Senzori pritiska

SENZORI PRITISKA

Upotreba u robotici

Tema:senzori pritiska,upotreba u robotici

Sadržaj:

2.POPIS SLIKA...……………………………………………………………..………………2

3. UVOD....................................................................................................................................3

4. PRINCIP GRADNJE SENZORA PRITISK ….....................................................................5 5. PODJELA SENZORA PRITISKA………………................................................................7 6. TEHNIKA SENZORA PRITISKA……………...................................................................8 6.1 Vakuumetri-Pirani i jonizacioni......................................................................................8 6.2. Kapacitivni senzori.........................................................................................................9 6.3. Potenciometarski senzor pritiska……………………………………………………..10 6.4. Smart transmiteri-pretvarači.........................................................................................10 6.4.1 Postavljanje pretvarača........................................................................................11 6.5. Elektromagnetni senzori pritiska..................................................................................12 6.6 Poluprovodnički senzori pritiska...................................................................................13

7. PRIMJENA SENZORA PRITISKA U ROBOTICI............................................................14 7.1. Pijezoelektrični senzori pritiska…………………………………………………… ...15 7.2. Optoelektronski senzor pritiska…………………………………………...……...…...16 7.3. Senzori sa strunom……………………………………………...……………………..17 7.4 Tenziometriski senzori pritiska……………………………………………...…………17 7.5. Kontaktni senzori pritiska........................................................................................ ......19 7.6. Elastomer senzori...........................................................................................................19 7.7. Vještačka koža...............................................................................................................20

9. PRIMJENA I NAČIN UGRADNJE U ROBOTICI.............................................................21 9.1. Pneumatski mišić kao aktuator.....................................................................................22 9.2. Analiza hvatanja kod IML robota.................................................................................23

10. BUDUĆNOST RAZVOJA SENZORA PRITISKA..........................................................23

11.ZAKLJUČAK......................................................................................................................24

12.LITERATURA.....................................................................................................................25

1


2. POPIS SLIKA

Slika 1. Oblici tehničkog mjernog pritiska.................................................................................4Slika 2. Veza između stvarnog (A) i zaustavnog pritiska (B).....................................................4Slika 3. Struktura senzora pritiska (A) direktna i (B kompenzaciona).......................................5Slika 4. Tipični deformacioni elementi kod senzora pritiska.....................................................6Slika 4.2. Membrana za senzor pritiska.....................................................................................6Slika 5. Shematski prikaz senzorskih uređaja............................................................................7Slika 6. Shematski prikaz Piranijevog i jonizacijskog manometra............................................8Slika 7. Kapacitivni senzor pritiska...........................................................................................9Slika 8. Potenciometarski senzor pritiska sa Burdenovom cijevi............................................10Slika 9. SMART pretvarači.....................................................................................................10Slika 10. Postavljanje pretvarača............................................................................................11Slika 11. Elektromagnetni senzori pritiska: a) prosto induktivni, b) diferencionalni, c) LVDT senzori pritiska...................-...................................................................12Slika 12. Elektromagnetni senzori pritiska u industriji...........................................................12Slika 13. Poluprovodnički senzori pritiska,izgled i shema spoja.............................................13Slika 14. Osnovne izvedbe robota...........................................................................................14Slika 15. Osnovne izvedbe robotske šake................................................................................15Slika 16. Pijezoelektrični senzor pritiska................................................................................16Slika 17. Fibrooptički senzor pritiska.....................................................................................16Slika 18. Senzori pritiska sa strunom......................................................................................17Slika 19. Oblici tenziometriskih traka......................................................................................18Slika 20. Kontaktni senzori......................................................................................................19Slika 21. Prvobitni inteligentni digitalni senzor pritiska..........................................................20Slika 22. Robotska šaka sa pneuamtskim aktuatorom..............................................................21Slika 23. Princip rada senzora pritiska i pneumatskog aktuatora...........................................21Slika 24. IML robot..................................................................................................................22

2


3. UVOD

Definicija. Kada se kontinuum nalazi u kontaktu sa nekom graničnom površinom, tada okomito na nju djeluje rezultanta svih unutrašnjih sila između čestica kontinuuma. Skalar koji se dobija kao odnos sile F[N] po jedinici površine s[m2] zove se pritisak.

p = F/S,

Pored prethodne definicije koja proizilazi iz mehanike, postoje i druge definicije. Prema teoriji fluida, pritisak je lokalno svojstvo fluida i zavisi od visine stuba fluida iznad date lokacije i gustine fluida p[kg/m3], odnosno:

p = pgk.

Pritisak se može definisati i pomoću kinetičke teorije gasova kao mjera totalne prosječne kinetičke energije transiatomog kretanja N molekula gasa u volumenu F[m3] na temperaturi.Konačno, pritisak se može definisati pomoću drugog zakona termodinamike, tj. na osnovu nepovratnog termodinamičkog procesa kao odnos:

p=

Područje i opseg mjerenja pritiska.

Pritisak se mjeri u rasponu 0-1010 Pa.Razlikuju se četiri mjerna područja, sa opsezima koji zavise od područja (slika.1):

Područje apsolutnog pritiska: razlika između pritiska u specificiranoj tački fluida i pritiska apsolutne nule, koji ima vakum. Opseg niskog apsolutnog pritiska (tehnički vakum) mjeri se u opsegu 10-10 - 100 Pa.

Područje atmosferskog (barometarskog) pritiska: standardna vrijednost odgovara visini stupca žive od 760 mm, na nivou morske površine, pri temperaturi od 0°C,

Područje diferencijalnog pritiska: razlika između dva pritiska p=p1 –p2

Područje relativnog pritiska, kao poseban slučaj diferencijalnog, označava da je jedan pritisak atmosferski. Razlikuje se područje malih relativnih pritisaka u odnosu na lokalni atmosferski i područje visokog relativnog pritiska (natpritiska) u opsegu 0-1010

Pa.

3


Slika1. Oblast tehničkog mjerenja pritiska

Razlikuju se strujni i zaustavni pritisak. Stvarni pritisak u nekom mediju zove se strujni pritisak i označava se sa p. Ovaj pritisak se

naziva i statički pritisak. Zaustavni pritisak je onaj pritisak koji odgovara pritisku fluida, kada se fluid zaustavi bez

gubitka energije. Zbirni pritisak nastao u posmatranoj tački zove se i totalni ili zaustavni pritisak pt.

Mjerenje pritiska u slučaju mirovanja fluida vrši se priključivanjem manometra montiranog na crijevo uvedeno u fluid. Složeniji je postupak mjerenja pritiska fluida koji struji. Tada treba paziti da priključak za mjerenje pritiska bude pravilno izveden da ne bi došlo do lokalnih smetnjih usljed djelovanja kinetičke energije fluida na priključnom mjestu.

Slika 2. Veza između stvarnog (A) i zaustavnog pritiska (B)

Postoje različite konstrukcije i izvedbe manomatara urađene na različitim principima mjerenja. Prema principu rada manometri se mogu podijeliti na tri osnovne grupe:

Hidrostatički, Mehanički, Elektronski manometri.

4


4. PRINCIP GRADNJE SENZORA PRITISKA

Senzori pritiska su direktnog ili korapenzacionog tipa (slika 3). Zajednički element u oba slučaja je primarni osjetilni element koji pretvara pritisak p ili razliku pritiska u silu F. To je elastični element, koji pod delovanjem sile F trpi deformaciju. Kod direktnih senzora sila ili pomak pretvaraju se u narednom bloku u električni izlazni signal: milivoltni, pojačani naponski ili strujni 4-20mA. Senzori sa milivoltnim izlazom (tipično 0-30mV) su malih dimenzija, kola za kondicio-niranje signala su van senzora, a moguća je direktna primjena gotovih uređaja namijenjenih za obradu i očitanje signala sa senzora sile i naprezanja. Senzori sa pojačanim naponskim izlaznim signalom imaju ugrađen instrumentacioni pojačavač koji daje napon 0-5 V kompatibilan sa upravljačkim i računarskim interfejsom. Senzori sa standarnim strujnim izlazom 4-20mA pogodni su za industrijske uslove, jer je takav signal imun na smetnje i omogućava prijenos na daljinu bez degradacije.Kompenzacioni senzori su složeniji, ali imaju bolju tačnost nego direktni. Dio strukture sa negativnom povratnom spregom koja stoji iza elastičnog elementa je kompenzacioni senzor sile. Ukoliko sila elastičnog elementa prevazilazi vrijednosti sile koje se mogu ostvariti pretvaračem UF u povratnoj sprezi, tada je potreban mehanički reduktor sile. Reduktor sile je poluga, koja istovremeno služi i kao komparator. Rezultat komparacije redukovane sile F r i sile povratne sprege FfS je pomak poluge i on se detektuje najčešće induktivnim senzorom pomijeraja. Povratna sprega realizuje se kao elektromehanički konvertor.

Slika 3. Struktura senzora pritiska (A) direktna i (B kompenzaciona)

Elastični element. Od njegove tačnosti zavisi tačnost cijelog uređaja. U praksi se najviše primenjuju membrane, cijevi i mjehovi. Membrane su pogodne za mjerenje pritiska od najnižih pa do najviših vrijednosti, cijevi se primjenjuju za mjerenje relativnog natpritiska 0-1 bar pa do 10000bar, a mjehovi za manje relativne pritiske. Njihovi mnogobrojni oblici, koji se susreću u praksi, nastali su zbog prilagođavanja opsegu i uslovima mjerenja pritiska (slika 4). Elastični elementi prave se od posebnih materijala kao što su berilijeva bronza (legura od bakra, tantala, ritana i specijalnih čelika) i konstantan (legura bakra, nikla i mangana).

5


Slika 4. Tipični deformacioni elementi kod senzora pritiska

Radijalna i tangencionalna deformacija koja se javlja kao rezultat djelovanja pritiska, prikazane su na slici 5:

Slika 4. 2. Membrana za senzor pritiska

5. PODJELA SENZORA PRITISKA

6


Klasični senzori sa Bourdonovom cijevi ili sa membranom su najčešće u upotrebi, jer odlično rade, ali imaju jednu manu, zbog koje se više ne ugrađuju na važnim mjernim mjestima. Hodovi pretvaračkih elemenata kod njih iznose od 1 do 3 milimetara, za razliku od deformacija kod modernih senzorskih mjerača pritiska koji ne prelaze nekoliko mikrona. Ovi minimalni pomaci omogućuju prednosti:

• veliku brzinu odziva (standardno oko 2 ms. ),• visoku linearnost,• otpornost na preopterećenja i• dugotrajnost bezotkaznog rada.

Principi mjerenja pritiska koji se danas primenjuju, uglavnom favorizuju direktno pretvaranje fizičke u električnu veličinu a ovo, u većini slučajeva, zahtijeva izvor pomoćne energije za senzor. Pri tom treba voditi računa o tome kako da se ponište greške mjerenja usled uticaja temperature, gustine, parazitnih električnih veličina i drugih uticaja. Uz pretpostavku da svi ti uticaji poništeni, može se vršiti obrada signala sa senzora. Na slici 2, dio označen sa 1 je senzor, a dio označen sa 2 je dio koji uz malo elektronike proslijedi signal instrumentu- transmiteru. Cjelina 3 na slici 2, predstavlja finalni dio pretvarača, okrenut korisniku koji omogućava vizuelno očitavanje i/ili zapisivanje pritiska. Transmiter može da izvrši konverziju signala u oblik pogodan za prenos na veću daljinu (npr. 0/4-20mA) i A/D konverziju u digitalne impulse za serijsku komunikaciju

Slika 5. Shematski prikaz senzorskih uređajaMogu se podijeliti na dva osnovna načina:

prema mjestu ili sredini u kojoj se koriste i prema principu rada

Prema sredini u kojoj se koriste dijele se na: senzore za industrijska mjerenja i senzore za laboratorijska mjerenja.

Prema principu rada dijele se na: senzore za deformaciju i senzore za pomjeranja koji rade na principima: piezoelektričnog efekta, kompenzacije sile i ostalim principima navedenim i za druga mjerenja.

6. TEHNIKA SENZORA PRITISKA

7


6.1 Vakuumetri-Pirani i jonizacioni

Vakuumetri su manometri za mjerenje niskih pritisaka, najčešće manjih od 100 Pa. Najpoznatiji su McLeodeov, Piranijev i ionizacijski vakuumetar. Piranijev vakuumetar (slika 2), se koristi za mjerenje pritisaka u liofilizatorima za liofilizaciju sojeva mikroorganizama, stanica, u proizvodnji lijekova, i također u proizvodnji vrijednih sastojaka hrane. Mjerenje niskog pritiska se zasniva na efektu promjene koeficijenta prijenosa toplote sa vruće niti, zavisno od pritiska. Osnovni dijelovi uređaja su staklena cjevčica u kojoj se nalazi žarna nit. Nit se napaja sa konstantnom strujom i električna energija pretvara se u toplotu koja se prenosi kroz hidrodinamički granični sloj oko niti na plin u okolini. Temperatura niti je određena koeficijentom prijenosa toplote i koristi se kao mjerni signal pritiska.

Slika 6. Shematski prikaz Piranijevog i jonizacijskog manometra

Na površini niti zavaren je termočlanak tako da se elektromotorna sila termočlanka umjerava i u zavisnosti od mjerenog pritiska. Ispitna funkcija određena je bilansom topline za nit:

R(T) je otpor mjerne niti koji je funkcija temperature niti T, I je struja kojom se napaja nit, S je površina niti, h je ukupni koeficijent prijenosa toplote koji se mijenja sa mjerenim pritiskom p i T0 je temperatura plina u okolini.

Zbog nelinearnosti R(T) i h(P) kalibraciona funkcija je nelinearna i mora se odrediti za svaki plin posebno jer se koeficijent toplote mijenja sa sastavom plinova. Osim temperature može se kao mjerni signal upotrijebiti i električni otpor Piranijeve niti tako da se ispitna cijev spoji u otpornički Wheastoneov most.

Mjerno područje Piranijevih vakuumetara je od 1 mPa do 0,1 kPa. Za niske pritiske, u području od 1 μPa do 10 mPa koriste se jonizacijski vakuumetr. Za mjerenje se koristi trioda u kojoj se nalazi plin čiji se pritisak mjeri. Osnova mjerenja je jonizacija plina do koje dolazi prijelazom naelektrisanja između katode i anode. Katoda je užarena i dolazi do termičke emisije elektrona koji se ubrzavaju zbog napona mrežice i anode. Tokom prelaza dolazi do sudara elektrona i molekula plina i plin se jonizira. Negativno naelektrisanje se prenosi sa katode na anodu, a pozitivno se prenosi u suprotnom smjeru. Ukupna struja u krugu ovisi o stupnju jonizacije i mjerni je signal za pritisak plina u triodi. Efikasnost jonizacije zavisi od vrste plina tako da se mjerni uređaj ispituje zasebno za svaki plin.

6.2. Kapacitivni senzori

8


Suština rada ovih senzora je da se metalna membrana upotrebljava kao pokretna elektroda kondenzatora. Ovo su najbolji senzon za male opsege od 100 Pa, ali se mjere i veliki pritisci do 108 Pa. Tačnost je ± 0,25-0,05% . Loše osobine kapaci-tivnih senzora pritiska su: kapacitet i pomijeranje priključnih kablova utiču na izobličenje izlaznog signala, visoka izlazna impedansa mora se uravnotežiti aktivno i reaktivno, osjetljivost na promjenu temperature, potrebno oklapanje spojnih kablova. Dobre osobine su: linearnost, stabilnost i ponovijivost, visoka frekventna propusnost, jednostavnost izrade, pristupačna cijena, mogućnost mjerenja statičkih i dinamičkih promjena, minimalna masa membrane, mala zapremina, te kontinualna rezolucija.

Na slici 7a prikazana je principijelna realizacija kapacitivnog senzora apsolutnog pritiska: sa jedne strane membrane je priključak za mjereni pritisak, a sa druge strane je izolovana komora sa referentnim vakuumom. Na slici 7b je senzor diferencijalnog pritiska koji ima po jedan priključak na svakoj strani membrane. Kod senzora relativnog pritiska jedan priključak je otvoren prema atmosferi. Promjena kapaciteta u zavisnosti od pritiska najčešće se detektuje pomoću mosta koji daje amplitudno modulisani izlazni signal. Veća rezolucija mjerenja dobija se priključivanjem kapacitivnog senzora na oscilator RL ili LC, koji daje frekventno modulisan izlazni signal.

Slika 7. Kapacitivni senzor pritiska

6.3. Potenciometarski senzor pritiska

9


Deformacija elastičnog elementa može se detektovati pomoću potenciometra (slika 8a). Osnovne prednosti ovih senzora su: visoka vrijednost izlaza (0-100% napona napajanja), za prijenos na daljinu nije potrebno pojačavanje ili impedantno prilagodavanje izlaza, pristupačna cijena, jednostavnost ugradnje, te mogućnost istosmijernog i naizmjeničnog napajanja. Loše osobine su: velike dimenzije, pojava šuma zbog habanja, sila za pomijeranje klizača potenciometra relativno velika zbog trenja i mala frekventna propusnost. Ovi senzori primenjuju se za opsege od 30kPa do 3MPa, pa sve do 100MPa. Tipična tačnost je ±l% (u boljem slučaju do ±0,25%), rezolucija ±0,2%, histerezis ±0,5% i temperaturna greške ±0,25%.

Slika 8. Potenciometarski senzor pritiska sa Burdenovom cijevi

6.4. Smart transmiteri-pretvarači

Pretvarači pritiska i diferencijalnog pritiska mogu sadržati čitavu gamu pretvarača pritisaka za gasove, paru i tečnosti počevši od onih najprostijih sa fiksnim opsegom i klasom tačnosti 0,5%, pa sve do SMART davača sa promjenljivim opsegom, klase tačnosti 0,1%, sa kojima može da se komunicira putem računara.

Slika 9. SMART pretvarači

10


Jedna od najbitnijih karakteristika SMART trnsmitera pritiska i diferencijalnog pritiska je modularni dizajn. To znači da svi transmiteri bez obzira da li su za pritisak ili diferencijalni pritisak i bez obzira na ćeliju koju imaju, keremičku ili polilisilikonsku, imaju potpuno istu elektroniku, displej i kućište (slika 8). Prilikom promjene ćelije nije potrebna nikakva ponovna kalibracija transmitera, jer podaci o svakom tipu ćelije se nalaze unutar senzora i elektronika ih odmah prepoznaje.

6.4.1 Postavljanje pretvarača

Setovanje davača ne zahtijeva zrak pod pritiskom, isto može da se uradi koristeći 4 tastera koji se nalaze na samom pretvaraču, ili putem personalnog računara. Nula može da se pomjera između -100% i +95% nominalnog opsega ćelije, a sam mjerni opseg je podesiv u odnosu 1:20. Elektronika putem raznih protokola omogućava superponiran digitalni signal za prenos podataka i setovanje pretvarača putem računara i obezbjeđuje dosta podataka o samom pretvaraču i mjernom mjestu. Svi SMART uređaji posjeduju matricu podataka u kojoj se osim vrijednosti mjerene veličine nalazi još niz podataka, na primer: najviša i najniža temperatura medija na ćeliji, najniži i najviši pritisak, broj najviših pritisaka koji su delovali na membranu, razne servisne informacije itd. Svi pomenuti podaci se čuvaju, tako da korisnik ima potpunu informaciju o stanju pretvarača čime se povećava i pouzdanost samog mjerenja pritiska.

Kućište SMART transmitera pritiska i diferencijalnog pritiska koje štiti elektroniku od neumjerenih temperatura, vlage i korozivnih materijala je aluminijumsko i zaštićeno. U kućištu se nalazi digitalni displej i bargraf. SMART transmiteri imaju certifikate za rad u eksplozivnoj sredini (CENELEC, PTB, FM, CSA RIIS itd. ) i posjeduju električni filter koji je, ustvari, zaštita od elektromagnetne interference (EMC – Electromagnetic compatibility). Pretvarač se testira u električnom polju jačine 30V/m. Upravo zbog toga razna uključivanja i isključivanja, radio oprema, elektrostatička pražnjenja ne utiču na elektroniku davača i na taj način pomenuta zaštita obezbjeđuje veoma pouzdano mjerenje.

Slika 10. Postavljanje pretvarača

11


6.5. Elektromagnetni senzori pritiska

Rad ovih senzora se zahtijeva na Faradejevom zakonu elektromagnetne indukcije koji kaže da će se indukovati napon u provodniku ako se provodnik kreće u magnetnom polju.U našem slučaju provodnik je tečnost a magnetno polje stvara zavojnica koja se nalazi izvan protočne cijevi. Indukovani napon je proporcionalan brzini protoka. Elektrode smještene u zid cijevi detektuju indukovani napon koji se mjeri uz pomoć sekundarnog elementa.

Slika 11. Elektromagnetni senzori pritiska: a) prosto induktivni, b) diferencionalni, c) LVDT senzori pritiska

Slika 12. Elektromagnetni senzori pritiska u industriji

6.6 Poluprovodnički senzori pritiska

12


Minijaturni silicijumski piezootporni senzori pritiska dobijeni primenom planarne tehnologije i mikromašinstva,osetljivi elemenat koji mehaničko naprezanje silicijumske dijafragme pretvara u električni signal,serija NP i NPT za merenje niskih pritisaka, ispod 0.5 bara,serija SP i SPT za merenje srednjih pritisaka od 1 do 25 bara,serija VP merenje visokih pritisaka od 50 do 1000 bara,SP-7 čipovi senzora pritiska za kontrolu toka infuzije,MSP-32 matrični senzor pritiska za istovremeno merenje pritiska u 32 tačke.

Karakteristike serije SPT i NPT imaju ugrađen senzor temperature i mikroprocesorsku korekciju

greške senzora, opseg radnih temperatura -50 oC do 120 oC, visoka osetljivost i otpornost na natpritiske.

Primjena u industrijskim transmiterima pritiska, serija SP-7 optimizovana za upotrebu u medicinskoj instrumentaciji, MSP 32 za primenu u aerotunelima, moguće je do 10 000 mjerenja u sekundi

Slika 13. Poluprovodnički senzori pritiska,izgled i shema spoja

7. PRIMJENA SENZORA PRITISKA U ROBOTICI

Roboti se definišu kao računarski upravljani sistemi koji:

13


Izvodi određene radne operacije, Može da se kreće u radnom prostoru radi izvšenja određenog zadataka

Industriski manipulacioni robot se definiše kao računarski upravljan, reprogramibilan, višenamjenski manipulator koji je projektovan tako da zamjenjuje čovjeka u obavljanju određenih poslova.Indutriski robot vrši pomijeranje,materijala,komada,gotovih proizvoda,kao i transport po proizvodnom pogonu,pakovanje, doziranje i sl.U zavisnosti od različite vrste kombinacije zglobova razlikuju se :

Pravougli koji ima tri ose translacije TTT Cilindrični koji ima jednu osu rotacije i dvije ose translacije RTT Sferni koji ima dvije ose rotacije i jednu osu translacije RRT Zglobni koji ima tri ose rotacije RRR

Zavšni mehanizam manipulatora je uređaj koji vrši neposredno obavljanje zadtaka i zavisnosti od vrste obavljanja zadtaka razliku se nekoliko izvedbi šake ili hvataljke definisane različitim stepenom slobode kretanja.

Najviše se primjenjuju u: elektronskoj, metalskoj, metaloprerađivačkoj, prehrambenoj, automobilskoj industriji,rudarstvu u vasionskim i podmorskim istraživanjima i mnogim granam industrije kao i u medicini.

Slika 14. Osnovne izvedbe robota

14


Slika 15. Osnovne izvedbe robotske šake

Najveću primjenu senzori pritiska su našli ugradbom na robotksu šaku kao detektori pritisne sile na osjetljive predmete i različite komponente.Pa u zavisnosti od namjene robotskog manipulatora mozemo primjenjivati i različite vrste senzora

7.1. Pijezoelektrični senzori pritiska

Kod jednostavnijih pijezoelektnčnih senzora pntiska sila preko deformacionog elementa deluje na pijezoelektik, na kome se javlja električni naboj (slika 16a). Pomoću pojačavača naboja dobija se izlazni signal, proporcionalan mjerenom pritisku. Složenije konstrukcije imaju pijezoelektik u formi mehaničkog oscilatora, čija se rezonantna frekvencija mijenja u skladu sa mjerenom silom, odnosno pritiskom. Jedan od mogućih oblika rezonatora prikazan je na slici 16b. Bitan zahtjev je da oscilirajuća gredica bude napravljena od jedinstvenog komada pijezoelektrika i da izolirajućom masom bude odvojena od kućišta. Pobuđivanje gredice na oscilovanje s rezonantnom frekvencijom ostvaruje se pomoću posebnog oscilatora. Odziv gredice na ovu pobudu prikazan je na slici 16c. Istezanjem gredice povećava se rezonantna frekvencija, a sabijanjem se smanjuje. Loše osobine pijezoelektričnih senzora pritiska su: visoka temperaturna osetljivost, uticaj dužine kablova na izlaz, osetljivost na poprečne oscilacije, visoka izlazna impedansa i nemogućnost statičkih mjerenja.

Dobre osobine su: male dimenzije, kompaktnost i visokofrekventna propusnost sa zanemarljivim faznim pomakom.

15


Slika 16. Pijezoelektrični senzor pritiska

7.2. Optoelektronski senzor pritiska

Deformacijom elastičnog elementa moduliše se intenzitet svjetla koji pada na fotoprijemnik, najčeće je IRLED dioda izvor svjetlosti a PIN dioda prijemnik svjetlosti. Osnovne prednosti ovih senzora su jednostavnost, visok izlaz, te mogućnost statičkih i dinamičkih mjerenja. Nedostaci su ograničen temperaturni opseg, nestabilne statičke karateristike, mala frekfentna propusnost.

Slika 17. Fibrooptički senzor pritiska

16


Optoelektronski senzori pntiska zbog elegantne mikromehanike i jednostavnih elektronskih kola za priključivanje sa mikroprocesorom imaju veliku perspektivu. Kombinacijom ovih osobina sa prednostima koje imaju optička vlakna dobijaju se atraktivni minijaturni senzori sa izvanrednim osobinama. Odličan senzor napravljen je sa multimodnim optičkim vlaknom za mjerenje slabljenja fluorescencije u staklu dopiranom neodijumom (slika 17b). Dovodnim optičkim vlaknom pobuđuje se fluorescencija čija se amplituda menja pomijeranjem specijalno profilisane silicijumske membrane na koju je naslonjeno specijalno dovodno optičko vlakno.

7.3. Senzori sa strunom

Senzori sa strunom imaju zategnutu volframovu žicu koja je jednim krajem pričvršćena za deformacioni element, a drugim krajem za kućište. Senzor se pravi tako da porast pritiska dovodi do smanjenja zategnutosti žice, odnosno do smanjenja rezonantne frekvencije oscilovanja žice, kao što se vidi slici 18a prikazana je konstrukcija sa elektromagnetom za pobuđivanje oscilacija i elektrodinamičkim indukcionim senzorom za detekciju oscilacija. Kao rezonatni element ponekad se koristi šuplji tankostijeni cilindar ili oscilirajuća membrana.Loše osobine struna-senzora su nestabilnost i osetljivost na mehaničke udare, vibraciju i temperaturu, te relativno velika nelinearnost i histerezis. Visokofrekventno modulisani izlaz senzora može se prenositi na velike udaljenosti bez gubitaka, pa se zato može upotrebiti prijemni instrument sa velikom tačnošću.

Slika 18. Senzori pritiska sa strunom

7.4 Tenziometriski senzori pritiska

Tenzoelement (tenzometar, tenzootpornik, rastezna traka, mjerna traka, strain gage) je pasivni otpornički senzor mehaničke deformacije. Njegov rad se zasniva na činjenici da se otpor električnog provodnika mijenja kada je taj provodnik izložen elastičnoj deformaciji. Efekat je otkrio Tomson (Lord Kelvin) 1856, a u praktične svrhe prvi su ga primijenili Ruge i Simens. Tenzoelement je prvenstveno namijenjen mjerenju površinskih deformacija, kao i posrednom mjerenju drugih veličina koje mogu izazvati deformaciju. Tako se tenzoelementi primenjuju u gradnji senzora: pritiska, sile, momenta, ubrzanja, vibracije, nivoa i dr.

Prema načinu izrade razlikujemo četiri tipa:

17


1. Slobodna ili nezalijepljena žica koja je upeta na krajevima na odgovarajućem skeletu, za izradu se uzima žica konstantne debljine 0,025-0,02 mm i dužine 2-4 cm.Pomijeranjem skeleta dolazi do istezanja ili sabijanja žice, što se može detektovati odgovarajućim vistonovim mostom.

2. Metalni ili poluprovodnički materijal u obliku folije, koja je čitavom dužinom zalepljena na deformacionu površinu (bonded wire/foil). Ovaj tip tenzoelementa najviše je zastupljen u tehnici senzora (slika 19b).

3. Tankoslojni metalni otpornik (thin film) trajno deponovan na deformacionoj površini.

4. Poluprovodnički otpornik unesen difuzionim postupkom u deformacioni element od silicijuma. Takav tenzoelement naziva se pijezorezistivni senzor.

Slika 19. Oblici tenziometriskih traka

Princip rada trake zasniva se na otpronoj zici koja je raspoređena po traci odgovarajuće duzine i sirine.Djelovanjem opterećenja na traku u ovom slučaj hvatanje robota za odgovarajući predmet, mijenja se otpor trake.Zavisno od otprora koji se ostvari na traci moze se odrediti sila kojom hvataljke robota djeluju na traku odnosno pritisak koji se ostvaruje djelovanjem hvataljke na dati predmet.

18


7.5. Kontaktni senzori pritiska

Kontaktni senzori rade na principu osjećaja dodira, odnosno mjerenja parametara kontakta između senzora i objekta.Kontaktni senzori na mobilnim robotima se najčeće postavljaju u prsten oko mobilnog robota, tako da mogu osjetiti dodir robota sa okolnim objektima sasvih strana. Kao kontaktni senzori najviše se koriste mikroprekidači koji na svom izlazu generiraju binarnu vrijednost: prekidač je otvoren ili zatvoren. Osim u mobilnoj robotici, kontaktni senzori se koriste i kod robotskih manipulatora (smještaju se na vrh manipulatora).Prikaz i izvedba kontaktnog senzora

Slika 20. Kontaktni senzori

Sofisticiraniji pristupi osjeta dodira koriste senzore koji generiraju signal širokog dijapazona vrijednosti u odnosu na primijenjenu silu.Za ovu svrhu se najčešće koriste potenciometri ili neki drugi senzori koji rade na principu promjene otpornosti ili kapacitivnosti uslijed djelovanja pritiska. Kako će kontaktni senzori rukovati podacima ovisi o arhitekturi pojedinačnog mobilnog robota. Kod nekih mobilnih robota (na primjer, Nomad 200) kontaktni senzori daju informaciju o poziciji (i težini) kontakta, dok kod drugih robota se oni koriste za trigerovanje određenih električkih krugova kojima se zaustavlja kretanje robota(primjer: Cybermotion Navmaster).

7.6. Elastomer senzori

Elastomer je pjenasti jastuk s otporom koji varira ovisno o tome koliko je stisnut. Niz elektroda je spojen na vrhu jastučića i identičan niz je spojen na dnu jastučića.Svaka elektroda u gornjem polju prima negativan napona, i njegov drug u dnu polja dobiva pozitivni napon. Kada se pritisak pojavljuje u nekom trenutku na jastuk, materijal obloge u tom trenutku, smanjenje otpor između pojedinih parova elektroda. To uzrokuje trenutni porast napona u određene regiji u jastuka. Lokacija pritiska može se odrediti na kojoj se elektrodi lokalizuje povećanje struje. Na osnovu povećanja struje moze se odrediti i veličina pritiska koji se pojavio.

19


Slika 21. Elastomer senzor,konstrukcija

7.7. Vještačka koža

Istraživači na Tokijskom univerzitetu proizveli su savitljiv materijal osjetljiv na pritisak, koji bi jednoga dana mogao da se primjeni kao neka vrsta vještačke ”kože.“

Na gumenu osnovu debljine pola milimetra naučnici su nanijeli sloj grafitnog praha, koji pod pritiskom mijenja električni otpor. Bakarne elektrode povezuju taj sloj sa organskim FET tranzistorima, čija propusnost zavisi od električnog polja. Za sada, gustina tranzistora je 16 na kvadratni cantimetar, a svaki od njih šalje poseban signal u zavisnosti od pritiska. Naučnici kažu da je ova vještačka koža registrovala dodir čak kada je bila omotana oko cilindra prečnika svega 4 milimetra.

Medjutim, biće potrebno još mnogo truda da se ovaj pronalazak usavrši i nadje praktičnu primjenu. Jedan od najvećih problema je to što su organski tranzistori vrlo nestabilni jer vremenom mijenjaju karakteristike. Srećom, ovi tranzistori su jeftini za proizvodnju pa sa njima može da se eksperimentiše na veliko.

20


9. PRIMJENA I NAČIN UGRADNJE U ROBOTICI

9.1. Pneumatski mišić kao aktuator

Pneumatski mišić, koji je nastao kao rezultat interdisciplinarnog istraživanja u području robotskih manipulatora i bioloških sustava, predstavlja zanimljiv izbor tipa aktuatora koji se može koristiti u primjenama za regulaciju položaja i/ili sile manipulatora.

Slika 22. Robotska šaka sa pneuamtskim aktuatorom

Umjetni pneumatski mišići (engl. Pneumatic Artificial Muscles) nalaze primjenu u raznim područjima industrijske automatizacije, robotike i fizioterapije. Njihova najranija primjena bila je kod izrade ortopedskih pomagala u medicini, gdje su zbog svojih značajki kao što su mala masa i dimenzije, povoljan odnos mase i sile koju proizvode, mekana karakte-ristika sile, lako održavanje, dugi vijek trajanja i dr. bili vrlo prihvatljivi izbor aktuatora. U području robotike, primjena pneumatskih mišića rezultira elastičnošću prilikom gibanja robota jer manja krutost sistema uslijed stišljivosti zraka omogućuje im djelovanje poput opruge. Upravo na ovakvim dijelovima se primijenjuju senzori pritiska,prvenstveno kod ortopedskih proteza kao i kod manipulatora.

Slika 23. Princip rada senzora pritiska i pneumatskog aktuatora

21


Slika 23 Manipulator s pneumatskim mišićima kao aktuatorima: Shematski dijagram reguliranog sistema:1. Pneumatski mišić,2. Rotacijski potenciometar,3. Referenca napona,4. Senzor pritiska,5. Proporcionalni ventil,6. Pripremna grupa,7. Ventil za otvaranje/zatvaranje dovoda zraka, 8. Elektroničko sučelje,9. Upravljački računar

Senzori se montiraju na vrhe prstiju šake manipulatora koji na osnovu jačine stiska odnosno pritiska na određeni predmet utiču povratnom informacijom na sistem koji upravlja količinom pritiska u pneumatskom aktuatoru i na taj način upravlja željenom količinom stiska.Senzroi koji se mogu primijeniti su taktilni,elastomer ili tenziometriski senzori pritiska.

9.2. Analiza hvatanja kod IML robota

Sistem za napuhavanja plastičnih boca sa ugrađenim etiketama u samoj boci.In Mould Labeling (IML) tehnologija omogućava etiketiranje plastične ambalaže tokom samog procesa brizganja, tj etiketa se postavlja u sam kalup za brizganje. Koriste se unaprijed pripremljene i odštampane plastične etikete koje se prilikom brizganja plastične ambalaže stapaju u proizvod čineći jednu cjelinu. Prednosti ove tehnologije su kvalitetnija etiketa od papirne (koja se lijepi), kvalitetniji otisak na samoj etiketi (oštrije slike i slova) i etiketa je otpornija na spoljašnje uticaje (vodu, mehanička oštećenja). Kod IML tehnologije etikete se postavljaju u kalup prije samog procesa brizganja plastične ambalaže

Slika 24. IML robot

22


Takođe i u ovoj tehnologiji senzori pritiska su pronasli veliku primjenu način upotrebe i ugradnja su objašnjeni u sledećem tekstu. Kod primjena manipulatora za zadatke kod kojih krajnje tačke zaustavljanja nisu fiksna nailazimo na problem prepoznavanja krajnjih položaja na kojima hvataljka treba da se zaustavi. Kod zadatka uzimanja i postavljanja etiketa u kalup za brizganje javlja se upravo ovaj problem, jer se pražnjenjem šaržera za etikete i pozicija zaustavljanja hvataljke za uzimanja etiketa mijenja. Jedan od načina za prepoznavanje granične tačke je korištenje senzora pritiska kojom se obrađuje promjena pritiska u klipnoj komori cilindra koji nosi hvataljku (ili vakuum sisaljku). Posmatra se klipna komora jer se klipnjača cilindra izvlači u dijelu kada se hvataljka približava etiketi. Prilikom nailaženja na prepreku (šaržer sa etiketama) logičan slijed je nagli porast pritiska u klipnoj komori cilindra koji se senzorom pritiska može prepoznati.

Za prepoznavanje promjene pritiska može se koristiti analogni ili digitalni senzor pritiska. Analogni senzor pritiska je u stanju da kontinualno prati promjenu pritiska u klipnoj komori, ali je potrebna dodatna obrada signala dobijenog sa analognog senzora, kako bi se locirao trenutak naglog skoka u promjeni pritiska koju izaziva nailaženje na prepreku (krajni položaj hvataljke) i primijenilo adekvatno upravljanje. Obrada analognog senzora je softverski zahtijevan proces za PLC, što unosi dodatno kašnjenje u sistem. Digitalni senzor pritiska se može podesiti na unaprijed podešen prag na kome će reagovati i dati digitalni signal PLC-u koji tada ima informaciju da je hvataljka došla do krajnje tačke.

10. BUDUĆNOST RAZVOJA SENZORA PRITISKA

Istraživači na Tokijskom univerzitetu proizveli su savitljiv materijal osjetljiv na pritisak, koji bi jednoga dana mogao da se primjeni kao neka vrsta vještačke kože.” Na gumenu osnovu debljine pola milimetra naučnici su nanijeli sloj grafitnog praha, koji pod pritiskom mijenja električni otpor. Bakarne elektrode povezuju taj sloj sa organskim FET tranzistorima, čija propusnost zavisi od električnog polja. Za sada, gustina tranzistora je 16 na kvadratni centimetar, a svaki od njih šalje poseban signal u zavisnosti od pritiska. Naučnici kažu da je ova vještačka koža registrovala dodir čak kada je bila omotana oko cilindra prečnika svega 4 milimetra. Medjutim, biće potrebno još mnogo truda da se ovaj pronalazak usavrši i nadje praktičnu primenu. Jedan od najvećih problema je to što su organski tranzistori vrlo nestabilni jer vremenom mijenjaju karakteristike. Srećom, ovi tranzistori su jeftini za proizvodnju pa sa njima može da se eksperimentiše na veliko. Iako je najlakše zamisliti robote sa vještačkom kožom kako pažljivo vade jaja iz hladnjaka i pripremaju vlasnicima kajganu za doručak, realnije je da ćemo tu kožu vidjeti, na primjer, na medicinskim uredjajima osjetljivim na dodir, ugradjene u kućne prostirke osjetljive na pritisak, ili sjedišta koja vas upozoravaju da ste pretjerali sa roštiljem. Standardni vremenski horizont za pojavu ovakvih pronalazaka u praktičnoj primjeni je pet godina.

23


11. ZAKLJUČAK

Dakle, signali u elektrotehnici imaju iznimno veliki značaj ma bilo koje oni prirode bili (električne ili mehaničke). Rad jednog električnog ili mehatroničkog sistema nije moguće zamisliti bez vršenja detekcije, mjerenja, analize, upravljanja, regulisanja i izdavanja signala. Signal može da ima raznovrsni oblik, počevši od temperature, brzine i sile pa sve do svjetlosnog signala koji se u sistemu (senzoru) uvijek pretvara u električni signal (digitalni ili analogni), obrađuje, analizira i zatim pretvara u koristan rad ili ne, zavisno od sistema. U električnim sistemima razlikujemo dakle ulazne signale koji predstavljaju zahtjev šta bi trebalo da se uradi, odnosno šta u kakvom obliku i na koji način da se proizvede. Izlazni signal je koristan rad odnosno proizvod koji je efekat energije. Najveći dio energije troši se na izlazu. Kontrola je treći suštinski element sistema gdje se vrši detektovanje, odlučivanje i aktuacija signala. Signali koji se takođe često koriste u sistemima kao međuvrijednosti su induktivitet, kapacitivnost kondenzatora, fluks magnetnog polja, deformacija isl. Spektar signal je toliko širok i obiman da je skoro nemoguće nabrojati sve signale i kombinacije signala (neelektričnih i električnih veličina) koje se koriste u senzorima, odnosno električnim i mehaničkim sistemima za postizanje željenih rezultata.

Proizvođači za potrebe stručnjaka imaju vrlo šaroliku ponudu opreme i senzora te se prilikom upuštanja u odabir iste treba imati ispravnu spoznaju o vrijednostima koje se imaju dobiti mjerenjima te analogno tome i izabrati mjernu opremu. Krive prosudbe mogu značiti uzalud utrošena sredstva.

24


12. LITERATURA

1. http://www.cyberbulevar.com/magazin/zanimljivosti/i-roboti-ce-imati-osjetljivu- kozu/20050817/2. http://www.kelm.ftn.uns.ac.rs/literatura/si/pdf/SenzoriPritiska.pdf3. Mjerna tehnika - prof.dr. Nermina Zaimović-Uzunović, Zenica 20064. Dr. Mladen Popović – upotreba senzora u robotici

25

http://www.cyberbulevar.com/magazin/zanimljivosti/i-roboti-ce-imati-osjetljivu-

Documents

Senzori pritiska