Sensores
Luiz M. G. Gonçalves
www.dca.ufrn/~lmarcos/courses/visao
Visão
Computacional
Sistema
Atuador
Robô
Ação
Eletrônica Básica
Eletrônica Básica
 Resistor
v  Ri
+
i
v
R
i
1/R = G
 Resistores Variáveis:
 Potenciômetro;
 LDR;
 Strain-Gage.
-
v
R
Eletrônica Básica
 Indutor
+
di
vL
dt
i
v
-
L
Capacitor
dv
iC
dt
+
i
v
C
-
Eletrônica Básica
 Associações
Série
Z1
Paralelo
Z1
Z2
Z2
 Resistores
RT  R1  R2
 Indutores
LT  L1  L2
 Capacitores
1
1
1


CT C1 C2
1
1
1
 
RT R1 R2
1
1 1
 
LT L1 L2
CT  C1  C2
Eletrônica Básica
 Diodo: permite a corrente circular numa
única direção
+
i
v
D
i
v
-
i
v
Eletrônica Básica
 Transistor
ic
ib
ic
+
vce
ie
ib
Amplificador Operacional
vcc
i1
+
i2
io
vce
+
ie
Eletrônica Básica
Amplificador Inversor
R2
vi
vcc
R1
+
vo
R2
vo   vi
R1
Eletrônica Básica
Leis de Kirchhoff
 A soma das correntes que entram em um nó
é igual a soma das correntes que saem deste
nó.
i4
i1
i3
i2
i1  i2  i3  i4
Eletrônica Básica
Leis de Kirchhoff
 A soma das tensões ao longo de qualquer
percurso fechado é zero.
+
-
v2
-
+
v1
+
v1  vR1  0
+
R1
-
+
C
-
D
+
-
R2
v1  v2  vR2  vD  0
vR1  v2  vR2  vD  0
vR1  vC  vD  0
vC  vR2  v2  0
Caracterização dos Sensores
Classificação dos Sensores
Passivos x Ativos
entrada
saída
Sensor
 Ex.:
Energia Auxiliar
Chaves (passivo);
Resistores Variáveis (ativo);
Célula Fotoelétrica (ativo);
Cristal Piezoelétrico (ativo).
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


v
bias
vr
Características Estáticas
V(v)
Linearidade
 mudança reflete linear
s  0,5 v
Sensibilidade
 percebe mudança
Range
 quanto consegue medir
rad
 max  (rad )
y
Histerese
 oscilação ou não
x
Características Estáticas
Resolução
V(v)
 unidade mínima
3
2
1
Limiar
 ponto de partida
2 4 6 8
V(v)
10
Res=2 rad
 (rad )
 (rad )
Características Dinâmicas
T(graus)
Dinâmica
 variações
63,2%
 de temperatura
 em condições
| Y ( ) |
 normais
Temperatura Real
Sensor

t(s)
| X ( ) |
1
1/
f(hz)
Características Dinâmicas
Atraso ou tempo morto
 tempo entre ocorrência da mudança e ela ser
notada pelo sensor
X(m)
Posição Real
Sensor
d
t(s)
Tipos de Sensores
Funções dos Sensores
 Cinemáticos
 posição
 orientação
 velocidade
 aceleração
 proximidade
 Dinâmicos
 conjugado
 força
 tato
 Imagens
 ccd - analógico
 ccd - digital
 range images
 Outros
 presença
 som
 luz
 temperatura
 tensão e corrente
Sensores de posição
Posição linear
Posição angular
De 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.
Posição com interruptor de lâminas
Usando um interruptor acionado por imã.
Imã
Posição com sensores ópticos
Por 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.
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 / d
Variação 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 / l
Mede-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 luz
Encoders 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
Rotação clockwise
0
0
1
0
1
1
1
0
0
0
1
0
1
1
1
0
1
0 0
0
Rotação counter-clockwise
1
1
1
0
0 0
Entendendo melhor
Posição atual
0
0
1
0
1
1
1
0
0
0
1
0
1
1
-1
1
0
1
0 0
0
+1
1
1
1
0
0 0
Entendendo melhor
00 01 10 11
00
0
01  1
1 1
n
0
1
n
10  1 n 0  1
11 n  1  1 0
0 = sem mudança
-1 = decrementa contador
+1 = incrementa contador
n = operação ilegal
01 = 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 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 tocadiscos CD e videocassete, etc.
Sensores de velocidade
Sensores 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 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 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.
Ky
a
M
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
+
vce
ie
Fonte de luz
Detector
Lente
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=KT
K é uma constante para cada par de
metais, que é utilizável até seu limite
térmico.
Temperatura e tensão
Metal
T. Máx
Cobre-constantán 375ºC
Ferro-constantán 750ºC
Const. K
0.1mV/ ºC
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 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: 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-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 diodo
Aplicações do foto-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.
Foto-transistor
É um transistor cuja junção coletor-base
fica exposta à luz e atua como um fotodiodo. O transistor amplifica a corrente, e
fornece alguns mA com alta luminosidade.
Sua velocidade é menor que a do fotodiodo.
Suas aplicações são as do foto-diodo,
exceto sistemas de fibra-ótica, pela
operação em alta freqüência.
Foto-transistor
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 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 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 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 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 digitais
Que 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).