ماهو sensor | تعرف على أهمية الحساسات واستخداماتها في حياتنا اليومية

في وقتنا الحاضر ، من الواضح أننا نعيش في عالم مليء بأجهزة الاستشعار ، حيث أنه بإمكانك العثور عليها بأنواعها المختلفة في أي مكان تجلس فيه سواءً كان ذلك في منزلك أو مكتبك أو حتى سيارتك وما إلى ذلك. 

ما هي الحساسات وما هي وظيفة الحساسات وتطبيقاتها الإلكترونية

بالطبع، وجود أجهزة الاستشعار أو "الحساسات" أو كما يطلق عليها بالأنجليزية "sensors devices" تعمل على جعل حياتنا أسهل بكثير من ما نتوقع.

أن أمثلة وجود الحساسات في حياتنا اليومية تكمن من خلال تشغيل الأضواء اوتوماتيكيًا بمجرد دخولنا الغرفة أو تعديل درجة حرارة الغرفة ، واكتشاف الدخان أو الحريق ، وإعداد القهوة اللذيذة ، وفتح أبواب المرآب بمجرد اقتراب سيارتك من الباب وأيضًا الكثير من المهام الأخرى.

إذًا، نستطيع القول أنه بفضل وجود أجهزة الاستشعار يمكننا القيام بالكثير من مهام الأتمتة الأخرى بطريقة سهلة للغاية.

قبل دخولنا في تفاصيل أكثر عما هو المستشعر "sensor" وماهي أنواعه المختلفة ، وأيضًا ماهي التطبيقات التي تستخدم من خلالها هذه الحساسات. 

سنقوم في بداية الموضوع بإلقاء نظرة على مثال بسيط لنظام تحكم آلي ، اصبح استخدامه أمر ممكن بفضل المستشعرات ( والعديد من المكونات الأخرى أيضًا).

ما هي تطبيقات المستشعرات

نظام الطيار الآلي في الطائرات ، هذا هو المثال الذي سوف نتحدث عنه ، بحيث تتمتع جميع الطائرات سواءً كانت هذه الطائرات مدنية أو عسكرية تقريبًا بميزة نظام التحكم التلقائي في الطيران أو كما يُطلق على هذه الميزة أحيانًا اسم الطيار الآلي.

وظيفة أجهزة الاستشعار في الطائرة

أن نظام التحكم التلقائي في الطيران يتكون من عدة أجهزة استشعار ، بحيث كل مستشعر له مهمة محددة ، على سبيل المثال التحكم في السرعة والارتفاع والموضع والأبواب والعقبة والوقود والمناورة وغيرها الكثير. 

يعمل جهاز الكمبيوتر على أخذ جميع هذه البيانات من جميع المستشعرات ويقوم بمعالجتها من خلال مقارنتها بقيم تم تصميمها مسبقًا.

إقرأ أيضًا:

• ماهو الليزر وكيفية عمله وماهي تطبيقات الليزر الحديثة

بعد ذلك ، يعمل الكمبيوتر على توفير إشارة تحكم لأجزاء مختلفة مثل المحركات واللوحات والدفات وما إلى ذلك من أجل المساعدة على إتمام رحلة سلسة للمسافرين.

أن القيام بالجمع مابين المستشعرات وأجهزة الكمبيوتر والميكانيكا يتيح تشغيل الطائرة في وضع الطيار الآلي.

جميع هذه المستشعرات (التي تعمل على تقديم المدخلات إلى أجهزة الكمبيوتر) ، وأجهزة الكمبيوتر (التي تُعتبر أدمغة النظام) والميكانيكا (التي تُعد مخرجات النظام مثل المحركات) مهمة بنفس القدر من أجل القيام في بناء نظام آلي ناجح.

على أي حال ، في هذا المقالة التعليمية ، سنقوم بالتركيز أكثر على جزء المستشعرات من النظام وسننظر في المفاهيم المختلفة المرتبطة بأجهزة الاستشعار (مثل الأنواع والاستخدامات والتصنيفات وما إلى ذلك).

ما هو sensor ؟

المستشعر هو جهاز يعمل على قياس المدخلات الفيزيائية الموجودة في البيئة المحيطة به ثم بعد ذلك يحولها إلى بيانات. هذه المدخلات يعمل على توفيرها لنظام التحكم الرئيسي (مثل المعالج أو وحدة التحكم الدقيقة).

بمعنى آخر يقوم جهاز sensor بتحويل Physical quantities إلى Electrical quantities. إذًا هو جهاز يقوم بتحويل الإشارات من مجال الطاقة الفيزيائة إلى مجال كهربائي. 

تُعتبر هذه الحساسات جزءًا لا يتجزأ من الحياة العصرية. فعلى سبيل المثال إذا كُنت حاليًا تقرأ هذه المقالة على جهاز كمبيوتر ، فأنت بالتأكيد تستخدم ماوس يحتوي على مستشعر بصري. 

إقرأ أيضًا:

• ما هو الفرق بين Microprocessor و Microcontroller

أما إذا كُنت تقرأ هذه المقالة باستخدام هاتفك الذكي ، فأنت بلا شك تستخدم مستشعرات في جهازك تعمل باللمس في كل مرة تقوم فيها بلمس الشاشة. 

لكن السؤال الذي يطرح نفسه هنا، ما هو المستشعر بالضبط؟

المستشعر هو عبارة عن جهاز يقيس المدخلات المادية من بيئته ويحولها إلى بيانات يمكن تفسيرها من قبل الإنسان أو الآلة. 

معظم المستشعرات إلكترونية (يتم تحويل البيانات إلى بيانات إلكترونية) ، لكن البعض منها يُعتبر أكثر بساطة ، مثل مقياس الحرارة الزجاجي ، الذي يقدم البيانات المرئية. 

العديد من الأشخاص يقوم باستخدام أجهزة استشعار لقياس درجة الحرارة وقياس المسافة واكتشاف الدخان وتنظيم الضغط وعدد لا يُحصى من الاستخدامات الأخرى.

الحساسات الضوئية

أن أبسط مثال على استخدام المستشعرات هو LDR أو كما يُطلق عليه المقاوم المعتمد على الضوء. هذا الجهاز تختلف مقاومته حسب شدة الضوء الذي يتعرض له. 

فعندما يكون الضوء الساقط على LDR كبير ، تصبح مقاومة LDR أقل جدًا وعندما يكون الضوء أقل ، تصبح مقاومة LDR عالية جدًا.

يمكننا  القيام بتوصيل جهاز LDR هذا في مقسم جهد (مع المقاوم الآخر) والتحقق من انخفاض الجهد عبر LDR. يمكن كذلك معايرة هذا الجهد وفقًا لكمية الضوء الساقط على مقاومة الـLDR. ومن ثم ، قياسه باستخدام جهاز استشعار الضوء.

تصنيف الحساسات

هُناك العديد من التصنيفات التي تتمتع بها أجهزة الاستشعار البعض منها بسيط للغاية أما البعض الآخر معقد للغاية. 

في التصنيف الأول لأجهزة الاستشعار (sensors) ، تم تقسيمها إلى قسمين: أجهزة إستشعار نشطة (Active) وأجهزة إستشعار خاملة ( Passive). 

إقرأ أيضًا:

• ماهو microprocessor وماهي وظائفه وكيف يعمل

أن أجهزة الاستشعار النشطة (Actvie Sensors) هي تلك التي تتطلب إشارة إثارة خارجية أو إشارة طاقة من أجل توليد إشارة الخرج.

بينما على الجانب المقابل ، فأن أجهزة الاستشعار الخاملة (Passive Sensors) لا تتطلب أي إشارة طاقة خارجية وتقوم بتوليد استجابة خرج مباشرةً.

يعتمد النوع الثاني من التصنيف على وسائل الكشف المستخدمة في أجهزة الاستشعار ،ومنها بعض وسائل الكشف الكهربائية والبيولوجية والكيميائية والمشعة وما إلى ذلك.

يعتمد التصنيف الثالث لأجهزة الاستشعار على ظاهرة التحويل ، أي المدخلات والمخرجات. فعلى سبيل المثال فأن ظواهر التحويل الشائعة في هذا التصنيف هي الكهروضوئية ، الكهروحرارية ، الكهروكيميائية ، الكهرومغناطيسية ، الحرارية ، وغيرها من التحويلات.

التصنيف الأخير لأجهزة الاستشعار هو أجهزة استشعار تناظرية (Analog sensors) وأجهزة استشعار رقمية (Digital sensors). 

تقوم المستشعرات التناظرية بإنتاج خرج تناظري (Analog Output) ، أي بمعنى إشارة خرج مستمرة فيما يتعلق بالكمية التي يتم قياسها.

بينما على الجانب الآخر ، تقوم أجهزة الاستشعار الرقمية ، على عكس أجهزة الاستشعار التناظرية ، بإنتاج بيانات منفصلة أو رقمية (Digital Output). 

أن البيانات التي تُستخدم من أجل التحويل والنقل في أجهزة الاستشعار الرقمية هي بيانات رقمية بطبيعتها.

أنواع الحساسات sensors (أنواع أجهزة الاستشعار وتطبيقاتها)

فيما يلي سنقوم بعرض لك قائمة تحتوي على أنواع مختلفة من أجهزة الحساسات "sensors" التي تم إستخدامها في الكثير من التطبيقات المختلفة وهي كالتالي:

• جهاز استشعار درجة الحرارة

• مستشعر القرب

• مقياس التسارع

• مستشعر الأشعة تحت الحمراء

• جهاز قياس الضغط

• مستشعر الضوء

• أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية

• مستشعر الدخان والغاز والكحول

• مستشعر يعمل باللمس

• مستشعر اللون

• جهاز استشعار الرطوبة

• مستشعر التدفق والمستوى

أن جميع هذه المستشعرات يتم استخدامها من أجل القيام بقياس إحدى الخصائص الفيزيائية ، على سبيل المثال درجة الحرارة والمقاومة والسعة والتوصيل ونقل الحرارة وما إلى ذلك من كميات فيزيائية "Physical quantities".

إقرأ أيضًا:

• أفضل 2 كتب تشرح plc يمكنك الحصول عليها

في هذه المقالة سنقوم بشرح القليل من أجهزة الاستشعار المذكورة في الأعلى باختصار ، ولكن لاحقًا ، سنقوم بإضافة المزيد من المعلومات حول الحساسات. 

بالأضافة إلى ذلك ، سنقوم في نهاية المقالة بعمل قائمة بالمشاريع الإلكترونية التي تُستخدم فيها الحساسات "sensors".

جهاز استشعار درجة الحرارة

أن أحد أكثر أجهزة الاستشعار شيوعًا وشهرة في الاستخدام هو مستشعر درجة الحرارة. 

أن مستشعر درجة الحرارة ، كما يوحي لنا اسمه ، يقوم باستشعار (قياس) درجة الحرارة ، أي أنه بمعنى أصح يقوم بقياس التغيرات الحاصلة في درجة الحرارة.

في مستشعر درجة الحرارة ، تتوافق التغييرات في درجة الحرارة مع التغيير في خصائصه الفيزيائية مثل المقاومة أو الجهد.

انواع حساسات درجة الحرارة

يتوفر جهاز استشعار درجة الحرارة بأنواع مختلفة مثل:

 

• مستشعر درجة الحرارة ICs (مثل LM35)
• الترمستورات 
• المزدوجات الحرارية 
• RTD (أجهزة درجة الحرارة المقاومة) ، إلخ.

أن حساسات درجة الحرارة يتم استخدامها في كل مكان تقريبًا مثل أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة والسيارات وأنظمة تكييف الهواء والصناعات وما إلى ذلك من استخدامات.

أجهزة استشعار القرب

مستشعر القرب هو مستشعر من النوع غير المتصل يكتشف وجود كائن المار من أمامه. 

يمكن تنفيذ مستشعرات القرب باستخدام تقنيات مختلفة ، على سبيل المثال التقنيات البصرية (مثل الأشعة تحت الحمراء أو الليزر) ، والموجات فوق الصوتية ، والسعة ، إلخ.

المستشعرات في الهواتف الذكية

أن من بعض التطبيقات التي يستخدم فيها مستشعرات القرب هي الهواتف المحمولة ، والسيارات (حساسات وقوف السيارات) ، والصناعات (محاذاة المنتجات) ، والقرب الأرضي في الطائرات ، إلخ.

مستشعر الأشعة تحت الحمراء

مستشعر الأشعة تحت الحمراء هو عبارة عن مستشعر قائم على الضوء يتم استخدامه في تطبيقات مختلفة مثل استشعار القرب واكتشاف الأشياء. 

يتم استخدام الحساسات التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء كحساسات تقارب في جميع الهواتف المحمولة تقريبًا.

انواع حساسات الأشعة تحت الحمراء

يتوفر هُناك نوعان من حساسات الأشعة تحت الحمراء: 

• الأول هو النوع الانتقالي.
• الثاني هو النوع العاكس. 

في مستشعر الأشعة تحت الحمراء من النوع الانتقالي ، يتم وضع جهاز إرسال الأشعة تحت الحمراء (عادةً ما يكون مؤشر LED للأشعة تحت الحمراء) وكاشف الأشعة تحت الحمراء (عادةً ما يكون عبارة عن الصمام الثنائي للصور) في مواجهة بعضهما البعض بحيث عندما يمر كائن أو شخص بينهما ، يقوم الحساس بإكتشاف ذلك الشخص.

إقرأ أيضًا:

• أفضل الكتب لتعلم صيانة وإصلاح الأجهزة الالكترونية

بينما النوع الآخر من حساس الأشعة تحت الحمراء هو حساس الأشعة تحت الحمراء من النوع العاكس. 

في هذا النوع ، يتم وضع جهاز الإرسال والكاشف بجوار بعضهما البعض في مواجهة الكائن (أو الشخص). عندما يأتي جسم ما أمام المستشعر ، يكتشف المستشعر ذلك الشخص.

هُناك أيضًا تطبيقات مختلفة يتم من خلالها تنفيذ حساسات الأشعة تحت الحمراء ، على سبيل المثال الهواتف المحمولة والروبوتات والتجميع الصناعي والسيارات وما إلى ذلك من تطبيقات تكنولوجية.

أيضًا هُناك بعض المشاريع الصغيرة ، حيث تستخدم فيها أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء لتشغيل أضواء الشوارع: على سبيل المثال مصابيح الشوارع باستخدام أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء.

أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية (Ultrasonic sensors)

أن جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية عبارة عن جهاز من النوع الغير متصل يمكن استخدامه لقياس المسافة وكذلك سرعة الجسم. 

يعمل حساس الموجات فوق الصوتية (Ultrasonic sensor) على أساس خصائص الموجات الصوتية بتردد أكبر من النطاق المسموع بالنسبة للإنسان.

باستخدام وقت سرعة الموجة الصوتية ، يمكن لحساس الموجات فوق الصوتية القيام بقياس مسافة الجسم (على غرار سونار) ، الذي يتم فيه استخدام خاصية Doppler Shift للموجة الصوتية من أجل القيام بقياس سرعة الجسم.

إقرأ أيضًا:

• أفضل 8 كتب تشرح الاردوينو للمبتدئين

يُعتبر جهاز Range Finder القائم بدوره على جهاز Arduino مشروعًا بسيطًا يتم فيه استخدام مستشعر الموجات فوق الصوتية. بحيث يُعد عبارة عن جهاز لقياس المدى باستخدام الموجات فوق الصوتية.

فيما يلي سنعرض لك قائمة صغيرة بالمشاريع بناءً على عدد قليل من المستشعرات المذكورة في الأعلى ، هذه المشاريع هي كالتالي:

• حساس الضوء أو كما يُطلق عليه كاشف الضوء باستخدام مقاومة LDR الذي شرحناه في الأعلى.

• مستشعر الحريق (دائرة إنذار باستخدام كاشف الدخان).

• صنع جهاز قياس نسبة الكحول في التنفس.

• مستشعر اللمس - دائرة تبديل DIMMER تعمل باللمس باستخدام ARDUINO.

• مستشعر اللون - حساس الالوان مع استخدام جهاز الاردوينو.

• مستشعر الرطوبة DHT11 باستخدام أردوينو.

• مستشعر زاوية الإمالة باستخدام جهاز Arduino.

في نهاية هذا الموضوع العلمي الرائع للغاية ، تمكنا من معرفة ما هي الحساسات وأهميتها أو كما يُطلق عليها بالمستشعرات ، وما هي تصنيفاتها وأنواعها المختلفة إلى جانب تطبيقاتها العملية وأهم المشاريع الإلكترونية التي يمكن تنفيدها باستخدام هذه sensors.