Technische automatisering §2 Sensoren HH

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

Technische automatisering §2

Sensoren

Technische Automatisering

§1 Meet-, stuur- en regelsystemen 

§2 Sensoren [vandaag]

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.

Hoe noem je een systeem waarbij de uitvoer van invloed is op de invoer (terugkoppeling)?

1. meetsysteem
2. stuursysteem
3. regelsysteem

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

1. regelaar
2. geluidsensor
3. uitvoerelement

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

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

Sensoren

Input van het elektrische systeem

Sensoren

Een elektrisch systeem kan alleen werken met elektrische signalen die vanaf de invoer komen, oftewel de sensoren. Deze werken als het ware als zintuigen - ze nemen iets waar. 

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

aangegeven, zit tjokvol sensoren.

Benoem zoveel mogelijk
grootheden die je kan
meten met een sensor.

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?

Elke sensor bevat een elektrisch onderdeel waarvan de weerstand afhankelijk is van de grootheid die je wilt meten.

NTC staat voor Negative Temperature Coefficient, wat betekent dat de weerstand afneemt wanneer de temperatuur stijgt.

De weerstand van een NTC verandert heel snel met de temperatuur (bij een PTC is dat niet zo). Daarom is NTC geschikt in een temperatuursensor. ( §6.5)

Bijvoorbeeld in een automotor: als de temperatuur boven een drempelwaarde komt, wordt een klep geopend om de koelvloeistof te laten stromen. Dit is een stuursysteem.

Hoe werkt een sensor?

Stel dat je een NTC schakelt met een 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 een HOGE temperatuur, dus LAGE weerstand van 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 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:

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

Stretchsensor

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.

Stretchsensor (2)

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.

Stretchsensor (3)

 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.

Toetsopgave 2

Opgave 2a

• Maak opgaves 5, 6 en 9. Leg je antwoorden uit (kijk op p50 voor eindantwoorden).

Lever deze in (foto).

Opgave 2b

• Bekijk HS6 Elektriciteit §5 over NTC en PTC en leg in je eigen woorden uit waarom in een temperatuursensor een NTC plus vaste weerstand gebruikt wordt - en niet een losse PTC.

Lever 2a en 2b samen in (foto's) via Teams/Opdrachten/TA (gewoon aanvullen)

Deadline is voor de les van maandag aanstaande (14 juni)

extra

dezelfde uitleg, maar dan in 2 filmpjes