Sensorler ders1

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.print(temp);
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
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
•
• }
delay(1000);
// wait for a second
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);
}