BASINÇ (GERİLME) TRANSDUSERLERİ

Transkript

1

2 2 BASINÇ (GERİLME) TRANSDUSERLERİ Tanımı Üzerlerine düşen basınçla orantılı olarak fiziki yapılarında meydana gelen değişimden dolayı basınç seviyesini ya da basınç değişimi seviyesini elektriksel işarete dönüştüren devre elemanlarına basınç transduseri denir. Çeşitleri Basınç sensörleri, çalışma prensibine göre beş grupta incelenebilir. Bunlar: 1-) Kapasitif basınç ölçme sensörleri 2-) Rezistif basınç (kuvvet) algılama sensörleri 3-) Strain Gauge (şekil değişikliği) sensörleri 4-) Load Cell (yük hücresi) basınç sensörleri 5-) Piezoelektrik özellikli basınç ölçme sensörleri

3 1-) Kapasitif Basınç Sensörleri 3 Kondansatörler elektrik enerjisini depolayan elemanlardır. Bu özellikleri kondansatör plakalarının boyutlarına, plakalar arasındaki mesafenin uzaklığına ve iki plaka arasındaki yalıtkan (dielektrik) malzemenin özelliğine bağlıdır. Sonuç olarak kondansatör plakaları birbirinden uzaklaştırılırsa ya da esnetilirse veya iki plaka arasındaki dielektrik malzeme hareket ettirilirse, kondansatörün kapasitesi değişir. Kondansatörün kapasitesi ile beraber alternatif akıma gösterdiği direnç de değişir. İşte bu prensipten hareketle kapasitif basınç sensörleri üretilmiştir.

4 4 Kapasitif basınç sensörleri, uygulanan basınç ile farklı şekillerde hareket ederler. a-) Basınç ile kayarak (sağa-sola) hareket eden sensörler, b-) Basınç ile aşağı-yukarı (içeri-dışarı) hareket eden sensörler a-) Basınç ile Kayarak Hareket Eden Kapasitif Sensörler ; Bu tip kapasitif sensörlerin farklı tipleri vardır. Yandaki şekilde, iki sabit alt plaka üzerinde hareket eden üst plakalı Kapasitif Sensör ün yapısı görülmektedir. Hareketli plaka tam ortada iken kapasite eşit dağılmıştır. Uygulanan basıncın etkisi ile hareketli plaka sağa veya sola doğru kayar. Hareketli plaka sağa doğru kaydığı zaman, sağdaki kapasite küçülür. Sol taraftaki kapasite büyür. Bu şekildeki kapasite değişikliği sonucu, elektriksel sinyaller üretilir.

5 5 Üst plaka, basıncın etkisi ile sağa doğru kaydığı zaman, sağdaki sabit plaka ile hareketli plaka üst üste gelir. Kapasite küçülür. Soldaki sabit plaka ile hareketli plaka arasındaki kapasite en yüksek değerindedir. Üst plaka, basıncın etkisi ile sola doğru kaydığı zaman, soldaki sabit plaka ile hareketli plaka üst üste gelir. Kapasite küçülür. Sağdaki sabit plaka ile hareketli plaka arasındaki kapasite en yüksek değerindedir.

6 6 Şekilde, basınç ile kayarak hareket eden başka bir Kapasitif Sensör yapısı görülmektedir. Bu sensörde ; alt ve üst plakalar sabittir. Orta plaka hareketlidir. Hem orta plaka ile üst plaka arasında, hem de orta plaka ile alt plakalar arasında kapasite değişimleri ve gerilim değişimleri yaşanır. Hareketli plaka sabit iken kapasiteler normal değerindedir ve dengelidir.

7 7 Basınç etkisi ile sağa doğru hareket eden hareketli plaka, sağdaki üst ve alt plaka arasındaki kapasite değerini azaltır. Soldaki alt ve üst plaka arasında kapasite en yüksek değerindedir. Basınç etkisi ile sola doğru hareket eden hareketli plaka, soldaki üst ve alt plaka arasındaki kapasite değerini azaltır. Sağdaki alt ve üst plaka arasında kapasite en yüksek değerindedir.

8 8 b-) Basınç ile Aşağı-Yukarı (içeri-dışarı) Hareket Eden Kapasitif Sensörler Bu tip sensörler de iki tiptir. Birincisi ; yandaki şekilde görüldüğü gibi iki sabit plaka arasında, basıncın etkisi ile aşağı veya yukarı hareket eden bir levhadan oluşan kapasitif sensörler dir. İkincisi ; basıncın etkisi ile bir yay gibi bükülerek hareket eden ve kapasiteyi değiştiren sensörlerdir. Ortadaki hareketli plaka, basıncın etkisi ile aşağı ve yukarıya doğru hareket ederek, alt ve üst plakalar arasındaki kapasiteyi değiştirir. Basınç yok iken, orta plaka ile diğer plakalar arasındaki kapasite, sensörün varsayılan kapasite değeridir. Orta plaka asansör gibi, basınç ile aşağıya iner ve yukarıya çıkar. Levhalar arasındaki kapasite değişikliği, sensör çıkışında elektriksel sinyal olarak alınır.

9 9 Yandaki kapasitif sensöre, basınç uygulandığı zaman, hareketli orta plaka basıncın etkisi ile aşağıya doğru hareket eder. Üst Plaka ile orta plaka arasındaki kapasite artar. Alt plaka ile orta plaka arasındaki kapasite azalır. Yandaki şekilde ise hareketli orta plaka, basıncın etkisi ile yukarıya doğru hareket eder. Üst Plaka ile orta plaka arasındaki kapasite azalır. Alt plaka ile orta plaka arasındaki kapasite artar.

10 10 Üst plakası hareketli, alt plakası sabit olan kapasitif sensörün prensib yapısı, yandaki şekilde görülmektedir. Basınç yok iken levhalar arası kapasite sabittir ve varsayılan değerdedir. Sensöre basınç uygulandığında esnek üst levha, içeriye doğru yay şeklinde bükülerek hareket eder. Üst levhanın esnemesi sonucu, alt levha ile arasındaki mesafe daralır ve kapasite azalır. Basınç kalktığı zaman, üst levha tekrar eski formuna döner ve kapasite olması gereken değere ulaşır. Sensör çıkışında elektriksel sinyaller elde edilir.

11 11 Basınç ile esneyerek kapasite değişikliği sağlayan Kapasitif Sensör

12 12 2-) Rezistif Basınç (kuvvet) Algılama Sensörleri Uygulanan basınç kuvveti ile direnç değeri değişen sensörlere, Rezistif Kuvvet Algılama Sensörü adı verilir. Kısaca FSR (Force Sensitive Resistor) harfleri ile gösterilirler. Sensör çıkışlarında elde edilecek direnç değişimi uygulanan kuvvete bağlıdır. Rezistif Kuvvet Algılama Sensörünün Fiziksel Görünümü Sensörün, basınç uygulanmamış haldeki normal direnci yaklaşık 1MΩ civarındadır. Elle basınç kuvveti uygulandığında, uçlarındaki direnç yaklaşık 100KΩ civarına iner.

13 13 FSR sensörü, +5V DC gerilim ile çalışır. LDR, NTC v.b devre elemanları gibi gerilim bölücü dirençlerle birlikte kullanılır. Gerilim bölücü devre çıkışlarından elde edilen gerilim değeri, karşılaştırıcı, kuvvetlendirici v.b devrelere uygulanabilir. FSR sensörü, iletken polimer maddeden yapılmıştır. Esnek bir yapısı vardır. Yapısı aşağıdaki şekildeki gibidir. FSR Sensörün Yapısı En üstte yer alan aktif bölge, FSR sensörün kuvvet uygulanan yüzeyidir. Sensöre gerilim aktif bölgedeki uçlardan uygulanır. En alttaki iletken filmin olduğu katman, aktif bölgedeki kuvvete (veya basınca) bağlı olarak iletken filmin direncinde değişiklik meydana getirir. Aradaki plastik ayırıcı ise aktif bölge ve iletken film arasında yalıtım sağlar.

14 14 Çeşitli Boyutlardaki FSR Sensörlerin Fiziksel Görüntüsü FSR Sensörün Sembolü FSR nin Gerilim Bölücü ve OP-AMP Bağlantısı

15 15 FSR Sensör Kullanılarak Yapılmış Dokunmatik Eldiven FSR Sensörlerin Kullanım Alanları FSR sensörler, endüstriyel alanlarda, insan dokunması ile çalışan devrelerde, medikal alanda, robot teknolojilerinde, otomotiv alanında v.b alanlarda kullanılırlar.

16 16 3-) Strain Gauge (Şekil Değişikliği - Gerilme) Sensörleri Temel olarak Strain Gauge ler (Strain Gage diye de kullanılır) esneyebilen bir tabaka üzerine ince bir telin veya şeridin yapıştırılmasından oluşmuştur. Üzerindeki basıncın etkisinden dolayı tabakanın esnemesi, iletken şeridin de gerilerek uzamasına sebep olmaktadır. Bu uzama esnasında telin boyu uzayarak kesiti azalacaktır. Bilindiği gibi iletkenlerin kesiti azaldıkça dirençleri artacağından uygulanan kuvvete bağlı olarak iletkenin direncinde de değişme olacaktır. Bu direnç değişimine bağlı olarak uygulanan kuvvetin miktarını tespit edilebilir. Strain Gauge un Kısımları

17 17

18 18 Strain Gauge aygıtları genellikle Wheatstone (Weston okunur) köprüsü denilen yöntemle devreye bağlanırlar. Gerilme ve Daralma durumlarındaki direnç değişikliğini ölçmek ve elektriksel sinyale çevirmek için Wheatstone köprüsü denilen devreye bağlanırlar. Wheatstone Köprüsü Nedir? Wheatstone Köprüsü Wheatstone köprüsü, değeri bilinmeyen orta değerdeki bir direnci, değeri bilinen diğer dirençlerle karşılaştırma yöntemi kullanarak ölçülmesini sağlayan bir devre bağlantısıdır. Wheatstone köprü devresinin bağlantısı yandaki şekilde görülmektedir. Devrede, R1, R2 ve R3 değeri bilinen dirençlerdir. Rx ise değeri bulunacak olan bilinmeyen dirençtir. Devreye, DC besleme kaynağı ile Giriş gerilimi uygulanır.

19 19 Wheatstone köprüsünde ; R1.Rx = R2.R3 seçilirse, köprüye uygulanan giriş gerilimi ne olursa olsun, Voltmetre den okunacak değer 0 (sıfır) Volt tur. Bu denkleme köprünün denge denklemi adı verilir. Rx direncinin ölçülmesi için, Rx bu denklemden çekilir. Wheatstone Köprüsü R1, R2 veya R3 dirençlerinden birisi ayarlı olursa işlem daha da kolaylaşır. Farklı direnç değerinden (Rx) dolayı köprünün dengesi bozulunca, Voltmetre de bir değer okunur. Ayarlı olan direnç ile Voltmetre de okunan değer 0 Volt oluncaya kadar ayarlanır. Voltmetre değeri 0 Volt olunca köprü dengededir. Yukarıdaki Rx formülünden bilinmeyen direnç değeri bulunur.

20 20 Wheatstone köprülerinde, bilinmeyen direnç sayısına göre 3 çeşit köprü bağlantısı vardır. 1-) Çeyrek Köprü (Bilinmeyen direnç 1 tane ise) 2-) Yarım Köprü (Bilinmeyen direnç 2 tane ise) 3-) Tam Köprü (Bilinmeyen direnç 4 tane ise) Strain Gauge sensörleri de devreye bağlanırken, çeyrek köprü, yarım köprü ve tam köprü bağlantılarından bir tanesi kullanılarak bağlanırlar. Strain Gauge un gerilme veya daralma anındaki oluşan direnci, Rx bilinmeyen direnç olarak devrede kullanılır. Uygulamalarda kullanılan Strain Gauge sensörlerinin katalog bilgilerinde genellikle, gerilme ve daralma anındaki alabileceği direnç değerleri yazılıdır. Devre kurulurken, bu katalog değerleri dikkate alınır. Strain Gauge, herhangi bir baskı altında değil iken (gerilme veya daralma), bağlı olduğu Wheatstone köprüsü denge durumundadır.

21 21 Strain Gauge Sensörün Köprü Devrelerde Kullanılması Çeyrek köprüden oluşan, Strain Gauge devresi. Sensör, herhangi baskı altında değildir. Köprü dengededir. Sensöre uygulanan baskı ile direnci değişir. Köprünün dengesi bozulur. Yarım köprüden oluşan, Strain Gauge devresi. Sensörün bir tanesinde herhangi bir baskı yok, diğer sensör baskı altında. Köprü dengede değildir. Diğer Sensöre uygulanan baskı ile köprü dengeye getirilir.

22 22 Yarım köprüden oluşan, Strain Gauge devresi. Sensörlerin her ikisi de baskı altındadır. Sensörün birisine daralma, diğerine gerilme baskısı uygulanıyor. Köprü dengede değildir. R1 ve R2 dirençleri değiştirilerek devre dengeye getirilir. R1 ve R2 ayarlı direnç olmalıdır. Tam (Full) köprüden oluşan, Strain Gauge devresi. Sensörlerin karşılıklı olarak ikisi daralma, diğer karşılıklı ikisi gerilme baskısı altındadır. Köprü dengede değildir. Sensörlerin gerilme ve daralma oranları ayarlanarak devre dengeye getirilir.

23 23 Örnek olarak, sabit bir yere monte edilmiş esnek bir parçanın üst kısmına bir adet Strain Gauge, alt kısmına başka bir Strain Gauge bağlanmış olsun. Bu sensörler, aynı zamanda Wheatstone köprüsüne de şekildeki gibi bağlanmış olsunlar. Esnek parçaya herhangi bir kuvvet uygulanmadığı zaman, köprü dengededir. Voltmetre de 0 Volt okunur. Esnek parçaya bir kuvvet uygulandığı zaman, üstteki Strain Gauge gerilir, alttaki Strain Gauge daralır (büzüşür). Bu durumda köprünün dengesi bozulmuştur. Voltmetreden değer okunur. Diğer R dirençleri ile köprü dengeye getirilir ise Strain Gauge sensörlerin gerilme ve daralma dirençleri bulunur.

24 Strain Gauge Tipleri 24 Strain Gauge sensörleri, kullanıldıkları yerin özelliğine ve yapısına göre çok değişik tiplerde olabilirler. Aşağıdaki şekillerde, sık kullanılan çeşitli Strain Gauge tipleri ve adları görülmektedir. Sık Kullanılan Strain Gauge Tipleri - 1

25 25 Sık Kullanılan Strain Gauge Tipleri - 2 Strain Gauge tipleri, kendi aralarında tek tek kullanılarak yarım köprü veya tam köprü elde edilebildiği gibi yukarıdaki şekillerde görüldüğü gibi hazır olarak bulunan yarım köprü ve tam köprü tipleri de mevcuttur. Gerilme ve büzülme yapıları farklı olsa da çalışma prensipleri hepsinin aynıdır.

26 26 Strain Gauge Sensörler Nerelerde Kullanılır? Strain Gauge sensörler, çekme, gerilme, esneme, büzülme v.b kuvvetlerin ölçüleceği bütün yerlerde kullanılabilir. Örneğin ; 1-) Çelikten yapılmış bir tren köprüsünün, yaz ve kış aylarındaki sıcaklık değişimlerinde gerilme ve büzülme (daralma) değerleri ölçülebilir. 2-) Elektrik üreten rüzgar güllerinin veya helikopter pervanesindeki kanatların rüzgar altında ne kadar gerilip, büzüşeceği ölçülebilir. 3-) Otomobillerin çarpma testlerinde (crash test), metal gövdenin veya saç aksamın çarpışma anında ne kadar büzüşeceği ölçülebilir. 4-) Pres gibi, mengene gibi cihazlara bağlanan metal parçalara ne kadar kuvvet uygulandığı, ne gibi deformasyona yol açtığı ölçülebilir. Bu tür örnekler çoğaltılabilir.

27 27 Strain Gauge Sensör Uygulama Devresi Şekilde, Yarım köprü şeklinde bağlanmış Strain Gauge sensörlerin ve yüksek kazançlı işlemsel yükseltecin (LTC6081) kullanıldığı devre görülmektedir. Devrenin kazancı 1000 civarındadır. Girişindeki 1µV luk gerilim değişikliğini çıkışında 1000µV a yükseltir. 1mV luk gerilim değişikliğini de 1000mV ta (1V) yükseltir. Devre çıkışına transistör yardımı ile röle, motor, v.b elemanlar bağlanabilir.

28 28 Strain Gauge Sensör Uygulama Devresi LTC6081 entegresi, yüksek kazançlı işlemsel yükselteç (OP-AMP) entegresidir. Foto Diyot yükselteci, Strain Gauge yükselteci, yüksek empedanslı sensör yükselteci, Termokupul yükselteci gibi uygulamalar için geliştirilmiş bir entegredir. LTC6081 entegresi, bir kılıf içerisinden 2 adet düşük gürültülü CMOS işlemsel yükselteçten oluşmuştur. Çok yüksek doğruluk ve hassasiyet gerektiren uygulamalarda rahatlıkla kullanılabilir. 1-) 2,7V 5,5V arasında çalışma gerilimine sahiptir. 2-) Kazanç değeri kararlıdır, sıcaklıkla çok az değişir. 3-) 3,6 MHz bant genişliğine sahiptir. 4-) Tipik olarak, 120 db açık çevrim kazancına sahiptir. 5-) 330µA gibi çok düşük besleme akımına sahiptir.

29 29 4-) Load Cell (Yük Hücresi) Basınç Sensörleri Ağırlığın oluşturduğu gerilmeyi ya da burkulmayı elektronik yöntemle ölçmeyi sağlayan dönüştürücülere Load Cell (Yük Hücresi) denir. Gerilme ya da burkulma genellikle Load-Cell ler (yük hücreleri) ile ölçülür. Dolayısıyla Load Cell yapımında Strain Gauge lardan faydalanılır. YÜK Alüminyum Gövde Sabit Uç Serbest Uç Strain Gauge Load Cell in Fiziksel Görünümü

30 30 Load Cell ler çelik karkasa sahip olmakla birlikte genellikle alüminyum çerçeve üzerine yerleştirilen Strain Gauge 'lardan elde edilir. Örneğin; dört adet Strain Gauge farklı yönlerde ve köprü şeklinde bağlanarak alüminyum çerçeve üzerine monte edilip ambalajlandığında, aşağıdaki şekildeki gibi Load Cell elde edilir. Bu yapıya yay elemanı veya yay elementi adı verilir. Load Cell Yapısı

31 31 Load Cell, genellikle elektronik terazi ve tartı aletlerinde kullanılır. Yük Transdüseri (Load Transducer) olarak ta adlandırılır. Yük veya ağırlık birimlerini elektriksel sinyallere çevirir. R1, R2, R3, R4 dirençleri ile gösterilen 4 adet Strain Gauge, Köprü olarak bağlanır. Herhangi bir yük, ağırlık veya baskı yok iken Load Cell in köprüsü dengededir.

32 32 Load Cell in serbest ucuna yük veya ağırlık uygulandığı zaman, esnemeye başlar ve paralelliği bozulur. Paralelliği bozulduğu zaman, aşağıdaki şekillerde 1,2,3,4 rakamları ile gösterilen Strain Gauge sensörleri baskı ile karşılaşır. 1 ve 4 nolu sensörler GERİLME, 2 ve 3 nolu sensörler SIKIŞMA, durumu ile karşılaşırlar.

33 33 Load Cell e yük veya ağırlık uygulandığı zaman, Strain Gauge sensörleri şekillerdeki gibi değişikliğe maruz kalırlar. Bu sensörlerin bağlı olduğu köprü devresinin dengesi bozulur. Çıkıştaki gerilim değeri, elektronik devreler ile işlenir.

34 34 Load cell ler kullanım alanlarının gerektirdiği şekilde imal edilirler bu yüzden çok farklı ve çeşitli modelde Load Cell e rastlanılır. Günümüzde gr dan ton a kadar geniş bir kapasite aralığında Load Cell imal edilebilmektedir. Load Cell Çeşitleri Load Cell ler (Yük hücreleri) kullanılan yerlere ve ağırlıklara göre farklılık gösterirler ve çeşitli tiplerde üretilirler. 1-) Eğilme Tipi Load Cell Ağırlık kapasitesi yaklaşık 20 kg kg olan yerler için tercih edilirler. Kesme kuvveti prensibi ile geliştirilmişlerdir. Platform kantarları, bant kantarları gibi yerlerde kullanılırlar. 2-) Kesme Tipi Load Cell Ağırlık kapasitesi yaklaşık olarak 200 kg - 5 Ton olan yerle için uygundur. Kesme kuvveti prensibine göre çalışırlar. Yüksek hassasiyetli yerler için geliştirilmiştir. Mekanik - Elektronik dönüşümlerde uygulama alanı bulurlar.

35 3-) S Tipi Load Cell 35 Ağırlık kapasitesi yaklaşık olarak 500 kg - 2 Ton olan yerler için kullanılır. Kesme kuvveti prensibi ile basma ve çekme yönünde çalışan kuvvet ölçüm uygulamaları için geliştirilmiştir. Tipi S harfine benzediği için S Tipi Load Cell denmiştir. S Tipi Load Cell in Fiziksel Görünümü

36 36 S Tipi Load Cell, özellikle bant kantarlarında, ağırlık kaldıran vinç kollarında v.b yerlerde kullanılırlar. En çok kullanılan Load Cell tiplerinden bir tanesidir.

37 37 Şekilde, S Tipi Load Cell sensörler, kablo, tel, ip v.b üretimi sırasında makaraların sıkışıp, kabloyu (veya teli, ipi) koparmaması için çekme kuvveti algılarlar. Kabloda aşırı bir gerilme olunca, Load Cell bunu algılayarak, bağlı olduğu elektronik devre ile üretim hattını durdurur. Arıza giderilince, üretim devam eder.

38 4-) Platform Tipi Load Cell 38 Düşük kapasiteli ve tek yük hücreli platform kanatlarında kullanılırlar. Çalışma ağırlıkları yaklaşık olarak 6 kg kg civarındadır. 5-) Basma Tipi Load Cell Kesme kuvveti ile basma yönünde çalışan yüksek hassasiyet ve yüksek kapasiteli yerler için geliştirilmiştir. Genellikle tank ve vagon tartım işlemlerinde kullanılırlar. Çalışma ağırlıkları 10 Ton Ton aralığındadır. Basma (Load Button) Tipi Load Cell

39 39 Basma (Load Button) Tipi Load Cell in Yapısı 6-) Kablo Gerilim Sensörü Load Cell Aşırı yük koruma amacı ile geliştirilmiş elemanlardır. Asansörlerde ve vinçlerde hareketsiz olan çelik halatlarda kullanılırlar.

40 40 Çeşitli Tiplerdeki Load Cell ler - 1

41 41 Çeşitli Tiplerdeki Load Cell ler - 2

42 Load Cell (Yük Hücresi) Sensör Uygulama Devresi 42 Load Cell Yükselteci

43 43 Load Cell Direnç Yapısı Yandaki devre, Load Cell in çıkış devresidir. 4 adet çıkış ucu, Load Cell yükseltecinin girişlerine bağlanır. Load Cell e uygulanan kuvvet ve basınç bu devre çıkışında elektriksel sinyale dönüşür. Bu sinyaller, yükselteç devresi ile kuvvetlendirilerek, Çeşitli kontrol ve mikroişlem devrelerine uygulanır. Yükselteç devresinin girişlerine uygulanan elektriksel Load Cell sinyalleri, yüksek kazançlı, yüksek giriş hassasiyetine sahip işlemsel yükselteç entegresi ile kuvvetlendirilerek kazancı arttırılır. Yükselteç devresi çıkışında, TTL ve CMOS seviyesinde çıkış gerilimi üretilir. Genlik seviyesi 5V civarında olan bu gerilim, devre çıkışında çeşitli kontrol ve mantık devreleri ile işlenebilir. Mikroişlem veya mikrodenetleyici devreleri ile kullanılabilir.

44 44 5-) Piezoelektrik Özellikli Basınç Ölçme Sensörleri Piezoelektrik etki, kristal yapıya sahip materyallerin üzerine mekanik bir güç veya basınç uygulandığında, materyal uçlarında elektrik akımı elde edilmesine denir. Piezoelektrik, Yunanca piezo kelimesinden türetilmiş olup, basınç uygulamak, sıkıştırmak anlamına gelmektedir. Piezoelektrik etki, 1800 yılında Jacques ve Pierre Curie kardeşler tarafından bulunmuştur. Turmalin, Topaz, Quartz (Kuartz), Roshelle (Roşel) gibi kristallere mekanik basınç uygulanması sonucunda yapılan baskıyla orantılı, kristal uçlarında elektriklenme görülmüştür. Uygulanan basınç voltaj oluşturur ve bu voltaj maddede %4 oranında bir hacim değişikliğine yol açar. Kuartz (Quartz) Kristalleri

45 45 Piezoelektrik Etkisi kullanılarak Piezoelektrik sensörler, Ters Piezoelektrik etkisini kullanarak, Akustik Dalga Sensörleri üretilmektedir.

46 46 Piezoelektrik Etkisi, Kuartz kristallerine dışarıdan mekanik olarak bir baskı, basınç veya güç uygulanması sonucu, Kuartz kristali uçlarında elektrik üretilmesi olayıdır. Ters Piezoelektrik Etkisi, Kuartz kristallerine DC bir elektrik akımı uygulanması ile, kristalin uzayıp, kısalarak şekil değiştirmesi sonucu, kristal uçlarında bir titreşim oluşması olayıdır.

47 47 Akustik basıncı elektriğe çevirme özelliğinden faydalanılarak, piezoelektrik mikrofon sensörler üretilmektedir. Elektrik sinyallerini, akustik basınca çevirme özelliğinden faydalanılarak, piezoelektrik hoparlör sensörler üretilmektedir. Piezoelektrik etkili sensörlerde, polarize kristal malzemelerin piezoelektrik özelliğinden faydalanılır. (Bakınız, aşağıdaki şekil)

48 48 En verimli, en bilinen ve en kolay bulunan piezoelektrik materyal, Kuartz kristalleridir. Kuartz kristali üzerinde herhangi bir etki, baskı yok iken yapısı ve formu sabittir. Kuartz kristaline gerilme uygulanırsa uçlarında (+) ve (-) polariteye sahip bir elektrik sinyali oluşur. Kristale sıkıştırma uygulanırsa, bu kez polaritesi (-) ve (+) olarak yön değiştiren başka bir elektriksel sinyal oluşacaktır.

49 Piezoelektrik Etkili Sensörler Nerelerde Kullanılır? 49 1-) Manyetolu denilen çakmaklarda, Ev tipi ocakların elektrikli ateşlemesinde Kullanılırlar.

50 50 2-) Dijital Saatlerde ve motorlu Analog saatlerde kullanılırlar.

51 51 3-) Piezoelektrik mikrofonlarda ve Piezoelektrik hoparlörlerde kullanılırlar. Piezoelektrik Mikrofon Piezoelektrik Hoparlör 4-) Piezoelektrik sensörler yüksek hassasiyete sahip oldukları için hassas terazilerde (kuyumcu terazileri), ivme ölçerlerde, hareket algılayıcılarda, kuvvet ve basınç ölçen sistemlerde kullanılırlar. Hassas Elektronik Teraziler

52 52 5-) Piezoelektrik kuvvet sensörlerinde kullanılırlar. Örnek olarak, günümüzde kullanılan otomobillerin bir çoğunda bulunan hava yastıklarının (airbag) sensör kısmında piezoelektrik kuvvet sensörleri kullanılır. Piezoelektrik materyal çarpma etkisiyle elektrik sinyalleri göndererek airbaglerin çalışmasını (açılmasını) sağlar.

53 53 6-) Piezoelektrik ile elektrik üretme sistemlerinde kullanılırlar. Güneş enerjisi ve rüzgar gülleri ile elektrik üretilmesinin ardından, geleceğin elektrik üretme sistemi olarak bahsedilen sistemlerde kullanılmaktadırlar. Aşağıda, Piezoelektrik elektrik jeneratörü görülmektedir.

54 54 Piezoelektrik Sensörün Devre Bağlantısı Aşağıdaki şekillerde, piezoelektrik sensörün gerilim bölücü devre ile istenilen herhangi bir kontrol devresinin girişine bağlanabilen şeması ve örnek olarak 4 adet piezoelektrik sensörün Mikrodenetleyici Arduino kartına bağlantısı görülmektedir. Piezoelektrik sensörlerin çıkış gerilimleri küçük olduğu için çıkışları bir yükselteç Devresine bağlanmalıdır.

55 Piezoelektrik Sensör Uygulama Devresi 55 Şekildeki devre, hassas yangın alarm devresidir. Devrenin hassasiyeti, kullanılan piezo elementten kaynaklanmaktadır. Kurşun-Zirkonat-Titonat kristallerinden oluşan piezo element sensör, ısıyı görünce form, şekil değişikliğine uğrar ve uçlarında elektriksel sinyal üretir. Bu sinyal, işlemsel yükselteç ile kuvvetlendirilir. CD4060, osilatör entegresi ile de ikaz sesi ve röle kontrolü üretir.

56 SUNUM SONU