Sensores para Robótica

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SENSORES
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Robótica Industrial
Prof. Alvim
Sensores para robótica
Fonte : www.dca.ufrn/~lmarcos/courses/robotica
Autor : Luiz M. G. Gonçalves
Eletrônica Básica
 Resistor
Resistores Variáveis:
 Potenciômetro;
 LDR;
 Strain-Gage (Extensometro)
Eletrônica Básica
 Indutor
Capacitor
Eletrônica Básica
 Associações
Resistores
Indutores
Capacitores
Série
Paralelo
Eletrônica Básica
 Diodo
Eletrônica Básica
 Transistor
Amplificador Operacional
Eletrônica Básica
Amplificador Inversor 
Caracterização dos Sensores
Classificação dos Sensores
Passivos x Ativos
Ex.:
Chaves;
Resistores Variáveis;
Célula Fotoelétrica;
Cristal Piezoelétrico.
Classificação dos Sensores
Analógicos x Digitais
Ex.:
Chaves;
Potenciômetro;
Encoder.
Absolutos x Incrementais
Ex.:
Potenciômetro;
Servo como sensor.
Especificação do Desempenho
Exatidão x Precisão
bias
Características Estáticas
Linearidade
Sensibilidade
Range
Histerese
Características Estáticas
Resolução
Limiar
Res=2 rad
10
Características Dinâmicas
Dinâmica
Características Dinâmicas
Atraso ou tempo morto
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 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.
Sensores de posição
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.
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 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.
Exercício :
Converter de 0 a 90 graus em 0 a 5V.
Sugestão : Utilize um potenciômetro e um divisor resistivo. Para um melhor desempenho adicione um Amplificador Operacional
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
0 0
1 1
0 0
0
0
1 1
 
1 1
0 0
1 1
0 0
0
0
1 1
1 1
Rotação clockwise
Rotação counter-clockwise
0
0
Entendendo melhor
0 0
1 1
0 0
0
0
1 1
 
1 1
0 0
1 1
0 0
0
0
1 1
1 1
Posição atual
0
0
-1
+1
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
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 toca-discos 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.
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.
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 Const. K	
Cobre-constantán	375ºC	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 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
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-diodo
Foto-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)
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.
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