Sensörler ve transdüserler sunumu & Kazım Anıl AYDIN | Ordu - 2012 | sensörler, transdüserler, sensör çeşitleri, sensörlerin sınıflandırılması, transdüserlerin sınıflandırılması, transdüser çeşitleri

1. KAZIM
ANIL
AYDIN

2. Giriş
Günümüzde üretilmiş yüzlerce tip algılayıcıdan söz edilebilir.
Mikro elektronik teknolojisindeki inanılmaz hızlı gelişmeler bu
konuda her gün yeni bir buluş ya da yeni bir uygulama tipi
geliştirilmesine olanak sağlamaktadır.
Teknik terminolojide Sensor ve Transducer terimleri
birbirlerinin yerine sık sık kullanılan terimlerdir. Transducer genel
olarak enerji dönüştürücü olarak tanımlanır. Sensor ise çeşitli
enerji biçimlerini elektriksel enerjiye dönüştüren cihazlardır.

3. Sensör nedir?
Algılayıcılar ("duyarga" da denmektedir) fiziksel
ortam ile endüstriyel amaçlı elektrik/elektronik cihazları
birbirine bağlayan bir köprü görevi görürler.
Bu cihazlar endüstriyel proses sürecinde kontrol ,
koruma ve görüntüleme gibi çok geniş bir kullanım
alanına sahiptirler.

4. Transdüser nedir?
Fiziksel ortam değişikliklerini (ısı, ışık, basınç, ses,
vb.) algılayan elemanlara “sensör”, algıladığı bilgiyi
elektrik enerjisine çeviren elemanlara transdüser denir.

5. Sensörlerin sınıflandırılması
Algılayıcıları birbirinden farklı birçok sınıfa
ayırmak mümkündür.

6. Giriş büyüklüklerine göre sensörler
Algılayıcılarla ölçülen büyüklükler 6 gruba ayrılabilir. Bunlar;
 Mekanik : Uzunluk, alan, miktar, kütlesel akış, kuvvet, tork
(moment), basınç, hız, ivme, pozisyon, ses dalgaboyu ve yoğunluğu
 Termal : Sıcaklık, ısı akışı
 Elektriksel : Voltaj, akım, direnç, endüktans, kapasitans,
dielektrik katsayısı, polarizasyon, elektrik alanı ve frekans
 Manyetik : Alan yoğunluğu, akı yoğunlugu, manyetik moment,
geçirgenlik
 Işıma : Yoğunluk, dalgaboyu, polarizasyon, faz, yansıtma,
gönderme
 Kimyasal : Yoğunlaşma, içerik, oksidasyon/redaksiyon, reaksiyon
hızı, pH miktarı

7. Çıkış büyüklüklerine göre sensörler
Temel olarak çıkış büyüklüğü analog yada
dijitaldir.
1-) Analog sensörler çıkışını belli değerler için
değiştiren doğrusal çıkışı olmayan sensörlerdir.
2-) Dijital sensörler ise çıkışını ölçtüğü
değerler için Lojik aralıkta çıkış veren sensörlerdir.

8. Besleme ihtiyacına göre sensörler
İki gruba ayrılırlar;
1-)Pasif sensörler
2-)Aktif sensörler

9. Pasif sensörler
Hiçbir şekilde dışardan harici enerji almadan
(besleme gerilimine ihtiyaç duymadan) fiziksel
değerleri bir başka büyüklüğe çevirirler.
Bu algılayıcı tipine örnek olarak Termocouple
(T/C) ya da anahtar gösterilebilir.

10. Aktif sensörler
Çalışmaları için harici bir enerji beslenmesine
ihtiyaç duyarlar. Bu algılayıcılar tipik olarak zayıf
sinyalleri ölçmek için kullanılırlar.
Bu tip algılayıcılar dijital ya da analog
formatta elektriksel çıkış sinyali üretirler.

11. Algılama şekillerine göre sensörler
İkiye ayrılır;
1-) Temaslı Algılayıcılar
Sensörün algıladığı cisme temas etmesi ile
gerçekleşen değişimin algılanmasıdır. Temas eylemi
genelde mekaniktir.
2-)Temassız algılayıcılar
Ayrık konum büyüklükleri için kullanılan, ya kısaca
ifade etmek gerekirse, bir nesnenin belirlenen bir
konumda bulunup, bulunmadığını saptayan
algılayıcılardır. Bu algılayıcılar temassız algılayıcı adı
altında gösterilmektedir.

12. Sensör çeşitleri

13. Temaslı Sensörler
Mekanik Konum Anahtarları , Basınç Sensörleri ,
Denge ve Eğim Sensörleri (Civalı Sensörler) Bu
kategoriye girmektedir.

14. Mekanik konum anahtarları
Robot çalışmalarında sıklıkla kullanılan touch
sensörler aslında basit anahtarlardır. Touch sensör
robotun bir cisme temas edip etmediğini ya da
sınırlandırılması gereken bir hareketin tamamlanıp
tamamlanmadığını algılamak için ( limit switch )
kullanılır.

15. Basınç sensörleri
Her türlü fiziki kuvvet ve basınç değişimini
algılayan ve bu değişimi elektriksel sinyale çeviren
elemanlara basınç sensörü denir.

16. 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.

17. Load Cell (Yük Hücresi) Basınç Sensörleri
Yük hücresi (load cell)
daha çok elektronik terazilerin
yapımında kullanılan basınç
sensörüdür. Asıl çalışma prensibi
strain gauge gibidir.

18. Strain Gauge (Şekil Değişikliği) Sensörleri
Temel olarak strain gaugeler
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.

19. Kapasitif Basınç Ölçme Sensörü
Kondansatör plakaları birbirinden uzaklaştırılırsa ya da
esnetilirse veya ki plaka arasındaki dielektrik malzeme hareket
ettirilirse, kondansatörün kapasitesi değişir. Kondansatörün
kapasitesi ile beraber alternatif akıma gösterdiği direnç de değişir.
İşte bu prensipten hareketle kapasitif basınç sensörleri
üretilmiştir.

20. Denge ve eğim sensörleri
Bu sensörler bulundukları konuma göre
içlerindeki civa damlacığının ya da metal bilyenin
sensör içerisindeki anahtarları açması ya da
kapamasıyla çalışır.

21. Temassız sensörler
Temassız sensörleri 7 gruba ayırabiliriz;
1-)Termal sensörler
2-)Manyetik sensörler
3-)Endüktif sensörler
4-)Kapasitif sensörler
5-)Optik sensörler
6-)Ses sensörleri
7-)Kimyasal sensörler

22. Termal sensörler
Ortamdaki ısı değişimini algılamamıza yarayan cihazlara ısı veya
sıcaklık sensörleri denir.
Dirençsel sıcaklık sensörleri (RTD)
PTC NTC
Bulunduğu ortamın veya
temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça
elektriksel direnci artan devre
elemanıdır.
Bulunduğu ortamın veya
temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça
elektriksel direnci azalan devre
elemanıdır.

23. Termistörler
Isıl Çiftler (thermocouple, termokupl)
Termokupullar demir
konstantan ve bakır konstantan
gibi iki farklı metalin birleşme
noktası ısıtıldığında bu iki metal
uçları arasında potansiyel bir fark
meydana gelir, prensibine göre
çalışır.
Termistörler, RTD ler gibi termistörler de sıcaklığa
duyarlı dirençlerdir ancak RTD lerden daha yüksek dirence
sahiptirler ve bu da onları daha hassas yapan bir özelliktir. Çünkü
yüksek dirençlerinden dolayı bağlantı uçlarının dirençlerinden
kaynaklanan ölçüm hatası RTD'lerinkinden çok daha küçük olur.

24. Entegre devre sıcaklık sensörleri
Yarı iletken entegre devrelerin gelişmesi ile
tümdevre sıcaklık sensörleri ortaya çıkmıştır.
Germanyum ve silisyum içerisine karıştırılan kristaller
ile üretilen sıcaklık sensörleri kullanılmaktadır.
Germanyum kristal malzemelerin dirençleri
sıcaklık ile ters orantılıdır. Silisyum kristal malzemelerin
dirençleri ise sıcaklıkla doğru orantılıdır. Germanyum
silisyum malzemelerin sıcaklık sensörü olarak çalışma
mantığı; normal germanyum silisyum PN birleşmeli
diyotlarda oluşan nötr bölgenin sıcaklık arttırılarak
aşılması sonucu bu bölgeden akım geçmesinin
sağlanmasıdır. Sıcaklık arttıkça bu bölgeden geçen akım
da artar.

25. Manyetik sensörler
Hall (Alan)Etkili Sensör
Yarı iletkenden elektronlar aktığı zaman akım
yönüne dik manyetik alan uyguladığımızda elektronlar
belli yerde toplanır. Toplanan elektronlar yarı iletkenin
öbür uçlarında gerilimi meydana gelmesine sebep olur.
Buna hall etkisi adı verilir. Gerilim ile manyetik alanın
şiddeti ve varlığı ile algılanır.
Reed Sensörü
Manyetik temassız algılayıcılar kalıcı mıknatısların ve elektromıknatısların
oluşturdukları manyetik alanlara etkirler. Reed-anahtarlarında ferromanyetik malzemeden
yapılan (Fe-Ni karışımı, Fe=demir, Ni=nikel) kontak dilleri eritilerek cam bir pistona
bağlanır.Reed-temassız algılayıcının yakınına bir manyetik alan yaklaştığı zaman, kontak
dilleri manyetiklenir.
Manyetiklenen kontak dilleri birbirlerini çeker ve kontak kapanır.

26. Endüktif sensörler
Manyetik alanlarına giren metal
nesneleri, hareket etseler de, etmeseler de
temassız olarak algılar.
Yapısında bobin türevi bir yapı vardır.

27. Kapasitif sensörler
Metallerin yanı sıra plastik, tahta, kağıt, kumaş vb.
malzemeleri algılayan sensör çeşididir. Bu sensörler ilke olarak
indüktif sensörlere benzer.
Algılama mesafeleri indüktif sensörlere göre daha fazladır.

28. Optik sensörler
LDR Fotodiyot
Fotopil
Işığa karşı öz
direnci değişen üzerinden
geçen akımı değiştiren
elemanlara optik sensör
denir. Işık miktarındaki
değişmeleri elektriksel
olarak dönüştürürler.
Foto diyotlar ters
polarmada 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.
Üzerine ışık düştüğünde
katotdan anota doğru akım
geçiren elemanlara foto diyot
denir.
Güneş pilleri
(fotovoltaik piller),
yüzeylerine gelen güneş
ışığını doğrudan
elektrik enerjisine
dönüştüren yarıiletken
maddelerdir.

29. Fototransistör
Optokuplör
Fototransistörler diğer transistörlerden farklı olarak base bacağı yerine
base ile kollektörün birleşim yüzeyine düşen ışıkla tetiklenirler. Genellikle led ile
birlikte yansıma sensörü olarak kullanılırlar.
Optokuplör kelime anlamı olarak
optik kuplaj anlamına gelir. Kuplaj bir sistem
içindeki iki katın birbirinden ayrılması ama
aralarındaki sinyal iletişiminin devam etmesi
olayıdır.

30. Engel algılama sensörleri
Mesafe algılama sensörleri
Engel tanıma sensörleri gelişmiş yansımalı sensörlerdir. Bu
sensörler bir IR verici led tarafından yayılan IR ışığın IR alıcı modül
ile toplanması mantığıyla çalışırlar. IR ışınların yayılımı kodlanmıştır
( uzaktan kumandalardaki gibi ) ve kesik kesiktir.
Mesafe algılaması gerektiren durumlardan
SHARP mesafe algılayıcı sensörler kullanılır. SHARP
sensörün yaydığı IR ışık engele çarpıp geri yansır ve
yansıyan IR ışık SHARP sensörün alıcısı tarafından
algılanır. Engel ile SHARP sensör arasındaki mesafeye
bağlı olarak IR ışığın yansıma açısı ve ışığın dedektör
üzerinde düştüğü nokta değişir.
Dedektör bu veriyi okur ve mesafeyi hesaplar.

31. PIR sensörler
Encoderler (Şaft pozisyon algılayıcılar)
PIR sensörler görüş alanlarındaki insanların ve sıcak
kanlı canlıların yaydıkları IR ışıkları algılayabilen sensörlerdir.
Genellikle hareket sensörü olarak kullanılırlar (hırsız alarmları,
otomatik aydınlatma üniteleri gibi yerlerde).
Encoderler robot ve otomasyon
projelerinde açısal dönme hızını ve düzeneğin
açısal pozisyonunu belirlemek amacıyla
kullanılır. Encoder diskinin üzerinde belirli
aralıkla delikler vardır. Encoder diski
dönerken IR ledin yaydığı ışık deliklerden
geçer ve karşı taraftaki fototransistörü
tetikler. Delik olmayan kısımlarda ise IR ışık
fototransistörü tetikleyemez.

32. Ses sensörleri
Ultrasonik sensörler genellikle
robotlarda engellerden kaçmak,
navigasyon ve bulunan yerin haritasını
çıkarmak amacıyla kullanılmaktadır.
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 aslında bir nevi transdüser
sayılabilir çünkü bir dönüştürme süreci söz konusudur.

33. Kimyasal sensörler
Kimyasal sensörlerden en çok kulanılan sensör LPG
gaz sensörüdür.
LPG gaz sensörü genellikle doğal gaz tesisatında
ev için güvenlik önlemi olarak kullanılmaktadır.
Algıladığı gazlar ise bütan,propan ve benzeri
gazlar tespit edebilir.

34. Diğer sensörler
1-)Akış ölçüm sensörleri
2-)Yoğunluk ölçüm sensörleri
3-)Ph ölçüm sensörleri
4-)360o eğim sensörü
5-)Seviye ölçüm sensörleri

35. Akış ölçüm sensörleri
Akış transdüserleri kalorimetrik
algılama metoduna uygun olarak çalışırlar (
sıcaklık transferi/soğutma davranışı ).Sıcaklığa
bağımlı olarak değişen iki direnç bir ölçüm
köprüsü olarak sensörün içine yerleştirilmiştir.
Dirençlerden biri akışkan sıvı
etrafındaki sıcaklığı ölçen aygıttır diğeri ise ısıtıcı
elemana termal bağlantılıdır. Isıtıcı elemana
gerilim uygulandığında her iki direnç arasındaki
ölçüm sonucu bir sıcaklık farkı yaratır.Sıvı
akmadığı müddetçe bu fark sabit bir değerdir.

36. Yoğunluk ölçüm sensörleri
Yoğunluk ölçüm cihazları sıvıların ve katı
maddelerin yoğunluğunu yüzdürme yöntemi ile
belirler. Yoğunluk ölçümü yüzdürme yönteminde
kullanılan camdan bir bob ile yapılmaktadır.
Katı maddelerde ise yoğunluk tespiti
kitle probun ağırlık ve hacminin ölçülmesi ile
gerçekleşmektedir.
Sıvıların hacminin sıcaklığa bağlı olması
sebebiyle yoğunluk ölçüm cihazları ölçüm
sonuçlarının manüel veya otomatik bir sıcaklık
kompenzasyonuna sahiptir. Yüzdürme kuvveti
uzaklaştırılan sıvının ağırlığına eşittir.

37. Ph ölçüm sensörleri
Ph, elektrik sinyali üreten bir araç
(elektrot) kullanılarak Ph metre cihazı sayesinde
bu elektriksel sinyali, Ph birimine çeviren
potansiyometrik bir ölçümdür. Üretilen ve ölçülen
sinyal bir voltajdır.
1- Algılama elektrotu ürün içindeki
hidrojen iyon aktivitesinin logaritmasına oransal
bir gerilim sağlar,
2- Referans elektrot ideal olarak ürünün
aktivitesinden bağımsız sabit ve sürekli bir gerilim
sağlar.
Referans ve algılama elektrotu
arasındaki bu gerilim farkı ph metre tarafından
ölçülür ve pH değerine çevrilir.

38. 360o eğim sensörü
0-180 derece ölçme aralığında 0,04 derece
hassasiyetinde 0-10 volt, 0-20 ma. veya 4-20
ma. kısa devre korumalı çıkışı vardır.
Endüstriyel uygulamalarda linear cetvel,
potansiyometre, enkoder ile yapılan bir çok ölçme
işlemini açı sensörü ile yapabilirsiniz.

39. Seviye ölçüm sensörleri
Seviye Kontrolü uygulamalarında, bir çok eski ve geleneksel metodlar
halen kullanılıyor olmasına rağmen, biz burada seviye ölçümüne genel bir bakış
oluşturmak ve farklı yöntemler de olduğunun bilinmesini sağlamak istiyoruz.