Sensör ve Transdüser Nedir?

Sensör ve Transdüser: İnsanlar çevredeki değişiklikleri duyu organları yardımı ile algılarlar. Kulağın duya bileceği basit titreşimlere ses denir. İnsanların 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 duyarız.

Sensör Nedir?

Sensörler fiziksel ortam değişikliklerini algılayan cihazlardır (basınç, uzaklık, ışık, ısı, ses, sıcaklık vb gibi). Bir diğer ismi ise algılayıcı yani duyargadır. Algılayıcı değişiklikten dolayı mekanik bir makineyi veya elektronik bir devreyi çalıştıran sensörler kullanılır. Örneğin; sıcaklık değişimini algılamak için ısı sensörleri, ışık değişimini algılamak için optik sensörler kullanılır.

Transduser Nedir?

Transduserler (transducer) sensörlerin algıladıkları bilgileri elektrik sinyaline dönüştürürler. Elektronik devrelerle kurulmuş olan cihazlarda çevrilir. Bu da mekanik sistemlerin kontrolünde kullanılır. Bunlar da hayatı kolaylaştırdığı gibi imalat sırasında üretim süresini hızlandırır. Transducer ve sensörlerin arasında bilgi alış verişi olduğu için beraber çalışırlar. Transdüser sensör içinde bulunan bobinle ses dalgasını elektrik akımına dönüştürür.

Transduser Çalışma Prensibi

Transduserlerin, dönüştürdükleri enerjinin çeşidine göre farklı çalışma prensibi vardır. Isı, ışık, ses, basınç gibi büyüklükler elektriksel değere dönüştürülürken farklı yöntemler kullanılır. Sesi elektrik sinyaline dönüştürmek için mikrofon kullanılır. Işığı elektrik bilgisine dönüştürmek için ise fotodiyot, fototransistör gibi optik elemanlardan faydalanılır.

Transducerler, elektrik sinyaline dönüştürülecek olan enerji şeklinin özelliğine göre dizayn edilir. Örneğin bir ses transduceri olan mikrofonun çalışması, konuşma sırasında havanın titreşmesi ile hava da bir basınç değişikliği oluşturur. Biz duyma işlemini ise bu basınç değişikliğini kulaklarımızdaki zar ile algılarız. Mikrofonlar da aynen kulaklarımız gibi havadaki basınç değişikliğinin oluşturduğu etkiden faydalanarak sesi algılar. Böylece sesi elektrik sinyaline dönüştürürler.

Sensör ve Transduser Çeşitleri

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

1 – Isı Sensörü

Isı sensörü veya sıcaklık sensörü ortamdaki ısı değişimini algılamamıza yarayan cihazlardır. Bazı maddenin elektriksel direnci sıcaklık ile değişir. Sıcaklıkla direnci değişen elektronik malzemelere termistör denir. Sıcaklığa karşı hassas olan maddeler kullanılarak sıcaklık kontrolü ve sıcaklık ölçümü yapılır.

2 – Manyetik Sensör

Manyetik sensör bir tel bobin haline getirilip içinden akım geçirilirse, bobin 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 cihazlar manyetik sensörlerdir. Aynı zamanda alan etkili transduserler de denir. Manyetik sensörler genel olarak güvenlik gerektiren yerlerde kullanılır.

• Bobinli (Endüktif) Manyetik Sensörler

Bobinli (endüktif) manyetik sensörler, 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. Levhalar iletken veya yarı iletken malzemeden yapılır.

Bir levha, manyetik alan içinde iken;

A ve B uçlarından DC gerilim uygulandığında, C ve D noktaları arasında bir potansiyel fark oluşur. Bu gerilimin değeri manyetik alana levhanın yakınlığı ile değişir. Bu prensipten faydalanılarak alan etkili transdüser (Hall Effect Sensörü) imalatı yapılmaktadır.

Örneğin, dönen hız sensörü, sıvı akış sensörü, akım sensörü ve basınç sensörü verilebilir. Ayrıca bu teknoloji, elektropnömatik özellik gösteren paintball silahlarında kullanılır. 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

Kondasatörler yapıları gereği elektrik yükü depolarlar. Kondansatörlerin yük depolama kapasiteleri ise kondansatör plakalarının boylarına göredir. Ayrıca bu plaklar arasındaki mesafe uzaklığına ve iki plaka arasındaki yalıtkan malzemenin özelliğine bağlıdır.

Sonuç olarak;

• Kondansatör plakaları birbirine yakınlaştırılıp veya uzaklaştırıldığı zaman
•  Esnetilirse 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 Sensörü

Bir gerinim ölçer, bir cisim üzerindeki gerinimi ölçmek için kullanılan bir cihazdır. Genelde, esneyen bir tabaka üzerine ince bir telin ya da şeridin kuvvetli bir yapıştırıcı ile yapıştırılmasından oluşur. Üzerindeki basıncın etkisinden dolayı tabaka esneme yapar. Tabakanın esnemesiyle beraber iletken şeridin de gerilerek uzamasına neden olur. Bu uzama sırasında telin boyu uzayarak kesiti azalır. Bilindiği gibi iletkenlerin kesiti azaldıkça dirençleri artar. Bunun için uygulanan 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 Basınç Sensörleri

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  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 verirler. Bunun 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 oluşturur. Bu özelliklerinden yararlanılarak titreşim ve basınç gibi mekanik cihaz ölçümleri yapılmasında kullanılır.

Kullanıldığı Yerler; Piezoelektrik sensörler

Elektronik saat, basınç ve titreşim ölçümlerinde ve kristal mikrofonlar da kullanılır.

Optik Sensörler

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. Bu etkilerden ve diğer patlayıcı ortamlar dahil olmak üzere zor şartlar için idealdir. Fiber optik sensör, dar alanlara montaj yapılması için yeterince küçüktür. Ancak esnek fiber kamçılar ile ihtiyaç olan yerlere doğru bir şekilde yerleştirilir.

Sensör Seçimini Etkileyen Parametreler

• Aralık (Range): Bir enstrümanın aralığı giriş ya da çıkışındaki minimum ve maksimum değerler ile tanımlanır.
• Açıklık (Span):Açıklık minumum ve maksimum aralık değerleri arasındaki farktır.
• Duyarlık (Sensitivity):Bir enstrümanın girişindeki birim değişime karşı gösterdiği yanıt yeteneği olarak ifade edilir. Girişindeki en küçük bir değişimi çıkışında algılanabilecek büyüklükte bir değişim olarak aktarabilen transdüserin duyarlığı yüksektir.
• Doğruluk (Accuracy):Ölçülen değerin beklenen değerle ne kadar bağdaştığını gösteren bir ölçüdür. Beklenen (teorik) değer ile ölçülen değer arasındaki fark ise “hata” olarak tanımlanır. Doğruluk, yüzde olarak transdüserin yapabileceği en fazla hatayı ifade etmektedir.
• Doğrusallık (Linearity):Bir transdüserin karakteristik eğrisinin bir doğruya ne kadar yakın olduğunu gösteren bir ölçüdür. Algılayıcıların doğasında bulunan ve onları doğrusallıktan uzaklaştıran özellikleri bulunmaktadır. Yüzde olarak tanımlanan doğrusallık, transdüserin ideal doğrudan en fazla ne kadar saptığını belirtir.
• Yinelenebilirlik (Repeatability):Aynı şartlarda, transdüser ile, aynı değişkenin değeri ölçülür. Ölçüm sonucu alınan değişik zamanlardaki sonuçlar birbirine yakındır. Transdüserin yalnızca yinelenebilirliğinin iyi olması yeterli değildir. Aynı zamanda doğruluğunun da yüksek olması gerekir ki, bu da “bileşik doğruluk” olarak tanımlanır. Süreç kontrol sistemlerinde önemlidir.
• Hassasiyet (Precision):Tam veya kesin olarak tanımlanmış ya da ifade edilmiş olma niteliğidir.
• Çözünürlük (Resolution):Bir değerin ölçülmesi ve kademelerin belirtilmesinde kullanılan bir terimdir.
• Yaşlanma ve Çevresel Etkiler: Transdüserlerin doğruluk, doğrusallık, duyarlık gibi ölçüm özellikleri zamanla olumsuz etkilenir. Transdüserlerde kullanılan kalibre ayarları zamanla bozulur. Bundan dolayı bu özelliklerde geçici ve kalıcı olarak değişiklikler oluşur. Bu doğrusallıktan sapma hatası olan sıfır kayması (sıfır hatası) ve/veya duyarlıktaki değişim (açıklık hatası) olarak ortaya çıkar.
• Histeresiz (Hystheresis): Histeresiz, ölçülen değişkenin değeri süreç içerisinde değişir. Daha önceki değerinin artırılması veya azaltılması yoluyla geçerli değerine ne kadar yaklaştığının ölçüsüdür.
• Ölü Zaman (Dead Time): İki ilgili hareket arasındaki gecikmedir. Ölü zaman zaman sabiti ve diğer gecikmelerle birlikte bulunduğu için belirlenmesi güç bir faktördür.

Sensör Fiyatları

Üretici firmalar tarafından sensör çeşitlerine göre sensör fiyatları belirlenir.