هیسترزیس مشخصه برخی از سنسورها است که باعث میشود سیگنال خروجی از سیگنال ورودی عقب بماند، به خصوص زمانی که سیگنال ورودی به سرعت در حال تغییر است. این تأخیر به دلیل تأخیرهای داخلی یا تأثیرات حافظه در سنسور رخ می‌دهد. هیسترزیس می‌تواند منجر به اندازه‌گیری‌های نادرست شود و اغلب در سنسورهایی که برای اندازه‌گیری ورودی‌های با تغییر سریع استفاده می‌شوند، مانند سیستم‌های کنترل، یک مشکل است.
هیسترزیس سنسور به پدیده‌ای اشاره دارد که توسط انواع خاصی از سنسورهایی که در آن هنگام تغییر سیگنال ورودی، تاخیر زمانی یا تاخیر در پاسخ آنها وجود دارد، دیده میشود. هیسترزیس را می‌توان در انواع مختلفی از سنسورها از جمله سنسورهای دما، سنسورهای فشار و سنسورهای موقعیت مشاهده کرد.
هنگامی که یک سنسور از خود هیسترزیس نشان می دهد، خروجی آن بلافاصله متناسب با سیگنال ورودی با افزایش یا کاهش سیگنال تغییر نمی کند. در عوض، تاخیر یا تفاوت قابل توجهی در خروجی سنسور در طول انتقال سیگنال ورودی به سمت بالا و پایین وجود دارد.
عواملی که بر هیسترزیس(hysteresis) سنسور تاثیرگذارند
هیسترزیس سنسور به تمایل آن برای نشان دادن مقادیر خروجی متفاوت برای یک ورودی، بسته به افزایش یا کاهش ورودی اشاره دارد. عوامل متعددی میتوانند بر هیسترزیس یک سنسور تأثیر بگذارند. در اینجا تعدادی از آنها را به مختصر بررسی میکنیم:
طراحی مکانیکی
طراحی و ساخت سنسور می‌تواند به میزان قابل توجهی بر هیسترزیس آن تأثیر بگذارد. عواملی مانند کیفیت مواد، تلرانس تولید و پایداری مکانیکی همگی میتوانند بر هیسترزیس تأثیر بگذارند.
اصطکاک و سایش
اگر سنسور شامل قطعات متحرک باشد یا به کنتاکت‌های لغزنده متکی باشد، اصطکاک و سایش می‌تواند باعث هیسترزیس شود. با گذشت زمان، اجزای مکانیکی ممکن است دچار تخریب شوند و منجر به افزایش هیسترزیس شوند.
هیسترزیس مغناطیسی (سنسورهای مغناطیسی)
سنسورهای مغناطیسی، مانند سنسورهای Hall effect، ممکن است به دلیل مغناطیس باقیمانده موجود در ماده حسگر، هیسترزیس از خود نشان دهند. با تغییر قدرت میدان مغناطیسی، این مغناطیس باقیمانده می‌تواند باعث تغییر در خروجی شود.
ویژگی‌های الکتریکی
در سنسورهای الکتریکی، عواملی مانند مقاومت، ظرفیت خازنی و اندوکتانس میتوانند به ایجاد هیسترزیس کمک کنند. به عنوان مثال، ظرفیت خازنی و اندوکتانس میتوانند تاخیرها و جابجایی‌های فازی‌ای ایجاد کنند که بر پاسخ سنسور تأثیر می‌گذارد.
شرایط محیطی
تغییرات دما، رطوبت، فشار یا سایر عوامل محیطی می‌تواند بر هیسترزیس سنسور تأثیر بگذارد. انبساط حرارتی، جذب رطوبت، یا تغییر در مقاومت تماس به دلیل آلودگی، همگی میتوانند به هیسترزیس کمک کنند.
شرایط محیطی
تغییرات دما، رطوبت، فشار یا سایر عوامل محیطی می‌تواند بر هیسترزیس سنسور تأثیر بگذارد. انبساط حرارتی، جذب رطوبت، یا تغییر در مقاومت تماس به دلیل آلودگی، همگی میتوانند به هیسترزیس کمک کنند.
سیگنال کاندیشنینگ (Signal Conditioning)
مدار الکترونیکی مورد استفاده برای شرطی سازی و پردازش خروجی سنسور می‌تواند بر هیسترزیس تأثیر بگذارد. تقویت نامناسب، فیلتر کردن، یا غیرخطی بودن مدارهای شرطی سازی سیگنال می‌تواند باعث هیسترزیس شود.
توجه داشته باشید که ممکن است بسته به نوع سنسور، عواملی که بیشتر بر هیسترزیس آنها تأثیر می‌گذارند، متفاوت باشند. بنابراین، درک فناوری خاص هر سنسور و اصول عملکرد آن برای تجزیه و تحلیل جامع عوامل هیسترزیس ضروری است.
تفاوت هیسترزیس(hysteresis) و دریفت(drift) سنسور
دریفت و هیسترزیس هر دو پدیده‌هایی هستند که میتوانند بر عملکرد حسگرها تأثیر بگذارند، اما از نظر ماهیت و تأثیر متمایز هستند.
دریفت به طور کلی یک فرآیند آهسته و پیوسته است که بر رفتار پایه سنسور تأثیر می‌گذارد، در حالی که بر خلاف دریفت، هیسترزیس یک تغییر تدریجی در طول زمان نیست، بلکه ویژگی ذاتی رفتار سنسور است.
به طور خلاصه، دریفت به تغییر تدریجی مقدار خروجی حسگر در طول زمان اشاره دارد، در حالی که هیسترزیس به وابستگی خروجی سنسور به سابقه قبلی آن اشاره دارد. دریفت بر رفتار پایه سنسور تأثیر می‌گذارد و منجر به تغییرات آفست یا حساسیت میشود، در حالی که هیسترزیس غیرخطی بودن و تأخیر در پاسخ سنسور به خصوص زمانیکه ورودی معکوس یا تناوبی است، میباشد. هر دو پدیده میتوانند به موجب ایجاد خطا در اندازه‌گیری‌ها شوند و باید هنگام ارزیابی درستی (accuracy) و قابلیت اطمینان اندازه گیری‌های سنسور، در نظر گرفته شوند.
خطای هیسترزیس چیست؟
خطای هیسترزیس به تفاوت در قرائت خروجی یک سنسور هنگام اندازه گیری مقدار یکسان در شرایط افزایش و کاهش ورودی اشاره دارد. در درجه اول در حسگرهایی مشاهده میشود که مقادیر فیزیکی مانند فشار، دما یا جابجایی را اندازه گیری می‌کنند.
هنگامی که یک سنسور در محدوده خاصی کار می‌کند، ممکن است به دلیل عوامل مکانیکی یا الکتریکی داخلی، هیسترزیس از خود نشان دهد. این عوامل میتوانند باعث تاخیر یا ناهماهنگی در پاسخ سنسور به تغییرات کمیت اندازه گیری شده شوند.
خطای هیسترزیس معمولاً به عنوان حداکثر اختلاف بین خروجی‌های سنسور در طول اندازه گیری‌های صعودی و نزولی برای مقدار ورودی یکسان تعیین میشود.
به عنوان مثال، اگر یک سنسور فشار مقدار 100 واحد را در هنگام افزایش فشار و 95 واحد را در هنگام کاهش فشار ثبت کند، خطای هیسترزیس 5 واحد خواهد بود.
برای کاهش خطای هیسترزیس، می‌توان از تکنیک‌های جبران استفاده کرد.
این تکنیک‌ها میتوانند شامل کالیبره کردن سنسور و اعمال اصلاحات ریاضی در خروجی آن بر اساس ویژگی‌های هیسترزیس مشخص، باشد. علاوه بر این، از طراحی‌های پیشرفته و موادی با اثرات هیسترزیس کاهش یافته نیز برای به حداقل رساندن این خطا استفاده میشود.
فرمول محاسبه خطای هیسترزیس
فرمول محاسبه خطای هیسترزیس سنسور به نوع سنسور مورد استفاده و ماهیت اندازه گیری بستگی دارد. به طور کلی، خطای هیسترزیس به عنوان تفاوت بین سیگنال‌های خروجی به دست آمده در هنگام افزایش و کاهش سیگنال ورودی محاسبه میشود که به صورت درصدی از محدوده مقیاس کامل سنسور بیان میشود.
به عنوان مثال، اگر یک سنسور دما دارای محدوده مقیاس کامل 0-100 درجه سانتیگراد باشد و سیگنال خروجی آن در هنگام افزایش دما 5٪ بیشتر از زمانی باشد که در حال کاهش است، خطای هیسترزیس را می‌توان به صورت زیر محاسبه کرد:
این بدان معنی است که سنسور دما خطای هیسترزیس 5% را نشان می‌دهد که می‌تواند بر دقت اندازه گیری های آن تأثیر بگذارد.
توجه کنید که همانطور که گفته شد فرمول خطای هیسترزیس به نوع سنسور مورد استفاده و ماهیت اندازه گیری بستگی دارد.
چگونه هیسترزیس(hysteresis) سنسور را کاهش دهیم؟
برای کاهش هیسترزیس یک حسگر، می‌توانید تکنیک‌های زیر را در نظر بگیرید:
کالیبراسیون
برای تصحیح خروجی سنسور از هر گونه خطا یا غیرخطینگی، کالیبراسیون‌‌های منظم را انجام دهید. این می‌تواند به به حداقل رساندن اثر هیسترزیس کمک کند.
فیلترینگ
می‌توانید از تکنیک‌های فیلتر کردن مانند فیلترهای دیجیتال برای صاف کردن خوانش‌های سنسور و کاهش نویز یا نوساناتی که می‌تواند به هیسترزیس کمک کند، استفاده کنید. بسته به نیاز، می‌توانید از انواع فیلترها مانند فیلترهای پایین گذر یا فیلترهای میانگین متحرک استفاده کنید.
جبران درجە حرارت
اگر هیسترزیس سنسور تحت تأثیر تغییرات دما باشد، می‌توانید از تکنیک‌های جبران دما استفاده کنید. با اندازه گیری و جبران تغییرات دما، می‌توانید تأثیر دما را بر رفتار هیسترزیس سنسور کاهش دهید.
بهبود طراحی مکانیکی
فراموش نکنید که برای کاهش هیسترزیس، بهبود طراحی مکانیکی و اجزای مربوط به سنسور را نیز باید در نظر بگیرید. اطمینان حاصل کنید که در قسمت‌های متحرک سنسور، اصطکاک یا هر گونه عکس العمل منفی در حداقل‌ترین حالت ممکن است، زیرا این عوامل میتوانند به هیسترزیس کمک کنند. روغن کاری، کاهش تلرانس مکانیکی یا استفاده از مواد با کیفیت بهتر می‌تواند به به حداقل رساندن این مسائل کمک کند.
محل قرارگیری سنسور
گاهی اوقات، هیسترزیس می‌تواند ناشی از عوامل خارجی مانند ارتعاشات یا تداخل الکترومغناطیسی باشد. با انتخاب دقیق محل نصب یا استفاده از روش‌های محافظتی، می‌توانید تأثیر این تأثیرات خارجی را کاهش دهید.
انتخاب سنسور دیگر
اگر روش‌های دیگر جواب ندادند، ممکن است لازم باشد سنسور دیگری با ویژگی‌های هیسترزیس پایین‌تر انتخاب کنید. برای مقایسه مقادیر هیسترزیس در میان گزینه‌های مختلف، از مشخصات فنی و دیتاشیت سنور کمک بگیرید و سنسوری را انتخاب کنید که به بهترین وجه با نیازهای شما مطابقت دارد.
به یاد داشته باشید، اثربخشی هر روش به نوع سنسور، کاربرد و عوامل محیطی بستگی دارد.