Kapasitans-frekans dönüşümü temelli yenilikçi kapasitif yaklaşım sensörü
Innovative capacitive proximity sensor design based on capacitance-frequency conversion
Yazar: MUSTAFA TALİP KOYUNCU
Danışman: PROF. DR. MEHMET AKİF ERİŞMİŞ
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kapasitif sensörler, birçok endüstriyel ve bilimsel uygulamadaki fiziksel parametrelerin tespiti ve ölçümü için sıklıkla tercih edilen sensör türlerindendir. Bunun nedeni düşük maliyet, hızlı tepki süresi, yüksek doğruluk ve temassız algılama gibi çeşitli avantajlara sahip olmalarıdır. Ayrıca kapasitif sensörler, nesnelerin dielektriksel özelliklerinden faydalanarak ölçüm gerçekleştirdiği için, iletken veya yalıtkan birçok nesnenin kolaylıkla algılanabilmesine olanak sağlarlar.
    
    Tahıl ürünlerinin kapasitif sensörler ile ölçülmesi, gıda endüstrisinde önemli bir konudur. Bu nedenle yapılan tez çalışması, tahıl ürünlerinin kapasitif sensörler kullanılarak ölçülmesi için yeni bir kapasitif yaklaşım sensörünün, tasarlanması, geliştirilmesi ve optimizasyonunu içermektedir. Tasarlanan sensör ile tahıl ürünlerinin depolama esnasındaki durumları (Dolu-Boş) hakkında, bilgi elde edilmesi amaçlanmaktadır. Tahıl ürünleri yapıları itibariyle çok düşük bir kapasitif değişime (fF) neden olurlar. Bu sebeple tasarlanacak olan sensörün de bu değişimi algılayabilecek nitelikte olması gerekmektedir.
    
    Kapasitif yaklaşım sensörlerini, farklı yöntem ve metotlar kullanarak tasarlamak mümkündür. Bu çalışma kapsamında tasarlanan sensör için, Kapasitans-Frekans Dönüşüm (KFD) tekniğine dayalı, yeni bir osilatör devresi geliştirilmiştir. Geliştirilen bu yeni osilatör devresi sayesinde, sensör önündeki kapasitansın frekansa dönüştürülmesi ve bu frekans değerindeki değişime bağlı olarak da algılama yapılabilmesi amaçlanmıştır.  Yeni tasarlanan osilatör devresinin analizi, bilgisayar tabanlı simülasyon araçları kullanılarak doğrulanmış ve optimize edilmiştir. Simülasyon sonuçları literatürde bulunan standart bir RC osilatör devresi ile karşılaştırılmış ve yeni tasarlanan osilatör devresinin standart bir RC osilatör devresine göre yaklaşık 8 kat daha fazla kazanç sağladığı gözlemlenmiştir.
    
    Simülasyon sonuçlarından elde edilen veriler doğrultusunda, ilk elektronik devre kartı prototipleri oluşturulmuştur. Algılama yüzeyi olarak kapasitif yapıdaki dairesel elektrotlardan yararlanılmıştır. Elektrot kapasitansının değeri, yeni tasarlanan osilatör devresinin çıkış frekansı ile orantılı olacak şekilde ayarlanmıştır. Çıkış sinyalinin frekans değeri de bir mikrodenetleyici yardımı ile anlık olarak ölçülerek, frekans değerindeki değişim takip edilmiştir. Bu değişimin belirli bir seviyenin üzerinde olması halinde, sensörün algılama yaptığı bilgisi, kullanıcıya iletilmiştir. Ardından mekanik tasarımının ilk numuneleri ile ürün algılama testlerine geçilmiştir. Ürün algılama testleri laboratuvar ortamında gerçekleştirilmiştir. Ürün olarak farklı tanecikli yapıya ve dielektrik katsayıya sahip tahıl ürünleri (mısır, buğday, kepek, razmol) kullanılmıştır. Yapılan testler ile sensör kazanç değerinin yükseltilmesi amaçlanmıştır. Farklı sıcaklık seviyelerinin, sensör üzerinde oluşturabileceği performans kayıplarını önlemek için -10°C ile 60°C arasında sıcaklık testi yapılmış ve elde edilen sonuçlar neticesinde sıcaklık optimizasyon işlemi uygulanmıştır. Son olarak ise sensör tasarımının temel şartlardaki EMC dayanımı için, EMC testleri ve saha testleri gerçekleştirilmiştir. 
    
    Yapılan testler ve elde edilen test sonuçları, yeni sensör tasarımının farklı yapıdaki tahıl ürünlerini, temassız ve amacına uygun bir şekilde başarıyla algıladığını göstermiştir. Düşük dielektrik katsayılarına sahip tahıl ürünlerinin (kepek, razmol), sensör üzerinde %2 seviyelerinde frekans değişimine neden olduğu gözlemlenirken, biraz daha yüksek dielektrik katsayılarına sahip tahıl ürünlerinin (buğday, mısır) %6 seviyelerinde frekans değişimine neden olduğu gözlemlenmiştir.   Sıcaklık kompanzasyonu sayesinde de sıcaklık farklarının sensör performansında oluşturduğu olumsuz etki, büyük ölçüde azaltılmıştır. Bu sonuçlar neticesinde, tasarlanan sensörün tahıl ölçümündeki uygunluğu doğrulanmıştır.

Abstract:
Capacitive sensors are one of the most preferred sensor types for the detection and measurement of physical parameters in many industrial and scientific applications. This is because they have various advantages such as low cost, fast response time, high accuracy and non-contact detection. In addition, since capacitive sensors perform measurements by utilising the dielectric properties of objects, they allow many conductive or insulating objects to be easily detected.
    
    Measurement of cereal products with capacitive sensors is an important issue in the food industry. For this reason, the thesis work includes the design, development and optimisation of a new capacitive proximity sensor for the measurement of cereal products using capacitive sensors. With the designed sensor, it is aimed to obtain information about the status (full-empty) of grain products during storage. Grain products cause a very low capacitive change (fF) due to their structure. For this reason, the sensor to be designed must be capable of detecting this change.
    
    It is possible to design capacitive proximity sensors using different methods and techniques. In this study, a new oscillator circuit based on Capacitance-Frequency Conversion technique has been developed for the designed sensor. Thanks to this new oscillator circuit, it is aimed to convert the capacitance in front of the sensor into frequency and to make detection depending on the change in this frequency value.  The analysis of the newly designed oscillator circuit has been verified and optimised using computer based simulation tools. The simulation results are compared with a standard RC oscillator circuit available in the literature and it is observed that the newly designed oscillator circuit provides approximately 8 times more gain than a standard RC oscillator circuit.
    
    In line with the data obtained from the simulation results, the first electronic circuit board prototypes were created. Capacitive circular electrodes were used as the sensing surface. The value of the electrode capacitance was adjusted to be proportional to the output frequency of the newly designed oscillator circuit. The frequency value of the output signal was measured instantly with the help of a microcontroller and the change in the frequency value was monitored. If this change is above a certain level, the user is informed that the sensor has made a detection. Then, product detection tests began with the first samples of the mechanical design. Product detection tests were carried out in a laboratory environment. Cereal products (corn, wheat, bran, razmol) with different granular structures and dielectric coefficients were used as products. The tests performed aimed to increase the sensor gain value. In order to prevent performance losses that different temperature levels may cause on the sensor, temperature tests were carried out between -10°C and 60°C and temperature optimization process was applied in line with the results obtained. Finally, EMC tests and field tests were carried out for the EMC resistance of the sensor design under basic conditions.
    
    The tests performed and the test results obtained have shown that the new sensor design successfully detects cereal products of different structures in a non-contact and purposeful way. It was observed that cereal products with low dielectric coefficients (bran, razmol) caused a frequency variation of %2 on the sensor, while cereal products with slightly higher dielectric coefficients (wheat, corn) caused a frequency variation of %6.   Thanks to the temperature compensation, the negative effect of temperature differences on the sensor performance has been greatly reduced. As a result of these results, the suitability of the designed sensor in grain measurement has been verified.