Duyucular (sensörler) Duyucular, sistem dışından gelen uyarılara tepki veren, bunları algılayan, ve önceden belirlenmiş bazı değişkenleri ölçebilen algılayıcı cihazlardır. Çağdaş mekatronik teknoloji kapsamında bir duyucudan beklenen işlevler şunlardır: Algılama: Seçme: Sinyal İşleme: İletişim: Dış olguların varlığını algılama, Dış uyarılardan birisini süzme ve istenirse ölçme, Girdi sinyalini istenen çıktı sinyaline dönüştürmek için bir veya birçok işleme tabi tutma, Denetim sistemine, kayıt sistemine veya insana bilgi aktarımı. Duyucular biliş sistemlerinin ön koşuludur.
Algılama
Algılama
Optik Fare Optik farelerin çalışma prensibi standart farelerden oldukça farklıdır. Optik farelerde, altta hareket ettikçe mekanik düzenekleri çalıştıran bir top yerine bulunduğu yüzeyi aydınlatacak bir ışık kaynağı (LED) ve küçük bir kamera bulunur. Optik fare hareket ettikçe, altında bulunan kamera gördüğü yüzeyin saniyede binlerce kez fotoğrafını çekmeye başlar. Bu çekim hızı, farenin hassasiyetine bağlı olarak saniyede 5000 kareye kadar ulaşabilir. Daha sonra optik fare içinde yer alan oldukça güçlü bir işlemci, her görüntüyü bir öncekiyle karşılaştırarak farenin ne yönde ve hangi hızla hareket ettiğini tespit eder ve sonuçları imleci hareket ettirmek üzere bilgisayara gönderir.
Seçme IR uzaktan kumanda özel ikilik kodları gösteren infrared ışık darbeleri gönderir. Bu ikilik kodlar belirli komutlara karşılık gelir ( Açma/kapama ve ses açma gibi ). Televizyon üzerinde bulunan IR alıcılar ışık sinyallerini çözerek tekrardan ikilik sisteme dönüştürür ve cihazın mikroişlemcisi tarafından anlaşılabilecek hale gelir. Mikroişlemcide bu kodlara karşılık gelen komutları devreye alarak çeşitli işlemler icra eder.
Seçme Bu tür kumandalar ışık sinyali göndermek yerine bir butona basıldığında ikilik sistemdeki komutları RF sinyallerine dönüştürerek gönderirler. Radyo alıcıları bu sinyalleri alıp çözerler ve tekrardan ikilik sayı sistemine dönüştürüp anlaşılır bir komut elde ederler. RF kumandalar, halihazırda havada birçok radyo sinyali dolaştığı için bazı bozucu etkilere açıktır.
Seçme TV lerde kullanılan kızılötesi sensörler 980-nm dalga boyuna sahip kızılötesi ışınlar ile çalışacak şekilde modüle edilerler. Gelen ışınlardan yalnızca bu dalga boyuna sahip olan ışınlar TV alıcısı tarafından alınırlar. Güneş, floresan lamba ve diğer IR kaynaklarından gelen karışma önlenmiş olur. modülasyon
Sinyal İşleme TV ye ulaşan analog IR sinyaller mikroişlemciye gönderilmek üzere dijital sinyallere dönüştürülür.
İletişim TV ye ulaşıp IR tarafından dijital hale getirilen sinyaller, mikroişlemciye iletilir. Mikroişlemcilerin bu sinyalleri anlayabilmesi için belli iletişim standartlarına uyulması gerekir.
Sensör seçim faktörleri Algılanan büyüklük Çalışma mesafesi Ölçümü etkileme/bozma Çıkış sinyali şekli Performans karakteristikleri Fiziksel boyutları ve şekli Kullanışlılık (takma-sökme) Ekonomi
Algılanan büyüklükler Pozisyon, boyut: sıvı seviyesi, alan, hacim Yakınlık: menzil veya mevcudiyet Mekaniksel: kütle, basınç, tork Dinamik: hız, debi, ivme Isıl: sıcaklık, ısı kapasitesi, ısı miktarı (kalori) Elektriksel: voltaj, manyetik alan Akustik, Titreşim, Kimyasal, Hava durumu, Radyasyon...
Sensörlerin kategorizasyonu Seçim kriterlerine göre kategorize edilebilirler: Basınç sensörleri, Hız sensörleri, Sıcaklık,... Aktif - Pasif sensörler
Aktif - Pasif sensörler Aktif: İstenilen büyüklüğü algılamak için ortama enerji verir Menzil ölçümü: ultrasonik, lazer, IR,... Pasif: Ortamdaki mevcut enerjiyi kullanır Hava/vücut sıcaklığı, atmosfer basıncı, nemlilik, gürültü,...
Aktif sensörler Menzil ölçer: Ultrasonik, lazer, IR Retina tarayıcılar Manyetik rezonans cihazları (MR)
Pasif sensörler Sıcaklık: Termometre, termokupl (ısı çifti) Işık şiddeti: Kamera İvme, açı, vs: ivmeölçer, jiroskop Pusula Yakınlık ölçer: Bıyık
Sensörlerle İlgili Temel Büyüklükler Ölçüm aralığı (ölçme sınırı): Değişebilen ölçüm parametresinin sınır değerlerini tanımlar. Örneğin kuvvet ölçümünde kullanılan bir yük hücresinin ölçüm aralığı 0-50kN ise 0-50kN aralığındaki kuvvet değişimleri gözlenebilir. Hata:Ölçülen bir büyüklüğün gerçek değeri ile ölçüm değeri arasındaki farktır. H=öd-gd Doğruluk: Ölçümde kullanılacak sensörün olası sapma miktarının ifadesidir. Örneğin bir termometrenin ölçeceği sıcaklık değerinin gerçek değerden + veya - 2 C sapması muhtemel ise bu termometrenin doğruluğu +-2C dir. Doğruluk ölçüm aralığı dikkate alınarak yüzde ile de ifade edilebilir.
Hassasiyet: Birim girdiye karşılık ne kadar çıktı elde edileceğini gösteren ilişkidir. Bu genelde çıktı/girdi şeklinde ifade edilir. Bir girdiye düşük hassasiyette cevap veren bir parametre yerine daha belirgin değişimler gösteren bir parametrenin kullanılması faydalı olacaktır. Çözünürlük: Girdi değişimlerine karşılık çıktı sinyallerinin ne kadar küçük adımlarla değişebildiğini gösteren özelliktir. Doğrusallık hatası: Sensörlerin ölçülen dinamik parametrenin değişkenliğine aynı oranda cevap verememe durumudur.
Tekrarlanabilirlik hatası: Bir sensörün aynı girdi değeri için her farklı kullanımında ne kadar sapmalı çıktı değeri verdiğini tanımlayan özelliktir. Olası sapma tam çıktı aralığının yüzdesi ile ifade edilir. Tekrarlanabilirlik hatası=100*(aynı girdi için max-min çıktı)/(tam çıktı aralığı) Kararlılık hatası: Sürekli ölçüm yapan bir sensörün bir zaman periyodu boyunca aynı girdi değerlerine karşılık ne kadar sapmalı çıktı değeri verdiğini tanımlayan özelliktir. Ölü band/zaman: Bir sensörün ölü bandı veya ölü alanı, bir çıktı değerinin elde edilemediği girdi değeri aralığıdır. Örneğin bir rotorda kullanılan bir akışmetre yatak sürtünmesinden dolayı akış hızı (girdi) belli bir hız değerine ulaşana kadar çıktı değeri göstermez. Bu eşik hızdeğerinin altındaki hız bandı ölü band, bu değere ulaşana kadar geçen süre ölü zamandır.
Çalışma mesafesi Fiziksel olarak imkansızlıklar Tehlikeli Gürültü Sinyal gücü... Ör.: barkod okuyucu
Ölçümü etkileme/bozma Ölçen, ölçüm üzerinde değişikliğe neden olabilir. Ölçen, ölçümün kalitesini değiştirebilir.
Çıkış sinyali şekli Dijital çıktı Tek bit: ON-OFF, 1-0, Var-Yok, Algılandı-Algılanmadı Çoklu bit: 01000101 Analog çıktı
Performans karakteristikleri Doğrusallık (lineerlik) Çalışma mesafesine bağlı doğruluk Tekrarlanabilirlik Güvenilirlik Hassasiyet
Pozisyon / Mesafe / Hız Sensörleri Potansiyometreler Yakınlık sensörleri Dokunsal sensörler Kodlayıcılar Devir ölçerler LVDT (linear variable differential transformer) Menzil bulucular Sonar, lazer, ultrasonik
Yakınlık sensörü
Dokunsal sensörler Anahtarlar Bıyıklar
Pozisyon / Temas Sensörleri Laptop dokunmatik yüzeyleri ITO = Indium tin oxide
Sinyal Koşullandırma (Signal Conditioning)
Bir sensörden alınan çıkış sinyali, genellikle, bir sonraki işleme uygun hale getirilmesi için işlenmelidir. Sinyalin istenilen koşullara getirilmesi işlemi sinyal koşullandırmadır. Örnek olarak: Düşük seviyeli sinyali yükseltme Paraziti (gürültüyü) ayırmak için filtreleme Doğrusal olmayan sinyali doğrusallaştırma Analog Dijital Dijital Analog...
Yükseltici
İstenilen tipe dönüştürme
Filtreleme
Filtreleme İdeal filtrelerin karaktersitikleri: (a) alçak geçiren filtre, (b) alçak geçiren filtre, (c) bantgeçiren filtre, (d) bant-durduran filtre
Dönüştürücü (transducer) Bir tip enerjiyi başka enerji tipine döndüren cihazlardır. Sensörler için çoğunlukla eşanlamlı kullanılmakla birlikte, eyleyiciler gibi her çeşit enerji dönüşüm cihazları da dönüştürücü olarak kabul edilir. Anten: elektromanyetik dalga <--> elektrik akımı Floresan lamba/ampul: elektrik enerjisi --> görünür ışık Teyp okuyucu kafa: Değişen manyetik alanları --> elektrik enerjisi Hall etkisi sensörü: manyetik alan seviyesi --> elektrik enerjisi Mikrofon: ses (hava basıncı-->sargı yer değiştirmesi) --> elektrik sinyali Hoparlör: elektrik sinyali --> ses (sargı manyetik alanı--> sargı yer değiştirmesi --> hava basıncı)