Sensör ve Transdüser

Elektronik

Sensör ve Transdüser

İnsanlar çevredeki değişiklikleri duyu organları yardımı ile algılarlar. Kulağın duya bileceği basit titreşimlere ses denir. İnsanların birbirleriyle anlaşabilmeleri, duygu ve düşüncelerini anlatmaları için konuşmaları gerekir. Konuşmanın esas öğesi sestir. Ses, bir kaynaktan çıkar. Suda meydana gelen dalgalar gibi çevreye yayılır. Bizler de çevreye yayılan bu sesleri kulaklarımızla işitiriz.

Sensör Nedir?

İnsanlar fiziksel çevre değişikliğini fark ederek tepki verirler. İnsanların yerine çevremizdeki fiziksel ortam (basınç, uzaklık, ışık, ısı, ses, sıcaklık vb gibi) değişiklikleri algılayan cihazlara sensör denir. Bir diğer ismi ise algılayıcı yani duyargadır. Çevrede meydana gelen fiziksel bir değişiklikten dolayı mekanik bir makineyi veya elektronik bir devreyi çalıştıracağı sensörler kullanılır. Örneğin; sıcaklık değişimini algılamak için ısı sensörleri, ışık değişimini algılamak için optik sensörler kullanılır.

Fiziksel ortam değişikliklerini algılayan cihazlara sensör, algıladığı bilgiyi elektrik enerjisine çeviren cihazlara transduser denir.

Transdüser nedir?

Sensörlerin algıladıkları bilgileri bizim kullanmamız için uygun hale getiren ve algılanan bilgiyi elektrik enerjisine dönüştüren aletlere transduser denir. Elektrik sinyaline dönüştürülen ve sensörlerden alınan bilgiler, elektronik devrelerle kurulmuş olan cihazlarda çevrilerek mekanik sistemlerin kontrolünde kullanılır. Bunlar da hayatı kolaylaştırdığı gibi imalat sırasında üretim süresini hızlandırır. Transdüser ve sensörlerin arasında bilgi alış verişi olduğu için beraber çalışırlar. Televizyon sesini sensör algılar. Sensör içinde bulunan bobinle ses dalgasını elektrik akımına dönüştüren transdüserdir. İki farklı sistemde transdüserler bilginin naklini yaparlar. İlk sistemde olan bilgiyi ikinci sisteme hazır duruma getirir. Çevre değişkenliğini ise sensörler algılar.

Transduser Çalışma Prensibi

Transduserlerin, dönüştürdükleri enerjinin çeşidine göre farklı çalışma prensibi vardır. Isı, ışık, ses, basınç vb. gibi büyüklükler elektriksel değere dönüştürülürken farklı metodlar kullanılır. Sesi elektrik sinyaline dönüştürmek için mikrofon, ışığı elektrik bilgisine dönüştürmek için ise fotodiyot, fototransistör gibi optik elemanlardan faydalanılır. Transduserler, elektrik sinyaline dönüştürülecek olan enerji şeklinin özelliğine göre dizayn edilir. Örneğin bir ses transduseri olan mikrofonun çalışması, konuşma sırasında havanın titreşmesi ile hava da bir basınç değişikliği meydana getirir. Biz duyma işleminde ise bu basınç değişikliğini kulaklarımızdaki zar ile algılamaktayız. Mikrofonlar da aynen kulaklarımız gibi havadaki basınç değişikliğinin meydana getirdiği etkiden faydalanarak sesi algılar ve elektrik sinyaline çevirirler.

Sensör Çeşitleri Nelerdir?

1. Isı sensörler
2. Manyetik sensörler
3. Basınç transduserleri ve basınç sensörü
4. Optik sensörler
5. Ses sensörü

Üretici firmalar tarafından sensör çeşitlerine göre sensör fiyatları belirlenir.

1 – Isı Sensörleri

Ortamdaki ısı değişimini algılamamızda yarayan olan aletlere ısı yada sıcaklık sensörü denir. Bazı maddenin elektriksel direnci sıcaklık ile değişir. Sıcaklığa karşı hassas olan maddeler kullanılarak sıcaklık kontrolü ve sıcaklık ölçümü yapılır.

Termistör Nedir? 

Sıcaklıkla direnci değişen elektronik malzemelere; term (sıcaklık), rezistör (direnç), kelimelerinin birleşimi olan termistör (thermistör) denir. Genel olarak yarı iletken malzemelerden termistör imalatı yapılır. Termistör yapımında çoğunlukla oksitlenmiş manganez, nikel, bakır veya kobaltın karışımı kullanılır.

Termistör Çeşitleri: 

Termistörler ikiye ayrılır sıcaklıkla direnci artan termistöre PTC, NTC sıcaklıkla direnci azalan eleman termistördür.

• PTC Nedir?

Bulunduğu ortamın yada temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci artan devre elemanına PTC denir. PTC’ ler- 60 ºC ile +150 ºC arasındaki sıcaklıklar da kararlı bir şekilde çalışır. Hassas duyarlı 0.1 C çalışanları vardır. Daha çok elektrik motorlarını aşırı ısınmaya karşı korumak için tasarlanan devrelerde kullanılır. Ayrıca ısı seviyesini belirli bir değer aralığında tutulması gereken bütün işlemlerde kullanılabilir. Ohmmetreye bağlanan PTC’yi oda sıcaklığında üzerinde yazılı değer okunur. PTC’ yi herhangi bir şekilde ısıttığımızda iç direncinin periyodik olarak arttığını görürüz. Bu durumda PTC  termistör sağlamdır. Eğer bunu görmezsek ve çeşitli şekilde değişim gösteriyorsa PTC arızalıdır.

• NTC Nedir?

Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci azalan devre elemanına NTC denir. NTC’ ler- 300 Cº ile +50 Cº arasında olan sıcaklıklar da kararlı çalışırlar. Hassas duyarlı 0.1C- çalışanları vardır. Isı denetimli havyalarda, amplifikatörlerin çıkış güç katlarında, araba radyatörlerinde, elektronik termometrelerde kullanılır. NTC’ nin kullanım alanları PTC’lere göre daha fazladır. Ohmmetreye bağlanan NTC’ yi oda sıcaklığında üzerinde yazılı değeri okuruz. NTC’ yi herhangi bir şekilde ısıttığımızda iç direncinin periyodik olarak azaldığını görürüz. Bu durumda NTC sağlamdır. Eğer bunu göremiyorsak ve çeşitli şekilde değişim gösteriyorsa NTC arızalıdır.

Termokupl ( Isılçift ) Nedir? 

Sıcaklık ölçmeye yarayan sensörlere termokupl denir. Termokupl, iki farklı metal uçlarının yada alaşımın kaynatılması sonucu meydana gelen sıcaklık ölçü aletidir.

Termokupl Çalışma Prensibi:

Bütün iletkenler ısıtıldıkları zaman içlerinde bulunan elektronlar da bir hareketlenme oluşur. Ancak bu hareketlenme çeşitli iletkenler arasında farklılık gösterir. Bu maddenin ayırt edici özelliklerindendir. İletkenlerin bu farklarından faydalanarak sıcaklık ölçümü yapılır. İki farklı iletkenin birer uçları birbirine kaynak edilip ya da sıkıca birbirine bağlanıp boşta kalan uçlarına hassas bir voltmetre bağlandığı zaman, eğer birleştirilen uc ısıtılırsa, sıcaklık ile orantılı olarak voltmetrede mV’ lar mertebesinde bir DA gerilim elde edilir. Elde edilen gerilimin değeri kullanılan metallerin sıcaklığa verdiği tepki ile orantılıdır. Yüksek sıcaklık ölçümleri yapılırken termometre kullanılmaz.

Termokupllar -200°’den +2320°C’ ye arasında çalışabildikleri için endüstride en çok tercih edilen ısı kontrol elemanlarıdır. Genellikle endüstri tesislerindeki yüksek sıcaklıkta çalışan kazanların ısı kontrolünde kullanılır. Demir ve bakır konstantan gibi iki ayrı metalin birleşim noktaları ısıtıldığı zaman bu iki metal uçları arasında potansiyel bir fark oluşur. Termokupllar bu prensiple çalışır. İki ayrı metal ısınması ile sıcaklık ve soğukluk farkı meydana gelir. Bu da potansiyel farkı oluşturur. Meydana gelen potansiyel fark istenilen sıcaklık değerlerini ölçer.

2 – Manyetik Sensör

Bir tel bobin haline getirilip içinden akım geçirilirse, bu bobinin içinde ve çevresinde manyetik alan oluşur. Meydana gelen bu manyetik alan gözle görülmez. Ancak bu bobinin içerisindeki nüvenin hareketi ve bobinin etrafından yaklaştırılan metaller bobinin indüktansını değiştirir. İşte bu prensipten hareketle manyetik sensörler geliştirilmiştir.  Çevresindeki manyetik değişimleri algılayıp bununla çıkışında gerilim üreten cihazlara manyetik sensör denir. Aynı zamanda alan etkili transduserlerde denir. Manyetik sensörler genel olarak güvenlik gerektiren yerlerde kullanılır.

Manyetik Sensör Çeşitleri

• Bobinli (Endüktif) Manyetik Sensörler

Endüktif bir cihaz olan bobin manyetik alan değişimi içinde olduğunda bobin uçlarında gerilim üretir. Gerilimin bobin uçlarında devamlı olması için devamlı değişen bir manyetik alan içinde olmalıdır. Yani bobin  veya mıknatıs devamlı hareket halinde olmalıdır. Eğer hareket devamlı olmaz ise bobin tepki vermez. Bobin içinde bulunan nüvenin durumuna göre bobin endüktans değeri değişir. Bu şekilde uygulanan gerilim sonucu bobin uçlarına düşen voltaj değişir. Bu özelliklerinden faydalanarak endüktif transdüserler imal edilir.

• Elektronik Devreli Manyetik Sensörler (Yaklaşım Sensörleri)

İçinden akım geçen bir bobinin çevresinde manyetik alan meydana gelir. Bu manyetik alan içine metal bir cisim girerse bobinin indüktansı değişir. İndüktans değişimi, sensörün içindeki devrenin dengesini bozar. Sensörün içinde bulunan ölçüm yapan devre sayesinde metalin yaklaştığını ve ne kadar yakın olduğu saptanabilir.

• Alan (Hall) Etkili Transdüser

Alan etkili transdüserler hassas mesafe algılama sensörleri, pozisyon ve dönüş algılayıcıları olarak kullanır. İletken veya yarı iletken malzemeden yapılmış bir levha, manyetik alan içinde iken, A ve B uçlarından DC gerilim tatbik edildiğinde, C ve D noktaları arasında bir potansiyel fark meydana gelir. Bu gerilimin değeri manyetik alana levhanın yakınlığı ile değişir. Bu prensipten faydalanılarak alan etkili transdüser  imalatı yapılmıştır.

Birkaç üretici tarafından “Hall Effect Sensörü” denilen bir ürün imal edilmektedir. Örneğin, dönen hız sensörü, sıvı akış sensörü, akım sensörü ve basınç sensörü verilebilir. Ayrıca bu teknoloji, elektropnömatik özellik gösteren paintball silahlarından ve yine  airsoft  silahlarında ve bazı GPS sistemlerinde yer almaktadır.

Basınç  Sensörü

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

Basınç Sensörü Çeşitleri

• Kapasitif basınç ölçme sensörleri
• Strain gage (şekil değişikliği) sensörler
• Load cell (yük hücresi) basınç sensörleri
• Piezoelektrik özellikli basınç ölçme sensörleri

Kapasitif  Basınç Ölçme Sensörleri

Kapasitif Sensör Nedir? 

Kondasatörler yapıları gereği elektrik yükü depolarlar. Kondansatörlerin yük depolama kapasiteleri ise kondansatör plakalarının boylarına, bu plaklar arasındaki mesafe uzaklığına ve iki plaka arasındaki yalıtkan malzemenin özelliğine bağlıdır. Netice olarak kondansatör plakaları birbirine yakınlaştırılıp veya uzaklaştırıldığı zaman veya esnetilirse zaman veya iki plaka arasındaki dielektrik malzeme hareket ettirilirse, kondansatörün kapasitesi değişir. Kondansatörün kapasitesiyle birlikte alternatif akıma gösterdiği direnç de değişir. Bu prensipten hareket ile kapasitif basınç sensörü imalatı yapılır.

Strain Gage (Şekil Değişikliği) Sensörler

Strain Gage Nedir?

Genelde strain gage, esneyen bir tabaka üzerine ince bir telin ya da şeridin kuvvetli bir yapıştırıcı ile yapıştırılmasından meydana gelmiştir. Üzerindeki basıncın etkisinden dolayı tabakanın esnemesiyle beraber iletken şeridin de gerilerek uzamasına neden olacaktır. Bu uzama sırasında telin boyu uzayarak kesiti azalacaktır. Bilindiği gibi iletkenlerin kesiti azaldıkça dirençleri artacağı için tatbik edilen kuvvete bağlı olarak iletkenin direncinde değişme olacaktır. Bu direnç değişimine bağlı olarak uygulanan kuvvetin miktarı saptanabilir.

Kullanıldıkları alanlar; Kuvvet, ağırlık, basınç vs gibi fiziksel değişkenlerin ölçümlerinde strain gage sensörleri kullanılır.

 Load Cell (Yük Hücresi) Basınç Sensörleri

Load Cell Nedir? 

Yük hücresi (load cell), elektronik terazilerin imalatında kullanılan basınç sensörüdür.

LoadCell Çalışma Prensibi;

esas çalışma prensibi strain gage gibidir. Dört noktadan ölçme yapan bir yük hücresi vardır.  Tek veya iki noktadan ölçüm yapanları da vardır. Strain gagelerin dirençleri basınca bağlı olarak değişim gösterir. Bu değişimle orantılı olarak da basınç miktarı belirlenebilir. Çok çeşitleri olmakla birlikte Lodcel kullanıldıkları yere göre değişir. Load cell firmaları tarafından kapasiteleri 50-100 gr dan 1000-2000 ton aralığına kadar load cell imalatı yapılır. Load cell fiyatları kapasitesine göre değişir.

Kullanıldığı Yerler; kantarlar, digital tartı, sıvı ve gaz ölçümleri, kan basıncı ölçümünde Load Cell (Yük Hücresi)  basınç sensörleri kullanılırlar.

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 üzerilerine 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 verdikleri için ani basınç değişikliklerini ölçmede yaygın olarak kullanılır.

Piezoelektrik basınç algılayıcıları ile iç basınç, darbe, balistik ölçümler, patlama, içten yanmalı motorlarda, şok ve patlama dalgaları, yüksek şiddetli ses ve diğer akustik ve hidrolik prosesler gibi 0,001 psi’den 100 psi’ye kadar dinamik basınç ölçümleri yapılabilir.

İki yüzeyine basınç uygulanan pizoelektrik transdüserleri gerilim meydana getirme özelliklerinden yararlanılarak titreşim ve basınç gibi mekanik cihaz ölçümleri yapılmasında kullanılır.

Kullanıldığı Yerler; Elektronik saat, basınç ve titreşim ölçümlerinde ve kristal mikrofonlar da piezoelektrik sensörler kullanılır.

Optik Sensörler

Optik Sensör Nedir?

Işığa karşı öz direnci değişen üzerinden geçen akımı değiştiren elemanlara  optik sensör denir. Işık miktarındaki  değişmeleri elektriksel olarak dönüştürürler. Optik sensörler küçük akımlı cihazlardır. Optik sensörler büyük akımları taşımaz, sadece kumanda devrelerini çalıştırırlar.

Fiber optik sensörler de, yüksek vibrasyon, aşırı ısı, gürültü, ıslaklık, aşındırıcılar gibi etkilerden ve diğer patlayıcı ortamlar dahil olmak üzere zor şartlar için idealdir. Fiber optik sensör, dar alanlara montaj yapılması için yeterince küçüktür ve esnek fiber kamçılar ile ihtiyaç olan yerlere doğru bir şekilde yerleştirilir.

Foto Direnç (LDR)

Foto Direnç Nedir?

Kalsiyum sülfat ve kadmiyum selenid gibi bazı maddeler üzerilerine düşen ışık ile ters orantılı olarak direnç değişimi gösterir. Bu maddelerden faydalanılarak foto direnç denilen devre elemanları yapılmıştır. Üzerine ışık düştüğünde direnci azalan, karanlıkta ise yüksek direnç gösteren devre elemanına foto direnç denir. Işık değişimi ile kontrol etmek istenen bütün devrelerde, özellikle sokak lambaları ve gece lambalarında kullanılır.

Foto diyot

Foto diyot Nedir? 

Fotodiyotlar 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 düştüğü zamansa birleşim yüzeyindeki elektron ve oyuklar açığa çıkar ve bu şekilde foto diyot üzerinden akım geçer. Bu akımın boyutu yaklaşık 20 mikroamper civarındadır. Üzerine ışık düştüğünde katotdan anota doğru akım geçiren elemanlara fotodiyot adı verilir. Fotodiyot müzik setleri veya televizyonun kumanda alıcılarında yaygın olarak kullanılır.

LED Diyot

LED Nedir?

Light Emitting Diode kelimelerinin baş harflerinden meydana gelmiştir.

LED Diyot Nedir? “Işık Yayan Diyot” anlamındadır.

LED Çalışma Prensibi 

LED’e doğru polarma uygulandığında P maddesindeki oyuklarla N maddesindeki elektronlar birleşim yüzeyinde nötrleşir. Bu birleşme sırasında meydana gelen enerji ışık enerjisidir.  Bu ışığın gözle görülebilmesi için ise P ve N maddelerinin birleşim yüzeyine “galyum arsenid” maddesi katılmıştır. LED diyot doğru polarmalandırıldıkların da ışık yayan elektronik devre elemanlarıdır. Bu ışıklı diyotlar, kullanışlı ve pratiktir. LED’lerin, dört renk seçenekleri mevcuttur. Sarı, yeşil, mavi ve kırmızı. Kullanım açısından pratik olan LED fiyatları ucuz olduğu için diğer lambaların yerini almıştır. LED diyotların kullanım alanları çok geniştir.

Çok az enerji harcadıkları için elektronik devrelerin testlerinde, tüm elektronik cihazların üzerinde çalıştığını gösteren ışık olarak kullanılmaktadır. Üretici LED firmaları tarafından piyasada satılan çok çeşitli renkte, şekilde, ebat  ve fiyatta LED’ ler bulmak mümkündür. Genel olarak LED diyotların bacakları karıştırılmaktadır. Kısa bacak katot, uzun bacaksa anotdur. LED’in bacakları aynı boyda ise içindeki plakalara bakılarak küçük olan anot, büyük olanın ise katot olduğu anlaşılır. Bunun yanında LED diyotların katot ucunun olduğu tarafta bir kesik bulunur.

İnfraraed Diyot (IR Diyot Kızıl Ötesi Diyot);

İnfraruj LED, normal LED’in birleşim yüzeyine galyum arsenid maddesi katılmamış halidir. İnfrared diyot görünmez (mor ötesi, kızıl ötesi) ışık yayar.

İnfraruj Led;

İnfraruj LED’ler televizyon veya müzik setlerinin kumandalarında, kumandanın gönderdiği frekansı müzik seti veya televizyona iletmek için kullanılır. Televizyon veya müzik setinde ise bu frekansı alan devre elemanına foto diyot denir. Normal LED ile infraruj LED’ in sembolleri  aynıdır.

Foto Pil (Işık Pili, Güneş Pilleri)

Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken maddelerdir Güneş pilleri, yüzeyleri daire, kare ve dikdörtgen şeklindedir. Güneş pillerinin alanları 100m² civarında, kalınlıkları 0,2 – 0,4 mm arasındadır. Transistörler, doğrultucu diyotlar gibi yarı iletken maddelerden güneş pilleri imalatı yapılır. Yarı iletken özellik gösteren birçok madde arasından güneş pili yapmak için en elverişli olanlar tellür, galyum arsenid, silisyum, kadmiyum gibi maddelerdir.

Bu maddeler güneş pili için özel olarak hazırlandıktan sonra PN eklemine güneş enerjisi geldiğinde fotonlardaki elektron yükü PN maddeleri arasında bir potansiyel fark yani gerilim meydana getirir. Bu gerilim 0,15-0,5 volt civarındadır. Işık pilleri seri bağlanarak daha büyük gerilim, paralel bağlanarak daha büyük akım elde edilebilir. Güneş enerjisi ile çalışan hesap makinalarında kullanılan eleman ışık pilidir.

Optokuplör

Sözcük anlamı optik kuplaj’dır. Kuplaj bir sistem içindeki iki katın birbirinden ayrılması fakat aralarındaki sinyal iletişiminin sürmesi olayıdır. Ayrılma fiziksel olarak gerçekleşir fakat iletişim optik yada manyetik olarak sürer. Bu durumun avantajı; katların birinde olan fazla akım, yüksek gerilim gibi olumsuz, sisteme zarar verecek etkilerden diğer katları korumaktır. Işık algılayan ile ışık yayan elemanın aynı gövdede birleştirilmesiyle elde edilen elemanlara optokuplör adı verilir.

Bu elemanlarda ışık yayan elemanlar LED ve Enfraruj LED kullanılırken ışık algılayıcı olarak fototransistör, fotodiyot, foto triyak  ve foto tristör vb. gibi elemanlar kullanılır. Optokuplörler daha çok, iki ayrı özellikli devre arasında elektriksel bağlantı olmadan, ışık yolu ile iletişim kurulmasını sağlayan devrelerde kullanılır. Düşük gerilim ile çalışan bir devreyle yüksek gerilimli bir güç devresine optokuplör vasıtasıyla kumanda edilebilir. Optokuplörler 2000 ile 5000 voltluk gerilimlere dayanıklı olduğu için en hassas kontrol sistemlerinde güvenle kullanılır.

Foto transistör; 

Foto transistörler optik transduser sınıfına girer. Fototransistörler elektrik akımını, ışık ile kontrol eder. Işıkta kollektör-emiter uçları arasında bulunan direnç değeri azalan sisteme fototransistör denir. Alıcı ışık ile kontrol edilirken anahtarlama sistemi olarak kullanılır. PNP veya NPN  olarak imalatı yapılır.