ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Στόχοι: Ο μαθητής να: (α) δίνει τον ορισμό του αισθητήρα και αναφέρει τη χρησιμότητά του. (β) αναφέρει πρακτικές εφαρμογές των αισθητήρων στην βιομηχανία, οικιακές συσκευές, αυτοκίνητα, παραγωγή κτλ. (γ) αναγνωρίζει τους μηχανικούς από τους ηλεκτρονικούς αισθητήρες. (δ) αναφέρει τα βασικά χαρακτηριστικά και χρήσεις των επαγωγικών αισθητήρων προσέγγισης. (ε) αναφέρει τα βασικά χαρακτηριστικά και χρήσεις των χωρητικών αισθητήρων προσέγγισης. (ζ) αναφέρει τα βασικά χαρακτηριστικά και χρήσεις των οπτικών αισθητήρων προσέγγισης. (η) επεξηγεί την κατασκευή και λειτουργία των διμεταλλικών διακοπτών θερμοκρασίας. (θ) αναγνωρίζει τους βασικούς τύπους αισθητήρων θερμοκρασίας. (ι) επιλέγει τον κατάλληλο τύπο αισθητήρα για κάθε εφαρμογή. (κ) συναρμολογεί απλό ηλεκτρικό κύκλωμα με αισθητήρες που έχει διδαχθεί ακολουθώντας σχέδια και οδηγίες.

ΟΡΙΣΜΟΣ – ΤΥΠΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ Ορισμός αισθητήρων: Είναι εξαρτήματα τα οποία παρατηρούν, ανιχνεύουν και μετατρέπουν πληροφορίες σε τάση ή ένταση. Αντιστοιχία: Οι αισθητήρες ενός συστήματος επιτελούν, καθένας, παρόμοιο έργο με εκείνο που επιτελούν και τα αισθητήρια όργανα του ανθρώπου, δηλαδή, όραση = κάμερα αφή = αισθητήρια προσέγγισης και πίεσης όσφρηση = αισθητήρια ιονισμού ακοή = μικρόφωνο = κατάλληλα ηλεκτρονικά κυκλώματα γεύση

Χρησιμότητα αισθητήρων: Η χρήση των αισθητήρων στην αυτοματοποίηση διαφόρων συστημάτων, επέφερε πολλά θετικά συνεπακόλουθα. Για παράδειγμα, στον παραγωγικό τομέα έχουμε: Χαμηλό κόστος παραγωγής Αύξηση της παραγωγικότητας Συνεχή λειτουργία χωρίς λάθη Ασφάλεια στο προσωπικό και στο σύστημα

Έλεγχος συνέχειας νήματος Αυτόματη καταμέτρηση προϊόντων Πρακτικές εφαρμογές αισθητήρων: Υπάρχουν πολλά παραδείγματα εφαρμογών στη βιομηχανία, στις οικιακές συσκευές, τα αυτοκίνητα, την παραγωγή, όπως: Έλεγχος στάθμης υγρών Έλεγχος συνέχειας νήματος Αυτόματη καταμέτρηση προϊόντων Έλεγχος πώματος φιάλης Μέτρηση απόστασης Έλεγχος ποσότητας Έλεγχος ποιότητας Έλεγχος ταχύτητας Έλεγχος θέσης Σε γραμμή παραγωγής προϊόντων (φωτοκύτταρα)

Τύποι αισθητήρων: Σήμερα, με την τεχνολογική ανάπτυξη, έχει κατασκευαστεί πλήθος αισθητήρων που είναι κατάλληλοι για την ανίχνευση πολλών φυσικών μεγεθών και καταστάσεων, όπως για παράδειγμα: θερμοκρασίας πίεσης δύναμης περιστροφής στάθμης ροής κίνησης Διακρίνονται σε ηλεκτρονικούς και μηχανικούς αισθητήρες.

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗΣ (Proximity Sensors) Οι αισθητήρες προσέγγισης είναι συνήθως δυαδικοί. Αναφέρονται επίσης με το όνομα διακόπτες προσέγγισης (proximity switches). Είναι ηλεκτρονικοί και λειτουργούν χωρίς να έρχονται σε άμεση επαφή με το αντικείμενο που ανιχνεύουν. Επιπρόσθετα, έχουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα: Η διάρκεια λειτουργίας τους είναι μεγάλη, επειδή δεν έχουν επαφές και κινούμενα μέρη τα οποία συνήθως φθείρονται εύκολα. Ο χρόνος από τη μια κατάσταση στην άλλη (ON/OFF) είναι πολύ μικρός, γι’ αυτό και η συχνότητα λειτουργίας τους μπορεί να είναι μεγάλη. Δεν παρουσιάζουν τα μειονεκτήματα σπινθηρισμών των επαφών, ούτε άλλα μειονεκτήματα που συνήθως προκύπτουν από τις μηχανικές ατέλειες.

(A) Επαγωγικός Αισθητήρας Προσέγγισης (Inductive Proximity Sensor): Ο επαγωγικός αισθητήρας προσέγγισης είναι ο περισσότερο διαδεδομένος τύπος αισθητήρα. Όταν παρουσιαστεί μπροστά από την ενεργό επιφάνειά του, κάποιο μεταλλικό αντικείμενο, τότε η έξοδός του αλλάζει κατάσταση. Αυτήν την ιδιότητα του επαγωγικού αισθητήρα την εκμεταλλευόμαστε σε διάφορες εφαρμογές. Αρχή Λειτουργίας Όταν τροφοδοτηθεί με ρεύμα ο επαγωγικός αισθητήρας, τότε δημιουργείται εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, μπροστά από την ενεργό επιφάνειά του. Αν εισέλθει μέσα στο μαγνητικό αυτό πεδίο, κάποιο μεταλλικό αντικείμενο (σίδερο, αλουμίνιο, χαλκός κτλ), τότε προκαλείται ισχυρή απόσβεση της ταλάντωσης, αντιστρέφεται η έξοδος του κυκλώματος σκανδάλης και αλλάζει η κατάσταση της εξόδου του αισθητήρα.

Χαρακτηριστικά Επαγωγικού Αισθητήρα Πιο κάτω αναφέρονται ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά των επαγωγικών αισθητήρων, τα οποία πρέπει να γνωρίζουμε, για να επιλέξουμε τον κατάλληλο αισθητήρα για κάθε περίπτωση: Τάση λειτουργίας Απόσταση αίσθησης Διαστάσεις Κατάσταση εξόδου στη θέση ηρεμίας. Επιπρόσθετα, το κύκλωμα του επαγωγικού αισθητήρα μπορεί να παρουσιάζει τις ακόλουθες θετικές ιδιότητες: Προστασία από ανάστροφη πόλωση Προστασία από βραχυκύκλωμα Προστασία από στιγμιαίες υπερτάσεις. Γενικά, οι επαγωγικοί αισθητήρες έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και δε χρειάζονται συντήρηση. Μπορούν να τοποθετηθούν και σε αντίξοες συνθήκες λειτουργίας, όπως είναι η παρουσία υγρών, σκόνης, δονήσεων κτλ.

Παραδείγματα εφαρμογών επαγωγικών αισθητήρων Ανίχνευση της θέσης του εμβόλου σε ένα πνευματικό ή υδραυλικό κύλινδρο Ανίχνευση μεταλλικών αντικειμένων πάνω σε γραμμή μεταφοράς υλικών

Έλεγχος έκκεντρων ρύθμισης με επαγωγικούς αισθητήρες προσέγγισης Έλεγχος ταχύτητας οδοντωτού τροχού και διεύθυνσης περιστροφής

(B) Χωρητικός Αισθητήρας Προσέγγισης (Capacitive Proximity Sensor): Ο χωρητικός αισθητήρας προσέγγισης, βασίζει την αρχή λειτουργίας του στην αλλαγή της χωρητικότητας πυκνωτή σε ένα κύκλωμα ταλάντωσης RC, όταν πλησιάσει την ενεργό επιφάνεια του αισθητήρα ένα οποιοδήποτε αντικείμενο. Ο χωρητικός αισθητήρας χρησιμοποιείται για τη μέτρηση αντικειμένων Οι χωρητικοί αισθητήρες ελέγχουν το γέμισμα του σιλό Τα χαρακτηριστικά του χωρητικού αισθητήρα είναι τα ίδια με αυτά του επαγωγικού αισθητήρα.

(Γ) Οπτικοί Αισθητήρες Προσέγγισης: Οι οπτικοί αισθητήρες προσέγγισης χρησιμοποιούν οπτικά και ηλεκτρονικά μέσα, για την ανίχνευση οποιουδήποτε αντικειμένου. Οι οπτικοί αισθητήρες αναφέρονται και ως φωτοκύτταρα. Ένας οπτικός αισθητήρας αποτελείται από δύο μέρη: Τον πομπό Το δέκτη Ο πομπός εκπέμπει ερυθρό ή υπέρυθρο φως και για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται δίοδοι φωτοεκπομπής (LED). Ο δέκτης περιλαμβάνει στο κύκλωμά του στοιχεία ευαίσθητα στο ερυθρό ή υπέρυθρο φως, δηλαδή φωτοδιόδους ή φωτοτρανσίστορ.

Τύποι οπτικών αισθητήρων προσέγγισης Χωριστού πομπού – δέκτη (Through-beam sensor) Ο τύπος αυτός του αισθητήρα έχει τον πομπό και το δέκτη προσαρμοσμένους σε διαφορετικά σώματα και πρέπει να βρίσκονται σε οπτική επαφή. Η αρίδα ελέγχεται με οπτικό αισθητήρα

Ο πομπός και ο δέκτης βρίσκονται στο ίδιο σώμα. 2. Οπτικός αισθητήρας με ανακλαστήρα (Retro-reflective sensor) Ο πομπός και ο δέκτης βρίσκονται στο ίδιο σώμα. Για τη λειτουργία του αισθητήρα αυτού, χρειάζεται ειδικός ανακλαστήρας. Οι οπτικοί αισθητήρες ελέγχουν το τέντωμα μεταλλικής ταινίας

3. Οπτικός αισθητήρας με ανάκλαση στο αντικείμενο (Diffuse sensor) Ο πομπός και ο δέκτης βρίσκονται στο ίδιο σώμα. Το αντικείμενο που πρόκειται να ανιχνευτεί, ανακλά προς το δέκτη το φως, που δέχεται από τον πομπό. Ανάλογα με το ποσοστό του φωτός που ανακλά, γίνεται και η ανίχνευση. Η ορθή τοποθέτηση των αντικειμένων ελέγχονται με οπτικό αισθητήρα

Στους πιο πάνω τύπους οπτικών αισθητήρων μπορεί να χρησιμοποιηθούν και οπτικά καλώδια, για τη μεταφορά φωτός από το πομπό στο δέκτη. Οπτικός αισθητήρας με οπτικά καλώδια

Διάφορες εφαρμογές οπτικών αισθητήρων

(Δ) Αισθητήρες Θερμοκρασίας: Τύποι αισθητήρων Θερμοκρασίας 1. Διμεταλλικού τύπου θερμοστάτες: Είναι το μέρος του θερμοστάτη το οποίο αντιλαμβάνεται τις μεταβολές της θερμοκρασίας και μέσω κατάλληλου μηχανισμού ενεργοποιεί το διακόπτη. Για την ενεργοποίηση της επαφής χρησιμοποιείται η ιδιότητα του διμεταλλικού ελάσματος να κάμπτεται, όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία. Οι αισθητήρες αυτοί θερμοκρασίας είναι δυαδικοί, δηλαδή αλλάζουν κατάσταση μεταξύ ON και OFF.

Πλεονεκτήματα: (α) Απλό στη λειτουργία (β) Φτηνό Μειονεκτήματα: (α) Δεν είναι αισθητήριο ακριβείας (β) Δεν επιδέχεται τηλεχειρισμό Χρήση: Σε εφαρμογές για έλεγχο θερμοκρασίας χώρου, στους θερμοσίφωνες, στις οικιακές συσκευές κλπ.

2. Μηχανικού τύπου θερμοστάτες Οι μηχανικού τύπου θερμοστάτες που λειτουργούν πάνω στην αρχή της διαστολής υγρών ή αερίων. Οι αισθητήρες αυτοί θερμοκρασίας είναι δυαδικοί, δηλαδή αλλάζουν κατάσταση μεταξύ ON και OFF.

3. Αναλογικού τύπου θερμοστάτες Στους αναλογικού τύπου αισθητήρες θερμοκρασίας το σήμα εξόδου μπορεί να καταλάβει άπειρες τιμές. Αυτοί είναι: (α) Θερμοστοιχείο (Thermocouple) Είναι ενεργός αισθητήρας που μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική. Κατασκευάζονται από δύο σύρματα διαφορετικών μετάλλων, τα οποία έχουν τα δύο άκρα τους ενωμένα και τα άλλα δύο ελεύθερα. Η τάση που αναπτύσσεται μεταξύ των ελευθέρων άκρων είναι ανάλογη της θερμοκρασίας.

(β) Θερμίστορ (Thermistor) Είναι αντίσταση που αλλάζει την τιμή της σε κάθε μεταβολή της θερμοκρασίας. Υπάρχουν δύο τύποι θερμίστορ: PTC (Positive Temperature Coefficient) NTC (Negative Temperature Coefficient) Το θερμίστορ PTC αυξάνει την αντίστασή του με την αύξηση της θερμοκρασίας, ενώ το θερμίστορ NTC μειώνει την αντίστασή του με την αύξηση της θερμοκρασίας. Τα θερμίστορ, όπως και τα θερμοστοιχεία, σε συνδυασμό με ηλεκτρονικά κυκλώματα, μπορούν να ελέγχουν θερμοκρασίες με μεγάλη ακρίβεια.

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΘΕΜΑ: Απλό κύκλωμα ανίχνευσης μεταλλικών αντικειμένων. ΣΚΟΠΟΣ: Να εξασκηθεί ο μαθητής στο σχεδιασμό και κατασκευή απλού αυτοματισμού ανίχνευσης μεταλλικών αντικειμένων. ΕΡΓΑΛΕΙΑ / ΥΛΙΚΑ: Να αναγνωριστούν και ονομαστούν από τους μαθητές σαν μέρος της άσκησης. ΠΟΡΕΙΑ: 1. Σχεδιάστε στο τετράδιό σας ένα απλό κύκλωμα αυτοματισμού το οποίο να μεταδίδει ηχητικό σήμα όταν ανιχνεύει μεταλλικά αντικείμενα. Στην προσπάθειά σας αυτή τι είδους αισθητήρα θα χρησιμοποιήσετε; Για να παράγεται το σήμα, χρησιμοποιήστε ένα βομβητή τον οποίο να συνδέσετε κατάλληλα στο κύκλωμα. Υποδείξετε στο σχέδιό σας τα σημεία σύνδεσης του βομβητή.

Ονομάστε τα υλικά / εξαρτήματα που θα χρειαστείτε για το κύκλωμα με βάση το σχέδιο που έχετε ετοιμάσει. 4. Χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα εξαρτήματα και την κατάλληλη τάση παροχής, συνδέστε το κύκλωμα το οποίο έχετε σχεδιάσει. Ελέγξετε τη σωστή λειτουργία του κυκλώματος προσπαθώντας να ανιχνεύσετε διάφορα μεταλλικά σώματα που βρίσκονται κοντά σας. Σε κάθε περίπτωση αναφέρετε τη μέγιστη απόσταση από την οποία μπορεί να γίνει ανίχνευση των αντικειμένων. 6. Γράψετε τη διαδικασία που ακολουθήσατε στην άσκηση αυτή και τα συμπεράσματά σας στο τετράδιό σας.