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www.dca.ufrn/~lmarcos/courses/visao
Sensores
Luiz M. G. Gonçalves
Ação
SistemaAtuador
Robô
Visão Computacional
Eletrônica Básica
Eletrônica Básica
Resistor
Resistores Variáveis: Potenciômetro; LDR; Strain-Gage.
R
Riv R
vi
+ -
v
i
1/R = G
Eletrônica Básica
Indutor
Capacitor
dt
diLv
dt
dvCi
vi
L
+ -
+ -
C
vi
Eletrônica Básica
Associações
Resistores
Indutores
Capacitores
Série Paralelo
Z1 Z2
Z2
Z1
21 RRRT 21
111
RRRT
21 LLLT 21
111
LLLT
21
111
CCCT
21 CCCT
Eletrônica Básica
Diodo: permite a corrente circular numa única direção
D
vi
+ -
v
i
v
i
Eletrônica Básica
Transistor
Amplificador Operacional
ib
ic
ie
+
-vce
ic
ie
ib+
-vce
+
- iovcci1
i2
Eletrônica Básica
Amplificador Inversor
R2
vcc
+
-R1
vivo
io vR
Rv
1
2
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
4321 iiii
Eletrônica Básica
Leis de Kirchhoff A soma das tensões ao longo de
qualquer percurso fechado é zero.
0
0
0
0
0
2
2
21
1
2
1
21
2
1
vvv
vvv
vvvv
vvvv
vv
RC
DCR
DRR
DR
R+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
v1
v2
R1 D
R2C
+-
Caracterização dos Sensores
Classificação dos Sensores
Passivos x Ativos
Ex.:Chaves (passivo);Resistores Variáveis (ativo);Célula Fotoelétrica (ativo);Cristal Piezoelétrico (ativo).
Sensorentrada saída
Energia Auxiliar
Classificação dos Sensores
Analógicos x Digitais Ex.:
Chaves (analógico);Potenciômetro (analógico);Encoder (digital).
Absolutos x Incrementais Ex.:
Potenciômetro (absoluto);Encoder (incremental);
Especificação do Desempenho
Exatidão x Precisão
biasv rv
Características Estáticas
Linearidade mudança reflete linear
Sensibilidade percebe mudança
Range quanto consegue medir
Histerese oscilação ou não
x
y
V(v)
)(rad
radvs 5,0
max
Características Estáticas
Resolução unidade mínima
Limiar ponto de partida
V(v)
)(rad2 4 6 8
123
Res=2 rad
V(v)
)(rad10
Características Dinâmicas
Dinâmica variações de temperatura em condições normais
t(s)
T(graus)
Sensor
Temperatura Real
63,2%
f(hz)
1
|)(|
|)(|
X
Y
/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 posição orientação velocidade aceleração proximidade
Dinâmicos conjugado força tato
Outros presença som luz temperatura tensão e corrente
Imagens ccd - analógico ccd - digital range images
Posição linearPosição angularDe 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.
Sensores de posição
Posição com interruptor de lâminasPosição com interruptor de lâminas
Usando um interruptor acionado por imã.
Imã
Posição com sensores ópticosPosição com sensores ópticosPor 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.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 / dVariação 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 / lMede-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 luzEncoders 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
Entendendo melhor
0 01 1 0 0 00 1 1 1 1
0 01 1 0 0 00 1 1 1 1
Rotação clockwise
Rotação counter-clockwise
0
0
Entendendo melhor
0 01 1 0 0 00 1 1 1 1
0 01 1 0 0 00 1 1 1 1
Posição atual
0
0
-1 +1
Entendendo melhor
01111
10110
10101
11000
11100100
n
n
n
n0 = sem mudança-1 = decrementa contador+1 = incrementa contadorn = operação ilegal01 = 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:
robusto; analógico;
Desvantagens: manutenção cara; pesado; produz muito ruído.
Forma analógica
Velocidade: Interruptor de LâminasVelocidade: 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 velocidadeSensores 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 luzVelocidade 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 luzVelocidade 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.
M
yKa
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=KTK é uma constante para cada par de
metais, que é utilizável até seu limite térmico.
Temperatura e tensão
Metal T. Máx Const. K
Cobre-constantán375ºC 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 LuzSensores 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: LDRLuz: 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-diodoFoto-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 diodoFoto 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.
Aplicações do foto-diodoAplicações do foto-diodo
Foto-transistorFoto-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)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 VazãoSensores 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 pressãoVazão 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 térmicoVazão 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 térmicoVazão 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
digitaisQue 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).