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Sensores para robótica

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Sensores para robótica - PowerPoint PPT Presentation


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Luiz M. G. Gonçalves. Sensores para robótica. Percepção. Percepção. Robótica. Ação. Eletrônica Básica. -. +. v. i. R. i. 1/R = G. v. R. Eletrônica Básica. Resistor Resistores Variáveis: Potenciômetro; LDR; Strain-Gage. -. -. +. +. v. i. L. v. i. C.

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide2

Percepção

Percepção

Robótica

Ação

eletr nica b sica1

-

+

v

i

R

i

1/R = G

v

R

Eletrônica Básica
  • Resistor
    • Resistores Variáveis:
      • Potenciômetro;
      • LDR;
      • Strain-Gage.
eletr nica b sica2

-

-

+

+

v

i

L

v

i

C

Eletrônica Básica
  • Indutor
  • Capacitor
eletr nica b sica3

Z1

Z1

Z2

Z2

Eletrônica Básica

Série

Paralelo

  • Associações
    • Resistores
    • Indutores
    • Capacitores
eletr nica b sica4

-

+

v

i

D

i

i

v

v

Eletrônica Básica
  • Diodo
eletr nica b sica5

ic

ie

ic

+

-

vce

vce

-

+

ib

ib

ie

vcc

i1

io

-

+

i2

Eletrônica Básica
  • Transistor
  • Amplificador Operacional
eletr nica b sica6

R2

vcc

R1

vi

-

vo

+

Eletrônica Básica
  • Amplificador Inversor
eletr nica b sica7

i4

i3

i1

i2

Eletrônica Básica
  • Leis de Kirchhoff
    • A soma das correntes que entram em um nó é igual a soma das correntes que saem deste nó.
eletr nica b sica8

v1

R1

D

+

+

+

+

-

+

+

-

-

-

-

C

v2

R2

-

Eletrônica Básica
  • Leis de Kirchhoff
    • A soma das tensões ao longo de qualquer percurso fechado é zero.
classifica o dos sensores

entrada

saída

Sensor

Energia Auxiliar

Classificação dos Sensores
  • Passivos x Ativos
    • Ex.:
      • Chaves;
      • Resistores Variáveis;
      • Célula Fotoelétrica;
      • Cristal Piezoelétrico.
classifica o dos sensores1
Classificação dos Sensores
  • Analógicos x Digitais
    • Ex.:
      • Chaves;
      • Potenciômetro;
      • Encoder.
  • Absolutos x Incrementais
    • Ex.:
      • Potenciômetro;
      • Servo como sensor.
especifica o do desempenho
Especificação do Desempenho
  • Exatidão x Precisão

bias

caracter sticas est ticas

V(v)

y

x

Características Estáticas
  • Linearidade
  • Sensibilidade
  • Range
  • Histerese
caracter sticas est ticas1

V(v)

3

2

1

2

4

6

8

V(v)

Características Estáticas
  • Resolução
  • Limiar

Res=2 rad

10

caracter sticas din micas

T(graus)

Temperatura Real

63,2%

Sensor

t(s)

1

f(hz)

Características Dinâmicas
  • Dinâmica
caracter sticas din micas1

X(m)

Posição Real

Sensor

d

t(s)

Características Dinâmicas
  • Atraso ou tempo morto
fun es dos sensores
Cinemáticos

posição

orientação

velocidade

aceleração

proximidade

Dinâmicos

conjugado

força

tato

Outros

presença

som

luz

temperatura

tensão e corrente

Funções dos Sensores
  • Imagens
    • ccd - analógico
    • ccd - digital
sensores de posi o
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.
posi o chaves fim de curso
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 magn tico
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 magn tico1
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.
posi o com interruptor de l minas
Posição com interruptor de lâminas
  • Usando um interruptor acionado por imã.

Imã

posi o com sensores pticos
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.
posi o e orienta o potenci metro
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 posi o e orienta o
Potenciômetro

Revolução

Linear

Vantagens:

barato;

simples;

absoluto;

robusto.

Desvantagens:

pouco exato;

baixa resolução;

impõe carga ao sistema.

Sensores de posição e orientação
posi o por sensor capacitivo
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
posi o por indut ncia
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.
posi o por sensores ticos
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).
posi o por sensores ticos1
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.
posi o 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 por sensores de luz
entendendo melhor
Entendendo melhor

Rotação clockwise

1 1

1 1

0 0

1 1

0 0

0

0

0

1 1

1 1

0 0

1 1

0 0

0

0

0

Rotação counter-clockwise

entendendo melhor1
Entendendo melhor

Posição atual

1 1

1 1

0 0

1 1

0 0

0

0

0

1 1

1 1

0 0

1 1

0 0

0

0

0

-1

+1

entendendo melhor2
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 posi o e orienta o1
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
sensores de posi o e orienta o2
Bússola

Vantagens:

absoluto;

digital;

Desvantagens:

apresenta problemas em ambientes internos;

pouco preciso.

Sensores de posição e orientação
sensores de posi o e orienta o3
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.

Sensores de posição e orientação
sensor de velocidade tacogerador
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
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
tacogerador1
Tacômetro

Vantagens:

robusto;

analógico;

Desvantagens:

manutenção cara;

pesado;

produz muito ruído.

Tacogerador
velocidade interruptor de l minas
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 aplica es do interruptor de l minas
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 pticos 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 reflex o da luz
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.
velocidade por interrup o de luz
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.
girosc pio
Giroscópios ou girômetros.

Detecta mudanças ocorridas na direção do movimento

Giroscópio
sensores de acelera o
Acelerômetros

muito ruidoso;

úteis para medição de derrapagem.

Sensores de Aceleração
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

-

Fonte de luz

Lente

Detector

Sensores de Proximidade
sensores de proximidade1
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
slide69
Tato
  • Requerem contato físico entre o sensor e o objeto.
  • Podem ser construídos com chaves ou com dispositivos mais elaborados.
sensores de temperatura diodo
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
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 tens o
Temperatura e tensão
  • Metal T. Máx Const. K
  • Cobre-constantán 375ºC 0.1mV/ ºC
  • Ferro-constantán 750ºC 0.0514mV/ ºC
aplica es
Aplicações
  • O custo dos termopares é elevado, e são empregados em aplicações profissionais, onde se requer alta confiabilidade e precisão.
temperatura c sensores integrados
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
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
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.
aplica es1
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
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.
aplica es do 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
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.
c lulas foto voltaicas paineis solares
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 %.
c lulas foto voltaicas
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 vaz o
Sensores de Vazão
  • Servem para medir o fluxo de líquidos em tubulações.
sensor de turbina vaz o
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.
vaz o por diferen a de press o
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.
vaz o usando sensor t rmico
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.
vaz o usando sensor t rmico1
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.