Mekatroniğe Giriş Dersi 6. Hafta Sensörler-2 Kuvvet, Gerilme, Sıcaklık, Akış sensörleri... (devamı) Sensörlerin sınıflandırılması Giriş sinyaline göre Çıkış sinyaline göre Beslenme ihtiyacına göre Sensör karakteristikleri Ölçüm aralığı Çözünürlük Hassasiyet Hata Bu Haftanın Konu Başlıkları SAÜ - Sakarya MYO 1 Mekatroniğe Giriş Dersi 1
Mekatronik sistemlerde; ağırlık ölçümü, özellikle proses kontrolünde önemli bir yer tutar. Dolum tesisi, dozaj ünitesi, çeşitli depolar ve tıbbi cihazlarda ağırlık ölçümü gerekir. Kuvvet sensörleri yapı olarak iki prensipten birini esas almaktadır. Bunlardan biri, uygulanan ağırlığı dengelemek üzere sisteme karşı yönde bir kuvvet uygulanması ve bu dengeleyici kuvvetin başka bir sensörle ölçülmesidir. (Bilinen klasik terazilerin hemen hemen hepsi bu prensibe göre çalışmaktadır.) Diğer prensip ise uygulanan ağırlığın cismin yapısında meydana getirdiği şekil değişiminin başka bir sensörle ölçülmesidir. Bu yöntemde ağırlık miktarı, kuvvetin uygulandığı cismin mekanik özelliklerinden yararlanılarak elde edilir. Fiziksel büyüklükteki değişim, şekil değiştirme ve gerilmeyle orantılı ifade edilebilmektedir. Bu açıdan şekil değiştirme ve buna bağlı olarak gerilmelerin ölçümü çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Kuvvet-Gerilme Sensörleri SAÜ - Sakarya MYO 2 Mekatroniğe Giriş Dersi Kapasitif Basınç Ölçme Sensörleri Kondasatörler elektrik enerjisini depolayan elemanlardır. Depolama özelliği kondansatör plakalarının boyutlarına, plakalar arasındaki mesafenin uzaklığına ve iki plaka arasındaki yalıtkan (dielektrik) malzemenin türüne 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. Basınç, yaklaşım ve pozisyon sensörü olarak kullanılırlar. Kuvvet-Gerilme Sensörü Türleri SAÜ - Sakarya MYO 3 Mekatroniğe Giriş Dersi 2
Strain Gage (şekil değişikliği) Sensörleri Temel olarak strain gage esneyebilen bir tabaka üzerine ince bir telin veya şeridin çok kuvvetli bir yapıştırıcı ile 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. Kuvvet, ağırlık, basınç vb. fiziksel değişikliklerin ölçümlerinde kullanılırlar. Kuvvet-Gerilme Sensörü Türleri SAÜ - Sakarya MYO 4 Mekatroniğe Giriş Dersi Loadcell (yük hücresi) Basınç Sensörleri Yük hücresi daha çok elektronik terazilerin yapımında kullanılan basınç sensörüdür. Asıl çalışma prensibi strain gage gibidir. Tek noktadan ya da iki noktadan ölçüm yapanları da bulunmaktadır. Aşağıda 4 noktadan ölçme yapan bir yük hücresi görülmektedir. A, B, C, D noktalarındaki strain gage lerin dirençleri basınca bağlı olarak değişir. Bu değişim ile orantılı olarak da basınç miktarı tespit edilebilir. Loadcell'ler kullanım alanlarının gerektirdiği şekilde imal edilirler. Bu yüzden çok farklı ve çeşitli modelde loadcell e rastlanır. Günümüzde 50-100 gr dan 1000-2000 tona kadar geniş bir kapasite aralığında loadcell imal edilebilmektedir. Kuvvet-Gerilme Sensörü Türleri SAÜ - Sakarya MYO 5 Mekatroniğe Giriş Dersi 3
Piezoelektrik Basınç Sensörleri Piezoelektrik özellikli algılayıcılarda kuartz (quartz), roşel (rochelle) tuzu, baryum, turmalin gibi kristal yapılı maddeler kullanılır. Piezoelektrik transdüserlerin karşılıklı iki yüzeyine basınç uygulandığında diğer iki yüzey arasında küçük bir gerilim üretilir. Bu özellikten faydalanılarak basınç ve titreşim gibi mekanik büyüklüklerin ölçümünde faydalanılır. Basınç ve titreşim ölçümlerinde, elektronik saatlerde ve kristal mikrofonlarda kullanılırlar. Kuvvet-Gerilme Sensörü Türleri SAÜ - Sakarya MYO 6 Mekatroniğe Giriş Dersi Termokupl (Isıl Çift) -200 'den +2500 C' ye kadar çeşitli proseslerde yaygın olarak kullanılır. Demir ve bakır gibi iki farklı metalin birleştirilmesiyle elde edilen termokupulun birleşim noktası ısıtıldığında bu iki metalin diğer uçları arasında potansiyel bir fark meydana gelir. Hassas voltmetre ile serbest uçlar ölçülüp aradaki farka göre sıcaklık belirlenir. Çok düşük ve çok yüksek sıcaklıklarda çalışabildikleri için endüstriyel kullanımı yaygındır. Ölçme ve bağlantı noktalarında oluşan gerilimden dolayı hatalı ölçüm yapma dezavantajı olduğundan kompanzasyon yapılması gerekir. Sıcaklık Sensörleri SAÜ - Sakarya MYO 7 Mekatroniğe Giriş Dersi 4
Termistörler (NTC, PTC Negatif/Pozitif Sıcaklık Katsayısı) Birçok maddenin sıcaklıkla direnci değişir. Bu durumdan yola çıkılarak üretilen termistörlerde ısıya göre ters/doğru orantılı olarak direnci değişen yarı iletken madde kullanılır. PTC ve NTC olarak ikiye ayrılan termistörler hassas ölçüm işleminde kullanılır. PTC ler ısıya göre artan dirence sahiptir ve -60 +150 C aralığında 0,1 C duyarlılıkla ölçüm yaparlar. Elektrik motorlarını yüksek ısıdan korumak veya sistemi belli bir sıcaklıkta tutmak için kullanılırlar. NTC ler ise ısı arttıkça direnci düşen sensörlerdir. -300 C +50 C arasında ölçüm yaparlar elektronik termometre, amfi devreleri vb. yerlerde kullanılırlar. Sıcaklık Sensörleri SAÜ - Sakarya MYO 8 Mekatroniğe Giriş Dersi Dirençsel sıcaklık sensörleri (RTD) Rezistans termometreler -200 C den + 850 C ye kadar çeşitli proseslerde (özellikle endüstride ve laboratuar uygulamalarında) yaygın olarak kullanılır. Düşük sıcaklıklarda termokupl a göre daha doğru değer verirler. Rezistans termometreler iletken bir telin sıcaklığa bağlı olarak direnç değerinin değişmesi mantığında bir sıcaklık sensörüdür. Demir, platin, nikel, 0.7 nikel-0.3 demir ve bakır gibi maddeler RTD imalatında en çok kullanılan maddelerdir. Bu malzemeler içerisinde en doğrusal sonuçları veren ve en ideal olanı platindir. PT100, PT1000 gibi isimlerle adlandırılırlar. (0 C deki direnci (ohm)) Sıcaklık Sensörleri SAÜ - Sakarya MYO 9 Mekatroniğe Giriş Dersi 5
Entegre sıcaklık sensörleri Yarı iletken entegre devrelerin gelişmesi ile tümdevre sıcaklık sensörleri ortaya çıkmıştır. Germayum kristal malzemelerin dirençleri sıcaklık ile ters orantılıdır. Silisyum kristal malzemelerin dirençleri ise sıcaklıkla doğru orantılıdır. Germanyum silisyum malzemelerin sıcaklık sensörü olarak çalışma mantığı; normal germanyum silisyum PN birleşmeli diyotlarda oluşan nötr bölgenin sıcaklık arttırılarak aşılması sonucu bu bölgeden akım geçmesinin sağlanmasıdır. Sıcaklık arttıkça bu bölgeden geçen akım da artar. Bu ilkeye göre çalışan yarı iletken sıcaklık sensörleri ( LMXXX ) ; sıcaklığa bağlı gerilim üreten ve sıcaklığa bağlı akım üretenler olmak üzere iki tiptir. Sıcaklık Sensörleri SAÜ - Sakarya MYO 10 Mekatroniğe Giriş Dersi Pirometreler Pirometreler temassız olarak sıcaklık ölçen cihazlardır. Cisimlerin sıcaklıklarını yaydıkları ısıl ışınımdan yararlanarak ölçerler. Mutlak sıfır sıcaklığının yukarısındaki sıcaklıkta bulunan bütün cisimler ışınım ile ısı yaydıkları gibi,diğer cisimlerden de ısınım enerjisi alırlar. Isıl ışınım gerçekte sıcaklık nedeniyle cisimlerden yayılan elektromanyetik dalgadır. Bünyesinde seri bağlanmış onlarca termokupl ve RTD eleman bulunabilir. Sıcaklık Sensörleri SAÜ - Sakarya MYO 11 Mekatroniğe Giriş Dersi 6
Türbinli Debi Ölçerler Akış ölçümünde; genelde kütlesel ve hacimsel debi (miktar) ölçerler ile hız probları kullanılmaktadır. Akışın hızını yada debisini ölçmekte kullanılan hacimsel debi ölçerlerden biriyse "Türbinli Debi Ölçer"dir. Türbinli Debi Ölçer, boru içine merkezlenerek, eksensel yönde yerleştirilmiş çok kanatlı bir rotordan ibarettir. Rotor akış etkisiyle döner. Akışkanın debisi veya ortalama hızı, türbinin açısal hızıyla doğrudan orantılıdır. Cihaza yerleştirilen daimi bir mıknatıs kanatlar döndükçe sabit gövdedeki elektrik sargısında gerilim darbeleri oluşturur. Bu darbeler ölçülerek akışın hızı ve debisi elektrik sinyali olarak alınabilir. Akış Sensörleri SAÜ - Sakarya MYO 12 Mekatroniğe Giriş Dersi Bobinli (Endüktif) Manyetik Sensörler Bobin endüktif bir elemandır ve hareketli bir manyetik alan içinde bulunursa bobin uçlarında bir gerilim meydana gelir. Bobin uçlarındaki gerilimin sürekli olması için sürekli değişen bir manyetik alan içinde bulunması yani mıknatısın ya da bobinin sürekli hareket halinde olması gerekir. Bu özelliklerden yararlanılarak endüktif transdüserler yapılmaktadır. Endüktif sensörler metal cisimlerin varlığını algılarlar. +100 C nin üstünde çalışabilen endüktif sensörler mevcuttur. Endüstriyel alanda, makine otomasyonunda pozisyon algılama ve hareket kontrol amacıyla kullanılırlar. Manyetik Sensörler SAÜ - Sakarya MYO 13 Mekatroniğe Giriş Dersi 7
Elektronik Devreli Manyetik Sensörler Bir iletkenin içinden akım geçerse o iletkenin etrafında manyetik bir alan oluşur. Bu manyetik alanın içine metal bir cisim girerse bu bobinin indüktans değeri değişir. Bu indüktans değişimi sensörün içinde bulunan devrenin denge noktasını değiştirir. Sensörün içinde bulunan ölçüm yapan devre sayesinde metalin ne kadar yakın ya da uzak olduğunu tespit edilebilir. Yaklaşım sensörü olarak bilinen bu algılayıcılar güvenlik uygulamalarında ve kıymetli maden arama alanında kullanılmaktadır. Manyetik Sensörler SAÜ - Sakarya MYO 14 Mekatroniğe Giriş Dersi Alan (Hall) Etkili Manyetik Sensörler Bir yarı iletkenden elektronlar akarken akım yönüne dik bir manyetik alan uygulanınca elektronlar belli bir bölgede yoğunlaşır. Bu da yarı iletkenin diğer uçlarında gerilim oluşmasına neden olur. Bu duruma hall etkisi denir. Bu gerilimin değeri manyetik alana, levhanın yakınlığı ile değişir. Bu prensibe göre alan etkili transdüserler yapılır. Alan etkili transdüserler hassas mesafe, pozisyon ve dönüş algılayıcıları olarak kullanır. Bütün mıknatıslarla uyumludur (doğal-elektromıknatıs), hareketli parçaları yoktur, fiziksel darbelere dayanıklıdırlar ve sıcaklık değişikliklerinden etkilenmezler. Manyetik Sensörler SAÜ - Sakarya MYO 15 Mekatroniğe Giriş Dersi 8
Foto Direnç (LDR: Light Dependent Resistance ) Üzerine ışık düştüğünde direnci azalan, karanlıkta ise direnci artan elemana foto direnç denir. Üzerine herhangi bir ışık almadığı sürece LDR nin direnci çok yüksektir (10 Mohm). Uygulanan ışık şiddeti arttıkça bu direnç değeri de düşer (75-300 Ohm). Işığa bağlı olarak kontrol edilmek istenilen tüm devrelerde kullanılabilir. Alarm devrelerinde, sayıcılarda, flaşlı fotoğraf makinelerinde park, bahçe ve sokak aydınlatmalarında kullanılır. Optik Sensörler SAÜ - Sakarya MYO 16 Mekatroniğe Giriş Dersi Foto Diyot Fotodiyotlar birleşim yüzeyine ışık düşene kadar yalıtkandır. Birleşim yüzeyine ışık düştüğünde ise birleşim yüzeyindeki elektron ve oyuklar açığa çıkar ve bu şekilde foto diyot üzerinden akım geçmeye başlar. Bu akımın boyutu yaklaşık 20 mikroamper civarındadır. Foto diyot televizyon veya müzik setlerinin kumanda alıcılarında kullanılır. Optik Sensörler SAÜ - Sakarya MYO 17 Mekatroniğe Giriş Dersi 9
Foto Pil (Işık Pili, Güneş Pili) Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını, elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken maddelerdir. Güneş pilleri transistörler, doğrultucu diyotlar gibi yarı iletken maddelerden yapılmaktadır. Yarı iletken özellik gösteren birçok madde arasından güneş pili yapmak için en elverişli olanlar, silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir. Işık pilleri seri bağlanarak daha büyük gerilim, paralel bağlanarak daha büyük akım elde edilebilir. Güneş enerjisiyle çalışan hesap makinelerinde kullanılan eleman ışık pilidir. Optik Sensörler SAÜ - Sakarya MYO 18 Mekatroniğe Giriş Dersi Mikrofon Meydana gelen herhangi bir ses dalgası mikrofon ile elektriksel titreşimlere dönüştürülebilir. Mikrofon ses işaretlerini elektriksel işaretlere dönüştüren transdüserdir. Dinamik mikrofonlar : Dinamik mikrofonlar ses dalgaları ile hareket eden diyaframa bağlı bobinin sabit bir mıknatıs içinde hareket etmesinden dolayı bobin uçlarında oluşan gerilim değişimine bağlı olarak çalışır. Kapasitif mikrofonlar : Şarjlı bir kondansatörün yükü değiştirildiğinde elektrik akımının elde edilmesi esasına dayalı olarak çalışır. Şeritli (bantlı) mikrofonlar : Çok hassas yapılıdırlar, sarsıntıdan, hava akımından, etkilenirler ve gürültülü çıkış verirler. Kristal mikrofonlar : Piezoelektrik olayından yararlanılarak yapılan mikrofonlardır. Ses Sensörleri SAÜ - Sakarya MYO 19 Mekatroniğe Giriş Dersi 10
Görüntü Sensörleri CCD: Bir tabakanın üstüne dizilmiş ışığa duyarlı foto diyotlardan oluşur. Bunlar, düşen ışığı elektrik gerilimine çevirir. Ne kadar aydınlık olursa ışık hücresinde (fotosel) biriken gerilim de o kadar yüksek olur. Matrix gerilim, bir analog-dijital çevirici (ADC) ve işlemci vasıtası ile resme çevrilir. Yüksek kaliteli ve büyük ebatlı fotoğraflar için kullanılırlar. CMOS: Daha yeni bir teknolojidir, daha az enerji tükettiği ve daha ucuzdur. CMOS sensörü büyük formatlar için yetersizdir. Aktüel çekimler ve meraklılar için daha uygundur. Diğer Sensörler SAÜ - Sakarya MYO 20 Mekatroniğe Giriş Dersi Ultrasonik Sensörler Ultrasonik ses dalgaları 20 khz ile 500 khz arasında frekanslara sahip ses dalgalarıdır. Bizim duyabildiğimiz 300 Hz-14000 Hz bandının üzerindedirler. Ultrasonik sensörler ultrasonik ses dalgaları yayan ve bunların engellere çarpıp geri dönmesine kadar geçen süreyi hesaplayarak aradaki uzaklığı belirleyebilen sensörlerdir. Bu sensörlerde bu kadar yüksek frekanslarda ses dalgalarının yayılmasının nedeni; bu frekanslardaki dalgaların düzgün doğrusal şekilde ilerlemeleri, enerjilerinin yüksek olması ve sert yüzeylerden kolayca yansımasıdır. Ultrasonik sensörlerin algılama menzili uygun koşullarda 30 metreye varabilir. Ultrasonik sensörlerde speaker ve microphone olmak üzere iki adet transdüser bulunur. Diğer Sensörler SAÜ - Sakarya MYO 21 Mekatroniğe Giriş Dersi 11
Giriş sinyaline göre Mekanik (Uzunluk, Alan, Miktar, Akış, Kuvvet, Basınç, Hız, İvme, Konum, Ses) Elektriksel (Voltaj, Akım, Direnç, Endüktans, Kapasitans, Frekans, Elektrik alanı) Manyetik (Alan yoğunluğu, Akı yoğunluğu, Geçirgenlik, Manyetik moment) Işıma (Yoğunluk, Dalga boyu, Yansıtma, Faz) Termal (Sıcaklık) Kimyasal (Yoğunluk) Çıkış sinyaline göre Dijital Analog Beslenme ihtiyacına göre Aktif sensörler Pasif sensörler Sensörlerin Sınıflandırılması SAÜ - Sakarya MYO 22 Mekatroniğe Giriş Dersi Ölçüm Aralığı Bir algılayıcının ölçüm aralığı, minimum ve maksimum giriş değeri arasındaki farktır. Örnek olarak, yaygın bir sıcaklık algılayıcısı olan K tipi termokupl 800 C (-50'den 750 C) ölçüm aralığına sahiptir. Çözünürlük Bir algılayıcının çözünürlüğü, güvenilir bir şekilde algıladığı en küçük girişin artımıdır. Çözünürlük, sıklıkla algılayıcının en küçük okuduğu değer olarak da bilinir. Analog algılayıcıların çözünürlüğü, genellikle düşük seviyeli elektrik gürültüsü ile sınırlandırılır ve çoğunlukla denk bir sayısal algılayıcıdan çok daha iyidir. Hassasiyet Hata Algılayıcının hassasiyeti, giriş değişimi başına çıkış değişimi olarak tanımlanır. Sayısal algılayıcıların hassasiyeti, çözünürlüğü ile yakından ilişkilidir. Analog algılayıcının hassasiyeti girişe karşılık çıkış doğrusunun eğimidir. Hata, ölçülen değer ile gerçek giriş arasındaki farktır. Sensörlerin Karakteristikleri SAÜ - Sakarya MYO 23 Mekatroniğe Giriş Dersi 12
Adapazarı MYO Mekatroniğe Giriş Ders Notları, Doç.Dr. D. Karayel, Sürüm:1, Sakarya Üniversitesi. 2005- Sakarya. Mekatronik Sistem Tasarımı Ders Notları, Dr. Özgür Akın. 2014- Konya. Sensörler ve Transdüserler Modülü, MEGEP Yay., 2007, Ankara. Kaynaklar SAÜ - Sakarya MYO - Mekatroniğe Giriş Dersi 13