Automatische Systemen - Sensoren

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

Hoofdstuk Automatische systemen

Automatische systemen - Soorten systemen

Automatische systemen - Sensoren

Automatische systemen - Binaire getallen

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

Automatische systemen - Overige onderdelen systeembord

Repetitie: 135 min.

PO na repetitie

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. 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 temperatuursensor. Die zet de gemeten grootheid Temperatuur om in een elektrische spanning.

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.

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 overbeide
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?

In een overzicht:
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.
Dus kan je het beste         meten als maat voor temperatuur.

U​NTC​​=2,5 V             U​NTC​​=4 V

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

U​R​​

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 temperatuur-

sensor, wordt de sensor in een volume heet water gezet en daarbij 

een thermometer (zie afbeelding hiernaast) geplaatst. De sensor-

spanning wordt nu gemeten met een voltmeter (zie de V), 

tegelijkertijd met de temperatuur.

Lineariteit en bereik

De resultaten van die ijking geeft meetgegevens van zowel spanning als temperatuur, zie afbeelding hiernaast. Er is een deel 

van de grafiek waar de lijn lineair loopt;

dit is de lineariteit van de grafiek.

In dit geval tussen 35 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 en 72,5 °C. 

 

Gevoeligheid van sensor

Uit de linieariteit van de ijkgrafiek kunnen we de gevoeligheid van de sensor bepalen. Dat is altijd de hoeveelheid spanning gedeeld 

door de hoeveelheid gemeten groot-

heid binnen de lineairiteit.

In dit geval is dat:

 

​ΔT​​ΔU​​=​15​​3,5​​=0,23 

V/°C

Huiswerk

Huiswerk staat in deze LessonUp in de volgende sheets.

Huiswerk

Vr. 1 
a.  Definieer wat een sensor is

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

Vr. 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.

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.

Huiswerk inleveren

Huiswerk inleveren

Huiswerk inleveren