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www.ic.unicamp.br/~lmarcos/courses/mo810
Sensores para robótica
Guilherme Augusto Silva PereiraOutubro de 2000
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
Z2
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
+-
Análise em Freqüência
Representação dos Sinais
Representação por série de Fourier:
1
sencos)(n
onono tnbtnaatf
To
2
Representação dos Sinais
1
T-T
f(t)
t
tnn
tf on
imparnn
cos12
2
1)( 21
1
wwo 3wo 5wo 7wo
1/2
|F(w)|
Filtros
Filtrox(t) y(t)
w
1
|)(|
|)(|
X
Y
wc
Filtros|)(|
|)(|
X
Y
w
Rejeita Tudo
Passa-Baixas
Passa-Altas
Passa-Faixa
Rejeita-Faixa
Filtros
1
T-T
f(t)
t
PB G(w)
f1(t)1
T-T t
wwo 3wo 5wo 7wo
1/2
|F(w)|
wwo 3wo 5wo 7wo
|G(w)|
1
wwo 3wo 5wo 7wo
1/2
|F1(w)|
x
=
Filtros
1
T-T
f(t)
t
PA G(w)
wwo 3wo 5wo 7wo
1/2
|F(w)|
wwo 3wo 5wo 7wo
|G(w)|
1x
=
1/2
T-T
f1(t)
t-1/2
wwo 3wo 5wo 7wo
1/2
|F1(w)|
Amostragem
t(s)T
f(t)
Amostragem
f(hz)fo-fo
f(hz)fo-fo 1/T 2/T
Amostragem
Teorema da amostragem: Se a transformada de Fourier de uma função é nula para |w|>2f rad/s, esta função é unicamente determinada por suas amostras obtidas em intervalos regulares menores que 1/(2f )s.
Corolário: A freqüência de amostragem deve ser maior que duas vezes a maior freqüência do sinal.
Amostragem
Aliasing
f(hz)fo-fo f1-f1
f(hz)fo-fo f1-f1 1/T
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 de luz
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, CNC 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
Encoder ótico
Entendendo melhor
0 01 1 0 0 00 1 1 1 1
0 01 1 0 0 00 1 1 1 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.
Tacogerador
V = K nK 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 (por minuto, rpm, ou segundo, rps).
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 de velocidade
Encoders: Usando FVC:
ruído pequeno; atraso de tempo; transformação de
digital para analógico.
Usando software: fácil de construir
em computadores digitais;
atraso de tempo; muito ruidoso.
Sensores de velocidade
Giroscópios ou girômetros.
Sensores Ópticos de velocidadeSensores Ópticos de velocidade
Empregam foto-diodos ou foto-transistor e uma fonte luminosa, lâmpada, LED ou laser. Há dois tipos básicos.
As vantagens destes sensores são o menor tamanho e custo, a maior durabilidade e a leitura à distância. É usado em sistemas de controle e tacômetros portáteis.
Sensor de reflexãoSensor de reflexão
Um feixe luminoso atinge um disco com um furo ou marca de cor contrastante, que gira. O sensor recebe o feixe refletido, mas na passagem do furo a reflexão é interrompida (ou no caso de marca de cor clara a reflexão é maior), e é gerado um pulso pelo sensor.
Sensor de interrupção de luzSensor de interrupção de luz
Usa um disco com furo. Fonte de luz e o 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.
Sensores de Aceleração
Acelerômetros muito ruidoso; úteis para
medição de derrapagem.
M
yKa
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.
Sensores de Proximidade
Capacitivos
Resistivos
Indutivos
Conjugado e Força
Strain-Gages
Tato
Requerem contato físico entre o sensor e o objeto.
Podem ser construídos com chaves ou com dispositivos mais elaborados.
Sensores de temperatura
O diodo comum 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 pela equação:
Vd = A - BT
A e B variam um pouco conforme o diodo. Esta equação é de uma reta, e vale até uns 125 ºC, limite para o silício.
Curva térmica do diodoCurva térmica do diodo
O diodo é encontrado em controles e termômetros de baixo custo e razoável precisão, até uns 100 ºC.
Temperatura usando termopar
Quando dois metais encostados são submetidos a uma temperatura, surge nos extremos deles uma tensão proporcional à temperatura. Este é o 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
Além de seu uso em fotometria (incluindo analisadores de radiações e químicos), é a parte de sistemas de controle de luminosidade, como os relés fotoelétricos de iluminação pública e 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-óptica, pela operação em alta freqüência.
Foto-transistor
Células foto-voltaicasCélulas foto-voltaicas
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 é a foto-célula de selênio (um semicondutor), de operação similar. 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 como já visto.
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, como um NTC, 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
Compensar variações na temperatura do fluído usando um sensor em Ponte de Wheatstone diferencial.
2 NTC’s em contato com o fluído, um deles protegido do fluxo numa cavidade, faz a compensação de temperatura.
Diferença de tensão indica a vazão.
Vazão usando sensor térmicoVazão usando sensor térmico
Este sensor em ponte também é usado para medir diferenças de
temperatura.
