ALGILAYICILAR(SENSÖRLER)

Algılayıcılar, sistem fonksiyonlarının doğru bir şekilde yapılabilmesi ve işlemlerin gerçekleştirebilmesi için Elektronik Kontrol Modülüne (ECM veya ECU) girdi sağlayan sistem elemanlarıdır. Taşıtlarda algılayıcılar genellikle Elektronik Kontrol Ünitesinde işlem görebilen bir gerilim sinyali üretirler. Diğer bir deyişle algılayıcılar, fiziksel büyüklükleri kontrol ünitesinin anlayabileceği halde elektrik sinyaline dönüştüren bileşenlerdir.

ALGILAYICILARIN SINIFLANDIRILMASI Algılayıcıları birbirinden farklı birçok sınıfa ayırmak mümkündür. Ölçülen büyüklüğe göre, çıkış büyüklüğüne göre, besleme ihtiyacına göre vs.

Bir çıkış sinyalinin oluşumu için, ilgilenilen bilgiyi taşıyan giriş sinyali ile yorumlayıcı eleman yada aygıt arasında etkileşim gereklidir. Algılayıcılarla ölçülen büyüklükler 6 gruba ayrılabilir. Sinyaller bu altı büyüklükle taşınabildiklerinden aynı zamanda bu büyüklüklerle de sınıflandırılabilirler. Bunlar;

Giriş Büyüklüklerine Göre Sınıflandırma

1. Mekanik: Uzunluk, alan, miktar, kütlesel akış, kuvvet, tork (moment), basınç, hız, ivme, pozisyon, ses (dalga boyu ve yoğunluğu)

2. Termal: Sıcaklık, ısı akısı

3. Elektriksel: Voltaj, akım, elektrik yükü, direnç, endüktans, kapasitans, dielektrik katsayısı, polarizasyon, elektrik alanı ve frekans

4. Manyetik: Alan yoğunluğu, akı yoğunluğu, manyetik moment, geçirgenlik

5. Işıma(radiant): Yoğunluk, dalga boyu, polarizasyon, faz, yansıtma, gönderme

6. Kimyasal: Yoğunlaşma, içerik, oksidasyon/redaksiyon, reaksiyon hızı, pH miktarı

Çıkış Büyüklüklerine Göre

- Analog veri ve sinyal Analog veri, giriş sinyalinin bazı başka sinyaller ile toplama, çarpma veya faz farkı gibi elektriksel işlemler geçirilerek değiştirilmesi ile elde edilir. Dolayısıyla, giriş sinyali ve çıkış sinyali arasındaki geçiş bir matematiksel formül ile gösterilebilir.

Analog veri ile sayısal veri arasındaki en büyük fark, analog verinin sürekli olan bir ölçekte, sayısal verinin ise rakamlarla sınırlı olan, sürekli olmayan bir ölçekte olmasıdır.

Analog sinyallere örnek olarak, gerilim, akım, sıcaklık, ses gibi süreklilik taşıyan sinyaller örnek verilebilir. Çoğu zaman analog sinyaller istediğimiz özelliklere sahip değildir. Pratikte analog sinyaller çok küçük (genellikle milivolt mertebesinde), çok gürültülü (genellikle elektromanyetik parazit nedeniyle), yanlış bilgi (tasarım veya montaj hataları nedeniyle), DC ofseti (donanım tasarımından kaynaklanan) olan sinyaller olabilmektedir.

- Dijital veri ve sinyal Dijital veri veya dijital sinyal, sayısallaştırılmış sinyaldir. Bir analog sinyalden belirli örnekleme yoluyla alınarak analog sinyalin tam karşılığı olmayan dijital sinyal oluşturulur. Girişteki verinin saklanma veya aktarılma şeklinin değiştirilmesiyle elde edilir.

Dijital sinyaller zamana bağımlı olarak ON yada OFF turlar. Dijital devrelerin genel karakteristiği, girişin belli bir seviyeye gelmesiyle çıkışın aniden değişmesidir.

Bir sinyalin ON (1) yada OFF (0) olduğunu söylemek, sinyalin gönderildiğini yada gönderilmediğini ifade etmek için kullanılır. Analog çıkışlara alternatif olan dijital çıkışlar bilgisayarlarla doğrudan iletişim kurabilirler. Bu iletişimler kurulurken belli bazı protokoller kullanılır(CAN, RS232, RS422, RS 485 vs.).

Elektronik ortamlarda analog sinyallerin işlenmesi çok önemlidir. Bu iş için ADC ve DAC konvertor devreleri kullanılır. ADC ( Analog to Digital Convertor) devreleri girişine uygulanan herhangi bir analog sinyali, çıkışında dijital değerlere dönüştüren devrelerdir. DAC (Digital to Analog Convertor) devreleri de tam tersi bir işlem gerçekleştirir.

Dijital sinyalle bilgi taşınması

Besleme İhtiyacına Göre Besleme ihtiyacına göre algılayıcılar iki sınıfa ayrılabilir. Bunlar, pasif ve aktif algılayıcılardır.

- Pasif Algılayıcılar: Hiçbir şekilde dışarıdan harici enerji almadan (besleme gerilimine ihtiyaç duymadan) fiziksel ya da kimyasal değerleri bir başka büyüklüğe çevirirler. Bu algılayıcı tipine örnek olarak ısıl çift (T/C) gösterilebilir.

- Aktif Algılayıcılar: Çalışmaları için harici bir enerji beslenmesine ihtiyaç duyarlar. Bu algılayıcılar tipik olarak zayıf sinyalleri ölçmek için kullanılırlar. Aktif algılayıcılarda dikkat edilmesi gereken nokta giriş ve çıkışlardır. Bu tip algılayıcılar dijital ya da analog formatta elektriksel çıkış sinyali üretirler. Analog çıkışlılarda, çıkış büyüklüğü gerilim ya da akımdır. Otomotivde, gerilim çıkısı genellikle 0-5V aralığında oldukça yaygın kullanılmaktadır. 4-20mA akım çıkısı ise endüstride standart haline gelmiştir.

Transdüserler Ölçüm sistemlerinde aynı kavram birçok farklı terim ile anlatılmaktadır. Endüstride algılayıcı, transdüser, transmiter, detektör, prob terimleri birbirinin yerine kullanılmaktadır.

Bir enerji tipini veya sinyali başka bir enerji tipine dönüştüren aygıtlara dönüştürücü(transducer) denir. Aşağıdaki tabloda dönüştürücülere örnek verilmiştir. Tablodaki sütunlar elektriksel yada elektriksel sinyale dönüştürülebilir çıkış sinyallerini göstermektedir. Algılayıcılar genellikle elektronik işlem birimlerine (CPU, mikro denetleyici, ECU vs.) çıktı bilgisi sağlamak zorunda olduklarından algılayıcılar açısından çıkış sinyali önem arz eder. Transdüser algılayıcıların bir alt grubu olarak görülebilir.

Farklı etkilere bağlı dönüştürücülerin verimlilikleri, statik karakteristikleri(doğrusal, üssel, vs.) ve dinamik davranışları(bant genişliği, zaman sabiti, vs.) da farklı olmaktadır.

Transdüserlerin temel gösterimi

Kendi üretken

Modüle

SENSÖR TİPLERİ

Sensor Features Linear/Rotational sensors

Linear/Rotational variable differential transducer (LVDT/RVDT) High resolution with wide range capability Very stable in static and quasi-static applications Optical encoder Simple, reliable, and low-cost solution Good for both absolute and incremental measurements

Electrical tachometer Resolution depends on type such as generator or magnetic pickups

Hall effect sensor High accuracy over a small to medium range Capacitive transducer Very high resolution with high sensitivity Low power requirements Good for high frequency dynamic measurements Strain gauge elements Very high accuracy in small ranges Provides high resolution at low noise levels Interferometer Laser systems provide extremely high resolution in large ranges Very reliable and expensive Magnetic pickup Output is sinusoidal Gyroscope Inductosyn Very high resolution over small ranges

Acceleration sensors

Seismic accelerometer Good for measuring frequencies up to 40% of its natural frequency

Piezoelectric accelerometer High sensitivity, compact, and rugged Very high natural frequency (100 kHz typical)

Force, torque, and pressure sensor Strain gauge Good for both static and dynamic measurements Dynamometers/load cells They are also available as micro- and nanosensors Piezoelectric load cells Good for high precision dynamic force measurements Tactile sensor Compact, has wide dynamic range, and high Ultrasonic stress sensor Good for small force measurements

Flow sensors Pitot tube Widely used as a flow rate sensor to determine speed in aircrafts Orifice plate Least expensive with limited range Flow nozzle, venturi tubes Accurate on wide range of flow More complex and expensive Rotameter Good for upstream flow measurements Used in conjunction with variable inductance sensor Ultrasonic type Good for very high flow rates

Can be used for both upstream and downstream flow measurements

Turbine flow meter Not suited for fluids containing abrasive particles

Relationship between flow rate and angular velocity is linear Electromagnetic flow meter Least intrusive as it is noncontact type Can be used with fluids that are corrosive, contaminated, etc. The fluid has to be electrically conductive

Temperature sensors Thermocouples This is the cheapest and the most versatile sensor Applicable over wide temperature ranges (-200 to 1200 C typical) Thermistors Very high sensitivity in medium ranges (up to 100 C) Compact but nonlinear in nature Thermodiodes, thermo transistors Ideally suited for chip temperature measurements Minimized self heating RTD—resistance temperature detector More stable over a long period of time compared to thermocouple Linear over a wide range Infrared type Noncontact point sensor with resolution limited by wavelength Infrared thermography Measures whole-field temperature distribution

Proximity sensors Inductance, eddy current, hall effect, photoelectric, capacitance, etc. Robust noncontact switching action The digital outputs are often directly fed to the digital controller

Light sensors Photoresistors, photodiodes, photo, transistors, photo conductors, etc. Measure light intensity with high sensitivity Inexpensive, reliable, and noncontact sensor Charge-coupled diode Captures digital image of a field of vision

Smart material sensors Optical fiber As strain sensor Alternate to strain gages with very high accuracy and bandwidth Sensitive to the reflecting surface’s orientation and status As level sensor Reliable and accurate As force sensor High resolution in wide ranges As temperature sensor High resolution and range (up to 2000 C) Piezoelectric As strain sensor Distributed sensing with high resolution and bandwidth As force sensor Most suitable for dynamic applications As accelerometer Least hysteresis and good setpoint accuracy Magnetostrictive As force sensors Compact force sensor with high resolution and bandwidth Good for distributed and noncontact sensing applications As torque sensor Accurate, high bandwidth, and noncontact sensor

Micro- and nano-sensors

Micro CCD image sensor Small size, full field image sensor

Fiberscope Small (0.2 mm diameter) field vision scope using SMA coil actuators

Micro-ultrasonic sensor Detects flaws in small pipes Micro-tactile sensor Detects proximity between the end of catheter and blood vessels

Elektromanyetik sensörler

Elektromanyetik algılayıcılar genelde dönen bir objenin hız veya açısal konumunu algılamak için kullanılır. Otomotivdeki kullanım alanları;

1. Püskürtme ve ateşlemenin kontrolü için krank pozisyonunun belirlenmesinde

2. Motor devir sayısının ölçümünde

3. Otomatik şanzımanlarda şanzıman dişlilerinin dönüş hızlarının belirlenmesinde

4. ABS ve çekiş kontrol sistemi (TCS) için tekerlek dönüş hızının belirlenmesinde

Elektrik ve manyetizma arasındaki etkileşimler, istenen algılamayı üretmek için çeşitli şekillerde kullanılırlar. Ancak, taşıtlarda yaygın olarak kullanılan iki tip elektro manyetik algılayıcı bulunmaktadır. Değişken manyetik tip ve Hall tipi sensörler.

Değişken Manyetik Tip

Bu tip algılayıcılar birçok taşıt uygulamasında kullanılmaktadır. (Ateşleme ve yakıt sistemlerinde motor hızı ve konum algılamada, ABS sisteminde teker hızının algılanması vs.). Hava demire göre daha yüksek bir relüktansa(manyetik direnç) sahiptir.

Algılayıcının temel elemanları;

- Üzerinde loblar(çıkıntı) bulunan demir rotor (sinyal jeneratörü)

- Mıknatıs

- Manyetik akının taşındığı demir çekirdek

- Metal çekirdek etrafına sarılmış üzerinde gerilim indüklenen bobin

Rotor üzerinde bulunan çıkıntılar, manyetik devre üzerinde hava boşluğunun değişimine ve bu sayede manyetik akının değişmesine neden olurlar. Manyetik akının değişimi bobin üzerinde bir gerilim indükler. Manyetik akıdaki değişim oranı ne kadar büyük olursa sensör bobininde oluşan voltajda o kadar büyük olur. Relüktör rotoru üzerinde bulunan çıkıntılar manyetik devredeki hava boşluğunun dışındaysa voltaj değeri “0” dır. Çıkıntılar manyetik devredeki hava boşluğuna yaklaştıkça manyetik akı hızlı bir şekilde artar. Bu durum algılayıcıda elde edilen voltajın hızlı bir şekilde artmasına ve maksimum pozitif değerine ulaşmasına neden olur. Relüktör çıkıntısı manyetik devre içerisinde hareketine devam ettiğinde voltaj düşmeye başlar ve manyetik devredenin tam karşısına geldiğinde voltaj değeri “0” olur.

Bu noktada manyetik alan en güçlü olmasına karşın manyetik akı değişimi olmadığından voltaj “0” dır. Metal çıkıntı, manyetik alan hava boşluğu içinde hareketine devam ettiğinde ve manyetik alandan uzaklaşmaya başladığında, manyetik akı değişim oranı yüksek olacak ve bu durum voltajda da bir artış meydana getirecektir. Ancak hareketin yönü manyetik devreden uzaklaşır olduğundan voltaj artışı negatif bölgede olacaktır. Negatif bölgede maksimuma ulaşan voltaj artışı çıkıntının hava boşluğundan uzaklaşmaya başlamasıyla birlikte tekrar düşmeye başlar ve “0” olur. Rotor dönmeye devam ettikçe ve bir sonraki çıkıntı manyetik devreden geçtikçe sinyal değişimi süreklilik arz edecek şekilde devam eder.

Krank mili konum sensörü Şekilde krank mili algılayıcısı görülmektedir. Burada, relüktör, rotor yada sinyal jeneratörü olarak adlandırılan disk motor volanına ilişkilendirilmiştir. Sabit mıknatıs ve bobinden oluşan algılayıcı uç silindir bloğuna bağlanmıştır. Sinyal jeneratörü üzerindeki her çıkıntı algılayıcı uç önünden geçerken bobin üzerinde bir gerilim oluşur. Sargıda indüklenen bu gerilimin büyüklüğü(genliği) motor hızına bağlıdır. Motor ne kadar hızlı dönerse bobinde oluşan voltajın büyüklüğü de o oranda yüksek olur. Alternatif akım formundaki algılayıcı sinyali, düşük devirlerde 1-2 V mertebelerinde iken algılayıcının yapısına bağlı olarak yüksek devir hızlarında 100 V mertebelerine kadar ulaşabilmektedir. Bazı algılayıcı devreleri maksimum voltajı sınırlandıracak şekilde tasarlanmışlardır. Sinyal jeneratörü üzerinde bir çıkıntı eksik bırakılmıştır. Bunun amacı ÜÖN’nın belirlenmesi içindir.

ABS tekerlek sensörü Birçok ABS tekerlek sensörünün çalışma prensibi krank sensörü ile aynıdır. Etkili frenlemenin sağlanabilmesi ve sürücünün taşıtın kontrolünü koruyabilmesi için frenleme esnasında tekerlerin kitlenmemesi yani bloke olup kaymaması gerekmektedir. ABS sensörü lastik ile yüzey arasındaki kaymayı belirlemek amacıyla kullanılır. ABS sensörlerinin amacı tekerlek kilitlenme başlangıcını tespit etmektir. Frenleme esnasında ABS teker sensörlerinden gelen sinyaller değerlendirilerek sinyaller arasında bir tekerin diğerine göre daha yavaşladı tespit edildiğinde yavaşlayan tekerdeki fren basıncı azaltılarak tekerin kilitlenme eğiliminden çıkması sağlanır.

HALL ETKİLİ SENSÖRLER

1879'da Edwin Hall tarafından keşfedilen bu etkiye göre, yarı iletken bir plakada elektronlar hareket ettiğinde, manyetik akının doğrultusuna dikey olarak oluşan elektromanyetik kuvvet (Lorentz kuvveti) her elektronu akım akış yönüne dik olarak hareket ettirir. Bu kuvvetin etkisinde, elektronlar yarı iletken plakanın bir tarafına doğru yönlendirilirler. Bu durum yarı iletken plakanın bir tarafına biriken elektronlar nedeniyle negatif polarize, elektron azalması olan tarafta ise pozitif polarize oluşmasına neden olur. Bu iki uç arasında manyetik akı şiddetiyle orantılı olarak oluşan gerilime Hall gerilimi denir. Bu gerilimin değeri, besleme akımı ve manyetik alan şiddetine bağlıdır. Hall tipi sensörler tüm hızlarda hemen hemen sabit bir çıkış gücü üretirler.

Hall etkili sensörler diğer elektromanyetik sensörlerin kullanıldığı her yerde kullanılır. Örneğin, motor hızı ve krank pozisyonu, ABS tekerlek sensörleri, kam mili konum sensörü (Ateşleme ve püskürtme sistemler için) vs.

Hall Etkili Sensörlü Transistörlü Ateşleme Sistemi