Sensör

Işık sensörlerinin farklı tipleri ⓘ

En geniş tanımıyla sensör amacı ortamındaki olayları veya değişiklikleri tespit etmek ve bilgileri diğer elektronik cihazlara genellikle bir bilgisayar işlemcisine göndermek olan bir cihaz, modül, makine veya alt sistemdir. Sensör her zaman diğer elektronik cihazlarla kullanılır. Sensörler çoğu insanın hiç farkında olmadığı sayısız uygulamanın yanı sıra dokunmaya duyarlı asansör düğmeleri (dokunsal sensör) ve tabanına dokunulduğunda kararan veya parlaklaşan lambalar gibi gündelik nesnelerde kullanılır. Mikro makine ve kullanımı kolay mikrodenetleyici platformlardaki gelişmelerle sensörlerin kullanımı geleneksel sıcaklık, basınç veya debi ölçümü alanlarının örneğin MARG sensörleri gibi ötesine geçti. Ayrıca potansiyometre ve kuvvet algılama direnci gibi analog sensörler hala yaygın olarak kullanılır. Uygulamalar arasında imalat, makine, uçaklar ve havacılık, arabalar, tıp, robotik ve günlük yaşamımızdaki teknolojik araçlar vardır. Malzemelerin kimyasal ve fiziksel özelliklerini ölçen çok çeşitli başka sensörler de vardır. Birkaç örnek arasında kırılma indisi ölçen optik sensörler, sıvı viskozite ölçümü için titreşim sensörleri ve sıvıların pH'ını izlemek için elektro-kimyasal sensör bulunur. Bir sensörün hassasiyeti ölçülen girdi miktarı değiştiğinde sensör çıktısının ne kadar değiştiğini gösterir. Örneğin bir termometredeki cıva, sıcaklık 1 °C değiştiğinde 1 cm hareket ederse duyarlılık 1 cm/°C'dir (doğrusal bir karakteristiğin varsayıldığı temelde dy/dx eğimdir). Bazı sensörler de ölçtüğü şeyi etkileyebilir; örneğin sıcak bir sıvı kabına yerleştirilen bir oda sıcaklığı termometresi sıvı termometreyi ısıtırken sıvıyı soğutur. Sensörler genellikle ölçülen şey üzerinde küçük bir etkiye sahip olacak şekilde tasarlanır; sensörün küçültülmesi bunu genellikle iyileştirir ve başka yararlar sağlar. Teknolojik ilerleme MEMS teknolojisini kullanan mikrosensörler olarak mikroskobik ölçekte daha fazla sensörün üretilmesine neden oldu. Çoğu durumda bir mikro sensör makroskobik yaklaşımlarla karşılaştırıldığında çok daha hızlı ve kısa ölçüm süresine ve daha yüksek hassasiyete ulaşır. Günümüz dünyasında hızlı, uygun fiyatlı ve güvenilir bilgiye yönelik artan talep nedeniyle, tek kullanımlık sensörler - kısa vadeli izleme veya tek seferlik ölçümler için düşük maliyetli ve kullanımı kolay cihazlar - son zamanlarda artan bir önem kazanmıştır. Bu sensör sınıfını kullanarak, kritik analitik bilgiler, yeniden kalibrasyona gerek kalmadan ve kontaminasyon konusunda endişelenmeden, herhangi bir yerde ve herhangi bir zamanda herkes tarafından elde edilebilir. ⓘ

İnsanların çevrelerinde olup bitenleri duyu organlarıyla algılamasına benzer biçimde, makineler de sıcaklık, basınç, hız ve benzeri değerleri algılayıcıları vasıtasıyla algılarlar. Örneğin, bir sıcaklık algılayıcısı değişen ortam sıcaklığına bağlı olarak bacakları arasında elektrik potansiyel farkı (gerilim) oluşturur. Bu bilgi bir mikrodenetleyiciye aktarıldığında kapalı çevrim bir sıcaklık kontrol ünitesi elde edilir. ⓘ

Ölçüm hatalarının sınıflandırılması

Bir kızılötesi sensör ⓘ

İyi bir sensör aşağıdaki kurallara uyar:

• ölçülen özelliğe karşı duyarlıdır
• uygulamada karşılaşılması muhtemel diğer özelliklere karşı duyarsızdır ve
• ölçülen özelliği etkilemez. ⓘ

Çoğu sensör doğrusal bir transfer fonksiyonuna sahiptir. Hassasiyet daha sonra çıkış sinyali ile ölçülen özellik arasındaki oran olarak tanımlanır. Örneğin, bir sensör sıcaklığı ölçüyorsa ve bir voltaj çıkışına sahipse, hassasiyet [V/K] birimleriyle bir sabittir. Hassasiyet, transfer fonksiyonunun eğimidir. Sensörün elektrik çıkışını (örneğin V) ölçülen birimlere (örneğin K) dönüştürmek için elektrik çıkışının eğime bölünmesi (veya eğimin tersi ile çarpılması) gerekir. Buna ek olarak, sıklıkla bir ofset eklenir veya çıkarılır. Örneğin, 0 V çıkış -40 C girişe karşılık geliyorsa çıkışa -40 eklenmelidir. ⓘ

Analog bir sensör sinyalinin işlenebilmesi veya dijital ekipmanlarda kullanılabilmesi için analogdan dijitale dönüştürücü kullanılarak dijital bir sinyale dönüştürülmesi gerekir. ⓘ

Örneğin: LM35 birçok projede kullanılan ısı sensörüdür. ⓘ

Sensör sapmaları

Sensörler ideal bir transfer fonksiyonunu kopyalayamadığından, sensör doğruluğunu sınırlayan çeşitli sapmalar meydana gelebilir:

• Çıkış sinyalinin aralığı her zaman sınırlı olduğundan, ölçülen özellik sınırları aştığında çıkış sinyali eninde sonunda bir minimum veya maksimum değere ulaşacaktır. Tam ölçek aralığı, ölçülen özelliğin maksimum ve minimum değerlerini tanımlar.
• Hassasiyet pratikte belirtilen değerden farklı olabilir. Buna hassasiyet hatası denir. Bu, doğrusal bir transfer fonksiyonunun eğimindeki bir hatadır.
• Çıkış sinyali doğru değerden bir sabit kadar farklıysa, sensörde bir ofset hatası veya önyargı vardır. Bu, doğrusal bir transfer fonksiyonunun y-kesişimindeki bir hatadır.
• Doğrusal olmama, bir sensörün transfer fonksiyonunun düz bir çizgi transfer fonksiyonundan sapmasıdır. Genellikle bu, sensörün tüm aralığı boyunca çıktının ideal davranıştan farklı olduğu miktarla tanımlanır ve genellikle tam aralığın bir yüzdesi olarak belirtilir.
• Ölçülen özelliğin zaman içindeki hızlı değişimlerinden kaynaklanan sapma dinamik bir hatadır. Genellikle bu davranış, periyodik bir giriş sinyalinin frekansının bir fonksiyonu olarak hassasiyet hatasını ve faz kaymasını gösteren bir bode grafiği ile tanımlanır.
• Çıkış sinyali ölçülen özellikten bağımsız olarak yavaşça değişiyorsa, bu sürüklenme olarak tanımlanır. Aylar veya yıllar boyunca uzun süreli sapma sensördeki fiziksel değişikliklerden kaynaklanır.
• Gürültü, sinyalin zaman içinde değişen rastgele bir sapmasıdır.
• Bir histerezis hatası, çıkış değerinin önceki giriş değerlerine bağlı olarak değişmesine neden olur. Bir sensörün çıkışı, girişi artırarak veya azaltarak belirli bir giriş değerine ulaşılıp ulaşılmadığına bağlı olarak farklıysa, sensörde histerezis hatası vardır.
• Sensörün dijital bir çıkışı varsa, çıkış esasen ölçülen özelliğin bir yaklaşımıdır. Bu hataya niceleme hatası da denir.
• Sinyal dijital olarak izleniyorsa, örnekleme frekansı dinamik bir hataya neden olabilir veya giriş değişkeni veya eklenen gürültü, örnekleme oranının katlarına yakın bir frekansta periyodik olarak değişirse, örtüşme hataları oluşabilir.
• Sensör bir dereceye kadar ölçülen özellik dışındaki özelliklere karşı hassas olabilir. Örneğin, çoğu sensör bulundukları ortamın sıcaklığından etkilenir. ⓘ

Tüm bu sapmalar sistematik hatalar veya rastgele hatalar olarak sınıflandırılabilir. Sistematik hatalar bazen bir tür kalibrasyon stratejisi ile telafi edilebilir. Gürültü, genellikle sensörün dinamik davranışı pahasına filtreleme gibi sinyal işleme yöntemleriyle azaltılabilen rastgele bir hatadır. ⓘ

Çözünürlük

Sensör çözünürlüğü veya ölçüm çözünürlüğü, ölçülen miktarda tespit edilebilen en küçük değişikliktir. Dijital çıkışa sahip bir sensörün çözünürlüğü genellikle dijital çıkışın sayısal çözünürlüğüdür. Çözünürlük, ölçümün yapıldığı hassasiyetle ilgilidir, ancak bunlar aynı şey değildir. Bir sensörün doğruluğu çözünürlüğünden çok daha kötü olabilir. ⓘ

• Örneğin, mesafe çözünürlüğü, herhangi bir mesafe ölçüm cihazı tarafından doğru bir şekilde ölçülebilen minimum mesafedir. Bir uçuş süresi kamerasında mesafe çözünürlüğü genellikle uzunluk birimi cinsinden ifade edilen sinyalin standart sapmasına (toplam gürültü) eşittir.
• Sensör bir dereceye kadar ölçülen özellik dışındaki özelliklere karşı hassas olabilir. Örneğin, çoğu sensör bulundukları ortamın sıcaklığından etkilenir. ⓘ

Kimyasal sensör

Bir kimyasal sensör, bulunduğu ortamın, yani bir sıvı veya gaz fazının kimyasal bileşimi hakkında bilgi sağlayabilen bağımsız bir analitik cihazdır. Bilgi, belirli bir kimyasal türün (analit olarak adlandırılır) konsantrasyonu ile ilişkili olan ölçülebilir bir fiziksel sinyal şeklinde sağlanır. Bir kimyasal sensörün işleyişinde tanıma ve iletim olmak üzere iki ana adım yer alır. Tanıma adımında, analit molekülleri seçici olarak reseptör molekülleriyle veya sensörün tanıma elemanının yapısında bulunan bölgelerle etkileşime girer. Sonuç olarak, karakteristik bir fiziksel parametre değişir ve bu değişim çıkış sinyali üreten entegre bir dönüştürücü vasıtasıyla rapor edilir. Biyolojik yapıdaki tanıma malzemesine dayalı bir kimyasal sensör, bir biyosensördür. Ancak, sentetik biyomimetik malzemeler bir dereceye kadar tanıma biyomalzemelerinin yerini alacağından, biyosensör ile standart bir kimyasal sensör arasında keskin bir ayrım yapmak gereksizdir. Sensör geliştirmede kullanılan tipik biyomimetik malzemeler moleküler baskılı polimerler ve aptamerlerdir. ⓘ

Biyosensör

Biyotıp ve biyoteknolojide, hücreler, protein, nükleik asit veya biyomimetik polimerler gibi biyolojik bir bileşen sayesinde analitleri tespit eden sensörler biyosensör olarak adlandırılır. Biyolojik analitler için organik (karbon kimyası) bile olsa biyolojik olmayan bir sensör ise sensör veya nanosensör olarak adlandırılır. Bu terminoloji hem in-vitro hem de in-vivo uygulamalar için geçerlidir. Biyosensörlerde biyolojik bileşenin kapsüllenmesi, sıradan sensörlerden biraz daha farklı bir sorun teşkil etmektedir; bu ya diyaliz membranı veya hidrojel gibi yarı geçirgen bir bariyer ya da algılama makromolekülünü fiziksel olarak kısıtlayan veya makromolekülü iskeleye bağlayarak kimyasal olarak kısıtlayan 3D polimer matris aracılığıyla yapılabilir. ⓘ

Nöromorfik sensörler

Nöromorfik sensörler, biyolojik sinirsel varlıkların yapılarını ve işlevlerini fiziksel olarak taklit eden sensörlerdir. Bunun bir örneği olay kamerasıdır. ⓘ

MOS sensörleri

Metal-oksit-yarı iletken (MOS) teknolojisi, Mohamed M. Atalla ve Dawon Kahng tarafından 1959 yılında icat edilen ve 1960 yılında gösterilen MOSFET'ten (MOS alan etkili transistör veya MOS transistör) kaynaklanmaktadır. MOSFET sensörleri (MOS sensörleri) daha sonra geliştirilmiş ve o zamandan beri fiziksel, kimyasal, biyolojik ve çevresel parametreleri ölçmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. ⓘ

Biyokimyasal sensörler

Fiziksel, kimyasal, biyolojik ve çevresel parametreleri ölçmek için bir dizi MOSFET sensörü geliştirilmiştir. En eski MOSFET sensörleri arasında 1970 yılında Johannessen tarafından tanıtılan açık kapı alan etkili transistör (OGFET), 1970 yılında Piet Bergveld tarafından icat edilen iyona duyarlı alan etkili transistör (ISFET), 1974 yılında P.F. Cox tarafından patenti alınan adsorpsiyon FET (ADFET) ve 1975 yılında I. Lundstrom, M.S. Shivaraman, C.S. Svenson ve L. Lundkvist tarafından gösterilen hidrojene duyarlı bir MOSFET bulunmaktadır. ISFET, kapısı belirli bir mesafede olan ve metal kapının iyona duyarlı bir membran, elektrolit çözeltisi ve referans elektrot ile değiştirildiği özel bir MOSFET türüdür. ISFET, DNA hibridizasyonunun tespiti, kandan biyobelirteç tespiti, antikor tespiti, glikoz ölçümü, pH algılama ve genetik teknolojisi gibi biyomedikal uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. ⓘ

1980'lerin ortalarında, gaz sensörü FET (GASFET), yüzeye erişilebilir FET (SAFET), yük akış transistörü (CFT), basınç sensörü FET (PRESSFET), kimyasal alan etkili transistör (ChemFET), referans ISFET (REFET), biyosensör FET (BioFET), enzim modifiye FET (ENFET) ve immünolojik olarak modifiye FET (IMFET) dahil olmak üzere çok sayıda başka MOSFET sensörü geliştirilmiştir. 2000'lerin başında, DNA alan etkili transistör (DNAFET), gen modifiye FET (GenFET) ve hücre potansiyelli BioFET (CPFET) gibi BioFET türleri geliştirilmiştir. ⓘ

Görüntü sensörleri

MOS teknolojisi, dijital görüntüleme ve dijital kameralarda kullanılan şarj bağlantılı cihaz (CCD) ve CMOS aktif piksel sensörü (CMOS sensörü) dahil olmak üzere modern görüntü sensörlerinin temelini oluşturur. Willard Boyle ve George E. Smith CCD'yi 1969 yılında geliştirmiştir. MOS sürecini araştırırken, elektrik yükünün manyetik baloncuğun bir benzeri olduğunu ve küçük bir MOS kapasitöründe depolanabileceğini fark ettiler. Bir dizi MOS kapasitörünü arka arkaya imal etmek oldukça basit olduğundan, yükün birinden diğerine kademeli olarak aktarılabilmesi için bunlara uygun bir voltaj bağladılar. CCD, daha sonra televizyon yayıncılığı için ilk dijital video kameralarda kullanılan yarı iletken bir devredir. ⓘ

MOS aktif piksel sensörü (APS) 1985 yılında Olympus'ta Tsutomu Nakamura tarafından geliştirilmiştir. CMOS aktif piksel sensörü daha sonra Eric Fossum ve ekibi tarafından 1990'ların başında geliştirilmiştir. ⓘ

MOS görüntü sensörleri optik fare teknolojisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Richard F. Lyon tarafından 1980 yılında Xerox'ta icat edilen ilk optik farede 5 µm NMOS sensör çipi kullanılmıştır. İlk ticari optik fare olan IntelliMouse'un 1999 yılında piyasaya sürülmesinden bu yana çoğu optik fare cihazı CMOS sensörler kullanmaktadır. ⓘ

Fotoğraf makinesi, video kamera gibi sayısal (dijital) görüntüleme aygıtlarında, görüntü bilgilerini algılayan ve elektronik ortamda işlenebilir sinyallere dönüştüren temel öğedir. ⓘ

Işığa duyarlı algılayıcılar bunlara bağlı olan mikroişlemci sayesinde, yakalanan görüntüyü sayısal ortama aktarır. Resim kalitesini belirleyen tek etmen kullanılan algılayıcı değildir. Optik sistem ve verinin firmware (donanım yazılımı) ile işlenme şekli de ayrı bir önem taşır. ⓘ

Sayısal kameralarda başlıca iki tür algılayıcı kullanılır. Bunlardan biri CCD (İngilizce: Charge-coupled Device) algılayıcı, diğeri ise CMOS (İngilizce: Complementary Metal Oxide Semiconductor) algılayıcıdır. CMOS algılayıcılar pasif pikselli sensör ve aktif pikselli sensör olarak iki ana gruba ayrılır. Üç rengi tek pikselde yakalayabilen Foveon gibi şirketlerin üzerinde çalışmış olduğu algılayıcı türü de vardır. ⓘ

Sensörlerin izlenmesi

iPad Pro'da Lidar sensörü ⓘ

MOS izleme sensörleri ev izleme, ofis ve tarım izleme, trafik izleme (araba hızı, trafik sıkışıklığı ve trafik kazaları dahil), hava izleme (yağmur, rüzgar, şimşek ve fırtınalar gibi), savunma izleme ve sıcaklık, nem, hava kirliliği, yangın, sağlık, güvenlik ve aydınlatma izleme için kullanılır. MOS gaz dedektörü sensörleri karbon monoksit, sülfür dioksit, hidrojen sülfür, amonyak ve diğer gaz maddelerini tespit etmek için kullanılır. Diğer MOS sensörleri arasında akıllı sensörler ve kablosuz sensör ağı (WSN) teknolojisi bulunmaktadır. ⓘ

Sensör tipleri

Temel olarak iki tip sensör vardır, analog sensörler, dijital sensörler. ⓘ

Dijital sensörler

Genellikle I2C, SPI, OneWire vb bir haberleşme protokolü aracılığıyla bilgisayar (mikroişlemci) ile konuşurlar. ⓘ

Bunun yanı sıra, çoğu analog sensör bir op-amp ile birlikte kullanılarak belirli bir seviye üzerinde lojik 1 (genellikle 5V veya 3.3V) çıkışı verecek şekilde kullanılabilir. Böylelikle analog çıkışlı sensörler, Raspberry Pi gibi ADC’ye sahip olmayan kontrolcüler ile kullanılabilir. ⓘ

Ayrıca sensörler aktif sensör ve pasif sensör olarak da ikiye ayrılırlar. Aktif sensörler, kendi sinyallerini ürettikten sonra bu sinyalin ortamdaki değişimini kontrol ederek algılama işlemini gerçekleştirirler. ⓘ

Ultrasonik ve kızılötesi sensörler bu gruba dahildir. Pasif sensörler ise ortamdan aldıkları sinyalleri kontrol ederek algılama işlemini gerçekleştirirler. ⓘ

LDR (ışığa duyarlı direnç), NTC/PTC (ısıya duyarlı dirençler), fototransistör (ışığa duyarlı transistör) bu gruba örnek olarak gösterilebilirler. ⓘ

Sensör Çeşitleri

• Mekanik sensörler (Uzunluk, alan, miktar, kütlesel akış, kuvvet, tork, basınç, hız, ivme, pozisyon, ses dalga boyu ve yoğunluğu)
• Termal sensörler (Isı akışı ve sıcaklık)
• Elektriksel sensörler (Voltaj, akım, direnç, endüktans, kapasitans, dielektrik katsayısı, polarizasyon, elektrik alanı, frekans)
• Manyetik sensörler (Alan yoğunluğu, akı yoğunluğu, manyetik moment, geçirgenlik)
• Işıma sensörleri (Yoğunluk, dalga boyu, polarizasyon, faz, yansıtma, gönderme)
• Kimyasal sensörler (Yoğunlaşma, içerik, oksidasyon/redaksiyon, reaksiyon hızı, pH miktarı)
  • Mesafe sensörleri (Ultrasonik, PIR, Kapasitif, Endüktif, Kızılötesi Optik…)
  • Kuvvet/Ağırlık/Basınç sensörleri
  • Eğim sensörleri (Flex, Lineer/Esnek Potansiyometre…)
  • Manyetik sensörler (Hall effect, reed röle…)
  • Sıcaklık/Nem/Su Seviyesi sensörleri (NTC,PTC, Yağmur Sensörü…)
  • Ses sensörleri (Dinamik/Kapasitif/Şeritli/Kristal/Karbon Tozlu Mikrofon)
  • Işık/renk sensörleri (LDR, RGB, UV, Fototransistör, Fotodiyot…) ⓘ

Algılayıcı tipleri

Algılayıcı; ısı, ışık, nem, ses, basınç, kuvvet, elektrik, uzaklık, ivme ve pH gibi fiziksel ya da kimyasal büyüklükleri elektrik sinyallerine çeviren düzeneklerin genel adıdır. ⓘ

Pek çok tipte ışık algılayıcısı vardır. Foto direnç, foto diyod, foto transistör, fotosel bunlara örnek olarak verilebilir. ⓘ

Kuvvet ölçümünde kullanılan algılayıcılara örnek olarak gerilim ölçer verilebilir. Kapasitif ve endüktif prensipte çalışan kuvvet ölçerler de vardır. ⓘ

Isı algılayıcılarına örnek olarak ise ısıl ikili ve termistor verilebilir. ⓘ