เซ็นเซอร์และทรานสดิวเซอร์ PDF

# เซ็นเซอร์และทรานสดิวเซอร์ (Sensors and Transducers) ## สาระสำคัญ การวัดเป็นระบบย่อยที่สำคัญของระบบเมคคาทรอนิกส์ การวัดเป็นหน้าที่หลักของการรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับสถานะของระบบและป้อนข้อมูลนั้นให้กับระบบเพื่อควบคุมระบบทั้งหมด ระบบการวัดประกอบด้วยเซ็นเซอร์ (Sensors) หรือตัวตรวจรู้ ทรานสดิวเซอร์ (Trans...

# เซ็นเซอร์และทรานสดิวเซอร์ (Sensors and Transducers) ## สาระสำคัญ การวัดเป็นระบบย่อยที่สำคัญของระบบเมคคาทรอนิกส์ การวัดเป็นหน้าที่หลักของการรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับสถานะของระบบและป้อนข้อมูลนั้นให้กับระบบเพื่อควบคุมระบบทั้งหมด ระบบการวัดประกอบด้วยเซ็นเซอร์ (Sensors) หรือตัวตรวจรู้ ทรานสดิวเซอร์ (Transducers) หรือตัวแปลง และตัวกระตุ้น (Actuators) ซึ่งนักออกแบบระบบเมคคาทรอนิกส์จะเลือกใช้เซ็นเซอร์ ทรานสดิวเซอร์ และตัวกระตุ้นที่เหมาะสมสำหรับการประยุกต์ใช้งานต่างๆ ตามที่ต้องการ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญที่ต้องเรียนรู้หลักการทำงานของเซ็นเซอร์หรือทรานสดิวเซอร์ที่ใช้กันทั่วไป ## จุดประสงค์ทั่วไป เพื่อให้: 1. มีความรู้ความเข้าใจชนิดของเซ็นเซอร์และการทำงาน 2. มีความรู้ความเข้าใจชนิดของทรานสดิวเซอร์และการทำงาน 3. มีความรู้ความเข้าใจชนิดของตัวกระตุ้นและการทำงาน ## จุดประสงค์เชิงพฤติกรรม 1. อธิบายชนิดของเซ็นเซอร์และการทำงานได้อย่างถูกต้อง 2. อธิบายชนิดของทรานสดิวเซอร์และการทำงานได้อย่างถูกต้อง 3. อธิบายชนิดของตัวกระตุ้นและการทำงานได้อย่างถูกต้อง 4. ทำแบบฝึกหัดได้ถูกต้องมีความปลอดภัยและสำเร็จภายในเวลาที่กำหนดอย่างมีเหตุและผลตามหลักปรัชญาเศรษฐกิจพอเพียง ## เนื้อหาสาระ ศึกษาหลักการทำงานของเซ็นเซอร์ ทรานสดิวเซอร์ และตัวกระตุ้นชนิดต่างๆ ## เซ็นเซอร์ในงานอุตสาหกรรม การวัดเป็นระบบย่อยที่สำคัญของระบบเมคคาทรอนิกส์ การวัดเป็นหน้าที่หลักของการรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับสถานะของระบบและป้อนข้อมูลนั้นให้กับระบบเพื่อควบคุมระบบทั้งหมด ระบบการวัดประกอบด้วยเซ็นเซอร์ (Sensors) หรือตัวตรวจรู้ และทรานสดิวเซอร์ (Transducers) หรือตัวแปลง และตัวกระตุ้น (Actuators) ซึ่งปัจจุบันมีอุปกรณ์ต่างๆ เหล่านี้มากมายหลายแบบในการเลือกใช้งานจึงค่อนข้างยากที่นักออกแบบระบบเมคคาทรอนิกส์จะเลือกใช้เซ็นเซอร์ หรือทรานสดิวเซอร์ และตัวกระตุ้นที่เหมาะสมสำหรับการประยุกต์ใช้งานต่างๆ ตามที่ต้องการ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญที่ต้องเรียนรู้หลักการทำงานของเซ็นเซอร์หรือทรานสดิวเซอร์ที่ใช้กันทั่วไป ### 1.1 เซ็นเซอร์ (Sensors) เซ็นเซอร์ คืออุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ตรวจวัดปริมาณทางฟิสิกส์ และเปลี่ยนสัญญาณอินพุตที่เป็นปริมาณทางฟิสิกส์ให้เป็นสัญญาณแบบแอนะล็อกหรือแบบดิจิทัลที่สัมพันธ์กับปริมาณที่ตรวจวัด เช่น แรงดันไฟฟ้า ความจุ ความเหนี่ยวนำ และความต้านทาน เป็นต้น ดังแสดงในรูปที่ 1.1 | อินพุต (ปริมาณทางฟิสิกส์) | อเอาต์พุต (สัญญาณทางไฟฟ้า) | |:--:|:--:| | อุณหภูมิ | แรงดันไฟฟ้า | | ระยะทาง | กระแสไฟฟ้า | | ความเร็ว | ความต้านทาน | | แรง | ความจุ | | แรงดัน | ความถี่ | | | | **รูปที่ 1.1 อินพุตและเอาต์พุตของเซ็นเซอร์** ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีการผลิต ทำให้เซ็นเซอร์มีส่วนร่วมอย่างมากในการเปลี่ยนกระบวนการผลิตแบบเดิมให้เป็นกระบวนการผลิตที่ทันสมัย โดยใช้เป็นสวิตช์เพื่อดำเนินการผลิตโดยอัตโนมัติหรือเป็นระบบอัตโนมัติมากขึ้น โดยไม่จำเป็นต้องมีคนคอยเฝ้าดูแลตรวจสอบและควบคุมกระบวนการ ลดความต้องการแรงงานที่มีทักษะและมีประสบการณ์ เซ็นเซอร์สามารถตรวจจับปัญหาที่เกิดขึ้นในสายการผลิตและหยุดสายการผลิตได้โดยอัตโนมัติ ตลอดจนการตรวจสอบกระบวนการผลิตให้ผลิตภัณฑ์มีคุณภาพ มีความถูกต้อง และมีความแม่นยำสูง หรือในบ้าน เซ็นเซอร์สามารถใช้เป็นอุปกรณ์รักษาความปลอดภัยในการตรวจจับการปิด-เปิดหน้าต่างหรือประตู #### 1.1.1 การแบ่งประเภทของเซ็นเซอร์ (Classification of Sensors) เซ็นเซอร์กับการใช้งานในระบบเมคคาทรอนิกส์และการผลิต สามารถแบ่งออกเป็นชนิดต่างๆ สอดคล้องกับหน้าที่การทำงาน เช่น การตรวจวัด ขอบเขตการใช้งาน หลักการแปลงสัญญาณ การใช้กำลังงานในการตรวจวัด ได้แก่ 1. เซ็นเซอร์แบบแอกทีฟและเซ็นเซอร์แบบพาสซีฟ (Active Sensors and Passive Sensors) * **เซ็นเซอร์แบบแอกทีฟ (Active Sensors)** เซ็นเซอร์แบบนี้ต้องใช้แหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าจากภายนอกให้กับเซ็นเซอร์เรียกว่า สัญญาณกระตุ้น ซึ่งเมื่อเซ็นเซอร์ทำงานตอบสนองต่อผลลัพธ์ภายนอกจะเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานหรือกระแสไฟฟ้า หรือแรงดันไฟฟ้า หรือความถี่ออกมา เมื่อสมบัติเปลี่ยนไปตามการตอบสนองต่อผลลัพธ์ภายนอก ตัวอย่างเช่น สเตรนเกจ (Strain Gauge) ซึ่งเกิดการเสียรูป จะทำให้ความต้านทานภายในตัวสเตรนเกจเกิดการเปลี่ยนแปลง ความต้านทานที่เปลี่ยนแปลงนี้จะถูกนำไปใช้ในการตรวจวัด ดังแสดงในรูปที่ 1.2 * ตัวนำโลหะ * สเตรนเกจ **รูปที่ 1.2 สเตรนเกจ** * ความต้านทาน * มากขึ้น 2. **เซ็นเซอร์แบบพาสชีฟ (Passive Sensors)** เซ็นเซอร์แบบนี้ไม่ต้องการกำลังงานไฟฟ้าจากภายนอกหรือแรงดันไฟฟ้ากระตุ้นให้กับเซ็นเซอร์ เซ็นเซอร์แบบพาสซีฟจะสร้างสัญญาณเอาต์พุตออกมาเองเมื่อมีการกระตุ้นจากภายนอก ตัวอย่างเช่น เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) ที่สร้างแรงดันไฟฟ้าออกมา เมื่อสัมผัสกับความร้อน เซ็นเซอร์แบบพาสชีฟจะเปลี่ยนสมบัติทางฟิสิกส์ เช่น ความต้านทาน ความจุ หรือความเหนี่ยวนำ เป็นต้น ดังแสดงในรูปที่ 1.3 **รูปที่ 1.3 เทอร์โมคัปเปิล** 3. เซ็นเซอร์แบบแอนะล็อกและเซ็นเซอร์แบบดิจิทัล (Analog and Digital Sensors) * **เซ็นเซอร์แบบแอนะล็อก (Analog Sensors)** จะผลิตสัญญาณเอาต์พุตหรือแรงดันไฟฟ้าออกมาอย่างต่อเนื่องเป็นสัดส่วนตรงกับปริมาณที่วัดได้ ปริมาณทางกายภาพ เช่น อุณหภูมิ ความเร็ว แรงดัน ความเค้น ความเครียด และระยะทาง เป็นต้น ซึ่งปริมาณทางกายภาพที่ต่อเนื่องตามธรรมชาตินี้คือ ปริมาณแบบแอนะล็อก ตัวอย่างเช่น เทอร์โมมิเตอร์ หรือเทอร์โมคัปเปิลจะแสดงอุณหภูมิที่ตรวจวัดได้อย่างต่อเนื่องเมื่อมีอุณหภูมิสูงขึ้นหรือลดลง ดังแสดงในรูปที่ 1.4 **รูปที่ 1.4 เทอร์โมมิเตอร์** * **เซ็นเซอร์แบบดิจิทัล (Digital Sensors)** จะผลิตสัญญาณเอาต์พุตในรูปของลอจิก 1 หรือลอจิก 0 (ON หรือ OFF) ซึ่งเป็นสัญญาณดิจิทัลหรือแรงดันไฟฟ้าแบบไม่ต่อเนื่องตามปริมาณที่ตรวจวัดได้ ซึ่งอาจจะส่งออกมาเป็นบิตเดียว (Bit) หรือหลายบิต หรือไบต์เดียว (Byte) ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์โรตารี่เอ็นโค้ดเดอร์ (Rotary Encoder Sensor) ซึ่งเมื่อแผ่นจานหมุน แสงที่ลอดผ่านรูเจาะได้จะอยู่ในสภาวะลอจิก 1 หรือ ON และเมื่อแสงไม่สามารถลอดผ่านรูเจาะได้จะอยู่ในสภาวะลอจิก 0 หรือ OFF ดังแสดงในรูปที่ 1.5 **รูปที่ 1.5 เซ็นเซอร์โรตารี่เอ็นโค้ดเดอร์** 4. แบ่งตามปรากฏการณ์ทางกายภาพ (Physical Phenomenon) ได้แก่ * **เซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุ การกระจัดและตำแหน่ง (Displacement, Position and Proximity Sensors)** ได้แก่ * โพเทนชิโอมิเตอร์ (Potentiometer) * สเตรนเกจ (Strain Gauge) * พร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์ชนิดเหนี่ยวนำ (Inductive Sensor) * พร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์ชนิดเก็บประจุ (Capacitive Sensor) * แอลวีดีที (Linear Variable Differential Transformer; LVDT) * ออปติคัลเอ็นโค้ดเดอร์ (Optical Encoders) 2. **เซ็นเซอร์ตรวจจับความเร็วและการเคลื่อนที่ (Velocity and Motion)** ได้แก่ * อินครีเมนตอลเอ็นโค้ดเดอร์ (Incremental Encoder) * เทคโดเจนเนอเรเตอร์ (Tachogenerator) 3. **セ็นเซอร์ตรวจวัดแรง (Force Sensor)** * สเตรนเกจโหลดเซล (Strain Gauge Load Cell) 4. **เซ็นเซอร์ตรวจวัดอุณหภูมิ (Temperature Sensor)** * อาร์ทีดี (Resistance Temperature Detectors: RTD) * เทอร์มิสเตอร์ (Thermistors) * เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouples) ### 1.2 ทรานสดิวเซอร์ (Transducers) ทรานสดิวเซอร์ คืออุปกรณ์ที่ตรวจจับปริมาณทางฟิสิกส์ที่ไม่ใช่ทางไฟฟ้า เช่น อุณหภูมิ แสง และเสียง แล้วแปลงไปเป็นสัญญาณทางไฟฟ้า เช่น แรงดันไฟฟ้า ความต้านทาน และความจุ ทรานสดิวเซอร์ถูกใช้ในชีวิตประจำวัน ในระบบการตรวจวัดอาจใช้ทรานสดิวเซอร์แทนเซ็นเซอร์ ดังนั้นเซ็นเซอร์ก็คือ ทรานสดิวเซอร์ ทรานสดิวเซอร์มี 2 องค์ประกอบหลัก ได้แก่ ส่วนตรวจจับ (Sensing Element) ซึ่งทำหน้าที่ตรวจจับอัตราการเปลี่ยนแปลงปริมาณทางฟิสิกส์และการตอบสนอง โดยจะเป็นส่วนหนึ่งของเซ็นเซอร์ และ ส่วนแปลงสัญญาณ (Transduction Element) โดยที่เอาต์พุตของส่วนตรวจจับจะถูกส่งผ่านไปยังส่วนแปลงสัญญาณ ส่วนแปลงสัญญาณนี้จะทำหน้าที่ในการแปลงสัญญาณที่ไม่ใช่ไฟฟ้าให้เป็นสัญญาณทางไฟฟ้าด้วยสัดส่วนตรง ทรานสดิวเซอร์จึงทำหน้าที่ทั้งตรวจจับและแปลงสัญญาณ ดังแสดงในรูปที่ 1.6 **รูปที่ 1.6 โครงสร้างของทรานสดิวเซอร์** ตัวอย่างที่ดีที่สุดของทรานสดิวเซอร์คือ เทอร์โมคัปเปิล ซึ่งจะสร้างแรงดันไฟฟ้าออกมาเองเมื่อได้รับความร้อนที่จุดเชื่อมต่อของโลหะต่างชนิด ดังแสดงในรูปที่ 1.7 **รูปที่ 1.7 วงจรเอาต์พุตของเทอร์โมคัปเปิล** #### 1.2.1 ตัวอย่างของทรานสดิวเซอร์ (Examples of Transducers) ได้แก่ 1. **เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple)** คือเซ็นเซอร์ที่สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ แล้วผลิตแรงดันไฟฟ้าตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ และจะเป็นทรานสดิวเซอร์เมื่อเปลี่ยนพลังงานความร้อนไปเป็นพลังงานไฟฟ้าตามค่าอุณหภูมิต่างๆ ดังแสดงในรูปที่ 1.8 **รูปที่ 1.8 เทอร์โมคัปเปิล** 2. **ไมโครโฟน (Microphone)** เป็นอุปกรณ์ทรานสดิวเซอร์ที่เปลี่ยนคลื่นเสียงไปเป็นสัญญาณทางไฟฟ้า ดังแสดงในรูปที่ 1.9 และรูปที่ 1.10 **รูปที่ 1.9 วงจรภายในของคอนเดนเซอร์ไมค์** **รูปที่ 1.10 คอนเดนเซอร์ไมค์** 3. **ลำโพง (Speaker)** เป็นอุปกรณ์กำเนิดเสียง โดยการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าที่ได้รับมาจากไมโครโฟนเป็นพลังงานเสียงตามสัญญาณทางไฟฟ้า ดังแสดงในรูปที่ 1.11 **รูปที่ 1.11 ลำโพงไดนามิก** 4. **เซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Cell)** เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่จับพลังงานแสงแดดแล้วเปลี่ยนไปเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง ดังแสดงในรูปที่ 1.12 **รูปที่ 1.12 การทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์** 5. **หลอดไส้ (Incandescent Light Lamp)** เป็นหลอดไฟฟ้าที่ผลิตแสงด้วยการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านเส้นลวดตัวนำจนร้อนที่อุณหภูมิสูงและเกิดการเรืองแสง ดังนั้นหลอดไส้จึงเป็นทรานสดิวเซอร์ในการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแสงและความร้อน ดังแสดงในรูปที่ 1.13 **รูปที่ 1.13 หลอดไส้** 6. **มอเตอร์ไฟฟ้า (Electric Motor)** คือทรานสดิวเซอร์เพราะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าไปเป็นพลังงานกลหรือการเคลื่อนที่ ดังแสดงในรูปที่ 1.14 **รูปที่ 1.14 มอเตอร์ไฟฟ้า** #### 1.2.2 การแบ่งประเภทของทรานสดิวเซอร์ (Classifications of Transducer) เครื่องมือวัดทางไฟฟ้าคือ ทรานสดิวเซอร์ จะมีหลายชนิด เนื่องจากอินพุตจะมีค่าพารามิเตอร์ทางฟิสิกส์ที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงควรเลือกใช้ทรานสดิวเซอร์ประเภทต่างๆ เพื่อการตรวจวัดให้ตรงตามวัตถุประสงค์ที่ต้องการ การแบ่งประเภทของทรานสดิวเซอร์เพื่อการใช้งานในระบบเมคคาทรอนิกส์และการผลิต สามารถแบ่งออกได้ดังนี้ 1. **แบ่งตามประเภทของทรานสดิวเซอร์ (Primary and Secondary Transducer)** * **ทรานสดิวเซอร์แบบปฐมภูมิ (Primary Transducer)** คือทรานสดิวเซอร์ที่เปลี่ยนปริมาณทางฟิสิกส์ที่ตรวจวัดเป็นสัญญาณทางไฟฟ้าโดยตรง ตัวอย่างเช่น เทอร์โมคัปเปิล ที่จะเปลี่ยนการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิไปเป็นแรงดันทางไฟฟ้า * **ทรานสดิวเซอร์แบบทุติยภูมิ (Secondary Transducer)** คือทรานสดิวเซอร์ที่เปลี่ยนปริมาณทางฟิสิกส์ที่ตรวจวัดเป็นสัญญาณทางไฟฟ้าโดยอ้อม ตัวอย่างเช่น สเตรนเกจโหลดเซล ที่จะเปลี่ยนการเปลี่ยนแปลงของรูปร่างของแท่งโลหะไปเป็นความต้านทานทางไฟฟ้า **รูปที่ 1.15 ท่อแบบบูร์ดองเป็นทรานสดิวเซอร์แบบปฐมภูมิ และแอลวีดีที่เป็นทรานสดิวเซอร์แบบทุติยภูมิ** * **รูปที่ 1.16 โหลดเซลล์เป็นทรานสดิวเซอร์แบบปฐมภูมิ และสเตรนเกจเป็นทรานสดิวเซอร์แบบทุติยภูมิ** 2. **แบ่งตามชนิดการใช้พลังงาน (Self Generated or Externally Powered)** ได้แก่ * **ทรานสดิวเซอร์แบบแอกทีฟ (Active Transducer)** คือทรานสดิวเซอร์ที่สามารถผลิตสัญญาณเอาต์พุตในรูปของแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้า ไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟจากภายนอก ตัวอย่างเช่น เทอร์โมคัปเปิล * **ทรานสดิวเซอร์แบบพาสชีฟ (Passive Transducer)** คือทรานสดิวเซอร์ที่ไม่สามารถทำงานได้หากไม่มีแหล่งจ่ายไฟฟ้าจากภายนอก และจะผลิตสัญญาณเอาต์พุตในรูปของพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าต่างๆ ตัวอย่างเช่น ไมโครโฟน และลำโพง 3. **แบ่งตามชนิดของสัญญาณที่แปลง (Type of Output Signal)** ได้แก่ * **ทรานสดิวเซอร์แบบแอนะล็อก (Analoge Transducer)** คือทรานสดิวเซอร์ที่เปลี่ยนปริมาณอินพุตเป็นเอาต์พุตอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา ตัวอย่างเช่น สเตรนเกจ แอลวีดีที เทอร์โมคัปเปิล และเทอร์มิสเตอร์ * **ทรานสดิวเซอร์แบบดิจิทัล (Digital Transducer)** คือทรานสดิวเซอร์ที่เปลี่ยนปริมาณอินพุตให้เป็นเอาต์พุตในรูปของสัญญาณพัลส์ หรือในรูปของลอจิก 1 หรือลอจิก 0 (ON หรือ OFF) ตัวอย่างเช่น โฟโต้เซลล์ (Photocells) และระบบแสง 4. **แบ่งตามวิธีการแปลง (Transduction Method)** ได้แก่ * **ทรานสดิวเซอร์ (Transducer)** ดังที่กล่าวมาก่อนหน้านี้คือ การแปลงปริมาณทางกายภาพให้เป็นปริมาณทางไฟฟ้า * **ทรานสดิวเซอร์ผกผัน (Inverse Transducer)** คือทรานสดิวเซอร์ที่แปลงปริมาณทางไฟฟ้าให้เป็นปริมาณทางกายภาพที่ไม่ใช่ไฟฟ้า เช่น ผลึกเพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectric Crystal) ที่จะเปลี่ยนสัญญาณทางไฟฟ้าเป็นปริมาณทางกายภาพคือ การสั่นสะเทือนทางกล #### 1.2.3 ข้อดีและข้อเสียของทรานสดิวเซอร์ทางกล (Advantages and Disadvantages of Mechanical Transducer) **ข้อดี คือ** 1. มีความแม่นยำสูงในการทำงาน 2. มีความทนทาน 3. มีค่าใช้จ่ายค่อนข้างต่ำ 4. ทำงานโดยไม่มีแหล่งจ่ายไฟจากภายนอก **ข้อเสีย คือ** 1. มีการตอบสนองต่อความถี่ต่ำ 2. ต้องใช้แรงมากเพื่อเอาชนะแรงเสียดทาน 3. ไม่สามารถใช้ร่วมกับรีโมตคอนโทรล #### 1.2.4 ข้อดีและข้อเสียของทรานสดิวเซอร์ทางไฟฟ้า (Advantages and Disadvantages of Electrical Transducer) **ข้อดี คือ** 1. สามารถขยายสัญญาณเอาต์พุตหรือลดทอนลงระดับใดก็ได้ 2. สามารถแสดงสัญญาณเอาต์พุตและบันทึกข้อมูลจากระยะไกลได้ 3. อุปกรณ์มีขนาดกะทัดรัด 4. สามารถควบคุมด้วยกำลังงานที่ต่ำมากๆ ได้ 5. แรงเสียดทานและแรงเฉื่อยของมวลจะน้อยที่สุด 6. เป็นการตรวจวัดแบบไม่สัมผัส **ข้อเสีย คือ** 1. อุปกรณ์มีราคาแพง 2. ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟจากภายนอก 3. มีการตอบสนองต่อสัญญาณรบกวนจากภายนอก #### 1.2.5 ตัวอย่างคุณลักษณะเฉพาะของทรานสดิวเซอร์ * ทรานสดิวเซอร์วัดแรงดันแบบสเตนเกจ * Range: 50 to 1,000 kPa, 2,000 to 60,000 kPa * Supply Voltage: 5 V DC or AC rms * Full Range Output: 40 mV * Non-linearity and Hysteresis: ± 0.5% Full Range Output * Temperature Range: -50 °C to + 120 °C When Operating * Thermal Zero Shift: 0.030% Full Range Output /"C จากคุณลักษณะเฉพาะของทรานสดิวเซอร์วัดแรงดันแบบสเตนเกจ หมายความว่า * ย่านวัดของทรานสดิวเซอร์สามารถใช้วัดแรงดันระหว่าง 50 ถึง 1,000 kPa หรือ 2,000 ถึง 60,000 kPa * ต้องการแหล่งจ่ายไฟ 5V DC หรือ AC rms สำหรับให้ทำงาน * ให้เอาต์พุตเต็มย่านวัด 40 mV เมื่อแรงดันย่านวัดต่ำสุด 1,000 kPa และย่านวัดสูงสุด 60,000 kPa * ความไม่เป็นเชิงเส้นและฮีสเตอรีชีส มีค่าผิดพลาด ± 0.5% ของเอาต์พิทเต็มย่านวัด * เช่น ± 5 kPa ของ 1,000 kPa ของย่านวัดต่ำสุด และ ± 300 kPa ของ 60,000 ของย่านวัดสูงสุด * ทรานสดิวเซอร์สามารถใช้งานระหว่างอุณหภูมิ - 50°C ถึง + 120°C * - เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป 1°C เอาต์พุตของทรานสดิวเซอร์สำหรับอินพุต 0 จะเปลี่ยนไป 0.030% ของ 1,000 kPa = 0.3 kPa ของย่านวัดต่ำสุด และ 0.030% ของ 60,000 kPa = 18 kPa ของย่านวัดสูงสุด ### 1.3 ตัวกระตุ้น (Actuator) ตัวกระตุ้นคือ อุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานรูปแบบต่างๆ ให้เป็นการเคลื่อนที่หรือพลังงานกล ดังนั้นตัวกระตุ้นก็คือ ทรานสดิวเซอร์แบบเฉพาะเจาะจง #### 1.3.1 ตัวกระตุ้นทางความร้อน (Thermal Actuators) ตัวกระตุ้นความร้อนชนิดหนึ่งคือ แถบโลหะไบเมเทิล (Bimetallic Strip) ที่มีโลหะ 2 ชนิดประกบติดกันแนบสนิท อุปกรณ์นี้จะเปลี่ยนพลังงานความร้อนให้เป็นการเคลื่อนที่โดยตรง โดยเป็นผลจากการขยายตัวทางความร้อน **รูปที่ 1.17 การขยายตัวของโลหะไบเมเทิล** แถบโลหะไบเมเทิลใช้ประโยชน์จากการขยายตัวทางความร้อนเพื่อให้เกิดการเคลื่อนที่ คือ เทอร์โมสตัดที่มีการติดตั้งหน้าสัมผัสอยู่กับที่ และหน้าสัมผัสเคลื่อนที่ที่ปลายของแถบโลหะไบเมเทิลใช้ในการตัด-ต่อวงจรไฟฟ้า เพื่อควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ ดังแสดงในรูปที่ 1.18 **รูปที่ 1.18 การทำงานของโลหะไบเมเทิลในการตัดต่อวงจรไฟฟ้า** #### 1.3.2 ตัวกระตุ้นทางไฟฟ้า (Electrical Actuators) ตัวกระตุ้นทางไฟฟ้า ได้แก่ มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) และมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงจะทำงานโดยมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดและสร้างสนามแม่เหล็กรอบๆ ขดลวด โดยขดลวดจะพันรอบๆ เพลาของมอเตอร์ และวางอยู่ระหว่างขั้วของแม่เหล็กถาวรขนาดใหญ่หรือแม่เหล็กไฟฟ้า ความสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กทั้งสองทำให้แกนเพลาของมอเตอร์หมุน โดยที่มอเตอร์ไฟฟ้าจะเป็นทั้งทรานสดิวเซอร์และตัวกระตุ้น เนื่องจากจะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าไปเป็นพลังงานแม่เหล็ก แล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานกลหรือการเคลื่อนที่ ดังแสดงในรูปที่ 1.19 และรูปที่ 1.20 **รูปที่ 1.19 ดีซีมอเตอร์แบบแม่เหล็กถาวร** **รูปที่ 1.20 มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นตัวกระตุ้นทางไฟฟ้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานกลหรือการเคลื่อนที่** #### 1.3.3 ตัวกระตุ้นทางกล (Mechanical Actuators) ตัวกระตุ้นทางกลเชิงเส้น จะทำหน้าที่เปลี่ยนการเคลื่อนที่เชิงมุมไปเป็นการเคลื่อนที่เชิงเส้น การทำงานของตัวกระตุ้นทางกลจะขึ้นอยู่กับการผสมผสานของชิ้นส่วนทางกลของโครงสร้าง ได้แก่ ก้านต่อ (Linkages), ลูกเบี้ยว (Cams), เฟือง (Gears), แร็คและพีเนียน (Rack and Pinion) และเพลา (Shaft) เป็นต้น **รูปที่ 1.21 บอลสกรู** **รูปที่ 1.22 ฉีดสกรูในเครื่องกลึง** **รูปที่ 1.23 แม่แรงใช้ฉีดสกรู** ### 1.4 สัญลักษณ์ของเซ็นเซอร์ (Symbol of Sensors) | ชนิดของเซ็นเซอร์ | สัญลักษณ์ | |:--:|:--:| | เซ็นเซอร์เก็บประจุ NO | + <br/> 수 <br/> + DC <br/> Output <br/> 0V | | เซ็นเชอร์เก็บประจุ NC | + <br/> 수 <br/> + DC <br/> Output <br/> 0V | | เซ็นเซอร์เหนี่ยวนำ NO | + <br/> 수 <br/> + DC <br/> Output <br/> 0V | | เซ็นเซอร์เหนี่ยวนำ NC | + <br/> 수 <br/> + DC <br/> Output <br/> 0V | | เซ็นเซอร์แสงแบบตรวจจับโดยตรง | + <br/> 수 <br/> + DC <br/> Output <br/> 120 <br/> 0V | ## แบบฝึกหัดท้ายบทที่ 1 1. เซ็นเซอร์คืออะไร 2. ปริมาณทางฟิสิกส์ที่เซ็นเซอร์ตรวจวัดได้แก่อะไร 3. เอาต์พุตออกจากเซ็นเซอร์ได้แก่อะไร 4. เซ็นเซอร์แบบแอกทีฟและเซ็นเซอร์แบบพาสซีฟแตกต่างกันอย่างไร 5. เซ็นเซอร์แบบแอนะล็อกและเซ็นเซอร์แบบดิจิทัลแตกต่างกันอย่างไร 6. ทรานสดิวเซอร์คืออะไร 7. ทรานสดิวเซอร์มี 2 องค์ประกอบหลัก ได้แก่อะไร 8. ทรานสดิวเซอร์แบบปฐมภูมิและทรานสดิวเซอร์แบบทุติยภูมิ แตกต่างกันอย่างไร 9. ทรานสดิวเซอร์แบบแอกทีฟและทรานสดิวเซอร์แบบพาสซีฟ แตกต่างกันอย่างไร 10. ทรานสดิวเซอร์แบบแอนะล็อกและทรานสดิวเซอร์แบบดิจิทัล แตกต่างกันอย่างไร 11. ตัวกระตุ้นคืออะไร 12. ตัวกระตุ้นทางความร้อนได้แก่อะไร 13. ตัวกระตุ้นทางไฟฟ้าได้แก่อะไร 14. ตัวกระตุ้นทางกลได้แก่อะไร 15. แถบโลหะไบเมเทิลใช้ทำหน้าที่อะไร # พร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์ (Proximity Sensors) ## สาระสำคัญ พร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์คือ เซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุภายในระยะวิกฤติเฉพาะของเซ็นเซอร์ โดยใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้า แสง และเสียง ซึ่งแต่ละชนิดจะเหมาะกับการใช้งานและสภาพแวดล้อมที่เฉพาะเจาะจง โดยจะผลิตสัญญาณเอาต์พุต 2 ตำแหน่งเท่านั้นคือ สัญญาณออน-ออฟ (ON-OFF) โดยเมื่อมีวัตถุเข้ามาอยู่ใกล้เซ็นเซอร์ในระยะตรวจจับ ใช้ในการตรวจจับตำแหน่ง ระดับ ขนาด และรูปร่างของชิ้นงาน นับจำนวนของชิ้นงาน โดยไม่สัมผัสกับชิ้นงาน จึงมีความทนทาน และมีอายุการใช้งานที่ยาวนาน ได้รับความนิยมในการใช้งานแทนลิมิตสวิตช์ ## จุดประสงค์ทั่วไป เพื่อให้: 1. มีความรู้ความเข้าใจส่วนประกอบและการทำงานของพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์เหนี่ยวนำ 2. มีความรู้ความเข้าใจส่วนประกอบและการทำงานของพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์เก็บประจุ 3. มีความรู้ความเข้าใจการติดตั้งพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์เหนี่ยวนำ 4. มีความรู้ความเข้าใจการติดตั้งพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์เก็บประจุ ## จุดประสงค์เชิงพฤติกรรม 1. อธิบายส่วนประกอบและการทำงานของพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์เหนี่ยวนำได้อย่างถูกต้อง 2. อธิบายส่วนประกอบและการทำงานของพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์เก็บประจุได้อย่างถูกต้อง 3. อธิบายวิธีการติดตั้งพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์เหนี่ยวนำได้อย่างถูกต้อง 4. อธิบายวิธีการติดตั้งพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์เก็บประจุได้อย่างถูกต้อง 5. ทำแบบฝึกหัดและปฏิบัติตามใบงานได้ถูกต้องมีความปลอดภัยและสำเร็จภายในเวลาที่กำหนดอย่างมีเหตุและผลตามหลักปรัชญาเศรษฐกิจพอเพียง ## เนื้อหาสาระ ศึกษาถึงชนิดของพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์ ส่วนประกอบและการทำงานของพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์เหนี่ยวนำและพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์เก็บประจุ และปฏิบัติตามใบงาน ## พร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์ พร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์คือ เซ็นเซอร์ที่สามารถตรวจจับวัตถุที่อยู่ใกล้ๆ ภายในระยะที่กำหนดเฉพาะของเซ็นเซอร์โดยไม่มีการสัมผัสกับวัตถุใดๆ ด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า แสง และเสียง ซึ่งแต่ละชนิดจะเหมาะกับการใช้งานและสภาพแวดล้อมที่เฉพาะเจาะจง การทำงานของพร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์จะผลิตสัญญาณเอาต์พุต 2 ตำแหน่งเท่านั้นคือ สัญญาณออน-ออฟ (ON-OFF) โดยเมื่อมีวัตถุเข้ามาอยู่ใกล้เซ็นเซอร์ในระยะตรวจจับ เซ็นเซอร์จะต่อสัญญาณเอาต์พุต และเมื่อวัตถุอยู่ไกลออกไปหรือไม่มีวัตถุ เซ็นเซอร์จะตัดสัญญาณเอาต์พุต พร็อกซิมิตี้เซ็นเซอร์จะมีวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่บรรจุอยู่ภายในและถูกซิลป้องกันไว้อย่างสมบูรณ์ จึงสามารถป้องกันฝุ่น ละออง และความขึ้นได้อย่างคงทนถาวร เชื่อถือได้ นิยมใช้งานกันมากในกระบวนการผลิตในโรงงาน และระบบความปลอดภัย ### 3.1 เซ็นเซอร์เหนี่ยวนำ (Inductive Sensor) เซ็นเซอร์เหนี่ยวนำเป็นเซ็นเซอร์แบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานโดยอาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงค่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของขดลวด จากกฎสกรูเกลียวขวาของแอมแปร์ เมื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลเข้าไปในเส้นลวดตัวนำ สนามแม่เหล็กรอบๆ ตัวนำจะเกิดขึ้นในทิศทางตามเข็มนาฬิกา ซึ่งเซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำใช้ตรวจจับวัตถุที่เป็นโลหะเท่านั้น ดังแสดงในรูปที่ 3.1 **รูปที่ 3.1 เปรียบเทียบเส้นแรงแม่เหล็กกับกฎสกรูเกลียวขวา** เซ็นเซอร์เหนี่ยวนำจะมีความถี่ในการเปิด-ปิดวงจรต่อวินาที โดยจะมีช่วงความเร็วตั้งแต่ 10 ถึง 20 Hz AC หรือ 500 Hz ถึง 5 kHz DC เนื่องจากข้อจำกัดของสนามแม่เหล็ก เซ็นเซอร์เหนี่ยวนำจะมีระยะตรวจจับค่อนข้างแคบตั้งแต่เศษส่วนของมิลลิเมตรจนถึง 60 มิลลิเมตร โดยเฉลี่ย โดยการออกแบบเซ็นเซอร์เหนี่ยวนำจะให้มีระยะตรวจจับยาวขึ้นเป็นพิเศษ #### 3.1.1 ส่วนประกอบของเซ็นเซอร์เหนี่ยวนำ (Components of Inductive Sensor) **รูปที่ 3.2 เซ็นเซอร์ชนิดเหนี่ยวนำ** ส่วนประกอบหลักของเซ็นเซอร์เหนี่ยวนำ ดังแสดงในรูปที่ 3.3 ประกอบด้วย 1. วัตถุที่เป็นโลหะหรือเป้าหมายเข้าสู่อาณาบริเวณการตรวจจับ 2. วงจรสนามแม่เหล็กของเซ็นเซอร์ เป็นขดลวดที่จะพันรอบแกนเหล็กเพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก โดยวัตถุที่เป็นโลหะจะเคลื่อนที่ผ่านอาณาบริเวณนี้ โดยที่รูปร่างของแกนเหล็ก อาณาบริเวณการตรวจจับ และขนาดของขดลวด จะเป็นตัวกำหนดระยะของการรับรู้ 3. วงจรคลื่นความถี่ (Oscillator) เป็นวงจรที่ทำให้สนามแม่เหล็กของเซ็นเซอร์มีความถี่สูงขึ้น (100 kHz ถึง 1 MHz) การมีอยู่ของเป้าโลหะจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงคลื่นความถี่และรูปแบบของกระแสไฟฟ้าไหลวนในเป้าโลหะ การเหนี่ยวนำในเป้าโลหะจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในสนามแม่เหล็ก และสร้างผลกระทบกับจำนวนของสัญญาณและหมุนกลับไปที่ขดลวดสนามแม่เหล็กของเซ็นเซอร์ 4. วงจรตรวจจับ จะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงคลื่นความถี่และสับเปลี่ยนวงจรเป็น ON แล้วส่งสัญญาณไปยังวงจรเอาต์พุต 5. วงจรเอาต์พุตของเซ็นเซอร์วงจรนี้จะทำงานจนกระทั่งเป้าหมายโลหะเคลื่อนที่ออกจากอาณาบริเวณตรวจจับ เมื่อวงจรกำเนิดคลื่น