Sensörler Ders1 Aslı ERGÜN

Sensör nedir? Transdüser nedir? Sensörler kontrol sistemlerinin sıcaklık, nem, basınç gibi değerleri algılamasını sağlayan elemanlardır. Fiziksel ortam değişikliklerini algılayan cihazlardır. Genel anlamda transdüser bir enerji formunu diğer bir enerji formuna çeviren yapılardır. Ama daha çok algılanan bilgiyi elektrik enerjisine çeviren elemanlar olarak bilinirler. Sensörler elektronik devrelerden yapıldığı için sensör-trandüser kavramları eş anlamda kullanılır.

Giriş Büyüklüklerine göre Sensör Çeşitleri Mekanik Sensörler: Uzunluk, alan, kütlesel akış, kuvvet, moment, basınç, hız,ivme, pozisyon, ses dalga boyu ve yoğunluğu gibi mekaniksel değişiklikleri algılayan sensör sınıfıdır. Termal Sensörler: Sıcaklık, ısı akışı gibi termal değişiklikleri algılayan sensör sınıfıdır. Elektriksel Sensörler: Voltaj, akım, direnç, endüktans, kapasitans, dielektrik katsayısı, polarizasyon, elektrik alanı gibi elektriksel değişiklikleri algılayan sensör sınıfıdır. Manyetik Sensörler: Alan yoğunluğu, akım yoğunluğu, manyetik moment gibi manyetik değişiklikleri algılayan sensör sınıfıdır. Işıma Sensörleri: Yoğunluk, dalga boyu, polarizasyon, faz, yansıtma ve gönderme gibi değişiklikleri algılayan sensör sınıfıdır.

Besleme İhtiyacına Göre Sensör Çeşitleri Aktif – Harici bir enerji kaynagına ihtiyaç duymadan çalısırlar. – Ölçülen degere göre kendileri bir sinyal üretirler – Örnek: Termokupl, fotovoltaik piller (günes hücreleri), piezoelektrik sensörler. Pasif – Harici bir güç kaynagına ihtiyaç duyarlar. – Ölçülen degerle orantılı olarak direnç, kapasite ve endüktans degisimi olusur. – Bu degisimler elektriksel sinyale çevrilip yükseltilirler.

Actuator (Eyleyiciler, sürücüler) Sensörlerin ters islemini yapan cihazlara aktüatör denir. Elektriksel sinyali, baska bir forma, genellikle elektriksel sinyale çeviren cihazlardır. Aktuatörler de transdüser olarak adlandırılabilirler adlandırılabilirler.

Sensör Kullanımları

Sensör Uygulamalarına Örnekler

Sensör Ölçme İle İlgili Temel Kavramlar Doğruluk : Bir aletin bilinen giris degerindeki sapma miktarını belirtir.Genelde yüzdelik olarak. Duyarlık (tekrarlanabilirlik) : tekrar tekrar ölçmede aynı sonucu verebilmesi. Çözünürlük: ölçülen nicelikteki en küçük algılanabilir farklılık.

Performans Tanımlayıcıları • Range, Span = min to max giris degerleri, span = max-min • Error = gerçek deger – ölçülen deger • Dogruluk = ölçülen degerin yanlıs olma derecesi. Ör:. ± 2°C or ± 2% of full scale • Duyarlık = (kazanç) linear output/unit input ör. 5 mv/psi, 0.5W/°C • Hysteresis hata = Giris degerinin artması ve azalmasına baglı çıkıs degeri. • Non-linearity hata = girise baglı çıkıstaki hata sonucu. • Repeatability/reproducibility = Aynı giris-aynı çıkıs? • Kararlılık = sabit giris sırasındaki çıkıstaki sapma. • Dead band/time=ölçülemeyen çıkıs degerinde giris oranı. • Çözünürlük= çıkıs adımları, giristeki en küçük ölçülebilir degisiklik • Çıkıs direnci = sensörün baglı oldugu devrenin elektrik karakteristiklerinden nasıl etkilendigi.

Termik Sensörler(Sıcaklık ve Isı Sensörleri) Ortamdaki ısı değişimini algılamamıza yarayan cihazlara termik sensörler denir. Sıcaklık en sık ölçülen çevresel bir büyüklüktür. Çünkü fiziksel, elektronik, kimyasal, mekanik ve biyolojik tüm sistemler sıcaklıktan etkilenir. Bu nedenle kontrol sistemlerinde sıcaklığın ölçülmesi ve belli değerlerde tutulması önemlidir. Sıcaklık: Isı enerjisi ile orantılı bir büyüklüktür,Termometre ile ölçülür birimleri ;Santigrat,Fahrenhayt ve Kelvin dir. Termik enerji olarakta ifade edilen bir enerji çeşididir Birimi kalori veya Joul’dür. Sıcaklık ısı enerjisinin etkisiyle ortaya çıkar , fakat, iki ortam arasında bir sıcalık farkı varsa, bir ısı enerjisinin akışı söz konusu olabilir.

Termistör Sıcaklık ile direnci değişen elektronik malzemelere; term (sıcaklık), rezistör (direnç), kelimelerinin birleşimi olan termistör denir. Termistörler genellikle yarı iletken malzemelerden imal edilmektedir. Termistör yapımında çoğunlukla oksitlenmiş manganez, nikel, bakır veya kobaltın karışımı kullanılır. Termistörler ikiye ayrılır sıcaklıkla direnci artan termistöre PTC, sıcaklıkla direnci azalan elemana da NTC denir.

PTC(Positive Temperature Coefficient) a. Çalışma Prensibi: Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci artan devre elemanıdır. b. Kullanım Alanları: PTC’ler - 60 ºC ile +150 ºC arasındaki sıcaklıklar da kararlı bir şekilde çalışır. 0.1 ºC’ ye kadar duyarlılıkta olanları vardır. Daha çok elektrik motorlarını fazla ısınmaya karşı korumak için tasarlanan devrelerde kullanılır. Ayrıca ısı seviyesini belirli bir değer aralığında tutulması gereken tüm işlemlerde kullanılabilir.

NTC a. Çalışma Prensibi: Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci azalan devre elemanıdır. b. Kullanım Alanları: NTC’ler - 30 Cº ile +50 Cº arasındaki sıcaklıklar da kararlı bir şekilde çalışırlar. 0.1 Cº’ye kadar duyarlılıkta olanları vardır. Daha çok elektronik termometrelerde, arabaların radyatörlerin de, amplifikatörlerin çıkış güç katlarında, ısı denetimli havyalarda kullanılırlar. PTC’lere göre kullanım alanları daha fazladır.

Arduino İle Termistor Kullanımı

Termistör Uygulamaları Digital Termometreler termistör yardımıyla ısı değerini alırlar.

Yari İletken Ve Entegre Sicaklik Sensörleri (Silisyum Diyot) Günümüzde yarı iletken sıcaklık sensörlerinin kullanımı oldukça artmıştır. Bu sensörler genellikle entegre yapılar şeklindedir. Bunu anlamak için temel yapı silisyum diyottur. Diyot genel anlamda bir yönde akım geçiren, diğer yönde akım geçirmeyen elektronik devre elemanıdır. Silisyum diyotlar -40C ile +100C arasında sıcaklık ölçümünde kullanılabilir. Endüstriyel amaçlı pek kullanılmaz. Çünkü bozulmaya karşı emniyetli değildir. Belirtilen sıcaklık aralığının dışında sıcaklığa maruz kalırsa bozulur.

Diyot Çeşitleri

Sıcaklığa Duyarlı Entegreler Sıcaklığın gözlenmesi ve kontrolü endüstri için çok önemlidir. Elektronik termometreler, termistörler ve hareketli sensör uçları ile zor ulaşılan bölgelerde kullanılmayabilir. Bunun yanında termistörler ucuz ve kolay kullanımı yanında ısı değişimi karşısında doğrusal değişim sergilemediği için daha profesyonel uygulamalarda yanıltıcı olabilir. Bu tür uygulamalarda yarı iletken ısı sensörleri kullanılır.

LM35, LM335 serisi ısı sensörleri LM35 serisi sensörlerin çıkış gerilimleri sıcaklık ile orantılı olarak değişir. Ölçüm aralığı -55 ile 150 derce arasındadır. Her bir derece için çıkış voltajı 10 mV artar. Hassasiyeti yarım derece düzeyindedir. 4 ile 30 volt arasında çalışabilir.

Arduino ve LM35 ile sıcaklık ölçmek float temp; int tempPin = 0; // analog input pin int sampleTime = 1000; // 1 second dafault void setup() { Serial.begin(9600); } void loop() //gets and prints the raw data from the lm35 temp = analogRead(tempPin); Serial.print("RAW DATA: "); Serial.print (temp); Serial.println(" "); //converts raw data into degrees celsius and prints it out // 500mV/1024=.48828125 temp = temp * 0.48828125; Serial.print("CELSIUS: "); Serial.print(temp); Serial.println("*C "); //converts celsius into fahrenheit temp = temp *9 / 5; temp = temp + 32; Serial.print("FAHRENHEIT: "); Serial.println("*F"); delay(sampleTime);

Direnç Termometresi (Rtd-direnci Sıcaklıkla Değişen) İle Sicaklik Ölçmek Direnç termometreleri, iletken bir telin direnç değerinin sıcaklıkla değişmesinden istifade edilerek oluşturulan bir sıcaklık algılayıcısıdır. Direnç termometreler endüstride, laboratuvarlarda çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Direnç termometreler -200°C’den +850°C’ye kadar çok çeşitli süreçlerde yaygın olarak kullanılır. Özellikle düşük sıcaklıklarda termokupullara nazaran çok daha doğru değerler verdikleri için tercih edilir.

Elektrik Direnç Termometreleri (RDT) Direnç termometre elemanı, platin veya nikel telden sarılan direncin cam, mika veya seramik içine gömülmesi ile oluşur. Platin RTD’ler - 250°C’den 900°C’ye kadar kullanılabilmektedir. Nikel telden yapılmış olan RTD’ler -60°C ile +150°C arasındaki sıcaklıklarda kullanılır. Sıcaklık artınca Dirençleride artmaktadır. Direnç termometreleri yavaş değişen sıcaklık ölçümlerinde kullanıldıklarında en iyi sonuçlar verirler.

RDT Direnç Malzemeleri

RTD sıcaklık Nasıl Hesaplanır? RTD’lerin dirençlerindeki değişim değeri ile sıcaklık tayin edildiği için RTD’ler yukarıda görülen köprü devreleri yardımıyla kullanılır.

Termokupl (thermocouple) Elamanlarla Sicaklik Ölçmek Elektriksel sıcaklık ölçme yöntemlerinden en çok kullanılanıdır. Isıl ciftin çalışma prensibi SEEBECK etkisi olarak bilinen termoelektriksel olaya dayanır. Seebeck’e göre farklı malzemelerden yapılmış iki iletken veya yarı iletkenin uçları birleştirilir, kaynak yapılıp ; elde edilen uçlara bir ısı enerjisi verilirse, uçlar arasında bir termik gerilim (elektromotor kuvvet,emk) meydana gelir. Bunun nedeni sıcak kaynaktan soğuk kaynağa doğru hareket eden elektronların doğurduğu elektromotor kuvvettir. Elektron akışına zıt yönde oluşan bu EMK kuvvetine “seebeck elektromotor kuvveti”, olaya “Seebeck Termoelektriksel Olayı” ve bu şekilde oluşturulmuş devreye de “Isıl Çift (Termoeleman,Termocouple) Devresi” denir. Voltaj sıcaklığın ve metal tiplerine bağlıdır. Düşük Sıcaklık farklarında, değişim lineer, büyük sıcaklık farklarında değişim lineer değildir.

Termolemanlar (Thermocouple, Isıl Çiftler)

Termokupl Çalışma Prensibi Farklı iki iletkenin (Örnek:Bakır(Cu) ile Konstantan(C) ) birer uçlar birbirine kaynak edilip ısıtıldıklarında, içlerinde bulunan elektronlarda bir hareketlenme meydana gelir. Ancak bu hareketlenme farklı iletkenler arasında farklılık gösterir. Hızlı hareket eden elektron diğer İletkene geçerken,iletkenlerin uçlarında bir potansiyel fark oluşur, bu potansiyel fark gerilimden faydalanarak ,sıcaklık ölçülür. Hassas bir voltmetre ile sıcaklıkla orantılı olarak , mV’lar mertebesinde bir DC gerilimi elde edilir. Ölçülen gerilim için kalibrasyon yapılarak sıcaklığa dönüştürülür.

En Çok Kullanılan Isıl Çift Malzemeleri

Işınım Metodu İle Sıcaklık Ölçme(pirometre) Bir cisim ısıtıldığında elektromanyetik enerji yayar. Düşük sıcaklıklarda bu enerji yayımı (radyasyonu) hissedilebilir. Sıcaklık yükseldikçe cisim gözle görülebilir (ışık şeklinde), kızıl ısıdan sarıya ve ondan da beyaz ısıya geçen bir ışınım yayar. Bu ışınım sezgi yoluyla sıcaklığın ölçümünde kullanılabilir. Sarı renkte ışıldayan bir cismin mat kırmızı renkte ışıldayan cisimden daha sıcak olduğu söylenebilir. İşte pirometre,sıcaklığı ölçmek için bu ışınımdan yararlanır.

Pirometre Nasıl Çalışır? Pirometre sıcaklığı ölçülmek istenen cismin yaydığı ışınım (radyasyon) mercekler tarafından termo elemanın üzerine düşürülür. Odaklanan sıcaklık yükselmiş olur. Cismin sıcaklığı algılayıcıdan elde edilerek klasik yöntemlerle elektriksel sinyallere dönüştürülür. Bu aletlerde kullanılan termoelemanlar seri bağlanmış onlarca termokupl ve RTD olabilir. ISIL IŞINIM İLE SICAKLIK ÖLÇÜMÜ (PİROMETRE) Termo- eleman(PTC,NTC.Termokupl ,RTD) yardımıyla sıcaklık ölçmek

Pirometre Çeşitleri Optik pirometre: Sıcaklığı ölçülecek cisimlerde yayılan ışınımın görünür dalga boyunun değişimi ölçülür. Termo eleman algılayıcı kullanılmaz. Fotoelektrik pirometre: Bu tip pirometrelerde optik pirometrelerden farklı olarak sıcak cismin yaydığı ışınımı algılamak için fotodiyot veya fototransistör gibi elemanlar kullanılır.

Nem ve Isı Sensörleri (DHT11) DHT11 içerisinde dijital sinyal çıkışı ve sıcaklık - nem sensörü birimlerini bulundurmaktadır. İçinde 8 bitlik mikroişlemci vardır. İlgili DHT11.rar kütüphanesi kodlamada kullanılır. Özel bir dijital sinyal elde etme tekniğine sahiptir. Bu sensör içerisinde direnç tipi nem ölçüm bileşeni ve NTC Sıcaklık ölçüm bileşeni barındırmaktadır. DHT11; 0 – 50 ℃ arasında ölçüm yapabilmektedir. Sıcaklık ölçüm doğruluğu 2 ℃ dir. %20 - % 90 RH arası nem ölçümü gerçekleştirebilmektedir. Nem ölçüm doğruluğu ise +- %5 RH dır DTH11 tek kablo üzerinden çift yönlü seri iletişim yapabilecek şekilde tasarlanmıştır. Data çıkışı mikro denetleyicinin dijital giriş-çıkışlarından herhangi birine bağlanarak veri okuma işlemi erçekleştirilebilmektedir.

DHT11 ve Arduino Kullanımı // Arduinoturkiye.com DHT11 Test Programı #include <dht11.h> // dht11 kütüphanesini ekliyoruz. #define DHT11PIN 2 // DHT11PIN olarak Dijital 2"yi belirliyoruz. dht11 DHT11; void setup() { Serial.begin(9600); // Seri iletişimi başlatıyoruz. Serial.println("Arduinoturkiye.com DHT11 Test Programi"); } void loop() { // Sensörün okunup okunmadığını konrol ediyoruz. // chk 0 ise sorunsuz okunuyor demektir. Sorun yaşarsanız // chk değerini serial monitörde yazdırıp kontrol edebilirsiniz. int chk = DHT11.read(DHT11PIN); // Sensörden gelen verileri serial monitörde yazdırıyoruz. Serial.print("Nem (%): "); Serial.println((float)DHT11.humidity, 2); Serial.print("Sicaklik (Celcius): "); Serial.println((float)DHT11.temperature, 2); Serial.print("Sicaklik (Fahrenheit): "); Serial.println(DHT11.fahrenheit(), 2); Serial.print("Sicaklik (Kelvin): "); Serial.println(DHT11.kelvin(), 2); // Çiğ Oluşma Noktası, Dew Point Serial.print("Cig Olusma Noktasi: "); Serial.println(DHT11.dewPoint(), 2); // 2 saniye bekliyoruz. 2 saniyede bir veriler ekrana yazdırılacak. delay(2000);

DHT22 Sıcaklık Sensörü Dth11 sensörüne çok benzer. DHT22; -40 – +80 ℃ arasında ölçüm yapabilmektedir. Sıcaklık ölçüm doğruluğu 1 ℃ dir. 0-100 % RH arası nem ölçümü gerçekleştirebilmektedir. Nem ölçüm doğruluğu ise +- %5 RH dır. Kodlama sırasında dht22 kütüphanesinin indirilmesi gerekir. 2 saniyelik periyodlarla ölçüm yapılabilir.

DS18B20 Sıcaklık Sensörü Tek hatlı dijital sıcaklık sensörüdür. -55 ile 125 ℃ arasında ölçü yapabilir. Sensörün dahili ROMunda 64 bitlik benzersiz seri iletişim kodu bulunur. Endüstriyel sistemler ve tüketici ürünlerinde kullanılır. Kod yazarken «Onewire.h» kütüphanesini indirmek gerekir.

Sht15 Sıcaklık ve Nem Sensörü Kompakt, düşük maliyetli,yüksek hassaiyete sahip, uzun kullanımlı bir sensördür. CMOSens teknolojisi kullanır. Tıbbi uygulamalar, test ölçümleri, bina kontrol ve otomasyon uygulamlarında kullanılır. 4 saniyeden daha kısa zamanda tepki verir. Güç tüketimi çok küçüktür.

IR(Infrared Red) (Kızıl Ötesi) Sensörler IR(kızıl ötesi) algılayıcıları cisimlerin ısılarını algılarlar. IR kameraları görüntüleme yöntemi olarak gözle görülmeyen infrared ışın enerjisini (ısıyı) esas alan ve görüntünün genel yapısını infrared ışın enerjisine göre oluşmuş renkler ve şekillerin belirlendiği görüntüleme sistemidir. Siyah beyaz veya renkli (kırmızı sıcak, siyah soğuk) gibi renklerden siyah - kırmızı arasında oluşan bir görüntü verir. Genelde güvenlik amaçlı da kullanılabilir ama çok çeşitli sektörlerin de kullanımına açıktır. Özellikle ısıya güdümlü füze, gece görüş sistemleri ve benzeri askeri tekniklerin gelişmesi ile önemi artmıştır. Elektrik sektöründe ise, elektriksel problemlerin tespitinde kullanılır. Enerji sektöründe tesisat ve binalarda sıcaklık analizi için kullanılır.

Sıvı Kristalli Sicaklik Sensörleri Endüstride kullanılan birçok ticari yağlar ve hayvan vücudundaki protein ve yağlar sıvı kristal durumundadır. Sıvı kristallerin renkleri, kırmızıdan mora kadar değişmektedir. Sıcaklıkla Renk değişimi tersinir bir işlemdir. Sıvı kristaller kullanılarak, sıcaklık ölçülmesi ve görüntü elde edilmesinde kullanılmaktadır. Sıvı kristal sıcaklığı ölçülecek cisim üzerine sürülerek gözlenmesi ve fotoğrafı alınabilir. Teknikte sıvı kiristal cisim üzerine sürülür ve cisim üzerindeki sıcaklık dağılımı görünür hale gelir. Dış etkilerden korumak için sıvı kristalin üzeri polivinil alkol ile kaplanır.

Breadboard Bağlantıları yandaki gibidir.

Direnç Değer Hesaplaması (Direnç Kodları)

Direnç Kodları

LED’ler...

Arduino ve LED kullanımı void setup() { // initialize digital pin 9 as an output. pinMode(9, OUTPUT); } // the loop function runs over and over again forever void loop() { digitalWrite(9, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level) delay(1000); // wait for a second digitalWrite(9, LOW); // turn the LED off by making the voltage LOW

Arduino ve Çıt çıt Buton Kullanımı int ledPin=8; int butonPin=9; int butonDurum=0; void setup(){ pinMode(ledPin,OUTPUT); //led pinimizi çıkıs ayarladık pinMode(butonPin,INPUT); // buton pinimizi giriş ayarladık } void loop(){ butonDurum=digitalRead(butonPin); // dijital olarak okuduk if(butonDurum==HIGH){ digitalWrite(ledPin,HIGH); }else digitalWrite(ledPin,LOW);