Sensores

Professor : Andr Sousa

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1 - Introduo

Objetivo: Conhecer algumas das principais tecnologias desensores utilizadas em sistemas automatizados

Sensores: Dispositivos projetados para quantificar oudetectar parmetros especficos por meio de elementostransdutores. Em um sensor, os transdutores so elementosque transformam uma grandeza fsica em outra. Exemplo:fora em tenso eltrica.

Os sensores servem para informar a um circuito eletrnico arespeito de um evento externo a ele, onde o mesmo devaatuar.

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1- Introduo

Os sensores so utilizados para:

Detectar a posio e a orientao de partes mveis emuma mquina.

Garantir a qualidade da produo. Descobrir variaes de forma e dimenso das peas

produzidas. Identificar obstculos. Determinar e analisar defeitos. Outros

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2 - Classificao

Princpio de funcionamento:

Mecnicos. Presso Magnticos. Trmicos. Indutivos Capacitivos Ultrassnicos e outros.

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2 Classificao

Analgicos e Digitais

Digitais Possuem apenas 2 estados, ligado ou desligado,no havendo estado intermedirio. Utilizado emprocedimentos de contagem ou deteco de objetos

Obs: Independente da tecnologia utilizada podem tersada a rel ou a transistor

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2 Classificao

Analgicos So tambm chamados de sensores de sadalinear. Fornecem uma informao na sada em valores detenso ou corrente proporcionais a grandeza medida.

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3 - Critrios para avaliao dos sensores1 Sensibilidade : definida como a taxa de mudana desada em funo de uma mudana na entrada. Exemplo: Seum movimento de 0,001mm causa uma mudana na sadade 0.02V ento a sensibilidade de 20V/mm.

2 Linearidade : Pode ser definida como a medida daconstncia da taxa de sada para uma determinadaentrada.Uma linearidade perfeita faria com que o grfico desada versus o grfico de entrada fosse uma reta.

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3 - Critrios para avaliao dos sensores

3 Faixa : So os valores mximos e mnimos que podemser medidos do parmetro. (HCSR04)

4 Tempo de resposta : o tempo necessrio para umamudana na entrada ser observvel como uma mudanaestvel na sada. Pode-se medir o tempo de resposta desdeo incio de uma mudana na entrada at quando a sadaalcance uma faixa especificada

5 Resoluo: Indica o valor do menor incremento quepode ser observvel

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3 - Critrios para avaliao dos sensores

6 Preciso : a medida da diferena entre os valoresmedidos. Uma preciso de + - 0.001mm significa que sobretodas as condies consideradas o valor medido estardentro de 0.001mm do real. Um sensor ideal teria a mesmasada toda vez que fosse realizada uma medida

7 Repetibilidade : a medida da diferena entre duasmedidas sucessivas sob as mesmas condies.

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Critrios para avaliao dos sensores

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Sensores de posio potencimetro

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Sensores de posio - potencimetro

So utilizados para monitorar a posio entre uma parte fixa e outra mvel em uma equipamento industrial.

1 Potencimetro: o dispositivo mais simples utilizadopara medir posio. Em um rob manipulador podemonitorar a posio angular de uma junta de revoluo oua posio linear de uma junta de translao.

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Sensores de posio potencimetro

O custo dos potencimetros normalmente baixo, mesmoos potencimetros especiais com maior preciso edurabilidade, utilizados em automao e robtica

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Sensores de posio - potencimetro

Obs2: Sempre existem no linearidades nestespotencimetros, em funo disto no devem ser utilizadosem sistemas que requerem grande preciso.

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Sensores de posio - resolver

2 Resolver: um sensor de posio absoluta que utilizamrotor e estator, para fornecer um sinal eltrico de seno ecosseno que so medidos e utilizados para determinar ongulo do rotor relativo ao estator

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Sensores de posio - resolver

Possui algumas caractersticas a seguir:

Um estator composto por dois enrolamentos A e B. O enrolamento A est posicionado a 90 graus do

enrolamento B. O rotor composto por um terceiro enrolamento C, que

energizado com uma onda senoidal. O sinal em C induz sinais em A e B, que variam com a

posio angular em C.

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Sensores de posio - resolver

A tenso de sada do rotor devido influncia de ambas as tenses induzidas :

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Sensores de posio - resolver

Desvantagens:

Alto custo Suscetvel a interferncia eletromagntica

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Sensores de posio - LVDT

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Sensores de posio - LVDT

3 LVDT(Linear Variable Differential Transformer):

um transdutor eletrnico comumente utilizado para amedida de deslocamentos lineares.Consiste de duas partes,uma mvel e outra fixa e produz uma tenso de sadaproporcional ao deslocamento da parte mvel em relao aparte fixa

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Sensores de posio - LVDT

Apresenta um MTBF(tempo mdio entre falhas) alto e podeser utilizado em sensoriamento em ambientes hostis.Aplicado em turbinas a gs, bombas de caldeiras e outros

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Condicionador de sinais - externo

Sensores de posio - LVDT

As bobinas do secundrio esto conectadas em srie opostatal que quando o ncleo est no centro, a tenso de sada zero. O circuito condicionador de sinal produz uma tensoCC proporcional distncia do ncleo posio de tensozero

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Sensores de posio - Encoder

4 Encoder tico: um dispositivo que conta ou reproduzpulsos eltricos a partir do movimento rotacional do seueixo. Esta como um dos sensores mais utilizados naautomao devido a alta preciso do mesmo.

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Sensores de posio - Encoder

Classificao: Absoluto e Incremental

Absoluto No perde sua posio no caso de uma eventualfalta de energia, pois a posio fornecida por este tipo deencoder, atravs de um cdigo nico para cada posio doseu curso. Uma mquina equipada com este tipo de sensorno necessitaria ser recalibrado aps uma reinicializao

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Sensores de posio - EncoderIncremental Sua posio dada por pulsos a partir dopulso zero, diferente do encoder absoluto. Desta formanum eventual falta eltrica perdem a referncia necessitadoser novamente referenciado. Um rob equipado com estetipo de sensor deve executar uma sequncia de calibraopara conhecer sua posio real

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Obs1 :No encoder incremental,quando utilizamos umemissor e um receptor tem-se um problema nadeterminao do sentido do giro do motor. Para solucionareste problema colocado um conjunto a mais de emissor ereceptor defasados de 90 graus

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Sensores de posio - Encoder

Obs2: Podemos utilizar cdigo binrio BCD ou Gray naconstruo dos encoders absolutos. Um encoder utilizado13 bits de informao pode fornecer uma resoluo de:

Atualmente temos encoders com at 24 bits de resoluo.

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Sensores de velocidade - Tacmetro

5 Tacogerador: Sabe-se que o movimento de rotao deum eixo do motor CC produz uma tenso analgica queaumenta (ou diminui) quando aumenta (ou diminui) avelocidade angular. Os tacogeradores so especialmenteprojetados para fornecer uma tenso CC proporcional avelocidade do eixo.

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Sensores ticos

7 Sensores ticos: Baseia-se na transmisso e recepode radiao infravermelha, podendo ser refletida ouinterrompida pelo objeto a ser detectado. Este tipo desensor composto por dois circuitos: um transmissor e umreceptor.

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Sensores ticos

Podem ser classificados em 3 tipos bsicos:Barreira, difuso e retro reflexivo

Barreira

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Sensores ticos

Retro reflexivo

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Sensores ticos

Difuso

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Sensores ticos aplicaesSeguidor de linha

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Sensores ticos - aplicaes

Sensores de proximidade ticos: Pode ser utilizado paradetectar objetos prximos ao rob, assim como paraimplementar funes do tipo seguir trilha(vistoanteriormente) ou parede

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Sensores ticos

8Sensores de varredura a laser(Scanners) Podemosutilizar scanners para realizar o mapeamento tridimensionalem um sistema robtico

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Sensores ticos

8.1 - Sensores de varredura a laser funcionamento:Funciona baseado no princpio do tempo de reflexo da luz,ou seja calcula a distncia do objeto atravs do tempo deenvio e recepo da luz.O feixe de luz do laser varre a superfcie por ao doespelho montado no motor. Uma lente montada na frentedo fotoreceptor capta a luz procedente de um ponto dasuperfcie.

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Sensores ticos

8.1 - Sensores de varredura a laser: um sensor caro e comumente utilizado em aplicaes do segmento de linhasde soldagem. Neste tipo de aplicao este sensor conseguedetectar a proximidade s superfcies a serem soldadas,reconstruir a topografia de juntas de soldagem, alm deseguir linhas de soldagem, guiando uma pistola.

Robo solda Vale

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Sensores indutivos

9 - Sensores indutivos: Utilizados para deteco de objetosmetlicos. Trabalha sobre o princpio da induoeletromagntica.

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Sensores indutivos

Funcionamento O sensor tem um oscilador e uma bobina,que em conjunto possuem um campo magntico fraco.Quando um objeto metlico entra no campo, pequenascorrentes so induzidas na superfcie do objeto.

Por conta da interferncia no campo magntico, energia extrada do circuito oscilador do sensor, diminuindo aamplitude da oscilao e causando uma queda devoltagem. O circuito de deteco percebe e muda o estadoda sada do sensor. 39

Sensores indutivos

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Sensores de efeito Hall

10 - Sensores de efeito Hall: O efeito Hall relaciona a tensoentre dois pontos em um material condutor ousemicondutor com um campo magntico atravs domaterial. So indicados para deteco em pequenosespaos

Os sensores de efeito Hall podem detectar apenas materiaisquando esto sozinhos. Quando utilizados em conjuntocom um im permanente so capazes de detectar materiaisferro magnticos

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Sensores de efeito Hall

Funcionamento bsico: Possui um transdutor que, quandosob a aplicao de um campo magntico, responde comuma variao de tenso na sada.

Na figura abaixo temos um semicondutor submetido a umadiferena de potencial(ddp) onde uma corrente flui no seusentido normal. Se neste semicondutor for aplicado umcampo magntico a corrente tende a se desviar do seusentido normal e cargas tendem a se acumular na lateral domaterial proporcional ao campo

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Sensores de efeito Hall

Funcionamento bsico: Possui um transdutor que, quandosob a aplicao de um campo magntico, responde comuma variao de tenso na sadaQuando o material ferromagntico est prximo ao sensor,o campo magntico diminui, o que reduz a fora de Lorentz,e consequentemente a tenso atravs do sensor, que indicaa deteco do objeto.

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Sensores Capacitivos

10 - Sensores capacitivos: Os sensores capacitivos soprojetados para operar gerando um campo eltrico edetectando mudanas nesse campo, quando um alvo seaproxima da distncia sensora.

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Sensores Capacitivos

10 - Sensores capacitivos: Na ausncia do alvo o osciladorinterno fica inativo. Quando um alvo se aproxima acapacitncia do circuito vai se modificando at atingir umdeterminado valor, ativando o oscilador que comuta a sadado sensor.

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Sensores diversos

11- Sensores Piroeltricos: Consiste num cristal piroeltricopolarizado sobre o qual so depositados dois eletrodosmetlicos em faces opostas, onde a um aparecimento deuma carga superficial devido a uma variao detemperatura.A sensibilidade ou coeficiente piroeltrico dado por:

Onde dP/dT a variao trmica da polarizao P em tornode uma temperatura T

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Sensores diversos

11 - Sensores Piroeltricos: Permite ao rob interagir comseres humanos. A sada deste sensor muda quando omesmo detecta pequenas variaes de temperatura. Oeelemento ativo um cristal de Tntalo-Ltio que excitadoquando o cristal aquecido. Os sensores mais comunsconseguem detectar na faixa de 8 - 10m que a faixa deradiao emitida por um ser humano

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Sensores diversos

11 - Sensores Piroeltricos: Podemos encontrar os sensorespiroeltricos em alarmes de incndio e presena como osde portas automticas

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Sensores diversos

12-Sensores Ultrassnicos: Estes sensores podemproporcionar informao de distncia entre o rob e umobstculo atravs da medida do tempo de vo entre aemisso dos pulsos e a recepo do eco.

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Sensores diversos

12-Sensores Ultrassnicos: O oscilador deste sensornormalmente trabalha em frequncias em torno de 42kHz,que resultam em um comprimento de onda que permite adeteco de objetos com alguns centmetros.

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Sensores diversos

12-Sensores Termopares: O termopar um sensor detemperatura que gera uma tenso eltrica, que dependediretamente da temperatura exposta na juno de doismetais diferentes

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Sensores diversos

Obs: Embora praticamente possamos construir umtermopar com qualquer combinao de metais, devemosutilizar os normatizados pois possuem sadas previsveis detenso e suportam grandes gamas de temperatura

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Sensores diversos

13-Fim de curso mecnico: So interruptores ou chavescomutadoras que atuam sobre um circuito de modoliga/desliga quando uma ao mecnica acontece no seuelemento atuador

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Sensores diversos

13-Fim de curso mecnico: Podemos utilizar um sensor defim de curso mecnico para que um rob detecteobstculos. Ou podemos colocar como limitador de umagarra mecnica

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Sensores diversos

Nvel de bateria: Monitora o nvel de tenso na bateria dorob. Pode indicar ao mesmo o momento de retornar aestao de recarga e/ou restringir operaes queconsomem muita energia.

Sensor de corrente eltrica: Ajuda a detectar se o sistemarobtico esta bloqueado por algum obstculo, evitandoassim uma possvel queima dos motores

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Sensores diversosCmera de vdeo: Cada vez mais utilizada em robticadevido estar mais acessvel em tecnologia e preo

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Aplicaes com sensores fotoeltricos

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Aplicaes com sensores fotoeltricos

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Aplicaes com sensores capacitivos

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Aplicaes com sensores capacitivos

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