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Percepo

Sensores

Ao

Robtica

Caracterizao dos Sensores

Classificao dos Sensores

Passivos x Ativos

Ex.:

Sensorentrada sada

Ex.: Clula Fotoeltrica (ativo);

Cristal Piezoeltrico (ativo);

Chaves (passivo);

Energia Auxiliar

Ativos: Produzem um sinal eltrico de sada sem a necessidade de alimentao externa.

Passivos: Estes requerem entrada de energia para poder-se obter um sinal de sada.

Classificao dos Sensores

Analgicos x Digitais Ex.:

Chaves;

Potencimetro; Potencimetro;

Encoder.

Absolutos x Incrementais Ex.:

Potencimetro;

Servomotor como sensor;

Encoder.

Especificao do Desempenho

Exatido x Preciso Bias: Qualquer parmetro do qual o valor fixado a

um nvel predeterminado

para estabelecer um limiar

ou ponto operacional.

biasv rv

ou ponto operacional.

Embora comum pensar em nveis de correntes e nveis de tenso, outros parmetros podem servir, como por exemplo, capacitncia, resistncia, luminncia, intensidade magntica, etc...

Caractersticas Estticas

Linearidade

Sensibilidade

RangeIntervalo de valores da grandeza em que

V(v)

)(rad

radvs 5,0=

maxIntervalo de valores da grandeza em quepode ser usado o sensor.

HistereseCapacidade de um instrumento operarincrementando-se ou decrementando-se na escala.

x

y

)(radmax

Caractersticas Estticas

Resoluo

Incremento de sinal

que sensvel.

V(v)

1

23

Res=2 rad

Limiar

Ponto de partida.

)(rad2 4 6 8

1

V(v)

)(rad10

Caractersticas Dinmicas

Dinmica

T(graus)

Sensor

Temperatura Real

63,2%

t(s)

Sensor63,2%

f(Hz)

1

|)(|

|)(|

X

Y

/1

Caractersticas Dinmicas

Atraso ou tempo mortoTempo entre ocorrncia da mudana e a percepo do sensor.

t(s)

Sensor

Posio Real

d

X(m)

Tipos de Sensores

Mecnicos

Eltricos

Magnticos

pticos

Acsticos

Qumicos

Biolgicos

Funes dos Sensores

Cinemticos posio

orientao

velocidade

acelerao Outros

Imagens ccd - analgico

ccd - digital

acelerao

proximidade

Dinmicos conjugado

fora

tato

Outros presena

som

luz

temperatura

tenso e corrente

Sensores de posio

De posio: indicam a posio atual de umapea, usados em medio e posicionamento.

Posio linear

Posio angular Posio angular

De passagem: indicam que foi atingida umaposio no movimento, os detectores de fim-de-curso e contadores.

Posio: chaves fimPosio: chaves fim--dede--cursocurso

Interruptores que so acionados pelo objetomonitorado. Ex.: Nas gavetas de toca-discoslaser e videocassetes h chaves fim-de-cursoque indicam que a gaveta est fechada, ou hdisco.disco.

Tambm usados com motores para limitarmovimento, como no caso de um plotter ouimpressora, ou abertura/fechamento de umregistro.

Sensores fim-de-curso magntico

Campo magntico num condutor distribuicargas: positivas de um lado e negativas dolado oposto da borda do condutor.

Semicondutor: efeito mais pronunciado. Semicondutor: efeito mais pronunciado.Surge pequena tenso nas bordas do material(Efeito Hall).

Base do sensor magntico Hall: sensores emcircuito integrado na forma de um transistor.

Sensores fim-de-curso magntico

Pode ser usado como sensor de posio seusado junto a um pequeno im, colocado noobjeto.

Quando se aproxima, o sensor atua,Quando se aproxima, o sensor atua,saturando o transistor Hall, fazendo a tensoentre coletor e emissor prxima de 0V.

Posio com interruptor de lminasPosio com interruptor de lminas

Usando um interruptor acionado por im.

Im

Posio com sensores pticosPosio com sensores pticos

Por reflexo: detecta a posio pela luz queretorna a um fotosensor (fotodiodo oufototransistor, LDR ), emitida por um LED oulmpada e refletida pela pea.

Por interrupo: a luz emitida captada por um Por interrupo: a luz emitida captada por umfotosensor alinhado, que percebe a presena dapea quando esta intercepta o feixe. (lightdependent resistor)

Utilizados para contagem de peas em linha deproduo e aplicaes de fim-de-curso.

Posio e orientao: potencimetroPosio e orientao: potencimetro

Tenso nos extremos de potencimetro linear:tenso entre o extremo inferior e o centro(eixo) proporcional posio linear(potencimetro deslizante) ou angular(potencimetro deslizante) ou angular(rotativo).

Em controle so utilizados potencimetrosespeciais, de alta linearidade e dimensesadequadas, com menor desgaste.

Sensores de posio e orientao

Potencimetro Revoluo

Linear

Vantagens: Desvantagens: Vantagens: barato;

simples;

absoluto;

robusto.

Desvantagens: pouco exato;

baixa resoluo;

impe carga ao sistema.

Posio por sensor capacitivo

A capacitncia depende da rea das placas A,da constante dieltrica do meio, K, e dadistncia entre as placas, d:

C = K A / d C = K A / d

Posio por indutncia

Indutncia depende do nmero de espiras, dalargura do enrolamento, do comprimento doenrolamento e da permeabilidade do ncleo.

L = m N2 A / lL = m N2 A / l

Mede-se indutncia mtua, ou coeficiente deacoplamento entre 2 enrolamentos numtransformador. Uma bobina se move emdireo outra, aumentando o acoplamentoe o sinal na outra.

Posio por sensores ticos

Por transmisso de luz.

Encoders determinam a posio atravs de umdisco ou trilho marcado.

Relativos (incremental): posio demarcada por Relativos (incremental): posio demarcada porcontagem de pulsos acumulados.

Absolutos: um cdigo digital gravado no disco outrilho lido por um conjunto de sensores pticos(fonte de luz e sensor).

Posio por sensores ticos

A fonte de luz geralmente o LED, e o sensorum fotodiodo ou fototransistor.

So muito precisos e prticos em sistemasdigitais (encoder absoluto) e usam-se emdigitais (encoder absoluto) e usam-se emrobs, mquinas-ferramenta e outros.

Posio por sensores de luz

Encoders incremental

absoluto

Vantagens: Desvantagens: Vantagens: alta resoluo;

sem contatos mecnicos;

alta repetibilidade.

Desvantagens: frgil;

necessita de circuitos para contar os pulsos;

caro.

Sensores de posio e orientao

LVDT (Linear Variable Differencial Transformers)

Vantagens: Vantagens: alta resoluo;

boa sensibilidade. Desvantagens:

necessita de freqente calibrao;

caro;

condicionamento do sinal caro.

Sensores de posio e orientao

Bssola

Vantagens: absoluto;

Desvantagens: apresenta problemas absoluto;

digital;

apresenta problemas em ambientes internos;

pouco preciso.

Sensores de posio e orientao

GPS (DGPS diferencial)

Vantagens: absoluto;

Desvantagens: caro;

absoluto; caro;

pouco preciso (conforme a atividade)

militar - 22 metros preciso horizontal e 27.7 metros preciso vertical;

civil - 100 metros e 156 metros.

Sensor de velocidade -Tacogerador

Pequeno gerador eltrico de CC, com campofornecido por im.

Tenso gerada, pela Lei de Faraday proporcional velocidade com que o fluxoproporcional velocidade com que o fluxomagntico cortado pelo enrolamento dorotor.

Transdutor mecnico eltrico linear.

V = K n

Tacogerador

K uma constante que depende do campo doim, do nmero de espiras e plos e dasdimenses do rotor;

n a rotao do eixo; n a rotao do eixo;

A polaridade da tenso gerada depende dosentido de rotao.

Tacogerador

Tacmetro

Vantagens: robusto;

analgico;

Desvantagens: Desvantagens: manuteno cara;

pesado;

produz muito rudo.

Velocidade: Interruptor de LminasVelocidade: Interruptor de Lminas

Reed-switch: duas lminas de ferro prximas,com pequeno envoltrio de vidro.

Ao se aproximar um im ou solenide as duaslminas se encostam, fechando os contatoslminas se encostam, fechando os contatosexternos.

Im na periferia de uma roda fecha oscontatos a cada volta, gerando pulsaesnuma freqncia proporcional rotao daroda.

Outras aplicaes do Interruptor de lminas

Alm de seu uso como sensor de velocidade, encontrado em alarmes, indicando porta oujanela fechada (um im instalado nesta, e oreeds-witch no batente), e em sensores dereeds-witch no batente), e em sensores defim-de-curso, em mquinas industriais,gavetas de toca-discos CD e videocassete, etc.

Sensores pticos de velocidadeSensores pticos de velocidade

Empregam foto-diodos ou foto-transistor euma fonte luminosa, lmpada, LED ou laser.H dois tipos bsicos:

reflexo reflexo

interrupo

Velocidade por reflexo da luzVelocidade por reflexo da luz

Disco com um furo ou marca de cor contrastante,que gira.

Luz emitida no disco e sensor recebe o feixerefletido.refletido.

Na passagem do furo, a reflexo interrompida,e gerado um pulso pelo sensor.

Velocidade por interrupo de luzVelocidade por interrupo 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.gerando um pulso.

A freqncia destes pulsos igual velocidade,em rps.

Giroscpio

Giroscpios ou girmetros.

Detecta mudanas ocorridas na direo do movimentoocorridas na direo do movimento

Sensores de Acelerao

Acelermetros muito ruidoso; teis para

medio de derrapagem.

M

yKa

=

Conjugado e Fora (strain gauge)

http://www.soilinvestigation.com.sg/UploadedImg/Strain%20Gauge.jpg

Sensores de Proximidade

ticos Simples;

Barato;

muito bom detector de presena (on-off);

ic

ie

+

-vce

presena (on-off);

No robusto com respeito iluminao ambiente;

Calibrao depende da textura.

Lente

Fonte de luz

Detector

Sensores de Proximidade

Ultrassom Aplicao de pulsos de 40 a

60kHz por 1 mseg.

Preciso de 1 % do valor mximo.mximo.

Tato

Requerem contato fsico entre o sensor e o objeto.

Podem ser construdos com chaves ou com dispositivos mais elaborados.dispositivos mais elaborados.

Sensores de temperatura (diodo)

Diodo de silcio, polarizado diretamente com corrente de1mA, tem queda de tenso prxima de 0.62V, a 25oC.

Esta tenso cai aproximadamente 2mV para cada oC deaumento na temperatura, e pode ser estimada por umaequao de reta do tipoequao de reta do tipo

Vd = A - BT

Esta equao vale at uns 125 C, limite para o silcio.

Temperatura usando termopar

Quando dois metais encostados sosubmetidos a uma temperatura, surge nosextremos deles uma tenso proporcional temperatura (efeito Seebeck).temperatura (efeito Seebeck).

V=KT

K uma constante para cada par de metais,que utilizvel at seu limite trmico.

Aplicaes

O custo dos termopares elevado e soempregados em aplicaes profissionais, ondese requer alta confiabilidade e preciso.

Temperatura com sensores Integrados

H circuitos integrados sensores detemperatura, como o LM 335, da National.

Oferecem alta preciso, por conterem Oferecem alta preciso, por conteremcircuitos linearizados. Operam de 0 a 100Caproximadamente.

Sensores de LuzSensores de Luz

Uso em fotometria (incluindo analisadores deradiaes e qumicos).

Sistemas de controle de luminosidade, comoos rels fotoeltricos de iluminao pblica.os rels fotoeltricos de iluminao pblica.

Sensores indireto de outras grandezas, comovelocidade e posio (fim de curso).

Luz: LDRLuz: LDR

O LDR (light dependent resistor) tem sua resistnciadiminuda ao ser iluminado.

Composto de material semicondutor, o sulfeto decdmio, CdS.

A energia luminosa desloca eltrons da camada devalncia para a de conduo (mais longe do ncleo),valncia para a de conduo (mais longe do ncleo),aumentando o nmero destes, diminuindo aresistncia.

A resistncia varia de alguns M, no escuro, atcentenas de , com luz solar direta.

Aplicaes

Os usos mais comuns do LDR so em relsfotoeltricos, fotmetros e alarmes.

Sua desvantagem est na lentido deresposta, que limita sua operao.resposta, que limita sua operao.

FotoFoto--diododiodo

Diodo semicondutor com juno exposta luz. Energia luminosa desloca eltrons para a banda

de conduo, reduzindo a barreira de potencialpelo aumento do nmero de eltrons, quepodem circular se aplicada polarizao reversa.podem circular se aplicada polarizao reversa.

Corrente nos foto-diodos da ordem de dezenasde mA com alta luminosidade e a resposta rpida.

H foto-diodos para todas as faixas decomprimentos de onda, do infravermelho aoultravioleta, dependendo do material.

Foto diodoFoto diodo

Aplicaes do fotoAplicaes do foto--diododiodo

usado como sensor em controle remoto, emsistemas de fibra ptica, leitoras de cdigo debarras, scanner (digitalizador de imagens, paracomputador), canetas pticas (que permitemcomputador), canetas pticas (que permitemescrever na tela do computador), fotmetrose como sensor indireto de posio evelocidade.

FotoFoto--transistortransistor

um transistor cuja juno coletor-base ficaexposta luz e atua como um foto-diodo. Otransistor amplifica a corrente, e fornecealguns mA com alta luminosidade. Suaalguns mA com alta luminosidade. Suavelocidade menor que a do foto-diodo.

Suas aplicaes so as do foto-diodo, excetosistemas de fibra-tica, pela operao em altafreqncia.

Clulas fotoClulas foto--voltaicas (painis solares)voltaicas (painis solares)

Convertem energia luminosa em eltrica.

Diodo iluminado intensamente na junopode reverter a barreira de potencial emfonte de eltrons, produzindo energia.fonte de eltrons, produzindo energia.

Eficincia baixa devido a poucatransparncia da juno (somente as camadassuperficiais so iluminadas), apenas alguns %.

Clulas foto-voltaicas

Seu uso principal est nos painis solares.

Outro dispositivo similar a foto-clula deselnio (um semicondutor).

Usa-se em medidores de luminosidade e Usa-se em medidores de luminosidade eaparelhos de anlise qumica (comofotocolormetros).

Sensores de VazoSensores de Vazo

Servem para medir o fluxo de lquidos emtubulaes.

Sensor de turbina (vazo)

Se instalarmos uma turbina ou roda dentadanuma tubulao, o fluxo far esta girar,convertendo a vazo em velocidade, que podeser medida por algum mtodo.ser medida por algum mtodo.

Vazo por diferena de pressoVazo por diferena de presso

Quando uma tubulao se estrangula, pelareduo do dimetro, h uma variao depresso, e a velocidade do fludo aumenta.

Medindo-se a diferena de presso atravs do Medindo-se a diferena de presso atravs dodesnvel numa coluna de mercrio, pode-secalcular a vazo.

Este processo usado em medidores de vazoem processos industriais, no automticos.

Vazo usando sensor trmicoVazo usando sensor trmico

Um gs ou lquido fluindo sobre um corpoaquecido, retira calor deste, reduzindo atemperatura de forma proporcional velocidade do fludo.velocidade do fludo.

Com um sensor de temperatura, pode-seavaliar a vazo pela variao destatemperatura.