Sensores Luiz M. G. Gonçalves

Visão Computacional Sistema Atuador Robô 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 Z1 Z2

Eletrônica Básica Diodo: permite a corrente circular numa única direção 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

Caracterização dos Sensores

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

Classificação dos Sensores Analógicos x Digitais Ex.: Chaves (analógico); Potenciômetro (analógico); Encoder (digital). Absolutos x Incrementais Potenciômetro (absoluto); Encoder (incremental);

Especificação do Desempenho Exatidão x Precisão bias

Características Estáticas V(v) Linearidade mudança reflete linear Sensibilidade percebe mudança Range quanto consegue medir Histerese oscilação ou não x y

Características Estáticas Resolução unidade mínima Limiar ponto de partida 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 variações de temperatura em condições normais f(hz) 1

Características Dinâmicas Atraso ou tempo morto tempo entre ocorrência da mudança e ela ser notada pelo sensor 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 range images 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 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). Existem 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

Rotação counter-clockwise Entendendo melhor Rotação clockwise 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 Rotação counter-clockwise

Entendendo melhor Posição atual 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 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: Desvantagens: robusto; analógico; manutenção cara; pesado; produz muito ruído.

Forma analógica

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. 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.

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

Aplicações do foto-diodo 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.

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.

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