Sensores do Movimento

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1 Snsors do Movimnto posição linar proximidad posição angular vlocidad linar angular aclração 1

2 Posição angular snsors analógicos potnciómtros rsolvrs/synchros transformadors linars snsors digitais codificadors ópticos incrmntais codificadors digitais absolutos snsors spcíficos inclinómtros bússolas 2

3 Posição angular potnciómtros similars aos snsors potnciométricos d posição linar gama finita: infrior a uma volta ou multivoltas o 1 R R max fig. snsor angular potnciométrico 3

4 Posição angular potnciómtros Comntários: + simpls, saída d nívl lvado + CS simpls ou dispnsávl - o contacto físico limita a vlocidad a vida útil snsor d posição angular potnciométrico diâmtro "(2.54 cm) gama d mdida rsistência k linaridad <0.2 <0.075 % binário máximo 2 8 g cm vlocidad máxima /s vida útil > > (3 Hz, 60 ) 4

5 Enunciado: Posição angular Exmplo d cálculo Para a mdição d um ângulo variando numa gama ±45, é utilizado um potnciómtro d 180. O snsor é colocado d forma simétrica. É alimntado m tnsão 0/5Vdc dv sr lido por um convrsor A/D d 12 bits com ntrada m tnsão 0/10Vdc. Dtrmin a gama d variação da saída do potnciómtro Dtrmin a rlação ntr ângulo litura digital dduza a rsolução da mdida. 5

6 Posição angular Exmplo d cálculo O Diagrama d Blocos é a priori o sguint E U n CS CAD potnciómtro considrando a alimntação saída /2 E 2 max E E max max E max a saída varia assim ntr 1.25V 3.75V: o CS pod sr um simpls sguidor ou msmo não xistir: U = 6

7 Posição angular Exmplo d cálculo A opração do CAD é dscrita por: logo U U 12 min n int 2 int ku com k V max U U min E E A ke / max / n int k int A B com 2 max B ke / a rsolução é o ângulo corrspondndo a 1 bit 1 n A B A A

8 Princípio físico: Posição angular rsolvrs synchros snsor indutivo, transformador saída m CA qu dpnd do ângulo rotor/stator s 1 r A r 21 s 2 13 B s 3 32 fig. rsolvrs fig. synchros 8

9 Comntários: Posição angular rsolvrs synchros + snsor indutivo: sm contacto, rsolução infinita + prcisão lvada - caro o CS mais usual é com um convrsor d rsolvr para digital (R/D) com 14 a 16 bits a rsolvr R/D n 9

10 Similars ao LVDT (por vzs dnominados RVDT) Posição angular outros indutivos 36 mm V V o 41 mm 0 fig. rsposta d um snsor tipo lv dt snsor d posição angular do tipo LVDT dimnsõs 36 x 41 mm(diam)x mm pso 100 g gama alimntação 10 V dc (50 ma) snsibilidad mv/ (dc) tnsão V o mv linaridad < 0.5 % rsolução inf. rsistência d carga 10 k binário máximo 0.5 g cm 10

11 Posição angular codificado incrmntal (ncodr) Princípio físico: snsor d proximidad mdir é contar impulsos a rsolução é invrsamnt proporcional ao númro N d impulsos por volta LED o 1 0 n com 360 N sinal A 1 sinal B disco solidário do ixo d rotação foto-snsor 0 1 ciclo sntido ngativo fig. codificador óptico incrmntal 11

12 Posição angular codificado incrmntal (ncodr) Comntários: para dtctar o sntido da rotação adiciona-s um sgundo impulso dsfasado d 90 (sinais A B) trata-s d um snsor incrmntal: só md dslocaçõs, para sabr a posição absoluta ou sabr a posição inicial: acrscnta-s um sinal com um único impulso por volta (hom ou zro) rcorr-s a um snsor absoluto m parallo (potnciómtro?) as saídas são usualmnt m nívl TTL o CS é aqui dirctamnt digital: m hardwar: consist m contador(s), cujas saídas são lidas m parallo plo microprocssador m softwar: ou utiliza-s dirctamnt uma ntrada do computador ou microcontrolador a contagm é fita por alguma aplicação 12

13 Posição angular codificador incrmntal (ncodr) simpls, barato, robusto: é muito utilizado são inclusiv utilizados para mdir dslocaçõs linars através uma roldana ou roda dntada (por xmplo m imprssoras d jacto d tinta) codificadors ópticos incrmntais (ncodrs) diâmtro mm comprimnto mm gama d mdida >360 >360 rsolução imp./volta prcisão 30 4 ' d arco alimntação 5 (25) 5 (100) V dc(ma) saída TTL/CMOS frq.máxima khz vlocidad mcânica máxima rpm binário máximo g cm vida útil (LED) >105 >107 h 13

14 Posição angular codificador absoluto tabla a b a b dc bin Gray binário a = 4 b = a = 7 b = 8 lituras com mau alinhamnto Gray Princípio físico: similar ao ncodr com N sinais codificados m código d Gray buffr parallo séri CS digital rlógio,"hold",litura fig. codificador digital absoluto 14

15 Comntários: Posição angular codificador absoluto a rsolução varia invrsamnt com o númro d sinais ou bits para 12 bits =0.088 para 16 bits = N 2 actualmnt já s vndm coficadors absolutos com 16bits prcisos, fiávis, sm CS, insnsívis ao ruído mais caros qu os antriors 15

16 Posição angular outros snsors inclinómtros mdm um ou dois ângulos ntr a vrtical o corpo do snsor o princípio físico basia-s na acção da gravidad bússolas mdm o ângulo ntr o snsor o nort magnético saídas analógicas são proporcionais ao ângulo ( tm uma discontínuidad d 360graus) ou aos sno cosno ( são contínuas) podm mdir as 3 coordnadas do campo magnético no rfrncial do snsor 16

17 Snsors do Movimnto posição linar proximidad posição angular vlocidad linar angular aclração 17

18 Vlocidad linar vlocidad ou posição ou aclração? Para mdir vlocidads, uma primira hipóts sria mdir posiçõs logo drivar (ou mdir aclraçõs intgrá-las) mas é mlhor, quando possívl, mdir a própria vlocidad, porqu: a difrnciação é um filtro passa-alto; a intgração é um filtro passa-baixo; ambas introduzm rros ruído dispnsávis. Uma xcpção important é o codificador incrmntal qu na ralidad é um snsor digital d vlocidad. A contagm dos impulsos por unidad d tmpo ou mdição do tmpo ntr dois impulsos fornc a informação dsjada, proporcional à vlocidad. 18

19 Vlocidad linar Princípio físico: a variação do fluxo numa bobin provoca uma fm: As snsibilidads d ambos os tipos d snsors varia: d dt kv para o magnto móvl d 16.5 a 250 mv/(m/s); para a bobina móvl d 4 a 3000 mv/(m/s). As gamas d frquência vão até 10 a 20 khz. N S magnto móvl bobina móvl dircção snsív l dircção snsív fig. pick-up 19

20 Vlocidad angular snsor analógico N Principio físico: S t similar ao antrior: variação d um fluxo magnético provoca uma fm rotação provoca um sinal sinusoidal amplitud sinal são proporcionais à vlocidad angular o cos t d dt ksin t 20

21 Vlocidad angular taquímtro snsor analógico cos ( K E E K Taquímtro (tacómtro) dc convrt o sinal altrnado por comutação é similar a um motor léctrico d magntos prmannts invrtido saída tm : valor médio proporcional à amplitud com sinal ruído (rippl) dvido à comutação, com frquência proporcinal à vlocidad snsibilidad K m V/(rad/s) ou V/RPM ( ) fig. grador dc a partir d um grado 21

22 Vlocidad angular taquímtro 22

23 Princípio físico: mdição da frquência Vlocidad angular snsors digitais d um sinal sinusoidal ou d um trm d impulsos mdida um príodo d forma digital é fácil prcisa N S t t fig. gradors d impulsos indutiv os 23

24 Vlocidad angular snsors digitais 24

25 Vlocidad angular vlocidads inrciais Pricípio físico dos giroscópios (d razão): fito giroscópico: corpo simétrico m rotação a alta vlocidad a vlocidad angular gra um momnto mdido saída (o) M o rotação (s) i o 1 H M M o i M i ntrada (i) H I s s i fig. o princípio do giroscópio 25

26 Comntários: Vlocidad angular vlocidads inrciais snsors usuais: rotação ntr um rfrncial fixo um ixo d rotação snsors inrciais: rotação m rlação a um rfrncial d inércia (para vículos, aviõs, barcos...) para mantr a rotação, o corpo móvl é um motor léctrico m rotação a crca d 400Hz mcânica snsívis, com dsgast das parts m contacto, rqurm calibração príodica 26

27 Outros pricípios físicos: Vlocidad angular outros snsors inrciais intrfrências lasr (com fibra óptica) força d Coriolis com snsors pizoléctricos sm parts móvis são mais pqunos, robustos duradouros, por vzs mais baratos snsor d vlocidad angular pizoléctrico Murata nc 05s gama d mdida ±90 /s zro ou offst (para = 0) 2.5 Vdc snsibilidad (scal factor) 0.8 mvdc/( /s) linaridad 5 % FS driva do zro (offst drift) ±0.5 Vdc stabilidad da snsibilidad (scal factor drift) ±20 % largura d banda 50 Hz ruído 200 mvrms alimntação 2.5/5 Vdc corrnt d alimntação 10 ma pso 3.5 g dimnsõs 20x13.2x7.1 mm 27