Sensörler ve Dönüştürücüler | Elektronik Giriş Çıkış Cihazları Serisi

SENSÖRLER ve DÖNÜŞTÜRÜCÜLER NEDİR ? 

Sensörler nedir ve nerelerde kullanılır ? Dönüştürücüler nedir ve nerelerde kullanılır ? Sensör ve dönüştürücü çeşitleri nedir ? Bu ve benzeri sorulara yanıt aradığımız Sensörler ve Dönüştürücüler Nedir adlı yazımızla karşınızdayız.

Bu yazı ile Elektronik Giriş Çıkış Cihazları Serisine de başlamış bulunmaktayız.

Başlayalım.

SENSÖRLER ve DÖNÜŞTÜRÜCÜLER

Bir elektronik devre veya sistemin herhangi bir  işlevi yerine getirmesi için, bunun örneğin , tek bir ışık aydınlatması için “On/Off” anahtarından çıkış cihazının bir giriş sinyali okuyarak veya bir form aktive ederek “gerçek dünya” ile iletişim kurabilmesi gerekir.

Başka bir deyişle, bir Elektronik Sistem veya devre bir şeyi “yapabilir” veya yapabilmelidir ve Sensörler ve Dönüştürücüler bunu yapmak için bizim ihtiyaçlarımıza cevap veren mükemmel aygıtlardır.

“Transducer” kelimesi, hareket, elektrik sinyalleri, radyan enerji, termal veya manyetik enerji gibi geniş bir yelpazedeki farklı enerji formlarını algılayabilen sensörler için ve gerilimleri veya akımları anahtarlamak için kullanılabilecek Aktüatörler olarak kullanılan sistemler için ortak terimdir.

Hem analog hem de dijital ve giriş ve çıkış arasından seçim yapılabilecek pek çok farklı sensör ve dönüştürücü tipi vardır.Kullanılan giriş veya çıkış dönüştürücüsünün türü, “Algılanan” veya “Kontrollü” olan sinyalin veya işlemin türüne bağlıdır.Ve bir sensörü ve dönüştürücüyü bir fiziksel miktarı diğerine dönüştüren aygıtlar olarak tanımlayabiliriz.

“Giriş” işlevi yapan cihazlara genellikle Sensörler adı verilir, çünkü bazı karakteristiklerde bazı uyarmalara yanıt olarak değişen, örneğin ısıya veya kuvvete bağlı olarak değişen ve bunu bir elektrik sinyaline gizleyen fiziksel bir değişikliği “algılar”.

Bir “Çıkış” işlevi yapan cihazlara genellikle Aktüatörler denir ve hareket veya ses gibi bazı harici cihazları kontrol etmek için kullanılır.

Elektrik Dönüştürücüleri, bir tür enerjiyi başka tür bir enerjiye dönüştürmek için kullanılır; örneğin, bir mikrofon (giriş cihazı), amplifikatörün yükseltmesi için bir ses sinyallerini elektrik sinyallerine dönüştürür (bir işlem) ve bir hoparlör (çıkış cihazı) dönüştürür.Bu elektrik sinyalleri tekrar ses dalgalarına dönüşür ve bu tip basit Giriş / Çıkış (I / O) sistemine bir örnek aşağıda verilmiştir.

Ses Dönüştürücüleri Kullanan Basit Giriş/Çıkış Sistemi

Piyasada pek çok farklı tipte sensör ve transdüser vardır ve bunların hangisinin kullanılacağının seçimi, aşağıdaki tabloda daha yaygın olanlarla birlikte, ölçülen veya kontrol edilen miktara bağlıdır.

Yaygın Olarak Kullanılan Sensör ve Transdüser Kullanım Alanları

Ölçülen MiktarGiriş Aygıtı (Sensör)Çıkış Aygıtı(Aktüatör)
Işık seviyesiIşığa duyarlı direnç(LDR) , Fotodiyot, FototransistörIşıklar , lambalar , led göstergeler , fiber optikler
SıcaklıkTermokupl , termistör,termostat ,Isıtıcı , fan
Kuvvet/BasınçBasınç anahtarı , load cellAsansörler , elektromagnet , titreşim
PozisyonPotansiyometre , enkoder , LVDTMotor , selenoid , panelmetre
HızDoppler efekt sensörü , takometreAC ve DC motorlar , Step motorları , fren
SesKarbon Mikrofon / Piezo-elektrik kristaliZil , Buzzer , hoparlör

Transdüserler veya sensörlerin giriş tipi, ölçtükleri miktardaki (uyaran) değişimle orantılı bir voltaj veya sinyal çıkışı yanıtı üretir.Çıkış sinyalinin tipi veya miktarı kullanılan sensör tipine bağlıdır.

Ancak, genel olarak, tüm sensör tipleri, Pasif Sensörler veya Aktif Sensörler olmak üzere iki tür olarak sınıflandırılabilir.

Genel olarak, aktif sensörler, çıkış sinyali üretmek için sensör tarafından kullanılan bir uyarma sinyali olarak adlandırılan harici bir güç kaynağına ihtiyaç duyarlar.Aktif sensörler kendi kendini üreten cihazlardır, çünkü kendi özellikleri, örneğin 1 ila 10v DC çıkış voltajı veya 4 ila 20mA DC gibi bir çıkış akımı üreten harici bir etkiye tepki olarak değişir. Aktif sensörler ayrıca sinyal amplifikasyonunu üretebilir.

Aktif bir sensöre güzel bir örnek, bir LVDT sensörü veya bir gerginlik ölçerdir. Gerinim ölçerler, sensöre uygulanan kuvvet ve/veya gerilim miktarına orantılı bir çıkış gerilimi üretecek şekilde harici bias (uyarma sinyali) duyarlı dirençli köprü ağlarıdır diyebiliriz.

Aktif bir sensörün aksine, pasif bir sensör herhangi bir ek güç kaynağına veya uyarma voltajına ihtiyaç duymaz.Bunun yerine pasif bir sensör, bazı dış uyaranlara cevap olarak bir çıktı sinyali üretir.

Örnek olarak , ısıya maruz kaldığında kendi voltaj çıkışını üreten bir termokupl’u verebiliriz.Daha sonra pasif sensörler, direnç, kapasitans veya endüktans gibi fiziksel özelliklerini değiştiren doğrudan sensörlerdir.

Ancak analog sensörlerin yanı sıra, Dijital Sensörler, “0” mantık seviyesi veya “1” mantık seviyesi gibi ikili sayı veya rakamı temsil eden ayrı bir çıktı üretir.

sensörler ve dönüştürücüler nedir

Analog ve Dijital Sensörler

Analog Sensörler

Analog Sensörler, genellikle ölçülen miktarla orantılı olan sürekli bir çıkış sinyali veya voltaj üretir. Sıcaklık, Hız, Basınç, Yer Değiştirme, Gerilme vb. gibi fiziksel büyüklüklerin tümü, doğada sürekli olma eğiliminde olduklarından analog miktarlardır.

Örneğin, bir sıvının sıcaklığı, sıvı ısıtıldığında veya soğuduğunda sıcaklık değişimlerine sürekli tepki veren bir termometre veya termokupl kullanılarak ölçülebilir.

Analog bir sinyal üretmek için kullanılan Termokuplu İnceleyelim ..

Analog sensörler zaman içinde sürekli değişen çıkış sinyalleri üretme eğilimindedir.Bu sinyaller birkaç mikro-volt (uV) ila birkaç mili-volt (mV) arasında değer bakımından çok küçük olma eğilimindedir, bu nedenle bir tür yükseltme işlemi gerekebilmektedir.

Daha sonra analog sinyalleri ölçen devreler genellikle yavaş bir tepkiye ve/veya düşük hassasiyete sahiptir.Ayrıca analog sinyaller, analog-dijital dönüştürücüler veya ADC’ler kullanılarak mikro denetleyici sistemlerde kullanılmak üzere kolayca dijital tip sinyallere dönüştürülebilir.

Dijital sensörler

Adından da anlaşılacağı gibi, Dijital Sensörler, ölçülen miktarın dijital bir temsili olan ayrı bir dijital çıkış sinyalleri veya voltajları üretir.

Dijital sensörler “1” mantığı veya “0” mantığı (“ON” veya “OFF”) şeklinde bir ikili çıkış sinyali üretir.

Bu, bir dijital sinyalin yalnızca, tek bir “bit”, (seri iletim) olarak veya tek bir “byte” çıktı (paralel iletim) üretmek için bitlerin birleştirilmesiyle çıkarılabilen ayrı (sürekli olmayan) değerler ürettiği anlamına gelir.

Dijital Sinyal üretmek için kullanılan Işık Sensörünü İnceleyelim

Buradaki basit örneğimizde, döner şaftın hızı, dijital LED/Opto-dedektör sensörü kullanılarak ölçülür. Dönen bir şafta (örneğin bir motor veya robot tekerleklerden) sabitlenmiş olan disk, tasarımında çok sayıda saydam yarığa sahiptir.

Disk milin hızı ile döndükçe, her bir yuva sırayla bir “1” mantığı veya “0” seviyesini temsil eden bir çıkış darbesi üreterek sensörden geçer.

Bu darbeler bir sayıcı sayacına ve son olarak şaftın hızını veya devirlerini göstermek için bir çıkış ekranına gönderilir.Disk içindeki yuva veya “pencere” sayısını artırarak, şaftın her devri için daha fazla çıkış atımı üretilebilir.

Bunun avantajı, bir devrimin kesirleri tespit edilebildiğinden daha büyük bir çözünürlük ve hassasiyet elde edilmesidir.

Daha sonra bu tip bir sensör düzenlemesi, bir referans konumunu temsil eden disk yuvalarından biri ile pozisyon kontrolü için de kullanılabilir.

Analog sinyallerle karşılaştırıldığında, dijital sinyaller veya nicelikler çok yüksek doğruluklara sahiptir ve çok yüksek bir saat hızında hem ölçülebilir hem de “örneklenebilir”.Dijital sinyalin doğruluğu, ölçülen miktarı temsil etmek için kullanılan bit sayısı ile orantılıdır.

Örneğin, 8 bitlik bir işlemci kullanılması,% 0.390 (256’da 1 kısım) doğruluk üretecektir.16 bitlik bir işlemci kullanırken,% 0.0015, (65.536’da 1 parça) veya 260 kat daha doğru bir hassasiyet verir.Bu doğruluk, dijital niceliklerin analog sinyallerden milyonlarca kat daha hızlı manipüle edilmesi ve işlenmesi gibi sağlanabilir.

Çoğu durumda, sensörler ve daha spesifik olarak analog sensörler genellikle harici bir güç kaynağına ve ölçülebilen veya kullanılabilen uygun bir elektrik sinyali üretmek için sinyalin bir miktar yükseltilmesi veya filtrelenmesini gerektirir.

Tek bir devre içerisinde hem amplifikasyon hem de filtreleme sağlamanın çok iyi bir yolu, daha önce görüldüğü gibi Operasyonel Amplifikatörleri kullanmaktır.

Sensörlerin Sinyal Şartlandırması

Operasyonel Amplifikatör eğitiminde gördüğümüz gibi, op-amp’ler, invert olan veya invert olmayan konfigürasyonlarda bağlandığında sinyallerin amplifikasyonunu sağlamak için kullanılabilir.

Birkaç mili volt veya hatta pico-volt gibi bir sensör tarafından üretilen çok küçük analog sinyal voltajları, 5 v veya 5 mA değerinde çok daha büyük bir voltaj sinyali üretmek üzere basit bir op-amp devre ile defalarca yükseltilebilir.Mikroişlemci veya analog-sayısal tabanlı bir sisteme giriş sinyali olarak kullanılabilir.

Bu nedenle, herhangi bir etkin sinyalin sağlanması için, bir sensör çıkış sinyalinin, 10.000’e kadar bir voltaj kazancına sahip bir amplifikatör ile ve sinyalin yükseltilmesiyle, çıkış sinyalinin tam bir reprodüksiyonu olan lineer olmasıyla, 1.000.000’e kadar bir akım kazancına yükseltilmesi gerekir ki giriş olarak sadece genlik olarak değişir.

Ardından amplifikasyon, sinyal koşullandırma sisteminin bir parçasıdır.Bu nedenle, analog sensörler kullanılırken, sinyal kullanılmadan önce genellikle bir çeşit amplifikasyon (Kazanç), empedans eşleştirme, giriş ve çıkış arasında izolasyon veya belki de filtreleme (frekans seçimi) gerekebilir ve bu işlem İşlemsel Yükselteçler(Op-Amp) tarafından rahatlıkla gerçekleştirilebilir.

Ayrıca, çok küçük fiziksel değişiklikleri ölçerken, bir sensörün çıkış sinyali, istenen gerçek sinyalin doğru şekilde ölçülmesini önleyen istenmeyen sinyallerle veya voltajlarla “kirlenebilir”.Bu istenmeyen sinyallere “Gürültü” denir.

Bu Gürültü veya Etkileşim, sinyal koşullandırma veya filtreleme teknikleri kullanılarak büyük ölçüde azaltılabilir veya hatta ortadan kaldırılabilir.

Düşük Geçiş veya Yüksek Geçiş veya hatta Bant Geçiş filtresi kullanılarak, yalnızca gereken çıkış sinyalini bırakmak için gürültünün “bant genişliği” azaltılabilir.

Örneğin, anahtarlardan, klavyelerden veya manuel kontrollerden gelen birçok giriş türü, durumu hızlı bir şekilde değiştiremez ve bu nedenle düşük geçişli filtre kullanılabilir.

Parazit belirli bir frekanstayken, örneğin şebeke frekansı, dar bant reddetme veya Çentik filtreleri, frekans seçici filtreler üretmek için kullanılabilir.

Tipik Op-Amp Filtreleri

Filtrelemeden sonra hala rastgele bir gürültü kalıyorsa, birkaç örnek durum alınması gerekebilir ve daha sonra sinyal/gürültü oranını artırarak nihai değeri vermek için ortalamaları gerekebilir.

Her iki durumda da, hem amplifikasyon hem de filtreleme, “gerçek dünya” koşullarında hem sensörlerin hem de transdüserlerin mikroişlemci ve elektronik tabanlı sistemlere arayüz işlemlerinde önemli bir rol oynamaktadır.

SENSÖRLER ve DÖNÜŞTÜRÜCÜLER NEDİR SONUÇ  :

Bugün Sensörler ve Dönüştürücüler Nedir adlı yazımızla karşınızdaydık.Umuyorum faydalı bilgiler edinmişsinizdir.Serinin ilk yazısı ile karşınızdaydık.Sensörler hakkındaki bir sonraki derste, belirli bir mesafe veya açı için bir konumdan diğerine hareketi ifade eden fiziksel nesnelerin konumunu ve / veya yer değiştirmesini ölçen Konumsal(Position) Sensörlere bakacağız.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.