Sensörler ve Biyosensörler Yrd. Doç. Dr. Mustafa Erbakan 6/10/2016

Sensör Karakteristikleri Örnek: ADXL150 ivme sensörü

Sensör Karakteristikleri Transfer Fonksiyonu: Çıkış sinyaliyle (Voltaj) giriş sinyalini (İvme) birbirine bağlayan fonksiyondur , ĝ= 9,81 m/s2 Ofset Voltajı: Sensör giriş sinyali sıfır olduğunda (â=0), sensörün çıkış voltajıdır.

Sensör Karakteristikleri Hassasiyet: Sensörün algıladığı fiziksel büyüklüğün birim miktarı başına elde edilen çıkış sinyalidir. Transfer fonksiyonunun giriş sinyaline göre türevidir.

Sensör Karakteristikleri Dinamik Aralık: Sensör tarafından çıkış sinyaline çevrilebilen en yüksek ve en düşük giriş sinyali arasındaki fark. ADXL322 ivme sensörünün dinamik aralığı ±2g olarak verilmiştir.

Histerezis: Minimum giriş sinyalinden maksimum giriş sinyaline doğru gidildikçe elde edilen çıkış sinyali değerlerinin, maksimum giriş sinyalinden minimuma doğru gidildiğinde elde edilen çıkış sinyali değerlerinden farklı olmasıdır. Bu sensör için herhangi bir histerezis kaynağı belirtilmemiş.

Sensör Karakteristikleri Sıcaklık Katsayısı: Bu sensörün hassasiyeti sıcaklıkla 0,025%/°C oranında değişmektedir. Sıcaklık ofset voltajını da 2 mg/°C veya 3 mV/°C oranında etkilemektedir. Örnek: ADXL150 sensörünün kalibrasyonu 25°C yapılmışsa, 50°C’deki sensörün hassasiyetini ve ofset voltajını bulunuz. a) Hassasiyet, 25°C = 165 mV/ĝ Hassasiyet, 50°C = 165 ± [(50-25)°C*165 mV/ ĝ *(0,025/100)/°C] = 165 ± 2,063 mV/ĝ b) Ofset Voltajı, 25°C = 1,5V Ofset Voltajı, 50°C = 1,5V ± [(50-25)°C*1,5V*0,003V/°C] = 1,5V ± 0,113 V

Sıcaklık Katsayısı

Sensör Karakteristikleri Non-lineerlik: Belirli bir dinamik aralık için lineer transfer fonksiyonundan maksimum sapmayı gösterir. Eğer ymin=0 ise Bu sensör için non-lineerlik (doğrusallıktan sapma) 0.2%’den az olarak belirtilmiştir.

Sensör Karakteristikleri Gürültü: Çıkış sinyalinde giriş sinyalinden bağımsız olarak meydana gelen değişmelerdir. ADXL150 sensörünün gürültü seviyesi gürültü yoğunluğu (N0) cinsinden 300 µĝ/√Hz olarak verilmiştir. N0(N/√∆f) = 300 µĝ/√Hz VN/√∆f =(300*10-6 ĝ /√Hz)*(165mV/ ĝ)=0,5µV/√Hz Sensörün bant genişliğini 10 Hz olarak alırsak etkin gürültü voltajı: VN=(0,5µV/√Hz) * √10 Hz = 1,5µV Gürültüden kaynaklı ivme ölçümü hatası N=N0*√∆f= (300 µĝ/√Hz)* √10 Hz = 949 µĝ ≈ 1 mili ĝ

Çözünürlük: Sensörün tespit edebileceği en küçük sinyal değişimidir. ADXL150 sensörünün çözünürlüğü 300µĝ/√Hz olarak verilmiş. Gürültü örneğinde olduğu gibi sensör 10 Hz’lik bir alçak geçirgen filtreyle beraber kullanılırsa, ĝ cinsinden çözünürlük, 1 mili ĝ olarak bulunur.

Bant Genişliği: Sensörün etkin bir şekilde giriş sinyallerini algılayıp çıktı üretebileceği frekans aralığı. ADXL150 sensörünün bant genişliği kullanıldığı devrede yeralan kondansatör ve direnç değerlerine göre belirlenir. High pass filter

Sensör Çeşitleri Rezistif sensörler Ohm Kanunu’na uyarlar ve dışarıdan gelen fiziksel uyarılara göre direnç değerleri değişir. V=I*R Kapasitif sensörler, algıladıkları fiziksel değişimleri kapasitanstaki değişim olarak ifade ederler. Kondansatörler dirençlerde olduğu gibi bir empedans olarak adlandırılan bir direnç değerine sahiptir i= √-1 (faz bilgisini içerir), f=salınım frekansı (Hz), ω= 2∏f açısal hız (radyan/saniye), C kapasitans (Farad,F) İndüktör (bobin) empedansı aşağıdaki formülle ifade edilir. Burada L indüktans (Henry), f=salınım frekansı (Hz),

Sinyal Algılama, İletimi ve İşlenmesi Birincil transdüser Sensör (Algılama) İkincil Transdüser Gerilim Bölücü, Wheatstone Köprüsü (Değerlendirme) Filtre (Seçme) Op-Amp (Yükseltme)

Gerilim Bölücü Gerilim bölücü, bir yük direnci R1 ile sensörün seri olarak bağlanmasıyla elde edilir. Sensörden doğrusal çıkış sinyali elde edebilmek için R1>>RS olmalıdır. Böylece sensör voltajı, Vs, sensör direnci Rs ile doğru orantılı olarak tespit edilir Gerilim Bölücü

Örnek: Gerilim Bölücü-1 V1, V2 ve V3 değerini hesaplayınız V1+V2+V3= VT = 12V (Kirchoff’un Gerilim Yasası) V1 =IR1 , V2 =IR2 , V3 =IR3 , VT =IRT (Ohm Kanunu) V1 = VT R1 /RT = 12*3/12=3V V2 =VT R2 /RT = 12*4/12=4V V3 = VT R3 /RT = 12*5/12=5V

Örnek:Gerilim Bölücü-2 V1, V2, V3, Va’yı bulunuz. V1=IR1=Vt*R1/Rt=24*2/12=4V V2=IR2=Vt*R2/Rt=24*4/12=8V V3=IR3=Vt*R3/Rt=24*6/12=12V Va=V2+V3=Vt*(R2+R3)/Rt=20V Va

Wheatstone Köprüsü Wheatstone Köprüsü gerilim bölücüyle aynı işlevi görmekle beraber ölçüm hassasiyetini oldukça arttırmaktadır. Wheatstone Köprüsü’nde direnç değeri tayin edilecek sensörle (Rx) birlikte, sabit direnç değerine sahip R1 ve R3 dirençleri ve bir potansiyometre (R2) yeralır. Vcc

Örnek: Wheatstone Köprüsü ACB kolu için ADB kolu için Bu durumda a) Vout’u hesaplayınız b) Vout=0 olması için R4’ün değeri ne olmalıdır?

Örnek: Wheatstone Köprüsü Vout=0 ise

Filtreler Alçak Geçirgen Filtre: Bu filtreler düşük frekanslı DC sinyalleri geçirirken yüksek frekanslı AC sinyalleri (şebekeden kaynaklanan gürültü) geçirmezler. Faz Kayması

Filtreler Yüksek Geçirgen Filtre: Belirli bir eşik frekans değerinin üzerindeki sinyalleri geçiren, bu değerin altındaki sinyalleri gerçirmeyen filtredir.

Operasyonel Yükselticiler Pasif sensörlerin çıkış sinyalleri çok düşüktür (birkaç mikro volt) ve sinyalin değerlendirilmesi için mikroişlemciye gönderilmeden önce yükseltilmesi gerekir. Op-amplar sensör devrelerinde sıklıkla kullanılınırlar. Op- amp iki girişi ve bir çıkışı olan, çok yüksek voltaj yükseltme kazancına sahip entegre devrelerdir.

Operasyonel Yükselticiler Sinyalin yükseltilmesi,op-amp’ların yapısında bulunan çok sayıda transistörle gerçekleştirir. LM741 Op-Amp Şeması

Operasyonel Yükselticiler Op-Amp’ları 5 önemli özelliği vardır * Kazancı çok fazladır (Çıkış voltajı/Giriş voltajı). (Örneğin, 200.000) * Giriş empedansı çok yüksektir. (5 MΩ) * Çıkış empedansı sıfıra yakındır. * Band genişliği fazladır. (1MHz) * Girişe 0 Volt uygulandığında, çıkıştan yaklaşık 0 Volt elde edilir. Op-Amp Altın Kuralları Op-Amp’ın giriş empedansı çok yüksek olduğu için Op-Amp’a akım girişi olmadığı varsayılır. Negatif geri besleme yapıldığında, çıkış voltajı giriş voltajlarını birbirine eşitleyecek değeri alır.

Op-Amp Kullanımı Terslemeyen Yükselteç Terslemeyen Yükselteç Karşılaştırıcı Vs+ Vs- Vout= Vs+ , eğer V+(Vin) > V- Vs- , eğer V-(Vin) > V+ Vout= (1+R1/Rf)Vin Açık devre yükseltici Kapalı devre yükseltici