เกร็ดความรู้

เซนเซอร์ 

 

     ที่มา http://www.youtube.com/ http://www.google.com/

                      การใช้งานในด้านความปลอดภัย  การใช้รถ ใช้ถนน  ใช้เป็นตัวบอกถึงอันตรายสามารถบอกเตือนภัยและให้ความรู้สึกก่อนตัดสินใจได้จะมีเสียงสัญญานเตือนอันตรายช่วยลดอุบัติเหตุและค่าใช้จ่ายใช้ไปนานๆสัญญานจะไม่ทำงาน ต้องเจาะกันชนหลังเพื่อจะติดตั้งอุปกรณ์

เซนเซอร์

      เซนเซอร์ คือ ตัวที่ใช้ตรวจจับสภาวะใด ๆ เช่น อุณหภูมิ  สี  แสง  หรือ วัตถุ ต่าง ๆ โดยอาศัยหลักการที่แตกต่างกันไปแต่ละตัว เพื่อ เปลี่ยนจากคุณสมบัติของฟิสิกส์ มาเป็นคุณสมบัติทางไฟฟ้า เช่น ที่ใช้งานกันใน Sumo Robot คือ เซนเซอร์ สีขาวดำ โดยอาศัยหลักการสะท้อนแสงของสีขาวและสีดำ ทางฟิสิกแล้วจะเห็นว่าสีขาวมีอัตราการสะท้อนแสงมากกว่าสีดำ  เราจึงสามารถนำแสงสะท้อนมาเปรียบเทียบได้ โดยใช้ตัวเซนเซอร์คือ อุปกรณ์จำพวก โฟโต้ เช่น โฟโต้ไดโอด โฟโต้ทรานซิสเตอร์ LDR เป็นต้น ซึ่งจะมีความไวต่อแสงมาก ตัวเซนเซอร์ส่วนใหญ่เมื่อแสดงผลเอาพุต จะแสดงผลในรูปความต้านทานที่เปลี่ยนไปตามสภาวะของตัวเซนเซอร์นั้น  ๆ  ในปัจจุบัน ในวงการเซนเซอร์ ได้พัฒนาไปมาก มีเซนเซอร์ให้เราได้เลือกใช้มากมาย  มีวงจรที่ง่ายขึ้น  มีความแน่นอน สูง  จึงทำให้เราสามารถมีตัวเลือกในการใช้งานมากขึ้น งานที่เราจะทำก็ ง่ายขึ้น ถ้าจะศึกษาด้านนี้ โดยตรง ก็ลองหาหนังสือมาอ่านดู  จะได้มีความรู้สามารถคิดประดิษฐ์โครงงานใหม่ มาอวดโฉมกันต่อไป เพราะในบางสิ่งที่เราคิดไม่ถึงว่า เซนเซอร์จะสามารถตรวจจับได้  เช่น  ปริมาณการไหลของน้ำ  อากาศ การทรงตัวของหุ่นยนต์ 2 ขา หรือ เซนเซอร์วัดปริมาณฝุ่นในอากาศ กลิ่น หรือ น้ำในกล่อง เป็นต้น ในปัจจุบันก็มีเซนเซอร์ จำพวกนี้ให้เราเลือกใช้กันแล้วครับ 

เซ็นเซอร์

            การติดตั้งอุปกรณ์ตรวจจับต่างๆ ขึ้นอยู่กับ ลักษณะการใช้งาน และความสนใจในข้อมูลทางวิทยาศาตร์ ในการสำรวจพื้นผิวดาวเคราะห์ของหุ่นยนต์สำรวจ อาจติดตั้งเซ็นเซอร์ มากกว่า 100 รูปแบบ เพื่อวิเคราะห์ข้อมูลต่างๆ ให้ได้มากที่สุด และนี่คือ เซ็นเซอร์แบบต่างๆ ที่ง่ายและพื้นฐาน ที่สุด
เซนเซอร์แสงเซนเซอร์แสงจะทำหน้าที่เปลี่ยนแบบต่าง ๆ ให้กลายเป็นสัญญาณไฟฟ้า ทำหน้าที่เป็นตาของหุ่นยนต์ โดยอุปกรณ์เซนเซอร์แสงที่นิยมใช้ในหุ่นยนต์ได้แก่

LDR
แอลดีอาร์ (LDR) ย่อมาจาก Light Dependent Resistor ทำหน้าที่เปลี่ยนระดับความเข้มแสงให้กลายเป็นค่าความต้านทานทางไฟฟ้าโดยถ้า มีแสงตกกระทบมากแอลดีอาร์จะมีค่าความต้านทานน้อย

 

 โมดูลตรวจวัดระยะทางด้วยแสงอินฟราเรด

 คุณสมบัติ        

เป็นโมดูลตรวจจับระยะทางแบบอินฟราเรด ที่สามารถวัดระยะทาง

โฟโต้ทรานซิสเตอร์Photo Transistor มีหลักการทำงานคือ เมื่อแสงมากระทบจนมีค่าถึงระดับหนึ่งจึงจะทำงาน ซึ่งกระแสไฟฟ้าจะไหลเพียงทางเดียวนิยมใช้วัดแสงที่มีความเข้าไม่แตกต่างกัน มากนัก และยังสามารถรับแสงที่ตาเปล่ามองไม่เห็น
โฟโต้ไดโอดPhoto Diode มีหลักการทำงานเหมือนโฟโต้ทรานซิสเตอร์ แต่จะนำกระแสได้น้อยกว่า

            เซนเซอร์สัมผัส เซนเซอร์สัมผัสเป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เปลี่ยนการสัมผัส ให้เป็นสัญญาณทางไฟฟ้า ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นผิวหนังรับความรู้สึกของหุ่นยนต์ โดยอุปกรณ์เซนเซอร์สัมผัสที่นิยมใช้ในหุ่นยนต์ ได้แก่
          สวิทช์แบบกลไกล Mechanical Switch เป็นอุปกรณ์แบบกลไก ที่ทำหน้าที่รับแรงกดโดยที่หน้าสัมผัสของสวิทช์จะเกิดการนำกระแสไฟฟ้า ซึ่งเราสามารถนำไปตัดต่อให้เกิดสัญญาณทางไฟฟ้าได้

เซนเซอร์อุณหภูมิ  เซนเซอร์อุณหภูมิ (Temperature Sensor) เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เปลี่ยนระดับอุณหภูมิ เช่น ร้อน-เย็น เป็นระดับแรงดันไฟฟ้า ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นส่วนรับความรู้สึกของหุ่นยนต์
เทอมิสเตอร์  Thermister เป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนอุณหภูมิให้กลายเป็นระดับความต้านทาน ซึ่งมีอยู่ 2 แบบ คือ เอ็นทีซี และ พีทีซี

 เซนเซอร์เสียง  เซนเซอร์ทำหน้าที่เปลี่ยนความถี่เสียงให้กลายเป็นสัญญาณไฟฟ้า ทำหน้าที่คล้ายเป็นหูของหุ่นยนต์ โดยอุปกรณ์เซนเซอร์เสียงที่นิยมใช้ในหุ่นยนต์ได้แก่

คอนเดนเซอร์ ไมโครโฟน  Condenser Microphone ทำหน้าที่เปลี่ยนระดับของเสียงให้กลายเป็นระดับแรงดันไฟฟ้า ซึ่งมีขนาดเล็กและความไวสูง

อัลตราโซนิคเซนเซอร์
Ultrasonic Sensor ทำหน้าที่คล้ายกับไมโครโฟน แต่จะรับเฉพาะความถี่ที่สูงประมาณ 38-40 กิโลเฮิทซ์ ซึ่งสูงกว่าที่หูมนุษย์จะได้ยิน มักนำไปใช้ในการวัดระยะทาง

หลักการทำงานของเซนเซอร์

               เซนเซอร์เป็นอุปกรณ์ตรวจจับปริมาณทางฟิสิกส์ต่างๆแล้วทำหน้าที่เปลี่ยนไปเป็นปริมาณที่ได้จากการตรวจวัดในอีก รูปแบบหนึ่ง ซึ่งเป็นสัญญาณที่เซนเซอร์จะนำไปประมวลผลต่อ รูปที่1.2จึงแสดงให้เห้นถึงหลักการทำงานพื้นฐานของเซนเซอร์แบบต่างๆโดยเทอร์มิสเตอร์(themistor)สเตรนเกจ(strain-gauge) เป็นเซนเซอร์ที่ให้สัญญาณออกเป็นรุปแบบของค่าต้านทานทางไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลง ถึงแม้เซนเซอร์หลายแบบให้สัญญาณออกเป็นรุปแบบค่าต้านทานไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงไปตามปริมาณทางฟิสิกส์ที่ตรวจสอบอยู่ แต่ก็ยังมีเซนเซอร์อีกมากมายที่ให้สัญญาณออกมาในลักษณะค่าแรงดัน กระแสไฟฟ้า ความถี่ ด้วยสปริงสมดุลเป็นเซนเซอร์อีกชนิดหนึ่งที่ให้ปริมาณเอาต์พุตในลักษณะการขจัดที่แปรเปลี่ยนเป็นสัดส่วนไปตามภาระหรือโหลดที่กระทำกับสปริง โดยมีเข็มชี้บอกระยะขจัดที่เกิดขึ้น  หลอดเวนทูรีเป็นเซนเซอร์ใช้ทำหน้าที่วัดผลต่างของความดันซึ่งสามารถนำมาคำนวณเป็นอัตราการไหลได้

 การทำงานของเซนเซอร์ลักษณะต่างๆ

       แสง = อันนี้มีมากครับ บางอย่างก็ใช้การยิงแสงรอไว้ให้ครบวงจร แล้วถ้ามีวัตถุผ่านลำแสง ก็จะทำให้วงจรขาดแะเกิดการตรวจจับขึ้น
          เสียง = ให้คิดถึงไมโครโฟนครับ ที่สามารถรับการเปลี่ยนแปลงของเสียงที่มากระทำบนแผ่นวัสดุที่บางมาก ทำมาจากแผ่นซิลิคอน และมีการใช้วงจรตรวจจับการเปลี่ยนแปลง
       แม่เหล็ก = ภายในจะมีวัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็ก เช่น NiFe ที่จะมีการเคลื่อนตัวตามแรงกระทำจากสนามแม่เหล็กภายนอก แรงที่เกิดขึ้นจะไปดันให้แท่งตัวนี้เคลื่อนที่และเกิดการเปลี่ยนแปลงที่คานยึดของมัน ให้ค่าความต้านทานที่เปลี่ยนแปลงไปครับ
   อุณหภูมิ = โดยพื้นฐานก็ใช้วัสดุที่มีการเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิครับ เช่น ความต้านทาน ปริมาตร เช่น ปรอท เป็นนต้น แต่ถ้าเป็นเซนเซอร์ น่าจะเป็นการเปลี่ยนแปลงตัวต้านทานครับ

         แรงดัน = ก็จะใช้ความต้านทานที่เปลี่ยนแปลงไปเหมือนกันครับ แต่จะใช้มากหน่อย มีหลายตัวมากๆ เพื่อให้สามารถตรวจจับได้ดีขึ้น นึกถึงแผ่นวัดน้ำหนักที่ตำรวจถือไปวัดรถบรรทุก นั่นล่ะครับส่วนแรงบิท ไม่รู้อ่ะ

        สรุปคือ   จะตรวจรู้อะไร ต้องให้วัสดุที่อยู่ให้เซนเซอร์มีการเปลี่ยนแปลงจากสื่งที่ต้องการรู้แล้วตรวจจับการเปลี่ยนแปลงนั้นมา ปรับเทียบ กับอุปกรณ์ที่เป็นมาตรฐานครับหวังว่าคงช่วยได้นะเนี่ย

     หลักการง่ายๆ คือ ตัวเซนเซอร์จะทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณกายภาพให้กลายเป็นสัญญาณทางไฟฟ้า  เช่น เซนเซอร์วัด อุณหภูมิ ประเภท thermocouple เปลี่ยนอุณหภูมิ ให้เป็น ความต่างศักย์ที่อุณหภูมิหนึ่งก็จะมีความต่างศักย์ค่าหนึ่ง แต่เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป ความต่างศักย์ก็จะเปลี่ยนไปด้วยเซนเซอร์ ส่วนใหญ่จะใช้ในพวกเครื่องมือวัด หรือ อุปกรณ์อื่นๆที่ต้องการทราบการเปลี่ยนแปลงปริมาณทางกายภาพที่เราสนใจ เช่น เครื่องปรับอากาศ ก็มี เซนเซอร์จับอุณหภูมิในห้อง เพื่อควบคุมการทำงานของเครื่องทำความเย็น เป็นต้นถ้าถามว่าเซนเซอร์ทำมาจากอะไร คำตอบคือ มีหลากหลาย ขึ้นอยู่กับว่าเป็นเซนเซอร์ชนิดไหนครับ ดังเช่น   thermocoupleทำมาจากลวดโลหะสองชนิด นำปลายด้านหนึงมาต่อกัน ปลายที่เหลือเมื่อวัด ความต่างสักย์จะพบว่า ความต่างสักย์จะเปลี่ยนเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงคร่าวๆ

การทำงานของวงจรเซนเซอร์แสง

         วงจรเซนเซอร์แสงจะประกอบด้วยอุปกรณ์หลัก ๆ  3  ส่วน  คือ  ตัวแอลดีอาร์  ตัวต้านทาน  และทรานซิสเตอร์  โดยวงจรจะมีอยู่  2  แบบ  คือ  ทำงานเมื่อมีแสง และทำงานเมื่อไม่มีแสง  ซึ่งการทำงานของทั้งสองวงจรจะใช้ในงานต่างกัน   เพื่อความเข้าใจในการทำงานของวงจร  จะยก

ตัวอย่างวงจรเซนเซอร์แสงแบบทำงานเมื่อมีแสง  ดังรูป

        วงจรนี้ประยุกต์ใช้กับการทำงานของมอเตอร์  มีหลักการทำงานคือ  ในสภาวะที่ไม่มีแสงตกกระทบแอลดีอาร์  จะทำให้ตัวแอลดีอาร์มีค่าความต้านทานสูงจึงทำให้มีกระแสไหลผ่าน  RESISTOR  น้อยมาก  เป็นผลให้มีแรงดันและกระแสที่ไหลเข้าขาเบสของทรานซิสเตอร์ไม่เพียงพอ  ทำให้ทรานซิสเตอร์ไม่นำกระแส  จึงไม่มีกระแสไหลผ่านรีเลย์ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ทำงานด้วยไฟฟ้าที่ทำหน้าที่เป็นเสมือนสวิทช์ปิดเปิดที่ทำให้มอเตอร์หมุน  เมื่อไม่มีกระแสไหลผ่านรีเลย์จึงทำให้รีเลย์ไม่ทำงานทำให้มอเตอร์ไม่หมุน  แต่เมื่อมีแสงตกกระทบแอลดีอาร์  ก็จะทำให้มีกระแสไหลผ่าน  RESISTOR  ทำให้มีแรงดันและกระแสไหลเข้าขาเบสของทรานซิสเตอร์เพียงพอทำให้ทรานซิสเตอร์นำกระแส  จึงมีกระแสไหลผ่านรีเลย์ทำให้มอเตอร์หมุนได้

     รูปแสดงลักษณะการต่ออุปกรณ์บนแผ่นปริ้นท์

   โดยทั่วไปเทคโนโลยีของเซนเซอร์ได้ถูกนำไปใช้เป็นองค์ประกอบหลักที่สำคัญในลักษณะงาน
2 ประเภท

               1.ใช้ตรวจวัดปริมาณทางฟิสิกส์    เพื่อนำไปแสดงผลการตรวจวัดหรือจัดเก็บบันทึกเป็นข้อมูลในระบบการวัด

               2.ใช้ตรวจสอบสภาพกระบวนการในระบบการควบคุม   เซนเซอร์สำหรับการตรวจวัดข้อมูลที่เป็นตัวแปรทางฟิสิกส์ โดยมาก

              จะถูกนำไปใช้เป็นข้อมูลเพื่อแสดงสถานะสภาพของระบบในขณะนั้น เช่น เซนเซอร์วัดความเร็วในรถยนต์ และมิเตอร์วัดความ

              เร็ว เป็นต้น แต่ในบางครั้งเซนเซอร์อาจจะใช้สำหรับการบันทึกข้อมูลเพื่อใช้สำหรับการบันทึกข้อมูลแสดงสมรรถนะของระบบ

             ได้เช่นกัน เช่น ทาโคกราฟ(tachograph) ที่บันทึกข้อมูลแสดงเป็นกราฟของความเร็วเทียบกับเวลาในรถยก หรือรบรรทุก

         เป็นต้น

         สำหรับกรณีของเซนเซอร์ที่ใช้ในการตรวจสอบสภาพกระบวนการส่วนใหญ่แล้วจะมีความหลากหลายและแตกต่างกันน้อยกว่าเซนเซอร์ที่ใช้สำหรับตรวจวัดและบันทึกข้อมูลข้างต้น ทั้งนี้เนื่องจากเซนเซอร์สำหรับตรวจวัด และบันทึกข้อมูลจำเป็นต้องมีความหลากหลายแตกต่างกันไปตามปริมาณทางฟิสิกส์ที่ทำการวัดและจัดเก็บเป็นข้อมูลที่จะนำไปใช้งานต่อไป  ในส่วนของระบบควบคุมทั่วไปสัญญาณออกหรือข้อมูลที่ได้จากเซนเซอร์จะถูกป้อนไปเป็นสัญญาณอินพุตให้กับอุปกรณ์ควบคุมกระบวนการของระบบ เพื่อให้การทำงานของระบบเป็นไปตามที่เราต้องการ เช่น สัญญาณออกหรือข้อมูลที่ได้จากเซนเซอร์ตรวจสอบความเร็วล้อรถในระบบเบรกป้องกันล้อล็อก จะถูกส่งไปควบคุมแรงดันปั๊ม

ไฮโดรลิกของเบรกทำการบังคับและห้ามล้อไม่ให้เกิดการลื่นไถลในขณะที่ผู้ขับทำการเบรก

Thermister เป็น อุปกรณ์ตัวจับความร้อนที่ใช้สำหรับป้องกันอุณหภูมิที่สูงเกินกว่าค่าที่ กำหนดไว้ที่ตัวเซนเซอร์ จะทำงานร่วมกับรีเลย์ ตัวมันเองมีขนาดเล็ก และเป็นตัวตรวจจับความร้อนที่นิยมใช้มากที่สุด

             Thermister ผลิตจากการโด๊ปสารเซมิคอนดักเตอร์ประเภทหนึ่ง ทำให้มีคุณสมบัติมีค่าความต้านทานเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ

            Thermister มีอยู่สองประเภทคือ NTC และ PTC ชนิดที่ใช้ในวงการมอเตอร์ คือ ชนิด PTC โดย มีหลักการทำงานคือค่าความต้านทานของตัวมันจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิที่เพิ่ม ขึ้น แต่การเพิ่มขึ้นของค่าความต้านทาน จะไม่เป็นเส้นตรง และมีการลดลงในบางช่วงซึ่งเป็นช่วงที่ไม่อยู่ในจุดที่ใช้งาน ยกตัวอย่างเช่น Thermister PTC 150  ถ้าเราให้ความร้อนที่ตัวเซนเซอร์ในช่วงแรกค่าความต้านทานของมันจะลดลงเล็กน้อย ปกติค่าความต้านทานจะอยู่ประมาณ 50 โอห์มที่ 30 องศา แต่เมื่ออุณหภูมิที่ตัวเซนเซอร์ตรวจจับได้มีอุณหภูมิประมาณ 130 องศาค่าความต้านทานของมันจะเพิ่มสูงขึ้นและจะสูงขึ้นเกือบเป็นเส้นตรงเมื่อมีอุณหภูมิที่ตัวจับได้ 145 องศา

Thermister จะถูกนำไปต่อเข้ากับ Thermister Relay ที่มีหน้าที่คอยตรวจจับค่าความต้านทานของ Thermister ว่ามีความต้านทานตามที่กำหนดไว้หรือยัง ซึ่งปกติจะอยู่ประมาณ 2700 -3500 โอห์ม นั่นก็หมายความว่า Thermister  PTC 150 ที่อุณหภูมิ 150 องศา ตัวมันเองจะมีค่าความต้านทานที่เกินกว่าค่า 2700-3500 โอห์ม นั่นก็หมายความว่าเมื่ออุณหภูมิสูงถึง 150 องศาค่าความต้านทานของ Thermister จะเป็นตัวสั่งให้ Thermister Relay ทริปวงจรออก

ส่วนเทอร์มิสเตอร์ประเภท NTC จะมีคุณสมบัติตรงข้ามกับแบบ PTC และ ให้อัตราการเปลี่ยนแปลงด้านความต้านทานต่ออุณหภูมิที่ค่อนข้างเกือบคงที่ กว่า แต่มักจะถูกใช้ในตัวเซ็นเซอร์ประเภทเครื่องมือวัดอุณหภูมิประเภทมือถือเสีย เป็นส่วนใหญ่

ค่าของ NTC Thermister ที่ใช้กับตู้เย็นรุ่นใหม่ ภายในช่องฟรีสเซอร์ ใช้คอมพิวเตอร์ควบคุม

-20 องศาC     มีค่าความต้านทาน     22.3K

-15 องศาC     มีค่าความต้านทาน     16.9K

-10 องศาC     มีค่าความต้านทาน     13.0K

-5 องศาC        มีค่าความต้านทาน     10.1K

0 องศาC          มีค่าความต้านทาน     7.8K

+5 องศาC        มีค่าความต้านทาน     6.2K

+10 องศาC      มีค่าความต้านทาน     4.9K

+15 องศาC       มีค่าความต้านทาน     3.9K

+20 องศาC        มีค่าความต้านทาน     3.1K

+25 องศาC        มีค่าความต้านทาน     2.5K

+30 องศาC        มีค่าความต้านทาน     2.0K

+40 องศาC        มีค่าความต้านทาน     1.4K

+50 องศาC        มีค่าความต้านทาน     0.8K

( Bimetallic / Thermไบเมทอลลิค หรือ เทอร์โมสตัท ostat )

เป็นอุปกรณ์ตัวจับความร้อนที่ใช้สำหรับป้องกันอุณหภูมิที่สูงเกินกว่าค่าที่กำหนดไว้ที่ตัวเซนเซอร์

Bimetallic ทำ งานเหมือนเทอร์โมสตัทของเตารีด จะถูกติดตั้งไว้ที่ขดลวดบริเวณปลายคอยล์เนื่องจากมีขนาดค่อนข้างใหญ่ เพราะตัวมันเองจะมีหน้าสัมผัสอยู่แล้ว การใช้งานจะนำไปต่อเข้ากับชุดคอนโทรลโดยตรง

อาร์ทีดี ( RTD )มีหลายประเภท ประเภทที่นิยม คือ PT100 โดยที่ PT100 มีความหมายว่า ที่อุณหภูมิ 0 องศาตัว PT100 จะมีค่าความต้านทาน 100 โอห์ม RTD ต้องใช้ร่วมกับรีเลย์เช่นกัน สามารถเซ็ทได้เป็นทั้งชุดป้องกันอุณหภูมิสูง หรือใช้วัดค่าอุณหภูมิได้เลย

ข้อเสียมีราคาค่อนข้างแพง