM 135: الذي يعطي جهداً خطياً متناسباً مع تغيرات درجة الحرارة بمعدل m10m V / C°
وتتصف هذه المحسَّات أيضاً بأنها ذات دقة واستقرار جيدين، وتكرارية عالية، ولا تحتاج إلى دارة إضافية من أجل تكييف الإشارة ومعالجتها، والتي قد تكون ضرورية عند استخدام أنواع أخرى من المحسَّات الحرارية. أما أهم مساوئها فهي عملها ضمن مجال حراري محدود ومنخفض نسبياً بالنسبة لبقية المحسَّات.
3- المحسَّات الكهربائية electrical sensors: وتتصف بأنها تحوِّل المقادير المقاسة سواءً كانت فيزيائية أم ميكانيكية أم ضوئية إلى إشارة كهربائية، تكون غالباً إشارة جهد أو تيار متناسبة مع القيمة المقاسة. وتقسم من الناحية الكهربائية إلى المجموعتين الآتيتين:
أ - محسّات فعَّالة: تقوم هذه المحسَّات بتبديل المقدار المقاس إلى إشارة كهربائية من دون الحاجة إلى تغذية هذه المحسَّات خارجياً، منها المحسَّات الكهرإجهادية، والمحسَّات الكهرحرارية ومحسات الوصلة النصف ناقلة P-N، وغيرها.
ب - محسّات غير فعَّالة: يتطلب عمل هذه المحسَّات تغذية خارجية لكي يتم تبديل المقدار المقاس إلى إشارة كهربائية. تضم هذه المجموعة المحسَّات السعوية، والمحسَّات التحريضية، والمحسَّات التي تعمل بمبدأ المقاومة. وغيرها من المحسَّات.
4- المحسَّات المغنطيسية magnetic sensors: ويعتمد مبدأ عملها على الاستفادة من أثر الحقول المغنطيسية والحقول الكهرطيسية على الخواص المغنطيسية للمواد التي تدخل في تركيبها. وهناك أنواع عديدة لهذا النوع من المحسَّات منها:
أ ـ محس المقاومة المغنطيسية magnetoresistor sensor: يستفاد من خواص المقاومة المغنطيسية للمحس، الذي يكون عادة من مواد نصف ناقلة تتغير قيمتها بتأثير الحقل المغناطيسي المؤثر فيها، للحصول على إشارة كهربائية متناسبة مع تغيرات قيمة المقاومة المغنطيسية وتغيرات الحقل المغنطيسي.
ب ـ محس مفعول أثر هول Hall effect sensor: يعتمد مبدأ عمله على تطبيق حقل مغنطيسي بشكل متعامد مع تيار كهربائي يمر في عنصر نصف ناقل يؤدي إلى توليد جهد كهربائي متناسب مع كثافة السيالة المغنطيسية.
ج ـ محس تحريضي inductive sensor: يتم الاستفادة من خواص العنصر التحريضي في تغيرعامل التحريض الذاتي لوشيعة متحركة قابلة للتمغنط، مما يسبب تغير الممانعة للدارة المغنطيسية.
5- المحسَّات الضوئية والإشعاعية radiant sensors: تستعمل المحسَّات الضوئية لكشف الإشعاعات الضوئية وآثارها، وتمتاز بحساسيتها العالية لأطياف الضوء المرئي وغير المرئي؛ فهي تعمل في مجال الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية. ويمكن الاستفادة منها في قياس عدة مقادير تشمل الكثافة الضوئية والإزاحة والسرعة وغيرها. تدخل ضمن هذه المجموعة العناصر الكهرضوئية وعناصر الليزر والأشعات الحرارية، ومنها الأنواع الآتية:
أ ـ الخلايا الناقلة للضوء photoconductive cells: تعرف هذه العناصر بالمقاومات الضوئية photoresistors وهي عبارة عن مواد نصف ناقلة حساسة للضوء، تشكّل مقاومة تتغير قيمتها بتغير الشدة الضوئية التي تتعرض لها. يتم الاستفادة من الخلايا الناقلة للضوء في عدة مجالات.
ب ـ الديودات الضوئية photodiodes: يدخل ضمن هذه المجموعة العناصر نصف ناقلة الحساسة للضوء سواءً كانت ديودات ضوئية أم ترانزيستورات ضوئية. كما تضم هذه المجموعة العناصر نصف الناقلة التي تصدر إشعاعات ضوئية عند تمرير تيار كهريائي فيها.
ج ـ خلايا الجهد الضوئية photovoltaic cells: عبارة عن عناصر حساسة للإشعاع الضوئي تستخدم لتحويل الاشعاع الضوئي إلى طاقة كهريائية، ومن أهم أنواعها الخلية الشمسيةsolar cell.
د ـ محس الإشعاع الحراري pyroelectric: تستخدم في هذه المحسَّات عناصر حساسة للاشعاعات الحرارية، وهي في معظم الأحيان عناصر نصف ناقلة تحسس للأشعة تحت الحمراء الصادرة عن المنبع الحراري المراد قياس درجة حرارته، وغالباً ما يستخدم هذا النوع من المحسّات في قياس درجة حرارة الأفران العالية أو المنابع الحرارية ذات درجة الحرارة العالية.
6- المحسَّات الفوق صوتية ultrasonic sensors: تستخدم المحسَّات الفوق صوتية أمواج كهربائية ترددها يزيد على 20 كيلو هرتز (f ≥ 20 KHz) بين المرسل والمستقبل، يمكن الاستفادة منها في التحسس لعدة ظواهر مثل الحركة والموضع، وغيرها.
7- المحسَّات الكيمياوية chemical sensors: تعمل المحسَّات الكيمياوية على تحقيق اتصال كهربائي جيد مع المحاليل الكيميائية والبيولوجية وذلك لتحويل الحالة الكيميائية للمادة، التي يمكن أن توجد بحالة جزيئات أو ذرات أو شوارد، إلى إشارة كهربائية يمكن قياسها والتعامل معها بسهولة.
مجالات استخدام المحسات
يمكن ترتيب المحسَّات حسب مجالات استخدامها كما يأتي:
أ ـ قياس درجة الحرارة: يمكن قياس درجة الحرارة باستخدام أحد المحسَّات الآتية:
ـ مقاومة كاشفة للحرارة R.T.D.
ـ الثرمستور.
ـ مزدوجة كهرحرارية thermocouple.
ـ وصلة نصف ناقلة.
ب ـ قياس الضغط: يستخدم عادة لقياس الضغط أحد المحسَّات الآتية:
ـ عنصر كهرإجهادي piezoelectric element.
ـ عنصر سعوي capacitive element.
ـ أنبوب بوردون.
ـ قائس تشوه.
ج ـ قياس الإزاحة: يتم قياس الإزاحة باستخدام أحد المحسَّات الآتية:
ـ عنصر سعوي.
ـ قائس تشوه.
ـ محس تحريضي.
ـ محول تفاضلي متغير خطياً (LVDT).
د ـ قياس التدفق: يتم قياس التدفق باستخدام أحد المحسَّات الآتية:
ـ مبدأ السلك الساخن hot wire، حيث يتم تسخين سلك كهربائي آنياً نتيجة لتدفق السائل وتغير مقاومته الكهربائية نتيجة لارتفاع درجة حرارته. ويكون تغير المقاومة تابعاً لسرعة التدفق.
ـ مبدأ الأمواج الفوق صوتية ultrasonic.
هـ ـ قياس شدة الضوء: يتم قياس شدة الضوء باستخدام أحد المحسَّات الآتية:
ـ مقاومة ضوئية .photoresistance
ـ خلية ضوئية photocell.
و ـ قياس السيالة المغنطيسية: يتم قياس السيالة المغنطيسية باستخدام مفعول هول.
ز ـ قياس الموضع: يتم قياس الموضع باستخدام أحد المحسَّات الآتية:
ـ محول تفاضلي متغيّر خطياً.
ـ عناصر ضوئية (مرسل، مستقبل) infrared sensor.
ح ـ قياس الاهتزاز: يتم قياس الاهتزاز باستخدام محس كهرضغطي piezoelectric pickup.
ي ـ قياس التسارع: يتم قياس التسارع باستخدام أحد المحسَّات الآتية:
ـ عنصر كهرإجهادي.
ـ محس كهرضغطي
عبد الرحمن ريحان
Sensors - Senseurs
المحسَّات
 |
|
| الشكل (1) | |
ولأهمية المحسَّات في مجالات القياس والتحكم والمجالات الصناعية والطبية والمجالات الأخرى، فقد صارت ضرورية في هذه المجالات، وتمّ الاهتمام بتطويرها وإنتاجها؛ فازدادت أعدادها وأنواعها واختلفت مبادئ عملها وتعددت مجالات استخدامها.
تُعد المحسَّات العناصر الأساسية في أنظمة القياس وفي كثير من أنظمة التحكم، وبفضلها تمكّن العلماء من دراسة وقياس مختلف الظواهر الفيزيائية والكيميائية والحيوية (البيولوجية)، كالحرارة والضغط وشدة الضوء والرطوبة النسبية وقياس حموضة السوائل ونسب الشوارد وغيرها. وباستخدامها أيضاً تمّ التحكم في العديد من التطبيقات، كذلك تمّ بوساطتها قياس المقادير الميكانيكية مثل السرعة والاهتزاز والانزياح.
نظام القياس
 |
|
| الشكل (2) | |
ـ مرحلة الدخل: وتتمثّل بالمحس المستخدم في عملية القياس.
ـ مرحلة تكييف الإشارة: وتمثل دارة القياس.
ـ مرحلة الخرج: وتمثل مرحلة إظهار نتيجة القياس أو القيام بعملية تحكم.
تشكّل مرحلة الدخل المرحلة الأساسية لنظام القياس، وتعتمد بنحو رئيس على نوع المحس المستخدم في نظام القياس حيث يتم في هذه المرحلة التحسس بمقدار الظاهرة المقاسة وتبديله لإشارة كهربائية تسهل معالجتها في المرحلة الثانية، ومن ثم الحصول على نتيجة القياس في مرحلة الخرج. يوضح (الشكل-2) مخططاً بسيطاً لنظام قياس أو نظام تحكم.
أنواع المحسَّات
ولوجود عدد كبير من المحسَّات، وانطلاقاً من الظاهرة المقاسة يمكن ترتيب أنواع هذه المحسَّات ضمن المجموعات الآتية، حيث يتوافر لكل مجموعة صفة مشتركة بين المحسَّات الموجودة ضمنها، وذلك لسهولة البحث عن محسّ معين وفقاً للظاهرة المقاسة: المحسَّات الميكانيكية، والمحسَّات الحرارية، والمحسَّات الكهربائية، والمحسَّات المغنطيسية والمحسَّات الضوئية والإشعاعية، والمحسَّات الفوق صوتية، والمحسَّات الكيميائية.
ليس من السهل وضع المحسَّات ضمن عدد محدد من المجموعات، بل تصنف في عدة مجموعات، وذلك لتعدد مواصفات المحسَّات وكثرة أنواعها، حيث يمكن ترتيبها إما حسب الظاهرة المقاسة أو حسب مجال الاستخدام أو حسب الصفة الكهربائية للمحس.
1- المحسَّات الميكانيكية mechanical sensors: تستخدم أنواع عدة من المحسَّات لقياس المقادير الميكانيكية، مثل الضغط والإزاحة والموضع والسرعة والتسارع والعزم والقوة، ومن أهمها ما يأتي:
 |
|
| الشكل (3) | |
| يبين شريحة قائس التشوه |
ب - المحس السعوي capacitive sensor: يتألف المكثف عادة من صفيحتين معدنيتين يفصل بينهما مادة عازلة كالهواء وغيرها، يستخدم مبدأ السعة في المحسَّات لقياس عدة مقادير مثل الإزاحة والقوة وغيرها. تعطى سعة المكثفة بالعلاقة الآتية:
حيث:
εo: ثابت العازلية في الفراغ ويساوي ت9.85×10-12 ، K ثابت العازلية التي تفصل بين صفيحتي المكثف.
C: سعة المكثف،
 |
|
| الشكل (4) | |
d: المسافة الفاصلة بين الصفحتين المعدنيتين.
بما أن السعة متناسبة طرداً مع العاملين K وA، وعكساً مع العامل d كما هو واضح من العلاقة السابقة فإن أي تغيير في هذه العوامل سيؤدي إلى تغيير قيمة السعة، وهذا ما يتعمده مبدأ عمل المحس السعوي عند تطبيق قوة ما على إحدى الصفحتين فإن المسافة بين الصفحتين تتغير، وبالتالي تتغير السعة، وهذا ما يستفاد منه في تحسس القوة، كما أن إزاحة إحدى الصفحتين ستؤدي إلى تغير السعة، ويستفاد من هذه الحالة في تحسس الإزاحة، ويوضح (الشكل-4) عدة نماذج لمبدأ عمل المحس السعوي.
يتصف المحس السعوي بإمكانيته الجيدة لقياس انزياحات كبيرة، أما مساوئه فهي صعوبة قياس السعة بدقة كبيرة إذ يتطلب ذلك دارات معقدة نسبياً، إضافة إلى مشكلة أسلاك الوصل بين المحس ودارات القياس.
 |
|
| الشكل (5) |
د ـ المحس الكهرإجهادي piezoelectric sensor: يعتمد هذا المحس على توليد قوة محركة كهربائية في عنصر بللوري، حيث تتمتع البللورات بخاصية تجعلها تأخذ قطبية كهربائية نتيجة لتطبيق إجهاد ميكانيكي موجه على نحو مناسب لمحاور هذه البلورات (المحاور الكريستالوغرافية)، ومن خلال التجارب تبين أن الشحنة الكهربائية الناتجة من تلك البلورات تتناسب مع القوة الميكانيكية المطبقة عليها حسب العلاقة الآتية:
Q = K. F
حيث:
Q: الشحنة الكهربائية التي تظهر على سطح البللورة.
K: العامل الكهرإجهادي.
F: القوة الميكانيكية المطبقة على السطحين المتقابلين للبللورة.
يستخدم هذا المبدأ على نحو كبير في محسات قياس الضغط والتسارع. وتتصف المحسَّات الكهرإجهادية بسرعة استجابة عالية وإمكان العمل ضمن مجال حراري مرتفع، ومن مساوئها أنها تتطلب دارات كهربائية معقدة نسبياً لتكييف الإشارة الناتجة من المحس.
 |
|
| الشكل (6-أ) | |
 |
|
| الشكل (6-ب) | |
 |
|
| الشكل (6-جـ) |
ـ الغشاء diaphragm: عبارة عن عنصر بسيط معد لقياس الضغط، أحد الأطراف مفرغ أكثر من الجانب المعرّض للضغط الجوي يؤدي تطبيق الضغط (P) إلى انحراف الغشاء الذي يسبب انحرافاً للمؤشر بمقدار ∆X يتناسب مع قيمة الضغط المقاس (الشكل 6-آ).
ـ المنفاخ bellows: أسطوانة جدرانها عبارة عن شريحة رقيقة تشكل قشرة عميقة التعرجات (الشكل 6-ب)، يرواح عدد التعرجات ما بين 5-20 تعرجاً حسب مجال الضغط (P) المطبق، محكمة من إحدى النهايات، حيث تتحرك هذه النهاية المحكمة محورياً عندما يطبق الضغط على النهاية الأخرى بقيمة ∆X.
ـ أنبوب بوردون Bourdon tube: لهذا الأنبوب (الشكل 6-جـ) شكل حرف (C) له فتحة لدخول الضغط (P) ونهاية وحيدة تتصل مع الآلية الميكانيكية التي تقوم بتحريك المؤشر بمقدار ∆X يتناسب مع قيمة الضغط المطبق على الجهة الأخرى للأنبوب.
كما ويمكن استخدام المحسَّات والتي تعتمد على عناصر كهربائية والتي ذكرت سابقاً مثل قائس الإجهاد، والمحس السعوي، ومحس العنصر الكهرإجهادي لقياس الضغط أيضاً.
2- المحسَّات الحرارية temperature sensors: تستخدم هذه المحسَّات لقياس درجة الحرارة ومراقبتها والتحكم فيها، ومن أنواعها ما يأتي:
أ ـ المقاومة الكاشفة للحرارة resistance temperature detector (R.T.D): تعدّ المقاومة الكاشفة للحرارة من أكثر أنواع المحسَّات الحرارية انتشاراً، وتصنع من البلاتين أو النيكل أو النحاس أو خليطة (نيكل/حديد). تتغير مقاومتها خطياً بتغير درجة الحرارة حسب العلاقة الآتية:
R = R0 (1 + α (t - t0))
حيث:
R: قيمة مقاومة المحسّ كتابع لدرجة الحرارة.
R0: قيمة المقاومة عند درجة الحرارة المرجعية (تعطى عادة عند الدرجة صفر مئوية).
α: المعامل الحراري للمقاومة temperature coefficient.
t درجة الحرارة المقاسة، t0 درجة الحرارة المرجعية (عادة عند درجة الصفر المئوية)
تتصف المقاومة الكاشفة للحرارة بأنها تعمل في مجال متوسط لدرجة الحرارة. ولكنها تتأثر بالتسخين الذاتي، لذلك يجب الانتباه لتيار القياس، في دارة القياس كما يتأثر هذا المحس بمقاومة أسلاك التوصيل.
ب ـ الثرمستور thermistor: الثرمستور عبارة عن عنصر مقاومة يتحسس لتغيرات درجة الحرارة، يُصنع عادة من مواد نصف ناقلة أو من أكاسيد معدنية، وتتغير مقاومته مع تغير درجة الحرارة بتابع غير خطي حسب المعادلة الآتية:
حيث:
R: قيمة المقاومة كتابع لدرجة الحرارة،
R0 قيمة المقاومة عند درجة الحرارة المرجعية (تعطى عادة عند الدرجة صفر مئوية أو عند الدرجة 25 ْم).
β: المعامل الحراري للمقاومة.
T: درجة الحرارة المقاسة بالكلفن .
T0: درجة الحرارة المرجعية (عادة الدرجة k298.15 K)
هناك نوعان للثرمستور هما:
ـ ثرمستور ذو معامل حراري موجب positive temperature coefficient (PTC): وبالتالي تزداد قيمة مقاومة الثرمستور بتابع غير خطي مع ازدياد درجة الحرارة .
ـ ثرمستور ذو معامل حراري سالب negative temperature coefficient (NTC): وبالتالي تنقص قيمة مقاومة الثرمستور بتابع غير خطي مع ازدياد درجة الحرارة.
يمتاز الثرمستور بحساسيته العالية للحرارة بالمقارنة مع المقاومة الكاشفة، وسرعة الاستجابة لتغيرات درجة الحرارة. أما مساوئه فتكمن في مقاومته التي لها تابع غير خطي مع تغيرات درجة الحرارة، مما يتطلب دارة إضافية لتصحيح لا خطية المحس.
 |
|
| الشكل (7) |
فرق الجهد المتولد بين طرفي المزدوجة الكهرحرارية له تابع غير خطي بالنسبة لتغيرات درجة الحرارة. يتوافر للمزدوجة الحرارية عدة أنواع ولكل نوع من هذه الأنواع مجال قياس حراري مختلف عن النوع الأخر وهذه الأنواع هي: R, T, B, N, E, J, K, S وتمتاز المزدوجة الكهرحرارية بأنها تستخدم لقياس الحرارة العالية التي تصل إلى (1700 ْم)، ولكنها أقل استقراراً من المقاومة RTD عند تعرضها للحرارة المتوسطة والعالية في بعض التطبيقات.
د ـ محسَّات وصلة نصف ناقلة P-N junction: يعتمد مبدأ عمل هذه المحسَّات على الاستفادة من تأثير درجة الحرارة في خواص المواد نصف الناقلة لبعض العناصر الإلكترونية، مثل الديود والترانزيستور. تستخدم هذه المحسَّات وصلة نصف ناقلة من نوع (P-N). لقياس درجة الحرارة ضمن المجالات المنخفضة نسبياً (-55 ْم إلى150 ْم) تعطي على خرجها مباشرة تياراً أو جهداً متناسباً خطياً مع تغيرات درجة الحرارة. ومن أكثر المحسَّات انتشاراً واستخداماً في هذه المجموعة الأنواع الآتية:
ـ المحس AD 590: الذي يعطي تياراً خطياً متناسباً مع تغيرات درجة الحرارة بمعدل m1m A / K°
ـ المحس LM 135: الذي يعطي جهداً خطياً متناسباً مع تغيرات درجة الحرارة بمعدل m10m V / C°
وتتصف هذه المحسَّات أيضاً بأنها ذات دقة واستقرار جيدين، وتكرارية عالية، ولا تحتاج إلى دارة إضافية من أجل تكييف الإشارة ومعالجتها، والتي قد تكون ضرورية عند استخدام أنواع أخرى من المحسَّات الحرارية. أما أهم مساوئها فهي عملها ضمن مجال حراري محدود ومنخفض نسبياً بالنسبة لبقية المحسَّات.
3- المحسَّات الكهربائية electrical sensors: وتتصف بأنها تحوِّل المقادير المقاسة سواءً كانت فيزيائية أم ميكانيكية أم ضوئية إلى إشارة كهربائية، تكون غالباً إشارة جهد أو تيار متناسبة مع القيمة المقاسة. وتقسم من الناحية الكهربائية إلى المجموعتين الآتيتين:
أ - محسّات فعَّالة: تقوم هذه المحسَّات بتبديل المقدار المقاس إلى إشارة كهربائية من دون الحاجة إلى تغذية هذه المحسَّات خارجياً، منها المحسَّات الكهرإجهادية، والمحسَّات الكهرحرارية ومحسات الوصلة النصف ناقلة P-N، وغيرها.
ب - محسّات غير فعَّالة: يتطلب عمل هذه المحسَّات تغذية خارجية لكي يتم تبديل المقدار المقاس إلى إشارة كهربائية. تضم هذه المجموعة المحسَّات السعوية، والمحسَّات التحريضية، والمحسَّات التي تعمل بمبدأ المقاومة. وغيرها من المحسَّات.
4- المحسَّات المغنطيسية magnetic sensors: ويعتمد مبدأ عملها على الاستفادة من أثر الحقول المغنطيسية والحقول الكهرطيسية على الخواص المغنطيسية للمواد التي تدخل في تركيبها. وهناك أنواع عديدة لهذا النوع من المحسَّات منها:
أ ـ محس المقاومة المغنطيسية magnetoresistor sensor: يستفاد من خواص المقاومة المغنطيسية للمحس، الذي يكون عادة من مواد نصف ناقلة تتغير قيمتها بتأثير الحقل المغناطيسي المؤثر فيها، للحصول على إشارة كهربائية متناسبة مع تغيرات قيمة المقاومة المغنطيسية وتغيرات الحقل المغنطيسي.
ب ـ محس مفعول أثر هول Hall effect sensor: يعتمد مبدأ عمله على تطبيق حقل مغنطيسي بشكل متعامد مع تيار كهربائي يمر في عنصر نصف ناقل يؤدي إلى توليد جهد كهربائي متناسب مع كثافة السيالة المغنطيسية.
ج ـ محس تحريضي inductive sensor: يتم الاستفادة من خواص العنصر التحريضي في تغيرعامل التحريض الذاتي لوشيعة متحركة قابلة للتمغنط، مما يسبب تغير الممانعة للدارة المغنطيسية.
5- المحسَّات الضوئية والإشعاعية radiant sensors: تستعمل المحسَّات الضوئية لكشف الإشعاعات الضوئية وآثارها، وتمتاز بحساسيتها العالية لأطياف الضوء المرئي وغير المرئي؛ فهي تعمل في مجال الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية. ويمكن الاستفادة منها في قياس عدة مقادير تشمل الكثافة الضوئية والإزاحة والسرعة وغيرها. تدخل ضمن هذه المجموعة العناصر الكهرضوئية وعناصر الليزر والأشعات الحرارية، ومنها الأنواع الآتية:
أ ـ الخلايا الناقلة للضوء photoconductive cells: تعرف هذه العناصر بالمقاومات الضوئية photoresistors وهي عبارة عن مواد نصف ناقلة حساسة للضوء، تشكّل مقاومة تتغير قيمتها بتغير الشدة الضوئية التي تتعرض لها. يتم الاستفادة من الخلايا الناقلة للضوء في عدة مجالات.
ب ـ الديودات الضوئية photodiodes: يدخل ضمن هذه المجموعة العناصر نصف ناقلة الحساسة للضوء سواءً كانت ديودات ضوئية أم ترانزيستورات ضوئية. كما تضم هذه المجموعة العناصر نصف الناقلة التي تصدر إشعاعات ضوئية عند تمرير تيار كهريائي فيها.
ج ـ خلايا الجهد الضوئية photovoltaic cells: عبارة عن عناصر حساسة للإشعاع الضوئي تستخدم لتحويل الاشعاع الضوئي إلى طاقة كهريائية، ومن أهم أنواعها الخلية الشمسيةsolar cell.
د ـ محس الإشعاع الحراري pyroelectric: تستخدم في هذه المحسَّات عناصر حساسة للاشعاعات الحرارية، وهي في معظم الأحيان عناصر نصف ناقلة تحسس للأشعة تحت الحمراء الصادرة عن المنبع الحراري المراد قياس درجة حرارته، وغالباً ما يستخدم هذا النوع من المحسّات في قياس درجة حرارة الأفران العالية أو المنابع الحرارية ذات درجة الحرارة العالية.
6- المحسَّات الفوق صوتية ultrasonic sensors: تستخدم المحسَّات الفوق صوتية أمواج كهربائية ترددها يزيد على 20 كيلو هرتز (f ≥ 20 KHz) بين المرسل والمستقبل، يمكن الاستفادة منها في التحسس لعدة ظواهر مثل الحركة والموضع، وغيرها.
7- المحسَّات الكيمياوية chemical sensors: تعمل المحسَّات الكيمياوية على تحقيق اتصال كهربائي جيد مع المحاليل الكيميائية والبيولوجية وذلك لتحويل الحالة الكيميائية للمادة، التي يمكن أن توجد بحالة جزيئات أو ذرات أو شوارد، إلى إشارة كهربائية يمكن قياسها والتعامل معها بسهولة.
مجالات استخدام المحسات
يمكن ترتيب المحسَّات حسب مجالات استخدامها كما يأتي:
أ ـ قياس درجة الحرارة: يمكن قياس درجة الحرارة باستخدام أحد المحسَّات الآتية:
ـ مقاومة كاشفة للحرارة R.T.D.
ـ الثرمستور.
ـ مزدوجة كهرحرارية thermocouple.
ـ وصلة نصف ناقلة.
ب ـ قياس الضغط: يستخدم عادة لقياس الضغط أحد المحسَّات الآتية:
ـ عنصر كهرإجهادي piezoelectric element.
ـ عنصر سعوي capacitive element.
ـ أنبوب بوردون.
ـ قائس تشوه.
ج ـ قياس الإزاحة: يتم قياس الإزاحة باستخدام أحد المحسَّات الآتية:
ـ عنصر سعوي.
ـ قائس تشوه.
ـ محس تحريضي.
ـ محول تفاضلي متغير خطياً (LVDT).
د ـ قياس التدفق: يتم قياس التدفق باستخدام أحد المحسَّات الآتية:
ـ مبدأ السلك الساخن hot wire، حيث يتم تسخين سلك كهربائي آنياً نتيجة لتدفق السائل وتغير مقاومته الكهربائية نتيجة لارتفاع درجة حرارته. ويكون تغير المقاومة تابعاً لسرعة التدفق.
ـ مبدأ الأمواج الفوق صوتية ultrasonic.
هـ ـ قياس شدة الضوء: يتم قياس شدة الضوء باستخدام أحد المحسَّات الآتية:
ـ مقاومة ضوئية .photoresistance
ـ خلية ضوئية photocell.
و ـ قياس السيالة المغنطيسية: يتم قياس السيالة المغنطيسية باستخدام مفعول هول.
ز ـ قياس الموضع: يتم قياس الموضع باستخدام أحد المحسَّات الآتية:
ـ محول تفاضلي متغيّر خطياً.
ـ عناصر ضوئية (مرسل، مستقبل) infrared sensor.
ح ـ قياس الاهتزاز: يتم قياس الاهتزاز باستخدام محس كهرضغطي piezoelectric pickup.
ي ـ قياس التسارع: يتم قياس التسارع باستخدام أحد المحسَّات الآتية:
ـ عنصر كهرإجهادي.
ـ محس كهرضغطي
عبد الرحمن ريحان