Flex Sensör Nedir?

Bu rehberimizde, flex sensörlerin fiziksel yapısını, gerilim bölücü ve analog veri haritalama matematiğini ve Arduino ile hassas bükülme açısı ölçümünü tüm mühendislik detaylarıyla inceleyeceğiz.

Robotik protez ellerden giyilebilir teknolojilere, sanal gerçeklik (VR) eldivenlerinden rehabilitasyon cihazlarına kadar insan-makine etkileşiminin en önemli fiziksel parametrelerinden biri bükülme ve açısal sapma hareketidir. Fiziksel bükülme hareketini doğrudan ölçülebilir elektriksel direnç değişimine dönüştüren yarı-iletken duyargalara Flex Sensör (Esnek Bükülme Sensörü) denir.

Bu sensörlerin tasarımı, plastik bir şerit üzerine yerleştirilmiş mikroskobik karbon parçacıklarından oluşur. Şerit büküldüğünde karbon molekülleri arasındaki mesafe değişerek elektriksel direnç logaritmik veya doğrusal bir eğriyle artış gösterir.

Endüstride bükülme miktarını yani açısal sapmayı ölçmek için farklı sensör tipleri ve kullanım alanları mevcuttur. Flex sensörler, bükülme doğrultusunda sundukları yüksek esneklik ve kararlı yapıları sayesinde özellikle biyonik robotik eldiven tasarımlarında parmak hareketlerini takip etmek amacıyla sıklıkla tercih edilmektedir.

Yazı İçeriği

Toggle

Flex Sensör Çeşitleri

Piyasada fiziksel boyutlarına ve direnç aralıklarına göre yaygın olarak kullanılan iki tip flex sensör bulunmaktadır:

• 2.2 İnç Flex Sensör: Yaklaşık uzunluğunda, küçük ölçekli tasarımlar ve parmak eklemi takibi için son derece ideal olan modeldir.
• 4.5 İnç Flex Sensör: Yaklaşık uzunluğunda, daha geniş açısal hareketlerin ve büyük yapısal bükülmelerin algılanmasında kullanılan modeldir.

Bu rehberde, gömülü sistem uygulamalarında en çok tercih edilen 2.2 inçlik esnek bükülme sensörünün elektriksel karakteristiği üzerinde duracağız. Bu tip sensörler, fizik tedavi rehabilitasyon eldivenlerinden robotik servo motor kontrolüne, müzik sentezleyici arayüzlerinden akıllı güvenlik bariyerlerine kadar esneklik ve bükülme ölçümünün gerektiği her alanda başarıyla kullanılmaktadır.

Pin Konfigürasyonu ve Polarite Kuralları

Flex sensör, iki adet iletken çıkış terminaline (P1 ve P2) sahip pasif dirençsel bir elemandır. Sensörün iç yapısında yarı-iletken bir diyot (diode) veya kutuplu bir kapasitör (kondansatör) gibi artı/eksi yönlü bir polarizasyon bulunmaz. Bu nedenle devreye her iki yönde de bağlanabilirler. Sensörün çalışması için ihtiyaç duyduğu voltaj, mikrodenetleyici analog giriş referansına bağlı olarak ile DC aralığındadır.

• P1 Terminali: Genellikle gerilim bölücü devresinin besleme () veya ölçüm hattına bağlanır.
• P2 Terminali: Gerilim bölücü ağının şase () veya sabit direnç ucuna bağlanır.

Flex Sensör Teknik Özellikleri

• Çalışma Gerilimi: (DC)
• Güç Sınırları: Tepe güç , sürekli güç
• Çalışma Sıcaklığı Aralığı: ile arası
• Düz (Bükülmemiş) Nominal Direnç: (Tipik tolerans )
• Bükülmüş Direnç Aralığı: Bükülme derecesine bağlı olarak ile arasında değişkenlik gösterir.

Farklı bükülme açılarındaki elektriksel karakteristikleri ve mekanik ömür parametrelerini incelemek için resmi 2.2 inç Flex Sensör teknik veri sayfasına (datasheet) göz atabilirsiniz.

Çalışma Prensibi ve Matematiksel Modeli

Flex sensörün temel çalışma prensibi dirençsel esneme (strain gauge) teorisine dayanır. Sensör düz konumdayken, karbon iletken şeritleri birbirine en yakın konumdadır ve minimum direnç elde edilir. Sensör dışa doğru büküldükçe karbon partikülleri birbirinden uzaklaşır ve elektron geçiş yolları daralır; bu durum direncin artmasına yol açar. Direnç değişimi bükülme açısıyla yaklaşık olarak doğrusal bir korelasyon gösterir. Bu değişim bir mikroişlemciler ve gömülü sistemler kontrolörü ya da Arduino geliştirme kartları yardımıyla kolayca sayısallaştırılabilir.

Sensörün bükülme açısı arttıkça (örneğin , , derecelik bükülmelerde), iç direnç değeri nominal değerinden başlayarak katlanarak artar. Bu direnç değişimini ölçmek için sensör, sabit bir direnç (genellikle – ) ile birlikte bir gerilim bölücü devresine bağlanır.

Gerilim Bölücü Analizi ve Sinyal Haritalama Matematiği

Gerilim bölücü çıkışından elde edilen analog voltaj (), dirençlerin oranına bağlı olarak şu formülle hesaplanır:

Burada ve seçildiğinde, bükülme nedeniyle arttıkça, voltaj değeri düşecektir. Arduino ADC modülü tarafından okunan analog değer ( arası) açıya dönüştürülürken lineer interpolasyon formülü kullanılır. Arduino’daki `map()` fonksiyonunun arkasındaki matematiksel denklem şu şekildedir:

Bu denklemde , okunan anlık analog değeri; sensörün kalibre edilmiş minimum ve maksimum analog okuma aralığını (örneğin ve ); ise hedeflenen çıkış aralığını (örneğin LED parlaklığı için veya açı için ) temsil eder.

Arduino ile Flex Sensör Devre Kurulumu

Devrede, flex sensörden okunan bükülme miktarına bağlı olarak bir LED’in parlaklığını PWM (Darbe Genişlik Modülasyonu) sinyaliyle kontrol edeceğiz. Kablolama bağlantı adımları şunlardır:

• Flex sensörün bir ucu Arduino pinine bağlanır.
• Sensörün diğer ucu Arduino A0 analog pinine ve aynı zamanda sabit direncin bir ayağına bağlanır. Sabit direncin diğer ayağı GND hattına çekilir.
• Kontrol edilecek LED’in artı (+) bacağı akım sınırlama direnci üzerinden Arduino Pin 9’a (PWM destekli pin), eksi (-) bacağı ise GND hattına bağlanır.

Hassas Açı Ölçümü ve LED Kontrolü için Arduino Kodu

Aşağıda yer alan program kodu, A0 analog girişinden flex sensör verisini okur. Okunan ham veriyi seri port ekranına yazdırır ve ardından `map()` fonksiyonuyla PWM sinyaline dönüştürerek LED parlaklığını bükülme açısıyla orantılı olarak değiştirir: