كيف تعمل مستشعرات القرب في الصناعات المختلفة؟

توجد في العالم التكنولوجي المعاصر مليارات العمليات التي تتحكم فيها أجزاء خفية وفي معظم الحالات غير معروفة. وسواء كانت الحركات المعقدة لخط الإنتاج في المصنع أو شاشة الهاتف الغبية التي تصبح خافتة مع مكالمة هاتفية، فإن أجهزة استشعار القرب هي التي تجعل الأتمتة والتصميم الذكي ممكنًا خلف الكواليس. تمنح هذه الأجهزة الآلات حاسة أساسية - وهي القدرة على رؤية أو استشعار حدوث أي شيء دون لمسه بالضرورة. وقد برز هذا الأمر ليكون حجر الزاوية في الكفاءة والسلامة والتصميم الذي يركز على المستخدم في جميع الصناعات الكبيرة تقريبًا. ستلقي هذه الورقة البحثية الضوء على مبادئ هذه العناصر الحاسمة، وتوضح أهم مزاياها في مستشعرات القرب، وتناقش استخداماتها التي تغير قواعد اللعبة في أهم المشاريع الصناعية.

ما هي مستشعرات القرب ولماذا تعتمد عليها الصناعات؟

لتقدير تأثيرها، يجب على المرء أولاً أن يفهم طبيعتها الأساسية والمزايا المميزة التي تقدمها مقارنة بالبدائل الميكانيكية التقليدية.

ما هو مستشعر القرب؟

جهاز استشعار القرب هو أداة إلكترونية لديها القدرة على اكتشاف وجود الأجسام القريبة دون اتصال مادي. يعمل المجس تجارياً عن طريق إسقاط مجال طاقة في المنطقة المجاورة له مباشرة، مثل المجال الكهرومغناطيسي أو شعاع الأشعة تحت الحمراء أو شعاع الضوء بالأشعة تحت الحمراء أو شعاع الصوت بترددات عالية وما إلى ذلك. ثم يقوم بتحليل هذا التغيير في هذا المجال أو إشارته المرتجعة. وبمجرد أن يكسر جسم ما في منطقة الكشف هذا المجال، تتحول دائرة الخرج في الحساس وتشير إلى وجود الجسم إلى نظام التحكم المتصل (مثل PLC أو وحدة التحكم المنطقية المنطقية القابلة للبرمجة أو وحدة التحكم الدقيقة أو الكمبيوتر). السمة المميزة التي تميز حساسات القرب عن غيرها من الأجهزة الميكانيكية الأخرى مثل مفاتيح القرب هي أن حساسات القرب يمكن تحديدها كمبدأ عدم التلامس.

لماذا لا غنى عن هذه التقنية

إن الاعتماد الواسع النطاق لأجهزة استشعار القرب ليس من قبيل الصدفة؛ فهو نتيجة مباشرة للمزايا التشغيلية المقنعة التي توفرها، مما يجعلها لا غنى عنها في الأتمتة الحديثة.

• تعزيز الموثوقية وطول العمر الافتراضي: نظرًا لأن مستشعرات القرب لا تحتوي على أجزاء متحركة، فهي لا تخضع للبلى الميكانيكي الذي يصيب المفاتيح التقليدية. ويؤدي هذا التصميم ذو الحالة الصلبة إلى عمر تشغيلي أطول بكثير ويقلل من متطلبات الصيانة، مما يؤدي إلى تقليل وقت التعطل وانخفاض التكاليف على المدى الطويل.
• تشغيل عالي السرعة: غير مقيدة بالقصور الذاتي الميكانيكي، يمكن لأجهزة الاستشعار الإلكترونية أن تعمل وتتوقف بسرعات عالية للغاية. وهذا يجعلها مثالية للتطبيقات التي تنطوي على عمليات سريعة، مثل عد الأجسام على حزام ناقل سريع الحركة أو مراقبة حركة جسم ما في الآلات.
• السلامة وسلامة المنتج: تسمح طبيعة عدم التلامس لهذه المستشعرات باكتشاف الأجسام دون إزعاجها. وهذا أمر بالغ الأهمية في التطبيقات التي يكون فيها الهدف حساساً أو مطلياً حديثاً أو معقماً. كما أنها تعزز سلامة المشغل من خلال السماح للماكينات باستشعار المنطقة المجاورة الأيدي أو الأدوات في المناطق الخطرة.
• المرونة البيئية: يتم غلق العديد من أنواع مستشعرات القرب في حاويات متينة، مما يجعلها شديدة المقاومة لـ الظروف البيئية مثل الغبار والرطوبة والزيت والملوثات الكيميائية. وهذا يسمح لها بالعمل بموثوقية في البيئات الصناعية القاسية حيث تفشل الأجهزة الميكانيكية بسرعة.

فهم الأنواع الأربعة الأساسية لتقنيات الاستشعار عن قرب

على الرغم من أن جميع أجهزة استشعار القرب تستند إلى نفس مبدأ الكشف عن عدم التلامس، إلا أنها تؤدي المهمة على أساس مبادئ فيزيائية متنوعة. ويتحدد اختيار نوع المستشعر حسب طبيعة مادة الجسم المستهدف، ونطاق الاستشعار المطلوب، وبيئة التشغيل. هناك أربعة أنواع رئيسية من مستشعرات القرب السائدة، وهي القرب الاستقرائي والقرب الاستقرائي والقرب السعوي والقرب الكهروضوئي والقرب فوق الصوتي. مستشعرات القرب الاستقرائي

المستشعر الحثي هو العمود الفقري للأتمتة الصناعية للكشف عن الأجسام المعدنية.

مبدأ العمل:

وبدلاً من ذلك، سينتج المستشعر الاستقرائي مجالاً كهرومغناطيسياً عالي التردد، من خلال ملف على وجه الاستشعار. سوف تنتج الأجسام المصنوعة من مادة معدنية (مواد حديدية أو غير حديدية) تيارات كهربائية صغيرة جداً، تسمى تيارات الدوامة، على أسطحها الخارجية عندما يتم إدخالها في هذا المجال. تتسبب هذه التيارات الدوامة في تكوين قوة مجال مغناطيسي ثانٍ يعاكس المجال الأصلي على المستشعر ويقلل من قوته. يتم استشعار هذا الفقدان في تذبذب المجال داخلياً بواسطة دارة الحساس ويستخدم لإحداث الخرج.

الكائنات المستهدفة: يكتشف الأجسام المعدنية حصرياً.

المزايا:

• قوية ومتينة للغاية.
• مقاومة عالية للأتربة والأوساخ والزيوت والرطوبة.
• سرعات تبديل سريعة وعمر تشغيلي طويل جداً.
• يمكن أن تتحمل درجات الحرارة القصوى.

العيوب:

• يقتصر على الكشف عن الأهداف المعدنية فقط.
• نطاق الاستشعار قصير نسبيًا، ويتراوح عادةً من بضعة ملليمترات إلى حوالي 60 مم.

مستشعرات القرب السعوية

توفر المستشعرات السعوية تنوعًا أكبر في المواد مقارنةً بنظيراتها الاستقرائية.

مبدأ العمل:

الحساسات السعوية عبارة عن مكثف مفتوح حيث يكون وجه الاستشعار عبارة عن صفيحة واحدة، وقطب داخلي ثانٍ هو الصفيحة الأخرى. وهذا يعطي مجالاً كهروستاتيكيًا مستقرًا. وعندما يقترب أي جسم، سواء كان موصلًا أو غير موصل، من وجه الاستشعار، يتغير ثابت العزل الكهربائي للفجوات بين اللوحين. ويؤدي هذا التغير في القدرات العازلة إلى تغير في سعة النظام. وبعد أن يتجاوز هذا التغيير عتبة محددة، يصبح هذا المستشعر نشطاً.

الكائنات المستهدفة: يمكن الكشف عن أي مادة تقريبًا، بما في ذلك المعادن والبلاستيك والخشب والسوائل والمساحيق والمواد الحبيبية.

المزايا:

• متعدد الاستخدامات في مجموعة المواد التي يمكنه اكتشافها.
• مفيد لتطبيقات مثل استشعار مستوى السائل من خلال جدار خزان غير معدني.

العيوب:

• أكثر حساسية للعوامل البيئية مثل الرطوبة والرطوبة، والتي يمكن أن تتسبب في حدوث محفزات خاطئة.
• كما أن نطاق الاستشعار قصير جداً.

مستشعرات القرب الكهروضوئية

تستخدم المستشعرات الكهروضوئية (أو الضوئية) شعاعًا ضوئيًا للكشف عن وجود جسم ما.

مبدأ العمل:

تتألف هذه المستشعرات من مكونين رئيسيين: باعث (عادةً ما يكون مصباح LED يعمل بالأشعة تحت الحمراء أو الضوء المرئي) ومستقبل (صمام ثنائي ضوئي أو ترانزستور ضوئي). وهي تعمل في واحد من ثلاثة أوضاع أساسية:

من خلال الشعاع: يكون الباعث والمستقبل في مبيتات منفصلة، متقابلين. ويتم اكتشاف الجسم عندما يكسر شعاع الضوء بينهما.

انعكاس رجعي: يوجد الباعث والمستقبل في نفس المبيت. يرتد شعاع الضوء عن عاكس خاص، ويتم اكتشاف جسم ما عندما يقطع هذا المسار.

منتشر-انعكاسي: يوجد الباعث والمستقبل في نفس الغلاف، ويعتمد المستشعر على شعاع الضوء المنعكس مباشرةً من الجسم المستهدف نفسه.

الكائنات المستهدفة: يكتشف معظم الأجسام المعتمة أو شبه المعتمة.

المزايا:

• توفر نطاق استشعار أطول بكثير من الأنواع الاستقرائية أو السعوية، وقادرة على الوصول إلى عدة أمتار.
• متعددة الاستخدامات ومتوفرة في تشكيلات مختلفة.

العيوب:

• يمكن أن يتأثر الأداء بلون الهدف وانعكاسيته وملمس سطحه.
• يمكن أن يحجب الغبار أو الأوساخ أو الرطوبة العدسات، مما يتطلب تنظيفًا دوريًا.

مستشعرات القرب بالموجات فوق الصوتية

تستخدم أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية الموجات الصوتية لقياس المسافة واكتشاف الأجسام، على غرار السونار.

مبدأ العمل:

يصدر المستشعر نبضة صوتية قصيرة عالية التردد. ثم يدخل في وضع الاستماع، منتظراً انعكاس الصوت عن جسم ما وعودته كصدى. يقيس المعالج الدقيق لجهاز الاستشعار الوقت المنقضي بين انبعاث الصوت واستقباله (المعروف باسم “زمن الرحلة”). وباستخدام سرعة الصوت، يحسب بدقة المسافة إلى الجسم.

الكائنات المستهدفة: يمكن الكشف عن أي جسم يعكس الصوت تقريبًا، بغض النظر عن لونه أو شفافيته أو لمعان سطحه. ويشمل ذلك الزجاج الشفاف والسوائل والمعادن اللامعة.

المزايا:

• ممتاز في اكتشاف الأجسام الشفافة أو غير المنتظمة الشكل.
• غير متأثر بالألوان.
• يمكن استخدامها لقياس المسافة، وليس فقط للكشف عن التواجد.

العيوب:

• زمن استجابة أبطأ مقارنة بالمستشعرات الكهروضوئية.
• يمكن أن تواجه صعوبة في اكتشاف المواد الناعمة الممتصة للصوت مثل الرغوة أو القماش.
• قد تحتوي على “منطقة عمياء” قريبة جدًا من وجه المستشعر حيث لا يمكن الكشف عنها.

ملخص أنواع مستشعرات القرب

تشغيل الأتمتة باستخدام أجهزة الاستشعار في الصناعة التحويلية

تشكل مستشعرات القرب في الصناعة التحويلية الخطوات الأساسية للأتمتة. تتعاون المئات من هذه المستشعرات على خط الإنتاج الحديث للتأكد من سير العمليات بسلاسة وأمان وكفاءة قدر الإمكان. يتم التحقق من موقع أجزاء الماكينة المعدنية والمشابك والتركيبات عالميًا باستخدام مستشعرات القرب المغناطيسي. استمرارًا للمثال أعلاه، سيشير المستشعر إلى الذراع الروبوتية بأن الهيكل المعدني في الموضع الصحيح قبل بدء اللحام. في النظام الناقل، يعد اكتشاف الأجسام وعدّها أمرًا ضروريًا، وتعد الحساسات الكهروضوئية مناسبة بشكل مثالي لهذا الغرض؛ حيث يمكن أن يضمن الحساس من خلال الشعاع مرور كل زجاجة ويمكن أن يتأكد الحساس المنتشر من وضع الملصق على الصندوق. وتعني هذه التغذية الراجعة المستمرة أن التحكم يمكن أن يكون دقيقًا، وعدد الأخطاء ضئيل والإنتاجية عالية للغاية.

تحسين تجربة المستخدم في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية مثل هاتفك الذكي

أما خارج أرض المصنع، فهناك مستشعرات القرب في قلب الأجهزة التي نستخدمها جميعًا بشكل منتظم. معظم الناس على دراية بأكثر الأنواع شيوعًا، وهو مستشعر القرب بالأشعة تحت الحمراء (IR) في هاتفك الذكي. عندما تضع هاتفك على أذنك عند التحدث، يتم إيقاف تشغيل شاشة العرض تلقائيًا لتجنب التلامس غير المرغوب فيه مع بشرة وجهك وكذلك لتوفير طاقة البطارية. يتم ذلك باستخدام مصباح LED صغير يعمل بالأشعة تحت الحمراء ينبعث منه شعاع غير مرئي من ضوء الأشعة تحت الحمراء وجهاز استشعار الضوء الذي يقرأ الانعكاس. ومع قرب وجهك، تكون شدة الضوء المنعكس عالية جداً مما يدفع البرنامج إلى إيقاف تشغيل الشاشة وشاشة اللمس. يُعدّ هذا التفاعل السلس والسهل مثالاً مثالياً على كيفية تنفيذ أجهزة الاستشعار لإضفاء تجربة مستخدم أكثر طبيعية وذكية خاصة في تطبيقات Android وتطبيقات الهاتف المحمول.

تحسين أنظمة السلامة باستخدام أجهزة الاستشعار في صناعة السيارات

تعد مستشعرات القرب واحدة من أكثر الوظائف استغلالاً في صناعة السيارات والتي تتمثل وظائفها الرئيسية في تعزيز سلامة السيارة وراحة السائق. إن الصفير المألوف لنظام المساعدة على ركن السيارة هو نشاط أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية المثبتة في مصد السيارة. تُصدر هذه المستشعرات نبضات صوتية عند رجوع السيارة إلى الخلف. يرتد الصوت عند وجود عائق مثل سيارة أو رصيف أو أحد المشاة في الجزء الخلفي من السيارة. بتقييم زمن الرحلة، يحصل النظام على المسافة إلى العائق، وبالتالي يحوّل القيم إلى إشارة صوتية و/أو مرئية للسائق. كلما كان الجسم أقرب كلما زادت سرعة إشارات التصفير. وقد أدى هذا النظام إلى انخفاض كبير في حالات الفشل في ركن السيارة عند السرعات المنخفضة وكان بمثابة الأساس لأنظمة الركن الآلي المتطورة وأنظمة مساعدة السائق (ADAS).

كيفية اختيار المستشعر المناسب لاحتياجات مجال عملك

يعد اختيار مستشعر القرب المناسب من بين آلاف النماذج المتاحة قرارًا هندسيًا حاسمًا. يتطلب اتخاذ القرار الصحيح تقييماً منهجياً للمتطلبات المحددة للتطبيق. يجب على المهندس أو الفني اتباع عملية واضحة لاتخاذ القرار:

• تحديد المادة المستهدفة: هل المادة المراد الكشف عنها معدنية؟ عندما تكون الإجابة بالإيجاب، عادةً ما يكون المستشعر الاستقرائي هو الخيار الأكثر قوة واقتصادية. تكون هناك حاجة إلى مستشعر سعوي أو كهروضوئي أو فوق صوتي عندما تكون المادة غير معدنية أو سائلة أو مسحوق.
• تحديد مسافة الاستشعار: يمكن استخدام مجسات الحث والسعة عندما يكون المدى قصيرًا (بضعة ملليمترات). وأجهزة الاستشعار الكهروضوئية هي الأكثر شيوعاً، عندما يراد قياس مسافات أطول، بضعة سنتيمترات حتى عدة أمتار. تشغل أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية مساحة بينية تعمل بين نطاقات تتراوح بين سنتيمترات وعدة أمتار.
• تحليل بيئة التشغيل: هل سيتعرض المستشعر للغبار أو الماء أو الزيت أو درجات الحرارة المرتفعة؟ يمكن أن تكون الحساسات الحثية صعبة للغاية في المناطق المحيطة المتسخة والمتسخة. يجب أن تكون العدسات الكهروضوئية محمية من التعتيم في حالة وجود غبار أو بخار مرتفع في التطبيق.
• النظر في خصائص الهدف: بخلاف المواد، هناك ميزات أخرى مهمة أيضًا. هل الهدف، شفاف مثل زجاجة زجاجية؟ يُفضّل استخدام مستشعر كهروضوئي عاكس/فوق صوتي. هل لونه غير منتظم؟ قد يكون المستشعر الكهروضوئي المنتشر أقل موثوقية من المستشعر فوق الصوتي الذي لا يعتمد على اللون.
• تقييم متطلبات السرعة والدقة: عندما تكون هناك حاجة إلى عدد دقيق من العد أو تحديد المواقع بدقة وتكون السرعة مشكلة، فإن الجمع بين أوقات الاستجابة السريعة لأجهزة الاستشعار الاستقرائية والكهروضوئية مطلوب. في تلك التطبيقات التي تتطلب دقة عالية في قياس المسافة، يكون المستشعر فوق الصوتي أو المستشعر الكهروضوئي الليزري الخاص مناسبًا.

مستقبل استشعار القرب في الروبوتات وإنترنت الأشياء

لا تزال وظيفة مستشعرات القرب في طور التطوير. وهي تكتسب أهمية في مجال إنترنت الأشياء والروبوتات. في حالة الروبوتات التعاونية الحالية (“كوبوتات”) المخصصة للعمل في نفس المكان مع البشر، يتم الاعتماد على مجموعة من أجهزة الاستشعار المتقدمة لضمان السلامة وتشكيل مجال حماية افتراضي يقلل أو يوقف سرعة الروبوت عندما يكون الإنسان قريباً جداً. أجهزة استشعار القرب هي أهم حواس جمع البيانات في الشبكة الواسعة لإنترنت الأشياء. فهي تساعد في جعل المباني الذكية تكتشف من في الغرفة لضبط الإضاءة والتحكم في التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، وتساعد في جعل المباني الذكية تكتشف من في الغرفة لضبط الإضاءة والتحكم في التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، وتتحقق أنظمة الزراعة الذكية من مستويات ملء صناديق الحبوب، وتتتبع الشركات اللوجستية الطرود المتدفقة عبر المستودع. ومع التناقص الحتمي لحجمها وزيادة كفاءة الطاقة والاتصال من جانبها (باستخدام الاتصالات اللاسلكية)، ستصبح قدرة أجهزة الاستشعار على تقديم البيانات في الوقت الحقيقي بشكل متزايد محرك الابتكار وراء تطوير الجيل القادم من الأنظمة الذكية المتصلة.