eem0108 elektrik-elektronik mühendisliğinde · İdealde, karakteristik eğrinin bir doğruyu...

Yrd.Doç.Dr. Muhammed Fatih KULUÖZTÜ[email protected]

EEM0108 Elektrik-Elektronik MühendisliğindeMalzemeSensörler ve Trandüserler

EEM0108 Elektrik-Elektronik Mühendisliğinde Malzeme Yrd.Doç.Dr. Muhammed Fatih KULUÖZTÜRK

Sensörler ve Transdüserler

Fiziksel ortam değişikliklerini (ısı, ışık, basınç, ses, vb.) algılayan elemanlara sensör, algıladığı bilgiyi elektrik enerjisine çeviren elemanlara transdüser denir.


Sensörlerin Başarımını (Kalitesini) Belirleyen Parametreler

1. Aralık (Range): Bir enstrümanın aralığı giriş ya da çıkışındaki minimum ve maksimum değerler ile ifade edilir. Bu değerler cihazın doğru bir şekilde çalışabildiği aralığın sınırlarını belirler.

2. Açıklık (Span): Açıklık minumum ve maksimum aralık değerleri arasındaki farktır.3. Duyarlık (Sensitivity): Bir enstrümanın girişindeki birim değişime karşı gösterdiği yanıt yeteneği olarak tanımlanmaktadır.

Transdüserler için ise, ölçülen niceliğin bir birimlik değişiminde çıkış değerindeki değişme olarak tanımlanır. Dolayısıyla, girişindeki en küçük bir değişimi çıkışına algılanabilecek büyüklükte bir değişim olarak aktarabilen transdüserin duyarlığı yüksektir.

4. Doğruluk (Accuracy): Ölçülen değerin beklenen değerle ne kadar bağdaştığını gösteren bir ölçüdür. Beklenen (teorik) değer ile ölçülen değer arasındaki fark ise “hata” olarak tanımlanır.

5. Doğrusallık (Linearity): Bir transdüserin karakteristik eğrisinin bir doğruya ne kadar yakın olduğunu gösteren bir ölçüdür. İdealde, karakteristik eğrinin bir doğruyu izlemesi beklenir, ancak algılayıcıların doğasında bulunan ve onları doğrusallıktan uzaklaştıran özellikleri bulunmaktadır. Bu nedenle, bir transdüser ideal doğrudan sapmalar gösterir. Yüzde olarak tanımlanan doğrusallık, transdüserin ideal doğrudan en fazla ne kadar saptığını belirtir.


Sıcaklık Ölçümü

Sıcaklık, meydana getirdiği bir takım etkilerin ölçülmesi ile saptanır. Örneğin sıcaklığın bazı elektrik devrelerinde gerilimoluşmasına neden olduğu keşfedildikten sonra bu gerilimin büyüklüğü ölçülerek sıcaklık miktarının ölçülmesi mümkünolmuştur. Sıcaklık bazı metallerin direncini değiştirir. Birbirine yapıştırılan uzama katsayıları farklı iki metal şeridin sıcaklıketkisi ile meydana getirdikleri şekil değişimi bimetal termometrenin esasıdır. Sıcaklık renk değişimine neden olur, ses hızınıetkiler. Tüm bunlar tıp, bilim ve sanayide kullanılmaktadır.

Sıcaklık birimleri Celcius (°C), Fahrenhayt (°F), Kelvin (°K) ve Reomür (°R)’dür.

Cam Hazneli Termometreler

Cam hazneli termometreler sıcaklıkla genişleyen ve hacmibüyüyen sıvının sütun şeklinde bir cam tüp içinde yükselmesiesasına göre çalışır. Sıvı olarak genellikle alkol ve cıva kullanılmıştır.


Dolu Sistem Termometreler

Dolu sistem termometreler hacimsel veya doğrusal ısıl genleşme fenomenini kullanmaktadır. Doldurma ya da iletim ortamı buhar, gaz, cıva veya başka bir sıvı olabilir. Gaz dolu sistem ideal bir gaz için aşağıdaki ideal gaz kanununu kullanır:

T = kPV [ PV = mRT ]


Bimetal Termostat

Dünyadaki en bilinen otomasyon aygıtı her yerde bulunabilen bimetal termostattır. Bu basit ve etkin aygıt oda sıcaklığınıgösterirken, ısıtıcıları ve klimaları açıp kapatır. Düşük maliyetli bir termometredir, fakat sakıncası göreceli olarakdoğruluğunun az, yanıt süresinin kısa olması ve histerisize sahip olmasıdır. Normalde yalnızca AÇ-KAPA denetimuygulamalarında veya tam ya da yanıt verici denetim gerektirmeyen denetim sistemlerinde kullanılır.

l = l T (: doğrusal genleşme katsayısı)


Isıl Çift (Thermo-couple)

Elektronik dünyası ve yüksek sıcaklık ölçümleri için en önemli yöntemlerden birisi ısılçiftsistemidir. 1821'de Thomas Seebeck iki farklı metalin veya metal alaşımının her iki ucunukaynakla birleştirip bir ucunu ısıttığında ortaya çıkan küçük akım akışının iki bağlantıarasındaki sıcaklık farkına bağlı olduğunu keşfetti.Eğer devre ortadan ayrılırsa, bir açık devre gerilimi ölçülebilir. Kaynak noktası sıcak noktaveya ölçüm eklemi ve diğer açık iki uç soğuk nokta veya “ referans noktası” da denir. Isılçiftolayı sıcak nokta ile soğuk nokta arasındaki sıcaklık farkından doğar. Sıcaklık farkı devrede,Seebeck etkisi adı verilen bir elektromotor kuvvetin oluşmasına yol açar. Bu elektromotorkuvveti yaklaşık olarak iki bağlantı arasındaki sıcaklık farkı ile orantılıdır. Soğuk noktauçlarında mV mertebesinde gerilim üretilir.


RTD Sensörler

Metallerin direnci sıcaklıkla artar. Bu basit olgu dirençsel sıcaklık detektörü RTD (Resistans Temperature Detectors)'nintemelini oluşturur.

RTD'nin direnç değeri büyük olduğunda sistemdeki hata miktarı küçük olduğundan, pratik RTD'nin yapımında yüksek dirençlimetaller kullanılır. En çok kullanılan RTD'ler demir, platin, tungsten, nikel, %70 nikel - %30 demir (Balco) veya bakır gibimalzemelerden imal edilmektedir. Daha yüksek dirençli tungsten ise çok yüksek sıcaklık uygulamaları için kullanılır, ancakkırılganlığı dolayısıyla kullanımda zorluk çıkarmaktadır.


Termistörler

Yarıiletkenler metallerin sıcaklık katsayılarının tersi bir sıcaklık katsayısına sahiptirler, yani sıcaklık arttıkça dirençleri azalır.RTD gibi termistör de sıcaklığa duyarlı bir dirençtir. Gerçekte, RTD'den daha hassastır ve sıcaklık katsayıları yüzde dört veyadaha da fazladır. Örneğin, 100'luk termistör 4/°C'lik direnç değişimine sahiptir. Termistörlerin direnci RTD'lerinkindendaha yüksektir ki bu da duyarlıklarını arttırıcı bir özelliktir. Genel bir termistör değeri 25°C'ta 5k'dur. Bu termistörsıcaklıktaki her bir °C'lik değişim için 200 (0.04x5000) değişecektir. Dolayısıyla termistörü RTD veya ısılçiftlerleölçemeyeceğimiz kadar küçük sıcaklık değişimlerini ölçmek için kullanabiliriz. Bu duyarlığın bedeli olarak doğrusallığı fedaediyoruz. Termistörün direnç-sıcaklık ilişkisi şöyledir:


Monolitik Sıcaklık Sensörleri

Son zamanlarda germanyum ve silisyum içine katıştırılan kristalden elde edilen malzemeler ısı sensörü olarak kullanılmayabaşlandı. Germanyum kristal malzemenin sıcaklık-direnç grafiği NTC termistörün sıcaklık-direnç grafiğine benzer ve doğrusaldeğildir. Silisyum kristal de sıcaklık sensörü olarak kullanılır. Şekil olarak mercimek kondansatöre benzerler. -55°C ile +150°Carasındaki sıcaklıkların algılanmasında başarı ile kullanılırlar ve bu aralıkta sıcaklık-direnç ilişkisi termistör ve germanyumkristal sensörün tersine pozitif sıcaklık katsayılıdır. Bu sıcaklık alanının dışına çıkıldığında eğri negatif olur ve doğrusal değildir.

Sıcaklığa bağımlı gerilim üreten malzemelere örnek olarak National Semiconductor firmasının LM serisi malzemelerinigösterebiliriz. LM35, LM135, LM235, LM335 serisi piyasadaki monolitik sıcaklık sensörleridir.


IR (InfraRed-Kızılötesi) Sensörler

Kızılötesi bir prizmadan geçirildiğinde güneş ışığının ayrıştırılabilen bir bölümüdür. Bu ışımanın bir enerjisi vardır. Bubulguların sonucunda siyah cisim tarafından yayılan ışığın dalga boyu ile enerjisi arasında bir bağlantı vardır.Mutlak sıfır noktasından (0 Kelvin) yüksek sıcaklığı olan objeler enerji saçar. Yayılan bu enerjinin büyüklüğü sıcaklık ilebağlantılıdır. Bu bilgi kızılötesi termometrelerin çalışma prensibinin temel noktasıdır.


Yangın Detektörleri

Çalışma prensibine göre 3 tip yangın detektörü bulunmaktadır. Bunlar; iyonizasyon, infrared ve hava örneklemeli lazerlisistemlerdir.


Mesafe Sensörleri

Konum algılayıcıları bir çalışma parçasının olup olmadığını sezmekten onu tam bir doğrulukla yerine yerleştirmeye, bir deliğinderinliğini hassas ölçmekten bir milin dönme açısını tam olarak ölçmeye kadar çok çeşitli amaçlarla kullanılır.

Cisimlerin konumlarını veya uzaklıklarını tespit etmek için kullanılan farklı tiplerde sensörler bulunmaktadır.


Fotoelektrik sensörler

Bu sensör tipleri ile mesafe veya bir cismin konumunun algılanması için fotoelektrik etki yöntemi kullanılır. Bir fotonkaynağından yayınlanan ışın (LED, infrared, lazer) doğrudan veya yansıyarak fotodiyot veya fototransistör üzerinedüşürülerek algılama gerçekleştirilir.


Manyetik (indüktif) mesafe sensörleri

Indüktif(endüktif) sensör, kendisine yaklaşan cismi temas etmeden algılamak için kullanılır. Sensör kendi algılama sahasıiçerisinde bir manyetik alan oluşturur. Algılama sahasına giren bir metal cisim bu manyetik alanı etkiler. Bu değişim sensöriçerisindeki elektronik devrelerde işlenir ve sensörün çıkış değerini değiştirir. Endüktif sensörler genellikle 50mm’ye kadarölçüm yapabilirler. Bunlar algılayıcının önüne dar bir yüksek-frekans alanı (150-250kHz) düşürülerek çalışırlar. İletken birmalzeme yaklaştığında, bu alan tarafından endüklenen eddy akımları algılama tipine bağlı olarak osilatör seviyesini yaklaşıksıfıra veya yüksüz seviyenin yaklaşık yarısına indirerek osilatörü yükler. Eddy akımlarının algılanması bu aygıtlara “eddy akımdetektörleri” denilmesine de neden olmuştur.


Kapasitif mesafe sensörleri

Kapasitif sensörler kontaksız olarak iletken olan/olmayan katı, sıvı, toz haldeki nesnelerin algılanmasında kullanılır. Metalolmayan plastik ve cam gibi nesnelerin içindeki seviyelerin belirlenmesi veya farklı malzemelerden yapılmış nesnelerinsayımında kullanılabilir.

Kapasitif sensörlerde algılanacak nesnenin dielektrik katsayısı önem taşır. Bu sabit değer ne kadar büyük olursa, çalışma aralığı da o derece büyük olur.


Ultrasonik mesafe sensörleri

Ultrasonik ses dalgalarını (>20 kHz) kullanan sensörler ile nesnelerle herhangi birtemas halinde olmadan mesafe ölçümleri yapılabilmektedir. Ultrasonik sensörler,klasik hareket problemlerinde olduğu gibi X = V * t (yol = hız * zaman) eşitliğinegöre çalışır. Ultrasonik ses dalgalarının belirli atmosferik koşullardaki hızınınbiliniyor olmasından faydalanarak ses dalgasının gidip gelme süresinin yarısıylahızının çarpımı mesafe bilgisi elde edilir. Asıl sorun ise farklı frekanslarda sensörünölçebileceği menzilin değişmesidir. Yüksek frekanslı sensörlerin ölçüm aralığı,düşük frekanslardakine göre daha küçüktür. Frekansa bağlı zayıflamamodellemesi;

0.022 * f – 0,61 dB /ft 'dir.

Örneğin; 100 kHz'lik bir ses dalgası için zayıflama 1,6 dB/ft'tir. Aynı şekilde 200kHz'lik ses dalgası için zayıflamayı hesaplayacak olursak 3,8 db/ft'tir. 100 kHz ve200 kHz için 2 katlık bir oran gözlemlemeyi beklerken, bu oran daha büyükolmaktadır. Bu logaritmik değişim, ses dalgasında frekans arttıkça keskin birdüşüşe neden olur.

𝑉 =𝑡

2

1

331 × 103 × 1 +𝑇 (℃)273

≅𝑠ü𝑟𝑒

59,1


Potansiyometre ile mesafe ölçümü

Doğrusal potansiyometre hareketli bir basınç sezici elemana bağlı bir sürgü (slider) ya da hareketli kontağa sahiptir. Hareketlikontak ya da süpürücü ölçüm elemanı üzerindeki basıncın değişimiyle direnç elemanı üzerinde hareket eder.Potansiyometre direncinin değişmesine neden olan bu hareket bir köprü devresinde gerilim veya akım değişimi şeklindekielektriksel bir değere çevrilir. Sonuç olarak, mekanik yerdeğiştirme ile orantılı elektriksel işaret elde edilir.

Doğrusal Açısal


LVDT ile Yerdeğiştirme Ölçümü

Doğrusal değişken-fark transdüserinin (LVDT-Linear Variable Differential Transformers) çalışma ilkesi şöyledir: manyetikmalzemeden yapılmış bir nüve birincil ve iki adet ikincil sargıları birbirine bağlayan manyetik akıyı değiştirmek için bir bobinsistemi içinde hareket eder.


Basınç Transdüserleri

Üzerlerine düşen basınçla orantılı olarak fiziki yapılarında meydana gelen değişimden dolayı basınç seviyesini ya da basınçdeğişimi seviyesini elektriksel işarete dönüştüren devre elemanlarına denir.Basınç sensörleri, çalışma prensibine göre dört grupta incelenebilir. Bunlar:

Kapasitif basınç ölçme sensörleri Strain gauge (şekil değişikliği) sensörler Load cell (yük hücresi) basınç sensörleri Piezoelektrik özellikli basınç ölçme sensörleri


Kapasitif Basınç Sensörleri

Kondasatörler bilindiği üzere elektrik enerjisini depolayan elemanlardır. Bu özellikleri kondansatör plakalarının boyutlarına,plakalar arasındaki mesafenin uzaklığına ve iki plaka arasındaki yalıtkan (dielektrik) malzemenin özelliğine bağlıdır. Sonuçolarak kondansatör plakaları birbirinden uzaklaştırılırsa ya da esnetilirse veya iki plaka arasındaki dielektrik malzeme hareketettirilirse, kondansatörün kapasitesi değişir. Kondansatörün kapasitesi ile beraber alternatif akıma gösterdiği direnç dedeğişir. İşte bu prensipten hareketle kapasitif basınç sensörleri üretilmiştir.


Strain Gauge Basınç Sensörleri

Temel olarak strain gageler esneyebilen bir tabaka üzerine ince bir telin veya şeridin çok kuvvetli bir yapıştırıcı ileyapıştırılmasından oluşmuştur. Üzerindeki basıncın etkisinden dolayı tabakanın esnemesi, iletken şeridin de gerilerekuzamasına sebep olmaktadır. Bu uzama esnasında telin boyu uzayarak kesiti azalacaktır. Bilindiği gibi iletkenlerin kesitiazaldıkça dirençleri artacağından uygulanan kuvvete bağlı olarak iletkenin direncinde de değişme olacaktır. Bu dirençdeğişimine bağlı olarak uygulanan kuvvetin miktarını tespit edilebilir


Load Cell Basınç Sensörleri

Yük hücresi (load cell) daha çok elektronik terazilerin yapımında kullanılan basınç sensörüdür. Asıl çalışma prensibi straingage gibidir. Tek noktadan ya da iki noktadan ölçüm yapanları da bulunmaktadır. A, B, C, D noktalarındaki strain gagelerindirençleri basınca bağlı olarak değişir. Bu değişim ile orantılı olarak da basınç miktarını tespit edebiliriz. Load cell'ler kullanımalanlarının gerektirdiği şekilde imal edilirler bu yüzden çok farklı ve çeşitli modelde loadcelle rastlanılır. Günümüzde 50-100gr dan 1000-2000 tona kadar geniş bir kapasite aralığında load cell imal edilebilmektedir.


Piezoelektrik Basınç Sensörleri

Basıncın elektrik akımına dönüştürülme yollarından biri de piezoelektrik olayıdır. Piezoelektrik özellikli algılayıcılarda kuartz(quartz), roşel (rochelle) tuzu, baryum, turmalin gibi kristal yapılı maddeler kullanılır. Sürekli kutuplaşmaya sahip birasimetrik iyonsal kristale basınç uygulanırsa kutuplar arası uzaklık azalır,yüzeyinde yük birikimi artar,dolayısıyla iki uç arasındabir gerilim farkı doğar ve bir iletkenle birleştirilirse akım akar. Böylece mekanik etki elektriksel büyüklüğe dönüşür. Diğertaraftan, aynı kristalin iki ucu arasına bir gerilim uygulanırsa (-) yükler (+) elektroda, (+) yükler (-) elektroda doğru çekilir , (-)ve (+) yük merkezleri arasında uzaklık artar ve bunun sonucu kristalin boyu büyür. Alanın yönü değişirse aynı işaretli yüklerbirbirlerini iter ve kristalin boyu kısalır. Böylece elektriksel etki mekanik büyüklüğe dönüşür. Bu davranışa piezoelektriközellik denir. Bu özellikten faydalanılarak basınç ve titreşim gibi mekanik büyüklüklerin ölçümünde faydalanılır.


Ses Transdüserleri ve Sensörleri

Ses bir titireşimden ibaret olup suya atılan taşın yarattığı dalgaya benzer şekilde havada bir dalga iletimi şeklindeyayılmaktadır. Ses aslında hava basıncındaki değişimdir. Konuştuğumuzda çıkardığımız ses havayı titreştirerek hava da birbasınç değişikliği oluşturur. Kulak ise bu basınç değişikliğini kulaklarımızdaki zar ile algılar. Bu prensiple ses dalgalarını elektrikişaretlerine veya elektrik işaretlerini ses dalgalarına dönüştüren değişik tiplerde transdüserler geliştirilmiştir.

MikrofonMeydana gelen herhangi bir ses dalgası mikrofon ile elektriksel titreşimlere dönüştürülebilir. Mikrofon ses işaretlerinielektriksel işaretlere dönüştüren transdüserdir. Mikrofonlar da tıpkı kulaklarımız gibi havadaki basınç değişikliğinin yarattığıetkiden yararlanarak sesi algılar ve elektrik sinyaline çevirir.

Mikrofonlar çalışma prensiplerine göre çeşitlere ayrılırlar: Dinamik mikrofonlar Kapasitif mikrofonlar Şeritli (bantlı) mikrofonlar Kristal mikrofonlar Karbon tozlu mikrofonlar


Dinamik mikrofonlar

Dinamik mikrofonlar ses dalgaları ile hareket eden diyaframa bağlı bobinin sabit bir mıknatıs içinde hareket etmesindendolayı bobin uçlarında oluşan gerilim değişimine bağlı olarak çalışır.

Kapasitif mikrofonlar

Bir sabit levha ve bir de hareketli iletken levha arasında hava boşluğu bırakılarak kapasite elde edilir. Hareketli levha aynızamanda diyafram görevi de yapar. Kapasitif mikrofonlar şarjlı bir kondansatörün yükü değiştirildiğinde elektrik akımının eldeedilmesi esasına dayalı olarak çalışır.


Şeritli mikrofonlar

Çalışmaları dinamik mikrofonlar gibi manyetik alan esasına dayalımikrofonlardır. Manyetik alan içine yerleştirilmiş ince bir alüminyum ya dakalay levhaya ses sinyalleri çarpınca, manyetik alan içinde hareket edenlevhada ses frekanslı akım oluşur. Şeritli mikrofonların empedeansı çokdüşük, kaliteleri yüksektir. Sarsıntıdan, rüzgârdan olumsuz etkilendiklerindenkapalı ortamlarda kullanılır.

Kristal mikrofonlar

Kristal mikrofonlar, piezoelektrik olayından yararlanılarak yapılanmikrofonlardır. Quartz ve Roşel (Rochell) tuz kistallerine basınçuygulandığında iki tarafına tutturulan elektrotlar arasında bir gerilimoluşmaktadır.


Hoparlör

Elektriksel sinyallerini ses sinyallerine çeviren elemanlara “hoparlör” denir. Genel olarakhoporlörler mıknatıs ve mıknatıs etrafına yerleştirilen bir bobin ve hareketli diyaframdanoluşur. Hoparlörler çalışma prensiplerine göre dinamik hoparlörler ve piezoelektrikhoparlörler olmak üzere iki ana başlık altında değerlendirilirler.

Dinamik Hoparlörler

dinamik hoparlörler, bobin, mıknatıs, kon (diyafram) gibi elemanların birleşimindenoluşmuştur. Bu elemanlarda demirden yapılmış bir silindirin ortasına doğal mıknatısyerleştirilmiştir. Mıknatısla yumuşak demir arasındaki hava aralığına ise hoparlördiyaframının uzantısı üzerine sarılmış bobin konmuştur.

Piezoelektrik Hoparlörler

Piezoelektrik hoparlörler çizgi biçiminde, birbirine karşı polarize edilmiş, bükülgenpiezooksit (kurşun, elmas, titan karışımı) maddeden yapılmışdır. Şeritlere akımuygulandığında, boyut uzayıp kısalır ve karşıdakini itip çeker. Bu titreşim ise esnekmembranı hareket ettirerek ses oluşur. Piezoelektrik hoparlörler daha çok yüksek frekanslıseslerin elde edilmesinde (kolonların tweeterlarında) ve kulaklıklarda kullanılmaktadır.


Kaynak:

Yrd.Doç.Dr. Dilşat ENGİN, 2014. ‘Sensörler ve Dönüştürücüler’, Ege Üniversitesi EgeMYO Mekatronik Programı.

Aslı ERGÜN, ‘Sensörler’, Dokuz Eylül Üniversitesi.

MEB, 2012. ‘Sensörler ve Transdüserler’, Elektrik-Elektronik Teknolojisi.

eem0108 elektrik-elektronik mühendisliğinde · İdealde, karakteristik eğrinin bir doğruyu...

Documents