העולם הטכנולוגי עובר מהפך מתמשך ודורש יותר אמצעי חישה ובקרה ע”י שימוש בחיישנים (Sensors) מסוגים שונים. כל שליטה ובקרה במערכת מבוססת על קבלת סיגנלים בזמן אמת מאותם חיישנים שמאפשרים את קבלת המידע, עיבודו ותגובה בהתאם. ישנם מן הסתם סוגים רבים של חיישנים לשימושים צבאיים, רפואיים, תעשייתיים וכו’.
בכתבה זו אסקור בקצרה סוגים שונים של חיישנים הקיימים בשוק ויישומים אפשריים להם.
חיישני טמפרטורה
קבוצת סנסורים אלה כוללים סוגים רבים ומגוונים ושימושם עולה מיום ליום ביישומים רבים.
סנסורים אלה בנויים בדרך כלל משני סוגי מתכות בעלי פרמטרי התפשטות חום שונה, כך שאפשר לכוונם שיצרו מגע או ניתוק בטמפרטורה מסוימת ובטולרנסים שונים.
הטרמיסטורים מסוג NTC/RTD הינם רכיבים בעלי התנגדות משתנה בתחומים עד 100 קילו-אוהם, השתולים בתוך בורג, נעל כבל, צינורית או כראש סיכה. אפשר להשתמש בהם כחלק אינטגרלי בתכנון והם מאפשרים חישה של הטמפרטורה המתפתחת במערכת.
סוג אחר הנו התרמוסטטים משני סוגים O/N או N/C . גם הם בעלים מגוון של תצורות כגון כפתור מתכת בעל 2 אוזניים לחיבור עם ברגים עבור גוף קירור או על משטח מתכתי. סוג נפוץ נוסף הנו בצורת TO-220 או Dip 8 להתקנה על מעגל מודפס, כך שאפשר להשתמש בהם במכונת השמה אוטומטית.
חיישני לחץ
סנסורי הלחץ מתאימים ללחצים שונים כגון: 35, 40, 250 ואפילו 1000 BAR.
הסנסורים בגודל מיניאטורי ורובם אטומים במבנה קשיח לתנאי שטח קשים. חלקם מגיעים עם סנסור טמפרטורה מובנה.
סדרת סנסורי לחץ אלה כוללת גם סנסורים דיפרנציאליים שמאפשרים בקרה ומדידה של שני לחצים שונים, כגון: אוויר וגזים לא דליקים או גזים אגרסיביים.
כמו כן, יש קבוצת מפסקי לחץ זעירים וקלים המיועדים לאפליקציות הדורשות עלות נמוכה ושימוש רב של מיליוני פעולות.
קיימים גם מסמרי לחץ (Load Cells) המיועדים למדידת לחצים ומשקלים. הסדרה מסוג ‘S’ מתאימה לשימוש ביישומים תעשייתיים בטווחים של 25 ק”ג עד 30 טון. סדרה זו אטומה ברמת IP67. סדרה נוספת קשיחה ביותר, עשויה פלב”מ ברמת אטימות IP68 ואף מתאימה למשקלים של עד 200 טון.
חיישנים לינאריים
חיישנים אלה מיועדים לקבלת תגובה לינארית לתנועה קווית שבין 12.5 מ”מ ועד 2 מטר. הם יכולים להיות עם שתי טבעות חיבור משני הצדדים לחיבור מכני או כחיישני מגע להדבקה על פנל. המבנה הוא פוטנציומטר קווי כך שהתגובה המתקבלת היא רמת מתח פרופורציונלית לאורך התנועה.
חיישנים אלה אטומים ברמת IP67, מצטיינים באורך חיים ארוך וזמינים בכמויות קטנות וניתן לקבל אותם בתצורה מזוודת ויותר מדויקת.
לפוטנציומטרים הליניאריים יש גם ורסיה של סנסור לינארי קפיצי שחוזר למצב המקורי בסיום הפעולה (כנקודת ייחוס) וכן בתצורה מגנטית ללא חיבור פיזי בין הפוטנציומטר לזחלן, והוא שימושי במקומות סגורים כגון גובה נוזל במיכל.
חיישנים סיבוביים
חיישנים אלה מבוססים על פוטנציומטר סיבובי מסוג Hall Effect שגם הם נותנים יציאת מתח יחסית לסיבוב הזוויתי ואפשר למדוד איתם 345 מעלות או 360 מעלות.
גם סדרה זו בעלת ורסיה קפיצית שבה עם סיום הפעולה הציר מסתובב חזרה למצב האפס (נקודת הייחוס).
לאחרונה פיתחו סנסורי מיקום למנועים המשמשים כאנקודרים ללא מגע. הסנסורים האלה ניתנים לתכנות ועקרון הפעולה שלהם הנו ע”י מדידת שדה מגנטי בקצה הרוטור של המנוע.
סנסור טווח לייזר
סנסור הלייזר הנו בעל מבנה מתכתי קשיח המבוסס על מדידה בשלוש זוויות (טריאנגולציה) שמאפשרת מדידה מדויקת ביותר בקצב דגימה של 9.4 קילו-הרץ לטווחי מרחק של בין 2 מ”מ ל-1,250 מ”מ וברמת אטימות של IP67. הסנסור מתאים לתעשיית הסמיקונדוקטור, לציוד תעשייתי ולמכשור.
חיישנים למדידת מהירות סיבוב
יש כמובן את האנקודרים הסטנדרטיים שמתחברים לציר האחורי של המנוע והוא נותן מידע מדויק לגבי המהירות והמיקום. עם הזמן פותחו גם חיישנים חיצוניים ללא מגע למדידת מהירויות במנועים תעשייתיים או גנרטורים מבוססי אפקט הול. המבנה המכני שלו הוא כמו סיגר עם ראש מגנטי הממוקם מול גלגל שיניים, שהוא עצמו מורכב על הציר הנמדד. הסנסור סופר גם את מספר השיניים ומתרגם זאת במדויק למהירות הסיבוב.
בתעשייה הביטחונית, יש גם צורך במדידת תאוצה, מהירות זוויתית ומיקום במרחב. סנסורים אלה נדרשים עבור ניווט כלים בלתי מאוישים וביצוע סטביליזציה למערכות אלקטרו-אופטיות. לשם כך משתמשים בטכנולוגיה פורצת דרך בשם MEMS המאפשרת דיוק מדידה בזמן אמת ובאמינות גבוהה.
חשוב לציין שבעבר לסנסורי MEMS היו בעיות עקב ירידת ביצועים בשינויי טמפרטורה, סחיפת מדידה לאורך זמן ורעש אקראי, אולם קצב התפתחות הטכנולוגיה הבשיל לרמה צבאית.
חיישני תאוצה
מדי תאוצה סוג MEMS מאופיינים במשקל קל ומתח אספקה נמוך (5 וולט). חיישני התאוצה מיועדים למדידת טווח של עד 15g ויש להם עמידות בפני הפרעות EMI. חיישני התאוצה של עוד כמה שנים צפויים להיות ביציבות כה גבוהה שההיסט שלהן יהיה ביחידות של שינוי תאוצה לאורך שנה.
גירוסקופים
הג’ירוסקופ הנו רכיב שמודד מהירות זוויתית והוא אבן היסוד לכל יישום הדורש יציבות או הנחייה.
קיימים שני ג’ירוסקופים פורצי דרך עיקריים. הראשון, הנו ה-G150Z לציר בודד עם פלט אנלוגי. הייחודיות שלו הנה במדידה מדויקת לאורך זמן, מה שמאפשר לו להיות מותקן על כלים אוטונומיים. בעקבות הצלחת רכיב זה פותח גם הג’ירסוקופ התלת צירי הדיגיטלי המסומן כ-G300D. רכיב זה הנו במידה זעירה (קובייה של 0.6 אינץ’) ושוקל רק 18 גרם. הייחודיות שלו הנו שהוא מצליח להביא דיוקי מדידה ללא רעש, וללא תלות בשינוי הטמפרטורה. רכיב זה הנו דיגיטלי עם זמני תגובה מידיים (קצב העדכון ביציאת הרכיב הנו 6.5Khz עם רוחב סרט של 250Hz) – אידיאלי לסטביליזציה עבור מטעדי IR/RF וניווט. מדובר בפריצת דרך ממש היות ולא קיים גירוסקופ סוג MEMS כזה בעולם.
IMU & INS
רכיב IMU הנו בעצם גירוסקופ תלת צירי משולב מד תאוצה תלת צירי (6 דרגות חופש).
ה-IMU משמש כאמצעי ניווט והנחייה לזמן קצר או ארוך, בטווחי מדידה שונים.
למשל: IMU סוג LandMark005 משמש כ-IMU זול יחסית והמבנה הפיזי והמשקל הנו זהה לגירוסקופ G300D (מה שמקנה לו תכונת Ultra-Small IMU). ההיסט מדידה שלו הנו 5 מעלות לשעה והוא מיועד ליישומים בהם נדרש IMU סטנדרטי.
ישנם מערכות הדורשות טווח מדידה גבוה עקב תמרון או קצב תנועה מהיר מאד. לשם כך פותח ה-LadnMark007 עם יכולת מדידה של שינוי זוויתי של 2000 מעלות לשנייה ועד 98g. למרות הטווחים הגבוהים גודלו הפיזי של הרכיב הנו קטן (25 גרם, 0.7 אינץ’).
ישנם מערכות בהם ניתן להכיל מדיד IMU במשקל גדול מ-18 גרם, אך נדרשת מדידה מדויקת יותר עם יכולת עמידה בזעזועים (למשל: ניווט ויציבות תוך כדי שיגור או ירי ארטילרי). עבור כך פותח רכיב LandMark60 עם היסט נמוך ורעש ממוזער. הרכיב שוקל 115 גרם והוא רכיב הדגל למערכות ניווט הדורשות עמידה בשוק והלמים. קצב עדכון הנתונים במוצא הרכיב הנו 2.5Khz ורוחב הסרט שלו הנו 250Hz, מה שמתאים אותו ליישומים קשיחים במיוחד.
גם ל-LandMark60 יש גרסה לטווחים גבוהים והיא ה-LandMark65 המודד שינוי זוויתי של עד 2000 מעלות לשנייה ושינוי של עד 65g.
הביצועים של ה-IMU האלה בעבר היו מושגים ע”י טכנולוגיית לייזר ו-FOG, אולם קצב הפיתוח של טכנולוגיית ה-MEMS הובשל לרמה הטקטית מבצעית.
עבור ניווט מלא, הוסיפו ל-IMU גם מקלט GPS ואלוגריתמים לשערוך שגיאות ולשם כך נוצר ה-INS.
ה-INS בטכנולוגיית ה-MEMS כיום הנו ה-LandMark60 INS וללא מקלט ה-GPS הדיוק שלו הנו 6NM לשעה (NM – מייל ימי). קיימת גם גרסה זולה יותר וקלה יותר בשם LandMark005 INS.
ה-INS מסוג MEMS משמשים בעיקר כגיבוי למערכת הניווט העיקרית במטוס ולבקרת טיסה.
ניווט במנהרות ומחילות
קיים צורך לעתים מבצעי ולעתים תשתיתי בהתמצאות במנהרות ומחילות, שם אין GPS וכמו כן, חשוב לדעת גם את כיוון החפירה כדי לחבר בין מוקדי חפירה שונים. לשם כך פותח רכיב AHRS סוג MEMS בשם DIGS100. ה-DIGS הנו רכיב IMU שנותן גם את הזווית עצמה (Pitch, Roll, Yaw) בנוסף למהירות הזוויתית. הרכיב אטום ברמת IP68 ומידותיו הותאמו לחפירה בתעלות.
ראינו אם כן את הצרכים השונים לחישה ובקרה ואת המענה אליהם. בעידן בו נדרשים זמן תגובה מהיר יותר, דיוק רב יותר ומידות קטנות יותר משתנה גם הטכנולוגיה המתאימה את עצמה לצרכים.
