Www.dca.ufrn/~lmarcos/courses/robotica Sensores para robótica Luiz M. G. Gonçalves

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Sensores para robótica

Luiz M. G. Gonçalves

Percepção

Ação

Robótica

Percepção

Eletrônica Básica

Eletrônica Básica

Resistor

Resistores Variáveis: Potenciômetro; LDR; Strain-Gage.

R

Riv R

vi

+ -

v

i

1/R = G

Eletrônica Básica

Indutor

Capacitor

dt

diLv

dt

dvCi

vi

L

+ -

+ -

C

vi

Eletrônica Básica

Associações

Resistores

Indutores

Capacitores

Série Paralelo

Z1 Z2

Z2

Z1

21 RRRT 21

111

RRRT

21 LLLT 21

111

LLLT

21

111

CCCT

21 CCCT

Eletrônica Básica

Diodo

D

vi

+ -

v

i

v

i

Eletrônica Básica

Transistor

Amplificador Operacional

ib

ic

ie

+

-vce

ic

ie

ib+

-vce

+

- iovcci1

i2

Eletrônica Básica

Amplificador Inversor

R2

vcc

+

-R1

vivo

io vR

Rv

1

2

Eletrônica Básica

Leis de Kirchhoff A soma das correntes que entram em

um nó é igual a soma das correntes que saem deste nó.

i1 i2

i3

i4

4321 iiii

Eletrônica Básica

Leis de Kirchhoff A soma das tensões ao longo de

qualquer percurso fechado é zero.

0

0

0

0

0

2

2

21

1

2

1

21

2

1

vvv

vvv

vvvv

vvvv

vv

RC

DCR

DRR

DR

R+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

v1

v2

R1 D

R2C

+-

Caracterização dos Sensores

Classificação dos Sensores

Passivos x Ativos

Ex.:Chaves;Resistores Variáveis;Célula Fotoelétrica;Cristal Piezoelétrico.

Sensorentrada saída

Energia Auxiliar

Classificação dos Sensores

Analógicos x Digitais Ex.:

Chaves;Potenciômetro;Encoder.

Absolutos x Incrementais Ex.:

Potenciômetro;Servo como sensor.

Especificação do Desempenho

Exatidão x Precisão

biasv rv

Características Estáticas

Linearidade

Sensibilidade

Range

Histerese

x

y

V(v)

)(rad

radvs 5,0

max

Características Estáticas

Resolução

Limiar

V(v)

)(rad2 4 6 8

123

Res=2 rad

V(v)

)(rad10

Características Dinâmicas

Dinâmica

t(s)

T(graus)

Sensor

Temperatura Real

63,2%

f(hz)

1

|)(|

|)(|

X

Y

/1

Características Dinâmicas

Atraso ou tempo morto

t(s)

Sensor

Posição Real

d

X(m)

Tipos de Sensores

Funções dos Sensores

Cinemáticos posição orientação velocidade aceleração proximidade

Dinâmicos conjugado força tato

Outros presença som luz temperatura tensão e corrente

Imagens ccd - analógico ccd - digital

Posição linearPosição angularDe passagem: indicam que foi

atingida uma posição no movimento, os detetores de fim-de-curso e contadores

De posição: indicam a posição atual de uma peça, usados em medição e posicionamento.

Sensores de posição

Posição: chaves fim-de-cursoPosição: chaves fim-de-curso

Interruptores que são acionados pelo objeto monitorado. Ex.: Nas gavetas de toca-discos laser e videocassetes há chaves fim-de-curso que indicam que a gaveta está fechada, ou há fita.

Também usados com motores para limitar movimento, como no caso de um plotter ou impressora, ou abertura / fechamento de um registro.

Sensores fim-de-curso magnético

Campo magnético num condutor distribui cargas: positivas de um lado e negativas do lado oposto da borda do condutor.

Semicondutor: efeito é mais pronunciado. Surge pequena tensão nas bordas do material (Efeito Hall).

Base do sensor magnético Hall: sensores em circuito integrado na forma de um transistor.

Pode ser usado como sensor de posição se usado junto a um pequeno imã, colocado no objeto. Quando se aproxima, o sensor atua, saturando o transistor Hall, fazendo a tensão entre coletor e emissor próxima de 0V.

Sensores fim-de-curso magnético

Posição com interruptor de lâminasPosição com interruptor de lâminas

Usando um interruptor acionado por imã.

Imã

Posição com sensores ópticosPosição com sensores ópticosPor reflexão: detecta a posição pela luz

que retorna a um fotosensor (fotodiodo ou f. transistor, LDR ), emitida por um LED ou lâmpada e refletida pela peça.

Por interrupção: a luz emitida é captada por um fotosensor alinhado, que percebe a presença da peça quando esta intercepta o feixe. (light dependent resistor)

Usado para contagem de peças em linha de produção e aplicações de fim-de-curso.

Posição e orientação: potenciômetro.Posição e orientação: potenciômetro.

Tensão nos extremos de potenciômetro linear: tensão entre o extremo inferior e o centro (eixo) é proporcional à posição linear (potenciômetro deslizante) ou angular (rotativo).

Em controle, potenciômetros especiais, de alta linearidade e dimensões adequadas, de fio metálico em geral, com menor desgaste.

Sensores de posição e orientação

Potenciômetro Revolução Linear

Vantagens: barato; simples; absoluto; robusto.

Desvantagens: pouco exato; baixa resolução; impõe carga ao

sistema.

Posição por sensor capacitivo

A capacitância depende da área das placas A, da constante dielétrica do meio, K, e da distância entre as placas, d:

C = K A / dVariação na capacitância convertida

em desvio na freqüência de um oscilador, ou em desvio de tensão numa ponte de dois capacitores e dois resistores

Posição por indutância Indutância depende do número de

espiras, da largura do enrolamento, do comprimento do enrolamento e da permeabilidade do núcleo.

L = m N2 A / lMede-se indutância mútua, ou

coeficiente de acoplamento entre 2 enrolamentos num transformador. Uma bobina se move em direção à outra, aumentando o acoplamento e o sinal na outra.

Posição por sensores óticos.

Por transmissão de luzEncoders determinam a posição através

de um disco ou trilho marcado.Relativos (incremental): posição

demarcada por contagem de pulsos acumulados.

Absolutos: um código digital gravado no disco ou trilho é lido por um conjunto de sensores ópticos (fonte de luz e sensor).

Posição por sensores óticos

A fonte de luz é geralmente o LED, e o sensor um fotodiodo ou fototransistor.

São muito precisos e práticos em sistemas digitais (encoder absoluto), e usam-se em robôs, máquinas-ferramenta e outros.

Posição por sensores de luz

Encoders incremental absoluto

Vantagens: alta resolução; sem contatos

mecânicos; alta

repetibilidade.

Desvantagens: frágil; necessita de

circuitos para contar os pulsos;

caro.

Posição absoluta

Encoder magnético (relativo)

Encoder ótico (relativo)

Diferença de quadratura

Entendendo melhor

0 01 1 0 0 00 1 1 1 1

0 01 1 0 0 00 1 1 1 1

Rotação clockwise

Rotação counter-clockwise

0

0

Entendendo melhor

0 01 1 0 0 00 1 1 1 1

0 01 1 0 0 00 1 1 1 1

Posição atual

0

0

-1 +1

Entendendo melhor

01111

10110

10101

11000

11100100

n

n

n

n0 = sem mudança-1 = decrementa contador+1 = incrementa contadorn = operação ilegal01 = encoder A é 0 e B é 1

Sensores de posição e orientação

LVDT (Linear Variable Differencial Transformers)

Vantagens: alta resolução; boa sensibilidade.

Desvantagens: necessita de

freqüente calibração;

caro; condicionamento

do sinal é caro.

Sensores de posição e orientação

Bússola

Vantagens: absoluto; digital;

Desvantagens: apresenta

problemas em ambientes internos;

pouco preciso.

Sensores de posição e orientação

GPS e (GPS diferencial)

Vantagens: absoluto;

Desvantagens: caro; pouco preciso

militar - 22 metros precisão horizontal e 27.7 metros precisão vertical;

civil - 100 metros e 156 metros.

Sensor de velocidade -Tacogerador

Pequeno gerador elétrico de CC, com campo fornecido por imã.

Tensão gerada, pela Lei de Faraday é proporcional à velocidade com que o fluxo magnético é cortado pelo enrolamento do rotor.

Transdutor mecânico elétrico linear.V = K n

Tacogerador

K é uma constante que depende do campo do imã, do número de espiras e pólos e das dimensões do rotor;

n é a rotação do eixo.A polaridade da tensão gerada

depende do sentido de rotação

Tacogerador

Tacômetro Vantagens:

robusto; analógico;

Desvantagens: manutenção cara; pesado; produz muito ruído.

Velocidade: Interruptor de LâminasVelocidade: Interruptor de Lâminas

reed-switch: duas lâminas de ferro próx., com pequeno envoltório de vidro.

Ao se aproximar um imã ou solenóide as duas lâminas se encostam, fechando os contatos externos.

Imã na periferia de uma roda fecha os contatos a cada volta, gerando pulsações numa freqüência proporcional à rotação da roda.

Outras aplicações do Interruptor de lâminas

Além de seu uso como sensor de velocidade, é encontrado em alarmes, indicando porta ou janela fechada (um imã é instalado nesta, e o reeds-witch no batente), e em sensores de fim-de-curso, em máquinas industriais, gavetas de toca-discos CD e videocassete, etc.

Sensores de velocidade

Sensores Ópticos de velocidadeSensores Ópticos de velocidade

Empregam foto-diodos ou foto-transistor e uma fonte luminosa, lâmpada, LED ou laser. Há dois tipos básico

reflexão interrupção

Velocidade por reflexão da luzVelocidade por reflexão da luz

Disco com um furo ou marca de cor contrastante, que gira.

Luz é emitida no disco e sensor recebe o feixe refletido.

Na passagem do furo, a reflexão é interrompida, e é gerado um pulso pelo sensor.

Exemplo

Velocidade por interrupção de luzVelocidade por interrupção de luz

Um disco com um furo. Fonte de luz e sensor ficam em lados opostos.

Na passagem pelo furo, o feixe atinge o sensor, gerando um pulso.

A freqüência destes pulsos é igual à velocidade, em rps.

Giroscópio

Giroscópios ou girômetros.

Detecta mudanças ocorridas na direção do movimento

Sensores de Aceleração

Acelerômetros muito ruidoso; úteis para

medição de derrapagem.

M

yKa

Conjugado e Força (strain gauge)

Sensores de Proximidade

Óticos Simples; Barato; muito bom detetor

de presença (on-off);

Não é robusto com respeito à iluminação ambiente;

Calibração depende da textura.

ic

ie

+

-vce

Lente

Fonte de luz

Detector

Sensores de Proximidade

Ultra-som Aplicação de pulsos

de 40 a 60kHz por 1 msec.

Precisão de 1 % do valor máximo.

Ângulo de 30 graus que causa reflexões indesejadas.

Tato

Requerem contato físico entre o sensor e o objeto.

Podem ser construídos com chaves ou com dispositivos mais elaborados.

Sensores de temperatura (diodo)

Diodo de silício, polarizado diretamente com corrente de 1mA, tem queda de tensão próxima de 0.62V, a 25oC.

Esta tensão cai aproximadamente 2mV para cada ºC de aumento na temperatura, e pode ser estimada por uma equação de reta do tipo

Vd = A - BT Esta equação vale até uns 125 ºC, limite

para o silício.

Temperatura usando termopar

Quando dois metais encostados são submetidos a uma temperatura, surge nos extremos deles uma tensão proporcional à temperatura (efeito Seebeck).

V=KTK é uma constante para cada par de

metais, que é utilizável até seu limite térmico.

Temperatura e tensão

Metal T. Máx Const. K

Cobre-constantán375ºC 0.1mV/ ºC

Ferro-constantán 750ºC 0.0514mV/ ºC

Aplicações

O custo dos termopares é elevado, e são empregados em aplicações profissionais, onde se requer alta confiabilidade e precisão.

Temperatura c/ sensores Integrados

Há circuitos integrados sensores de temperatura, como o LM 335, da National.

Oferecem alta precisão, por conterem circuitos linearizados. Operam de 0 a 100ºC aproximadamente.

Sensores de LuzSensores de Luz

Uso em fotometria (incluindo analisadores de radiações e químicos)

Sistemas de controle de luminosidade, como os relés fotoelétricos de iluminação pública.

Sensores indireto de outras grandezas, como velocidade e posição (fim de curso).

Luz: LDRLuz: LDR

O LDR (light dependent resistor) tem sua resistência diminuída ao ser iluminado.

Composto de material semicondutor, o sulfeto de cádmio, CdS.

A energia luminosa desloca elétrons da camada de valência para a de condução (mais longe do núcleo), aumentando o número destes, diminuindo a resistência.

A resistência varia de alguns Mw, no escuro, até centenas de W, com luz solar direta.

Aplicações

Os usos mais comuns do LDR são em relés fotoelétricos, fotômetros e alarmes.

Sua desvantagem está na lentidão de resposta, que limita sua operação.

Foto-diodoFoto-diodo

Diodo semicondutor com junção exposta à luz. Energia luminosa desloca elétrons para a

banda de condução, reduzindo a barreira de potencial pelo aumento do número de elétrons, que podem circular se aplicada polarização reversa.

Corrente nos foto-diodos é da ordem de dezenas de mA com alta luminosidade, e a resposta é rápida.

Há foto-diodos para todas as faixas de comprimentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta, dependendo do material.

Foto diodoFoto diodo

É usado como sensor em controle remoto, em sistemas de fibra óptica, leitoras de código de barras, scanner (digitalizador de imagens, para computador), canetas ópticas (que permitem escrever na tela do computador), toca-discos CD, fotômetros e como sensor indireto de posição e velocidade.

Aplicações do foto-diodoAplicações do foto-diodo

Foto-transistorFoto-transistor

É um transistor cuja junção coletor-base fica exposta à luz e atua como um foto-diodo. O transistor amplifica a corrente, e fornece alguns mA com alta luminosidade. Sua velocidade é menor que a do foto-diodo.

Suas aplicações são as do foto-diodo, exceto sistemas de fibra-ótica, pela operação em alta freqüência.

Foto-transistor

Células foto-voltaicas (paineis solares)Células foto-voltaicas (paineis solares)

Convertem energia luminosa em elétrica.

Diodo iluminado intensamente na junção pode reverter a barreira de potencial em fonte de elétrons, produzindo energia.

Eficiência é baixa devido a pouca transparência da junção (somente as camadas superficiais são iluminadas), apenas alguns %.

Células foto-voltaicas

Seu uso principal está nos painéis solares.

Outro dispositivo similar é a foto-célula de selênio (um semicondutor).

Usa-se em medidores de luminosidade e aparelhos de análise química (como fotocolorímetros).

Sensores de VazãoSensores de Vazão

Servem para medir o fluxo de líquidos em tubulações.

Sensor de turbina (vazão)

Se instalarmos uma turbina ou roda dentada numa tubulação, o fluxo fará esta girar, convertendo a vazão em velocidade, que pode ser medida por algum método.

Vazão por diferença de pressãoVazão por diferença de pressão

Quando uma tubulação se estrangula, pela redução do diâmetro, há uma queda de pressão, e a velocidade do fluído aumenta.

Medindo-se a diferença de pressão através do desnível numa coluna de mercúrio, pode-se calcular a vazão.

Este processo é usado em medidores de vazão em processos industriais, não automáticos.

Vazão usando sensor térmicoVazão usando sensor térmico

Um gás ou líquido fluindo sobre um corpo aquecido, retira calor deste, reduzindo a temperatura de forma proporcional à velocidade do fluído.

Com um sensor de temperatura, aquecido a uma temperatura maior que a do fluído, pode-se avaliar a vazão pela variação da resistência.

Vazão usando sensor térmicoVazão usando sensor térmico

2 sensores em contato com o fluído, um deles protegido do fluxo numa cavidade, faz a compensação de temperatura.

Diferença de tensão indica a vazão.