sensores - DCA

Sensores para robótica
Luiz M. G. Gonçalves
www.dca.ufrn/~lmarcos/courses/robotica
Percepção
Percepção
Robótica
Ação
Eletrônica Básica
Eletrônica Básica
 Resistor
v  Ri
+
i
v
R
i
1/R = G
 Resistores Variáveis:
 Potenciômetro;
 LDR;
 Strain-Gage.
-
v
R
Eletrônica Básica
 Indutor
+
di
vL
dt
i
v
-
L
Capacitor
dv
iC
dt
+
i
v
C
-
Eletrônica Básica
 Associações
Série
Z1
Paralelo
Z1
Z2
Z2
 Resistores
RT  R1  R2
 Indutores
LT  L1  L2
 Capacitores
1
1
1


CT C1 C2
1
1
1
 
RT R1 R2
1
1 1
 
LT L1 L2
CT  C1  C2
Eletrônica Básica
 Diodo
+
v
i
-
D
i
i
v
v
Eletrônica Básica
 Transistor
ic
ib
ic
+
vce
ie
ib
Amplificador Operacional
vcc
i1
+
i2
io
vce
+
ie
Eletrônica Básica
Amplificador Inversor
R2
vi
vcc
R1
+
vo
R2
vo   vi
R1
Eletrônica Básica
Leis de Kirchhoff
 A soma das correntes que entram em um nó
é igual a soma das correntes que saem deste
nó.
i4
i1
i3
i2
i1  i2  i3  i4
Eletrônica Básica
Leis de Kirchhoff
 A soma das tensões ao longo de qualquer
percurso fechado é zero.
+
-
v2
-
+
v1
+
v1  vR1  0
+
R1
-
+
C
-
D
+
-
R2
v1  v2  vR2  vD  0
vR1  v2  vR2  vD  0
vR1  vC  vD  0
vC  vR2  v2  0
Caracterização dos Sensores
Classificação dos Sensores
Passivos x Ativos
entrada
saída
Sensor
 Ex.:
Chaves;
Resistores Variáveis;
Célula Fotoelétrica;
Cristal Piezoelétrico.
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


v
bias
vr
Características Estáticas
Linearidade
V(v)
Sensibilidade
s  0,5 v
rad
 max  (rad )
Range
y
Histerese
x
Características Estáticas
Resolução
V(v)
3
2
1
Res=2 rad
2 4 6 8
Limiar
 (rad )
V(v)
10
 (rad )
Características Dinâmicas
Dinâmica
T(graus)
Temperatura Real
63,2%
Sensor
| Y ( ) |
| X ( ) |

t(s)
1
1/ 
f(hz)
Características Dinâmicas
Atraso ou tempo morto
X(m)
Posição Real
Sensor
d
t(s)
Tipos de Sensores
Funções dos Sensores
 Cinemáticos
 posição
 orientação
 velocidade
 aceleração
 proximidade
 Dinâmicos
 conjugado
 força
 tato
 Imagens
 ccd - analógico
 ccd - digital
 Outros
 presença
 som
 luz
 temperatura
 tensão e corrente
Sensores de posição
Posição linear
Posição angular
De 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.
Posição: 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.
Sensores fim-de-curso magnético
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.
Posição com interruptor de lâminas
Usando um interruptor acionado por imã.
Imã
Posição com sensores ópticos
Por 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.
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 / d
Variação 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 / l
Mede-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 luz
Encoders 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
Rotação clockwise
0
0
1
0
1
1
1
0
0
0
1
0
1
1
1
0
1
0 0
0
Rotação counter-clockwise
1
1
1
0
0 0
Entendendo melhor
Posição atual
0
0
1
0
1
1
1
0
0
0
1
0
1
1
-1
1
0
1
0 0
0
+1
1
1
1
0
0 0
Entendendo melhor
00
01
10
11
00 01 10 11
0 1 1 n
1 0 n 1
1 n 0 1
n 1 1 0
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
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 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 tocadiscos CD e videocassete, etc.
Sensores de velocidade
Sensores 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 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 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.
Ky
a
M
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
+
vce
ie
Fonte de luz
Detector
Lente
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=KT
K é uma constante para cada par de
metais, que é utilizável até seu limite
térmico.
Temperatura e tensão
Metal
T. Máx
Cobre-constantán 375ºC
Ferro-constantán 750ºC
Const. K
0.1mV/ ºC
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 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: 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-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 diodo
Aplicações do foto-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.
Foto-transistor
É um transistor cuja junção coletor-base
fica exposta à luz e atua como um fotodiodo. O transistor amplifica a corrente, e
fornece alguns mA com alta luminosidade.
Sua velocidade é menor que a do fotodiodo.
Suas aplicações são as do foto-diodo,
exceto sistemas de fibra-ótica, pela
operação em alta freqüência.
Foto-transistor
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 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 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 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 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.