Endüktif sensörler nasıl çalışır?

Endüktif konum ve hız sensörlerinin çok çeşitli şekilleri, boyları ve tasarımları vardır. Bütün endüktif sensörlerin transformatör prensibiyle çalıştığı söylenebilir ve hepsi alternatif elektrik akımlarına dayalı fiziksel bir olayı kullanır. Bunu ilk olarak 1830’larda Michael Faraday, akım taşıyan birinci bir iletkenin, bir akımı ikinci bir iletkende akması için ‘endükleyebildiğini’ bulduğu zaman gözlemlemiştir. Faraday’ın keşifleri sonucu elektrikli motorlar, dinamolar ve tabi ki endüktif konum ve hız sensörleri bulunmuştur. Bu sensörlerin arasında basit yakınlık sviçleri, değişken endüktans sensörleri, değişken relüktans sensörleri, senkrolar, çözücüler, döner ve lineer değişken Diferansiyel Transformatörler (RVDT’ler ve LVDT’ler) yer alır.

Endüktif sensörlerin farklı türleri

Basit bir yakınlık sensöründe (bazen proksimite ya da proks svici de denir), cihaza elektrik enerjisi verilir ve bunun sonucunda bir bobinden alternatif akım geçirilir (buna bazen kapalı devre, kangal ya da sargı da denir). Çelik bir disk gibi, iletken ya da manyetik olarak geçirimli bir hedef bobine yaklaştığında, bu durum bobinin empedansını değiştirir. Bir eşik aşıldığında, bu, hedefin mevcut olduğuna dair bir sinyal görevi görür. Yakınlık sensörleri tipik olarak metal bir hedefin varlığı ya da yokluğunun algılanması için kullanılır ve çıkış genellikle bir svici emüle eder. Bu sensörler yaygın olarak, normalde geleneksel bir sviçteki elektrik kontaklarının sorun çıkaracağı yerlerde – özellikle çok fazla kir veya su olan yerlerde kullanılır. Arabanızı araba yıkayıcıya soktuğunuzda pek çok endüktif yakınlık sensörü görürsünüz.

Değişken endüktans ve değişken relüktans sensörleri tipik olarak iletken ya da manyetik olarak geçirimli bir nesnenin (normalde çelik bir çubuk) bir bobine göre deplasmanıyla orantılı bir elektrik sinyali üretir. Yakınlık sensöründe ise, bir bobinin empedansı, hedefin alternatif akım verilen bir bobine göre deplasmanıyla orantılı olarak değişir. Bu cihazlar genelde, pnömatik ya da hidrolik sistemlerdeki silindirlerin içindeki pistonların deplasmanını ölçmekte kullanılır. Piston, bobinin dış çapının üzerinden geçecek şekilde ayarlanabilir.

Senkrolar, birbirlerine bağlı olarak hareket eden bobinlerin arasındaki endüktif kaplini ölçer. Genelde dönerdirler ve hem hareketli hem de sabit parçalara (tipik olarak rotor ve statör olarak anılırlar) elektrik bağlantısı olmasını gerektirirler. Son derece yüksek doğruluk sağlayabilirler ve endüstriyel metrolojide, radar antenlerinde ve teleskoplarda kullanılırlar. İnanılmaz derecede pahalı olan ve günümüzde kullanımlar giderek azalan senkroların yerini (fırçasız) çözücüler almaktadır.

LVDT’ler, RVDT’ler ve çözücüler,

genellikle birincil ve ikincil sargılar olarak anılan bobinlerin arasındaki endüktif kuplaj değişimlerini ölçer. Birincil sargı, enerjiyi ikincil sargıya kuple eder, ama ikincil sargılara kuple edilen enerjinin oranı, manyetik olarak geçirimli bir hedefin nispi deplasmanıyla orantılı olarak değişir. LVDT’lerde, bu genellikle sargıların deliğinden geçen metal bir çubuktur. RVDT’ler ya da çözücülerde, normalde rotorun dış yüzeyi çevresinde düzenlenmiş sargılarla bağlantılı olarak dönen şekillendirilmiş bir rotor ya da ucay parçasıdır. LVDT’ler ve RVDT’lerin tipik uygulamaları arasında hidrolik havacılık kanat, motor ve yakıt sistemi kontrollerindeki servolar yer alır.  Çözücüler için tipik uygulamalar arasında fırçasız elektrik motoru komütasyonları bulunur.

Endüktif sensörlerin önemli bir avantajı,

ilgili sinyal işleme devrelerinin algılama bobinlerinin yakınında yer almasının gerekmemesidir. Bu sayede algılama bobinleri, normalde nispeten daha narin olduklarından manyetik ya da optik gibi diğer algılama tekniklerini imkansız kılacak olan zorlu ortamlara, silikon bazlı elektronikler de algılama noktasına yerleştirilebilir.

Uygulamalar

Endüktif sensörlerin zorlu koşullarda güvenilir çalıştıkları uzun süredir kanıtlanmış durumdadır. Bu yüzden genelde güvenlikle ilgili, güvenliğin şart olduğu veya yüksek güvenilirlik gerektiren uygulamalarda ilk seçimdirler. Bu uygulamalar, askeri, havacılık, demiryolu ve ağır endüstri sektörlerinde yaygındır.

Bu sağlam itibarın sebebi temel fiziğe ve çalışma prensiplerine bağlıdır ve bunlar genelde şunlardan bağımsızdır::

• hareketli elektrik kontakları
• sıcaklık
• nem, su ve yoğuşma
• kir, yağ, çakıl ve kum gibi yabancı maddeler

Güçlü ve zayıf yönleri

Sargı bobinler ve metal parçalar gibi temel çalışma unsurlarının tabiatından ötürü çoğu endüktif sensör son derece sağlamdır. Bu sağlam itibarları düşünüldüğünde akla şu soru gelir: ‘Endüktif sensörler neden daha sık kullanılmıyor?’. Bunun sebebi fiziksel sağlamlıklarının hem güçlü hem de zayıf yönleri olmasıdır. Endüktif sensörler genelde doğru, güvenilir ve sağlamdır ama aynı zamanda büyük, hacimli ve ağırdırlar. Materyallerin hacmi ve bobinlerin dikkatle sarılması gerekliliği sebebiyle, özellikle hassas sargı işi gerektiren yüksek hassasiyete sahip cihazların üretimi pahalıya gelmektedir. Basit yakınlık sensörlerinin yanında, daha sofistike endüktif sensörlerin yaygın, ticari veya endüstriyel uygulamalarda kullanılması zordur.

Endüktif sensörlerin nispeten daha az kullanılmalarının bir diğer sebebi de, bir tasarım mühendisi tarafından özelliklerinin belirlenmesinin zor olabilmesidir. Bunun sebebi, her sensörün, ilgili AC üretme ve sinyal işleme devresinin özelliklerinin ayrı ayrı belirlenmesi ve satın alınmasını gerektirmesidir. Bu genellikle analog elektronikler konusunda ciddi miktarda beceri ve bilgi gerektirir. Genç mühendisler dijital elektroniklere daha çok odaklandığından, bu tür disiplinleri kaçınılması gereken ‘kara büyüler’ olarak görürler.

Gelecek nesil endüktif sensörler

Bununla birlikte, son yıllarda piyasaya yeni nesil endüktif sensörler girmiştir ve ünleri yalnızca geleneksel piyasalarda değil, endüstri, otomotiv, tıp, kamu hizmeti, bilim, petrol ve gaz sektörlerinde de giderek artmaktadır. Bu yeni nesil endüktif sensörler geleneksel cihazlarla aynı temel fizik bilgisinden yararlanır, ama hacimli transförmatör yapıları ve analog elektronikler yerine baskı devre kartları kullanır. Bu zekice yaklaşım, endüktif sensörlerin 2D ve 3D sensörleri, kısa atımlı (<1mm) lineer cihazları, eğrisel geometrileri ve yüksek hassasiyete sahip açılı kodlayıcıları içeren çeşitli uygulamalarda kullanılabilmesine imkan vermektedir.

Bu yeni nesil endüktif tekniğin en ön safındadır ve son yıllarda yüksek profilli bazı tasarım ödülleri sayesinde artış göstermiştir. Baskı devrelerin kullanımı sensörlerin geleneksel kablo ve konektörlere olan ihtiyacı da ortadan kaldıracak şekilde esnek altlıklara basılabilmesini sağlar. Bu yaklaşımın, hem fiziksel olarak hem de OEM’ler için özelleştirilmiş tasarımları rahatça sağlayabilme imkanından kaynaklanan esnekliği, bu yaklaşımın önemli bir avantajıdır. Geleneksel endüktif tekniklerde olduğu gibi, bu yaklaşım da zorlu ortamlarda güvenilir ve hassas ölçümler sağlar. Bazı önemli avantajları da mevcuttur:

• Daha düşük maliyet
• Daha yüksek doğruluk
• Daha düşük ağırlık
• Basitleştirilmiş makine mühendisliği, örneğin rulmanlar, contalar ve yatak kovanları olmaması.
• Kompakt boyut – özellikle geleneksel LVDT’lere kıyasla strok boyunda.
• Elektrik arayüzünün basitleştirilmesi – tipik olarak bir DC beslemesi ve mutlak, dijital sinyal.