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Www.dca.ufrn/~lmarcos/courses/visao Sensores Luiz M. G. Gonçalves.

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1 Sensores Luiz M. G. Gonçalves

2 Ação Sistema Atuador Robô Visão Computacional

3 Eletrônica Básica

4 F Resistor wResistores Variáveis: Ü Potenciômetro; Ü LDR; Ü Strain-Gage. R R v i + - v i 1/R = G

5 Eletrônica Básica F Indutor F Capacitor v i L C v i

6 Eletrônica Básica F Associações wResistores wIndutores wCapacitores SérieParalelo Z1Z1 Z2Z2 Z2Z2 Z1Z1

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

8 Eletrônica Básica F Transistor F Amplificador Operacional ibib icic ieie + - v ce icic ieie ibib ioio v cc i1i1 i2i2

9 Eletrônica Básica F Amplificador Inversor R2R2 v cc + - R1R1 vivi vovo

10 Eletrônica Básica F Leis de Kirchhoff wA soma das correntes que entram em um nó é igual a soma das correntes que saem deste nó. i1i1 i2i2 i3i3 i4i4

11 Eletrônica Básica F Leis de Kirchhoff wA soma das tensões ao longo de qualquer percurso fechado é zero v1v1 v2v2 R1R1 D R2R2 C + -

12 Caracterização dos Sensores

13 Classificação dos Sensores F Passivos x Ativos wEx.: ÜChaves (passivo); ÜResistores Variáveis (ativo); ÜCélula Fotoelétrica (ativo); ÜCristal Piezoelétrico (ativo). Sensor entradasaída Energia Auxiliar

14 Classificação dos Sensores F Analógicos x Digitais wEx.: ÜChaves (analógico); ÜPotenciômetro (analógico); ÜEncoder (digital). F Absolutos x Incrementais wEx.: ÜPotenciômetro (absoluto); ÜEncoder (incremental);

15 Especificação do Desempenho F Exatidão x Precisão bias

16 Características Estáticas F Linearidade wmudança reflete linear F Sensibilidade wpercebe mudança F Range wquanto consegue medir F Histerese woscilação ou não x y V(v)

17 Características Estáticas F Resolução wunidade mínima F Limiar wponto de partida V(v) Res=2 rad V(v) 10

18 Características Dinâmicas F Dinâmica wvariações wde temperatura wem condições wnormais t(s) T(graus) Sensor Temperatura Real 63,2% f(hz) 1

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

20 Tipos de Sensores

21 Funções dos Sensores F Cinemáticos wposição worientação wvelocidade waceleração wproximidade F Dinâmicos wconjugado wforça wtato F Outros wpresença wsom wluz wtemperatura wtensão e corrente F Imagens wccd - analógico wccd - digital wrange images

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

23 Posição com interruptor de lâminas F Usando um interruptor acionado por imã. Imã

24 Posição com sensores ópticos F 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. F 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) F Usado para contagem de peças em linha de produção e aplicações de fim-de-curso.

25 Posição e orientação: potenciômetro. F 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). F Existem potenciômetros especiais, de alta linearidade e dimensões adequadas, de fio metálico em geral, com menor desgaste.

26 Sensores de posição e orientação F Potenciômetro wRevolução wLinear F Vantagens: w barato; w simples; w absoluto; w robusto. F Desvantagens: wpouco exato; wbaixa resolução; wimpõe carga ao sistema.

27 Posição por sensor capacitivo F A capacitância depende da área das placas A, da constante dielétrica do meio, K, e da distância entre as placas, d: F C = K A / d F Variação na capacitância convertida em desvio na freqüência de um oscilador, ou em desvio de tensão numa ponte de dois capacitores e dois resistores

28 Posição por indutância F Indutância depende do número de espiras, da largura do enrolamento, do comprimento do enrolamento e da permeabilidade do núcleo. F L = m N2 A / l F 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.

29 Posição por sensores óticos. F Por transmissão de luz F Encoders determinam a posição através de um disco ou trilho marcado. F Relativos (incremental): posição demarcada por contagem de pulsos acumulados. F Absolutos: um código digital gravado no disco ou trilho é lido por um conjunto de sensores ópticos (fonte de luz e sensor).

30 Posição por sensores óticos F A fonte de luz é geralmente o LED, e o sensor um fotodiodo ou fototransistor. F São muito precisos e práticos em sistemas digitais (encoder absoluto), e usam-se em robôs, máquinas-ferramenta e outros.

31 Posição por sensores de luz F Encoders wincremental wabsoluto F Vantagens: walta resolução; wsem contatos mecânicos; walta repetibilidade. F Desvantagens: wfrágil; wnecessita de circuitos para contar os pulsos; wcaro.

32 Posição absoluta

33 Encoder magnético (relativo)

34 Encoder ótico (relativo)

35 Diferença de quadratura

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44 Entendendo melhor Rotação clockwise Rotação counter-clockwise 0 0

45 Entendendo melhor Posição atual

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

47 Sensores de posição e orientação F LVDT (Linear Variable Differencial Transformers) F Vantagens: walta resolução; wboa sensibilidade. F Desvantagens: wnecessita de freqüente calibração; w caro; w condicionamento do sinal é caro.

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49 Sensores de posição e orientação F Bússola F Vantagens: wabsoluto; wdigital; F Desvantagens: wapresenta problemas em ambientes internos; wpouco preciso.

50 Sensores de posição e orientação F GPS e (GPS diferencial) F Vantagens: wabsoluto; F Desvantagens: wcaro; wpouco preciso Ü militar - 22 metros precisão horizontal e 27.7 metros precisão vertical; Ü civil metros e 156 metros.

51 Sensor de velocidade -Tacogerador F Pequeno gerador elétrico de CC, com campo fornecido por imã. F Tensão gerada, pela Lei de Faraday é proporcional à velocidade com que o fluxo magnético é cortado pelo enrolamento do rotor. F Transdutor mecânico elétrico linear. F V = K n

52 Tacogerador F K é uma constante que depende do campo do imã, do número de espiras e pólos e das dimensões do rotor; F n é a rotação do eixo. F A polaridade da tensão gerada depende do sentido de rotação

53 Tacogerador F Tacômetro F Vantagens: wrobusto; wanalógico; F Desvantagens: wmanutenção cara; wpesado; wproduz muito ruído.

54 Forma analógica

55 Velocidade: Interruptor de Lâminas F reed-switch: duas lâminas de ferro próx., com pequeno envoltório de vidro. F Ao se aproximar um imã ou solenóide as duas lâminas se encostam, fechando os contatos externos. F Imã na periferia de uma roda fecha os contatos a cada volta, gerando pulsações numa freqüência proporcional à rotação da roda.

56 Outras aplicações do Interruptor de lâminas F 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.

57 Sensores de velocidade

58 Sensores Ópticos de velocidade F Empregam foto-diodos ou foto-transistor e uma fonte luminosa, lâmpada, LED ou laser. Há dois tipos básico F reflexão F interrupção

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

60 Exemplo

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

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

63 Sensores de Aceleração F Acelerômetros wmuito ruidoso; wúteis para medição de derrapagem.

64 Conjugado e Força (strain gauge)

65 Sensores de Proximidade F Óticos wSimples; wBarato; wmuito bom detetor de presença (on-off); wNão é robusto com respeito à iluminação ambiente; wCalibração depende da textura. icic ieie + - v ce Lente Fonte de luz Detector

66 Sensores de Proximidade F Ultra-som wAplicação de pulsos de 40 a 60kHz por 1 msec. wPrecisão de 1 % do valor máximo. wÂngulo de 30 graus que causa reflexões indesejadas.

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

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70 Sensores de temperatura (diodo) F Diodo de silício, polarizado diretamente com corrente de 1mA, tem queda de tensão próxima de 0.62V, a 25oC. F Esta tensão cai aproximadamente 2mV 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.

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

72 Temperatura e tensão F Metal T. Máx Const. K F Cobre-constantán375ºC0.1mV/ ºC F Ferro-constantán750ºC0.0514mV/ ºC

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

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

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

76 Luz: LDR F O LDR (light dependent resistor) tem sua resistência diminuída ao ser iluminado. F Composto de material semicondutor, o sulfeto de cádmio, CdS. 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.

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

78 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 mA 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.

79 Foto diodo

80 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. Aplicações do foto-diodo

81 Foto-transistor F 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. F Suas aplicações são as do foto-diodo, exceto sistemas de fibra-ótica, pela operação em alta freqüência.

82 Foto-transistor

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

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

85 Sensores de Vazão F Servem para medir o fluxo de líquidos em tubulações.

86 Sensor de turbina (vazão) F 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.

87 Vazão por diferença de pressão F Quando uma tubulação se estrangula, pela redução do diâmetro, há uma queda de pressão, e a velocidade do fluído aumenta. F Medindo-se a diferença de pressão através do desnível numa coluna de mercúrio, pode-se calcular a vazão. F Este processo é usado em medidores de vazão em processos industriais, não automáticos.

88 Vazão usando sensor térmico Vazão usando sensor térmico F Um gás ou líquido fluindo sobre um corpo aquecido, retira calor deste, reduzindo a temperatura de forma proporcional à velocidade do fluído. F Com um sensor de temperatura, aquecido a uma temperatura maior que a do fluído, pode-se avaliar a vazão pela variação da resistência.

89 Vazão usando sensor térmico F 2 sensores em contato com o fluído, um deles protegido do fluxo numa cavidade, faz a compensação de temperatura. F Diferença de tensão indica a vazão.

90 Pesquisa (relatório escrito) F Qual o princípio das câmeras? F Funcionamento das analógicas e digitais F Que tipo de sensor é utilizado? F Um array de foto-diodos? F Foto-resistores? F Foto-transistores? F Grupos de 3 pessoas, para 2a feira. Um grupo será escolhido para apresentar (ppt).


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