سنسور فاصله چیست و انواع آن

سنسورهای فاصله یا سنسورهای تشخیص فاصله، ابزارهایی هستند که قادر به اندازه‌گیری فاصله بین دستگاه یا شیء اندازه‌گیری‌کننده و یک شیء مقایسه‌ای مانند یک سطح مرجع یا محیط هستند. این سنسورها از انواع مختلف تکنولوژی‌ها و اصول کاری برای اندازه‌گیری فاصله استفاده می‌کنند. از اندازه‌گیری دقیق فاصله تا تشخیص حضور یا عدم حضور شیء، سنسورهای فاصله در بسیاری از صنایع و کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

برخی از تکنولوژی‌های استفاده شده در سنسورهای فاصله عبارتند از:

1. تشخیص فاصله با الکترومغناطیس (Electromagnetic Distance Sensing): این تکنولوژی شامل استفاده از امواج الکترومغناطیسی مانند موجود در سنسورهای اولتراسونیک یا لیزری برای اندازه‌گیری زمان لازم برای ارسال و بازتاب امواج و محاسبه فاصله می‌شود.
2. تشخیص فاصله با استفاده از امواج صوتی (Ultrasonic Distance Sensing): در این تکنولوژی، سنسور اولتراسونیک امواج صوتی را از دستگاه به جهت هدف ارسال کرده و زمان بازتاب آنها را تشخیص می‌دهد. با توجه به سرعت صوت، می‌توان فاصله را محاسبه کرد.
3. تشخیص فاصله با استفاده از لیزر (Laser Distance Sensing): در این تکنولوژی، از پرتو لیزری برای ارسال نور به هدف و سپس اندازه‌گیری زمان بازتاب نور به سنسور استفاده می‌شود. با توجه به سرعت نور، می‌توان فاصله را محاسبه کرد.
4. تشخیص فاصله با استفاده از فشار هوا (Air Pressure Distance Sensing): در این تکنولوژی، فشار هوا در محیط بین دستگاه و هدف اندازه‌گیری می‌شود. با تغییرات فشار هوا، می‌توان فاصله را تخمین زد.
5. تشخیص فاصله با استفاده از امواج مایکروویو (Microwave Distance Sensing): از امواج مایکروویو برای اندازه‌گیری فاصله استفاده می‌شود. این تکنولوژی به‌خصوص در برخی از کاربردهای صنعتی و امنیتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
6. تشخیص فاصله با استفاده از خاصیت خودتنظیم (Self-Adjusting Distance Sensing): در این تکنولوژی، سنسور با تغییرات خودتنظیم میزان بازتاب نور یا امواج را تشخیص می‌دهد و فاصله را اندازه‌گیری می‌کند.

همچنین، سنسورهای فاصله می‌توانند به صورت آنالوگ یا دیجیتال عمل کنند و در کاربردهای متنوعی از جمله رباتیک، اتوماسیون صنعتی، خودروسازی، امنیت، اندازه‌گیری‌های مختلف و مکانیزم‌های خودکار استفاده می‌شوند.

عملکرد سنسور فاصله

درست است، عملکرد سنسورهای فاصله بر مبنای ارسال سیگنال و اندازه‌گیری تغییر آن در هنگام بازگشت سیگنال است. دقیق‌ترین تفسیر تغییر در سیگنال اندازه‌گیری‌شده، به تغییر فاصله بین سنسور و هدف برمی‌گردد.

در تکنولوژی‌های مختلف سنسورهای فاصله، اندازه‌گیری تغییر سیگنال بازگشتی به دستگاه انجام می‌شود. این تغییر ممکن است به دو صورت اندازه‌گیری شود:

1. مدت زمان برگشت سیگنال: در برخی تکنولوژی‌ها مانند سنسورهای اولتراسونیک، امواج صوتی یا امواج فراصوت به جهت هدف ارسال می‌شوند. سپس زمانی که امواج بازتابی به سنسور برمی‌گردند، اندازه‌گیری می‌شود. با توجه به سرعت امواج، می‌توان فاصله را محاسبه کرد.

2. شدت سیگنال برگشتی: در تکنولوژی‌های دیگر مانند سنسورهای لیزری، پرتو لیزری به جهت هدف ارسال می‌شود و پس از بازتاب از هدف، شدت نور بازگشتی اندازه‌گیری می‌شود. تغییر در شدت نور بازگشتی نشان‌دهنده تغییر فاصله خودکار است.

هر دو روش اندازه‌گیری مذکور معمولاً با دقت و سرعت بالا صورت می‌گیرند و بسته به نوع تکنولوژی و کاربرد، سنسورهای فاصله می‌توانند دقت‌های مختلفی داشته باشند. تغییرات در فاصله بین سنسور و هدف به تغییر در سیگنال خروجی منجر می‌شود که با تحلیل و پردازش مناسب، اطلاعات مورد نظر از فاصله بین دستگاه و هدف به‌دست می‌آید.

مقاله پیشنهادی نیمسکو: سنسور بدون تماس چیست؟

انواع سنسور فاصله

انواع سنسورهای فاصله به تکنولوژی و اصول کاری مورد استفاده آنها بستگی دارد. در اینجا به برخی از سنسورهای اندازه گیری فاصله می پردازیم:

سنسور فاصله التراسونیک

سنسور التراسونیک یکی از متداول‌ترین و کارآمدترین انواع سنسورهای اندازه‌گیری فاصله است. این سنسورها از امواج فراصوت برای تشخیص فاصله بهره می‌برند و در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

عملکرد سنسور فاصله سنج التراسونیک به چهار مرحله اصلی تقسیم می‌شود:

1. ارسال امواج صوتی با فرکانس بالا: سنسور التراسونیک امواج صوتی با فرکانس بالا را به سمت جسم یا سطح مورد نظر ارسال می‌کند.

2. دریافت امواج صوتی بازتابی: امواج صوتی به جسم هدف می‌رسند و تا با سطح برخورد می‌کنند. جسم هدف این امواج را دریافت کرده و بازتاب می‌دهد.

3. بازگشت امواج صوتی: امواج صوتی پس از برخورد با جسم هدف، بازتاب می‌شوند و به سمت سنسور التراسونیک بازمی‌گردند.

4. اندازه‌گیری مدت زمان بازگشت: سنسور با اندازه‌گیری مدت زمانی که طول می‌کشد تا امواج بازگشتی به سنسور برسند، فاصله را محاسبه می‌کند. از طریق سرعت انتشار صوت در محیط (که معمولاً ثابت فرض می‌شود)، می‌توان فاصله را به دست آورد.

سنسورهای التراسونیک در اندازه‌گیری فاصله به خصوص در محدوده‌های میانی تا نسبتاً دور مورد استفاده قرار می‌گیرند. کاربردهای متعددی دارند از اندازه‌گیری فاصله در رباتیک، سیستم‌های خودرویی، اتوماسیون صنعتی، کنترل از دور و هواپیماهای بدون سرنشین تا کنترل خودکار در خودروهای هوشمند.

با وجود مزایا و معایبی که اشاره شد، سنسورهای التراسونیک به دلیل قیمت مناسب، دقت قابل قبول و کارایی در شرایط نوری مختلف، به یکی از گزینه‌های اصلی در بسیاری از برنامه‌های کاربردی تبدیل شده‌اند.

سنسور فاصله مادون قرمز

سنسور فاصله مادون قرمز یا همان سنسور فروسرخ، دیگر یک نوع سنسور فاصله می‌باشد که از تابش پرتو مادون قرمز برای تشخیص و اندازه‌گیری فاصله یا مجاورت اجسام استفاده می‌کند. یکی از مدل‌های رایج این سنسورها، مدل GP2Y0A21YK0F از شرکت شارپ است که از اصل مثلث‌سازی برای تشخیص فاصله استفاده می‌کند.

در این سنسورها، نور مادون قرمز از یک ساطع‌کننده LED به سمت جسم مورد نظر ارسال می‌شود. این نور از جسم برخورد کرده و از زاویه‌ای خاص منعکس می‌شود، سپس به یک آشکارساز نوری حساس به موقعیت (PSD) می‌رسد. با تحلیل زمان بازگشت نور منعکس‌شده و محاسبه زاویه بازتاب، سنسور می‌تواند فاصله یا مجاورت جسم بازتابنده را تعیین کند.

سنسورهای مادون قرمز در موارد مختلفی کاربرد دارند از جمله:

1. کنترل از راه دور: این سنسورها می‌توانند در دستگاه‌های کنترل از راه دور مثل تلویزیون، کامپیوتر و لپ‌تاپ بکار روند.

2. اندازه‌گیری فاصله: سنسورهای مادون قرمز می‌توانند برای اندازه‌گیری فاصله از جسم‌ها یا اشیا مورد استفاده قرار گیرند.

3. سیستم‌های امنیتی و نظارتی: این سنسورها در دزدگیرها و سیستم‌های نظارتی می‌توانند استفاده شوند.

4. کاربردهای نظارتی و کنترلی: این سنسورها می‌توانند برای نظارت و کنترل در محیط‌های مختلف مورد استفاده قرار گیرند.

از مزایای سنسورهای مادون قرمز می‌توان به اندازه کوچک، قابلیت استفاده در شرایط نوری مختلف، ارتباط امن از طریق خط دید و توانایی در اندازه‌گیری فاصله از اجسام با سطوح پیچیده اشاره کرد. اما این سنسورها محدودیت‌هایی نیز دارند از جمله محدوده اندازه‌گیری نسبتاً کم و تأثیرپذیری از شرایط محیطی و اجسام سخت.

سنسور GP2Y0A21YK0F یکی از نمونه‌های رایج سنسورهای مادون قرمز است که به وسیله تابش پرتو مادون قرمز و اصل مثلث‌سازی، قادر به اندازه‌گیری فاصله یا مجاورت اشیا است.

سنسور فاصله لیزری

“لیدار” (LIDAR) یا سنسو فاصله لیزری یک نوع سنسور فاصله است که از امواج نوری لیزری برای اندازه‌گیری فاصله استفاده می‌کند. این نام “لیدار” مخفف عبارت “سنسور فاصله لیزری” (Light Detection and Ranging) است. از امواج نوری لیزر به جای امواج صوتی یا رادیویی استفاده می‌شود تا دامنه اهداف را اندازه‌گیری کند.

در فرآیند کارکرد لیدار، ابتدا فرستنده روی دستگاه لیدار نور لیزر را به سمت جسم یا هدف مورد نظر ساطع می‌کند. پس از آن، پالس لیزر به هدف برخورد می‌کند و از آنجا به عق بازتاب می‌شود. با محاسبه زمانی که بین ارسال و دریافت سیگنال لیزر طی می‌شود و با استفاده از رابطه بین سرعت ثابت نور در محیط (معمولاً هوا)، فاصله تا هدف محاسبه می‌شود.

لیدار در موارد متعددی از جمله نظارت بر محیط زیست، جنگلداری، نقشه‌برداری زمین، اندازه‌گیری فاصله، کنترل و ایمنی ماشین، رباتیک و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. این سنسور با دامنه و دقت اندازه‌گیری بالا، توانایی اندازه‌گیری ساختارهای سه‌بعدی، نرخ به‌روزرسانی سریع، قابلیت تشخیص اشیای کوچک، و قابلیت استفاده در شرایط روز و شب از مزایای خود برخوردار است.

به عنوان معایب، می‌توان به هزینه بالاتر در مقایسه با سایر سنسورها (مانند اولتراسونیک و مادون قرمز) و احتمال آسیب به چشم انسان به دلیل استفاده از پالس‌های قوی‌تر لیزر در دستگاه‌های سطح بالاتر اشاره کرد.

سنسور فاصله مدت پرواز

سنسور فاصله سنج مدت پرواز ال‌ ای دی (LED Time-Of-Flight) به وسیله مدل VL53L0X شناخته می‌شود که جزء طیف گسترده‌تر سنسورهای لیدار است و از فناوری مدت پرواز در اندازه‌گیری فاصله استفاده می‌کند.

در فناوری مدت پرواز (ToF)، سنسورها از اصل تغییر زمان سپری شده برای بازتاب یک پالس موج (معمولاً نور لیزر) از یک جسم و بازگشت آن به سنسور استفاده می‌کنند. با اندازه‌گیری زمان لازم برای عبور نور از فرستنده به گیرنده، این سنسورها قادر به تولید تصویر سه‌بعدی با محورهای X، Y، و Z هستند.

مزایای فناوری مدت پرواز نسبت به روش‌های دیگر سنجش از راه دور عبارتند از:

1. دامنه وسیع‌تر
2. قرائت سریع‌تر
3. دقت بیشتر

کارکرد سنسورهای مدت پرواز (ToF) به صورت زیر است:

1. فرستنده دستگاه مدت پرواز، نور ال‌ای‌دی مادون قرمز (IR-LED) را به سمت جسم مورد نظر می‌فرستد.
2. پالس نور به هدف می‌رسد و از آنجا بازتاب می‌شود.
3. سپس فاصله با استفاده از رابطه بین سرعت ثابت نور در هوا و مدت زمانی که بین ارسال و دریافت سیگنال می‌گذرد، محاسبه می‌شود.

سنسورهای مدت پرواز در کاربردهای متنوعی مانند صنعت، بینایی ماشین، رباتیک، شمارش نفرات، هواپیماهای بدون سرنشین و غیره استفاده می‌شوند. این سنسورها از مزایای دامنه اندازه‌گیری بالا، دقت بیشتر و توانایی در تصویربرداری سه‌بعدی بهره می‌برند.

با این حال، معایبی نیز به همراه دارند، از جمله هزینه بالا و وضوح کمتر در محور عمق Z نسبت به سایر محورها. با وجود این معایب، سنسور VL53L0X با استفاده از تکنولوژی FlightSense نسل دوم اس‌تی‌مایکروالکترونیکس (ST) و آرایه SPAD پیشرفته، توانایی اندازه‌گیری فاصله‌های مطلق تا 2 متر را دارد.

کاربرد سنسور فاصله

سنسورهای فاصله‌سنج در بسیاری از صنایع و کاربردها استفاده می‌شوند. این سنسورها به وسیله امواج فراصوت، مادون قرمز، لیزر و دیگر تکنولوژی‌ها، فاصله بین دستگاه سنسور و اشیاء مختلف را اندازه‌گیری و تشخیص می‌دهند. در زیر به برخی از کاربردهای مهم سنسورهای فاصله‌سنج اشاره می‌کنیم:

1. اتوماسیون صنعتی: سنسورهای فاصله‌سنج در خطوط تولید و فرآوری صنعتی برای کنترل و ایمنی ماشین‌آلات استفاده می‌شوند. آنها می‌توانند اشیاء موجود در مسیر را شناسایی کنند و در صورت نیاز عملکرد ماشین را متوقف یا تغییر دهند.

2. روباتیک: در رباتیک، سنسورهای فاصله‌سنج به ربات‌ها کمک می‌کنند تا از برخورده با موانع جلوگیری کنند و مسیر حرکت خود را تنظیم کنند. این سنسورها در ربات‌های خانگی، صنعتی و حتی ربات‌های هواپیمایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

3. خودروهای هوشمند: در خودروهای هوشمند، سنسورهای فاصله‌سنج به عنوان یکی از تکنولوژی‌های کلیدی در سیستم‌های ایمنی و کنترل خودروها به کار می‌روند. آنها می‌توانند خطاهای راننده را تشخیص دهند و در صورت نیاز، ترمز‌ها را فوراً فعال کنند.

4. اندازه‌گیری و مدیریت انرژی: در سیستم‌های مدیریت انرژی، سنسورهای فاصله‌سنج به منظور تشخیص حضور افراد در اتاق‌ها و فضاهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. این اطلاعات می‌توانند برای کنترل روشنایی و سیستم‌های تهویه هوا مورد استفاده قرار گیرند.

5. موارد نظارتی و امنیتی: سنسورهای فاصله‌سنج در سیستم‌های امنیتی و نظارتی برای تشخیص حرکت اشیاء و افراد در محیط‌های مختلف استفاده می‌شوند. آنها می‌توانند به طور خودکار هشدارها را فعال کنند و اطلاعات مربوط به حرکت‌ها را ذخیره و ارسال کنند.

6. بینایی ماشین و خودرانی: در تکنولوژی‌های بینایی ماشین و خودرانی، سنسورهای فاصله‌سنج به عنوان یکی از حسگرهای اصلی برای تشخیص و اندازه‌گیری فاصله از اشیاء و خودروهای دیگر در محیط جهت کنترل حرکت و جلوگیری از تصادفات مورد استفاده قرار می‌گیرند.

7. بازی‌ها و سرگرمی: سنسورهای فاصله‌سنج در دنیای بازی‌ها و سرگرمی نقش مهمی ایفا می‌کنند. آنها می‌توانند حرکات بازیکنان را تشخیص داده و به عنوان ورودی در بازی‌های واقعیت مجازی و افزوده استفاده شوند.

8. پزشکی: در بخش پزشکی، سنسورهای فاصله‌سنج برای اندازه‌گیری فاصله از اشیاء و سطوح در عملیات جراحی، تشخیص بیماری‌ها و موارد دیگر استفاده می‌شوند.

9. هواپیماها و پهپادها: در هواپیماهای بدون سرنشین و پهپادها، سنسورهای فاصله‌سنج برای کنترل ارتفاع و فاصله ا

ز سطح زمین یا اشیاء دیگر به کار می‌روند.

همچنین، سنسورهای فاصله‌سنج در بسیاری دیگر از کاربردها نیز استفاده می‌شوند. این سنسورها بهبود عملکرد و کارایی سیستم‌ها را افزایش می‌دهند و در تکنولوژی‌های نوین مانند اینترنت اشیاء (IoT) نیز نقش مهمی ایفا می‌کنند.