Sensörler

Sensörler
Asli Ergün
MANYETİK SENSÖRLER VE TRANSDÜSERLER
Bir tel bobin haline getirilip içinden akım geçirilirse, bu bobinin
içinde ve çevresinde manyetik alan oluşur. Bu manyetik alan gözle
görülmez. Ancak bu bobinin içerisindeki çekirdeğin hareketi ve bobinin
çevresinden yaklaştırılan metaller bobinin indüktansını değiştirir. İşte bu
prensipten hareketle manyetik sensörler geliştirilmiştir.
Indüktans, elektromanyetizma ve elektronikte bir
indüktörün manyetik alan içerisinde enerji depolama
kapasitesidir. İndiktörler, bir devrede akımın değişimiyle
orantılı olarak karşı voltaj üretirler.
MANYETİK SENSÖRLER VE TRANSDÜSERLER
Manyetik sensör ve transdüserler, günlük hayatta daha çok güvenlik gerektiren
yerlerde metallerin (silah, bıçak gibi) aranmasında, hazine arama
dedektörlerinde kullanılır. Sanayide ise kumanda ve kontrol sistemlerinde, tıp
elektroniğinde, fabrikalarda, otomatik kumanda kontrol uygulamalarında, yer
değişimlerinin hassas olarak ölçülmesinde kullanılır.
MANYETİK SENSÖRLERİN SINIFLANDIRILMASI
-Bobinli basit manyetik sensör
-Manyetik yaklaşım sensörü (endüktif yaklaşım
anahtarı, proximity switch)
-Alan etkili transdüser (hall effect sensor)
-LVDT (lineer variable differential transformator)
-Reed Anahtarı-Röle (Reed Switch Sensor)
4
İNDÜKTANS NEDİR?
0 .r .S 2
L
N
l
Fiziksel yapısına ve sarım sayısına bağlı olarak bir bobinin öz indüktansı(endüktansı)
L : Bobinin öz endüktansı (Henry)
o : Boşluk permeabilitesi (H/m)
r : Havanın permeabilitesi (r=1)
l : Bobinin uzunluğu (m)
S : Sarım yüzeyi (m2)
N : Bobinin sarım sayısı
5
BOBİNLİ BASİT MANYETİK SENSÖR
 Bir bobinin içinde bulunan nüvenin konumu değiştirildiği zaman
bobinin endüktansı değişir
 Nüve çekilince neden akım artar?
 Örnek: hoparlör ve mikrofon (basınç algılama ve basınç üretme
elemanı)
 Mikrofon ses dalgalarının yarattığı basıncı elektrik sinyallerine çevirir.
 Hoparlör ise elektrik sinyallerini basınca dönüştürür.
6
MANYETİK YAKLAŞIM SENSÖRÜ
 Hissetme yüzeylerinin
bulunduğu tarafta ve hissetme
mesafesi içinde kalan metal
cisimleri algılama özelliğine
sahip elektronik anahtarlardır
 Eski otomasyon donanımlarında
mekanik yapılı sınır anahtarları
kullanılmaktaydı
7
İndüktif – Manyetik Temassız Algılayıcılar
Indüktif(endüktif) sensör, kendisine yaklaşan cismi temas etmeden
algılamak için kullanılır. Sensör kendi algılama sahası içerisinde bir
manyetik alan oluşturur. Algılama sahasına giren bir metal cisim bu
manyetik alanı etkiler. Bu değişim sensör içerisindeki elektronik
devrelerde işlenir ve sensörün çıkış değerini değiştirir. Endüktif sensörler
genellikle 50mm’ ye kadar ölçüm yapabilirler.
9
ENDÜKTİF SENSÖR
ENDÜKTİF SENSÖR
Her türlü iletken metali tespit ederler
Çeliği belli bir mesafeden tespit eder.
Performansı :
• Ortam sıcaklığı
• Hedef materyal
Yüksek frekanslı
manyetik saha
(300 to 800 kHz)
Aktif yüzey
• Hedef ölçülerinden etkilenebilir.
Yankı kangalı
LED
Bağlantı kablosu
MANYETİK TEMASSIZ SENSÖR
Nitrojen dolu
cam tüp
Reed
kontakları
LED
REED KONTAKT(ANAHTARI)
Reed Kontakt
24v
Reed Kontakt
24v
ENDÜKTİF YAKLAŞIM SENSÖRÜNÜN ÜSTÜNLÜKLERİ
• Boyutlarının küçük olması nedeniyle mekanik anahtarların
kullanılamayacağı yerlerde kullanılabilir.
• Yüksek frekanslarda güvenle çalışma imkânı sağlar.
• Koruma sınıflarının yüksek olması sayesinde nemli ve kirli
ortamlarda güvenle çalışır.
• Hareket eden parçaları olmadığından ömrü uzundur.
• Mekanik anahtarlardaki kontak kirlenmesi ve aşınmaların yarattığı
kontak direnci, kontak kapanması sırasındaki kontak zıplamalarının
(titreşme) yarattığı sorunlar indüktif yaklaşım sensöründe yoktur.
• Bilgisayar kontrollü sistemlere (PLC vb.) doğrudan bağlanabilir.
• Patlama ihtimali olan, kıvılcımdan etkilenen yerlerde ve yüksek
sıcaklıklarda kullanılabilirler.
21
ALAN ETKİLİ SENSÖRLER
• Hall Effect Sensor: Yarı iletken temelli bir maddenin karşılıklı iki
ucuna gerilim uygulandıktan sonra elemana manyetik alan
yaklaştırılırsa dönüştürücünün alt ve üst uçlarında gerilim
oluşmaktadır
• Üzerinden elektrik akımı geçen bir levha dik olarak manyetik alan
kuvvet çizgileri tarafından kesilirse levhanın alt ve üst uçları
arasındaki elektron yoğunlukları farklılaşır. Bu ise üst ve alt uçlar
arasında bir gerilim oluşmasına yol açar.
• Oluşan gerilim manyetik alanın şiddeti ve levhanın boyutlarıyla
ilgilidir.
22
Kullanıldığı Yerler
• Fırçasız DC motorlarda,
• Otomobillerin hidrolik
frenlerinde,
• Fan motoru
anahtarında,
• Alarm devrelerinde,
• Hard disk
sürücülerinde,
• Dönen sistemlerin devir
kontrolünde,
23
Hall Temassız Algılayıcılar
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.
Hall Temassız Algılayıcılar
Hall Effect Sensör
Arduino Kod(Dijital Okuma)
const int hallPin = 2;
const int ledPin = 13;
int hallState = 0;
void loop(){
// read the hall effect sensor:
hallState = digitalRead(hallPin);
void setup() {
pinMode(ledPin, OUTPUT);
pinMode(hallPin, INPUT);
}
if (hallState == LOW) {
// turn LED on:
digitalWrite(ledPin, HIGH);
}
else {
// turn LED off:
digitalWrite(ledPin, LOW);
}
}
Arduino Hall Effect Sensor Code Interrupt
/*
Arduino Hall Effect Sensor Project
by Arvind Sanjeev
*/
volatile byte half_revolutions;
unsigned int rpm;
unsigned long timeold;
void setup()
{
Serial.begin(115200);
attachInterrupt(0, magnet_detect,
RISING);//Initialize the intterrupt pin (Arduino
digital pin 2)
half_revolutions = 0;
rpm = 0;
timeold = 0;
}
void loop()//Measure RPM
{
if (half_revolutions >= 20) {
rpm = 30*1000/(millis() timeold)*half_revolutions;
timeold = millis();
half_revolutions = 0;
//Serial.println(rpm,DEC);
}
}
void magnet_detect()//This function is called
whenever a magnet/interrupt is detected by the
arduino
{
half_revolutions++;
Serial.println("detect");
}
Gauss Metre(hall effect)
Gaussmetre (Analog Okuma)
/*
GaussPlot
(Miniature Radiometric Linear Hall Efect Sensor)
Sensor connected to Analog channel 0.
*/
#define XRANGE 50
int x,gss;
void setup(){
Serial.begin(9600);
}
void loop(){
int aValue =analogRead(0);
x = map(aValue, 0, 1024, 0, XRANGE);
gss = map(aValue, 102, 922, -640, 640);
Serial.print("|");
for (int i=0;i<x;i++){
if(i==XRANGE/2-1)Serial.print("|");
else Serial.print("-");
}
Serial.print("O");
for (int i=x+1;i<XRANGE;i++){
if(i==XRANGE/2-1)Serial.print("|");
else Serial.print("-");
}
Serial.print("|");
Serial.print(gss);
Serial.println("Gauss");
delay(100);
}
LVDT (LİNEER VARİABLE DİFFERENTİAL TRANSFORMATOR)
• LVDT mekanik olarak hareketlendirilmiş nüvesi ile bir
transformatördür
• Hareket enerjisini elektrik enerjisine çevirir
• Bobinin içinde nüve hareket ettikçe endüktans değişir
EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon
31
Çalışma Prensibi
 Primer sargısına kararlı genlikte sinüsoidal dalga uygulanır.
 Sekonder sargılarında bir AC sinyal indüklenir.
 Ferromanyetik malzemeden yapılmış bir nüve sargılara
fiziksel olarak dokunmaksızın sargıların içindeki silindirik
bölgeye yerleştirilir.
 İki sekonder birbirine ters fazda bağlanmıştır.
 Nüve transformatörün manyetik merkezinde olduğunda
sekonder çıkışları birbirini götürür ve çıkış gerilimi yoktur.
 Nüvenin manyetik merkez pozisyonundan
uzaklaştırılmasıyla sekonder sargıları arasındaki
indüklenen manyetik akı oranının dengesi bozulur ve bir
çıkış gerilimi oluşur.
EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon
32
• LVDT’nin avantajları aşağıdaki gibidir:
Algılayıcı çok az sürtünme direnci ile kontaksız bir
aygıttır.
Çıkış direnci çok düşüktür.
Gürültü ve parazitlere karşı az duyarlıdır.
• Doğrusal hareketlerin, basıncın ve maddelerin
kalınlığının ölçülmesinde kullanılır
EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon
33
RVDT
• RVDT (döner değişken fark transformatörü) LVDT
ile aynı prensipte çalışır; tek farkı döner
ferromanyetik nüve kullanılmasıdır.
• RVDT’nin kullanılma yeri açısal yer değişiminin
yada dairesel pozisyonların ölçümüdür.
EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon
34
Reed Anahtar-Röleler
• Cam gövde içine konmuş minik kontaklara sahip
elemanlardır
• Havası alınmış şeffaf cam ya da başka bir maddeden
yapılmış olan muhafaza içinde bulunan demir-nikel
alaşımı mini kontakların konumu sabit mıknatıs ya da
elektromıknatısla değiştirilir.
EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon
35
Özellikleri ve Kullanıldığı Yerler
• Kontaklarının çekme ve bırakma zamanı 0,5 ms,
• Çalışma sayısı ise 1-2 milyon adet dolayındadır.
• Bina giriş kapılarında güvenlik amaçlı alarm
sistemlerinde,
• Asansörlerde,
EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon
36
Reed – Temassız Algılayıcılar
 Manyetik temassız algılayıcılar kalıcı mıknatısların ve
elektromıknatısların oluşturdukları manyetik alanlara etkirler.
 Reed-anahtarlarında ferromanyetik malzemeden yapılan (FeNi karışımı, Fe=demir, Ni=nikel) kontak dilleri eritilerek cam bir
pistona bağlanır. Pistonun içinde reaksiyona girmeyen ve
yanmayan bir gaz (örneğin azot) bulunur.
Reed – Temassız Algılayıcılar
 Reed-temassız algılayıcının yakınına bir manyetik alan yaklaştığı
zaman, kontak dilleri manyetiklenir. Manyetiklenen kontak dilleri
birbirlerini çeker ve kontak kapanır.
Reed Kontakt
Diğer manyetik alanlardan uzak tutulmalıdır
Orta konum için yerleştirilmiş ise yaklaşım yönüne göre algılama mesafesi
değişebilir.
Reed kontakların yanmaması için maksimum akım limitlenmelidir.
Endüktif Manyetik Sensör
Bağlantı
kablosu
Algı bobini
Yüksek
frekanslı
manyetik alan
LED
Endüktif Manyetik Sensör
Endüktif Manyetik Sensör
Endüktif Manyetik Sensör
Sadece manyetik alanları teşhis eder
Diğer manyetik alanların etki sahasından uzak olmalıdır
Yüksek frekans - 1kHz
Arduino ve Reed Anahtarı
/*
Reed Switch
*/
void loop(){
const int pinSwitch = 12;
durumSwitch = digitalRead(pinSwitch);
const int pinLed = 9;
if (estadoSwitch == HIGH) {
int durumSwitch = 0;
digitalWrite(pinLed, HIGH);
}
void setup() {
else {
pinMode(pinLed, OUTPUT);
digitalWrite(pinLed, LOW);
pinMode(pinSwitch,
}
INPUT);
}
}
Reed Anahtarı-2
Reed Switch Code
/* Reed magnetic sensor module test project*/
int Led=13;
int buttonpin=3;
int val;
void setup()
{
pinMode(Led,OUTPUT);
pinMode(buttonpin,INPUT);
}
void loop()
{
val=digitalRead(buttonpin);
if(val==HIGH)
{
digitalWrite(Led,HIGH);
}
else
{
digitalWrite(Led,LOW);
}
}
Sensörlerin Yakınlığa Göre Sınıflandırılması
Sensörler:
• Temaslı (örnek limit anahtarları)
• Temassız (proximity-yakınlık sensörleri) (manyetik
sensörler)
Olarak sınıflandırılırlar.
Sanayide temassız olanlar daha çok kullanılırlar
Limit Anahtarları
Limit Anahtarları
Temaslı sensörlerdir.
Çıkış sinyali vermeleri için ikazlanmaları gerekir
Mikrofon
Konuştuğumuzda havayı titreştirerek hava da bir basınç değişikliği
oluşturuyoruz. Duyma işleminde ise bu basınç değişikliğini kulaklarımızdaki zar ile
algılıyoruz. Mikrofonlar da tıpkı kulaklarımız gibi havadaki basınç değişikliğinin
yarattığı etkiden yararlanarak sesi algılıyor ve elektrik sinyaline çeviriyor. Sesi elektrik
sinyallerine çeviren cihazlara “mikrofon” denir.
Mikrofon
Bütün mikrofonların yapısı, ses dalgalarının bir diyaframı titreştirmesi
esasına dayanmaktadır. Her sesin belirli bir şiddeti vardır. Bu ses şiddetinin
havada yarattığı basınç ses şiddeti ile doğru orantılıdır. Gelen hava basıncının
büyüklük ve küçüklüğüne göre ileri geri titreşen diyaframın bu titreşimini,
elektrik enerjisine çevirmek için değişik yöntemler kullanılmaktadır. Kullanılan
yöntemlere göre de mikrofonlara isim verilmektedir.
•Dinamik (bobinli - manyetik) mikrofonlar
•Kapasitif (kondansatör) mikrofonlar
•Şeritli (bantlı) mikrofonlar
•Kristal (Piezoelektrik kristalli) mikrofonlar
•Karbon tozlu mikrofonlar
•Elektret mikrofonlar
Dinamik (Bobinli - Manyetik) 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 (Kondansatör) Mikrofonlar
Kapasitif mikrofonlar statik elektriklenme esasına göre çalışan
mikrofonlardır. Kapasitif mikrofonların diyaframı gelen ses dalgalarıyla
titreşir ve bu titreşim mikrofonun kapasitesinin değişimine neden olur.
Kapasitedeki bu değişim sesin özelliğine uygun olarak mikrofonun çıkışında
elektrik sinyallerini oluşturur.