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Fondamenti sui Sensori applicati nella Robotica · PDF fileSensori termo-resistivi (Temperatura) (Metalli) • In un range di temperatura relativamente ristretto •dove α= coefficiente

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    FondamentiFondamentisui Sensori applicati nella sui Sensori applicati nella

    RoboticaRobotica(Seconda Parte)(Seconda Parte)

    Ph.DPh.D Ing.Ing. Folgheraiter MicheleFolgheraiter Michele

    Corso di Robotica Corso di Robotica Prof.ssaProf.ssa Gini GiuseppinaGini Giuseppina

    2006/20072006/2007

    32

    Sensori termo-resistivi (Temperatura)

    (Metalli)

    In un range di temperatura relativamente ristretto

    dove = coefficiente di temperatura resistivo (TCR) 0=resistivit alla temperatura di riferimento T0

    (es. 0C o 25C) Per intervalli di temperatura pi complessi si

    ricorre a polinomi, esempio per il tungsteno

    = 4.45 + 0.0269 T + 1.914 10-6 T2

    (con T in C)

    )](1[ 00 TT +=

  • 2

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    )1079.360036.1( 40 TRR+=

    Metalli PTC ( )

    Il coefficiente (TCR) deve essere basso per resistori utilizzati in circuiti elettronici

    Al contrario, deve essere il pi alto possibile per realizzare sensori di temperatura (termistore)

    Esempio: Platino (sensore Pt100) opera in un range tra -200C e 600C (PTC)

    RT

    34

    Molti semiconduttori e ossidi possiedono una caratteristica resistenza-temperatura non lineare, NTC ( ) .

    = 0T1

    T1

    0T eRR

    la temperatura caratteristica del materiale in Kelvin(3000-5000 K). [0K=-273,15C]OSS: Quando sono richieste accuratezze spinte si ricorre ad approssimazioni polinomiali.

    Sensori termo-resistivi a Semiconduttore

    RT

  • 3

    35

    Sensori piezoelettrici (Curie1880)(Forza)

    Fenomeno presente in cristalli naturali (quarzo) Consiste nella generazione di carica elettrica da parte di

    un materiale cristallino sottoposto ad una sollecitazione meccanica

    E un effetto reversibile:

    energia meccanica energia elettrica

    applicataForzaFBeAmorsettiaimefe

    kFe

    u

    u

    ==

    =

    ...

    36

    Sensori piezoresistivi (Strain-gauge)(Forza)

    Sforzo:

    E = modulo di Young del materiale [N/m2] F = forza applicata [N] a = sezione interessata [m2] S= gauge Factor

    E leffetto di variazione della resistivit di un opportuno materiale quando soggetto ad una deformazione dovuta ad uno sforzo ad esso applicato (ridotto nei materiali metallici, piconsistente nei semiconduttori).

    RRSEaF

    =0

    00 LLS

    RR =

    Materiale PiezoResistivo

    0LLE

    aF ==

    Materiale di Supporto

  • 4

    37

    Il resistore saldato su un substrato portante elastico, che viene fissato sull oggetto che si deforma

    Il resistore quindi isolato elettricamente dall oggetto

    Il coefficiente di espansione termica del substrato deve essere coincidente con quello del materiale di cui fatto il resistore

    Per avere una buona sensibilit il sensore deve avere lunghi segmenti longitudinali e corti segmenti trasversali, cos la sensibilit trasversale molto minore rispetto a quella longitudinale

    38

    La pista di materiale piezoresistivo pu essere considerata come un cilindrico che subisce una elongazione (il volume V rimane costante), esso possiede una resistenza pari a:

    alR =

    da cui si ricava la sensibilit:

    adldR

    =

    che tanto migliore quanto pi stretto il cilindro e quanto maggiore la resistivit del materiale.

    S = Sensibilit (gauge factor)

    [2-6 per metalli, 40-200 per semiconduttori]

    alV =

    dldRS =

  • 5

    39

    Esempio di sensore di Forza/Momento per Manipolatore

    E montato tra la fine del braccio e il polso.

    Vi sono solitamente 8 strain gauge disposti sulle 4 lamine deformabili.

    40

    z

    y

    x

    z

    y

    x

    z

    y

    x

    z

    z

    y

    y

    x

    MMMRRR

    M

    wwwwwwww

    =

    4

    4

    3

    3

    2

    2

    1

    1

    A noi interessa passare dalle 8 misurazioni, effettuate con i sensori di forza, ai 3 momenti e le 3 forze secondo i tre assi cartesiani. Quindi necessario determinare la matrice RF .

    Attraverso una fase di calibrazione si forniscono delle forze e dei momenti noti, si misurano i valori delle resistenze dei sensori, quindi si calcolano i parametri della matrice M (che devono soddisfare la seguente equazione).

    1= MRF

  • 6

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    Sensori ad Effetto Hall (Prossimit)(E.Hall 1879)

    In un materiale conduttore sottoposto ad un campo magnetico Bz normale al flusso di una corrente elettrica di intensit Ix, si manifesta una d.d.p. Vy in direzione perpendicolare alle direzioni sia di Bz sia di Ix.

    Il fenomeno dovuto al fatto che le cariche elettriche (forza di Lorentz), in movimento per la presenza della corrente, si accumulano su di una faccia del materiale per effetto del campo magnetico, finch non si determina un campo elettrico agente sugli elettroni tale da opporsi e compensare la forza dovuta al campo magnetico.

    Sensori Hall sono usati per rilevare campi magnetici, posizione e spostamento di oggetti

    x

    y

    z

    42

    La tensione di Hall pu essere prelevata con opportuni elettrodi. E bassa nei conduttori e negli isolanti, alta nei semiconduttori)

    Non sono molto lineari rispetto allintensit del campo B e quindi richiedono una calibrazione per misure di precisione

    ES: un dispositivo commerciale (arseniuro di indio) con una corrente di controllo di 0.1A, presenta una tensione di Hall pari a 0.15V per un campo di induzione magnetica pari a 1Wb/m2.

    Nb: q

  • 7

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    Sensori ad effetto fotoconduttivo

    (Sensori passivi) (Intensit Luminosa)

    Variazione di resistivit in materiali investiti da radiazioni di varie lunghezza donda.

    Si utilizzano materiali semiconduttori.

    La radiazione incidente consente il passaggio di elettroni da uno stato di legame ad uno libero, questi non hanno energia sufficiente per uscire dal materiale (fotoemissione), ma contribuiscono alla conduzione facendo diminuire la resistivit.

    E necessario collegare il sensore ad un generatore di tensione per ottenere un flusso di corrente elettrica misurabile e dipendente dallintensit della radiazione incidente.

    44

    Sensori ad Effetto Fotovoltaico(Sensori attivi)

    (Intensit Luminosa)

    Permette la conversione di energia elettromagnetica in energia elettrica (celle solari).

    Si presenta nelle giunzioni p-n dei semiconduttori, sottoposte a radiazioni danno luogo alla comparsa di una f.e.m.

    Illuminando la giunzione si producono coppie elettroni-lacune(combinazioni tipiche sono selenio-ferro e rame-ossidoDiRame)

    Fototransitor sono elementi fotovoltaici usati come interruttori nei quali piccole quantit di luce sono in grado di produrre la commutazione del circuito dalla condizione di minima corrente a quella di corrente elevata

    p n

  • 8

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    Sensori ad ultrasuoni (velocit di un fluido)(Effetto Doppler, 1842)

    Consiste nella variazione di frequenza delle onde acustiche, ottiche , radio dovuta al moto relativo tra sorgente dellonda riflessa e ricevitore.

    vkff 21 =

    f1 = Frequenza dellonda incidentef2 = Frequenza dellonda riflessav = Velocit media del fluido

    KHzf 200=

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    Encoder OtticiPermettono di misurare la posizione del giunto:

    Encoder Assoluto

    In questo caso la posizione determinata in modo assoluto, sono formati da un disco di materiale trasparente su cui sono applicate delle zone oscurate .

    Encoder commerciali hanno 12 tracce, le quali consentono una risoluzione pari a :

    =

    08,0

    2360

    12

  • 9

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    Encoder Incrementale

    In questo caso la posizione determinata in modo relativo; sul disco sono presenti due tracce in cui i settori (trasparenti/opachi) sono in quadratura tra di loro. Molte volte presente una terza traccia con un unico settore oscurato che permette di definire il riferimento iniziale.

    Rispetto gli encoder assoluti, dove la posizione codificata direttamente sul disco, questo tipo di encoder necessita di un circuito elettronico in grado di ricostruire la posizione dal tipo di impulsi generati durante la rotazione.

    Sono pi economici rispetto agli encoder assoluti perch di pi facile realizzazione, quindi sono i piutilizzati.

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    Sistemi Per Rilevarela DISTANZA

  • 10

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    Metodo di Triangolazione

    Il movimento di scansione avviene sul piano definito dalla linea che va dall'oggetto al rivelatore e dalla linea che va dal rivelatore alla sorgente.

    Si orienta lemettitore fintantoch il rilevatore misura la massima intensitdi luce riflessa.

    Conoscendo la posizione del rilevatore possibile ricostruire le coordinate 3D delloggetto.

    tgsd =

    )()90cos()cos()90(

    senxxsxsenxd====

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    Telemetro a sfasamento (distanza)

    Si separa la luce emessa in due parti: una viene fatta rimbalzare sulloggetto, l'altra su degli specchi posti ad una distanza nota.

    Si hanno cos due cammini ottici che provocano uno sfasamento tra i due segnali.

    Calcolando la differenza delle due ondeho un segnale con ampiezza risultante dipendente dallo sfasamento (ampiezza minima se le onde sono in fase e ampiezza massima se sono in contro-fase).

    Dmax< /2

    E/R

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    La lunghezza d'onda della luce laser luce utilizzata per questi sensori dell'ordine dei micrometri (per esempio 632.8 nm per un laser a elio-neon) ma in robotica si misurano distanze degli ordini del metro, quindi occorre una dell'ordine di qualche metro.

    Si riesce a superare il problema modulando il laser con una portante a frequenza pi bassa: f = 10 MHz (lunghezza d'onda di 30 m ).

    sKmc

    mfc