Sensores FLuiz M G Gonalves www dca ufrnlmarcoscoursesvisao

Sensores FLuiz M. G. Gonçalves www. dca. ufrn/~lmarcos/courses/visao

Visão Computacional Sistema Atuador Robô Ação

Eletrônica Básica

Eletrônica Básica F Resistor + i v - R i 1/R = G w Resistores Variáveis: Ü Potenciômetro; Ü LDR; Ü Strain-Gage. v R

Eletrônica Básica F Indutor + i v - L FCapacitor + i v C -

Eletrônica Básica F Associações Série Paralelo Z 1 Z 2 w Resistores w Indutores w Capacitores

Eletrônica Básica F Diodo: permite a corrente circular numa única direção + i v D i v - i v

Eletrônica Básica F Transistor ic ib ic + vce ie ib FAmplificador Operacional i 1 i 2 vcc + io vce + ie

Eletrônica Básica FAmplificador Inversor R 2 vi R 1 vcc + vo

Eletrônica Básica FLeis de Kirchhoff w A soma das correntes que entram em um nó é igual a soma das correntes que saem deste nó. i 4 i 1 i 3 i 2

Eletrônica Básica FLeis de Kirchhoff w A soma das tensões ao longo de qualquer percurso fechado é zero. + - - + v 2 - v 1 + R 1 + - + C + - D R 2

Caracterização dos Sensores

Classificação dos Sensores FPassivos x Ativos entrada Sensor w Ex. : Energia Auxiliar ÜChaves (passivo); ÜResistores Variáveis (ativo); ÜCélula Fotoelétrica (ativo); ÜCristal Piezoelétrico (ativo). saída

Classificação dos Sensores FAnalógicos x Digitais w Ex. : ÜChaves (analógico); ÜPotenciômetro (analógico); ÜEncoder (digital). FAbsolutos x Incrementais w Ex. : ÜPotenciômetro (absoluto); ÜEncoder (incremental);

Especificação do Desempenho FExatidão x Precisão bias

Características Estáticas V(v) FLinearidade w mudança reflete linear FSensibilidade w percebe mudança FRange w quanto consegue medir FHisterese w oscilação ou não y x

Características Estáticas FResolução V(v) w unidade mínima 3 2 1 FLimiar w ponto de partida 2 4 6 8 V(v) 10 Res=2 rad

Características Dinâmicas T(graus) FDinâmica w variações 63, 2% w de temperatura w em condições w normais Temperatura Real Sensor t(s) 1 f(hz)

Características Dinâmicas FAtraso ou tempo morto w tempo entre ocorrência da mudança e ela ser notada pelo sensor X(m) Posição Real Sensor d t(s)

Tipos de Sensores

Funções dos Sensores F Cinemáticos w posição w orientação w velocidade w aceleração w proximidade F Dinâmicos w conjugado w força w tato F Imagens w ccd - analógico w ccd - digital w range images F Outros w presença w som w luz w temperatura w tensão e corrente

Sensores de posição FPosição linear FPosição angular FDe passagem: indicam que foi atingida uma posição no movimento, os detetores de fim-de-curso e contadores FDe posição: indicam a posição atual de uma peça, usados em medição e posicionamento.

Posição com interruptor de lâminas FUsando um interruptor acionado por imã. Imã

Posição com sensores ópticos FPor 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. FPor interrupção: a luz emitida é captada por um fotosensor alinhado, que percebe a presença da peça quando esta intercepta o feixe. (light dependent resistor) FUsado para contagem de peças em linha de produção e aplicações de fim-de-curso.

Posição e orientação: potenciômetro. FTensão nos extremos de potenciômetro linear: tensão entre o extremo inferior e o centro (eixo) é proporcional à posição linear (potenciômetro deslizante) ou angular (rotativo). FExistem potenciômetros especiais, de alta linearidade e dimensões adequadas, de fio metálico em geral, com menor desgaste.

Sensores de posição e orientação FPotenciômetro w Revolução w Linear FVantagens: w barato; w simples; w absoluto; w robusto. FDesvantagens: w pouco exato; w baixa resolução; w impõe carga ao sistema.

Posição por sensor capacitivo FA capacitância depende da área das placas A, da constante dielétrica do meio, K, e da distância entre as placas, d: FC = K A / d FVariação 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 FIndutância depende do número de espiras, da largura do enrolamento, do comprimento do enrolamento e da permeabilidade do núcleo. FL = m N 2 A / l FMede-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. FPor transmissão de luz FEncoders determinam a posição através de um disco ou trilho marcado. FRelativos (incremental): posição demarcada por contagem de pulsos acumulados. FAbsolutos: 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 FA fonte de luz é geralmente o LED, e o sensor um fotodiodo ou fototransistor. FSão muito precisos e práticos em sistemas digitais (encoder absoluto), e usam-se em robôs, máquinas-ferramenta e outros.

Posição por sensores de luz FEncoders w incremental w absoluto FVantagens: w alta resolução; w sem contatos mecânicos; w alta repetibilidade. FDesvantagens: w frágil; w necessita de circuitos para contar os pulsos; w caro.

Posição absoluta

Encoder magnético (relativo)

Encoder ótico (relativo)

Diferença de quadratura

Entendendo melhor Rotação clockwise 0 0 1 1 1 0 0 Rotação counter-clockwise 1 1 0 0 0

Entendendo melhor Posição atual 0 0 1 1 1 0 0 1 1 -1 0 0 +1 1 1 0 0 0

Entendendo melhor 0 = sem mudança -1 = decrementa contador +1 = incrementa contador n = operação ilegal 01 = encoder A é 0 e B é 1

Sensores de posição e orientação FLVDT (Linear Variable Differencial Transformers) FVantagens: w alta resolução; w boa sensibilidade. FDesvantagens: w necessita de freqüente calibração; w caro; w condicionamento do sinal é caro.

Sensores de posição e orientação FBússola FVantagens: w absoluto; w digital; FDesvantagens: w apresenta problemas em ambientes internos; w pouco preciso.

Sensores de posição e orientação FGPS e (GPS diferencial) FVantagens: w absoluto; FDesvantagens: w caro; w pouco preciso Ü militar - 22 metros precisão horizontal e 27. 7 metros precisão vertical; Ü civil - 100 metros e 156 metros.

Sensor de velocidade -Tacogerador FPequeno gerador elétrico de CC, com campo fornecido por imã. FTensão gerada, pela Lei de Faraday é proporcional à velocidade com que o fluxo magnético é cortado pelo enrolamento do rotor. FTransdutor mecânico elétrico linear. FV = K n

Tacogerador FK é uma constante que depende do campo do imã, do número de espiras e pólos e das dimensões do rotor; Fn é a rotação do eixo. FA polaridade da tensão gerada depende do sentido de rotação

Tacogerador F Tacômetro F Vantagens: w robusto; w analógico; F Desvantagens: w manutenção cara; w pesado; w produz muito ruído.

Forma analógica

Velocidade: Interruptor de Lâminas Freed-switch: duas lâminas de ferro próx. , com pequeno envoltório de vidro. FAo se aproximar um imã ou solenóide as duas lâminas se encostam, fechando os contatos externos. FImã 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 FAlém 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 tocadiscos CD e videocassete, etc.

Sensores de velocidade

Sensores Ópticos de velocidade FEmpregam foto-diodos ou foto-transistor e uma fonte luminosa, lâmpada, LED ou laser. Há dois tipos básico Freflexão Finterrupção

Velocidade por reflexão da luz FDisco com um furo ou marca de cor contrastante, que gira. FLuz é emitida no disco e sensor recebe o feixe refletido. FNa passagem do furo, a reflexão é interrompida, e é gerado um pulso pelo sensor.

Exemplo

Velocidade por interrupção de luz FUm disco com um furo. Fonte de luz e sensor ficam em lados opostos. FNa passagem pelo furo, o feixe atinge o sensor, gerando um pulso. FA freqüência destes pulsos é igual à velocidade, em rps.

Giroscópio F Giroscópios ou girômetros. F Detecta mudanças ocorridas na direção do movimento

Sensores de Aceleração F Acelerômetros w muito ruidoso; w úteis para medição de derrapagem.

Conjugado e Força (strain gauge)

Sensores de Proximidade F Óticos w Simples; w Barato; w muito bom detetor de presença (on-off); w Não é robusto com respeito à iluminação ambiente; w Calibração depende da textura. ic + vce ie Fonte de luz Detector Lente

Sensores de Proximidade F Ultra-som w Aplicação de pulsos de 40 a 60 k. Hz por 1 msec. w Precisão de 1 % do valor máximo. w ngulo de 30 graus que causa reflexões indesejadas.

Tato F Requerem contato físico entre o sensor e o objeto. FPodem ser construídos com chaves ou com dispositivos mais elaborados.

Sensores de temperatura (diodo) F Diodo de silício, polarizado diretamente com corrente de 1 m. A, tem queda de tensão próxima de 0. 62 V, a 25 o. C. F Esta tensão cai aproximadamente 2 m. V para cada ºC de aumento na temperatura, e pode ser estimada por uma equação de reta do tipo F Vd = A - BT F Esta equação vale até uns 125 ºC, limite para o silício.

Temperatura usando termopar FQuando dois metais encostados são submetidos a uma temperatura, surge nos extremos deles uma tensão proporcional à temperatura (efeito Seebeck). FV=KT FK é uma constante para cada par de metais, que é utilizável até seu limite térmico.

Temperatura e tensão FMetal T. Máx FCobre-constantán 375ºC FFerro-constantán 750ºC Const. K 0. 1 m. V/ ºC 0. 0514 m. V/ ºC

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

Temperatura c/ sensores Integrados FHá circuitos integrados sensores de temperatura, como o LM 335, da National. FOferecem alta precisão, por conterem circuitos linearizados. Operam de 0 a 100ºC aproximadamente.

Sensores de Luz FUso em fotometria (incluindo analisadores de radiações e químicos) FSistemas de controle de luminosidade, como os relés fotoelétricos de iluminação pública. FSensores indireto de outras grandezas, como velocidade e posição (fim de curso).

Luz: LDR F O LDR (light dependent resistor) tem sua resistência diminuída ao ser iluminado. F Composto de material semicondutor, o sulfeto de cádmio, Cd. S. F A energia luminosa desloca elétrons da camada de valência para a de condução (mais longe do núcleo), aumentando o número destes, diminuindo a resistência. F A resistência varia de alguns Mw, no escuro, até centenas de W, com luz solar direta.

Aplicações FOs usos mais comuns do LDR são em relés fotoelétricos, fotômetros e alarmes. FSua desvantagem está na lentidão de resposta, que limita sua operação.

Foto-diodo F Diodo semicondutor com junção exposta à luz. F 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. F Corrente nos foto-diodos é da ordem de dezenas de m. A com alta luminosidade, e a resposta é rápida. F Há foto-diodos para todas as faixas de comprimentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta, dependendo do material.

Foto diodo

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

Foto-transistor FÉ um transistor cuja junção coletor-base fica exposta à luz e atua como um fotodiodo. O transistor amplifica a corrente, e fornece alguns m. A com alta luminosidade. Sua velocidade é menor que a do fotodiodo. FSuas aplicações são as do foto-diodo, exceto sistemas de fibra-ótica, pela operação em alta freqüência.

Foto-transistor

Células foto-voltaicas (paineis solares) FConvertem energia luminosa em elétrica. FDiodo iluminado intensamente na junção pode reverter a barreira de potencial em fonte de elétrons, produzindo energia. FEficiência é baixa devido a pouca transparência da junção (somente as camadas superficiais são iluminadas), apenas alguns %.

Células foto-voltaicas FSeu uso principal está nos painéis solares. FOutro dispositivo similar é a foto-célula de selênio (um semicondutor). FUsa-se em medidores de luminosidade e aparelhos de análise química (como fotocolorímetros).

Sensores de Vazão FServem para medir o fluxo de líquidos em tubulações.

Sensor de turbina (vazão) FSe 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 pressão FQuando uma tubulação se estrangula, pela redução do diâmetro, há uma queda de pressão, e a velocidade do fluído aumenta. FMedindo-se a diferença de pressão através do desnível numa coluna de mercúrio, pode-se calcular a vazão. FEste processo é usado em medidores de vazão em processos industriais, não automáticos.

Vazão usando sensor térmico FUm gás ou líquido fluindo sobre um corpo aquecido, retira calor deste, reduzindo a temperatura de forma proporcional à velocidade do fluído. FCom 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 térmico F 2 sensores em contato com o fluído, um deles protegido do fluxo numa cavidade, faz a compensação de temperatura. FDiferença de tensão indica a vazão.

Pesquisa (relatório escrito) FQual o princípio das câmeras? FFuncionamento das analógicas e digitais FQue tipo de sensor é utilizado? FUm array de foto-diodos? FFoto-resistores? FFoto-transistores? FGrupos de 3 pessoas, para 2 a feira. Um grupo será escolhido para apresentar (ppt).