SENSÖRLER KONTROL VE OTOMASYON TEKNOLOJİSİ Öğr. Gör. Orhan GÜNGÖR Bilgisayarlı Veri Toplama ve Kontrol

1. SENSÖRLER İnsanlar çevrelerindeki değişiklikleri duyu organları vasıtası ile algılarlar ve buna bağlı olarak da hareket ederler. Buna örnekler verecek olursak üşüdüğümüzde ısıtıcıyı açarız veya ortam karanlık olduğunda ışığı açarız. Bu işleri bizim yerimize yapacak cihazlar olsa ne güzel olurdu diye düşündüğümüz olmuştur. İşte tüm bu fiziksel ortam değişikliklerini (ısı, ışık, basınç, ses, vb.) bizim yerimize algılayan cihazlara “sensör” denir.

Sensörlerden alınan veriler elektrik sinyaline dönüştürüldükten sonra elektronik devreler tarafından yorumlanarak mekanik aletlere kumanda edilebilir. Bu sayede hem günlük hayatımızı hem de endüstriyel üretim süreçlerini çok daha kolaylaştırmış oluruz.

Şekil 1.1: Çeşitli optik sensörler

Şekil 1. 1'de çeşitli optik sensörler görülmektedir Şekil 1.1'de çeşitli optik sensörler görülmektedir. Şekilden de anlaşılacağı gibi piyasadaki sensörler tek bir yapı şeklinde bulunmamakta; ihtiyaca, kullanım yerine ve hassasiyete göre boyutları ve şekilleri değişmektedir. Bu durum sadece optik sensörler için değil tüm sensörler için geçerlidir. Bundan dolayı ihtiyacımız olan sensörü ancak firmaların kataloglarını inceleyerek seçebiliriz. Sensörlerin diğer elektronik malzemeler gibi standart bir yapıları veya şekilleri yoktur.

1.1. Çeşitleri Ortamda oluşan fiziksel bir değişiklikten dolayı mekani bir makineyi veya elektronik bir devreyi çalıştırmamız gerektiğinde sensörleri kullanırız. Ancak tespit edeceğimiz değişikliğe uygun sensör kullanmalıyız. Örneğin ortamdaki sıcaklık değişimini algılamak için ısı sensörlerini, ışık değişimini algılamak için optik sensörlerini kullanmalıyız. Sensör çeşitlerini şöyle sıralayabiliriz.

Isı Sensörleri Manyetik Sensörler Basınç (gerilme) Sensörleri Optik Sensörler Ses Sensörleri Bu arada bahsetmemiz gereken bir konu da sensörlerin aktif ve pasif sensörler olarak sınıflandırılmasıdır. Pasif sensörler çalışırken dışardan enerjiye ihtiyaç duyan elemanlardır. Aktif sensörler ise çalışmak için dışardan bir enerjiye ihtiyaç duymayan elemanlardır.

1.2. Çeşitli Sensör Uygulamaları Şekil deki uygulamada üzerinde hareket algılayıcı bir sensöre sahip olan otomatik bir kapı görülmektedir

Şekil 1.3:Metal dedektörü İçinden geçmiş olduğumuz metal detektör cihazı manyetik sensörler vasıtası ile silah bıçak gibi yoğun metalleri algılayarak alarm veren bir cihazdır. Şekil 1.3:Metal dedektörü

ISI SENSÖRLERİ Ortamdaki ısı değişimini algılamamıza yarayan cihazlara ısı veya sıcaklık sensörleri diyoruz. Birçok maddenin elektriksel direnci sıcaklıkla değişmektedir. Sıcaklığa karşı hassas olan maddeler kullanılarak sıcaklık kontrolü ve sıcaklık ölçümü yapılır.

Termokupl ( Isılçift ) Çalışma Prensibi Bütün iletkenler ısıtıldıklarında içlerinde bulunan elektronlarda bir hareketlenme meydana gelir. Ancak bu hareketlenme çeşitli iletkenler arasında farklılık göstermektedir. Bu maddenin ayırt edici özelliklerinden biridir. Biz de iletkenlerin bu farklarından yararlanarak sıcaklık ölçümü yapabiliriz

İki farklı iletkenin birer uçları birbirine kaynak edilip ya da sıkıca birbirine bağlanıp boşta kalan uçlarına hassas bir voltmetre bağlandığında, eğer birleştirdiğimiz ucu ısıtırsak, sıcaklıkla orantılı olarak voltmetrede mV‘ lar mertebesinde bir DA gerilim elde ederiz. Elde ettiğimiz gerilimin değeri kullandığımız metallerin sıcaklığa verdiği tepki ile orantılıdır.

Termokuplun yapısı

Termokuplun Kullanım Alanları Termokupllar -200 ºC ile +2300 ºC arasında çalışabildiklerinden endüstride en çok tercih edilen ısı kontrol elemanlarıdır. Genellikle endüstri tesislerindeki yüksek sıcaklıkta çalışan kazanların ısı kontrolünde kullanılır

MANYETİK SENSÖRLER 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 nüvenin hareketi ve bobinin çevresinden yaklaştırılan metaller bobinin indüktansını değiştirir. İşte bu prensipten hareketle manyetik sensörler geliştirilmiştir

Bobinli endüktif sensör Bobinli manyetik sensörler: Bir bobinin içinde bulunan nüvenin konumu Şekil de görüldüğü gibi hareket ettildiği zaman bobinin indüktansı değişmektedir. İşte bu prensipten yola çıkılarak bobinli manyetik sensörler geliştirilmiştir. Bobinli endüktif sensör

BASINÇ (GERİLME)SENSÖRLERİ Her türlü fiziki kuvvet ve basınç değişimini algılayan ve bu değişimi elektriksel sinyale çeviren elemanlara basınç sensörü denir. Çeşitleri Basınç sensörleri, çalışma prensibine göre dört grupta incelenebilir. Bunlar: Kapasitif basınç ölçme sensörleri Strain gage (şekil değişikliği) sensörler Load cell (yük hücresi) basınç sensörleri Piezoelektrik özellikli basınç ölçme sensörleri

Strain Gage (Şekil Değişikliği) Sensörler

Temel olarak strain gageler esneyebilen bir tabaka üzerine ince bir telin veya şeridin çok kuvvetli bir yapıştırıcı ile yapıştırılmasından oluşmuştur. Üzerindeki basıncın etkisinden dolayı tabakanın esnemesi ile birlikte iletken şeridin de gerilerek uzamasına sebep olacaktır.Bu uzama esnasında telin boyu uzayarak kesiti azalacaktır. Bilindiği gibi iletkenlerin kesiti azaldıkça dirençleri artacağından uygulanan kuvvete bağlı olarak iletkenin direncinde değişme olacaktır. Bu direnç değişimine bağlı olarak uygulanan kuvvetin miktarını tespit edilebilir.

Piezoelektrik Basınç Ölçme 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. Bu elemanlar üzerlerine gelen basınca göre küçük değerli bir elektrik gerilimi ve akımı üretir. Bu elektrik akımının değeri basıncın değeri ile doğru orantılıdır. Piezoelektrik özellikli elemanlar hızlı tepki verdiklerinden ani basınç değişikliklerini ölçmede yaygın olarak kullanılır

OPTİK SENSÖRLER Işık etkisi ile çalışan elektronik devre elemanlarına genel olarak optik elemanlar diyoruz.

Foto Direnç (LDR) Üzerine ışık düştüğünde direnci azalan, karanlıkta ise yüksek direnç gösteren devre elemanına foto direnç denir. Çalışma Prensibi Kalsiyum sülfat ve kadmiyum selenid gibi bazı maddeler üzerlerine düşen ışık ile ters orantılı olarak direnç değişimi gösterir. Bu maddelerden yararlanılarak foto direnç adı verilen devre elemanları yapılmıştır.

Kullanım Alanları Işık değişimi ile kontrol etmek istenilen tüm devrelerde kullanabilir.Özellikle gece lambaları ve sokak lambalarında kullanılmaktadır. Foto direnç ve sembolü

Foto Diyot Üzerine ışık düştüğünde katotdan anota doğru akım geçiren elemanlara foto diyot denir. Çalışma Prensibi Foto diyotlar ışık etkisi ile ters yönde iletken olan diyotlardır. Ters polarma altında kullanılır. Doğru polarmada normal diyotlar gibi çalışır, ters polarmada ise N ve P maddelerinin birleşim yüzeyine ışık düşene kadar yalıtkandır. Birleşim yüzeyine ışık düştüğünde ise birleşim yüzeyindeki elektron ve oyuklar açığa çıkar ve bu şekilde foto diyot üzerinden akım geçer.

Çeşitli foto diyotlar ve sembolü Kullanım Alanları Foto diyot televizyon veya müzik setlerinin kumanda alıcılarında yaygın olarak kullanılır.

LED Diyot LED’lerin, yeşil, kırmızı, sarı ve mavi olmak üzere 4 çeşit renk seçeneği vardır. Piyasada çok değişik şekil, ebad, renk ve fiyatta bulunmaktadır. LED diyotlar doğru polarmalandırıldıklarında ışık yayan elektronik devre elemanlarıdır. LED diyot ve sembolü

LED DİYOT Kullanım Alanları Bu ışıklı diyotlar, kullanışlı ve pratik olmalarının yanı sıra oldukça ucuz olmaları nedeniyle gösterge olarak diğer tip lambaların yerini almışlardır. LED diyotların kullanım alanları çok geniştir. Çok az enerji harcadıkları için elektronik devrelerin testlerinde, tüm elektronik cihazların üzerinde çalıştığını gösteren ışık olarak kullanılmaktadır. Genellikle LED diyotların bacakları karıştırılmaktadır. Şekil de görüldüğü gibi kısa bacak katot, uzun bacak ise anotdur. LED’in bacakları aynı boyda ise içindeki plakalara bakarak küçük olanı anot büyük olanı katottur diyebiliriz. Bunun yanında LED diyotların katot ucunun olduğu tarafta bir kesik bulunmaktadır.

Foto Pil (Işık Pili, Güneş Pili) Çalışma Prensibi Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerdir. Güneş pili ve sembolleri

Şebekeye enerji veren güneş pilleri ve güneş enerjisi ile cep telefonu şarji

Güneş pilleri ile sokak aydınlatması ve çatısı güneş pili kaplı ev Kullanım Alanları Güneş pilleri ile sokak aydınlatması ve çatısı güneş pili kaplı ev

SES SENSÖRLERİ Mikrofon Mikrofon Şekil de görüldüğü gibi, ağzından çıkan veya herhangi bir şekilde yayınlanan ses havada basınç değişimi yaratmakta ve bu basınç değişimi, suya atılan taşın yarattığı dalgaya benzer şekilde havada bir dalga iletimi şeklinde yayılmaktadır. Ses aslında hava basıncındaki değişimdir. 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.

Hoparlör Elektriksel sinyalleri insan kulağının duyabileceği ses sinyallerine çeviren elemanlara “hoparlör” denir. Hoparlör ve sembolü

Dinamik (Hareketli Bobinli) Hoparlörler Hoparlörün yapısı

Dinamik hoparlörlerde yükselteçten gelen AC özellikli sinyaller hoparlör içindeki bobinin etrafında değişken bir manyetik alan oluşturur. Bu alan ile sabit mıknatısın alanı birbirini itip çekerek diyaframın titreşimine sebep olur. Diyaframın ses sinyallerine göre titreşimi havayı titreştirir. Kulak zarı da buna bağlı olarak titreşerek sesleri algılamamızı sağlar.

Piezoelektrik (Kristal) Hoparlörler Şekil de yapıları görülen piezoelektrik hoparlörler çizgi biçiminde, birbirine karşı polarize edilmiş, bükülgen piezooksit (kurşun, elmas, titan karışımı) maddeden yapılmışdır. Şeritlere akım uygulandığında, boyut uzayıp kısalır ve karşıdakini itip çeker. Bu titreşim ise esnek membranı hareket ettirerek ses oluşur. Piezoelektrik hoparlörler daha çok yüksek frekanslı seslerin elde edilmesinde (kolonların tivitırlarında) ve kulaklıklarda kullanılmaktadır. Aynı zamanda dijital saatlerde kullanılan hoparlörlerde buzzer olarak piezoelektrik esasına göre çalışır.

Piezoelektrik hoparlörler

Sensörlerin Dezavantajları 1.Kolay Kırılma: Sağlamlıktan emin olmak için sıcaklıkla paketlemede çok dikkatli olunması gerekir. 2. Optik Elemanların Küçük Skalası: Optik fiberlerin küçük boyutları,montaj ve saha onarımları boyunca özel teknikler, kullanımlar isteyen hizalama,cihaz işletme problemlerine sebep olabilir

3. Çoklu Çevre Parametrelerine Hassasiyet: Isıl ve akustik /titreşimli girişimler yüksek hassasiyetli cihazlarda bir problem olabilir. Özel paketleme ve sinyal işleme gerekli olabilir 4. Sınırlı Optik Band Genişliği: Spektroskobik uygulamalar,kızıl ötesi transmisyon fiberlerinin mevcudiyeti ile sınıflandırılır.(orada dalga boyu =3μm) Kızıl ötesi fiberler için özel kaplama kullanılmaktadır.

5. Maliyet: Özel fiyatlıdırlar 5. Maliyet: Özel fiyatlıdırlar. Çoğu mevcut fiber elemanı ve tekniği haberleşme gereklerinden türer. Bu yüzden bütün sensörler için en uygun değildir.

Sensörlerin Avantajları 1. Güvenlik: Metalik olmayan yapısı, tehlikeli voltajların geçmesine ve kıvılcım riskine müsaade etmez (yüksek optik güç seviyelerinde fiberin kırılması patlama yapabilir). 2. Küçük Kablo Boyutu Ve Ağırlığı: Uzay uygulamalarında, kıyıdan uzak ve çok uzak uygulamalarda kullanışlıdır. Bu uygulamalarda ağır kabloların döşenmesi pahalı ve zordur.

3. Elektromanyetik Girişimden Etkilenmez: Elektrik enerji kabloları ile diğer yüksek elektrik alanları ( trafo yanı gibi) içinde beraber döşenebilir. 4. Pasif Radyo Frekansı: FR yayılımları olmaz, RF kaplama içinde kalır. 5. Düşük Termal Ve Atalet Kütlesi: Bir uzunluk boyunca toplam ölçüm, sıcaklık sezisme ve hızlı tepkime için (1μsn den daha az ) kullanışlıdır. Örneğin, ivme metreye uygulanabilir, fakat termal etkilerden etkilenebilir

6. Küçük Sensör Boyutu: Çok küçük hacimler içerisin de veya zor gözleme durumlarında kullanılabilir. (Tıbbi uygulamalar gibi). 7. Seçici Yüzey Hassasiyeti: Toplam dahili yansıma ve yüzey plasman etkileri, kimyasal numuneleri sezmek için kullanılabilir. (Tersi problem olabilir). 8. Radyasyon Hassasiyeti: Radyasyona karşı korunan yer altı istasyonlarında kullanılır.

9. Geometrik Çok Yönlülük: Çeşitli konfigürasyonlar içinde şekillendirilebilir, sarılabilir. Hidrofon dizilerde, manyetik gradyant sezinleme ve fiber gyro bobinlerde olduğu gibi. 10. Güç Transferi: Silica fiberlerin verimi, uzaklık mesafeli sensörlerin optik gücünü destekleyebilir. Sensör tarafındaki elektrik güç kaynağına olan ihtiyacı ortadan kaldırabilir.

Aşağıdakilerden hangisi sensörler Dezavantajlarından değildir? A)Kolay Kırılma B)Optik Elemanların Skalası C)Çoklu Çevre Perametrelerine Hassaiyet D)Maliyet E)Güvenlik

Aşağıdakilerden hangisi sensörlerin avantajları arasında yer almaz? a)Radyasyon Hassasiyeti b)Küçük Sensör Boyutu c)Seçici Yüzey Hassasiyeti d)Enerji Tasarrufu e)Sınırlı optik band genişliği