Sensores para robtica FLuiz M G Gonalves www

Sensores para robótica FLuiz M. G. Gonçalves www. dca. ufrn/~lmarcos/courses/robotica

Percepção Robótica 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 + v i - D i i v 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. : ÜChaves; ÜResistores Variáveis; ÜCélula Fotoelétrica; ÜCristal Piezoelétrico. Energia Auxiliar saída

Classificação dos Sensores FAnalógicos x Digitais w Ex. : ÜChaves; ÜPotenciômetro; ÜEncoder. FAbsolutos x Incrementais w Ex. : ÜPotenciômetro; ÜServo como sensor.

Especificação do Desempenho FExatidão x Precisão bias

Características Estáticas FLinearidade V(v) FSensibilidade FRange y FHisterese x

Características Estáticas FResolução V(v) 3 2 1 FLimiar Res=2 rad 2 4 6 8 V(v) 10

Características Dinâmicas FDinâmica T(graus) Temperatura Real 63, 2% Sensor t(s) 1 f(hz)

Características Dinâmicas FAtraso ou tempo morto 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 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: chaves fim-de-curso FInterruptores 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. FTambém 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 FCampo magnético num condutor distribui cargas: positivas de um lado e negativas do lado oposto da borda do condutor. FSemicondutor: efeito é mais pronunciado. Surge pequena tensão nas bordas do material (Efeito Hall). FBase do sensor magnético Hall: sensores em circuito integrado na forma de um transistor.

Sensores fim-de-curso magnético FPode 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 0 V.

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). FEm controle, 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.

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 (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.

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.