Algılayıcılar (Sensors)

Transkript

1 Algılayıcılar (Sensors) Sayısal işlem ve ölçmeler sadece elektriksel büyüklüklerle yapılmaktadır. Genelde teknik ve fiziksel büyüklükler (sıcaklık, ağırlık kuvveti ve basınç gibi) elektrik dalından olmayan bir büyüklük olarak sayılmaktadır. Bu demektir ki bu değişkenlerle bilgisayar ortamında işlem yapılamaz. Bunun için dönüştürücülere gereksinim vardır. Elektriksel olmayan büyüklükleri elektriksel sinyale (gerilim veya akım) dönüştürmeyi sağlayan dönüştürücüler algılayıcı (sensor) olarak adlandırılır. Bu gruba basit ve ucuz ölçme algılayıcıları girdiği gibi, aynı zamanda algılayıcıların çıkışına bağlanan ölçüm değerinin hazırlanması için kullanılan elektronik devrelerde (kuvvetlendirici, ısı kompanzasyonu ve doğrusallaştırma) sayılmaktadır. Bunun yanında ayrıca bu sınıfa gaz cinsindeki maddelerin yoğunluğu yada varlığını veya hava nemliliğini gösteren devre elemanları da girmektedir. Aşağıdaki verilen özellikler genel anlamda bir algılayıcının kalitesini belirler: Doğrusallık Isı kararlılığı Hassasiyet Cevap verme süresi Alt ve üst sınır frekansı Uzun süre kararlılık Histerezis Doğrusallık: Dönüştürmenin kesinlikle oransal olmalı, yani dönüştürme eğrisi bir doğru vermelidir. Isı Kararlılığı: Kullanılan algılayıcı (ısı algılayıcı hariç) çalışılan ortamdaki sıcaklık değişiminden etkilenmemeli. Hassasiyet: Algılayıcın hassasiyeti öyle seçilmelidir ki, giriş büyüklüğünün en küçük dönüştürme aralığı, yeterince büyük bir elektrik gerilim değişimini çıkışa yansıtmalıdır. Gecikme zamanı: Giriş büyüklüğündeki ani değişimin başlaması ile algılayıcının çıkış işaretindeki değişimine kadar geçen süredir. Algılayıcının kullanıldığı ortamdaki fiziksel giriş büyüklüğünün değişimine algılayıcı daha hızlı tepki göstermelidir. Alt ve Üst sınır frekansı: Periyodik değişen giriş işaretinin en alt ve en üst frekansıdır. Algılayıcı bu giriş işaretlerinde izin verilen ölçüm hata aralığında henüz doğru dönüştürme yapmaktadır. Genelde uygulamalarda alt sınır olarak 0 Hz istenir. Uzun süre Kararlılık: Bir algılayıcı uzun süre boyunca aynı giriş işareti için uygun aynı çıkış işaretini vermelidir. Ne yazık ki birçok elektronik eleman eskimektedir. Kararlı olmayan yapıya özel örnek gergi yayı ilk akla gelmektedir. Bu tip algılayıcıda aynı kuvvet uygulansa da farklı çıkış işareti alınabilmektedir. Histerizes bandı: Demirin mıknatıslanmasında bilinen histerizes eğrisi Algılayıcılarda da ortaya çıkmaktadır. Örneğin algılayıcı aynı ortam sıcaklığında farklı çıkış gerilimi verebilir. Bu durum ölçümün yükselen ısı veya düşen ısı için yapılmasına bağlıdır. Algılayıcının ölçüm doğruluğunu lineer olma, ısı kararlılığı, uzun süre kararlılık ve histerezis bandı belirler. B.Ç.

2 İşlemsel Kuvvetlendiriciler (Operational Amplifier) Her türlü elektrik işareti için kuvvetlendiricidir. Genel olarak karşılaştırma, kuvvetlendirme, filtre devreleri, toplayıcı, çıkarıcı, türev, integral gibi uygulamalarda kullanılmaktadır. Giriş +Vcc Giriş + Çıkış Vcc İdeal durumda işlemsel kuvvetlendiricinin giriş direnci sonsuz ve çıkış direnci sıfırdır. Kuvvetlendirme katsayısı da sonsuzdur. Gerçek durumda ise giriş direnci MOhm ile GOhm arasında ve çıkış direnci ise 0 Ohm dur. Kuvvetlendirme katsayısı ise civarındadır. Çalışma frekansı 00 MHz civarındadır. Çıkış geriliminin denetim aralığı 0,6Vcc..0,9Vcc dir. Terslemeyen bağlantı Tersleyen Bağlantı Eksi girişe çıkışın geri beslenmesi bağlantının kuvvetlendirici, çıkışın artı girişe bağlanması ise Schmitttetikleyici ve çıkışın girişe bağlantısı yoksa işlemsel karşılaştırıcı devre elde edilir. V + = ±(R /R +R ).V cc V cc R R B.Ç.

3 Gerilim İzleyici + Gerilim izleyici devrede kuvvetlendirme faktörü dir. Giriş işareti ile çıkış işareti aynı fazdadır. Basit geri besleme devresidir. Giriş kuvvetlendirilmeden aynen çıkışa yansımaktadır. Yüksek giriş direnci ve alçak çıkış direnci, dolayısıyla hassas giriş ve kuvvetli çıkış sağlanır. Bağlı olduğu devrenin çıkışına yüklenmez. Bundan dolayı bir uyum devresi veya tampon devresi olarak görülmektedir. U çıkış / = Terslemeyen Kuvvetlendirici V cc R R Burada giriş işareti belli bir oranda çıkışa terslenmeden aktarılmaktadır. U çıkış / =+R /R, R =0 olursa kuvvetlendirme katsayısı olur. B.Ç. 3

4 Toplayıcı Devresi U R R F U R V cc RF RF = ( U U ), Eğer R =R =R F olursa = (U +U ) R R Çıkarıcı Devresi U R R F U R V cc R F RF U =0 için U + = U R R F = R F R U R ( R R F F = ( R RF ) R ) R U R ( R R ) F F RF = U U,R =R olursa, = R F ( U U ) R ( R R R R F ) B.Ç. 4

5 İntegral alıcı Devre I = (V i V x ) / R = V i / R olarak yazılabilir. V o = (/C f ) I f dt ve I f = I olduğuna göre; V o = ( / C f ) I dt V o = ( / C f ) (V i / R ) dt' V o = [ / (R.C f )] V i dt olarak bulunur. Girişteki kayma (offset) geriliminin işlemsel yükselteci doyuma götürmemesi için C f kondansatörüne paralel R f direnci bağlamak gerekir. Türev Alıcı Devre Türev alıcı devre bir eviren yükselteç devresidir. İşlemsel yükseltecin eviren giriş ucundaki gerilim yaklaşık olarak 0 (sıfır) Volt tur (V x = 0V). I = C. (dv i / dt)'dir. Türev alıcı devrenin çıkış gerilimi, V o = R f. I f 'dir. I f = I olduğundan V o = R f. C. (dv i / dt) olur. Türev alma işlemini C kondansatörü yapmaktadır. Yüksek frekanslarda kondansatör kısa devre gibi davranır ve kazanç çok yüksek olur. Kazancın yüksek olması istenmeyen salınımlar doğurur. Bunu önlemek için C kondansatörüne seri bir direnç bağlamak gerekir. Seri direnç, eviren işlemsel yükselteçteki kazanç sınırlama direnci gibi davranır. Yüksek frekanslarda kazanç A = R f /R olur. B.Ç. 5

6 Giriş İşareti Türev Devre Çıkışı İntegral Devre Çıkışı Algılayıcının başlangıç değeri sıfırdan farklı olursa işlemsel kuvvetlendirici kullanarak kayma ortadan kaldırılabilir K V cc µ B.Ç. 6

7 İşlemsel Yükseltecin statik çalışmasında yani, girişte sinyal yokken çıkış geriliminin sıfır Volt olması gerekir. Genel olarak işlemsel kuvvetlendiricide kayma olursa, basit uygulama devresi ile çıkış ve giriş arasındaki gerilim farkı çözülebilmektedir. 5 (6) K ANALOG DİJİTAL VE DİJİTALANALOG DÖNÜŞTÜRÜCÜLER Analog ve Sayısal Sinyaller: Doğa analogtur. (Natura non facit saltus) Doğa da kesintisizdir. Analog sinyaller Uzunluk, zaman, hız, ivme Ağırlık, yük, kuvvet, basınç Gerilim, akım, frekans Isı, ışık şiddeti Kesintisiz olarak sürekli değer alan ve sahip olduğu değerler belirli sınırlar içinde sürekli değişen büyüklük, analog büyüklük olarak adlandırılır. Analog sinyallerde alt sınır olarak genelde sıfır değeri alınır. Üst sınır ise sisteme göre değişmektedir. Sayısal (digital) sinyal ise, süreklilik yoktur ve değişim aniden olur. Sayı, harf ve kontrol işareti vs. gibi sayısal büyüklüğü gösterebilmek için 0 ve iki değer alabilen sayısal işaret kullanılır. Sadece sayısal işaretlerle işlem yapılan sistem sayısal sistem, sadece analog devre ve dolayısıyla analog işaret ile işlem yapılıyorsa bu sistemler de analog sistem olarak adlandırılır. Hem analog ve hem de sayısal işaretler ile çalışan sistemler ise karma (hibrit) sistemler olarak adlandırılmaktadır. Sayısal sistemlerin tasarımı daha kolaydır. Anahtarlama (aç/kapa) mantığı kullanıldığından akım ve gerilim kesin değerleri önemli değildir. Sayısal sistemlerde bilgi saklanması basittir. Sayısal sistemde bilginin (verinin) bir yerde saklanması (örneğin elektronik bellek, RAM) ve tekrar işlenmesi mümkündür. B.Ç. 7

8 Sayısal sistemde doğruluk yüzdesi ve birbirine bağlanabilecek devrelerin sayısı yüksek olabilir. Analog devrelerde ise üç dört basamaklı birbiriyle bağlantı olabilmektedir. Sayısal sistemde işlem akışı programlanabilmektedir. Analog devrelerde programlama yapmak mümkün fakat programlama da esneklik zordur. Sinyalin gürültüden etkilenmesi analog sistemde daha belirgin ve kritik olmasına karşın sayısal sistemde ise 0 ve olarak kabul edilen gerilim sınırlarını zorlamadığı sürece önemli değildir. Sayısal sistemde bir entegre devresinde çok sayıda sayısal devre yerleştirilirken, analog sistem (yüksek değerli kondensatör, bobin ve yüksek güçlü trafolar)için bazen entegre devresi üretmek ekonomik olmayabilir. Sayısal sistemde işlem yoğunluğu direkt çözünürlüğe bağlıdır. İstenildiğinde daha iyi çözünürlük elde edilebilir. Analog sistemde ise çözünürlük yani, seviye sayısı sonsuzdur. Analog Sayısal Ölçme Çözünürlük Sınır yok Basamak sayısı ile sınırlı Hassasiyet Elemanlarla sınırlı Teorik: sınır yok, pratik: Sınırlı İletim Kayıp var Kayıp olmaz, Hata düzeltilir. Depolama Zor Basit, uzun süre İşlem Hassasiyet Düşük, gürültü ve kararsızlıktan İsteğe bağlı dolayı % Hız Sistemin frekansına bağlı Seri iletimde düşük Gösterge Daha ayrıntılı, Okuma hatalı Ayrıntılı, Okuma hatası az Maliyet Karmaşık değil, fakat pahalı Çok fonksiyonlu hem de uygun AnalogSayısal Dönüştürücüler A/S Dönüştürücülerin girişine yavaş yavaş değişen yaklaşık lineer bir sinyal uygulanır. AS Dönüştürücü devrenin girişine uygulanan analog işaretin gerilim seviyesine göre çıkışında ikili sayı sisteminde sayısal bir işaret alınır. Analog/sayısal dönüştürücü için birçok farklı yöntem geliştirilmiştir. Analog sinyal genelde 0..5V arası değişen bir işaret olarak düşünülebilir. Dönüştürücünün çıkışındaki 8bit çözünürlük ile hassasiyet normal olarak LSB sayısal değerine karşılık gelen analog gerilime bağlıdır. 8bit çözünürlüğün farklı seviye sayısı 56 adımdır. LSB yaklaşık 9.5 mv dur. Dolayısıyla hassasiyet yüzde olarak % 0,4 hesaplanır. Devrenin iç yapısından kaynaklanan hassasiyet değiştirebilir. B.Ç. 8