136880356-Senzori-pritiska

SENZORI PRITISKAUpotreba u robotici

Tema:senzori pritiska,upotreba u robotici

Sadraj:

2.POPIS SLIKA.....2

3. UVOD....................................................................................................................................3

4. PRINCIP GRADNJE SENZORA PRITISK .....................................................................5 5. PODJELA SENZORA PRITISKA................................................................7 6. TEHNIKA SENZORA PRITISKA...................................................................8 6.1 Vakuumetri-Pirani i jonizacioni......................................................................................8 6.2. Kapacitivni senzori.........................................................................................................9 6.3. Potenciometarski senzor pritiska..10 6.4. Smart transmiteri-pretvarai.........................................................................................10 6.4.1 Postavljanje pretvaraa........................................................................................11 6.5. Elektromagnetni senzori pritiska..................................................................................12 6.6 Poluprovodniki senzori pritiska...................................................................................13

7. PRIMJENA SENZORA PRITISKA U ROBOTICI............................................................14 7.1. Pijezoelektrini senzori pritiska ...15 7.2. Optoelektronski senzor pritiska.........16 7.3. Senzori sa strunom.....17 7.4 Tenziometriski senzori pritiska...17 7.5. Kontaktni senzori pritiska........................................................................................ ......19 7.6. Elastomer senzori...........................................................................................................19 7.7. Vjetaka koa...............................................................................................................20

9. PRIMJENA I NAIN UGRADNJE U ROBOTICI.............................................................21 9.1. Pneumatski mii kao aktuator.....................................................................................22 9.2. Analiza hvatanja kod IML robota.................................................................................23

10. BUDUNOST RAZVOJA SENZORA PRITISKA..........................................................23

11.ZAKLJUAK......................................................................................................................24

12.LITERATURA.....................................................................................................................25

2


2. POPIS SLIKA

Slika 1. Oblici tehnikog mjernog pritiska.................................................................................4Slika 2. Veza izmeu stvarnog (A) i zaustavnog pritiska (B).....................................................4Slika 3. Struktura senzora pritiska (A) direktna i (B kompenzaciona).......................................5Slika 4. Tipini deformacioni elementi kod senzora pritiska.....................................................6Slika 4.2. Membrana za senzor pritiska.....................................................................................6Slika 5. Shematski prikaz senzorskih ureaja............................................................................7Slika 6. Shematski prikaz Piranijevog i jonizacijskog manometra............................................8Slika 7. Kapacitivni senzor pritiska...........................................................................................9Slika 8. Potenciometarski senzor pritiska sa Burdenovom cijevi............................................10Slika 9. SMART pretvarai.....................................................................................................10Slika 10. Postavljanje pretvaraa............................................................................................11Slika 11. Elektromagnetni senzori pritiska: a) prosto induktivni, b) diferencionalni, c) LVDT senzori pritiska...................-...................................................................12Slika 12. Elektromagnetni senzori pritiska u industriji...........................................................12Slika 13. Poluprovodniki senzori pritiska,izgled i shema spoja.............................................13Slika 14. Osnovne izvedbe robota...........................................................................................14Slika 15. Osnovne izvedbe robotske ake................................................................................15Slika 16. Pijezoelektrini senzor pritiska................................................................................16Slika 17. Fibrooptiki senzor pritiska.....................................................................................16Slika 18. Senzori pritiska sa strunom......................................................................................17Slika 19. Oblici tenziometriskih traka......................................................................................18Slika 20. Kontaktni senzori......................................................................................................19Slika 21. Prvobitni inteligentni digitalni senzor pritiska..........................................................20Slika 22. Robotska aka sa pneuamtskim aktuatorom..............................................................21Slika 23. Princip rada senzora pritiska i pneumatskog aktuatora...........................................21Slika 24. IML robot..................................................................................................................22

3


3. UVOD

Definicija. Kada se kontinuum nalazi u kontaktu sa nekom graninom povrinom, tada okomito na nju djeluje rezultanta svih unutranjih sila izmeu estica kontinuuma. Skalar koji se dobija kao odnos sile F[N] po jedinici povrine s[m2] zove se pritisak.

p = F/S,

Pored prethodne definicije koja proizilazi iz mehanike, postoje i druge definicije. Prema teoriji fluida, pritisak je lokalno svojstvo fluida i zavisi od visine stuba fluida iznad date lokacije i gustine fluida p[kg/m3], odnosno:

p = pgk.

Pritisak se moe definisati i pomou kinetike teorije gasova kao mjera totalne prosjene kinetike energije transiatomog kretanja N molekula gasa u volumenu F[m3] na temperaturi.Konano, pritisak se moe definisati pomou drugog zakona termodinamike, tj. na osnovu nepovratnog termodinamikog procesa kao odnos:

p=dv

fV +

Podruje i opseg mjerenja pritiska.

Pritisak se mjeri u rasponu 0-1010 Pa.Razlikuju se etiri mjerna podruja, sa opsezima koji zavise od podruja (slika.1):

Podruje apsolutnog pritiska: razlika izmeu pritiska u specificiranoj taki fluida i pritiska apsolutne nule, koji ima vakum. Opseg niskog apsolutnog pritiska (tehniki vakum) mjeri se u opsegu 10-10 - 100 Pa.

Podruje atmosferskog (barometarskog) pritiska: standardna vrijednost odgovara visini stupca ive od 760 mm, na nivou morske povrine, pri temperaturi od 0C,

Podruje diferencijalnog pritiska: razlika izmeu dva pritiska p=p1 p2

Podruje relativnog pritiska, kao poseban sluaj diferencijalnog, oznaava da je jedan pritisak atmosferski. Razlikuje se podruje malih relativnih pritisaka u odnosu na lokalni atmosferski i podruje visokog relativnog pritiska (natpritiska) u opsegu 0-1010 Pa.

4


Slika1. Oblast tehnikog mjerenja pritiska

Razlikuju se strujni i zaustavni pritisak. Stvarni pritisak u nekom mediju zove se strujni pritisak i oznaava se sa p. Ovaj pritisak se

naziva i statiki pritisak. Zaustavni pritisak je onaj pritisak koji odgovara pritisku fluida, kada se fluid zaustavi bez

gubitka energije. Zbirni pritisak nastao u posmatranoj taki zove se i totalni ili zaustavni pritisak pt.

Mjerenje pritiska u sluaju mirovanja fluida vri se prikljuivanjem manometra montiranog na crijevo uvedeno u fluid. Sloeniji je postupak mjerenja pritiska fluida koji struji. Tada treba paziti da prikljuak za mjerenje pritiska bude pravilno izveden da ne bi dolo do lokalnih smetnjih usljed djelovanja kinetike energije fluida na prikljunom mjestu.

Slika 2. Veza izmeu stvarnog (A) i zaustavnog pritiska (B)

Postoje razliite konstrukcije i izvedbe manomatara uraene na razliitim principima mjerenja. Prema principu rada manometri se mogu podijeliti na tri osnovne grupe:

Hidrostatiki, Mehaniki,

5


Elektronski manometri.

4. PRINCIP GRADNJE SENZORA PRITISKA

Senzori pritiska su direktnog ili korapenzacionog tipa (slika 3). Zajedniki element u oba sluaja je primarni osjetilni element koji pretvara pritisak p ili razliku pritiska u silu F. To je elastini element, koji pod delovanjem sile F trpi deformaciju. Kod direktnih senzora sila ili pomak pretvaraju se u narednom bloku u elektrini izlazni signal: milivoltni, pojaani naponski ili strujni 4-20mA. Senzori sa milivoltnim izlazom (tipino 0-30mV) su malih dimenzija, kola za kondicio-niranje signala su van senzora, a mogua je direktna primjena gotovih ureaja namijenjenih za obradu i oitanje signala sa senzora sile i naprezanja. Senzori sa pojaanim naponskim izlaznim signalom imaju ugraen instrumentacioni pojaava koji daje napon 0-5 V kompatibilan sa upravljakim i raunarskim interfejsom. Senzori sa standarnim strujnim izlazom 4-20mA pogodni su za industrijske uslove, jer je takav signal imun na smetnje i omoguava prijenos na daljinu bez degradacije.Kompenzacioni senzori su sloeniji, ali imaju bolju tanost nego direktni. Dio strukture sa negativnom povratnom spregom koja stoji iza elastinog elementa je kompenzacioni senzor sile. Ukoliko sila elastinog elementa prevazilazi vrijednosti sile koje se mogu ostvariti pretvaraem UF u povratnoj sprezi, tada je potreban mehaniki reduktor sile. Reduktor sile je poluga, koja istovremeno slui i kao komparator. Rezultat komparacije redukovane sile F r i sile povratne sprege FfS je pomak poluge i on se detektuje najee induktivnim senzorom pomijeraja. Povratna sprega realizuje se kao elektromehaniki konvertor.

Slika 3. Struktura senzora pritiska (A) direktna i (B kompenzaciona)

Elastini element. Od njegove tanosti zavisi tanost cijelog ureaja. U praksi se najvie primenjuju membrane, cijevi i mjehovi. Membrane su pogodne za mjerenje pritiska od najniih pa do najviih vrijednosti, cijevi se primjenjuju za mjerenje relativnog natpritiska 0-1

6


bar pa do 10000bar, a mjehovi za manje relativne pritiske. Njihovi mnogobrojni oblici, koji se susreu u praksi, nastali su zbog prilagoavanja opsegu i uslovima mjerenja pritiska (slika 4). Elastini elementi prave se od posebnih materijala kao to su berilijeva bronza (legura od bakra, tantala, ritana i specijalnih elika) i konstantan (legura bakra, nikla i mangana).

Slika 4. Tipini deformacioni elementi kod senzora pritiska

Radijalna i tangencionalna deformacija koja se javlja kao rezultat djelovanja pritiska, prikazane su na slici 5:

7


Slika 4. 2. Membrana za senzor pritiska

5. PODJELA SENZORA PRITISKA

Klasini senzori sa Bourdonovom cijevi ili sa membranom su najee u upotrebi, jer odlino rade, ali imaju jednu manu, zbog koje se vie ne ugrauju na vanim mjernim mjestima. Hodovi pretvarakih elemenata kod njih iznose od 1 do 3 milimetara, za razliku od deformacija kod modernih senzorskih mjeraa pritiska koji ne prelaze nekoliko mikrona. Ovi minimalni pomaci omoguuju prednosti:

veliku brzinu odziva (standardno oko 2 ms. ), visoku linearnost, otpornost na preoptereenja i dugotrajnost bezotkaznog rada.

Principi mjerenja pritiska koji se danas primenjuju, uglavnom favorizuju direktno pretvaranje fizike u elektrinu veliinu a ovo, u veini sluajeva, zahtijeva izvor pomone energije za senzor. Pri tom treba voditi rauna o tome kako da se ponite greke mjerenja usled uticaja temperature, gustine, parazitnih elektrinih veliina i drugih uticaja. Uz pretpostavku da svi ti uticaji poniteni, moe se vriti obrada signala sa senzora. Na slici 2, dio oznaen sa 1 je senzor, a dio oznaen sa 2 je dio koji uz malo elektronike proslijedi signal instrumentu- transmiteru. Cjelina 3 na slici 2, predstavlja finalni dio pretvaraa, okrenut korisniku koji omoguava vizuelno oitavanje i/ili zapisivanje pritiska. Transmiter moe da izvri konverziju signala u oblik pogodan za prenos na veu daljinu (npr. 0/4-20mA) i A/D konverziju u digitalne impulse za serijsku komunikaciju

8


Slika 5. Shematski prikaz senzorskih ureajaMogu se podijeliti na dva osnovna naina:

prema mjestu ili sredini u kojoj se koriste i prema principu rada

Prema sredini u kojoj se koriste dijele se na: senzore za industrijska mjerenja i senzore za laboratorijska mjerenja.

Prema principu rada dijele se na: senzore za deformaciju i senzore za pomjeranja koji rade na principima: piezoelektrinog efekta, kompenzacije sile i ostalim principima navedenim i za druga mjerenja.

6. TEHNIKA SENZORA PRITISKA

6.1 Vakuumetri-Pirani i jonizacioni

Vakuumetri su manometri za mjerenje niskih pritisaka, najee manjih od 100 Pa. Najpoznatiji su McLeodeov, Piranijev i ionizacijski vakuumetar. Piranijev vakuumetar (slika 2), se koristi za mjerenje pritisaka u liofilizatorima za liofilizaciju sojeva mikroorganizama, stanica, u proizvodnji lijekova, i takoer u proizvodnji vrijednih sastojaka hrane. Mjerenje niskog pritiska se zasniva na efektu promjene koeficijenta prijenosa toplote sa vrue niti, zavisno od pritiska. Osnovni dijelovi ureaja su staklena cjevica u kojoj se nalazi arna nit. Nit se napaja sa konstantnom strujom i elektrina energija pretvara se u toplotu koja se prenosi kroz hidrodinamiki granini sloj oko niti na plin u okolini. Temperatura niti je odreena koeficijentom prijenosa toplote i koristi se kao mjerni signal pritiska.

9


Slika 6. Shematski prikaz Piranijevog i jonizacijskog manometra

Na povrini niti zavaren je termolanak tako da se elektromotorna sila termolanka umjerava i u zavisnosti od mjerenog pritiska. Ispitna funkcija odreena je bilansom topline za nit:

)()()( 02 TTPShITR =

R(T) je otpor mjerne niti koji je funkcija temperature niti T, I je struja kojom se napaja nit, S je povrina niti, h je ukupni koeficijent prijenosa toplote koji se mijenja sa mjerenim pritiskom p i T0 je temperatura plina u okolini.

Zbog nelinearnosti R(T) i h(P) kalibraciona funkcija je nelinearna i mora se odrediti za svaki plin posebno jer se koeficijent toplote mijenja sa sastavom plinova. Osim temperature moe se kao mjerni signal upotrijebiti i elektrini otpor Piranijeve niti tako da se ispitna cijev spoji u otporniki Wheastoneov most.

Mjerno podruje Piranijevih vakuumetara je od 1 mPa do 0,1 kPa. Za niske pritiske, u podruju od 1 Pa do 10 mPa koriste se jonizacijski vakuumetr. Za mjerenje se koristi trioda u kojoj se nalazi plin iji se pritisak mjeri. Osnova mjerenja je jonizacija plina do koje dolazi prijelazom naelektrisanja izmeu katode i anode. Katoda je uarena i dolazi do termike emisije elektrona koji se ubrzavaju zbog napona mreice i anode. Tokom prelaza dolazi do sudara elektrona i molekula plina i plin se jonizira. Negativno naelektrisanje se prenosi sa katode na anodu, a pozitivno se prenosi u suprotnom smjeru. Ukupna struja u krugu ovisi o stupnju jonizacije i mjerni je signal za pritisak plina u triodi. Efikasnost jonizacije zavisi od vrste plina tako da se mjerni ureaj ispituje zasebno za svaki plin.

6.2. Kapacitivni senzori

Sutina rada ovih senzora je da se metalna membrana upotrebljava kao pokretna elektroda kondenzatora. Ovo su najbolji senzon za male opsege od 100 Pa, ali se mjere i veliki pritisci do 108 Pa. Tanost je 0,25-0,05% . Loe osobine kapaci-tivnih senzora pritiska su: kapacitet i pomijeranje prikljunih kablova utiu na izoblienje izlaznog signala, visoka izlazna impedansa mora se uravnoteiti aktivno i reaktivno, osjetljivost na promjenu temperature, potrebno oklapanje spojnih kablova. Dobre osobine su: linearnost, stabilnost i ponovijivost, visoka frekventna propusnost, jednostavnost izrade, pristupana cijena, mogunost mjerenja statikih i dinamikih promjena, minimalna masa membrane, mala zapremina, te kontinualna rezolucija.

Na slici 7a prikazana je principijelna realizacija kapacitivnog senzora apsolutnog pritiska: sa jedne strane membrane je prikljuak za mjereni pritisak, a sa druge strane je izolovana komora sa referentnim vakuumom. Na slici 7b je senzor diferencijalnog pritiska koji ima po jedan prikljuak na svakoj strani membrane. Kod senzora relativnog pritiska jedan prikljuak je otvoren prema atmosferi. Promjena kapaciteta u zavisnosti od pritiska najee se detektuje pomou mosta koji daje amplitudno modulisani izlazni signal. Vea rezolucija mjerenja dobija se prikljuivanjem kapacitivnog senzora na oscilator RL ili LC, koji daje frekventno modulisan izlazni signal.

10


Slika 7. Kapacitivni senzor pritiska

6.3. Potenciometarski senzor pritiska

Deformacija elastinog elementa moe se detektovati pomou potenciometra (slika 8a). Osnovne prednosti ovih senzora su: visoka vrijednost izlaza (0-100% napona napajanja), za prijenos na daljinu nije potrebno pojaavanje ili impedantno prilagodavanje izlaza, pristupana cijena, jednostavnost ugradnje, te mogunost istosmijernog i naizmjeninog napajanja. Loe osobine su: velike dimenzije, pojava uma zbog habanja, sila za pomijeranje klizaa potenciometra relativno velika zbog trenja i mala frekventna propusnost. Ovi senzori primenjuju se za opsege od 30kPa do 3MPa, pa sve do 100MPa. Tipina tanost je l% (u boljem sluaju do 0,25%), rezolucija 0,2%, histerezis 0,5% i temperaturna greke 0,25%.

11


Slika 8. Potenciometarski senzor pritiska sa Burdenovom cijevi

6.4. Smart transmiteri-pretvarai

Pretvarai pritiska i diferencijalnog pritiska mogu sadrati itavu gamu pretvaraa pritisaka za gasove, paru i tenosti poevi od onih najprostijih sa fiksnim opsegom i klasom tanosti 0,5%, pa sve do SMART davaa sa promjenljivim opsegom, klase tanosti 0,1%, sa kojima moe da se komunicira putem raunara.

Slika 9. SMART pretvarai

Jedna od najbitnijih karakteristika SMART trnsmitera pritiska i diferencijalnog pritiska je modularni dizajn. To znai da svi transmiteri bez obzira da li su za pritisak ili diferencijalni pritisak i bez obzira na eliju koju imaju, keremiku ili polilisilikonsku, imaju potpuno istu elektroniku, displej i kuite (slika 8). Prilikom promjene elije nije potrebna nikakva ponovna kalibracija transmitera, jer podaci o svakom tipu elije se nalaze unutar senzora i elektronika ih odmah prepoznaje.

6.4.1 Postavljanje pretvaraa

Setovanje davaa ne zahtijeva zrak pod pritiskom, isto moe da se uradi koristei 4 tastera koji se nalaze na samom pretvarau, ili putem personalnog raunara. Nula moe da se

12


pomjera izmeu -100% i +95% nominalnog opsega elije, a sam mjerni opseg je podesiv u odnosu 1:20. Elektronika putem raznih protokola omoguava superponiran digitalni signal za prenos podataka i setovanje pretvaraa putem raunara i obezbjeuje dosta podataka o samom pretvarau i mjernom mjestu. Svi SMART ureaji posjeduju matricu podataka u kojoj se osim vrijednosti mjerene veliine nalazi jo niz podataka, na primer: najvia i najnia temperatura medija na eliji, najnii i najvii pritisak, broj najviih pritisaka koji su delovali na membranu, razne servisne informacije itd. Svi pomenuti podaci se uvaju, tako da korisnik ima potpunu informaciju o stanju pretvaraa ime se poveava i pouzdanost samog mjerenja pritiska.

Kuite SMART transmitera pritiska i diferencijalnog pritiska koje titi elektroniku od neumjerenih temperatura, vlage i korozivnih materijala je aluminijumsko i zatieno. U kuitu se nalazi digitalni displej i bargraf. SMART transmiteri imaju certifikate za rad u eksplozivnoj sredini (CENELEC, PTB, FM, CSA RIIS itd. ) i posjeduju elektrini filter koji je, ustvari, zatita od elektromagnetne interference (EMC Electromagnetic compatibility). Pretvara se testira u elektrinom polju jaine 30V/m. Upravo zbog toga razna ukljuivanja i iskljuivanja, radio oprema, elektrostatika pranjenja ne utiu na elektroniku davaa i na taj nain pomenuta zatita obezbjeuje veoma pouzdano mjerenje.

Slika 10. Postavljanje pretvaraa

6.5. Elektromagnetni senzori pritiska

Rad ovih senzora se zahtijeva na Faradejevom zakonu elektromagnetne indukcije koji kae da e se indukovati napon u provodniku ako se provodnik kree u magnetnom polju.U naem sluaju provodnik je tenost a magnetno polje stvara zavojnica koja se nalazi izvan protone cijevi. Indukovani napon je proporcionalan brzini protoka. Elektrode smjetene u zid cijevi detektuju indukovani napon koji se mjeri uz pomo sekundarnog elementa.

13


Slika 11. Elektromagnetni senzori pritiska: a) prosto induktivni, b) diferencionalni, c) LVDT senzori pritiska

Slika 12. Elektromagnetni senzori pritiska u industriji

6.6 Poluprovodniki senzori pritiska

Minijaturni silicijumski piezootporni senzori pritiska dobijeni primenom planarne tehnologije i mikromainstva,osetljivi elemenat koji mehaniko naprezanje silicijumske dijafragme pretvara u elektrini signal,serija NP i NPT za merenje niskih pritisaka, ispod 0.5 bara,serija SP i SPT za merenje srednjih pritisaka od 1 do 25 bara,serija VP merenje visokih

14


pritisaka od 50 do 1000 bara,SP-7 ipovi senzora pritiska za kontrolu toka infuzije,MSP-32 matrini senzor pritiska za istovremeno merenje pritiska u 32 take.

Karakteristike serije SPT i NPT imaju ugraen senzor temperature i mikroprocesorsku korekciju

greke senzora, opseg radnih temperatura -50 oC do 120 oC, visoka osetljivost i otpornost na natpritiske.

Primjena u industrijskim transmiterima pritiska, serija SP-7 optimizovana za upotrebu u medicinskoj instrumentaciji, MSP 32 za primenu u aerotunelima, mogue je do 10 000 mjerenja u sekundi

Slika 13. Poluprovodniki senzori pritiska,izgled i shema spoja

7. PRIMJENA SENZORA PRITISKA U ROBOTICI

Roboti se definiu kao raunarski upravljani sistemi koji:

Izvodi odreene radne operacije, Moe da se kree u radnom prostoru radi izvenja odreenog zadataka

Industriski manipulacioni robot se definie kao raunarski upravljan, reprogramibilan, vienamjenski manipulator koji je projektovan tako da zamjenjuje ovjeka u obavljanju

15


odreenih poslova.Indutriski robot vri pomijeranje,materijala,komada,gotovih proizvoda,kao i transport po proizvodnom pogonu,pakovanje, doziranje i sl.U zavisnosti od razliite vrste kombinacije zglobova razlikuju se :

Pravougli koji ima tri ose translacije TTT Cilindrini koji ima jednu osu rotacije i dvije ose translacije RTT Sferni koji ima dvije ose rotacije i jednu osu translacije RRT Zglobni koji ima tri ose rotacije RRR

Zavni mehanizam manipulatora je ureaj koji vri neposredno obavljanje zadtaka i zavisnosti od vrste obavljanja zadtaka razliku se nekoliko izvedbi ake ili hvataljke definisane razliitim stepenom slobode kretanja.

Najvie se primjenjuju u: elektronskoj, metalskoj, metalopreraivakoj, prehrambenoj, automobilskoj industriji,rudarstvu u vasionskim i podmorskim istraivanjima i mnogim granam industrije kao i u medicini.

Slika 14. Osnovne izvedbe robota

16


Slika 15. Osnovne izvedbe robotske ake

Najveu primjenu senzori pritiska su nali ugradbom na robotksu aku kao detektori pritisne sile na osjetljive predmete i razliite komponente.Pa u zavisnosti od namjene robotskog manipulatora mozemo primjenjivati i razliite vrste senzora

7.1. Pijezoelektrini senzori pritiska

Kod jednostavnijih pijezoelektnnih senzora pntiska sila preko deformacionog elementa deluje na pijezoelektik, na kome se javlja elektrini naboj (slika 16a). Pomou pojaavaa naboja dobija se izlazni signal, proporcionalan mjerenom pritisku. Sloenije konstrukcije imaju pijezoelektik u formi mehanikog oscilatora, ija se rezonantna frekvencija mijenja u skladu sa mjerenom silom, odnosno pritiskom. Jedan od moguih oblika rezonatora prikazan je na slici 16b. Bitan zahtjev je da oscilirajua gredica bude napravljena od jedinstvenog komada pijezoelektrika i da izolirajuom masom bude odvojena od kuita. Pobuivanje gredice na oscilovanje s rezonantnom frekvencijom ostvaruje se pomou posebnog oscilatora. Odziv gredice na ovu pobudu prikazan je na slici 16c. Istezanjem gredice poveava se rezonantna frekvencija, a sabijanjem se smanjuje. Loe osobine pijezoelektrinih senzora pritiska su: visoka temperaturna osetljivost, uticaj duine kablova na izlaz, osetljivost na poprene oscilacije, visoka izlazna impedansa i nemogunost statikih mjerenja.

Dobre osobine su: male dimenzije, kompaktnost i visokofrekventna propusnost sa zanemarljivim faznim pomakom.

17


Slika 16. Pijezoelektrini senzor pritiska

7.2. Optoelektronski senzor pritiska

Deformacijom elastinog elementa modulie se intenzitet svjetla koji pada na fotoprijemnik, najee je IRLED dioda izvor svjetlosti a PIN dioda prijemnik svjetlosti. Osnovne prednosti ovih senzora su jednostavnost, visok izlaz, te mogunost statikih i dinamikih mjerenja. Nedostaci su ogranien temperaturni opseg, nestabilne statike karateristike, mala frekfentna propusnost.

Slika 17. Fibrooptiki senzor pritiska

18


Optoelektronski senzori pntiska zbog elegantne mikromehanike i jednostavnih elektronskih kola za prikljuivanje sa mikroprocesorom imaju veliku perspektivu. Kombinacijom ovih osobina sa prednostima koje imaju optika vlakna dobijaju se atraktivni minijaturni senzori sa izvanrednim osobinama. Odlian senzor napravljen je sa multimodnim optikim vlaknom za mjerenje slabljenja fluorescencije u staklu dopiranom neodijumom (slika 17b). Dovodnim optikim vlaknom pobuuje se fluorescencija ija se amplituda menja pomijeranjem specijalno profilisane silicijumske membrane na koju je naslonjeno specijalno dovodno optiko vlakno.

7.3. Senzori sa strunom

Senzori sa strunom imaju zategnutu volframovu icu koja je jednim krajem privrena za deformacioni element, a drugim krajem za kuite. Senzor se pravi tako da porast pritiska dovodi do smanjenja zategnutosti ice, odnosno do smanjenja rezonantne frekvencije oscilovanja ice, kao to se vidi slici 18a prikazana je konstrukcija sa elektromagnetom za pobuivanje oscilacija i elektrodinamikim indukcionim senzorom za detekciju oscilacija. Kao rezonatni element ponekad se koristi uplji tankostijeni cilindar ili oscilirajua membrana.Loe osobine struna-senzora su nestabilnost i osetljivost na mehanike udare, vibraciju i temperaturu, te relativno velika nelinearnost i histerezis. Visokofrekventno modulisani izlaz senzora moe se prenositi na velike udaljenosti bez gubitaka, pa se zato moe upotrebiti prijemni instrument sa velikom tanou.

Slika 18. Senzori pritiska sa strunom

7.4 Tenziometriski senzori pritiska

Tenzoelement (tenzometar, tenzootpornik, rastezna traka, mjerna traka, strain gage) je pasivni otporniki senzor mehanike deformacije. Njegov rad se zasniva na injenici da se otpor elektrinog provodnika mijenja kada je taj provodnik izloen elastinoj deformaciji. Efekat je otkrio Tomson (Lord Kelvin) 1856, a u praktine svrhe prvi su ga primijenili Ruge i Simens. Tenzoelement je prvenstveno namijenjen mjerenju povrinskih deformacija, kao i posrednom mjerenju drugih veliina koje mogu izazvati deformaciju. Tako se tenzoelementi primenjuju u gradnji senzora: pritiska, sile, momenta, ubrzanja, vibracije, nivoa i dr.

Prema nainu izrade razlikujemo etiri tipa:

19


1. Slobodna ili nezalijepljena ica koja je upeta na krajevima na odgovarajuem skeletu, za izradu se uzima ica konstantne debljine 0,025-0,02 mm i duine 2-4 cm.Pomijeranjem skeleta dolazi do istezanja ili sabijanja ice, to se moe detektovati odgovarajuim vistonovim mostom.

2. Metalni ili poluprovodniki materijal u obliku folije, koja je itavom duinom zalepljena na deformacionu povrinu (bonded wire/foil). Ovaj tip tenzoelementa najvie je zastupljen u tehnici senzora (slika 19b).

3. Tankoslojni metalni otpornik (thin film) trajno deponovan na deformacionoj povrini.

4. Poluprovodniki otpornik unesen difuzionim postupkom u deformacioni element od silicijuma. Takav tenzoelement naziva se pijezorezistivni senzor.

Slika 19. Oblici tenziometriskih traka

Princip rada trake zasniva se na otpronoj zici koja je rasporeena po traci odgovarajue duzine i sirine.Djelovanjem optereenja na traku u ovom sluaj hvatanje robota za odgovarajui predmet, mijenja se otpor trake.Zavisno od otprora koji se ostvari na traci moze se odrediti sila kojom hvataljke robota djeluju na traku odnosno pritisak koji se ostvaruje djelovanjem hvataljke na dati predmet.

20


7.5. Kontaktni senzori pritiska

Kontaktni senzori rade na principu osjeaja dodira, odnosno mjerenja parametara kontakta izmeu senzora i objekta.Kontaktni senzori na mobilnim robotima se najee postavljaju u prsten oko mobilnog robota, tako da mogu osjetiti dodir robota sa okolnim objektima sasvih strana. Kao kontaktni senzori najvie se koriste mikroprekidai koji na svom izlazu generiraju binarnu vrijednost: prekida je otvoren ili zatvoren. Osim u mobilnoj robotici, kontaktni senzori se koriste i kod robotskih manipulatora (smjetaju se na vrh manipulatora).Prikaz i izvedba kontaktnog senzora

Slika 20. Kontaktni senzori

Sofisticiraniji pristupi osjeta dodira koriste senzore koji generiraju signal irokog dijapazona vrijednosti u odnosu na primijenjenu silu.Za ovu svrhu se najee koriste potenciometri ili neki drugi senzori koji rade na principu promjene otpornosti ili kapacitivnosti uslijed djelovanja pritiska. Kako e kontaktni senzori rukovati podacima ovisi o arhitekturi pojedinanog mobilnog robota. Kod nekih mobilnih robota (na primjer, Nomad 200) kontaktni senzori daju informaciju o poziciji (i teini) kontakta, dok kod drugih robota se oni koriste za trigerovanje odreenih elektrikih krugova kojima se zaustavlja kretanje robota(primjer: Cybermotion Navmaster).

7.6. Elastomer senzori

Elastomer je pjenasti jastuk s otporom koji varira ovisno o tome koliko je stisnut. Niz elektroda je spojen na vrhu jastuia i identian niz je spojen na dnu jastuia.Svaka elektroda u gornjem polju prima negativan napona, i njegov drug u dnu polja dobiva pozitivni napon. Kada se pritisak pojavljuje u nekom trenutku na jastuk, materijal obloge u tom trenutku, smanjenje otpor izmeu pojedinih parova elektroda. To uzrokuje trenutni porast napona u odreene regiji u jastuka. Lokacija pritiska moe se odrediti na kojoj se elektrodi lokalizuje poveanje struje. Na osnovu poveanja struje moze se odrediti i veliina pritiska koji se pojavio.

21


Slika 21. Elastomer senzor,konstrukcija

7.7. Vjetaka koa

Istraivai na Tokijskom univerzitetu proizveli su savitljiv materijal osjetljiv na pritisak, koji bi jednoga dana mogao da se primjeni kao neka vrsta vjetake koe.

Na gumenu osnovu debljine pola milimetra naunici su nanijeli sloj grafitnog praha, koji pod pritiskom mijenja elektrini otpor. Bakarne elektrode povezuju taj sloj sa organskim FET tranzistorima, ija propusnost zavisi od elektrinog polja. Za sada, gustina tranzistora je 16 na kvadratni cantimetar, a svaki od njih alje poseban signal u zavisnosti od pritiska. Naunici kau da je ova vjetaka koa registrovala dodir ak kada je bila omotana oko cilindra prenika svega 4 milimetra.

Medjutim, bie potrebno jo mnogo truda da se ovaj pronalazak usavri i nadje praktinu primjenu. Jedan od najveih problema je to to su organski tranzistori vrlo nestabilni jer vremenom mijenjaju karakteristike. Sreom, ovi tranzistori su jeftini za proizvodnju pa sa njima moe da se eksperimentie na veliko.

22


9. PRIMJENA I NAIN UGRADNJE U ROBOTICI

9.1. Pneumatski mii kao aktuator

Pneumatski mii, koji je nastao kao rezultat interdisciplinarnog istraivanja u podruju robotskih manipulatora i biolokih sustava, predstavlja zanimljiv izbor tipa aktuatora koji se moe koristiti u primjenama za regulaciju poloaja i/ili sile

manipulatora.

Slika 22. Robotska aka sa pneuamtskim aktuatorom

Umjetni pneumatski miii (engl. Pneumatic Artificial Muscles) nalaze primjenu u raznim podrujima industrijske automatizacije, robotike i fizioterapije. Njihova najranija primjena bila je kod izrade ortopedskih pomagala u medicini, gdje su zbog svojih znaajki kao to su mala masa i dimenzije, povoljan odnos mase i sile koju proizvode, mekana karakte-ristika sile, lako odravanje, dugi vijek trajanja i dr. bili vrlo prihvatljivi izbor aktuatora. U podruju robotike, primjena pneumatskih miia rezultira elastinou prilikom gibanja robota jer manja krutost sistema uslijed stiljivosti zraka omoguuje im djelovanje poput opruge. Upravo na ovakvim dijelovima se primijenjuju senzori pritiska,prvenstveno kod ortopedskih proteza kao i kod manipulatora.

Slika 23. Princip rada senzora pritiska i pneumatskog aktuatora

23


Slika 23 Manipulator s pneumatskim miiima kao aktuatorima: Shematski dijagram reguliranog sistema:1. Pneumatski mii,2. Rotacijski potenciometar,3. Referenca napona,4. Senzor pritiska,5. Proporcionalni ventil,6. Pripremna grupa,7. Ventil za otvaranje/zatvaranje dovoda zraka, 8. Elektroniko suelje,9. Upravljaki raunar

Senzori se montiraju na vrhe prstiju ake manipulatora koji na osnovu jaine stiska odnosno pritiska na odreeni predmet utiu povratnom informacijom na sistem koji upravlja koliinom pritiska u pneumatskom aktuatoru i na taj nain upravlja eljenom koliinom stiska.Senzroi koji se mogu primijeniti su taktilni,elastomer ili tenziometriski senzori pritiska.

9.2. Analiza hvatanja kod IML robota

Sistem za napuhavanja plastinih boca sa ugraenim etiketama u samoj boci.In Mould Labeling (IML) tehnologija omoguava etiketiranje plastine ambalae tokom samog procesa brizganja, tj etiketa se postavlja u sam kalup za brizganje. Koriste se unaprijed pripremljene i odtampane plastine etikete koje se prilikom brizganja plastine ambalae stapaju u proizvod inei jednu cjelinu. Prednosti ove tehnologije su kvalitetnija etiketa od papirne (koja se lijepi), kvalitetniji otisak na samoj etiketi (otrije slike i slova) i etiketa je otpornija na spoljanje uticaje (vodu, mehanika oteenja). Kod IML tehnologije etikete se postavljaju u kalup prije samog procesa brizganja plastine ambalae

Slika 24. IML robot

24


Takoe i u ovoj tehnologiji senzori pritiska su pronasli veliku primjenu nain upotrebe i ugradnja su objanjeni u sledeem tekstu. Kod primjena manipulatora za zadatke kod kojih krajnje take zaustavljanja nisu fiksna nailazimo na problem prepoznavanja krajnjih poloaja na kojima hvataljka treba da se zaustavi. Kod zadatka uzimanja i postavljanja etiketa u kalup za brizganje javlja se upravo ovaj problem, jer se pranjenjem arera za etikete i pozicija zaustavljanja hvataljke za uzimanja etiketa mijenja. Jedan od naina za prepoznavanje granine take je koritenje senzora pritiska kojom se obrauje promjena pritiska u klipnoj komori cilindra koji nosi hvataljku (ili vakuum sisaljku). Posmatra se klipna komora jer se klipnjaa cilindra izvlai u dijelu kada se hvataljka pribliava etiketi. Prilikom nailaenja na prepreku (arer sa etiketama) logian slijed je nagli porast pritiska u klipnoj komori cilindra koji se senzorom pritiska moe prepoznati.

Za prepoznavanje promjene pritiska moe se koristiti analogni ili digitalni senzor pritiska. Analogni senzor pritiska je u stanju da kontinualno prati promjenu pritiska u klipnoj komori, ali je potrebna dodatna obrada signala dobijenog sa analognog senzora, kako bi se locirao trenutak naglog skoka u promjeni pritiska koju izaziva nailaenje na prepreku (krajni poloaj hvataljke) i primijenilo adekvatno upravljanje. Obrada analognog senzora je softverski zahtijevan proces za PLC, to unosi dodatno kanjenje u sistem. Digitalni senzor pritiska se moe podesiti na unaprijed podeen prag na kome e reagovati i dati digitalni signal PLC-u koji tada ima informaciju da je hvataljka dola do krajnje take.

10. BUDUNOST RAZVOJA SENZORA PRITISKA

Istraivai na Tokijskom univerzitetu proizveli su savitljiv materijal osjetljiv na pritisak, koji bi jednoga dana mogao da se primjeni kao neka vrsta vjetake koe. Na gumenu osnovu debljine pola milimetra naunici su nanijeli sloj grafitnog praha, koji pod pritiskom mijenja elektrini otpor. Bakarne elektrode povezuju taj sloj sa organskim FET tranzistorima, ija propusnost zavisi od elektrinog polja. Za sada, gustina tranzistora je 16 na kvadratni centimetar, a svaki od njih alje poseban signal u zavisnosti od pritiska. Naunici kau da je ova vjetaka koa registrovala dodir ak kada je bila omotana oko cilindra prenika svega 4 milimetra. Medjutim, bie potrebno jo mnogo truda da se ovaj pronalazak usavri i nadje praktinu primenu. Jedan od najveih problema je to to su organski tranzistori vrlo nestabilni jer vremenom mijenjaju karakteristike. Sreom, ovi tranzistori su jeftini za proizvodnju pa sa njima moe da se eksperimentie na veliko. Iako je najlake zamisliti robote sa vjetakom koom kako paljivo vade jaja iz hladnjaka i pripremaju vlasnicima kajganu za doruak, realnije je da emo tu kou vidjeti, na primjer, na medicinskim uredjajima osjetljivim na dodir, ugradjene u kune prostirke osjetljive na pritisak, ili sjedita koja vas upozoravaju da ste pretjerali sa rotiljem. Standardni vremenski horizont za pojavu ovakvih pronalazaka u praktinoj primjeni je pet godina.

25


11. ZAKLJUAK

Dakle, signali u elektrotehnici imaju iznimno veliki znaaj ma bilo koje oni prirode bili (elektrine ili mehanike). Rad jednog elektrinog ili mehatronikog sistema nije mogue zamisliti bez vrenja detekcije, mjerenja, analize, upravljanja, regulisanja i izdavanja signala. Signal moe da ima raznovrsni oblik, poevi od temperature, brzine i sile pa sve do svjetlosnog signala koji se u sistemu (senzoru) uvijek pretvara u elektrini signal (digitalni ili analogni), obrauje, analizira i zatim pretvara u koristan rad ili ne, zavisno od sistema. U elektrinim sistemima razlikujemo dakle ulazne signale koji predstavljaju zahtjev ta bi trebalo da se uradi, odnosno ta u kakvom obliku i na koji nain da se proizvede. Izlazni signal je koristan rad odnosno proizvod koji je efekat energije. Najvei dio energije troi se na izlazu. Kontrola je trei sutinski element sistema gdje se vri detektovanje, odluivanje i aktuacija signala. Signali koji se takoe esto koriste u sistemima kao meuvrijednosti su induktivitet, kapacitivnost kondenzatora, fluks magnetnog polja, deformacija isl. Spektar signal je toliko irok i obiman da je skoro nemogue nabrojati sve signale i kombinacije signala (neelektrinih i elektrinih veliina) koje se koriste u senzorima, odnosno elektrinim i mehanikim sistemima za postizanje eljenih rezultata.

Proizvoai za potrebe strunjaka imaju vrlo aroliku ponudu opreme i senzora te se prilikom uputanja u odabir iste treba imati ispravnu spoznaju o vrijednostima koje se imaju dobiti mjerenjima te analogno tome i izabrati mjernu opremu. Krive prosudbe mogu znaiti uzalud utroena sredstva.

26


12. LITERATURA

1. http://www.cyberbulevar.com/magazin/zanimljivosti/i-roboti-ce-imati-osjetljivu- kozu/20050817/2. http://www.kelm.ftn.uns.ac.rs/literatura/si/pdf/SenzoriPritiska.pdf3. Mjerna tehnika - prof.dr. Nermina Zaimovi-Uzunovi, Zenica 20064. Dr. Mladen Popovi upotreba senzora u robotici

27

Documents

136880356-Senzori-pritiska