تعريف الحساسات وأهميتها
تعريف الحساس :
هو جهاز يحول المقادير الفيزيائية(حرارة – ضغط – إضاءة - ...) إلى مقادير كهربائية ( تيار – جهد – مقاومة )
أهمية الحساسات :
أصبحت الحساسات في وقتنا الحاضر ضرورة أساسية في التطبيقات الصناعية ، فهي تعتبر بمثابة أعضاء الحواس لنظام التحكم و بدونها يكون نظام التحكم عاجز لأنه يكون بمعزل علن الوسط الخارجي و تغيرات النظام المتحكم به. حيث كان العامل هو المصدر لكل المعلومات حول عملية المعالجة وكان على العامل أن يعرف فيما إذا كانت هناك قطع متوفرة , أو أي من القطع كانت جاهزة , وهل هي صالحة أم فاسدة , وهل الأدوات في حالة جيدة , وهل مكان التثبيت مفتوح أم مغلق , و هكذا ... وبالتالي فإنه كان يتوجب على العامل أن يتحسس المشكلات بنفسه في العملية الإنتاجية .
وهكذا كان العامل يستطيع أن يرى أو أن يشعر و حتى أن يكتشف المشكلات بنفسه .
والآن تستخدم الحواسيب في العديد من المجالات الصناعية التي تستخدم نظام الـ ( PLC ) للتحكم بحركة و تتابع الآلات . حيث أن نظام الـ ( PLC ) أكثر سرعة و دقة في العمل وإنجاز المهام ، وكذلك يقوم على اكتشاف وتفحص عمليات المعالجة بنفسه .
إن الحساسات في الحقيقة ، تنجز مهام بسيطة وبكفاءة عالية وبدقة أكبر مما يمكن أن يفعله الأشخاص ، وإن الحساسات أكثر سرعة كما أن الأخطاء المرتكبة فيها تكون قليلة .
وإن تعدد أنواع الحساسات وتعقيدات استخدامها في حل مشاكل التطبيقات ينمو يومياً ، حيث دخلت حساسات جديدة لسد الاحتياجات .
الحساسات الضوئية :
إن الحساس الضوئي هو عبارة عن جهاز يقوم بتحويل إشارة الضوئية إلى إشارة كهربائية ، حيث يوجد لدينا العديد من أنواع الحساسات الضوئية و ينبع اختلافها من اختلاف الحزم الضوئية المنتشرة في الكون ، حيث تقسم الحزم الضوئية تبعا للتردد.
من حيث المبدأ يعتبر الضوء شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي يرى بالعين البشرية و هو لا يختلف عن بقية أصناف الإشعاعات الكهرومغناطيسة مثل الأشعة الكونية و أشعة غاما و أشعة أكس و الترددات الراديوية إلا من حيث قيمة التردد frequency و يمتد التردد الضوئي من 300GHz إلى 300 مليون GHz (غيغا هيرتز) يبدأ من الأشعة تحت الحمراء و ينتهي بالأشعة فوق البنفسجية أما الضوء الذي تراه العين البشرية و يقصد هنا ضوء الشمس و مكون من عدة ألوان (أحمر- برتقالي - أصفر - أخضر - سماوي - أزرق - بنفسجي ) يقع مجال تردده بين حوالي 400GHz إلى ما يقارب 750GHz .
وللضوء خاصية مزدوجة فهو ينتشر في الفضاء كالأمواج الراديوية و يسلك كما لو كان مكوناً من العديد من الجسم والدقيقهوبالتالي يمكن تقسيم الحساسات بشكل عام إلى :
1- حساسات الإشارة فوق البنفسجية .
2- حساسات الإشارة الضوئية .
3- حساسات الإشارة تحت الحمراء.
لا تستخدم الإشارة فوق البنفسجية في التطبيقات الصناعية بسبب التردد العالي الذي تتميز به بينما تستخدم حساسات الأشعة تحت الحمراء( مرسلات و مستقبلات ديودية) بكثرة كما يمكن استخدام الحساسات الضوئية ( ليدات عادية ) في التطبيقات البسيطة.
سوف نستعرض فيما يلي مجموعة من الحساسات الضوئية واستخداماتها :
أنواع الحساسات الضوئية
1. الحساسات الرقمية :
وهي الحساسات التي تحول تغيرات الضوء الساقط عليها إلى تغيرات رقمية ، أي تعطي في خرجها 0 منطقي عند عدم وجود ضوء ، 1 منطقي عند وجود ضوء.
إن أهم استخدام للحساسات الرقمية الضوئية هو كدخل لدارة عداد كما سنرى.
وتقسم إلى:
1- حساسات رقمية تعمل بالضوء العادي .
2- حساسات رقمية تعمل بالحزم الضوئية.
3- حساسات رقمية تعمل بالأشعة تحت الحمراء.
في جميع الأقسام السابقة ينقسم الحساس إلى جزأين :
1- المرسل و المستقبل في جهتين متقابلتين
وعندها فإن الحساس المستقبل يعمل ( يحس بمرور قطعة أمامه) عند انقطاع الشعاع الضوئي الصادر عن المرسل و بالتالي يعطي أمرلدارة العداد لكي تقوم بالعد عند ورود صفر منطقي عليه.
الاستخدامات:
1- المصاعد الكهربائية، بغاية الأمان ،حيث لا يغلق المصعد عند ورود صفر منطقي على المستقبل.
2- عدد الناس الوافدين إلى منشأة اقتصادية ما.
2- المرسل والمستقبل بجهة واحدة:
حيث تعتمد طريقة العمل هنا على انعكاس الأشعة الضوئية الناتجة عن المرسل على الهدف و استقبالها ثانية من قبل المستقبل .
عندهها فإن الحساس المستقبل يعمل ( يحس بمرور قطعة أمامه) عند وجود الشعاع الضوئي الصادر عن المرسل و بالتالي يعطي أمرلدارة العداد لكي تقوم بالعد عند ورود واحد منطقي عليه.
الاستخدامات:
1- تحديد مسار روبوت الخط الأسود.
2- تحسس وجود قطعة ما لتشغيل دارة تحكم .
نعود لندرس كل من الحساسات السابقة والعناصر المستخدمة فيها واستخداماتها:
الحساس الضوئي: light sensor
يتألف الحساس الضوئي من:
1- ديود مرسل للضوءlight Emitting Diode (LED)
2- ترانزستور ضوئي Phototransistor
3- مقاومات انحياز Resistances
4- دارة تقويم Circuit of rectification
1- الديود المرسل للضوء light Emitting Diode(LED):
عملياً إن جميع وصلات P-N تبدي خصائص متغيرة مع تغير الأشعة الكهرومغناطيسية التي تجتازها لذا فأن الديود العادي يحاط بغلاف غير نافذ للضوء و الديود المرسل للضوء هو عبارة عن ديود مكون من اتصال مادتين أحداهما من نوع N والثانية من نوع P لكن هذا الديود عندما يحيز أمامياً
فأن الطاقة الكهربائية المستمرة المقدمة تعمل على تحريك حاملات الشحنة بسرعة مما يؤدي إلى تصادمات كثيرة ينتج عنها فوتونات تشع في كافة الاتجاهات
بنية المادة النصف ناقلة:
تشتمل المادة النصف ناقلة على بعض العناصــــر و الوصـــــلات الموجودة ضمنه هي عبارة عن اتحاد مواد كيميائية خاصـــــــة ، و عندما تحيز هذه الوصلات أمامياً فإن الإلكترونات الموجودة ضمن المواد الخاصة لهذه الوصلات تغادر مستويات الطاقة على شكل طيف ضوئي مرئي لذلك تشع هذه الوصلات .
إن الديود الضوئي المصمم بقصد أن يشع مثل المصباح يدعى الديود الإشعاع الضوئي
light-emitting diode, or LED.
الديودات المصنوعة من اتحاد مواد الغاليوم و الزرنيخ و الفوسفور (تدعى هذه المواد بفوسفوريد زرنيخ الغاليوم) تشع ضوء أحمر ساطع و كذلك معظم الليدات المصنوعة تشع بنفس اللون السابق يمكن تغيير اللون الصادر بتعديل كميات المواد الكيميائية لوصلة N-P
كما أنه يمكن الحصول على بعض الألوان من اتحاد لونين أساسين أو أكثر ( الأحمر و الأخضر والأزرق) لذا يمكن أن توضع مجموعة لدات في غلاف واحد وتشترك بنفس العدسات فعلى سبيل المثال: لد مرسل للضوء الأصفر يصنع من دمج لد أحمر مع لد أخضر
2- الترانزستور الضوئي Phototransistor :
مبدأ العمل :
كما هو معلوم لدينا أن الإلكترونات تستطيع التحرك من مستوي طاقة إلى آخر عند تعرضها للضوء أي إن كمية الطاقة في الضوء تسبب تغيير في مستويات الطاقة للإلكترونات وقد وُجدَ أن الجرمانيوم عندما يتعرض إلى الضوء تنشأ فيه تيارات صغيرة ناتجة عن امتصاص الجرمانيوم للضوء وفد أدى هذا الاكتشاف إلى ظهور نوع جديد من الخلايا الضوئية في مختبرات بل وهو ما يعرف بالترانزستور الضوئي وهو يختلف عن الخلايا الضوئية في شكله وترتيب أقطابه و ببعض خصائص تصرفاته
يعمل الترانزستور الضوئي على مبدأ تطبق حقل كهربائي عبر صفيحة الجرمانيوم فيسبب تحرك الإلكترونات في ذرات الجرمانيوم من مستوى طاقة إلى أخرى وإن تحرك الإلكترونات بهذه العملية يؤدي إلى إنتاج تيارت كهربائية صغيرة جداً .
يُطبق الحقل الكهربائي عن طريق سلكين (أو إلكتوردات : أقطاب كهربائية) ملامسة لسطح الجرمانيوم ذو بعد من رتبة بضعة آلاف جزء من الإنش .
أحد الإلكترودات يدعى بالمجمع والأخر يدعى بالمشع .
وفد أثبتت التجارب أن الترانزستور يبدي التأثير نفسه لو تمَّ عكس توصل المجمع والباعث مع سطح الجرمانيوم من جانب الحافة الرفيعة للجرمانيوم ذات ثخانة بضعة آلاف من الإنش .
والمنطقة الحساسة للضوء في الترانزستور الضوئي موجودة قرب تلامس رجلي الترانزستور و هي صغيرة كل 10 ملي من الترانزستور تحوي 0.01 منها لذلك فإن هذه المنطقة تمتاز بحساسية عالية جداً.
كما أنه يفضل استخدم عدسات للتقليل بشكل تقريبي من حجم انعكاس الضوء عن المنطقة الحساسة للضوء من قطعة الجرمانيوم .
أحد ميزات الترانزستور الضوئي استخدامه كمضخم للتيار حيث إن أكثر إلكترونات تيار دارة الناقلية الضوئية ( دارة الديود المرسل ) تتحول إلى فوتونات لتجتاز دارة الناقلية الضوئية و تصطدم بالمنطقة الحساسة للضوء في الترانزستور ليتكون على خرج الترانزستور تيار مضخم و مجال تضخيمه من ضعفين إلى خمس أضعاف التيار المضخم
ومما سبق نجد أن الترانزستور الضوئي :هو عبارة عن ترانزستور مصنوع من السليكون أو الجرمانيوم نوع NPN له قطبان أحدهما الباعث E والثاني المجمع C أما القاعدة فهي عبارة عن منطقة حساسة للإضاءة
يتم التحكم بكمية التيار الذي يمر من E إلى C عن طريق كمية إضاءة القاعدة الحســاسة للضوء و يمتـاز الترانزيستور بإمكانية عمله مع الضوء الغير مرئي مثل الأشعة تحت الحمراء حيث يمكن استحدامه في أجهزة إنذار ضد اللصوص.
وحتى يعمل الترانزستور يجب أن يكون الضوء المسلط على القاعدة بطول موجة 
s
حيث : s طول الموجة العتبي للقاعدة
و هو بالتعريف أصغر طول موجة ضوئية تصبح عندها مقاومة القاعدة مهملة أو أصغر طول موجة ضوئية ينتقل عندها الترانزستور من حالة off←on
عندما تضاء منطقة القاعدة كما في هذه الدارة :
بضوء ذي طول موجة s فإن الترانزستور ينتقل من حالة Off←on و يمر تيار بين المجمع و الباعث وعندما يتوقف تدفق الضوء إلى القاعدة ينتقل الترانزستور من حالة on←off
يمكن مكافئة الترانزستور الضوئي بترانزستور عادي موصول إلى قاعدته مقاومة ضوئيةLDR (Light Diode Resistance)
و عندما يسلط ضوء بطول موجة معين على المقاومة LDR تقل هذه المقاومة إلى قيمة مهملة تقريباً و بالتالي يزداد جهد إنزياح الترانزستور Vbb=10-(Ic+Ib)*1K وينتقل الترانزستور إلى حالة الفتح ويمر التيار من المجمع C إلى الباعث E
تطبيقات الترانزستور الضوئي:
أجهزة الإنذار , فاتح الأبواب الآلي , و دوائر إغلاق الستائر عند غياب الشمس أو العكس, و دوائر أخرى يتطلب عملها الإحساس بالضوء . كما أنه يستخدم في أجهزة التلفزيون كوحدة استقبال لجهاز التحكم (remote control)
3- مقاومات الانحياز Resistances:
وهي عبارة عن مقاومتين :
إحداهما موصولة مع الديود المرسل للضوء لحمايته في دارة الناقلية الضوئية
الثانية موصولة مع مجمع الترانزستور الضوئي لتأمين انحيازه قي دارة الاستقبال الضوئية
4- دارة التقويمCircuit of rectification :
تتم تغذية الحساس ( تأمين تغذية دارة الاستقبال الضوئي +تغذية دارة الناقلية الضوئية) بتيار مستمر عن طريق دارة تقويم ذات تنظيم 10 فولت أو أكثر بقليل أو أقل بقليل وذلك تبعاً لخصائص الترانزستور الضوئي المستخدم ( جهد الانهيار الأعظمي) و تبعاً لخرج الحساس الذي نريده وغالباً يفضل أن يكون خرج الحساس 5 فولت و ذلك كونها تساوي واحد منطقي مما يخدمنا عند ربط الحساس مع جهاز PLC وتتألف دار التقويم من:
1- محولة للجهد 220V→12V
2- مقوم جسري مكون من أربع ديودات :يقوم بتحويل الجهد المتناوب إلى مستمر
3- يمكن أن يوضع مكثف للزيادة من تنعيم الإشارة
يقوم الديود الضوئي بإرسال ضوء بطول موجة s طول الموجة العتبي للقاعدة وبذلك يكون الترانزستور الضوئي في حالة onفيمر التيار من الجهد المرتفع إلى الجهد المنخفض (الأرضي) عبر الترانزستور الضوئي ويكون خرج الحساس Vout=0
عند حدوث انقطاع لتدفق الضوء الصادر من الديود الضوئي يصبح الترانزستور في حالة off ولا يمرر تيار عبره وبالتالي سيزداد الجهد Vout على خرج الحساس
الثنائي الضوئي DiodePhoto ( مستقبل ):
يتكون الثنائي الضوئي من شبه موصل موجب P وآخر سالب N ونافذة شفافة منفذة للضوء كما يتضح على الثنائي الضوئي، يقوم الضوء بكسر الروابط البلورية ويتحرر عدد من الشحنات التي تسمى بـشحنات الأقلية، ويزداد هذا العدد بزيادة الضوء الساقط مكوناً تياراً يسمى بتيار التسريب ويستخدم في الدارات الالكترونية .
يوصل الثنائي الضوئي توصيلاً عكسياً كما في الشكل و يغذى بجهد 1.5 – 3 فولت ، أما في حال تم توصيله أماميا فإنه يعمل كديود عادي
صغر حجمها وقوتها العالية وكفائتها ، كما يمكن إشعالها وإطفائها بسرعة عالية وتعمل بطول موجة ضيق وبوثوقية جيدة
2. (الحساسات الضوئية التشابهية)
وهي الحساسات التي تحول تغيرات الضوء إلى تغير تشابهي في خرجها .
مثال على الحساسات الضوئية التشابهية:
المقاومة الضوئية (LDR) : Light Depending Resistor
وهي تقوم على تحويل الضوء العادي إلى مقاومة ..تصنع هذه المقاومات من سلفيد الكاديوم (CDS) حيث تنخفض قيمتها الأومية عند ازدياد شدة الإضاءة ، وتزداد قيمتها عند انخفاض الضوء ..
يكون سطحها العلوي هو فقط الحساس للضوء .
تصل قيمتها الأعظمية في الظلام إلى (2M ohm) وفي الضوء الشديد الناصع تصل قيمتها(100 ohm) ،وتعتبر المقاومة الضوئية حساسة جداً للنور وسهلة الإسخدام.إن معظم المقاومات الكهروضوئية تستطيع أن تتحمل فولت يتراوح مابين100v200vو 300v ولكن استهلاك (الواط) ) القدرة العظمى لهذه العناصر يتراوح
مابين 30 ملي واط و 300 ملي واط( . 
الحساسات وأهميتها
