Sensores para rob

1
Sensores para robótica

• Luiz M. G. Gonçalves

2
Percepção
Percepção
Robótica
Ação
3
Eletrônica Básica
4
Eletrônica Básica

• Resistor
• Resistores Variáveis
• Potenciômetro
• LDR
• Strain-Gage.

5
Eletrônica Básica

• Indutor
• Capacitor

6
Eletrônica Básica
Série
Paralelo

• Associações
• Resistores
• Indutores
• Capacitores

7
Eletrônica Básica

• Diodo

8
Eletrônica Básica

• Transistor
• Amplificador Operacional

9
Eletrônica Básica

• Amplificador Inversor

10
Eletrônica Básica

• Leis de Kirchhoff
• A soma das correntes que entram em um nó é igual
  a soma das correntes que saem deste nó.

11
Eletrônica Básica

• Leis de Kirchhoff
• A soma das tensões ao longo de qualquer percurso
  fechado é zero.

12
Caracterização dos Sensores
13
Classificação dos Sensores

• Passivos x Ativos
• Ex.
• Chaves
• Resistores Variáveis
• Célula Fotoelétrica
• Cristal Piezoelétrico.

14
Classificação dos Sensores

• Analógicos x Digitais
• Ex.
• Chaves
• Potenciômetro
• Encoder.
• Absolutos x Incrementais
• Ex.
• Potenciômetro
• Servo como sensor.

15
Especificação do Desempenho

• Exatidão x Precisão

bias
16
Características Estáticas

• Linearidade
• Sensibilidade
• Range
• Histerese

17
Características Estáticas

• Resolução
• Limiar

Res2 rad
10
18
Características Dinâmicas

• Dinâmica

19
Características Dinâmicas

• Atraso ou tempo morto

20
Tipos de Sensores
21
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

22
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.

23
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.

24
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.

25
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.

26
Posição com interruptor de lâminas

• Usando um interruptor acionado por imã.

Imã
27
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.

28
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.

29
Sensores de posição e orientação

• Potenciômetro
• Revolução
• Linear
• Vantagens
• barato
• simples
• absoluto
• robusto.

• Desvantagens
• pouco exato
• baixa resolução
• impõe carga ao sistema.

30
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

31
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.

32
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).

33
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.

34
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.

35
Posição absoluta
36
Encoder magnético (relativo)
37
Encoder ótico (relativo)
38
Diferença de quadratura
39
(No Transcript)
40
(No Transcript)
41
(No Transcript)
42
(No Transcript)
43
(No Transcript)
44
(No Transcript)
45
(No Transcript)
46
(No Transcript)
47
Entendendo melhor
Rotação clockwise
1 1
1 1
0 0
0 0
1 1
0

0
0
1 1
1 1
0 0
0 0
1 1
0
0
0
Rotação counter-clockwise
48
Entendendo melhor
Posição atual
1 1
1 1
0 0
0 0
1 1
0

0
0
1 1
1 1
0 0
0 0
1 1
0
0
0
-1
1
49
Entendendo melhor
0 sem mudança -1 decrementa contador 1
incrementa contador n operação ilegal 01
encoder A é 0 e B é 1
50
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.

51
(No Transcript)
52
Sensores de posição e orientação

• Bússola
• Vantagens
• absoluto
• digital

• Desvantagens
• apresenta problemas em ambientes internos
• pouco preciso.

53
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.

54
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

55
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

56
Tacogerador

• Tacômetro
• Vantagens
• robusto
• analógico
• Desvantagens
• manutenção cara
• pesado
• produz muito ruído.

57
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.

58
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.

59
Sensores de velocidade
60
Sensores Ópticos de velocidade

• Empregam foto-diodos ou foto-transistor e uma
  fonte luminosa, lâmpada, LED ou laser. Há dois
  tipos básico
• reflexão
• interrupção

61
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.

62
Exemplo
63
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.

64
Giroscópio

• Giroscópios ou girômetros.
• Detecta mudanças ocorridas na direção do
  movimento

65
Sensores de Aceleração

• Acelerômetros
• muito ruidoso
• úteis para medição de derrapagem.

66
Conjugado e Força (strain gauge)
67
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.

68
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.

69
Tato

• Requerem contato físico entre o sensor e o
  objeto.
• Podem ser construídos com chaves ou com
  dispositivos mais elaborados.

70
(No Transcript)
71
(No Transcript)
72
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.

73
Temperatura usando termopar

• Quando dois metais encostados são submetidos a
  uma temperatura, surge nos extremos deles uma
  tensão proporcional à temperatura (efeito
  Seebeck).
• VKT
• K é uma constante para cada par de metais, que é
  utilizável até seu limite térmico.

74
Temperatura e tensão

• Metal T. Máx Const. K
• Cobre-constantán 375ºC 0.1mV/ ºC
• Ferro-constantán 750ºC 0.0514mV/ ºC

75
Aplicações

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

76
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.

77
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).

78
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.

79
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.

80
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.

81
Foto diodo
82
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.

83
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.

84
Foto-transistor
85
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 .

86
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).

87
Sensores de Vazão

• Servem para medir o fluxo de líquidos em
  tubulações.

88
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.

89
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.

90
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.

91
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.