SENSORES E ACTUADORES Sensores do Movimento

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1 SENSORES E ACTUADORES Sensores do Movimento J.R.Azinheira Bibliografia:, J.R. Azinheira, 2002, IST-DEM (disponível na página da UC em 'Material de Apoio' -> 'Bibliografia Complementar')

2 ÍNDICE Cadeia de Medida Sensores do movimento posição linear e angular, proximidade, velocidade e aceleração Grandezas mecânicas forças, binários, pressão, nível Escoamentos e caudais Temperatura Cadeia de actuação e actuadores 2

3 ÍNDICE Cadeia de Medida Sensores do movimento posição linear e angular, proximidade, velocidade e aceleração Grandezas mecânicas forças, binários, pressão, nível Escoamentos e caudais Temperatura Cadeia de actuação e actuadores 3

4 2. Sensores do Movimento posição linear proximidade posição angular velocidade linear e angular aceleração 4

5 2. Sensores do Movimento posição linear proximidade posição angular velocidade linear e angular aceleração 5

6 Posição Linear Sensor potenciométrico Princípio: o movimento desloca o ponto de contacto ao longo de um filme resistivo é equivalente a uma resistência que varia linearmente com a posição 1 x d 0 2 e 1 e o e 1 R e o R L R x = x d R e o = x d e 1 fig. princípio do sensor potenciométrico 6

7 Posição Linear Sensor potenciométrico Configuração mecânica mede o movimento de um corpo em relação a outro movimento limitado mola movimento corpo fixo apoiada solidária fig. soluções apoiada e solidária para a ligação da parte móvel 7

8 Posição Linear Sensor potenciométrico movimento linear (e angular) 8

9 O potenciómetro por dentro Posição Linear Sensor potenciométrico 9

10 Posição Linear Sensor potenciométrico Alguns comentários: + CS simples, nível de saída elevado - contacto físico limita velocidade e aceleração e reduz a vida útil + barato e muito utilizado sensores de posição potenciométricos gama de medida (x max ) mm linearidade % resolução < 0.01 % vida útil > 10 6 ciclos (força < 40 gf) velocidade máxima 5 m/s aceleração máxima 15 m/s 2 alimentação (e 1 ) V ac/dc sinal de saída (e o ) % e 1 resistência (R) kω temperatura de func C 10

11 Posição Linear Sensor LVDT Transformador Diferencial com Variação Linear Princípio físico: é um sensor indutivo princípio alimentação e saída normalizadas em dc e 1 e o e 1 e o x x e 1 e o e o e o LVDT AC x>0 x<0 zona linear fig. sensor LVDT x 11

12 Posição Linear Sensor LVDT A amplitude com um conversor CA/CC à saída diferencial e0 não é linear Utilizando os dois secundários, com um conversor CA/CC sensível à fase (PSD), pode operar-se de forma simétrica e linear e a E x LVDT PSD E x LVDT DC 12

13 Posição Linear Sensor LVDT Comentários: + concepção simples, mecanicamente práticos e sólidos. + elemento móvel isolado não consome muita energia mecânica. + sensível, linear e contínuo: resolução virtualmente infinita. + pouco sensível à temperatura e pouca deriva no tempo (drift). - mais caro que um potenciómetro sensores de posição LVDT gama de medida (x max ) mm linearidade % (carga 1 MΩ) resolução inf. vida útil inf. tempo de resposta 1.5 ms resposta em frequência -3 db (a 100 Hz) alimentação (e 1 ) V dc (10 ma) V ac (1..20 khz) sinal de saída (e o ) 50 mv/v/mm resistência de carga R L kω temperatura de func C 13

14 Sensores capacitivos Princípio físico: variação da capacidade com a distância não linear: linearizado para pequenas variações C = ε A x dc C = dx x utilizado por exemplo em microfones x x C(x) C+dC C-dC N 1 N 2 N 2 e o C+dC C-dC e 1 sensor absoluto sensor diferencial ponte de CS para o caso diferencial fig. sensores capacitivos de deslocamento 14

15 Extensómetros Princípio físico: variação da resistência de um condutor quando o seu comprimento varia R = L ρ δr δ A R = k L L L com um coeficiente k incluindo variação de L variação de A efeito piezoeléctrico na condutividade k = 1+ 2σ + δρ/ ρ δl / L 15

16 Extensómetros O coeficiente k é tipicamente da ordem de 2 (até 5) para extensómetros metálicos de -100 a 200 para extensómetros com semi-condutores (piezoresistivos) subst rato cola cobert ura material resistivo 10 µm 3..5 µm µm direcção sensí vel ligações zona activa fig. extensómetro de folha metálica colada 16

17 Extensómetros Ponte resistiva: simples, simétrica ou completa e 1 R R e o R R+dR (extensómetro passivo) e = e dr 2R 2 + dr o 1 R dr << 2 e = R 1 o 1 e dr 4R e 1 R R e o R+dR R-dR e = e dr o 1 2R R-dR R+dR e 1 R+dR e o R-dR e = e dr o 1 R fig. configurações de pontes para os casos de um, dois ou quatro extensómetros activos 17

18 Extensómetros a ponte serve para a alimentação a saída é amplificada no CS sensor ponte G fil tro e 1 alimentação aquisição de dados Viga Encastrada condicionamento de sinal fig. a cadeia de medida do extensómetro 18

19 Extensómetros Comentários: + princípio simples e fiável, sinal eléctrico, resolução infinita - gama reduzida, nível baixo: utilizado para deformações ou vibrações sensores de aceleração, força, binário, pressão extensómetros gama de medida (ε max ) µm/m k 2±1 % histerese ±1 µm/m resolução inf. Vida útil >10 7 ciclos alimentação V resistência Ω temperatura de func C (ou mais) sensibilidade à temp.(conf. metal/liga) /K dimensões (direcção sensível) mm (activo) mm (total) 19

20 Sensores de posição ultrasónicos Princípio físico: emissão/recepção de uma onda acústica medida do tempo de voo (time of flight) influência da temperatura do meio mede sem contacto num cone de detecção t = 2 d c alvo fac e sens ív el cris tal piezo-eléctrico v onda emitida t reflexão detectada 20

21 Sensores de posição ópticos Princípio físico: medição por triangulação da distância a um alvo sem contacto resolução e precisão muito boas laser espelho i=kx foto-sensor de posição objecto em movimento x fig. laser e foto-sensor de posição 21

22 Sensores de posição ópticos Comentários: + óptimo desempenho até a frequências elevadas + é usual ter saída digital (somente ou juntamente com uma saída analógica) - é um sensor caro exemplo de sensor de posição óptico (micro-epsilon messtechnik) princípio triangulação (a) gama de medida 5, 10, 20 mm afastamento médio do alvo 59 mm resolução %FS linearidade 0.03 %FS laser 670 nm frequência máxima 10 khz saída analógica ±5/0..10 Vdc saída digital série RS485 temperatura de func C alimentação ±12,24,5 Vdc vida útil (laser) h 22

23 Outros sensores da posição rádio-altímetro o princípio de funcionamento é similar ao do sensor ultrasónico mas com onda electromagnética tem uma precisão relativa: melhora quando a distância diminui GPS triangulação 3D com a medida da distância a satélites que giram em torno da terra são sensores complexos com uma componente de software muito elevada a estatística do erro varia e dificulta a utilização em controlo automático 23

24 Sensores do Movimento posição linear proximidade posição angular velocidade linear e angular aceleração 24

25 Sensores de proximidade princípio diferente: sensor (usual) sensor de proximidade o sensor usual mede e fornece um valor variando continuamente na gama de medida o sensor de proximidade detecta a presença ou não de um alvo, com uma saída 0/1 a saída é usualmente fornecida recorrendo a um comparador, eventualmente com histerese o princípio não exige linearidade, ao contrário dos sensores usuais 25

26 Sensores de proximidade sensores indutivos sensíveis a um alvo ferro-magnético (AFM) variação de campo magnético detectada por um enrolamento de pequenas dimensões junto à face do sensor. campo magnético produzido por um íman ou um oscilador v x N S t d AFM t 26

27 Sensores de proximidade sensores indutivos para alvos de Alumínio (Al) ou Cobre (Cu), o alcance reduzido num factor de cerca de 0.1 a 0.2. I(mA) 20 Cu Al Aç o x osc. desmod. I d(mm) 27

28 Comentários: + robusto e fiável - alcance reduzido Sensores de proximidade sensores indutivos - necessita de um Alvo Ferro-Magnético um sensor de proximidade indutivo gama (alcance) 0..5 mm alimentação V ac (1..50 khz) nominal 5 V (a 5 khz) resistência de carga 1 kω resistência interna 2x 162 Ω corrente nominal 6.5 ma gama de temperaturas C sensibilidade à temp. < 5 % (5 mm; C) gama de pressões bar dimensões 24 x 35 mm(diam) x mm peso 70 g 28

29 Sensores de proximidade sensor de efeito Hall Princípio físico: efeito Hall (deriva da força de Lorentz): uma tensão é proporcional ao produto do campo magnético pela corrente, sendo os 3 ortogonais detecta um íman ou um alvo ferro-magnético AFM N N V S S B I sensor de efeito Hall 29

30 Sensores de proximidade sensor de efeito Hall Comentários: saída em tensão contínua nível de saída elevado circuito integrado com condições de operação usuais 30

31 Sensores de proximidade sensor capacitivo Princípio físico: gera um campo electroestático é sensível a um alvo que altera este campo tem dimensões superiores aos indutivos o material do alvo pode ser mais diversificado x armaduras DC /C (%) Al 10 5 plástico 5 10 d(mm) 31

32 Sensores de proximidade sensor óptico Princípio físico: um feixe luminoso ou infravermelho (IV) o feixe é reflectido ou interrompido por um alvo tem uma operação verdadeiramente binária: é muito utilizado em automação e automatismos (em elevadores, portas automáticas ) por aparição emissor por interrupção receptor 32

33 Exemplo de cadeia de medida da posição -1 Enunciado: Para a monitorização de um movimento numa gama útil de 100 mm, é previsto um sensor potenciométrico. A tabela abaixo fornece as características de uma família de sensores possíveis. O sensor é instalado de forma centrada e lido num divisor de tensão, alimentado a 12 Vdc. Assume-se uma leitura directa. A aquisição é efectuada com um conversor A/D de 10 bits, com entrada em tensão 0/10 Vdc, e ruído de 3 LSB. Electrical stroke mm Resistance (± 10 %) kω Max Voltage V Linearity % Electrical output Hysteresis (repeatability) Minimum of 0.5 % to 99.5 % of applied voltage Less than 0.01 mm 33

34 Exemplo de cadeia de medida da posição -1 a)determine a precisão absoluta dos sensores assim como a gama de saída esperada. b)justifique a escolha do sensor mais adequado. c)determine a relação entre a leitura digital e a posição medida. Determine a resolução. d)determine a precisão absoluta da medida da posição. e)qual é o efeito da tolerância da resistência do sensor? 0/12V x V n Sens CAD 34

35 Exemplo: medir a posição -1 resolução a) Determine a precisão absoluta dos sensores assim como a gama de saída esperada. Para a precisão dos sensores (considerando uma Cadeia de Medida ideal), a precisão absoluta é a soma de dois termos: Para a linearidade: a precisão absoluta é o produto da precisão fim de escala pela gama Para a histerese é constante, igual a uma centésima. [ mm] S Δ x = = = =

36 Exemplo: medir a posição -1 resolução Para obter a gama de saída é necessário definir a posição relativa entre o movimento x 100 mm e o sensor (X a partir do extremo): assumimos assim numa primeira etapa que centramos o sensor. O que conduz a onde a sensibilidade é [ ] d X = X o + x = + x 2 E d E e = + x = + d 2 2 E d = E d x { ; 0. 06; ; }[ V / mm] E d R X o x e CAD 36

37 Exemplo: medir a posição -1 resolução A gama de saída será: E E e min,max = + xmin,max emax emin = 2 d conduzindo a: E gama gama pedida sensor e min [ V] e max [ V] e e [ V] max min Obviamente, para os três primeiros a solução não pode ser esta porque ou a gama é insuficiente ou forneceria tensões além da alimentação. 37

38 Exemplo: medir a posição -1 resolução b) Justifique a escolha do sensor mais adequado. Uma primeira selecção supõe que a gama total seja superior ao pretendido e os dois primeiros sensores não devem ser considerados. No caso do segundo, a limitação da saída eléctrica faz perder 1% da gama e assim ele também não cobre o pedido. Considerando agora a entrada do CAD que deve ser entre 0 e 10Vdc e olhando para a última linha, deduzimos que o único que serve é o quarto, Ele não pode no entanto ser posicionado centrado, porque ultrapassaria os 10Vdc, e deve ser puxado para baixo mas respeitando a saída mínima de 0.060[V] e máxima de = 11.94[V]. Uma translação de 1[V] serve (fica centrado na saída 0/10V), ou seja: d 200[ mm] d d X o = E [ V] = 104. [ mm] 38

39 Exemplo: medir a posição -1 resolução c) Determine a relação entre a leitura digital e a posição medida. Determine a resolução. Deduzimos agora para a relação entre entrada e saída do sensor: E e = o d + ( X x) Para o CAD, com entrada 0/10[Vdc] e saída de 10 bits entre 0 e obtemos uma relação: AE n = int X o + x d com uma sensibilidade de 4.915[/mm]. A resolução deduz-se da relação anterior ( ) 2 10 =1024 AE d δn = 1 = δx δx = = d AE [ mm] 39

40 Exemplo: medir a posição -1 resolução d) Determine a precisão absoluta da medida da posição. Os erros da cadeia de medida estão no sensor (alínea a): Δ S x = [ mm] no CAD Δ CAD x = 3 δx = [ mm] Conduzindo a uma precisão da medida Δx = Δ S x + Δ CAD x = [ mm] 40

41 Exemplo: medir a posição -1 resolução e) Qual é o efeito da tolerância da resistência do sensor? Na dedução acima, não entra o valor da resistência: só conta a sua linearidade. Se houvesse informação sobre a resistência de entrada do CAD poderíamos verificar se existe efeito de carga e como seria influenciada pela variação da resistência. Na falta dessa informação, assume-se que é grande e não há efeito. 41

42 Exemplo de cadeia de medida da posição -2 Enunciado: Para controlar a distância de segurança num sensor de estacionamento, é avaliado um sensor óptico IV com a descrição ao lado. É utilizado um conversor A/D de 10 bits com entrada em tensão 0/10 Vdc, e ruído de 3 LSB. Para o condicionamento, existe um amplificador com ganho seleccionável de 1, 2, 5 ou 10. Because of some basic trigonometry within the triangle from the emitter to reflection spot to receiver, the output of this new detector is non-linear with respect to the distance. The graph shows the typical output from this detector. The output of the detector within the stated range (10 cm - 80 cm) is not linear but rather somewhat logarithmic. 42

43 Exemplo de cadeia de medida da posição -2 a)determine a gama de saída do sensor e deduza o ganho a utilizar. Esboce o diagrama de blocos. A partir da gama indicada, entre 10 e 80 cm, e a curva, deduz-se aproximadamente uma saída entre 2.42V e 0.42V. A resolução da medida vai melhorar (diminuir) com o aumento do ganho G de amplificação. No entanto, considerando que, após amplificação, a tensão à entrada do CAD deve estar entre 0 e 10V, o maior ganho possível é G = 2. O diagrama de blocos é o seguinte. x V U n Sens G CAD 43

44 Exemplo de cadeia de medida da posição -2 b)numa primeira fase, a curva é linearizada entre os seus extremos: deduza a relação entre posição e leitura digital. Indique a resolução. Assume-se então uma recta V = ax+b entre os pontos extremos: [ V ] [ cm] a = = O amplificador fornece U = GV. Para o CAD temos: n = int{au} Logo a relação final é: n = int{ AG(ax+b) } [ V / cm] e b = 2. [ V ] A resolução deduz-se a partir desta: 1 δx = = AG a [ cm] 44