Sensores para robótica Guilherme Augusto Silva Pereira Outubro de 2000

Percepção Percepção Robótica Ação

Eletrônica Básica

Eletrônica Básica Resistor - Resistores Variáveis: + v i R i Potenciômetro; LDR; Strain-Gage. v i 1/R = G R

Eletrônica Básica Indutor Capacitor v i L + - + - C v i

Eletrônica Básica Associações Resistores Indutores Capacitores Série Paralelo Associações Resistores Indutores Capacitores Z2 Z1 Z2

Eletrônica Básica Diodo D v i + - v i v i

Eletrônica Básica Transistor Amplificador Operacional ib ic ie + - vce vcc i1 i2

Eletrônica Básica Amplificador Inversor R2 vcc + - R1 vi vo

Eletrônica Básica Leis de Kirchhoff A soma das correntes que entram em um nó é igual a soma das correntes que saem deste nó. i1 i2 i3 i4

Eletrônica Básica Leis de Kirchhoff A soma das tensões ao longo de qualquer percurso fechado é zero. + - v1 v2 R1 D R2 C

Análise em Freqüência

Representação dos Sinais Representação por série de Fourier:

Representação dos Sinais 1 T -T f(t) t w wo 3wo 5wo 7wo 1/2 |F(w)|

Filtros Filtro x(t) y(t) w 1 wc

Filtros w Rejeita Tudo Passa-Baixas Passa-Altas Passa-Faixa Rejeita-Faixa

x Filtros = PB G(w) w wo 3wo 5wo 7wo 1/2 |F(w)| w wo 3wo 5wo 7wo f(t) t f1(t) 1 T -T t PB G(w) w wo 3wo 5wo 7wo 1/2 |F(w)| w wo 3wo 5wo 7wo |G(w)| 1 x = w wo 3wo 5wo 7wo 1/2 |F1(w)|

x Filtros = PA G(w) w wo 3wo 5wo 7wo 1/2 |F(w)| |G(w)| 1 wo 3wo 5wo f(t) t 1/2 T -T f1(t) t -1/2 PA G(w) w wo 3wo 5wo 7wo 1/2 |F(w)| |G(w)| x 1 wo 3wo 5wo 7wo w = w wo 3wo 5wo 7wo 1/2 |F1(w)|

Amostragem f(t) T t(s)

Amostragem f(hz) fo -fo f(hz) fo -fo 1/T 2/T

Amostragem Teorema da amostragem: Se a transformada de Fourier de uma função é nula para |w|>2f rad/s, esta função é unicamente determinada por suas amostras obtidas em intervalos regulares menores que 1/(2f )s. Corolário: A freqüência de amostragem deve ser maior que duas vezes a maior freqüência do sinal.

Amostragem Aliasing f(hz) fo -fo f1 -f1 f(hz) fo -fo f1 -f1 1/T

Caracterização dos Sensores

Classificação dos Sensores Passivos x Ativos Ex.: Chaves; Resistores Variáveis; Célula Fotoelétrica; Cristal Piezoelétrico. Sensor entrada saída Energia Auxiliar

Classificação dos Sensores Analógicos x Digitais Ex.: Chaves; Potenciômetro; Encoder. Absolutos x Incrementais Servo como sensor.

Especificação do Desempenho Exatidão x Precisão bias

Características Estáticas Linearidade Sensibilidade Range Histerese V(v) x y

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

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

Características Dinâmicas Atraso ou tempo morto t(s) Sensor Posição Real d X(m)

Tipos de Sensores

Funções dos Sensores Cinemáticos Imagens Dinâmicos Outros 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 de luz 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, CNC 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

Encoder ótico

Entendendo melhor 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0

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.

Tacogerador V = K n 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 (por minuto, rpm, ou segundo, rps). A polaridade da tensão gerada depende do sentido de rotação

Tacogerador Tacômetro Vantagens: Desvantagens: robusto; analógico; 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 de velocidade Encoders: Usando FVC: ruído pequeno; atraso de tempo; transformação de digital para analógico. Usando software: fácil de construir em computadores digitais; atraso de tempo; muito ruidoso.

Sensores de velocidade Giroscópios ou girômetros.

Sensores Ópticos de velocidade Empregam foto-diodos ou foto-transistor e uma fonte luminosa, lâmpada, LED ou laser. Há dois tipos básicos. As vantagens destes sensores são o menor tamanho e custo, a maior durabilidade e a leitura à distância. É usado em sistemas de controle e tacômetros portáteis.

Sensor de reflexão Um feixe luminoso atinge um disco com um furo ou marca de cor contrastante, que gira. O sensor recebe o feixe refletido, mas na passagem do furo a reflexão é interrompida (ou no caso de marca de cor clara a reflexão é maior), e é gerado um pulso pelo sensor.

Sensor de interrupção de luz Usa um disco com furo. Fonte de luz e o 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.

Sensores de Aceleração Acelerômetros muito ruidoso; úteis para medição de derrapagem.

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 ie + - vce Lente Fonte de luz Detector

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.

Sensores de Proximidade Capacitivos Resistivos Indutivos

Conjugado e Força Strain-Gages

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

Sensores de temperatura O diodo comum 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 pela equação: Vd = A - BT A e B variam um pouco conforme o diodo. Esta equação é de uma reta, e vale até uns 125 ºC, limite para o silício.

Curva térmica do diodo O diodo é encontrado em controles e termômetros de baixo custo e razoável precisão, até uns 100 ºC.

Temperatura usando termopar Quando dois metais encostados são submetidos a uma temperatura, surge nos extremos deles uma tensão proporcional à temperatura. Este é o 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 Além de seu uso em fotometria (incluindo analisadores de radiações e químicos), é a parte de sistemas de controle de luminosidade, como os relés fotoelétricos de iluminação pública e 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 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-óptica, pela operação em alta freqüência.

Foto-transistor

Células foto-voltaicas 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 é a foto-célula de selênio (um semicondutor), de operação similar. 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 como já visto.

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, como um NTC, aquecido a uma temperatura maior que a do fluído, pode-se avaliar a vazão pela variação da resistência.

Vazão usando sensor térmico Compensar variações na temperatura do fluído usando um sensor em Ponte de Wheatstone diferencial. 2 NTC’s em contato com o fluído, um deles protegido do fluxo numa cavidade, faz a compensação de temperatura. Diferença de tensão indica a vazão.

Vazão usando sensor térmico Este sensor em ponte também é usado para medir diferenças de temperatura.