คาปาซิทีฟ พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Capacitive Proximity Sensors)
รูปคาปาซิทีฟ พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Capacitive Proximity Sensors)
คาปาซิทีฟ พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Capacitive Proximity Sensors) เป็นเซนเซอร์ที่ใช้หลักการเปลี่ยนแปลงของค่าคาปาซิแตนซ์ โดยการสร้างสนามไฟฟ้าสถิตย์ ซึ่งต่างจากอินดักทีฟ เซนเซอร์(Inductive Sensors) ที่จะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้จะมีความสามารถตรวจจับวัตถุที่เป็นโลหะหรือมีส่วนประกอบของโลหะเท่านั้น แต่คาปาซิทีฟ เซนเซอร์ (Capacitive Sensors) ซึ่งใช้หลักการสร้างไฟฟฟ้าสถิตย์นั้น ทำให้สามารถตรวจจับวัตถุได้เกือบทุกประเภท ทั้งโลหะและอโลหะ ซึ่งทำให้เซนเซอร์ชนิดนี้มีการใช้งานกันอย่างแพร่หลายเพราะมีสารหรือปุ่มปรับ เซนซิทีวิตี้ (Sensitivity Adjustment) ซึ่งทำให้สารตรวจจับระดับของเหลวในภาชนะทึบแสงเช่น ใช้เช็คระดับน้ำมันเครื่องในถังพลาสติกทึบแสง เป็นต้น
คาปาซิทีฟ พร๊อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Capacitive Proximity Sensors) เป็นเซนเซอร์ที่สามารถทำการตรวจจับได้โดยตัวเซนเซอร์ไม่ต้องสัมผัสกับตัววัตถุเลย เหตุนี้จึงทำให้เซนเซอร์ชนิดนี้มีอายุการใช้งานที่ยืนยาวเป็นอย่างมาก และยังสามารถตรวจจับได้ทั้งโลหะและอโลหะเช่น กระดาษ ขวด แก้ว พลาสติก น้ำ โดยความสามารถของการตรวจจับของเซนเซอร์ชนิดนี้นั้น จะขึ้นอยู่กับค่าคงที่ของค่าไดอิเล็กตริก (Dielectric Constant) หรือค่า k ของวัตถุ
สารไดอิเล็กตริก คือ สารที่ไม่นำไฟฟ้าเช่น ยาง แก้ว กระดาษไข พาราฟิน และเทฟลอน เป็นต้น ส่วนวัตถุที่เป็นตัวเก็บประจุนั้นเป็นแผ่นโลหะบางๆวางซ้อนกันโดยมีสารไดอิเล็กตริกอยู่ตรงกลาง จะมีลักษณะเป็นแผ่นระนาบสองแผ่นที่วางขนานกัน โดยจะมีระยะห่างระหว่างแผ่นขนาน และมีค่าความจุเริ่มต้น เมื่อใส่สารไดอิเล็กตริกเข้าไปแทนที่ ที่ว่างดังกล่าว จะทำให้ตัวเก็บประจุนั้น มีค่าความจุเพิ่มขึ้น สมมติว่าเป็น C และเรียกอัตราส่วนของค่าความจุใหม่ขณะที่มีไดอิเล็กตริก เทียบกับค่าความจุขณะไม่มีสารไดอิเล็กตริกว่า ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก
รูป แสดงสารไดอิเล็กตริก
ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (Dielectric) = C1/C2
หลักการทำงานของ คาปาซิทีฟ พร็อกซิมิตี้ เซนเซอร์
(Capacitive Proximity Sensors)
เซนเซอร์ชนิดนี้มีรูปร่างและหน้าตาของตัวเซนเซอร์คล้ายกับ อินดักทีฟ พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Inductive Proximity Sensors) แต่หลักการทำงานของเซนเซอร์สองชนิดนี้จะต่างกัน โดยเซนเซอร์ชนิดนี้จะอาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงค่าความจุของตัวประจุ เมื่อวัตถุที่เราจะตรวจจับ เคลื่อนที่เข้ามาใกล้กับสนามไฟฟ้าของตัวเซนเซอร์มากขึ้น โดยใช้แอกทีฟอิเล็กโทรด (A) และ เอิทธ์อิเล็กโทรด (B) การเปลี่ยนแปลงค่าความจุ (Capacitance Value) ดังกล่าว จะขึ้นอยู่กับระยะทางระหว่างวัตถุเป้าหมายกับตัวเซนเซอร์ยิ่งวัตถุเคลื่อนที่เข้าใกล้ตัวเซนเซอร์มากขึ้น ค่าความจุไฟฟ้าระหว่างตัววัตถุกับคาปาซิทีฟเซนเซอร์ยิ่งมีค่าเปลี่ยนแปลงไปโดยค่าความจุไฟฟ้าจะมากขึ้น ขนาดและรูปร่างของวัตถุ และชนิดของ วัตถุเป้าหมาย ค่าไดอิเล็กตริกหรือค่า k ของวัตถุต่างกัน จะมีค่าความจุที่แตกต่างกัน เมื่อค่าความจุเปลี่ยนแปลงไปจนถึงค่าๆหนึ่ง ซึ่งมีค่าความต้านทาน (ในวงจรออสซิลเลเตอร์ RC) ไม่มีการเปลี่ยนแปลงคือตั้งเป็นค่าคงที่ตั้งแต่แรก จะส่งผลให้เกิดการออสซิลเลทสัญญาณขึ้น และค่าแอมพลิจูด และ ความถี่สูงขึ้นเมื่อมีวัตถุเข้ามาในระยะตรวจจับที่ความถี่สูงค่าหนึ่ง วงจรทริกเกอร์จะสั่งให้มีค่าเอ้าท์พุทออกไป (DC, 4-20 mA หรือ 0-10 VDC)และส่งต่อไปที่เอ้าท์พุท เพื่อสั่งการให้เอ้าท์พุททำงาน ส่วนประกอบของตัว คาปาซิทีฟ พร๊อกซิมิตี้ เซนเซอร์ได้แก่ อิเล็กโทรด(แบ่งเป็นแอ็คทีฟอิเล็กโทรด (A) กับอิเล็กโทรดชดเชย (B)) ออสซิลเลเตอร์ วงจรทริกเกอร์ ตัวส่งสัญญาณเอ้าท์พุท
รูป ส่วนประกอบต่างๆ ภายในตัวเซนเซอร์
A ได้แก่ แอ็คทีฟอิเล็กโทรด
B ได้แก่ อิเล็กโทรดชดเชย
ขั้นตอนการทำงานจะเริ่มจาก ในขณะปรกติ คือ ไม่มีวัตถุเข้ามาในระยะตรวจจับตัวออสซิลเลเตอร์์จะอยู่ในสภาวะที่ไม่ทำงาน แต่เมื่อมีวัตถุเข้ามาในระยะทำงาน ตัวออสซิลเลเตอร์จะเริ่มทำงานโดยจะค่อยๆเพิ่มความถี่ของสัญญาณให้มากขึ้น เนื่องจากสนามไฟฟ้าสถิตที่สร้างขึ้นถูกรบกวนด้วยวัตถุที่เคลื่อนที่เข้ามาในระยะตรวจจับ เมื่อวัตถุเข้ามาอยู่ในระยะตรวจจับออสซิลเลเตอร์จะสร้างความถี่และแอมพลิจูดมากที่สุด และเมื่อวัตถุเริ่มเคลื่อนที่ออกจากระยะออสซิลเลเตอร์จะค่อยๆลดความถี่ลงจนวัตถุเคลื่อนที่ออกไปจนพ้นระยะ ออสซิลเลเตอร์ก้จะหยุดทำงานอีกครั้งหนึ่ง ตามรูปภาพด้านล่าง
รูป ขั้นตอนการทำงานของ ออสซิลเลเตอร์
อ่านต่อ..
อัลตราโซนิค เซนเซอร์ (Ultrasonic Sensors)
รูป อัลตร้าโซนิค เซนเซอร์
อัลตร้าโซนิค เซนเซอร์ (Ultrasonic Sensors) คืออะไร?
คืออุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดระยะห่างเริ่มจากหัววัดของเซนเซอร์ถึงสิ่งของต่างๆได้อย่างแม่นยำ และข้อดีของอัลตร้าโซนิคเซนเซอร์เมื่อเทียบกับโฟโต้อิเล็กทริคเซนเซอร์แบบใช้วัดระยะทางก็คือ แม้แต่ในสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยเช่นฝุ่นผงและความสกปรก สามารถตรวจวัดระยะห่างของวัตถุได้ดีแม้ว่าวัตถุนั้นจะมีความโปร่งใส โปร่งแสง มีความแวววาวได้อย่างแม่นยำ และยังเหมาะสำหรับการตรวจจับของเหลวและวัตถุที่เป็นเม็ดได้เป็นอย่างดี เพื่อที่จะมารู้จักกับอัลตร้าโซนิคเซนเซอร์ ได้ดีขึ้น เรามารู้จัก กับคลื่นเสียงอัลตร้าโซนิคกันก่อน
อัลตร้าโซนิค (Ultrasonic)
อัลตร้าโซนิค คือ คลื่นเสียงที่มีความถี่สูงเกิน 20,000 Hzมาก จนหูมนุษย์ไม่สามารถได้ยินได้ คลื่นเสียงที่มนุษย์สามารถได้ยินได้ดีนั้นจะอยู่ที่ประมาณ 20 Hz จนถึง 15 kHz โดยเฉลี่ยสำหรับบุคคลคนที่มีอายุเลยวัยเด็ก และประมาณ 20 Hz จนถึง 20 kHz สำหรับเด็กที่มีอายุน้อยๆ แต่คลื่น อัลตร้าโซนิค จะมีความถี่อยู่ที่ 20 kHz ขึ้นไป ซึ่งมีความถี่ที่สูงจน ซึ่งมนุษย์ไม่สามารถได้ยินได้เลย ซึ่งความถี่นี้จะมีสัตว์อยู่บางประเภทที่สามารถได้ยินได้เช่น ค้างคาวและ โลมา เนื่องจากค้างคาวมีดวงตาที่เล็กและออกหากินในเวลากลางคืนทำให้ค้างคาวต้องมีสิ่งที่มาทดแทนคือ คลื่นอัลตร้าโซนิคนั่นเอง ซึ่งค้างคาวจะใช้คลื่นความถี่อัลต้าโซนิคเพื่อใช้ระบุตำแหน่ง รูปร่าง ทิศทาง ของวัตถุที่ขวางเส้นการเดินทางและความเร็วในการเคลื่อนที่ของสิ่งๆนั้นได้อย่างแม่นยำ ด้วยหลักการสะท้อนของคลื่นเสียงที่ว่า มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน ซึ่งค้างคาวจะเปล่งคลื่นเสียงอัลตร้าโซนิคออกมาซึ่งจะมีความถี่ประมาณ 24.6 kHz และใช้การคำนวนระยะทางและเวลาที่เสียงเดินทางไปและเดินทางกลับ ทำให้ค้างคาวสามารถจับตำแหน่งสิ่งต่างๆได้อย่างแม่นยำแม้ในเวลากลางคืน
คลื่นเสียงเคลื่อนที่ในอากาศด้วยความเร็ว 343 เมตรต่อวินาที ที่อุณหภูมิ 25องศาเซลเซียสเสมอ ความถี่ (f) ของเสียงจะเป็นเท่าไหร่ ความสัมพันธ์ของความถี่เสียงและความยาวคลื่นเสียงเป็นไปตามสูตร
จากสูตรที่1 V = f = 343 เมตรต่อวินาที
โดย V = ความเร็วเสียง (343 เมตรต่อวินาที)
f = ความถี่ของคลื่นเสียง (ไซเคิลต่อวินาที, Hz)
= ความยาวคลื่น (เมตร)
คลื่นอัลตร้าโซนิคที่ค้างคาวใช้ตรวจจับตำแหน่งของสิ่งต่างๆ
ด้วยหลักการเดียวกันนี้ มนุษย์จึงนำคลื่นย่านอัลตร้าโซนิคนี้มาใช้งาน เนื่องจากเป็นคลื่นที่มีทิศทาง ทำให้สามารถเล็งคลื่นไปที่ตำแหน่งหรือเป้าหมายที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ เนื่องจากคุณสมบัติของคลื่นที่ว่า ยิ่งคลื่นมีความถี่สูงมากเท่าไหร่ ความยาวคลื่นก็จะยิ่งสั้นลงพิสูจน์ได้จากสูตรที่ 1 ด้านหน้านี้ ถ้าความยาวของคลื่นยาวกว่าช่องเปิด หรือช่องที่คลื่นเสียงสามารถออกมาได้เช่น คลื่น 300 Hz จะมีความยาวคลื่นประมาณ 1 เมตร ซึ่งยาวกว่าช่องเปิดที่คลื่นเสียงสามารถออกมาได้ ทำให้คลื่นนั้นเกิดการหักเบนออก ที่ขอบด้านนอกของช่องเปิด ทำให้คลื่นมีการกระจายตัว ไม่สามารถระบุตำแหน่งหรือโฟกัสไปที่จุดๆหนึ่งได้ แต่ถ้าคลื่นมีความถี่สูง ความยาวคลื่นก็จะสั้นลง เช่น คลื่น 40 kHz จะมีความยาวคลื่นประมาณ 8 มม.ซึ่งเล็กกว่าช่องเปิดของคลื่น ทำให้เสียงไม่มีการหักเห หรือเลี้ยวเบน ทำให้คลื่นเสียงที่ส่งออกมาจะพุ่งออกมาเป็นลำแคบๆ ซึ่งก็หมายความว่า คลื่นเสียงนั้นมีทิศทางนั่นเอง ดังตัวอย่างในรูป
รูป แสดงการหักเบนของคลื่นเสียงแบบกระจายตัว (รูปบน) และ คลื่นเสียงที่มีทิศทาง (รูปล่าง)
เมื่อเสียงที่ส่งออกมามีทิศทางนั้น เราจึงสามารถนำคลื่นเสียงไปใช้งานได้หลายอย่าง ทั้งการวัดความลึกใต้ท้องทะเลโดยใช้โซนาร์ การจับตำแหน่งอวัยวะต่างๆในร่างกาย ใช้ทดสอบการรั่วของท่อ ซึ่งจะใช้ความถี่ที่แตกต่างกันไปตามงานที่นำไปใช้ เช่น คลื่นเสียงที่เดินทางผ่านอากาศนั้นจะต้องไม่เกิน 50 kHz เนื่องจากถ้าความสูงมากกว่านี้ อากาศจะดูดซับความแรงของคลื่นเสียงไปจนหมดนั้นเอง ส่วนในทางการแพทย์ที่ต้องการ ระยะในการตรวจจับสั้นๆ แต่แม่นยำสูง ก็จะใช้คลื่นเสียงที่มีความถี่มากๆ ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 1 MHz ถึง 10 MHz จะเห็นได้ว่าคลื่นเสียงอัลตร้าโซนิคนั้น สามารถนำไปใช้กับงานรูปแบบต่างๆได้อย่างมากมาย และอุปกรณ์ที่ใช้คลื่นอัลตร้าโซนิคที่จะพูดถึงต่อไปคือ อัลตร้าโซนิคเซนเซอร์ (Ultrasonic Sensors)
หลักการทำงานของอัลตร้าโซนิคเซนเซอร์
อัลตร้าโซนิคเซนเซอร์เป็นเซนเซอร์ที่ใช้คลื่นเสียงในการตรวจจับตำแหน่งของวัตถุ โดยส่วนประกอบของตัวเซนเซอร์จะประกอบด้วย
- ตัวส่งคลื่นอัลตร้าโซนิคและตัวรับคลื่นอัลตร้าโซนิค (อัลตร้าโซนิคทรานสดิวเซอร์)
- ตัวควบคุมการทำงาน
- ตัวส่งสัญญาณนาฬิกา
- ตัวประมวลผล
- ตัวส่งสัญญาณเอ้าท์พุท
อ่านต่อ..
