Rezonans devrelerinin kapasitif sensörlerde kazanç artırımı olarak kullanımı
The use of resonant circuits as gain boots in capacitive sensors
Yazar: ALP EREN ALP
Danışman: PROF. DR. MEHMET AKİF ERİŞMİŞ
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İnsanoğlunun tarihsel gelişimi endüstriyel devrimlerin ortaya çıknası ve bera- berinde teknolojinin gelişmesiyle devam etmiştir. Bu gelişmeler hala teknolojinin gelişmesiyle sürdürülebilir durumdadır. Bu yeni teknolojiler insan yaşamının her alanında yer alırken sensör teknolojisininde gelişmesine yardımcı olmuştur. Bu tek- nolojinin insan hayatında yer almasının sonucu olarak sensörlerin verimliliği ve güvenilirliği de son derece önem arz etmektedir. Bu durum akıllı sensörlerin haya- tımızın oldukça farklı alanlarında yer almasına neden olmaktadır.
Kapasitif sensörler, endüstriyel, tıbbi, otomotiv ve birçok diğer uygulama ala- nında oldukça yoğun kullanılmaktadır. Bu yoğunlukta kullanılmalarının nedeni ka- pasitif sensörlerin sinyal işleme tekniğiyle ilgili olmasıdır. Sinyal işleme tekniğinin söz konusu olduğu durumda kapasitif sensörlerin ölçüm aralığını ve ve hassasiye- tini artırmak için rezonans devreler önemli bir yere sahiptir. Bir kapasitif sensörün çıkış sinyalini bir bobine bağlı olarak rezonans devrelerin kullanılması ile sinyal güçlendirilebilirken sinyalin hassasiyeti artırılabilmektedir. Sensörlerin ölçüm ara- lıklarının artırılması ise rezonans devrelerle sağlanabilir. Sensörlerin ölçüm aralığı sensör kapasitansına bağlı olarak sınırlandırılabilmektedir. Böylelikle rezonans dev- reler kullanılarak ölçüm aralığı genişletilebilir ve kazanım sağlanabilir.
Rezonans frekansı sensörün kapasitans değerine bağlı olduğundan sensörün veya sensörün kapasitans değerinin değiştirilmesi durumunda devrenin yeniden ayarlan- ması gerekmektedir. Devreler seri rezonans durumunda kısa devre, paralel rezo- nansta açık devre gibi davranmaktadırlar. Seri bağlı olan bobin ve kondansatör devresi kısa devre görevi gördüğünden aktif olan devre kazanç üretememektedir.Düşük kapasitör ölçümü endüstriyel sensörlerde görülebilen bir durumdur. Ölçüm devrelerinde de ölçülen küçük kapasitöre yakın küçük kapasitörler kullanılabilir. Düşük kapasitans değerlerine sahip olan kapasitif elektrotları okumak için çok dü- şük kapasitörlerin kullanımında çeşitli problemler yaşanmaktadır. Bu problemler genellikle baskı devreden, lehimlemelerden ve komponentten kaynaklanmaktadır.
Bu tezde; endüstride kullanılabilecek olan rezonans devrenin kapasitif sensörde kazanç artırımını sağlayacak bir devre tasarımı yapılmıştır. Bu tasarımın amacı rezonans devrelerde farklı kapasitörler kullanarak kazanç elde etmedir. Bu durum için tasarlanan devrede düşük değerde bir kapasitör kullanılarak opamp girişinde bulunan kapasitör elektrot kapasitörü olarak kullanılmıştır. Tasarlanan devreden rezonans kazanç elde edilmesi için devrede kullanılan diğer kapasitörler devre giri- şinde bulunan kapasitörün on katı büyüklüğünde seçilmiştir. Kazanç elde edilmek üzere dört tip devre tasarlanmıştır. İlk iki tasarım kazanç artırımı konusunda fay- dalı olmadığından tercih edilmezken üçüncü tip devre osilasyon yapmasından dolayı tercih edilmemiştir. Dördüncü tip devre beklenen kazanç artırımını tüm testlerde istenilen düzeyde verdiğinden üzerinde çalışılmıştır. Tasarlanan devre karışık bir devre filtresi olup kapasitör, bobin, direnç ve opanmp bulunmaktadır. Opamp için yüksek frekansları geçiren LF351 opampı kullanılmıştır.

Abstract:
The historical development of mankind has continued with the emergence of industrial revolutions and the development of technology. These developments are still sustainable with the development of technology. While these new technologies take place in every aspect of human life, they have helped the development of sensor technology. As a result of the inclusion of this technology in human life, the efficiency and reliability of the sensors are also extremely important. This situation causes smart sensors to take place in quite different areas of our lives.
Capacitive sensors are used extensively in industrial, medical, automotive and many other application areas. The reason why they are used at this density is that the capacitive sensors are related to the signal processing technique. In the case of signal processing technique, resonance circuits have an important place to increase the measuring range and sensitivity of capacitive sensors. As a result of the use of resonant circuits that connect the output signal of a capacitive sensor to a coil, the signal is strengthened and the sensitivity of the signal is increased. Increasing the measuring range of the sensors is also provided by resonant circuits. The measuring range of the sensors depends on the sensor capacitance and is limited. Thus, gain can be achieved by expanding the measuring range by using resonant circuits. Since the resonant frequency is dependent on the capacitance value of the sensor, the circuit must be readjusted in case the capacitance value of the sensor or sensor is changed. Circuits behave like short-circuit in series resonance and open-circuit in parallel resonance. Since the coil and capacitor circuit connected in series act as a short circuit, the active circuit cannot produce gain. There are several problems in using very low capacitors to read capacitive electrodes with low capacitance values. These problems are usually caused by the printed circuit board, soldering and component.
In this thesis; A circuit design has been made that will increase the gain in the capacitive sensor of the resonant circuit that can be used in the industry. The purpose of this design is to gain gain by using different capacitors in resonant circuits. In the circuit designed for this situation, a low value capacitor is used and the capacitor located at the opamp input is used as the electrode capacitor. In order to obtain resonance gain from the designed circuit, other capacitors used in the circuit were chosen ten times the size of the capacitor at the circuit input. Four types of circuits are designed for gain. While the first two designs are not preferred because they are not useful for gain increase, the third type circuit is not preferred because it oscillates. The fourth type circuit has been studied since it gives the expected gain increase at the desired level in all tests. The designed circuit is a mixed circuit filter and includes capacitor, coil, resistor and opanmp. High frequency pass LF351 opamp is used for opamp.