Pozisyon Sensörleri |
1. Bölüm

Sensörler ölçme sistemleri içinde önemli bir role sahiptir. Kullanıldıkları yerdeki verileri elektriksel sinyallere dönüştürerek gerekli sistemlere giriş olarak gönderirler. Günlük hayatımızın tüm alanlarında etkin olarak kullanılan sensörlerden, pozisyon sensörlerini bu yazımızda inceleyeceğiz.

A- A+

11.01.2019 tarihli yazı 12952 kez okunmuştur.

Pozisyon Sensörü Nedir?

Sensörler kullanım alanlarına göre adlandırılır ve sınıflandırılır. Nemi ölçmek için kullanılanlar nem sensörü, sıcaklık ölçmek için kullanılanlar sıcaklık sensörü, seviye için kullanılanlar seviye sensörü olarak adlandırılır.

Belirli referans noktasına dayanarak cisimlerin pozisyonunu belirlemede kullanılan sensörlere ise ‘pozisyon sensörü’ denir. Pozisyon sensörleri sayesinde hareket kontrolü, sayma işlemleri, cisimlerin konumları, yönleri, hızları ve mesafeleri belirlenebilmektedir.

Pozisyon sensörleri yapılarına göre; temaslı ve temassız olarak 2’ye ayrılabilirler. Temaslı yapılarda, sensör ölçüm için fiziksel bir temas kontağı kullanır. Temassız yapılarda ise; fiziksel temas kontağı olmaksızın, manyetik alan, elektromanyetik alan, elektrik alan vb. aracılığıyla ölçüm yapılır.

1. Potansiyometrik Pozisyon Sensörü

Basit bir yapısı olan potansiyometre sensör olarak kullanılır. Yapı olarak; iç tarafında bir direnç elemanı ve orta gövdesine sabitlenmiş hareket edebilen, dönebilen bir ‘silecek’ den meydana gelir. Üzerinde, enerji vermek ve çıkış sinyali almak için 3 adet terminal noktası bulunur.

►İlginizi Çekebilir: Potansiyometrenin İç Yapısı

Silecek hareket ettirildiğinde direnç üzerindeki konumu da değişir. Dolayısıyla direnç değeri sileceğin pozisyonuna orantılı şekilde değişir. Terminal noktasına sabit bir gerilim verildiğinde, sileceğin hareketi ile direnç değeri ayarlanır ve potansiyometre gerilim bölücü olarak kullanılır. 3. sabit terminal noktasından ise çıkış sinyali yani çıkış gerilimi alınır ve kullanılacağı sisteme verilir.

►İlginizi Çekebilir: Pull-Up ve Pull-Down Direnç Nedir?

Örnek olarak, potansiyometreye 10V DC besleme gerilimi uygulandığında, direnç elemanı üzerinde pozisyon değiştirerek maksimum 10V, minimum 0V çıkış gerilimi alınır. 0-10V arasındaki değerler sileceğin direnç üzerindeki pozisyonuna göre değişeceğinden, 5V çıkış gerilimi almak istersek, sileceği direncin orta noktasına veya merkezine getirmemiz gereklidir.

Tek dönüşlü potansiyometre 0º ile 240º-330º arası dönüş yaparken, çok dönüşlü potansiyometreler 3600º(10x360º) dönüş yapabilmektedir.

Direnç elemanının uzun ömürlü ve elektriksel gürültüden etkilenmemesi için polimer film kaplı, iletken plastik tip olması tercih edilir.
Uygulama alanlarından bahsetmek gerekirse; oyun konsollarında, direksiyonlarda ve robot uygulamalarında yoğun olarak kullanılmaktadır.

2. Kapasitif Pozisyon Sensörleri

Kapasitif sensörler, temassız tip pozisyon sensörleridir. Hem iletken(metal) hem de iletken olmayan cisimlerin yüksek hassasiyet ile konumlarını(iletken cisimlerin), kalınlık ve yoğunluklarını(iletken olmayan cisimlerin) tespit etmek için kullanılır.

Kapasitif sensörler elektriksel iletkenlik metodunu kullanarak pozisyon belirlemesi yaparlar. Elektriksel kapasite (kapasitans) değişimi sensörün genel çalışma mantığıdır.

Paralel plakalı kondansatörler elektrik yüklerini tutma, depolama özelliğine sahiptir. Kondansatörün yük tutma kapasitesi; yüzey alanı, dielektrik katsayısı ve plakalar arası mesafeye bağlıdır.

►İlginizi Çekebilir: PIC Mikrodenetleyici Ailesi İçin Osilatör Devresi

Kapasitif sensörün yapısında RC osilatör devresi, tetikleme devresi, çıkış devresi ve algılayıcı plakalar bulunur.

Kapasitif algılamada, sensöre AC enerji verildiğinde osilatör sabit frekansta sinyal üretir ve plakalar arasında bir elektrik alan meydana gelir. Sensör kapasitörün 1.plakası, algılanacak cisim 2.plakası, ortamdaki hava ise dielektrik malzeme görevi görür. Yukarıda elektrik kapasitenin nelere bağlı olduğundan bahsetmiştik; bu parametreleri sensör üzerinde düşüneceğiz şimdi. Sensör ile plaka arasındaki hava dielektrik malzeme olarak görev görür ve dielektrik katsayısı sabittir. İkinci değişken yüzey alanı; sensörün yüzey alanıdır ve sensörün yüzey alanı sabittir. Bu noktada tek değişken, plakalar arası mesafedir. Cisim sensörün alanına girdiğinde ya da yaklaştıkça veya uzaklaştıkça mesafe değişir. Dolayısıyla elektriksel kapasite değişir ve osilatörün ürettiği sabit frekans değişir. Cisim yaklaştıkça sinyal frekansı artar, uzaklaştıkça sinyal frekansı azalır. Cisim tespit alanından çıktığında ise sinyal frekansı normal haline gelir. Oluşan sinyal tetikleme devresine verilir, tetikleme devresinden de çıkış devresine geçerek çıkış sinyali oluşturulur.

►İlginizi Çekebilir: Sinyal İşaret İşleme Konvolüsyon

Kapasitif sensörler çıkış sinyali olarak gerilim çıkışı verirler. Belli bir pozisyon değişimine karşılık çıkış gerilimi değişir. Örneğin, hassaslığı 1/10 volt/mikrometre olan sensörde her 10 mikrometrelik pozisyon değişiminde çıkış gerilimi 1 volt değişir. Hassaslık değerleri ise sensörden sensöre değişiklik gösterebilmektedir.

İletken olmayan cisimlerin (plastik, tahta vb.) tespitinde ise belirleyici parametre iletken olmayan cismin dielektrik katsayısıdır. Sensör ve cismi plaka olarak düşündüğümüzde dielektrik malzeme cismin dielektrik katsayısı olacaktır. Çünkü iletken olmadığı için katsayısı havadan farklı olacaktır.

►İlginizi Çekebilir: XLPE Kabloların Kapasitif Etkisi

Yüksek hassasiyet ve performansı sayesinde kapasitif sensör mikrometre mertebesinde pozisyon değişimlerini tespit edebilmektedir. Ayrıca hem iletken hem de iletken olmayan cisimlerin tespitini yapabildiği için de kullanım alanı oldukça geniştir.

3. Endüktif Pozisyon Sensörleri

Endüktif pozisyon sensörleri temassız ve yüksek hassasiyetli sensörlerdir. Sadece iletken (metal) cisimlerin tespitinde kullanılır. Kapasitif sensörlerin aksine elektrik alan ile değil elektromanyetik alan kullanarak pozisyon belirlemesi yaparlar.

►İlginizi Çekebilir: Schmitt Tetikleme Devresi Nedir?

Sensörün yapısındaki LC osilatör devresi elektromanyetik alan yaratır. Algılanacak cisim eğer iletken yapıda ise, sensörün alanına girdiğinde elektromanyetik alan cisme penetre eder ve cisimde bir akım endüklenir. Endüklenen akım da kendi elektromanyetik alanını oluşturur. Sensör ile cismin elektromanyetik alanları çakıştığında, sensörün alanı bozulur veya şekil değiştirir. Bu değişiklikler karşılaştırma devresi tarafından tespit edilir ve miktarıyla orantılı olarak sensörün çıkış devresi çıkış sinyalini verir.

Endüktif pozisyon sensörü ile tespit edilebilen cisimler ikiye ayrılır. Demir malzemeler (demir ve çelik) ve demir olmayan malzemeler (çinko, bakır, alüminyum). Demir malzemeler endüktif sensör menziline girince, oluşturulan elektromanyetik alanın osilatör sinyal frekansı azalır. Tam tersi; demir olmayan cisimler sensörün alanına girdiğinde osilatör sinyal frekansı artar. Değişen frekansına göre de çıkış devresi çıkış sinyali üretir.

►İlginizi Çekebilir: Frekans Kontrol Sistemleri

Endüktif sensörün çıkış sinyali artı ya da eksi olabilir. Kullanılacağı sisteme ve çevreye göre sensörün çıkış sinyali seçilebilir. Artı çıkış veren sensörler PNP çıkışlı, eksi çıkış veren sensörler ise NPN çıkışlı olarak adlandırılır.

Yazar: Resul Çevik

Kaynak:

►engineersgarage.com
►electronics-tutorials.ws