Kocaeli Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü MKT 208 SENSÖR TEKNİĞİ Doç.Dr. H.Metin ERTUNÇ 2011 BAHAR
Sensörler ve Transducerler Sensor Fiziksel sinyalleri elektrik sinyallerine çevirir. Transducer Bir enerji formunu diğer bir enerji formuna dönüştürür. Pratikte, bu iki terim eşanlamlı olarak kullanılabilir. Örnek: Mikrofon sesi algılayan bir sensördür. Öte yandan, ses dalgalarını, içindeki bobin aracılığıyla elektrik akımına dönüştürdüğü için bir transdüserdir. Bu yüzden bu iki kelimeyi eş anlamlı kabul edebiliriz
Sensörler (Algılayıcılar, Duyargalar) Sensörler, günlük hayatta sürekli karşılaşılan konum, basınç, sıcaklık, seviye ve akış gibi fiziksel büyüklükleri diğer bir fiziksel büyüklük olan elektrik sinyallerine dönüştüren algılama araçlarıdır. Bir endüstriyel sistem insan vücuduna benzetilecek olursa sensörler bu sistemin gözleri, kulakları gibidirler.
Actuator (Eyleyiciler, sürücüler) Sensörlerin ters işlemini yapan cihazlara aktüatör denir. Elektriksel sinyali, başka bir forma, genellikle elektriksel sinyale çeviren cihazlardır. Aktuatörler de transdüser olarak adlandırılabilirler.
Ölçülen büyüklükler İvme, Hava hızı, akım, Öteleme, Akış hızı, Kuvvet, Isı akısı, Nem, Sıvı seviyesi, Ani sarsıntı, Işık, Nükleer radyasyon, Basınç, Hız, Gerilme, Sıcaklık, Tork, Mutlak değer, Açı, Fark, Kızıl ötesi, Yoğunluk, Doğruluk, Kütle, Parlaklık, Yüzey pürüzlülüğü, Kapasitif, elektromanyetik, ndüktif, fotovoltaik, piezoelektrik, resistif, gerilme kuvveti, termo elektrik.
Sensörlerin giriş büyüklüklerine göre sınıflandırılması Algılayıcılarla ölçülen büyüklükler 6 gruba ayrılabilir. 1. Mekanik : Uzunluk, alan, miktar, kütlesel akış, kuvvet, tork (moment), Basınç, Hız, İvme, Pozisyon, Ses dalgaboyu ve yoğunluğu 2. Termal : Sıcaklık, ısı akısı 3. Elektriksel : Voltaj, akım, yük, direnç, endüktans, kapasitans, dielektrik katsayısı, polarizasyon, elektrik alanı ve frekans 4. Manyetik : Alan yoğunluğu, akı yoğunlugu, manyetik moment, geçirgenlik 5. Işıma (Optik) : Yoğunluk, dalgaboyu, polarizasyon, faz, yansıtma, gönderme 6. Kimyasal : Yoğunlaşma, içerik, oksidasyon/redaksiyon, reaksiyon hızı, ph miktarı
Besleme ihtiyacına göre Aktif Harici bir enerji kaynağına ihtiyaç duymadan çalışırlar. Ölçülen değere göre kendileri bir sinyal üretirler Örnek: Termokupl, fotovoltaik piller (güneş hücreleri), piezoelektrik sensörler. Pasif Harici bir güç kaynağına ihtiyaç duyarlar. Ölçülen değerle orantılı olarak direnç, kapasite ve endüktans değişimi oluşur. Bu değişimler elektriksel sinyale çevrilip yükseltilirler.
Tipik bir sensör uygulaması Ölçülmüş nicelik SENSOR Elektriksel çıkış SIGNAL CONDITIONING gerilim A/D CPU Seri ya da paralel
Çeşitli Sensör Uygulamaları Sensörlü otomatik kapı Metal dedektörü
Gıda endüstrisi
Otomotiv Endüstrisi
Makine ve imalat endüstrisi
Konveyor hatları
İş makinaları (Mobil uygulamalar)
SENSÖRLER KONUM ALGILAYICILAR AKIŞ ALGILAYICILAR AĞ VE KONTROLÜ YAKLAŞIM ANAHTARLARI AKIŞ SENSÖRLERİ AS-İ İNDÜKTİFSENSÖRLER BASINÇ SENSÖRLERİ KAPASİTİF SENSÖRLER SICAKLIK SENSÖRLERİ FOTOELEKTRİK SENSÖRLER SEVİYE SENSÖRLERİ ARTIMLI VE MUTLAK ENKODERLER GÜÇ KAYNAKLARI VE KONTROL ÜNİTELERİ
Temel Kavramlar Doğruluk Bir aletin bilinen giriş değerindeki sapma miktarını belirtir.genelde (full scale) yüzdelik olarak. Duyarlık (tekrarlanabilirlik) tekrar tekrar ölçmede aynı sonucu verebilmesi. Çözünürlük Çözünürlük ölçülen nicelikteki en küçük algılanabilir farklılık
Performans Tanımlayıcıları Range, Span = min to max giriş değerleri, span = max-min Error = gerçek değer ölçülen değer Doğruluk = ölçülen değerin yanlış olma derecesi. Ör:. ± 2 C or ± 2% of full scale Duyarlık = (kazanç) linear output/unit input ör. 5 mv/psi, 0.5Ω/ C Hysteresis hata Giriş değerinin artması ve azalmasına bağlı çıkış değeri. Non-linearity hata girişe bağlı çıkıştaki hata sonucu. Repeatability/reproducibility Aynı giriş-aynı çıkış? Kararlılık sabit giriş sırasındaki çıkıştaki sapma. Dead band/time-ölçülemeyen çıkış değerinde giriş oranı. Çözünürlük çıkış adımları, girişteki en küçük ölçülebilir değişiklik Çıkış direnci sensörün bağlı olduğu devrenin elektrik karakteristiklerinden nasıl etkilendiği.
Doğrusallık Hatası K type thermocouple and AD595 Amplifier Chip
Çözünürlük Örneği
Statik ve Dinamik Karakteristikler Yanıt Süresi time to 95% of final value for step input Zaman Sabiti time to 63.2% (1- e -1 ) of final value Yükselme Zamanı time to rise some specified percentage of s.s. output Yerleşme Zamanı time to get to within 2% of the s.s. value
Displacement, proximity, position, (linear and angular) Proximity/limit switch (mechanical) Binary output Potentiometer (rotary or linear) Analog output LVDT, RVDT Variable transformer Microswitch Limit Switch LVDT Joystick (2 pots) Differential Transformer
Konum algılayıcılar İNDÜKTİFSENSÖRLER Algılama alanına metal cisim yaklaştığında çıkış veren sensörlerdir.
İndüktif yaklaşım anahtarları İndüktif Yaklaşım anahtarları (sensörleri) içlerindeki elektronik devre tarafından oluşturulan manyetik alanın; algılama mesafesi alanına giren metal malzeme ile bozulması sonucu çalışan sensörlerdir. Sensör ve oluşturduğu manyetik alan
Eddy currents (Girdap akımları) Metal malzeme üzerinde oluşan girdap akımları sensörün oluşturduğu manyetik alandan güç çekerler. Belirli mesafede girdap akımları öyle yoğun bir güç çekerlerki sensörün oluşturduğu manyetik alan sönümlenir. Manyetik alanın sönümlendiği bu noktaya Algılama Noktası denir.
indüktif yaklaşım anahtarları ile kapak kontrolü. İndüktif yaklaşım anahtarları ile elevatörde kayma ve dönüş hızı kontrolü. indüktif yaklaşım anahtarları ile devir kontrolü.
Konum algılayıcılar KAPASİTİF SENSÖRLER Doğadaki bütün cisimleri algılayabilen sensörlerdir. Genellikle metal olmayan cisimlerin algılanmasında ve seviye kontrolünde kullanılır.
Kapasitif sensörler Kapasitif sensörlerin çalışma mantığı aynı indüktif sensörlerde olduğu gibi osilasyon temeline dayanır. Tek fark indüktiflerde hedef cisim yaklaştığında osilasyon yok olurken kapasitiflerde cisimle beraber osilasyon oluşur.
Uygulama alanları Kapasitif yaklaşım anahtarları ile cam algılama Kapasitif yaklaşım anahtarları ile tank dışından seviye algılama Kapasitif yaklaşım anahtarları ile silo seviyesi algılama Kapasitif yaklaşım anahtarları ile odun kütüklerin algılanması
Temassız sensörler (Non-Contact Sensors) Ultrasonic Ultrasonic Fluid Level Meter Optical Magnetic (Inductive, Reed, Hall Effect) Laser vibrometer Capacitive or Eddy current measuring vibration of rotating shafts
Dönel Pozisyon ve Hız Ölçümü için ENCODER 4 Bit Mutlak Encoder 50 pulses/rev Artımlı 500 pulses/rev, Artımlı Quadrature Toothed wheel (gear) + magnetic pickup + counter
Mutlak ve Artımlı Enkoderler (Absolute and Incremental Encoders) Enkoderler milden aldığı fizikseldönüş bilgisini elektronik darbelere dönüştürerek konum ve mesafe ölçmeye yarayan sistemlerdir. Enkoder seçerken dikkat edilecek hususlar; Milin biçimi (delikli mil, düz mil) Kullanılış amacı Artımlı veya mutlak enkoder Hassasiyet / çözünürlük Çalışma gerilimi
Enkoderler Artımlı (incremental) Mutlak (Absolute)
Artımlı ve Mutlak Enkoderler Uygulama alanları
Titreşim-Vibration Accelerometer Piezo-electric (AC) IC, Strain gage (DC)
Kuvvet/Tork(Force/Torque) Strain gage Resistance Strain Piezo-electric (AC coupled) FORCE Piezo-resistive, piezo-ceramic
Basınç (Pressure) Microphone (AC coupled) Diaphragm (for static measurement) Tube, Bellows Manometer
(Akış ölçümleri) Flow measurement Orifice plate, venturi Turbine meter Float Rotameter Hot-wire anemometer Laser interferometer Pitot tube Positive displacement meter (rotary vane)
Sıcaklık (Temperature) Thermometer Thermocouple Thermistor RTD (platinum) Solid state sensor (thermodiodes and transistors) Pyro-electric sensor Bimetallic strip Optical pyrometer
OPTİK SENSÖRLER OPT+İK kelimesi OPTO ve ELEKTRONİK kelimelerinin birleştirilmesi ile elde edilmiş bir terim olup bir cismi dokunmaksızın ışık yardımı ile algılama ve elektronik olarak değerlendirme anlamına gelir. Fiziksel olarak büyük olmaları fakat algılama mesafelerinin yeterince büyük olmamaları sebebi ile indüktif ve kapasitif sensörler yerine fotosel dediğimiz ışığın yansıması prensibine göre çalışan sensörler kullanılmaya başlanmıştır.
Optik sensörler Photo-voltaic cell CdS sensor (R output) Phototransistor
Fotoelektrik sensörler KONUM ALGILAYICILAR Foto elektrik sensörler çalışma prensibi bakımından 3 gruba ayrılır. KARŞILIKLI ÇALIŞAN SENSÖRLER REFLEKTÖRLÜ SENSÖRLER CİSİMDEN YANSIMALI SENSÖRLER
Fiber optik sensörler FOTOELEKTRİK SENSÖRLER 1- cam fiber 2- çelik örgülü koruma 3- metalkoruma kılıfı 4- silikon kılıf
FOTOELEKTRİK SENSÖRLER Fiber optiksensörlerin uygulama alanları Çalışma alanının küçük olduğu uygulamalarda Küçük nesnelerin algılanmasında Ortam sıcaklığının yüksek olduğu uygulamalarda (+290ºC ye kadar) Nemli yada zorlu çalışma standartlarında
Seçim Ölçütleri Ne ölçülecek Büyüklük, oran, ölçülen niceliğin dinamiği (hızlı,yavaş?) İstenen çözünürlük,doğruluk oranı. Maliyet Çevre(sıcak,kirli?) Arayüz gereksinimleri: Çıkış niceliği (gerilim, akım, direnç, ) Duyarlık Signal conditioning A/D gereksinimleri (#bits, data rate)