ما هو الحساس؟ وكيف يعمل؟ وماهي أنواعه؟

إن عالمنا اليوم عبارة عن عالم من الحساسات (sensors) فنحن نصادفها في كل شيء من حولننا أينما حللنا، فنجدها وبجميع أنواعها المختلفة في منزلنا وفي سيارتنا وحتى في الطائرة التي ركبناها أو سنركبها يوما.

تعمل الحساسات على تحسين نمط معيشتنا وجعل حياتنا أفضل ومهامنا أسهل، فهي تقوم بإنارة مصباح الغرفة بمجرد أن تستشعر وجودنا، وتُعدل درجة حرارة المنزل بصورة آلية، وتنبهنا في حالة وجود حريق أو تصاعد دخان، وتفتح لنا الباب بمجرد أن نقترب منه، وتُحضر لنا القهوة التي نُحبها وغيرها الكثير من المهام المختلفة والمتنوعة.

جميع المهام التي ذكرناها سابقا والعديد من مهام الأتمتة (automation) الأخرى ممكنة ومن السهل تجسيدها على أرض الواقع بفضل الحساسات، لذا دعونا نتعرف في هذه المقالة على أنواعها المختلفة وتطبيقاتها العديدة والمجالات التي تُستعمل فيها.

ما هو الحساس؟

هناك العديد من التعريفات المختلفة التي تحدد ماهية الحساس لكن يبقى أفضلها (بالنسبة لي) هو: إن الحساس عبارة عن جهاز يقوم بتحويل كمية فيزيائية مثل الضغط ودرجة الحرارة والإشعاع والموضع والشدة الضوئية إلى كمية كهربائية تتمثل في الجهد أو التيار أو الشحنة.

من أبسط الأمثلة حول الحساسات مثال المقاومة الضوئية، وهي عبارة عن عنصر إلكتروني تتغير مقاومته وفقا لشدة الضوء المسلط عليها، حيث توجد بينهما علاقة عكسية، فكلما زادت حدة الضوء الذي يسقط على المقاومة الضوئية نقصت قيم هذه الأخيرة، وعندما تتناقص حدة الضوء المسلط على المقاومة الضوئية تزداد قيمتها.

تصنيف الحساسات:

هناك العديد من التصنيفات الممكنة للحساسات، بعضها سهل وبسيط، وبعضها الآخر صعب ومعقد، سنقوم في هذه المقالة إن شاء الله بإستعراض التصنيف الأسهل والأكثر شيوعًا، حيث أن المجسات تُصنف إلى مجموعتين:

• حساسات تُولد فرق جهد (active sensors): تتصرف مثل مولد للطاقة حيث تقوم بتحويل الطاقة المرتبطة بالكمية الفيزيائية إلى طاقة كهربائية (تيار أو جهد أو شحنة) وتستطيع هذه الحساسات أن تعمل حتى دون وجود مصدر تغذية خارجي. مثال: الخلايا الكهروضوئية تقوم بتحويل الشدة الضوئية إلى تيار أو جهد كهربائيين.
• حساسات لا تولد فرق جهد (passive sensors): تتصرف كممانعة متغيرة، ولهذا من أجل أن تقوم بإعطائنا جهد كهربائي (أو تيار أو شحنة) عند الخرج يجب أن نقوم بتوصيلها مع مصدر تغذية خارجي. مثال: يمكننا إستخدام المقاومة المتغيرة كمجس للحركة.

أنواع الحساسات المختلفة:

هناك العديد من الأنواع المختلفة من الحساسات، والتي يُستخدم كل منها من أجل غرض أو تطبيق معين وقياس كمية فيزيائية محددة، نذكر من بين هذه الأنواع على سبيل المثال لا الحصر:

• الحساسات التقاربية (Proximity Sensor).
• حساس الموجات فوق صوتية (Ultrasonic Sensor).
• حساس درجة الحرارة (Temperature Sensor).
• حساس الموجات تحت الحمراء (IR Sensor).
• حساس الضغط (Pressure Sensor).
• حساس المستوى (Level Sensor).
• حساس الرطوبة (Humidity Sensor).
• حساس التسارع (Accelerometer).

سنقوم في هذه المقالة إن شاء الله بشرح بعض الأنواع المذكورة أعلاه بصفة مختصرة.

حساس الحرارة:

يُعتبر حساس الحرارة من بين أنواع الحساسات الأكثر استعمالًا، تتمثل وظيفة هذا الحساس في قياس تغيرات درجة الحرارة مثلما يدل على ذلك اسمه.

في حساسات الحرارة، كلما تغيرت درجة حرارة المحيط تغيرت بعض خصائص الحساس الفيزيائية مثل المقاومة أو الجهد الكهربائي.

هناك العديد من الحساسات المختلفة للحرارة مثل: الحساس LM35، المقاومة الحرارية، المزدوجة الحرارية...الخ

تُستعمل الحساسات الحرارية في كل مكان من حولنا، فهي موجودة في الحواسيب، والهواتف الذكية، والسيارات، ومكيفات الهواء وغيرها الكثير.

إذا أردت أن تفهم هذا النوع من الحساسات أكثر يمكنك إلقاء نظرة على إحدى مقاليتنا السابقتين اللتين تطرقنا فيهما إلى: عرض درجة الحرارة بواسطة الأردوينو والحساس LM35، وإستخدام المقاومة الحرارية مع الأردوينو.

الحساسات التقاربية:

الحساس التقاربي عبارة عن حساس غير لمسي (non-contact sensor) يكشف عن وجود جسم ما بالقرب، ويمكن تقسيمه إلى عدة أنواع فرعية مثل: الحساس التقاربي الحثي (Inductive proximity sensor)، والحساس التقاربي السعوي (Capacitive proximity sensor)، والحساس التقاربي الضوئي (Optical proximity sensor).

تشمل بعض تطبيقات الحساسات التقاربية الهواتف الذكية، والسيارات، والطائرات وغيرها الكثير.

حساسات الموجات تحت الحمراء:

حساسات الموجات تحت الحمراء عبارة عن حساسات ترتكز في مبدأ عملها على الضوء، وهي تُستعمل عادة من أجل معرفة البعد في أغلب الهواتف الذكية الموجودة اليوم.

هناك نوعان من حساسات الموجات تحت الحمراء، الحساسات المُرسِلة والحساسات العاكسة.

• الحساسات المُرسِلة (Transmissive): مُرسل الأشعة تحت الحمراء (عادة ما يكون عبارة عن ليد أشعة تحت حمراء IR LED) ومُستقبِل الأشعة تحت الحمراء (عادة ما يكون دايود ضوئي) يوضعان بحيث يكونان مقابلان لبعضهما البعض، وعندما يمر بينهما جسم يستشعر الحساس وجوده.
• الحساسات العاكسة (Reflective): في هذه الحالة يتم وضع المستقبل والمرسل جنبًا إلى جنب بحيث يقابلان الجسم، عندما يمر جسم أمامهما (المرسل والمستقبل) يستشعر الحساس وجود الجسم.

من بين تطبيقات حساسات الأشعة تحت الحمراء، الهواتف المحمولة، والسيارات والروبوتات... الخ

حساس الموجات فوق صوتية:

حساس الموجات فوق صوتية عبارة عن حساس غير لمسي يُستخدم من أجل قياس المسافة وكذلك سرعة جسم معين، يتعامل هذا الحساس مع أصوات يفوق ترددها التردد الأقصى الذي يمكن أن يسمعه الإنسان (20 كيلوهيرتز)

الخلاصة:

عرفنا من خلال هذه المقالة أن الحساس عبارة عن جهاز إلكتروني يقوم بتحويل الإشارة الفيزيائية إلى إشارة كهربائية، وعرفنا كذلك أن الحساسات تنقسم إلى قسمين أحدهما يحتاج إلى مصدر خارجي للتغذية والآخر لا يحتاج إليه، وقمنا كذلك بتلخيص مبدأ عمل بعض أنواع الحساسات.