حس گر (سنسور) چیست؟

در طول دو دهه گذشته، رشد بی سابقه ای در شمار محصولات و خدماتی رخ داده كه اطلاعات به دست آمده از راه مونیتورینگ (دیده بانی) و اندازه گیری را با استفاده از انواع مختلف حس گرها (سنسورها) مورد استفاده قرار می دهند.
فناوری حس گرها در دامنه وسیعی از حوزه ها از آب و هوا گرفته تا پزشكی، بازرگانی و صنایع كاربرد دارد. بسیاری از حكومت ها و سیاستگذاران جهان به خاطر منافع بالقوه فناوری سنسوری به تشویق و توسعه آن اهمیت زیادی می دهند. به این خاطر كه از طرفی تشویق رشد فناوری های حس گرها به صورت گرایش های تكنولوژیكی جدید و به دنبال آن محصولات جدید در صنایع بومی نتیجه می دهد و به صورت كیفیت بهتر محصولات و بازدهی بهتر آنها (از راه گسترش سطح كنترل بر فرایندهایشان) خود را نشان می دهد.
از طرفی هم توسعه فناوری های حس گرها به اجرای قوانین حكومتی در زمینه ایمنی و آب و هوا كمك می كند.
فواید تشویق فناوری های حس گرها در برنامه های برخی از کشورها، (به عنوان مثال در برنامه ملی پیش بینی تكنولوژی بریتانیا درباره فرصت های بالقوه ای كه فناوری های حس گرها در ایجاد ثروت و كیفیت فراهم می كنند) مورد تأکید قرار گرفته. 15 تكنولوژی مستقل كه دامنه وسیعی از بخش های مختلف صنایع را پوشش می دهند، نیاز جهانی به فناوری های سنسوری را انکارناپذیر کرده اند. در 13 تا از این 15 تكنولوژی، تكنولوژی سنسوری به صورت یک عنصر كامل در توسعه محصولات و خدمات شناخته می شود. در حقیقت فناوری سنسوری به صورت یك فناوری كلیدی با كاربردهایی با تنوع گسترده صنعتی و تحقیقاتی ظاهر شده.
موارد استفاده حس گرها
حس گرها در اشیایی با كاربردهای روزمره مثل كف آسانسورهای لمسی-حسی (حس گر لامسه ای) و لامپ هایی كه با لمس پایه شان روشن و خاموش می شوند به صورت آشکار دیده می شوند. همچنین كاربردهای بی شماری برای حس گرها وجود دارد كه بیشتر مردم هرگز از آنها آگاه نمی شوند. به عنوان مثال حس گرها در خودروها، ماشین آلات، وسایل ماورای جو، تجهیزات پزشكی و ربات ها كاربرد دارند.
سنسور (حس گر) دستگاهی است كه یك كمیت فیزیكی را اندازه گیری می كند و آن را به یك سیگنال كه می تواند به وسیله یك مشاهده گر یا یك اسباب خوانده شود تبدیل می كند. برای مثال دماسنج - با جیوه در شیشه اش، دمای اندازه گیری شده را به شكل انقباض و انبساط یك مایع روی یك تیوب شیشه ای مدرج نشان می دهد. یا یك ترموكوپل دما را به یك ولتاژ خروجی كه می تواند به وسیله ولت متر خوانده شود تبدیل می كند.
در واقع حس گر اسبابی است كه یك سیگنال یا محرك را می گیرد و به آن پاسخ می دهد. در این جا اصطلاح محرك به معنی خاصیت یا كمیتی است كه نیاز است تا به فرم الكتریكی تبدیل شود. از این رو سنسور را می توان به عنوان اسبابی كه یك سیگنال را می گیرد و آن را به فرم الكتریكی تبدیل می كند –بنابراین بیشتر در دستگاه های الكترونیكی مورد استفاده قرار می گیرد- تعریف كرد. البته حس گر با ترانسفورماتور متفاوت است. چراكه یك ترانسفورماتور شكلی از انرژی را به شكل دیگری تبدیل می كند. در حالی كه یك حس گر، سیگنال دریافت شده را تنها به فرم الكتریكی تبدیل می كند.
میزان حساسیت حس گر به این ترتیب تشخیص داده می شود كه خروجی آن موقعی كه كمیت اندازه گیری شده تغییر می كند، تغییر كند. برای مثال هنگامی كه تغییرات دما یك درجه سانتی گراد تغییر می كند و جیوه در دماسنج یك سانتی متر حركت می كند، حساسیت یك سانتی متر درجه سانتی گراد است. حس گرهایی كه تغییرات خیلی كوچك را اندازه گیری می كنند، لازم است حساسیت های خیلی بالا داشته باشند. همچنین حس گرها، روی چیزی كه اندازه گیری می كنند فشاری وارد می کنند. برای مثال وقتی دماسنج دمای اتاق را، داخل یك فنجان مایع داغ می گذاریم، مایع خنك می شود. در حالی كه مایع، دماسنج را گرم می كند.
بنابراین لازم است حس گرهایی طراحی شوند تا اثر كوچكی روی آن چه كه اندازه گیری می كنند داشته باشند. ساختن حس گر كوچك تر اغلب این كار را تسهیل می كند و ممكن است فواید دیگری هم داشته باشد.
پیشرفت تكنولوژیكی اجازه می دهد كه سنسورهای بیشتر و بیشتری در مقیاس میكروسكوپی ساخته شود.
یك حس گر خوب از قوانین زیر تبعیت می كند:
به خاصیت فیزیکی اندازه گیری شده حساس است.
به هیچ خاصیت دیگری حساس نیست.
روی خاصیت اندازه گیری شده تأثیر نمی گذارد.
حس گرهای ایده آل طراحی شده اند تا خطی باشند. سیگنال خروجی چنین سنسوری با خصوصیت اندازه گیری شده متناسب است.
همه موجودات زنده حاوی حس گرهایی بیولوژیكی هستند که با كاركردهایی شبیه به اسباب مكانیكی توصیف می شوند. بیشتر سلول های تخصصی شده به اینها حساسند:
1-نور، حركت، دما، حوزه مغناطیسی، رطوبت، ارتعاش، فشار، حوزه های الكتریكی، صدا و دیگر صور فیزیكی محیط خارجی.
2-صور فیزیكی محیط داخلی مثل اتساع، حركت موجود زنده.
3-مولكول های محیطی شامل توكسین ها، مواد مغذی و فرومول ها.
4-كنش و واكنش بیومولكول ها و برخی پارامترهای جنبشی.
5-محیط متابولیك داخلی، مثل سطح گلوكز، سطح اكسیژن یا اسمولالیتی.
6-مولكول های سیگنالی داخلی، مثل هورمون ها، سیتوسكین ها.
7-تفاوت ها بین پروتئین های خود موجود زنده با محیط و موجودات بیگانه.
حس گرهای مصنوعی كه با استفاده از یك مؤلفه حساس بیولوژیكی از حس گرهای بیولوژیكی تقلید می كنند، بیوحس گر نامیده می شوند.