22SENZORI BLIZINESENZORI BLIZINE

2.1. TEHNI^KE 2.1. TEHNI^KE KARAKTERISTIKEKARAKTERISTIKE

Definicija. Senzori blizine imaju izlazni signal koji semenja kada je blizina objekta (proximity) vea ili manja od odre|ene vrednosti. Zbog toga se ~esto nazivaju relejnim senzorimaodnosno prekida~ima, ~ije ime zavisi od fizi~kog principa na komerade: induktivni, kapacitivni, optoelektronski i sl.

Senzori blizine su jeftini, jednostavni i izdr`ljivi. Njihovinformacioni kapacitet od jednog bita je mali, ali i pored toga imajuva`nu ulogu tokom izvravanja automatskih procesa − zavisno odizlaznog signala proces po~inje, zavrava, menja se ili prekida. Urobotici se primenjuju pri registraciji (brojanju) radnih komada i pridetekciji prisustva objekata i prepreka. Odlikuju se visokim metro-lokim i tehnolokim vrednostima. Terminologija, stati~ke i elektri~nekarakteristike, projektovanje, kablovski priklju~ci, kuita, primena ueksplozivno opasnim prostorima, ispitne i test procedure, propisani suevropskim standardima EN 50008 − EN 50044.

Parametri stati~ke karakteristike. Zbog na~ina na koji rade,senzori blizine imaju relejnu stati~ku karakteristiku sa histerezisom(slika 2.1.a). Senzorski deo spojen je na odgovarajue elektronsko kolo~iji je izlaz zatvoren (NC, prema normally closed ) ili otvoren (NO,prema normally open). Stanje NC ~esto se ozna~ava sa ON (uklju~en)i pridru`uje mu se logi~ka jedinica, a stanje NO tada se ozna~ava saOFF (isklju~en) i pridru`uje mu se logi~ka nula.

Preklopno rastojanje ili opseg delovanja je udaljenost prikojoj se menja izlazni signal. Zbog varijacije u tehnolokim ikonstrukcionim parametrima, uticaja temperature i nestabilnosti

22 SENZORI U ROBOTICI

napona napajanja, nominalna vrednost preklopnog rastojanja imasamo teorijski zna~aj. Za tehni~ku primenu relevantni su sledeiparametri (slika 2.1.b):

• Realno preklopno rastojanje Sr koje se razlikuje od nominalnogza ±arSn. Koeficijent ar obuhvata proizvodne i konstrukcionetoleranse definisane pri nominalnom naponu napajanja iradnoj temperaturi od 20°C i ima maksimalnu vrednost 0,1,tako da je 0,9Sn ≤0,9Sr≤1,1Sn;

• Efektivno preklopno rastojanje Se koje se razlikuje od nomi−nalnog za ±aeSn. Koeficijent ae odra`ava uticaj temperature, avrednost mu je takva da je 0,9Sr≤Se≤1,1Sr, odnosno0,81Sn ≤Se ≤1,21Sn ;

• Operativno preklopno rastojanje So, koje odgovara dozvoljenimuslovima rada, a definie se kao 0≤So≤Semin, odnosno0 ≤So ≤0,81Sn.

a) b)

Slika 2.1. Stati~ka karakteristika senzora blizine: a) relejna karakteristika,b) opseg delovanja

Histerezis stati~ke karakteristike definie se kao nepodudarnostizme|u preklopnog rastojanja kada se detektovani objekat pribli`avasenzoru i preklopnog rastojanja kada se objekat udaljava od senzora.Histerezis se izra`ava kao apsolutna vrednost ili u procentimanominalnog preklopnog rastojanja.

Ponovljivost stati~ke karakteristike predstavlja ta~nostefektivnog preklopnog rastojanja Se za dva sukcesivna prekida~kastanja izme|u kojih je interval od osam sati, pri ambijentnoj

SENZORBLIZ INE

IZLAZ

IZLAZTEST OBJEKAT

SENZOR BLIZ INE

AKTIVNAPOVR[ INA

OBJEKAT

BLIZ INA

Semin

Srmin

Semax

Srmax

Sn

Sn

Semin+HSrmin+H

Semax+HSrmax+HSn+H

SENZORI BLIZINE 23

temperaturi 15°C< t<30°C i pri napajanju koje varira najvie ±5%od nominalne vrednosti. Treba napomenuti da su u ponovljivostsumarno uklju~eni efekti promenljivih uslova sredine, histerezisa idrifta.

Frekvencija preklju~ivanja f je maksimalni broj uklopnih cik-lusa u jednoj sekundi pri odre|enim uslovima. Jedan uklopniciklus definie se kao odnos ON/OFF, uz primenu standardnogtest objekta sa ta~no propisanim oblikom, dimenzijama imaterijalom od kojeg je napravljen. U zavisnosti od fizi~kog principarada senzora specificirani su odgovarajui test objekti i odnosiON/OFF (1/1 ili 1/2).

Elektri~ne karakteristike. Napajanje senzora ostvaruje sedvo`i~no preko poja~ava~a ~iji se rad kontrolie potronjom, tj.strujom senzora. Za poja~ava~ se specificiraju sledei parametri:

• napon napajanja U sa odre|enom vrednou struje kratkogspoja Iks;

• vrednost struje Ipr kada je senzor u ta~ki preklapanja;

• struja I1, koja indicira prekid napojnog voda ili otkaz senzora,pri ~emu je vrednost I1 manja od minimalne vrednosti radnestruje u kolu;

• struja I2, koja ozna~ava kratak spoj u napojnom vodu ili otkazsenzora, pri ~emu je vrednost I2 vea od maksimalne vrednostiradne struje u kolu.

Izlazni stepen je pnp ili npn tipa. U prvom slu~aju optereenje sepriklju~uje izme|u izlaza i negativnog pola napajanja (pozitivnalogika), a u drugom slu~aju izme|u izlaza i pozitivnog pola (negativnalogika), (slika 2.2.a,b).

Ozna~avanje. Standardni senzori blizine imaju dvo`i~niizlaz, koji je u normalnom stanju otvoren (NO) ili zatvoren (NC).Slo`enija elektri~na kola omoguavaju da se za normalno stanje, uzavisnosti od konkretnih uslova primene, odabere NO ili NC. Utom slu~aju na izlazu su tri priklju~ka. Senzor sa ~etiri priklju~kaomoguava istovremenu upotrebu stanja NO i NC (slika 2.2.c).

Ekonomski parametri. Velike mogunosti u primeni iniska cena uslovili su da na promet senzora blizine otpada oko17% svih senzora. Za ilustraciju mo`e se navesti da je za 1994.

24 SENZORI U ROBOTICI

u SAD predvi|ena njihova prodaja u iznosu od 165 milionadolara, pri ~emu je ukupna vrednost tr`ita senzora procenjena najednu milijardu dolara.

a) b)

c)

Slika 2.2. Izlaz senzora blizine a) pnp, b) npn, c) simboli~ko ozna~avanje

2.2. ELEKTROMEHANI^KI 2.2. ELEKTROMEHANI^KI SENZORISENZORI

Elektromehani~ki mikroprekida~i su najstariji senzoriblizine (Honeywell Micro Switch, 1932). Mikroprekida~ je ugra|enu kuitu, a kontakti se aktiviraju pomou poluge koja ima

+

-

6OPTERE-]ENJE

PNP NPN

+

-

DVO@I^NINORMALNOOTVOREN

DVO@I^NINORMALNOZATVOREN

TRO@I^NINORMALNOOTVOREN

TRO@I^NINORMALNOZATVOREN

^ETVORO@I^NI

^ETVORO@I^NI

NPN NPN

PNP PNP

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

IZLAZ

SENZORI BLIZINE 25

raznovrsne oblike, zavisno od namene (slika 2.3.). Preklju~ivanjeelektri~nih kontakata u odre|enoj poziciji realizuje se sa ta~nou do±2 mm, radna temperatura je od −65 °C do +550 °C, frekvencijapreklju~ivanja 100−300 uklopnih ciklusa u minuti, a vek trajanja jeograni~en na 106−107 preklju~ivanja. Ovakvi prekida~i su jeftini imogu se direktno, bez poja~ava~a, upotrebiti za prekidanje jed-nosmerne i naizmeni~ne struje do 25 A.

Slika 2.3. Elektromehani~ki prekida~i

Rid-releji (reed−switch) sa mehani~kim kontaktima prete~esu savremenih senzora blizine. Elasti~ni kontakti rid− −releja pravese od feromagnetnog materijala i hermeti~ki su zatvoreni u kapsuliispunjenoj inertnim gasom. Kontakti su u normalnom stanjuotvoreni, a kada se pribli`i stalni magnet pri~vren na ruci robota iliradnom objektu, kontakti se zatvaraju. Dobre osobine senzora na bazirid−releja su visoka pouzdanost od preko 107 prekidanja, ta~nost ihisterezis ±1 µm, temperaturni opseg rada od −20 °C do +70 °C,neosetljivost na vlagu i mogunost rada u eksplozivno opasnoj sredini.Loe osobine su preklop sa odskakanjem (treperenje kontakata) irelativno veliko vreme uspostavljanja novog stanja.

Elektronski senzori blizine nemaju nedostatke svojih prete~asa mehani~kim kontaktima, a zadr`avaju sve njihove dobreosobine.

1

0

1 kΩ

+V

IZLAZ

KOLO ZAPRIKLJU^IVANJEPREKIDA^A

26 SENZORI U ROBOTICI

2.3. ELEKTROMAGNETSKI 2.3. ELEKTROMAGNETSKI SENZORI BLIZINESENZORI BLIZINE

2.3.1. Induktivni senzori2.3.1. Induktivni senzori

Princip rada temelji se na zavisnosti induktivnosti kalemaod promene magnetske otpornosti. Sa pribli`avanjem metalnogpredmeta slabi magnetska otpornost kalema i raste induktivnost.Kada se predmet udaljava, deava se suprotna pojava. Parametrielektromagnetskog kola i karakteristike objekta odre|uju zonudetekcije.

Standardni test objekat za induktivni senzor blizinedefinisan je kao kvadratna ~eli~na plo~ica (^E 0300) debljine 1 mm sastranicom ~ija je du`ina jednaka pre~niku aktivne povrinecilindri~nog senzora (slika 2.4.a). Pomeranjem test objekta uhorizontalnom i vertikalnom pravcu senzor e se aktivirati kadaprednja ivica objekta do|e u odre|enu ta~ku. Spajanjem ovih ta~akadobija se kriva odziva (slika 2.4.b).

b)

Slika 2.4. Testiranje induktivnog senzora: a) standardni test objekat, b)krive odziva za `elezo i aluminijum

Induktivni senzor blizine mo`e se primeniti i za detekcijumetalnih objekata koji nisu od ~elika. Tada je potrebno korigovatinominalnu krivu odziva sa koeficijentom korekcije koji sedeklarie u odnosu na nominalno preklopno rastojanje Sn. Naprimer, za levano `elezo faktor korekcije je 1,1, za aluminijumskufoliju debljine 0,05 mm je 0,9, za ner|ajui ~elik 0,7, za mesing0,4−0,5, za aluminijum 0,35−0,4 i za bakar 0,3−0,4. Kada jeradni objekat vei od test objekta, preklopno rastojanje jedva e se

Sn

INDUKTIVNI SENZOR BLIZINE

AlS

Fe

a)

SENZORI BLIZINE 27

promeniti, ali kada je radni objekat manji ili tanji od test objekta,preklopno rastojanje jako se redukuje. Zato je podatak odimenzijama test objekta bitan za pravilan izbor senzora.

Struktura. Induktivni senzor sa jednosmernim izlaznimsignalom sastoji se od kalema kao primarnog osetilnog elementa,oscilatora koji generie naizmeni~no elektromagnetsko polje,demodulatora koji pretvara promenu amplitude u jednosmernisignal, prekida~kog stepena ([mitovog trigera) i poja~ava~a (slika2.5.a).

a)

b) c)

Slika 2.5. Induktivni senzori blizine: a) blok−ema, b) tranzistorskoprekida~ko kolo, c) prekida~ko kolo sa operacionim poja~ava~em

^im se uklju~i napajanje, po~inju oscilacije na rezonantnojfrekvenciji f. Zbog ovih oscilacija, u smeru ose senzora javlja seelektromagnetsko polje. Kada metalni objekat u|e u polje, nanjegovoj povrini indukuju se vihorne struje koje smanjujuenergiju polja. Gubici energije zavise od parametara polja,geometrije i fizi~kih osobina materijala od kojeg je napravljenobjekat. Prora~un gubitaka zbog vihornih struja za objekat od limadebljine d provodi se pomou formule

MAGNETSKOPOLJE

KALEM

ISPRAVLJA^[MITOVTRIGER

KOLPITSOVOSCILATOR

POJA^AVA^

IZLAZ

SENZORBLIZINE

1 kω

360 ω

SENZORBLIZINE

910 Ω

8,2 V

100 Ω470 kΩ

2,2 kΩ

+

-

A

4,7 kΩ

8,2 V

100 Ω

28 SENZORI U ROBOTICI

[ ],W/cm106

BfdP 2

6max

vs ρπ

= , (2.1)

gde su: ρ specifi~na elektri~na otpornost lima, f frekvencija pobudnihoscilacija i Bmax amplituda magnetske indukcije. Zbog ovih gubitakasmanjuje se faktor dobrote kalema Q=ωL/R. To je optereenje na radoscilatora i amplituda oscilacija opada. Sa pribli`avanjem objektaredukcija amplitude sve je izrazitija i, na kraju, strujno kolo sasvimse prekida. Kolo trigera menja stanje izlaznog poja~ava~a i senzor iznormalno zatvorenog (NC) prelazi u normalno otvoreno stanje (NO).

Elektri~ne karakteristike induktivnih senzora blizinepropisane su standardima. Najva`niji parametri su:

• stabilan napon napajanja Uo=7−9 V (preporu~uje se 8,2 V) sastrujom kratkog spoja Iks=7−16 mA (preporu~uje se 8,2 mA);

• struja Ipr=0,2−2,1 mA kada je senzor u ta~ki preklapanja;

• struja I1=0,05−0,15 mA, koja indicira prekid napojnog voda iliotkaz senzora;

• struja I2=6,5−7,45 mA, koja indicira kratak spoj u napojnomvodu ili otkaz senzora, pri ~emu navedenom opsegu strujeodgovara ekvivalentna otpornost senzora od 360 Ω do100 Ω i za napon napajanja 8,2 V.

Radna vrednost struje zavisi od samog senzora i odre|uje seu skladu sa prethodnim tehni~kim parametrima. Za kontrolu radapoja~ava~a unutar definisanih granica upotrebljavaju sediskretna kola − tranzistorska ili sa operacionim poja~ava~em(slika 2.5.b,c).

Matemati~ki modeli induktivnih senzora blizine opisujuzavisnost induktivnosti L od udaljenosti objekta D. Pri gradnjimatemati~kog modela L(D) potrebno je odrediti uslovefunkcionisanja, koordinatni sistem, aproksimaciju modela iparametre modela.

Uslovi koji odre|uju funkcionisanje senzora su:

• induktivnost L0 pri potpunom kontaktu senzora i objekta zaD=0:

L L0 = ( ) ;0 (2.2)

SENZORI BLIZINE 29

• induktivnost LINF kada je objekat daleko od senzora, tj. zaD→∞:

L LINF = ∞( ) ; (2.3)

• monotona promena L(D) u intervalu D∈[0,∞];

• osetljivost, odnosno kona~na vrednost prvog izvoda:

( ) .00 dd == DDLS (2.4)

Treba napomenuti da su navoji kalema smeteni u kuitu,pa objekat nikad nee u potpunosti zatvoriti magnetsko kolo, te eL0 i S0 uvek imati neke kona~ne vrednosti.

KoordinatniKoordinatni sistemsistem u kome se gradi matemati~ki model jenaj~ee pravougli, pri ~emu se varijable predstavljaju u relativnomobliku radi jednostavnijeg pore|enja karakteristika dvaju razli~itihsenzora. Ove varijable su:

• relativno rastojanje DR i definie se u odnosu nakarakteristi~nu geometrijsku dimenziju senzora DREF:

DR D D= REF ; (2.5)

• realativna induktivnost:

LRL L L

L=

−= −INF

INF INFL1 . (2.6)

Aproksimacija modela. . Zavisnost L(D), odnosno LR(DR), jehiperbolna funkcija koja se aproksimira kao eksponencijalnafunkcija sa dva, tri ili ~etiri nezavisna parametra. U praksi senaj~ee upotrebljava funkcija sa tri paramatra:

LR B DRC= ⋅ ⋅A e , za: A<0, B<0 i 0<C<1, (2.7)

pri ~emu su:

LR LR A0 = =( )0 i

( ) ( )S LR DR B C LR DRCDR DR

0 0 0= = ⋅ ⋅ ⋅ − = −∞

→ →d d 1 .

(2.8)Parametri modela. Ako je kona~ni model u obliku ekspo−

nencijalne funkcije (2.7), potrebno je odrediti parametre A, B i Cpomou poznatih vrednosti L0, L1, L1/e, LINF i DREF :

30 SENZORI U ROBOTICI

• Za DR=1, tj. za D=DREF, iz jedna~ine (2.7) dobija se da je

LR LR A B( )1 = = ⋅1 e , (2.9)

odakle se lako nalazi relacija za ra~unanje parametra B:

(2.10)

• Za odre|ivanje parametra C mo`e se uzeti bilo koja vrednost,ali je najpogodnija DR=1/e, tj. D=DREF/e, za koju jedna~ina(2.7) ima oblik:

(2.11)

odakle se, posle logaritmovanja, dobija parametar C:

(2.12)

Na slici 2.6 prikazan je induktivni senzor blizine U−tipa i uticajparametara B i C na oblik stati~ke karakteristike modeliranefunkcijom (2.7). Referentna udaljenost objekta DREF za ovaj tipsenzora definisana je kao rastojanje izme|u osa polova jezgra.Najpovoljnije je da se radna ta~ka (preklopno rastojanje) induktivnogsenzora odabere u oblasti visoke osetljivosti, ali je tada objekat suvieblizu i postoji rizik od mehani~kog oteenja. Zato se u praksipreklopno rastojanje odre|uje za DR>0,05.

C-eB1 eA

1 ⋅⋅=

=e

LRLR e

.lnlnlnlnINF0

INF1

INF

0

INF

1

0

11

1

1

LLLL

LLLL

LRLR

ALR

B−−

=−

−===

.ln

lnln

ln

lnln

lnln

//

/

INF0

INF1

INF0

INF1

0

1

0

1

0

1

LLLLLLLL

LRLRLRLR

BLRLR

Cee

e

−−

−−

==−=

SENZORI BLIZINE 31

a) b) c)

Slika 2.6. Analiza induktivnog senzora U-tipa: a) konstrukcija, b) uticajparametra B na izgled krive LR=LR(DR), c) uticaj parametra C na izgled

krive LR(DR)

Na~in gradnje. Induktivni senzori blizine imaju U, cilindri~niili prizmati~ni oblik (slika 2.7). Kuite je napravljeno od ner|ajueg~elika ili od polimera. ^esto su na kuitu ili konektoru ugra|eneLED diode za vizuelnu indikaciju stanja ON/OFF i ispravnostinapajanja. Kod prizmati~nog senzora obi~no postoji mogunost da se~eona povrina kalema zakrene za 90°, ~ime se olakava ugradnja i namanje dostupnim mestima.

a) b) c)

Slika 2.7. Konstrukcija induktivnih senzora blizine: a) U−tip, b)cilindri~ni, c) prizmati~ni

Monta`a i primena. Induktivni senzori blizine lako seugra|uju. Od konkretne primene zavisi koji e se tip senzoraodabrati i na koji e se na~in ugraditi. Ako metal noseekonstrukcije ne deluje na induktivnost, tada je najjednostavnijadirektna ugradnja kao na slici 2.8.a. Da bi se izbegli uticajiarmature na induktivnost, senzor se mo`e ugraditi na udubljenju,

LRLR

B= −2

B= −4B= −6

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

25

20

15

10

5

25

20

15

10

5

C=0,8C=0,6

C=0,4

DREF=16 mmLINF =2,6 mHµ = 6000A=25, C=0,4

DREF=16 mmLINF =2,6 mHµ = 6000A=25, B= −6

TESTOBJEKAT

y

x

DREF

DRDR

z

LED DIODA

POKLOPAC

xy

AKTIVNAPOVR[INA

LED DIODE

32 SENZORI U ROBOTICI

pri ~emu je ivica armature udaljena od aktivne povrine za nekiiznos ustanovljen eksperimentom (slika 2.8.b).

a) b) c)

Slika 2.8. Ugradnja induktivnih senzora blizine: a) direktna ugradnja, bugradnja u udubljenju, c) ugradnja u nizu, d) detekcija ugaone brzine, e)

detekcija ugaone brzine i smera vrtnje

Vie senzora istog tipa mogue je ugraditi u nizu − jedan dodrugog. Tada je va`no da se odr`i minimalno dozvoljeno rastojanjeizme|u aktivnih povrina (1D−3D) kako ne bi dolo do uzajamnogdelovanja (slika 2.8.c). Induktivni senzori obi~no se ugra|uju nanepokretnom delu armature, ali zahvaljujui savitljivim i lako iz-menljivim priklju~nim kablovima jednostavna je ugradnja i napokretnim delovima, na primer, na ruci robota.

Induktivni senzori blizine ~esto se upotrebljavaju za detekcijubrzine vrtnje osovine. Na osovinu se tada postavljajunazubljeni diskovi od feromagnetnog materijala. Prekida~ se montira

D

d)

e)

SENZORI BLIZINE 33

radijalno ili aksijalno u odnosu na disk, odnosno tako da zupciprolaze kroz procep senzora (slika 2.8.d). Za detekciju smera vrtnjepotrebna su dva senzora, koji su montirani jedan do drugog tako dasu njihovi ulazni signali fazno pomereni za 90° (slika 2.8.e). Stanjaovakvog para menjaju se po redosledu 00, 01, 11 i 10 za direktni smervrtnje, odnosno obrnuto za reverzibilni smer vrtnje.

Tehni~ke karakteristike. Induktivni senzori blizine odlikujuse velikom pouzdanou, kompaktnom gradnjom i otpornou nahemikalije, mehani~ke vibracije i vla`nost. Imaju zna~ajne prednosti uodnosu na elektromehani~ke: beskontaktni preklop bez treperenja,mala potronja, teorijski neograni~en vek trajanja, zatita odpreoptereenja, zatita od kratkog spoja i zatita od nepravilnogpriklju~ivanja. Radna temperatura je u opsegu −25 °C do +80 °C, a zaspecijalne konstrukcije opseg je vei: od −40 °C do +100 °C.Frekvencija preklju~ivanja vea je kod senzora manjih dimenzija jeroni imaju manju aktivnu povrinu i manji opseg delovanja: naprimer, f=50−2 500 Hz za aktivnu povrinu sa pre~nikom D<1 mm ipreklopnim rastojanjem Sn=1−2 mm.

Za U−tip senzora nominalni opseg delovanja je 2−30 mm,preklopna ta~ka je u procepu na 60% dubine, histerezis je 5−10%nominalnog opsega, radni napon je 10−30 V, nominalni napon naizlazu je 8 V, a frekvencija preklju~ivanja je 25−5 000 Hz. Zacilindri~ni i prizmati~ni tip karakteristi~ni su sledei podaci: pre~nik(du`ina strane) aktivne povrine 20−100 mm, nominalni opsegdelovanja je 0,8−25 mm, operativni opseg je 0<So<0,8Sn, histerezis je±5% a ostali podaci su sli~ni kao i kod U−tipa. Napajanje jenaizmeni~no 220 V, pri ~emu je u jednosmernim kolima napon10−30 V sa naizmeni~nom komponentom (ripple) ±10% od tevrednosti.

2.3.2. Specijalni elektromagnetski senzori

Specijalni senzori napravljeni su da izdr`e velikidinami~ki pritisak od nekoliko stotina bara, da rade ueksplozivno opasnom prostoru, da se postavljaju u sigurno stanjeu slu~aju otkaza i dr. U klasi elektromagnetskih za ove namenepostoje novi tipovi senzora blizine: tankoslojni, Holovi imagnetootporni~ki.

34 SENZORI U ROBOTICI

Tankoslojni induktivni. Specijalni tip induktivnog senzorablizine na bazi vihornih struja izgra|en je tehnikom tankog sloja.Tankoslojni spiralni navoji naneti su sa obadve strane podloge (slika2.9.a). Geometrijski i elektri~ni pokazatelji takvog kalema su: debljinabakarnog sloja 35 µm, debljina podloge 1,6 µm, vanjski pre~nik spirale35 mm, unutranji pre~nik 9 mm, broj obilazaka spirale 11, otpornostnavoja 0,8 Ω induktivnost 10 mH. Tankoslojni kalem priklju~en je naKolpitsov sinusni LC−oscilator sa frekvencijom f0=2−3 MHz. Kada seobjekat od feromagnetnog materijala pribli`ava senzoru, smanjuje semagnetska otpornost kola, odnosno poveavaju se induktivinost ifrekvencija (slika 2.9.b,c). Vihorne struje koje se indukuju uferomagnetnom objektu ograni~avaju taj porast. Kada je objekatnapravljen od neferomagnetnog materijala, tada na promenufrekvencije uti~u samo vihorne struje.

Tankoslojni senzori blizine lako se ugra|uju u niz ili matricu,to se praktikuje kod detekcije oblika, lokacije i orijentacije veihmetalnih objekata. U tom slu~aju senzorska matrica postavlja seispod plo~e od pleksiglasa debljine 6 mm da bi vertikalno rastojanjeizme|u niza i objekta bilo konstantno.

a) b) c)

Slika 2.9. Tankoslojni induktivni senzor blizine: a) izgled, b) stati~kakarakteristika f(x) i osetljivost S(x) pri ~eonom pribli`avanju objekta, c)stati~ka karakteristika i osetljivost pri bo~nom pribli`avanju objekta

Senzori na bazi Holovog efekta. Holov efekt poznat jeod 1879. godine, a njegova prakti~na primena postaje sve

izrazitija zahvaljujui postojanju odgovarajuih poluprovodni~kihmaterijala. Holov efekat nastaje kada se poluprovodnik kroz koji te~e

OBJEKAT

SENZOR

f [MHz] f [MHz]

x3,9

3,6

3,3

3,0

2,70 10 20 30 40 mm

x6 mm100

10

1

0,1

S(x)S(x)

f (x)f (x)

S[kHz/mm] S[kHz/mm]

100

10

1

0,1

3,9

3,6

3,3

3,0

2,730 mm20100-10-20-30

SENZORI BLIZINE 35

jednosmerna struja I unese u magnetsko polje indukcije B, pri ~emuje struja popre~na na polje (slika 2.10.a). Tada dolazi do defleksijetoka nosilaca naelektrisanja jer na svako naelektrisanje q delujeLorencova sila

F q V B→ → →

= ×( ), (2.13)

pa se nosioci sa pozitivnim naelektrisanjem (q>0) sakupljaju na jednojpovrini poluprovodni~ke plo~ice, a nosioci sa negativnimnaelektrisanjem (q<0) na suprotnoj povrini. Kao kumulativnirezultat izme|u ovih povrina nastaje Holov napon

V IB dH k= , (2.14)

gde su: d debljina plo~ice, k Holova konstanta, koja zavisi odkarakteristika poluprovodnika i temperature. Tipi~na vrednostHolovog napona je nekoliko mV, a vrednost izlazne otpornosti odnekoliko oma do nekoliko stotina oma. Treba napomenuti da jeporast Holovog napona pomou poveanja struje I ili smanjivanjadebljine d ograni~en zbog zagrevanja plo~ice.

Slika 2.10. Senzor blizine na bazi Holovog efekta: a) Holov efekt, b)

senzor, c) detekcija ugaone brzine

a) b)

c)

+ -

VH

I

N

KRETANJEMIKROMAGNETA

HOLOVPREKIDA^

HOLOVPREKIDA^B

36 SENZORI U ROBOTICI

Senzori blizine na bazi Holovog efekta primenjuju se u roboticitako da se stalni mikromagnet pri~vrsti na radni objekat. Kretanjeobjekta mo`e biti translatorno ili rotaciono (slika 2.10.b). Kadamagnetski fluks definisanog smera zbog pribli`avanja magnetadostigne odre|enu vrednost, na izlazu se generie Holov napon.Udaljavanjem magneta, izlazni napon postaje jednak nuli. Kako jeHolov napon malog nivoa, on naj~ee slu`i kao upravlja~ki napon zatranzistor koji se nalazi u istom kuitu. Tranzistor radi uprekida~kom re`imu, tako da se na izlazu dobije napon potrebnognivoa. Senzor je obi~no napravljen tako da pribli`avanje ju`og polamagneta menja stanje tranzistora, dok pribli`vanje severnog polanema nikakvog zna~aja.

Senzori blizine na bazi Holovog efekta primenjuju se i zamerenje ugaonog polo`aja i ugaone brzine. Na slici 2.10.c prikazanesu dve prakti~ne realizacije za merenje ugaone brzine. U prvomslu~aju na rotirajuem disku smeteni su mikromagneti, a u drugomslu~aju disk ima izgled propelera. Prolaskom magneta poredferomagnetnih krakova dobija se niz pravouglih impulsa, ~ija jefrekvencija proporcionalna merenoj brzini. Posebno su interesantnidiskovi koji po obodu imaju veliki broj magneta, tako da se dobija tzv.prstenasti magnet.

Magntorezistorski senzor menja svoju otpornost R uzavisnosti od magnetskog polja (slika 2.11.a). Magnetsko poljeindukcije Bmax koje dovodi do zasienja u promeni otpornosti,maksimalna promena otpornosti ∆Rmax, vrednost otpornosti R0 priB=0 i osetljivost ∆R/∆B projektuju se pogodnim izborom materijala igeometrije senzora u skladu sa konkretnom primenom. Obi~no krozmagnetorezistor prolazi konstantna struja I, a promena magnetskogpolja izazvanog pribli`avanjem objekta na kome je pri~vren stalnimagnet detektuje se kao promena napona na krajevimamagnetorezistora.

Magnetorezistorski senzor je pogodan za merenje pozicije ibrzine objekata. Slika 2.11.b prikazuje detektor ugaone pozicije,odnosno brzine. Nailaskom zubaca od feromagnetnog materijalamenja se magnetsko polje u kome se nalazi senzor, tako da sena izlazu dobija odgovarajui naponski impuls. Konstrukcija sadva magnetorezistora na rastojanju od 1/2 irine zupcaomoguava da se odredi smer kretanja. Tipi~ni podaci koji seodnose na magnetorezistore su: du`ina 2−2,5 mm, nominalnaotpornost 180 Ω, 400 Ω ili 500 Ω, magnetska indukcija pri kojoj

SENZORI BLIZINE 37

dolazi do zasienja u promeni otpornosti B=0,8−2 T, nominalnastruja 5 mA i frekventni opseg 0−5 MHz. Minimalno rastojanjeferomagnetnih zubaca je 0,05 mm, tipi~na ta~nost ±1−2%, a uticajtemperature je do ±1%Rnom/°C.

a) b)

Slika 2.11. Magnetorezistorski senzor: a) tipi~na karakteristika, b)detekcija ugaone pozicije (brzine)

2.4. KAPACITIVNI SENZORI2.4. KAPACITIVNI SENZORIBLIZINEBLIZINE

Princip rada. Kapacitivni senzori blizine sastoje se odkondenzatora kao primarnog osetilnog elementa koji se priklju~uje naoscilator ili poja~ava~. U oba slu~aja kapactivnost kondenzatoramenja se zbog ulaska objekta i promene dielektri~ne konstanteizme|u elektroda ili zbog promene rastojanja izme|u elektroda odkojih je jedna na aktivnoj povrini senzora, a druga na objektu.

Konstrukcija sa RC−oscilatorom napravljena je tako dapojava objekta izme|u elektroda dovede do nastankanaizmeni~nog napona (slika 2.12.a). U prekida~kom kolu(ispravlja~ sa [mitovim trigerom) naizmeni~ni napon oscilatora seispravlja i prekida, a rezultujui jedosmerni napon menjaON/OFF stanje izlaznog stepena. Podeavanjem povratne sprege

w

FEROMAGNETNIZUPCI

MAGNETO-REZISTOR

MAGNET

MAGNETO-REZISTORI

∆R

∆Rmax

BBmax0

MAGNET

38 SENZORI U ROBOTICI

izme|u oscilatora i prekida~kog kola postavlja se vrednost preklopnograstojanja.

Konstrukcija sa poja~ava~em obi~no ima kapacitivni senzorblizine sa promenljivim rastojanjem izme|u elektroda (slika 2.12.b).Izlazni napon eOUT je

eKCeS

dOUT = − , (2.15)

gde su: K konstanta, C kapacitivnost na ulazu u poja~ava~, eamplituda naizmeni~nog pobudnog napona i S aktivna povrinaelektroda. Naizmeni~ni napon se ispravlja i upore|uje sa naponompraga [mitovog trigera, koji je podeen na vrednost ekvivalentnupreklopnom rastojanju. Izlaz trigera menja ON/OFF stanje izlaznogstepena.

a) b)

Slika 2.12. Kapacitivni senzor blizine: a) blok−ema sa oscilatorom, b)ema sa poja~ava~em

Opseg delovanja zavisi od vrste materijala od kojeg jenapravljen radni objekat. Razlikuju se tri slu~aja:

• Radni objekat je od neprovodnog materijala − dielektrika(staklo, drvo, plastika). Promena dielektri~ne konstantemedijuma u aktivnoj zoni je mala, zbog ~ega je preklopno ras-tojanje malo (20−30 mm);

• Radni objekat je od metala, tako da do promene kapacitivnostidolazi na veoj udaljenosti nego u prethodnom slu~aju, tjpreklopno rastojanje je oko 40 mm;

• Radni objekat je od metala koji je uzemljen, pa je apsorpcijanaelektrisanja jo vie izra`ena, a preklopno rastojanjepribli`no dvostruko vee nego u prvom slu~aju (50−60 mm).

VFOCSILATOR

PREKIDA^KOKOLO

IZLAZNOKOLO

+

-

PODE[AVANJEPREKLOPNOGRASTOJANJA

ZA[TITNIPRSTEN

OBJEKAT

A-

+

eOUT+

-e

C

d

SENZORI BLIZINE 39

Prisustvo vlage i praine, tako|e i porast temperature,poveavaju preklopno rastojanje. Zato se ta~na vrednost udaljenostipri kojoj dolazi do preklju~ivanja mo`e utvrditi jedino za odre|eneradne uslove. Kapacitivni senzori neupotrebljivi su za detekcijupredmeta od poroznih materijala (stiropor, spu`va) jer imaju loedielektri~ne osobine, odnosno njihova relativna dielektri~na konstantaje blizu jedinice.

Konstrukcija i tehni~ke karakteristike. Blok−struktura ikonstrukcija kapacitivnih senzora blizine sli~na je induktivnim −naj~ee se prave u obliku cilindra pre~nika d=10−30 mm i du`inel=60−100 mm ili prizme dimenzija od 40×40×100 mm do80×80×40 mm. Standardni test objekat je od stakla ili PVC plastike,dimenzija 100×100×100 mm. Za objekte od drugih materijaladeklariu se odgovarajui korekcioni faktori: za metale 1, za vodu 1,za staklo 0,5, za keramiku 0,4, za drvo 0,2−1. Preklopno rastojanjepodeljivo je u intervalu od 2−10 mm do 5−50 mm, histerezis je10%Sn, obnovljivost je manja od 0,01 mm, frekvencija preklju~ivanjaje 10−100 Hz, radna temperatura je od −30 °C do +70 °C, dobra jepodnoljivost na vibracije amplitude do 1 mm i frekvencije do 50 Hz,napon napajanja je jednosmerni (10−30 V) ili naizmeni~ni (20−220 V,50 Hz).

2.5. ULTRAZVU^NI 2.5. ULTRAZVU^NI SENZORI BLIZINESENZORI BLIZINE

2.5.1. 2.5.1. Princip rada.Princip rada.

Ultrazvu~ni senzori blizine sastoje se od ultrazvu~nogprimopredajnika, ure|aja za formiranje izlaznog signala i poja~ava~a(slika 2.13.a). Primopredajnik periodi~no emituje ultrazvu~ni talasfrekvencije 10−400 kHz, a zatim prima reflektovani talas (eho) odradnog objekta. U ure|aju za formiranje izlaznog signala odre|uje sevreme t izme|u emitovanja i prijema signala i, na osnovu poznatebrzine c prostiranja ultrazvu~nog talasa kroz merni medijum (obi~noje to vazduh), izra~unava udaljenost objekta:

40 SENZORI U ROBOTICI

xtc

=2. (2.16)

Ovaj na~in rada ~esto se ozna~ava akronimom TOF (time offlight). Rezultat ra~unanja upore|uje se sa preklopnim rastojanjem i,u skladu s tim, dolazi do promene izlaznog signala sa logi~ke nule nalogi~ku jedinicu, ili obrnuto − sa logi~ke jedinice na logi~ku nulu −to zavisi od toga da li se objekat pribli`ava ili udaljava.

a) b)

Slika 2.13. Ultrazvu~ni senzor blizine: a) strukturna blok−ema, b)emitovani i eho signal

Od senzora do objekta ultrazvuk se iri po konusu 5−10° (slika2.13.b). Naj~ee se senzori isporu~uju sa inicijalno postavljenimpreklopnim rastojanjem, pa se onda posebnim potenciometrompodeava `eljena vrednost unutar 0−100% maksimalne vrednosti.Podaci o podeenoj vrednosti odnose se na slu~aj kada se objekatkree du` ose zra~enja. Objekat se mo`e kretati i normalno na osuzra~enja, ali je tada efektivno preklopno rastojanje potrebno odreditieksperimentom.

2.5.2. Problemi primene2.5.2. Problemi primene

Detekcija blizine objekata na osnovu vremena prelaskaultrazvuka od predajnika do prijemnika u na~elu je jednostavna, alise u gradnji senzora javlja vie problema (nejednaka brzinaprostiranja ultrazvuka u razli~itim medijumima, zavisnost brzine odtemperature i pritiska vazduha, slabljenje intenziteta zbog radijalnogirenja i apsorpcije, delovanje uma i dr.).

Brzina ultrazvuka cc razli~ita je u pojedinim medijumima. Naprimer, u vodi je 1500 m/s, u metalima je 3 000−6 000 m/s, u staklu

ULTRAZVU^NIPRIMO-

PREDAJNIK

FORMATORIMPULSA

POJA^AVA^IZLAZ

PRIMOPREDAJNIK

OBJEKAT

OBJEKAT

5−10°

SENZORI BLIZINE 41

5 500 m/s, u stiroporu samo 500 m/s. O ovome se vodi ra~una u faziprojektovanja senzora, jer se senzor gradi za odre|enu namenu.

Zavisnost brzine ultrazvuka od temperature vazduha prinormalnom atmosferskom pritisku opisuje se jedna~inom

,273/T5,331M

RTc ⋅=µ= , (2.17)

gde su: κ odnos specifi~ne toplote vazduha pri konstantnom pritisku ispecifi~ne toplote vazduha pri konstantnom volumenu, R univerzalnagasna konstanta i T apsolutna temperatura. Na osnovu ovezavisnosti, ina~e, pravi se apsolutni termodinami~ki akusti~kitermometar, a u konkretnom slu~aju slu`i za ra~unanje stvarnevrednosti c u jedna~ini (2.16). Na primer, na temperaturiT=273 K (0 °C) brzina ultrazvuka je 331,5 m/s, a na temperaturiT=293 K (20 °C) brzina je 343,1 m/s.

ZavisnostZavisnost brzinebrzine ultrazvukaultrazvuka odod atmosferskogatmosferskogpritiskapritiska p (odnosno nadmorske visine H) opisuje se jedna~inom:

,p

cρκ

= (2.18)

pri ~emu treba uzeti u obzir da je gustina vazduha funkcijatemperature: ρ =ρ(T). Na primer, na 15 °C pri normalnom atmosfer-skom pritisku na nivou mora brzina je c=340,29 m/s, a na 1000 mnadmorske visine je c=336,43 m/s. Varijacije pritiska vazduha uradnoj okolini robota u praksi su zanemarljive, tako da se jednomizra~unata korekcija brzine prema jedna~ini (2.18) mo`e smatratikonstantnom: c(ρ)=const.

Zavisnost brzine ultrazvuka od relativne vla`nostivazduha opisuje se jedna~inom

( )c c p= + ⋅ −0

71 2 8 10, v , (2.19)

gde je pv parcijalni pritisak vodene pare [Pa ] i c0 brzina ultrazvukana 0 °C.

Slabljenje zbog radijalnog prostiranja.. Predajnik ultra-zvuka u praksi ima prizmati~ni, cilindri~ni ili slo`en oblik.Ako je udaljenost izvora uma vea za pet puta u odnosu na

42 SENZORI U ROBOTICI

dimenzije predajnika, on se mo`e tretirati kao ta~kasti. Tada seultrazvuk iri radijalno i intenzitet I mu opada sa kvadratomradijalnog rastojanja d od predajnika:

I k d= 2 . (2.20)

Pritisak ultrazvu~nog talasa na rastojanju d1 od predajnika jeP1=10log(I1/I0), a na rastojanju d2 je P2=10log(I2/I0). Pritisak opada sapoveanjem radijalne udaljenosti:

[ ]P PI

I

I

I

d

d1 21

0

2

0

1

2

10 20− = − = −log log log dB , (2.21)

odakle nije teko izra~unati da pri udvostru~avanju udaljenosti slab-ljenje iznosi 6 dB.

Slabljenje ultrazvu~nog talasa zbog apsorpcije u vazduhuproporcionalno je pribli`no kvadratu frekvencije. Zato merni opsegsenzora postaje sve manji sa porastom frekvencije ultrazvuka iograni~en je na 10 m pri frekvenciji od 100 kHz. Apsorpcija se obi~noizra`ava u dB za rastojanje od 100 m i odre|enu frekvenciju.

Na slabljenje uti~e i orijentacija reflektujue povrine. Kadaultrazvu~ni talas stigne do objekta, on se reflektuje pod uglom koji jejednak upadnom uglu, pa se orijentacija objekta mora poznavati sata~nou od nekoliko stepeni. Ako je povrina hrapava saneravninama srazmernim talasnoj du`ini ultrazvuka, tada prirefleksiji nastaje i difuzija, to se manifestuje kao odre|eno slabljenjesignala.

Ultrazvu~ni umovi nastaju zbog razli~itih procesa obrade uradnoj okolini robota: usitnjavanja metala, mainske obrade metala,zavarivanja, rasprivanja boje i dr. Po`eljno je da senzori rade safrekvencijom ultrazvuka veom 100 kHz kako bi se izbegao uticajuma.

2.5.3. Gradnja i primena2.5.3. Gradnja i primena

Na~in gradnje. Ultrazvu~ni senzori blizine prave se kaoelektrostati~ki ili pijezoelektri~ni. Elektrostati~ki imaju radnufrekvenciju do 250 kHz. Izme|u dve tanke metalne elektrodepriklju~en je jednosmerni prednapon, tako da se one privla~e(slika 2.14.a). Kada se na ovaj prednapon superponira

SENZORI BLIZINE 43

naizmeni~ni napon, na isti na~in (sa istom frekvencijom) menja se iprivla~na sila izme|u elektroda. Obi~no je jedna elektroda fiksirana, adruga upeta po obodu i vibrira u skladu sa silom proizvodeiultrazvu~ne talase. Ure|aj mo`e da radi i kao prijemnik: akusti~kisignali uslovljavaju vibraciju elasti~ne membrane moduliui takokapacitivnost izme|u elektroda, koji se detektuje odgovarajuimelektronskim kolima.

a) b) c)Slika 2.14. Ultrazvu~ni senzori: a) elektrostati~ki, b) pijezoelektri~ni, c)

dijagram usmerenosti

Pijezoelektri~ni primopredajnici prave se od pijezoelektri~nihmaterijala. Kada se pijezoelektri~na membrana priklju~i nanaizmeni~ni napon, ona po~ne da osciluje i deluje kao generatorultrazvuka (slika 2.14.b). Membrana mo`e biti i bimorfna, tj.sastavljena od dva sloja, pri ~emu se pod delovanjem napona jedansloj iste`e a drugi sabija (ili zadr`ava iste dimenzije). Membrana jepre~nika 10−20 mm. Da bi se dobio to vei intenzitet emitovanihtalasa, membrana se projektuje da radi na rezonatnoj frekvenciji

,h2

cEh21

f mr =

ρ= (2.22)

gde su: h debljina membrane, E Jangov modul elasti~nosti icm=(E/ρ)0,5 brzina ultrazvuka u pijezoelektri~noj membrani. Vearezonatna frekvencija ima se za tanju membranu. Najpovoljnijirezultati posti`u se pomou tankoslojnih membrana 30−100µm odpijezopolimera PVDF. Poto je cm= fλ, gde je λ talasna du`inaultrazvuka, dobija se da je pri rezonatnoj fekvenciji talasna

VAZDUH

KU]I[TE

+300 V + e

ULTRAZVU^NITALAS

PIJEZOELEKTRIK

ULTRAZVU^NI SENZOR

α

e

e

BIMORFNIPIJEZOELEKTRIK

44 SENZORI U ROBOTICI

du`ina jednaka dvostrukoj debljini membrane λ=2h. U praksi jerezonatna frekvencija 1−10 MHz.

Tipi~ni dijagram prostiranja ultrazvuka sastoji se od glavne ipomonih latica (2.14.c). Kao mera usmerenosti (direktivnosti) obi~nose uzima ugao α koji ome|uje granice od −3 dB, tj. ta~ke u kojima jeamplituda signala manja za 3 dB u odnosu na ta~ke du` oseprostiranja x gde je α =0°. [irina snopa ra~una se pomou formule:

,D

516,02

sinλ

=α

(2.23)

gde je D efektivni pre~nik membrane. Manja talasna du`ina i veipre~nik membrane daju bolju usmerenost.

Tipi~ne konstrukcije ultrazvu~nog senzora blizine imajuoblik prizme ili cilindra, pribli`no istih dimenzija kao kod induktivnihili kapacitivnih senzora blizine. (slika 2.15). Glava sa pri-mopredajnikom mo`e biti odvojena od elektronskog dela, ~ime seomoguava ugradnja i na nepristupa~nim mestima.

Test objekat odre|uje se karakteristikama reflektujuepovrine radnog objekta. Naime, objekat mo`e biti od ~vrstog, te~nogili prakasto−granulastog materijala, ali je bitno da mu je povrinaglatka, sa neravninama manjim od 0,2 mm. Debljina objekta treba daje vea od 0,01 mm, a reflektujua povrina da je pod uglom 90±3° uodnosu na pravac prostiranja ultrazvuka.

a) b)

Slika 2.15. Ultrazvu~ni senzori blizine: a) cilindri~ni tip, b) prizmati~nitip sa odvojenim primopredajnikom

ULTRAZVU^NIPRIMOPREDAJNIK

PRIKLJU^NIKABL

LED

ELEKTRONSKIBLOK

SENZORI BLIZINE 45

Sa porastom temperature slabe reflektujua svojstva objekta, pazato radna temperatura treba da je manja od kriti~ne tkr. Ovatemperatura ustanovljava se eksperimentom, a svojstvena je vrstimaterijala od kojeg je napravljen objekat. Materijali kao to su pa−

muk, stiropor i guma imaju visok koeficijent apsorpcije ultrazvuka,pa je prisustvo objekata od takvog materijala mogue detektovatisamo u odnosu na pozadinu sa dobrom refleksijom.

Ugradnja. Prilikom ugradnje ultrazvu~nih senzora blizine vodise ra~una o nizu iskustvenih pravila korisnih za smanjivanjeinterferencije sa drugim ultrazvu~nim senzorima:

• za zakretanje ultrazvu~nog talasa primenjuju se najvie dvareflektora sa kojima je mogue talas zakrenuti maksimalnodva puta po 90° i dovesti ga na osu paralelnu osi senzora(slika 2.16.a);

• za smanjivanje refleksije sa drugih objekata koji se nalaze ublizini radnog objekta mo`e se upotrebiti dijafragma saprorezima (slika 2.16.b);

c) d)Slika 2.16. Ugradnja ultrazvu~nih senzora: a) zakretanje ultrazvuka, b)primena zastora sa prorezima, c) senzori na istoj osi, d) senzor sa osom

du` ravnog zida

a) b)

x1x3

SENZOR

RADNIOBJEKAT

OBJEKATSMETNJA

DIJAFRAGMA SAPROREZIMA

OPSEGDELOVANJA[cm]

6-30 20-100 80-600

x1 [cm] >120 >400 >1 200

OPSEGDELOVANJA[cm]

6-30 20-100 80-600

x3 [cm] >3 >15 >40

46 SENZORI U ROBOTICI

• za detekciju objekata raspore|enih lepezasto u odnosu nasenzor mo`e se upotrebiti zastor sa odgovarajuim brojemproreza koji se otvaraju sukcesivno ili po nekom programu;

• za dva senzora postavljena jedan naspram drugog na istoj osipotrebno je obezbediti minimalno dozvoljeno me|usobnorastojanje x1, koje zavisi od preklopnog rastojanja, a odre|ujese eksperimentom (slika 2.16.c);

• za dva senzora sa paralelnim osama, koji zra~e u istom smeru,potrebno je izvesno rastojanje x2 izme|u osa da ne bi dolo douzajamne interferencije, pri ~emu x2 zavisi od preklopnograstojanja i orijentacije objekta u odnosu na osu senzora;

• za senzor ~ija je osa paralelna nekom zidu neophodno je da sesenzor postavi na rastojanje x3 od zida (slika 2.16.d);

• za senzor koji se montira u koridoru izme|u dva zida potrebnoje obezbediti minimalno rastojanje x4 izme|u ose i zidova, tose, tako|e, odre|uje eksperimentom

Primena. Na slici 2.17 ilustrovane su tipi~ne primene ultraz-vu~nih senzora blizine.

Slika 2.17. Primeri primene ultrazvu~nih senzora

NADGLEDANJE TRAKE

DETEKCIJA/BROJANJE KOMADADETEKCIJA ULAZA/IZLAZADETEKCIJA VISINE PRI SLAGANU

SORTIRANJE KOMADA PO VISINIDETEKCIJA VETROBRANA

SENZORI BLIZINE 47

Slika 2.17. Nastavak

2.6. OPTOELEKTRONSKI 2.6. OPTOELEKTRONSKI SENZORI BLIZINESENZORI BLIZINE

Princip rada. Opti~ki senzori blizine sastoje se od opti~kogpara (optocoupler) − predajnika i prijemnika. Kao predajnici slu`esvetlee diode (LED) diode i laserske diode (LD), a kao prijemniciupotrebljavaju se fototranzistori, fotodiode i fotoopornici.Najrasprostranjenija je kombinacija LED dioda i fototranzistor, pri~emu se radni predmet detektuje prekidanjem ili refleksijom opti~kogsignala. Svetlost se obi~no ne emituje kontinualno ve u impulsimavelike snage, ali tako da je srednja snaga impulsa u granicamadozvoljenog opsega koji se definie za kontinualni rad. Na taj na~inposti`e se vei put od predajnika do prijemnika. Za LED diodu ovajput je ograni~en na nekoliko metara, a za LD diodu iznosi viedesetina metara.

Predajnik i prijemnik rade usaglaeno u odre|enompodru~ju opti~kog spektra. Obi~no je opti~ki signal u podru~juvidljive svetlosti (λ =0,38−0,76 µm) , u podru~ju kratkotalasne

DETEKCIJA NIVOA

DETEKCIJA NIVOA DETEKCIJA KOMADAZA[TITA OD SUDARA

DETEKCIJA ISTICANJA DETEKCIJA TRAKE

48 SENZORI U ROBOTICI

infracrvene svetlosti (λ =0,76−3 µm) ili u podru~ju srednjetalasneinfracrvene svetlosti (λ =3−8 µm). Vie se primenjuju senzori uinfracrvenom podru~ju jer normalno rade i u okolini sa dnevnimsvetlom.

Detekcija objekta na osnovu prekidanja opti~kog signala svodise, zapravo, na prepoznavanje prisustva objekta bez obzira na njegovupoziciju izme|u predajnika i prijemnika, tj. na mesto gdje je zrakprekinut (slika 2.18.a). Ovaj na~in rada je veoma pouzdan i pogodanje za objekte sa slabo reflektujuom povrinom. Predajnik i prijemniksvetlosti obi~no su jedan naspram drugog, ali mogu biti i jedan poreddrugog kada se koristi ogledalo kao retroreflektor iza objekta (slika2.18.b).

Optoelektronski senzori sa refleksijom na objektu, me|utim,prepoznaju prisustvo objekta na ta~no odre|enoj udaljenosti kojazavisi od intenziteta emitovane svetlosti, koeficijenta refleksijematerijala od kojeg je objekat napravljen i od orijentacije objekta uodnosu na predajnik i prijemnik (slika 2.18.c). Reflektovana svetlostima difuzni karakter, pa se zato senzori sa ovakvim na~inom radanazivaju difuzni.

a) b) c)Slika 2.18. Optoelektronski senzori: a) prekidanje opti~kog zraka, b)

refleksija sa povrine iza objekta, c) refleksija sa objekta

Za standardni test objekat upotrebljava se bela ili siva test karta200×200 mm, a za druge materijale daju se faktori korekcije odre|enieksperimentalno. Krive odziva za optoelektronske senzore pokazujuzavisnost intenziteta upadne svetlosti od pozicije objekta. Intenzitet je

OPTI^KIPREDAJNIK

OPTI^KIPREDAJNIK

OPTI^KIPREDAJNIK

OPTI^KIPRIJEMNIK

OPTI^KIPRIJEMNIKOPTI^KI

PRIJEMNIK

OBJEKAT

OBJEKAT

OBJEKAT

OFSET [m]

0,3

x [m] x [m]

10 10

x [mm]

20

10

10

OFSET [mm]OFSET [m]

0,1

0,1

0,3

xxx

SENZORI BLIZINE 49

najvei du` opti~ke ose prijemnika x i smanjuje se sa udaljavanjem odose. Kriva odziva je simetri~na, a povrina koju ome|ava predstavljanajveu oblast detekcije za datu osetljivost prijemnika. Sa poveanjemosetljivosti oblast detekcije se iri, a sa smanjivanjem osetljivostioblast se skuplja. Na slici 2.18 prikazani su tipi~ni oblici ovihpovrina (beam pattern). Apscisa pokazuje opseg x, a ordinata ofsetaktiviranja senzora zbog irenja opti~kog zraka sa rastojanjem x.

Najvei problem u primeni optoelektronskih senzora blizine jesakupljanje praine, ulja i vodene pare na mikroso~ivu predajnika,odnosno prijemnika, zbog ~ega dolazi do priguenja opti~kog signala.Zato je potrebno predvideti vee poja~anje u prijemniku. Ekscespoja~anja je faktor koji se definie kao relativno poja~anje u odnosuna minimalne radne uslove. Preporu~uje se da faktor ima vrednost1,5 za ~ist vazduh bez praine, 5 za vazduh sa malo praine iredovnim ~ienjem so~iva, 10 za umereno prljav vazduh i povremeno~ienje so~iva i vrednost 50 za prljav vazduh i neredovno ~ienjeso~iva.

Za sve optoelektronske senzore blizine daje se i vreme odzivakoje je potrebno za promenu izlaza kada se ulaz promeni iz svetla umrak ili obrnuto. Vreme odziva je va`no kod detekcije malihpokretnih objekata. Preporu~uje se da minimalno vreme odziva zadetekciju objekta irine w koje se kree brzinom v bude

Tmin=w/v, (2.24)

a ako je irina objekta w samerljiva sa efektivnim popre~nimpresekom opti~kog zraka d, tada vreme odziva treba da je

Tmin=(w−d)/v. (2.25)

Na~in gradnje. Opti~ki parovi grade se u jednom ili u dvanezavisna kuita od plastike. Kuita su U−tipa, cilindri~nog ilipravougaonog oblika, malih su dimenzija i mogue ih je ugraditiskoro na svakom mestu. Na manje dostupna mesta opti~ki zrak mo`ese dovesti pomou ogledala ili opti~kog vlakna. Opti~ko vlaknopogodno je zbog malih dimenzija (d=100−400 µm) i neznatnog uticajaprogiba na amplitudu opti~kog signala. Na slici 2.19.a prikazan jeoptoelektronski senzor blizine sa produ`ecima od opti~kog vlakna:dovodno vlakno povezano je sa LED diodom, a prijemno vlakno safototranzistorom. Izlazni signal zavisi od rastojanja izme|u objekta iopti~kih vlakana. Za x=0 i x=∝ na fototranzistoru nema signala, tozna~i da e refleksija, odnosno izlazni signal za neko x imatimaksimalnu vrednost.

50 SENZORI U ROBOTICI

Stati~ka karakteristika ovog u sutini kontinualnog senzorajeste:

uu u

uf x d=

−=0

0

( ), (2.26)

gde su u i u 0 aktuelni i maksimalni izlazni napon na fototranzistoru,a x/d relativna udaljenost objekta u odnosu na pre~nik vlakna (slika2.19.b). Potenciometrom u izlaznom kolu diode podeava se nivonapona pri kome dolazi do promene izlaza, odnosno podeava se`eljeno preklopno rastojanje. U novije vreme opti~ka vlakna prave se iod akrilata, tj. providnog polimera. Plasti~na vlakna su jeftinija odstaklenih, ali jako priguuju svetlost u odre|enim opsezima talasnihdu`ina (naro~ito IC), osetljivi su na hemijske uticaje i radnatemperatura im je ograni~ena u intervalu od −30 °C do +70 °C.

a) b)

Slika 2.19. Senzori blizine sa produ`ecima od opti~kog vlakna: a) izgledsenzora, b) stati~ka karakteristika

Tehni~ke karakteristike.. Preklopno rastojanje optoelek−

tronskih senzora kree se u irokom dijapazonu od 0−1 mm za mala,0−200 mm za srednja i 0−4 m za velika rastojanja, pri ~emu sunavedeni podaci za senzore sa refleksijom opti~kog signala. Ukoliko sekao opti~ki izvor upotrebi LD, opseg delovanja mo`e biti vie desetinametara. Sli~no je i za rastojanje izme|u predajnika i prijemnika kodsenzora sa prekidanjem opti~kog signala. Frekvencija prekidanja

OBJEKAT

u

xd0 1 2 3 4

0,1

0,2

0,3

LED

FOTOTRANZSTOR

2d

SENZORI BLIZINE 51

iznosi do 400 Hz, ponovljivost je ±5% opsega, histerezis je ±3%, radnatemperatura je 0−50 °C, napon napajanja je jednosmerni 10−30 V.

Primena. Na slici 2.20 prikazani su raznovrsni primeri kojiukazuju na velike mogunosti primene optoelektronskih senzora.

Slika 2.20. Primeri primene optoelektronskih senzora blizine na bazi LEDdiode i fototranzistora

DETEKCIJA VISINE

DETEKCIJA OBJEKATANA TRACIDETEKCIJA PREKIDANJA

@ICE

DETEKCIJA MALIHIZOBLI^ENJA

DETEKCIJA (KONTROLA)REZANJA

DETEKCIJADELOVA NATRACI

DETEKCIJA ROTACIJEDETEKCIJA POZICIJEFILMA

DETEKCIJAPERFORACIJE

DETEKCIJAPERFORACIJE

DETEKCIJA OBRTAJAZUP^ANIKA

DETEKCIJA OBRTAJAZUP^ANIKA

DETEKCIJA PO^ETKATRAKE

DETEKCIJA IVICEMETALA

DETEKCIJA ROTACIJEDISKA

DETEKCIJA POKRETNETRAKE

PREKIDANJEOPTI^KOGSIGNALA

REFLEKTOVANJEOPTI^KOGSIGNALA

52 SENZORI U ROBOTICI

LITERATURALITERATURA

1. M.Machovschi, C.Paupot: „Study of variable inductance transducers asproximity sensors: I. Computer assisted study“, Measurement Science andTechnology, 1 (1031−1040), 1990.

2. M.Machovschi, C.Paupot: „Study of variable inductance transducers asproximity sensors: II. Experimental study using ”C“−type magneticcircuits“, Measurement Science and Technology, 1 (1291−1296), 1990.

3. M.Machovschi, C.Paupot: „Study of variable inductance transducers asproximity sensors: III. Analytical expression for the variation of inductanceas a function of sensor/target distance“, Measurement Science andTechnology, Vol. 9, No. 2 (276−279).

4. L.Hardy, A.Billat, G.Villermain−Lecolier: „Flat eddy−current matrix sensorfor detecting metallic objects“, Sensors and Actuators A, No. 29 (13−19),1991.

5. „Senzors“, cataloge, Pepperl+Fuchs, Manheim, Germany, 1990.

6. P.P.L.Regtein: „Sensors for applications in robotics“, Sensors and ActuatorsA, Vol. 10, No. 3−4 (195−218), 1986.

7. M.Popovi: „Senzori i merenja“, Via elektrotehni~ka kola, Beograd, 1994.

8. E.A.Zak, N.P.Krav~enko: „Promylennoe primenenie amplitudnyhvolokonno−opti~eskih dat~ikov“, Izmeriteljnaja tehnika, No. 12 (11−13),1991.

9. F.Ki~i: „Senzori“, Elektronika u primjeni, 41/1 (53−58), 1991.

10. „Induktivni blizinski prekida~“, katalog, Institut „Mihajlo Pupin“ −Mikroelektronika, 1990.

11. „Senzors catalog 95−A“, IMF EFECTOR, a subsidiary of IMFELECTRONIC, USA, 1995.

12. „Photoelectric controls“, catalog, Banner Engineering Corporation,Mineapolis, 1995.

13. „Catalog RLC13−1“, Red Lion Controls, York, 1995.