Sensrler Asli Ergn MANYETK SENSRLER VE TRANSDSERLER Bir

Sensörler Asli Ergün

MANYETİK SENSÖRLER VE TRANSDÜSERLER 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 çekirdeğin hareketi ve bobinin çevresinden yaklaştırılan metaller bobinin indüktansını değiştirir. İşte bu prensipten hareketle manyetik sensörler geliştirilmiştir. Indüktans, elektromanyetizma ve elektronikte bir indüktörün manyetik alan içerisinde enerji depolama kapasitesidir. İndiktörler, bir devrede akımın değişimiyle orantılı olarak karşı voltaj üretirler.

MANYETİK SENSÖRLER VE TRANSDÜSERLER Manyetik sensör ve transdüserler, günlük hayatta daha çok güvenlik gerektiren yerlerde metallerin (silah, bıçak gibi) aranmasında, hazine arama dedektörlerinde kullanılır. Sanayide ise kumanda ve kontrol sistemlerinde, tıp elektroniğinde, fabrikalarda, otomatik kumanda kontrol uygulamalarında, yer değişimlerinin hassas olarak ölçülmesinde kullanılır.

MANYETİK SENSÖRLERİN SINIFLANDIRILMASI -Bobinli basit manyetik sensör -Manyetik yaklaşım sensörü (endüktif yaklaşım anahtarı, proximity switch) -Alan etkili transdüser (hall effect sensor) -LVDT (lineer variable differential transformator) -Reed Anahtarı-Röle (Reed Switch Sensor) 4

İNDÜKTANS NEDİR? Fiziksel yapısına ve sarım sayısına bağlı olarak bir bobinin öz indüktansı(endüktansı) L : Bobinin öz endüktansı (Henry) o : Boşluk permeabilitesi (H/m) r : Havanın permeabilitesi ( r=1) l : Bobinin uzunluğu (m) S : Sarım yüzeyi (m 2) N : Bobinin sarım sayısı 5

BOBİNLİ BASİT MANYETİK SENSÖR Bir bobinin içinde bulunan nüvenin konumu değiştirildiği zaman bobinin endüktansı değişir Nüve çekilince neden akım artar? Örnek: hoparlör ve mikrofon (basınç algılama ve basınç üretme elemanı) Mikrofon ses dalgalarının yarattığı basıncı elektrik sinyallerine çevirir. Hoparlör ise elektrik sinyallerini basınca dönüştürür. 6

MANYETİK YAKLAŞIM SENSÖRÜ Hissetme yüzeylerinin bulunduğu tarafta ve hissetme mesafesi içinde kalan metal cisimleri algılama özelliğine sahip elektronik anahtarlardır Eski otomasyon donanımlarında mekanik yapılı sınır anahtarları kullanılmaktaydı 7

İndüktif – Manyetik Temassız Algılayıcılar Indüktif(endüktif) sensör, kendisine yaklaşan cismi temas etmeden algılamak için kullanılır. Sensör kendi algılama sahası içerisinde bir manyetik alan oluşturur. Algılama sahasına giren bir metal cisim bu manyetik alanı etkiler. Bu değişim sensör içerisindeki elektronik devrelerde işlenir ve sensörün çıkış değerini değiştirir. Endüktif sensörler genellikle 50 mm’ ye kadar ölçüm yapabilirler.

9

ENDÜKTİF SENSÖR

ENDÜKTİF SENSÖR Her türlü iletken metali tespit ederler Çeliği belli bir mesafeden tespit eder. Performansı : • Ortam sıcaklığı • Hedef materyal Yüksek frekanslı manyetik saha (300 to 800 k. Hz) Aktif yüzey • Hedef ölçülerinden etkilenebilir. Yankı kangalı LED Bağlantı kablosu

MANYETİK TEMASSIZ SENSÖR Nitrojen dolu cam tüp Reed kontakları LED

REED KONTAKT(ANAHTARI)

Reed Kontakt 24 v

Reed Kontakt 24 v

ENDÜKTİF YAKLAŞIM SENSÖRÜNÜN ÜSTÜNLÜKLERİ • Boyutlarının küçük olması nedeniyle mekanik anahtarların kullanılamayacağı yerlerde kullanılabilir. • Yüksek frekanslarda güvenle çalışma imkânı sağlar. • Koruma sınıflarının yüksek olması sayesinde nemli ve kirli ortamlarda güvenle çalışır. • Hareket eden parçaları olmadığından ömrü uzundur. • Mekanik anahtarlardaki kontak kirlenmesi ve aşınmaların yarattığı kontak direnci, kontak kapanması sırasındaki kontak zıplamalarının (titreşme) yarattığı sorunlar indüktif yaklaşım sensöründe yoktur. • Bilgisayar kontrollü sistemlere (PLC vb. ) doğrudan bağlanabilir. • Patlama ihtimali olan, kıvılcımdan etkilenen yerlerde ve yüksek sıcaklıklarda kullanılabilirler. 21

ALAN ETKİLİ SENSÖRLER • Hall Effect Sensor: Yarı iletken temelli bir maddenin karşılıklı iki ucuna gerilim uygulandıktan sonra elemana manyetik alan yaklaştırılırsa dönüştürücünün alt ve üst uçlarında gerilim oluşmaktadır • Üzerinden elektrik akımı geçen bir levha dik olarak manyetik alan kuvvet çizgileri tarafından kesilirse levhanın alt ve üst uçları arasındaki elektron yoğunlukları farklılaşır. Bu ise üst ve alt uçlar arasında bir gerilim oluşmasına yol açar. • Oluşan gerilim manyetik alanın şiddeti ve levhanın boyutlarıyla ilgilidir. 22

Kullanıldığı Yerler • Fırçasız DC motorlarda, • Otomobillerin hidrolik frenlerinde, • Fan motoru anahtarında, • Alarm devrelerinde, • Hard disk sürücülerinde, • Dönen sistemlerin devir kontrolünde, 23

Hall Temassız Algılayıcılar Bir yarı iletkenden elektronlar akarken akım yönüne dik bir manyetik alan uygulanınca elektronlar belli bir bölgede yoğunlaşır. Bu da yarı iletkenin diğer uçlarında gerilim oluşmasına neden olur. Bu duruma hall etkisi denir. Bu gerilimin değeri manyetik alana, levhanın yakınlığı ile değişir. Bu prensibe göre alan etkili transdüserler yapılır. Alan etkili transdüserler hassas mesafe, pozisyon ve dönüş algılayıcıları olarak kullanır.

Hall Temassız Algılayıcılar

Hall Effect Sensör

Arduino Kod(Dijital Okuma) const int hall. Pin = 2; const int led. Pin = 13; int hall. State = 0; void loop(){ // read the hall effect sensor: hall. State = digital. Read(hall. Pin); void setup() { pin. Mode(led. Pin, OUTPUT); pin. Mode(hall. Pin, INPUT); } } if (hall. State == LOW) { // turn LED on: digital. Write(led. Pin, HIGH); } else { // turn LED off: digital. Write(led. Pin, LOW); }

Arduino Hall Effect Sensor Code Interrupt /* Arduino Hall Effect Sensor Project by Arvind Sanjeev */ volatile byte half_revolutions; unsigned int rpm; unsigned long timeold; void setup() { Serial. begin(115200); attach. Interrupt(0, magnet_detect, RISING); //Initialize the intterrupt pin (Arduino digital pin 2) half_revolutions = 0; rpm = 0; timeold = 0; } void loop()//Measure RPM { if (half_revolutions >= 20) { rpm = 30*1000/(millis() timeold)*half_revolutions; timeold = millis(); half_revolutions = 0; //Serial. println(rpm, DEC); } } void magnet_detect()//This function is called whenever a magnet/interrupt is detected by the arduino { half_revolutions++; Serial. println("detect"); }

Gauss Metre(hall effect)

Gaussmetre (Analog Okuma) /* Gauss. Plot (Miniature Radiometric Linear Hall Efect Sensor) Sensor connected to Analog channel 0. */ #define XRANGE 50 int x, gss; void setup(){ Serial. begin(9600); } void loop(){ int a. Value =analog. Read(0); x = map(a. Value, 0, 1024, 0, XRANGE); gss = map(a. Value, 102, 922, -640, 640); Serial. print("|"); for (int i=0; i<x; i++){ if(i==XRANGE/2 -1)Serial. print("|"); else Serial. print("-"); } Serial. print("O"); for (int i=x+1; i<XRANGE; i++){ if(i==XRANGE/2 -1)Serial. print("|"); else Serial. print("-"); } Serial. print("|"); Serial. print(gss); Serial. println("Gauss"); delay(100); }

LVDT (LİNEER VARİABLE DİFFERENTİAL TRANSFORMATOR) • LVDT mekanik olarak hareketlendirilmiş nüvesi ile bir transformatördür • Hareket enerjisini elektrik enerjisine çevirir • Bobinin içinde nüve hareket ettikçe endüktans değişir EBO 304 - Ölçme ve Enstrümantasyon 31

Çalışma Prensibi Primer sargısına kararlı genlikte sinüsoidal dalga uygulanır. Sekonder sargılarında bir AC sinyal indüklenir. Ferromanyetik malzemeden yapılmış bir nüve sargılara fiziksel olarak dokunmaksızın sargıların içindeki silindirik bölgeye yerleştirilir. İki sekonder birbirine ters fazda bağlanmıştır. Nüve transformatörün manyetik merkezinde olduğunda sekonder çıkışları birbirini götürür ve çıkış gerilimi yoktur. Nüvenin manyetik merkez pozisyonundan uzaklaştırılmasıyla sekonder sargıları arasındaki indüklenen manyetik akı oranının dengesi bozulur ve bir çıkış gerilimi oluşur. EBO 304 - Ölçme ve Enstrümantasyon 32

• LVDT’nin avantajları aşağıdaki gibidir: ü Algılayıcı çok az sürtünme direnci ile kontaksız bir aygıttır. ü Çıkış direnci çok düşüktür. ü Gürültü ve parazitlere karşı az duyarlıdır. • Doğrusal hareketlerin, basıncın ve maddelerin kalınlığının ölçülmesinde kullanılır EBO 304 - Ölçme ve Enstrümantasyon 33

RVDT • RVDT (döner değişken fark transformatörü) LVDT ile aynı prensipte çalışır; tek farkı döner ferromanyetik nüve kullanılmasıdır. • RVDT’nin kullanılma yeri açısal yer değişiminin yada dairesel pozisyonların ölçümüdür. EBO 304 - Ölçme ve Enstrümantasyon 34

Reed Anahtar-Röleler • Cam gövde içine konmuş minik kontaklara sahip elemanlardır • Havası alınmış şeffaf cam ya da başka bir maddeden yapılmış olan muhafaza içinde bulunan demir-nikel alaşımı mini kontakların konumu sabit mıknatıs ya da elektromıknatısla değiştirilir. EBO 304 - Ölçme ve Enstrümantasyon 35

Özellikleri ve Kullanıldığı Yerler • Kontaklarının çekme ve bırakma zamanı 0, 5 ms, • Çalışma sayısı ise 1 -2 milyon adet dolayındadır. • Bina giriş kapılarında güvenlik amaçlı alarm sistemlerinde, • Asansörlerde, EBO 304 - Ölçme ve Enstrümantasyon 36

Reed – Temassız Algılayıcılar Ø Manyetik temassız algılayıcılar kalıcı mıknatısların ve elektromıknatısların oluşturdukları manyetik alanlara etkirler. Ø Reed-anahtarlarında ferromanyetik malzemeden yapılan (Fe. Ni karışımı, Fe=demir, Ni=nikel) kontak dilleri eritilerek cam bir pistona bağlanır. Pistonun içinde reaksiyona girmeyen ve yanmayan bir gaz (örneğin azot) bulunur.

Reed – Temassız Algılayıcılar Ø Reed-temassız algılayıcının yakınına bir manyetik alan yaklaştığı zaman, kontak dilleri manyetiklenir. Manyetiklenen kontak dilleri birbirlerini çeker ve kontak kapanır.

Reed Kontakt Diğer manyetik alanlardan uzak tutulmalıdır Orta konum için yerleştirilmiş ise yaklaşım yönüne göre algılama mesafesi değişebilir. Reed kontakların yanmaması için maksimum akım limitlenmelidir.

Endüktif Manyetik Sensör Bağlantı kablosu Algı bobini Yüksek frekanslı manyetik alan LED

Endüktif Manyetik Sensör

Endüktif Manyetik Sensör

Endüktif Manyetik Sensör Sadece manyetik alanları teşhis eder Diğer manyetik alanların etki sahasından uzak olmalıdır Yüksek frekans - 1 k. Hz

Arduino ve Reed Anahtarı

/* Reed Switch */ void loop(){ const int pin. Switch = 12; durum. Switch = digital. Read(pin. Switch); const int pin. Led = 9; if (estado. Switch == HIGH) { int durum. Switch = 0; digital. Write(pin. Led, HIGH); } void setup() { else { pin. Mode(pin. Led, OUTPUT); digital. Write(pin. Led, LOW); pin. Mode(pin. Switch, } INPUT); } }

Reed Anahtarı-2

Reed Switch Code /* Reed magnetic sensor module test project*/ int Led=13; int buttonpin=3; int val; void setup() { pin. Mode(Led, OUTPUT); pin. Mode(buttonpin, INPUT); } void loop() { val=digital. Read(buttonpin); if(val==HIGH) { digital. Write(Led, HIGH); } else { digital. Write(Led, LOW); } }

Sensörlerin Yakınlığa Göre Sınıflandırılması Sensörler: • Temaslı (örnek limit anahtarları) • Temassız (proximity-yakınlık sensörleri) (manyetik sensörler) Olarak sınıflandırılırlar. Sanayide temassız olanlar daha çok kullanılırlar

Limit Anahtarları Temaslı sensörlerdir. Çıkış sinyali vermeleri için ikazlanmaları gerekir

Mikrofon Konuştuğumuzda havayı titreştirerek hava da bir basınç değişikliği oluşturuyoruz. 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 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. • Dinamik (bobinli - manyetik) mikrofonlar • Kapasitif (kondansatör) mikrofonlar • Şeritli (bantlı) mikrofonlar • Kristal (Piezoelektrik kristalli) mikrofonlar • Karbon tozlu mikrofonlar • Elektret mikrofonlar

Dinamik (Bobinli - Manyetik) Mikrofonlar Dinamik mikrofonlar ses dalgaları ile hareket eden diyaframa bağlı bobinin sabit bir mıknatıs içinde hareket etmesinden dolayı bobin uçlarında oluşan gerilim değişimine bağlı olarak çalışır.

Kapasitif (Kondansatör) Mikrofonlar Kapasitif mikrofonlar statik elektriklenme esasına göre çalışan mikrofonlardır. Kapasitif mikrofonların diyaframı gelen ses dalgalarıyla titreşir ve bu titreşim mikrofonun kapasitesinin değişimine neden olur. Kapasitedeki bu değişim sesin özelliğine uygun olarak mikrofonun çıkışında elektrik sinyallerini oluşturur.