Automatische Systemen - Sensoren

• Natuurkunde
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 4

Automatische systemen

Sensoren

Automatische systemen

Sensoren

Automatische systemen

Sensoren

Automatische systemen

Sensoren

Automatische systemen

Sensoren

Hoofdstuk Automatische systemen

Automatische systemen - Soorten systemen

Automatische systemen - Sensoren

Automatische systemen - Binaire getallen

Automatische systemen - Systeembord, EN-poort & OF-poort

Automatische systemen - Geheugencel, variabele spanning, pulsgenerator & pulsenteller

Hoofdstuk Automatische systemen

Automatische systemen - Sensoren

Automatische systemen - Systeembord, EN-poort & OF-poort

Automatische systemen - Geheugencel, variabele spanning, pulsgenerator & pulsenteller

Leerdoelen

Aan het eind van deze les kan je ...

... uitleggen hoe een sensor werkt

... uitleggen hoe je een sensor ijkt

... uitleggen wat het bereik, lineariteit en gevoeligheid van een sensor is.

Een systeem dat waarbij de uitvoer van invloed is op de invoer (terugkoppeling) wordt ook wel een
… genoemd.

1. meetsysteem
2. stuursysteem
3. regelsysteem

Een belletje in een magnetron wat aangeeft dat het eten klaar is, is een …

1. regelaar
2. geluidsensor
3. uitvoerelement

Een automatisch systeem bestaat uit een invoergedeelte, een uitvoergedeelte en een … gedeelte.

1. verwerkings -
2. stuur -
3. regel -

Sensoren

Een elektrisch systeem kan alleen werken met elektrische signalen die vanaf de invoer komen. Als we weer naar het voorbeeld van de thermostaat kijken, is er een component aanwezig in de thermostaat, die de grootheid Temperatuur kan meten. Zo'n component heet een sensor.

In het geval van de thermostaat,

is de sensor een temperatuur-

sensor. Die zet de gemeten 

grootheid Temperatuur om 

in een elektrische spanning.

De robothond Aibo, uiterst rechts

weergegeven, zit tjokvol sensoren.

Benoem zoveel mogelijk
grootheden die je kan
meten met een sensor.
Bijv. Temperatuur
Tip: gebruik BINAS T3 & T4
 voor inspiratie

Sensoren

Er zijn vele soorten sensoren;

- Temperatuursensor

- Lichtsensor

- Druksensor

- Luchtvochtigheidsensor

- Waterniveausensor

- Bewegingssensor

- Hellingssensor

- Rotatiesensor

- Rooksensor

En vele anderen...

Hoe werkt een sensor?

Je hebt als sensor een elektrisch onderdeel nodig waarvan de elektrische eigenschappen afhankelijk zijn van de grootheid die je wilt meten.

Als we weer eens kijken naar de temperatuursensor, is de variabele NTC-weerstand een handig onderdeel daarvoor. NTC staat voor Negative Temperature Coefficient, wat betekent dat de weerstand afneemt wanneer de temperatuur stijgt.

Stel dat je een NTC schakelt met een normale weerstand van 100 Ω, kan je de stroomsterkte door en spanning over beide weerstanden uitrekenen. Bij een LAGE temperatuur heb je een HOGE weerstand bij de NTC.

Hoe werkt een sensor?

Je hebt als sensor een elektrisch onderdeel nodig waarvan de elektrische eigenschappen afhankelijk zijn van de grootheid die je wilt meten.

Als we weer eens kijken naar de temperatuursensor, is de variabele NTC-weerstand een handig onderdeel daarvoor. NTC staat voor Negative Temperature Coefficient, wat betekent dat de weerstand afneemt wanneer de temperatuur stijgt.

In de sheets hierna bekijken we twee mogelijkheden waarbij de NTC-gebruikt wordt in een elektrische schakeling. We gebruiken hierbij de regels voor een serie schakeling:

U=IR       I​tot​​=I​1​​=I​2​​       U​tot​​=U​1​​+U​2​​       R​tot​​=R​1​​+R​2​​

Hoe werkt een sensor?

Stel dat je een NTC schakelt met een normale weerstand van
100 Ω, kan je de stroomsterkte door en spanning over beide
weerstanden uitrekenen. Bij een LAGE temperatuur heb je een
HOGE weerstand bij de NTC.

R​tot​​=R​1​​+R​2​​=R​NTC​​+R=400+100=500 Ω

U=IR → I​tot​​=​R​tot​​​​U​tot​​​​=​500​​5​​=0,01 A

I​tot​​=I​R​​=I​NTC​​=0,01 A

U​NTC​​=I​NTC​​⋅R​NTC​​=0,01⋅400=4 V

U​R​​=I​R​​⋅R=0,01⋅100=1 V

Hoe werkt een sensor?

En nu bij een HOGE temperatuur heb je een LAGE weerstand
bij de NTC.

R​tot​​=R​1​​+R​2​​=R​NTC​​+R=100+100=200 Ω

U=IR → I​tot​​=​R​tot​​​​U​tot​​​​=​200​​5​​=0,025 A

I​tot​​=I​R​​=I​NTC​​=0,025 A

U​NTC​​=I​NTC​​⋅R​NTC​​=0,025⋅100=2,5 V

U​R​​=I​R​​⋅R=0,025⋅100=2,5 V

Hoe werkt een sensor?

HOGE temperatuur               LAGE temperatuur

Je kan aan de hand van de spanningen bepalen of er een hoge of lage temperatuur aanwezig is. Maar welke spanning kan je dan het beste meten? Een hoge spanning die met een hoge temperatuur te maken heeft en andersom zou het beste zijn. 

Door de spanning over de weerstand te meten kan die waarde als maat voor temperatuur gebruikt worden.

U​NTC​​=2,5 V             U​NTC​​=4 V

U​R​​=2,5 V                  U​R​​=1 V

Sensor ijken

Om een sensor te kunnen gebruiken, moet die eerst geijkt worden. Dit betekent dat de sensorspanning ten opzichte van de gemeten eenheid moet worden bepaald. In het geval van een temperatuursensor, wordt de sensor in een volume heet water gezet en daarbij een thermometer (zie afbeelding hiernaast) geplaatst. De sensorspanning wordt nu gemeten met een voltmeter (zie de V), tegelijkertijd met de temperatuur.

Lineariteit, bereik & gevoeligheid

De resultaten van die ijking geeft meetgegevens van zowel spanning als temperatuur, zie afbeelding hieronder. Er is een deel van de grafiek waar de lijn lineair loopt; dit is de lineariteit van de grafiek. In dit geval tussen 35 °C en 50 °C. 

Het bereik is het deel van de grafiek waarbinnen de waarden van de gemeten grootheid vallen. In dit geval tussen 0,00 °C en 72,5 °C. 

De gevoeligheid geeft aan met hoeveel spanning (Volt) de sensorspanning toeneemt als de gemeten grootheid toeneemt. In het geval van de ijkgrafiek hiernaast moeten we kijken naar het lineare deel en vinden we:

Als er geen lineair gedeelte in de grafiek staat, is een raaklijn wenselijk om de spanning bij een bepaalde waarde van de gemeten grootheid te achterhalen.

​ΔT​​ΔU​​=​50−35​​7,0−3,5​​=​15​​3,5​​=0,23 V/°C

Niet-lineaire grafieken

Het komt ook wel eens voor dat de ijkgrafiek van een sensor geen lineariteit laat zien, zie figuur hieronder.

De grafiek toont een ijkgrafiek van een infraroodsensor die een uitgangsspanning geeft bij verschillende afstanden tot een object.

Uit de grafiek valt dus geen gevoeligheid te berekenen, maar er kunnen wel spanningen worden afgelezen.

Bijvoorbeeld wordt een spanning van U = 1,63 V bij een afstand van 20 cm afgelezen. Meet je die spanning bij deze sensor, dan weet je dat een object zich op een afstand van 20 cm van de sensor bevindt.

Opgaven

Opgave 1

a. Definieer wat een sensor is

b. Noem vier voorbeelden van sensoren die niet in de theorie genoemd zijn.

Opgave 2

Bij een temperatuursensor heb je de NTC-weerstand in een elektrische schakeling nodig.
Zoek op internet welke sensor je kan bouwen met een ... 

a. ... LDR-weerstand.

b. ... PTC-weerstand.

Opgave 3

Jantine wil een warm bad nemen, maar ze is nogal gevoelig voor de juiste watertemperatuur. 

Opgave 3 (vervolg)

Daarom gebruikt ze een temperatuursensor om te bepalen hoe warm het water is. (Een deel van) de ijkgrafiek van de sensor staat hieronder weergegeven. De sensor is lineair.

a. Bereken de gevoeligheid van deze temperatuur-sensor.

b. Bereken de laagste temperatuur die met deze sensor te meten is.

Opgaven

Opgave 4

Een nachtstroomkachel bestaat uit grote blokken speksteen die door een elektrisch verwarmingselement van binnenuit worden opgewarmd. De temperatuur van de stenen wordt gemeten met een temperatuursensor. De ijkgrafiek van deze sensor staat hieronder weergegeven.

a. Wat is het bereik van deze sensor? 

b. Bepaal de gevoeligheid van deze sensor.

Opgave 5 *

De ijkgrafiek van een windsnelheidsmeter is hieronder weergegeven.

a. Hoe hoog is de spanning bij een windsnelheid van 25 m/s?

b. Bepaal de gevoeligheid van deze sensor bij een windsnelheid van 20 m/s.

Huiswerk

Vr. 3  Een stretchsensor is een sensor die wordt gebruikt om een lichaamsbeweging om te zetten in een computerbeeld. Een stretchsensor bevat een strookje rekbaar materiaal, waarvan de elektrische weerstand verandert als het wordt uitgerekt.

Huiswerk

Vr. 3 (vervolg)  In de figuur hiernaast is het schakelschema
gegeven van de stretchsensor. Het strookje rekbaar materiaal
wordt weergegeven als R₁. Als dit strookje wordt uitgerekt,
neemt de grootte van de elektrische weerstand van R₁ toe.

R₁ is in serie geschakeld met een weerstand R₂ met een
vaste waarde. Er wordt een voltmeter aangesloten. De spanning die de voltmeter aangeeft, is het signaal van de sensor. Dit signaal moet veranderen met het veranderen van de lengte van R1. De voltmeter kan aangesloten worden over de punten ab, bc of ac.

Huiswerk

Vr. 3 (vervolg)  De weerstand van R₁ kan variëren van
1,0 kΩ tot 2,5 kΩ. R₂ is een weerstand van 5,6 kΩ.

Kies bij elke zin het juiste alternatief:
a. De spanning over ab neemt toe / neemt af / blijft gelijk
als R₁ uitrekt.
b. De spanning over bc neemt toe / neemt af / blijft gelijk
als R₁ uitrekt.
c. De spanning over ac neemt toe / neemt af / blijft gelijk
als R₁ uitrekt.