Automatische Systemen - Sensoren

Automatische systemen
Sensoren
1 / 27
volgende
Slide 1: Tekstslide
NatuurkundeMiddelbare schoolhavo, vwoLeerjaar 4

In deze les zitten 27 slides, met interactieve quizzen, tekstslides en 2 videos.

time-iconLesduur is: 45 min

Onderdelen in deze les

Automatische systemen
Sensoren

Slide 1 - Tekstslide

Automatische systemen
Sensoren

Slide 2 - Tekstslide

Automatische systemen
Sensoren

Slide 3 - Tekstslide

Automatische systemen
Sensoren

Slide 4 - Tekstslide

Automatische systemen
Sensoren

Slide 5 - Tekstslide

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

Slide 6 - Tekstslide

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.

Slide 7 - Tekstslide

Een systeem dat waarbij de uitvoer van invloed is op de invoer (terugkoppeling) wordt ook wel een
… genoemd.
A
meetsysteem
B
stuursysteem
C
regelsysteem

Slide 8 - Quizvraag

Een belletje in een magnetron wat aangeeft dat het eten klaar is, is een …
A
regelaar
B
geluidsensor
C
uitvoerelement

Slide 9 - Quizvraag

Een automatisch systeem bestaat uit een invoergedeelte, een uitvoergedeelte en een … gedeelte.
A
verwerkings -
B
stuur -
C
regel -

Slide 10 - Quizvraag

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.




Slide 11 - Tekstslide

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

Slide 12 - Woordweb

Sensoren

Er zijn vele soorten sensoren;

- Temperatuursensor
- Lichtsensor
- Druksensor
- Luchtvochtigheidsensor
- Waterniveausensor
- Bewegingssensor
- Hellingssensor
- Rotatiesensor
- Rooksensor

En vele anderen...




Slide 13 - Tekstslide

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.

Slide 14 - Tekstslide

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       Itot=I1=I2       Utot=U1+U2       Rtot=R1+R2

Slide 15 - Tekstslide

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.

Rtot=R1+R2=RNTC+R=400+100=500 Ω
U=IR  Itot=RtotUtot=5005=0,01 A
Itot=IR=INTC=0,01 A
UNTC=INTCRNTC=0,01400=4 V
UR=IRR=0,01100=1 V

Slide 16 - Tekstslide

Hoe werkt een sensor?
En nu bij een HOGE temperatuur heb je een LAGE weerstand
bij de NTC.

Rtot=R1+R2=RNTC+R=100+100=200 Ω
U=IR  Itot=RtotUtot=2005=0,025 A
Itot=IR=INTC=0,025 A
UNTC=INTCRNTC=0,025100=2,5 V
UR=IRR=0,025100=2,5 V

Slide 17 - Tekstslide

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.

UNTC=2,5 V             UNTC=4 V
UR=2,5 V                  UR=1 V

Slide 18 - Tekstslide

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.




Slide 19 - Tekstslide

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.






ΔTΔU=50357,03,5=153,5=0,23 V/°C

Slide 20 - Tekstslide

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.

Slide 21 - Tekstslide

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.

Slide 22 - Tekstslide

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.

Slide 23 - Tekstslide

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.

Slide 24 - Tekstslide

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.

Slide 25 - Tekstslide

Slide 26 - Video

Slide 27 - Video