سنسور شیب (Tilt Sensor)
تعاریف
سوئیچ شیب (Tilt Switch) در اینجا به عنوان یک سوئیچ الکترومکانیکی تعریف میشود، در حالی که سنسور شیب (Tilt Sensor) از الکترونیک استفاده میکند. هر دو نوع در این مدخل گنجانده شدهاند.
سوئیچ واژگونی (Tipover Switch) بسیار شبیه به سوئیچ شیب است و از اصول یکسانی استفاده میکند. بنابراین، در این مدخل گنجانده شده است.
در برخی برگههای اطلاعات (Datasheets) سازندگان، به سنسورهای شیب، سنسورهای واژگونی (Tip Sensors) گفته میشود. در برخی کاتالوگهای تأمینکنندگان آسیایی، به سوئیچهای شیب، سوئیچهای شکست (Breakover Switches) گفته میشود.
یک شتابسنج (Accelerometer) میتواند زاویهای را که نسبت به نیروی گرانش به پایین نگه داشته شده است اندازهگیری کند، اما قابلیتهای اضافی دیگری نیز دارد. بنابراین، مدخل جداگانهای در این دایرةالمعارف دارد.
یک شیبسنج (Inclinometer) شیب یا سطح مثبت را از نقطه مشاهده تا بالای یک شیء (مانند یک ساختمان یا درخت) اندازه میگیرد. ارتفاع شیء را میتوان از روی زاویه محاسبه کرد. یک شیبیاب (Clinometer) علاوه بر این میتواند یک decline یا شیب منفی را نیز اندازهگیری کند. این دستگاههای اندازهگیری، محصولات کاملاً مجهزی در مقابل سنسورها هستند و در این دایرةالمعارف گنجانده نشدهاند.
سایر اجزای مرتبط
- شتابسنج (به فصل ۱۰ مراجعه کنید)
- سنسور لرزش (به فصل ۱۱ مراجعه کنید)
عملکرد آن
سه نوع اصلی سنسور شیب وجود دارد: ۱. تک محوره، تک خروجی: سنسور به کج شدن حول یک محور افقی، نسبت به نیروی گرانش به پایین پاسخ میدهد. ۲. دو محوره، دو خروجی: سنسور حاوی دو المان حسگر در زاویه ۹۰ درجه نسبت به هم است. هر یک خروجیای دارند که توسط زاویه انحراف از حالت عمودی حول یک محور تعیین میشود. ۳. دو محوره، تک خروجی: یک سنسور منفرد به زاویه انحراف از حالت عمودی حول هر محور افقی پاسخ میدهد.
یک سوئیچ شیب معمولاً از نوع سوم است و در اینجا به گونهای تعریف میشود که حاوی یک سوئیچ الکترومکانیکی یا الکترونیکی است که یک اتصال را باز یا بسته میکند. بیشتر سوئیچهای شیب از نوع SPST (به طور معمول باز) یا SPST (به طور معمول بسته) هستند. تعداد کمی DPDT هستند.
سوئیچ واژگونی نوعی سوئیچ شیب با جریان بالا است که هنگام واژگونی دستگاههایی مانند بخاری برقی، برق آن را قطع میکند.
این دایرةالمعارف، سنسور شیب را به عنوان یک جزء الکترونیکی، در مقابل یک جزء الکترومکانیکی تعریف میکند. این تمایز اغلب در برگههای اطلاعات رعایت میشود، اما نه همیشه.
نماد شماتیک
هیچ نماد شماتیک خاصی به طور کلی برای هیچ گونهای از سنسور شیب استفاده نمیشود. میتوان آن را با یک نماد سوئیچ حاشیهنویسی شده نمایش داد.
چگونه کار میکند
از آنجا که سوئیچ شیب دستگاه سادهتری نسبت به سنسور شیب است، ابتدا توضیح داده خواهد شد.
متداولترین نوع سوئیچ شیب از یک محفظه استوانهای فلزی یا پلاستیکی تشکیل شده است (اغلب با ابعاد حدود ۵mm در ۱۵mm) که حاوی دو گوی فولادی است که ممکن است آبنقره یا آبطلا شده باشند. هنگامی که سوئیچ کج میشود، گویها در نهایت به سمت پایین حرکت میکنند و گوی پایینی یک اتصال الکتریکی بین دو کنتاکت یا بین یک کنتاکت منفرد و محفظه فلزی سوئیچ برقرار میکند. گوی دوم برای افزودن وزن و کاهش لرزش در گوی اول گنجانده شده است.
شکل ۸-۱ یک سوئیچ ساخت شرکت Comus Global را نشان میدهد که برای جریان ۰.۲۵A در ۶۰VAC یا ۶۰VDC حداکثر، درجهبندی شده است. بدنه سوئیچ حدود ۱۰mm در ۵mm است و سوئیچ هنگامی فعال میشود که ۱۰- درجه از حالت افقی کج شود. هنگامی که ۱۰+ درجه کج شود، غیرفعال میشود. یک نقشه مقیاسدار از داخلی آن در شکل ۸-۲ نشان داده شده است.
شکل ۸-۱ سوئیچ شیب CW1300 ساخت Comus Global.
شکل ۸-۲ داخلی سوئیچ شیب CW1300، از یک نقشه مقیاسدار تأمین شده توسط سازنده. پایه پایینی به پوسته سنسور جوش داده شده است. پایهها ممکن است در یک برد مدار چاپی قرار داده شوند.
شکل ۸-۳ سه پیکربندی رایج داخلی یک سوئیچ شیب عمومی را نشان میدهد. نسخه بالایی دارای پایههای محوری است و از پوسته فلزی سوئیچ برای تکمیل مدار استفاده میکند. نسخه وسطی دارای پایههای شعاعی با پوسته پلاستیکی است. نسخه پایینی دارای پایههای شعاعی است که یکی از آنها به پوسته فلزی متصل شده تا مدار را کامل کند.
شکل ۸-۳ سه واریانت از یک سوئیچ شیب با عملکرد گوی. مقیاس کاغذ شطرنجی بر حسب میلیمتر است.
شکل ۸-۴ بخشهای یک سوئیچ شیب جدا شده را نشان میدهد.
نسخه سادهشده در مواردی که اندازه مسئله مهمی نیست، میتوان یک سوئیچ شیب را با attaching یک بازوی وزندار محوری به یک سوئیچ فشاری کوچک (snap-action) ایجاد کرد.
شکل ۸-۴ در سمت راست، یک سوئیچ شیب. در سمت چپ، درپوش برداشته شده و دو گوی که تماس داخلی را برقرار میکنند. شبکه پسزمینه بر حسب میلیمتر است.
کاربردها
یک ترموستات قدیمی (غیرالکترونیکی) ممکن است حاوی یک سوئیچ شیب باشد که به انتهای یک نوار دو فلزی پیچیده شده به صورت مارپیچ متصل شده است. هنگامی که نوار در پاسخ به کاهش دما خم میشود، سوئیچ کنتاکتهای خود را میبندد و یک رله را فعال میکند که واحد گرمایشی را روشن میکند. اگر دما افزایش یابد، مجموعه کنتاکتهای اضافی در همان رله ممکن است واحد تهویه مطبوع را فعال کنند. در ترموستاتهای قدیمی، سوئیچ شیب ممکن است حاوی جیوه در یک لوله شیشهای باشد که باید با احتیاط حمل شود.
یک سوئیچ شیب ممکن است باز شدن در یا پنجره را در یک سیستم هشدار ساده تشخیص دهد.
از سوئیچهای شیب در خودروها برای روشن کردن نور داخلی صندوق عقب هنگامی که درب آن باز میشود استفاده شده است.
از یک سوئیچ شیب به طور معمول بسته (Normally Closed) اغلب برای توقف ورود مواد دانهای به یک سیلو هنگامی که تقریباً پر است استفاده میشود. این سوئیچ به طور عامیانه به عنوان سوئیچ سیلو (Bin Switch) شناخته میشود. در کاربردهای صنعتی از این نوع، سوئیچ توسط یک اهرم بلند که یک گوی در انتهای آن نصب شده است فعال میشود. مجموعه سوئیچ از نظر فیزیکی بزرگ است. به شکل ۸-۵ مراجعه کنید.
یک سوئیچ شیب به طور معمول باز (Normally Open) ممکن است یک شیر را کنترل کند یا یک پمپ را هنگامی که مایع در یک مخزن به زیر نقطه معینی میرسد روشن کند. اگر سوئیچ از یک شناور (Float) برای حس کردن سطح مایع استفاده کند، اغلب به عنوان سوئیچ شناور (Float Switch) شناخته میشود. این در مدخل سنسورهای سطح مایع توضیح داده شده است (به فصل ۱۵ مراجعه کنید).
شکل ۸-۵ جریان مواد دانهای به داخل یک سیلو میتواند توسط یک سوئیچ شیب از این نوع حس و متوقف شود، که اغلب به عنوان سوئیچ سیلو شناخته میشود.
یک سوئیچ واژگونی ممکن است از سیستم سادهشده یک بازوی وزندار که یک سوئیچ فشاری (snap-action) را فعال میکند استفاده نماید. هنگامی که در conjunction با یک بخاری اتاق استفاده میشود، سوئیچ باید جریان قابل توجهی را تحمل کند.
یک موتورسیکلت ممکن است حاوی یک سوئیچ واژگونی باشد تا پمپ سوخت برقی را در صورت افتادن موتورسیکلت روی پهلو متوقف کند.
با قرار دادن چهار سوئیچ شیب به صورت الگوی متقاطع روی یک پایه انعطافپذیر، میتوان از آن به عنوان اساس یک کنترلر بازی بسیار ساده استفاده کرد که یک جویاستیک در مرکز آن نصب شده است.
واریانتها
سه پیکربندی سوئیچهای شیب گویای نشان داده شده در شکل ۸-۳ از نظر عملکردی قابل تعویض هستند و میتوان آنها را به دلیل راحتی پایههایشان در مناسب بودن برای مدار انتخاب کرد.
سوئیچهای جیوهای سوئیچهای شیب اولیه حاوی یک قطره جیوه در یک حباب شیشهای بودند. هنگامی که حباب کج میشد، جیوه به انتهای آن میغلطید و یک اتصال الکتریکی بین دو کنتاکت فلزی که به حباب نفوذ میکردند برقرار میکرد.
یک سنسور جیوهای کوچک در شکل ۸-۶ نشان داده شده است. این نوع سنسور پس از اینکه بسیاری از کشورها جیوه را یک خطر زیست محیطی طبقهبندی کردند و مقررات محدودکننده استفاده از آن را estable کردند، کمتر متداول شد.
شکل ۸-۶ سوئیچ جیوهای کوچک با درجه ۰.۳A در ۲۴VDC یا ۲۴VAC. سوئیچهای جیوهای بزرگتر میتوانند توان بیشتری را سوئیچ کنند؛ ۱A در ۲۳۰V متداول است. شبکه پسزمینه بر حسب میلیمتر است.
جیوه یک رسانای الکتریکی عالی است. این ماده در محدوده حدود ۳۸- درجه سانتیگراد تا ۳۵۶+ درجه سانتیگراد در حالت مایع باقی میماند و کشش سطحی بسیار بالایی دارد که باعث میشود به جای شکسته شدن به قطرات کوچک، یک قطره واحد تشکیل دهد. از آنجا که فضای آزاد در حباب با یک گاز بیاثر پر شده است تا از اکسید شدن الکترودها جلوگیری شود، یک سوئیچ جیوهای میتواند عمر عملیاتی بسیار طولانی داشته باشد. در ایالات متحده در دهه ۱۹۷۰، برخی کلیدهای چراغ فروخته میشد که حاوی سوئیچهای جیوهای با عمر تخمینی ۱۰۰ سال بودند.
سوئیچ آونگی این نوع سوئیچ، که اکنون نسبتاً نادر است، در ماشینهای پینبال قدیمی یافت میشد. این سوئیچ شامل یک آونگ به طول حدود ۵cm است که در داخل یک حلقه فولادی با قطر داخلی حدود ۱cm آویزان شده است. اگر دستگاه به اندازه کافی تکان داده میشد تا آونگ با حلقه تماس پیدا کند، بازی لغو میشد و کلمه “Tilt” روی نمایشگر ظاهر میشد. در نتیجه به این سوئیچ، سوئیچ شیب گفته میشد، اگرچه در واقع نوعی سنسور لرزش با دوره نوسان طولانی بود.
مغناطیس شدن برخی سوئیچهای شیب از یک گوی فولادی استفاده میکنند که به ضعف مغناطیسی شده است، تا هنگامی که در یک فرورفتگی دایرهای یا حلقه میغلتد، محکمتر در جای خود قرار گیرد. این نوع سوئیچ باید از زاویه بزرگتری به عقب کج شود تا گوی از جای خود خارج شود. بنابراین hysteresis بیشتری از خود نشان خواهد داد.
سنسورهای شیب
برخلاف یک سوئیچ شیب، یک سنسور شیب حول یک سوئیچ الکترومکانیکی ساخته نشده است.
اصل گوی غلتکی miniaturized شده و در یک محفظه کوچک (۱۰mm مربع یا کوچکتر) encapsulated شده است، که در آن گوی میغلتد تا پرتو یک LED داخلی را که بر روی یک فتوترانزیستور میتابد قطع کند. نمونههایی از این سنسورها در سری AHF شرکت پاناسونیک یافت میشود. مدارات داخلی یک سیگنال روشن-خاموش تمیز و عاری از مشکل جهش کنتاکت (Switch Bounce) که در سوئیچهای شیب گویای پایه مشکلساز است، تضمین میکنند. با این حال، سوئیچ به یک منبع تغذیه نیاز دارد و خروجی open-collector آن باید با یک مقاومت pull-up استفاده شود. در مقایسه، یک سوئیچ شیب الکترومکانیکی ساده را میتوان مستقیماً به دستگاهی که کنترل میکند سیمکشی کرد.
نمودارهای برگه اطلاعات پاناسونیک سه نوع سنسور AHF موجود برای نصب عمودی، افقی و معکوس را نشان میدهند. در هر حالت، گوی (دایره نقطهچین) در یک فنجان کم عمق (منحنی نقطهچین) قرار میگیرد و پرتو LED داخلی (نشان داده نشده) را مسدود میکند. به شکل ۸-۷ مراجعه کنید. نمای خارجی AHF22 در شکل ۸-۸ نشان داده شده است.
شکل ۸-۷ سه نوع سنسور شیب پاناسونیک، از برگه اطلاعات سازنده. برای جزئیات به متن مراجعه کنید.
شکل ۸-۸ نمای خارجی سنسور شیب پاناسونیک AHF22. شبکه پسزمینه بر حسب میلیمتر است.
سنسورهای شیب دو محوره سنسور Rohm RPI-1035 یک سنسور شیب نصب سطحی (Surface-mount) حدود ۴mm مربع است که دارای دو خروجی فتوترانزیستوری است که نشان میدهد سنسور حول کدام محور در حال چرخش است. خروجیها را میتوان به عنوان یک عدد باینری ۲ بیتی تفسیر کرد، که چهار حالت ممکن آن نشاندهنده چرخش سوئیچ حول دو محور در زاویه ۹۰ درجه نسبت به هم است. سوئیچهایی از این نوع برای نشان دادن جهتگیری دستگاههای الکترونیک مصرفی مانند دوربینهای دیجیتال توسعه یافتهاند، اما سنسورهای پیشرفتهتر حاوی شتابسنجها در حال رقابتپذیر شدن از نظر قیمت هستند.
سنسورهای شیب دو محوره نصب سطحی روی بردهای کوچک breakout که استفاده آزمایشی از آنها آسان است، در دسترس قرار گرفتهاند. یک مثال Parallax 28036 است که در شکل ۸-۹ نشان داده شده است.
شکل ۸-۹ یک سنسور شیب دو محوره نصب شده روی یک برد breakout available از Parallax.
رفتار سنسور گوی غلتکی در قلب این برد در شکل ۸-۱۰ نشان داده شده است. سنسور حاوی یک حفره مربعی است که گوی به صورت یک دایره آبی به تصویر کشیده شده است. در یک گوشه حفره یک LED قرمز رنگ وجود دارد، در حالی که دو فتوترانزیستور با برچسب A و B در گوشههای چپ و راست قرار دارند. هنگامی که سنسور همانند بخش ۱ شکل نگه داشته میشود، با LED در بالا و گوی در پایین، هر دو فتوترانزیستور خروجی بالایی دارند زیرا نور را از LED دریافت میکنند.
در بخش ۲ شکل ۸-۱۰، سنسور ۹۰ درجه چرخانده شده است. اکنون گوی مانع از رسیدن نور به سنسور B میشود، در حالی که فتوترانزیستور A هنوز فعال است. در بخش ۳ شکل، سنسور ۹۰ درجه دیگر چرخانده شده است، به طوری که گوی مانع از فرار نور از LED میشود و اکنون هر دو فتوترانزیستور تاریک هستند. در بخش ۴، گوی فتوترانزیستور A را مسدود میکند اما فتوترانزیستور B را مسدود نمیکند.
شکل ۸-۱۰ سنسور گوی غلتکی داخل Parallax 28036. برای جزئیات به متن مراجعه کنید.
فرض کنید سنسور به صورت صاف روی یک سطح افقی قرار گرفته است. اکنون سنسور به کج شدن به هر دو طرف حول دو محور افقی پاسخ خواهد داد. این موضوع توصیف آن را به عنوان یک سنسور شیب ۴-جهتی توجیه میکند، اگرچه طراحی آن نشان میدهد که ممکن است برای استفاده به گونهای که در بالا توضیح داده شد (چرخش در چهار موقعیت حول یک محور افقی) در نظر گرفته شده باشد.
مقادیر
یک سوئیچ شیب سنگیندuty میتواند تا ۱۰A در ۲۴۰VAC درجهبندی شود. معمولاً از یک سوئیچ شیب به طول حدود ۱۵mm انتظار میرود که حدود ۰.۳A در ۲۴VAC یا ۲۴VDC را سوئیچ کند.
زاویه عملکرد (Operating Angle) زاویهای است که سوئیچ باید نسبت به موقعیت استراحت عادی خود چرخانده شود تا فعال شود.
زاویه بازگشت (Return Angle) زاویهای است که سوئیچ باید به آن بازگردد تا غیرفعال شود. Hysteresis ناشی از کوچکتر بودن زاویه بازگشت نسبت به زاویهای است که سنسور را فعال میکند.
سنسورهای شیب با خروجی open-collector، حداکثر جریان forward برای LED نصب شده داخلی (معمولاً بیشتر از ۵۰mA نیست)، حداکثر ولتاژ collector-emitter در خروجی (معمولاً ۳۰V) و حداکثر جریان کلکتور (اغلب ۳۰mA) را مشخص میکنند. توضیحی در مورد خروجیهای open-collector در پیوست A ارائه شده است (به “۳. Analog: Open Collector” مراجعه کنید).
چگونه از آن استفاده کنیم
یک سوئیچ شیب الکترومکانیکی را میتوان مستقیماً بین یک منبع تغذیه و یک دستگاه متصل کرد، به شرطی که دستگاه جریانی بیشتر از جریان درجهبندی شده سوئیج نکشد. توجه داشته باشید که بارهای القایی مانند موتورها در ابتدا یک جریان هجومی میکشند که میتواند حداقل دو برابر درجه عملیاتی باشد، در حالی که رلهها ممکن است هنگام قطع اتصال، احتمال بیشتری برای ایجاد یک spike ولتاژ داشته باشند. سوئیچها باید بر این اساس انتخاب شوند. برای بحث بیشتر در این مورد، به مدخل سوئیچ در جلد ۱ مراجعه کنید.
یک سوئیچ شیب کوچک را میتوان در conjunction با یک رله یا ترانزیستور برای تقویت سیگنال آن به اندازه کافی برای راهاندازی یک بار بزرگتر استفاده کرد.
اگر یک سوئیچ شیب الکترومکانیکی به یک دستگاه الکترونیکی مانند یک میکروکنترلر یا تراشه منطقی متصل شود، خروجی سوئیچ باید debounced شود تا از یک سری spikeهای ولتاژ کوتاه که میتوانند هنگام روشن یا خاموش شدن سوئیچ باعث فعال شدن کاذب شوند، جلوگیری کند. میتوان از یک مدار یا تراشه منطقی debouncing استفاده کرد، یا کد برنامه در یک میکروکنترلر میتواند یک دوره انتظار تا ۵۰ میلیثانیه برای settling کنتاکتها معرفی کند.
سوئیچهای جیوهای بسیار کمتر از سوئیچهای گوی غلتکی احتمال ایجاد خروجی نویزی دارند و ممکن است به debouncing کم یا هیچی نیاز داشته باشند.
برای کاربردهایی که باید چرخش حول دو یا سه محور را حس کنند، میتوان چندین سوئیچ شیب تک محوره را ترکیب کرد. یک میکروکنترلر یا گیتهای منطقی برای ارزیابی سیگنالهای سوئیچها به منظور تعیین جهتگیری لازم خواهند بود.
چه مشکلاتی ممکن است پیش بیاید؟
فرسایش کنتاکت اگر یک سوئیچ شیب گویای تحت جریانی بیش از مشخصات آن قرار گیرد، قوس زدن (arcing) ممکن است کنتاکتهای آن را فرسوده کند و آنها کمتر قابل اعتماد شوند، به خصوص اگر کنتاکتها با یک لایه نازک فلزی آبکاری شده باشند که فرسایش مییابد. برای اطلاعات بیشتر در مورد قوس زدن در سوئیچها، به مدخل سوئیچ در جلد ۱ مراجعه کنید.
سیگنالهای تصادفی در مدت زمان کوتاهی که یک سوئیچ شیب گویای از یک موقعیت به موقعیت دیگر در حال تغییر است، لرزش گوی(ها) در داخل آن احتمالاً سیگنالهای erratic و تصادفی ایجاد میکند. اگر خروجی سوئیچ توسط یک میکروکنترلر در حال ارزیابی است، یک روال debouncing ممکن است برای جلوگیری از حس شدن سیگنالهای تصادفی کافی نباشد و برخی برنامهنویسی برای نادیده گرفتن سیگنالها در این فاز انتقالی لازم خواهد بود. اگر سوئیچ مستقیماً به یک رله متصل شده باشد، سیگنالهای متناوب ممکن است به اندازه کافی سریع رخ دهند که رله آنها را نادیده بگیرد.
خطر زیست محیطی دستگاهی که یک سوئیچ جیوهای را incorporate میکند ممکن است در آینده نیاز به بازمهندسی داشته باشد اگر در دسترس بودن سوئیچهای جیوهای در نتیجه مقررات سختگیرانهتر زیست محیطی unreliable شود. به همین دلیل، کاربر نهایی ممکن است در جایگزینی یک سوئیچ جیوهای در صورت خرابی مشکل داشته باشد. بنابراین، یک سوئیچ شیب گویای باید به جای یک سوئیچ جیوهای در هر دستگاه newly designed استفاده شود.
نیاز به گرانش از آنجا که یک سوئیچ شیب برای غلتاندن یک گوی یا حرکت یک قطره جیوه به گرانش متکی است، در شرایط گرانش کم، گرانش معکوس یا گرانش صفر - برای مثال، در یک موشک در مرحله ascent و descent بدون نیرو، یا در یک هواپیما که مانورهای آکروباتیک انجام میدهد - کار نخواهد کرد. عملکرد یک سوئیچ شیب در وسیلهای که به طور ناگهانی شتاب میگیرد یا کند میشود نیز ممکن است غیرقابل اعتماد باشد. به همین ترتیب، نمیتوان از آن روی یک قایق کوچک استفاده کرد.
نیاز به ثبات یک سوئیچ شیب تمایل دارد که در مکانی که لرزش قابل توجهی وجود دارد یا شیء حاوی سوئیچ ممکن است توسط کاربر به طور غیرقابل پیشبینی چرخانده یا reposition شود، نتایج erroneous دهد.