SENZORI DE POZIŢIE

Rezumat

Scopul prezentei lucrări este de a informa, de a prezenta unii dintre cei mai complexi senzori – senzorii de poziţie.Folositi din ce în ce mai mult în viaţa cotidiană, ei reprezintă un domeniu ce evoluează rapid.

Prezentul raport se axează pe prezentarea succintă a lor şi a tehnologiilor pe care le folosesc pentru a-şi îndeplini rolul.Se prezintă pe rând senzori de diferite tipuri, şi anume : senzori optici, senzori mecanici, senzori acustici şi senzori magnetici.Alături de schiţarea principiilor de funcţionare se dau principalele utilizări ale acestora.S- a pus accent mai ales pe prezentarea modului de funcţionare a fiecărui tip pentru a mai bună înţelegere a rolului pe care îl pot ocupa în tehnica locaţiei.

Cuprins

I. IntroducereII. Consideraţii teoretice II.1.Senzori de poziţie II.2.Trackerele II.3.Localizarea eficientă II.4.Metoda acumulării II.5.Efectul piezoelectric II.6.Sistemul de navigaţie LORAN II.7.Efectul Hall II.8.Magnetoconstricţia III. Metode şi procedee III.1. Senzori optici

III.1.1.Senzori optici activi III.1.2.Senzori optici pasivi

III.2. Senzori mecanici III.3. Senzori acustici III.4. Senzori magneticiIV. Discuţii şi interpretări V. Concluzii VI. BibliografieVII. Anexa

I. Introducere

Nivelul tehnologic din acest început de mileniu face necesar ca în bagajul de cunoştinţe generale să intre priceperi şi deprinderi de utilizare a unor aparate, dispozitive, echipamente performante.

Prezentul raport are rolul de a familiariza cititorul, cu principiile şi condiţiile de funcţionare a senzorilor de poziţie.În plus, o bună cunoaştere a dispozitivelor prezentate în această lucrare asigură utilizatorilor potenţiali o bază de cunoştinţe necesare, în cadrul unor activităţi ce implică cercetarea dar nu numai.

Senzorii au apărut odată cu dezvoltarea electronicii, iar astăzi sunt mai folosiţi ca oricând în aproape orice domeniu: cercetare, militar, industrial, casnic.Importanţa lor este necontestată deoarece aproape orice dispozitiv mecanic sau electronic îi foloseşte pentru a face funcţionarea sa mai utilă oamenilor.

Senzorii de poziţie nu fac excepţie de la acestă regulă, fiind instrumente puternice ce au roluri deosebite în procese ce implică precizie şi orientare.Una din aplicaţiile importante sunt sistemele de navigaţie globală (GPS) fară de care nici nu se concepe navigaţia atât pe mări şi oceane cât şi în aer şi pe pământ.

În capitolul “Elemente teoretice” am definit fenomenele şi conceptele care stau la baza funcţionării senzorilor prezentaţi.Capitolul “Metode şi procedee” este împărţit în patru părţi fiecare concentrându-se asupra unui anumit tip de senzor.Vom schiţa principiile de funţionare a camerelor automate de supraveghere perimetrală, a sistemelor de supraveghere folosite pe sateliţi, a radarului, a detectoarelor ultrafine specializate pe anumite materiale şi a sistemului global de poziţionare (GPS).

II. Consideraţii teoretice

II.1.Senzorii de poziţieSenzorii de poziţie determină poziţia 3D a unui obiect în spaţiu. Senzorii de poziţie au la baza tehnologiile: magnetice, optice, mecanice, etc.

II.2.TrackereleTrackerele sunt dispozitivele care sunt ataşate la instrumente sau alte dispozitive, pentru a permite unui sensor de poziţie să obţină coordonatele 3D ale unui obiectiv. Una din aplicaţiile acestora este domeniul militar cu numeroasele tipuri de rachete inteligente şi radare performante.

II.3.Localizarea eficientăO localizare eficientă necesită un senzor şi o ţintă.În multe cazuri, ţinta poate fi pasivă, dar în cele mai multe este o ţintă dinamică (în mişcare). Ţintele sunt, de obicei, plasate pe instrumentul sau dispozitivul ce urmează a fi localizat, şi sunt formate din surse de emisie de diferite tipuri, cum ar fi LED-uri pentru senzorii optici sau neliniaritate în semnal pentru senzori acustici. În unele cazuri (ex. Senzori magnetici), detectoarele sunt aşa de mici încât pot fi plasate pe instrument, şi sursa generatoare de semnal (un câmp magnetic) se află aproape de obiectivul căutat.

II.4.Metoda acumulăriiMetoda acumulării este foarte folosită în radiolocaţie.Ea are la bază următorul algoritm: un radiolocator trimite patru impulsuri de sondaj (fig 4.1.), care se succed pe o perioadă T. Impulsurile reflectate de obiectul detectat se succed cu aceeaşi perioadă, dar cum se vede din figura 4.2,fiecare din ele este întârziat faţă de impulsul incident cu tr secunde.Măsurând această întârziere, se poate determina distanţa până la obiectul detectat.Dar, în realitate, în locul semnalelor reflectate se recepţionează un amestec de semnale utile şi semnale parazite care se succed în ordinea arătată în figura 4.3.Problema măsurării întârzierii se complică din cauză că, dintre impulsurile de aceeaşi formă trebuie să se facă distincţie între impulsurile utile şi cele parazite.Utilizând pricipiul acumulării, înregistrăm semnalele recepţionate pe patru canale şi le deplasăm cu câte un segment corespunzător perioadei T (fig 4.4,4.5,4.6). Adunând semnalele de pe cele patru canale, înregistrându-le pe al cincilea canal.Rezulatul acestei operaţii este reprezentat grafic în figura 4.7Impulsurile obţinute au aplitudini inegale, însă acelea care se obţin prin suprapunerea unor impulsuri iniţiale cu amplitudinea A, au acum amplitudinile 2A,3A,etc. Cele care nu se suprapun au amplitudinile A.Impulsurile parazite sunt înregistrate pe toate cele patru canale, dar ele sunt întâmplătoare şi nu se repetă cu perioada T.De aceea, la deplasarea benzilor ele nu coincid, şi în general, la înregistrarea suprapusă pe canalul cinci nu se adună. Este şi mai puţin probabil suprapunerea unui semnal parazit,cu atât cu cât se folosesc mai multe canale.Pentru canalul cinci se foloseşte un anumit prag de limitare ce obţine impulsul A’ din figura 4.8.Comparând poziţia impulsului A’ cu poziţia impulsului de sondare anterior lui, se determină întârzierea tr şi distanţa până la obiectul detectat.Folosind încă un dispozitiv de limitare se pot uniformiza amplitudinile tuturor impulsurilor înainte de adunare.În acest mod, impulsul parazit este lipsit de avantajul unei amplitudini mai mari care ar duce la includerea sa ca semnal răspuns.

II.5.Efectul piezoelectricUltrasunetele sunt unde elastice cu frecvenţe ce depăşesc 20000 Hz.Ele se pot clasifica în două categorii: unde longitudinale (se pot propaga în orice mediu elastic, solid, lichid sau gazos) şi unde transversale (se pot propaga numai în medii elastice, solide sau lichide).Efectul piezoelectric direct constă în apariţia de sarcini electrice pe feţele unei lamele de cuaţ, în momentul în care lamela este supusă unui efort mecanic.Efectul este reversibil, adică introducerea lamelei de cuaţ într-un câmp electric alternativ va avea ca efect vibraţii mecanice ale lamelei de cuarţ cu o frecvenţă egală cu câmpul electric, vibraţii care vor produce, în mediul elastic din jur, unde ultrasonore.

II.6.Sistemul de navigaţie LORANSistemul de navigaţie LORAN (Long Range Navigation) a fost dezvoltat în timpul celui de-al doilea război mondial în SUA.Principiul de funcţionare constă în determinarea poziţiei, funcţie de diferenţa de timp necesară, a două semnale radio sincrone, emise din două puncte diferite, care trebuie să ajungă într-un anumit loc.Emiţătoarele LORAN constau într-o staţie pricipală şi una secundară. Staţia principală emite, la intervale precise de timp, un impuls scurt. Staţia secundară, controlată prin radio de staţia principală, repetă pulsul emis de aceasta.Receptorul recepţionează cele două impulsuri şi cu ajutorul unui numărător, circuit care permite măsurarea diferenţei între cele două impulsuri cu o precizie de microsecunde.Întrucât undele radio au în atmosferă o viteză aproximativ constantă, locul geometric al punctelor pentru care intervalul semnalelor de timp de la două staţii este egal cu o valoare dată, este o hiperbolă.Comparând cu o hartă pe care erau tipărite curbele definite de intervalul de timp (curbele LORAN), poziţia era determinată cu o precizie de ordinul sutelor de metri.

II.7.Efectul HallEfectul Hall a fost descoperit de Edwin Hall în 1879.Considerându-se un conductor prin care trece un curent electric, se observă apariţia unei tensiuni perpendiculare cu sensul curentului, la activarea unui câmp magnetic.Schiţa efectului este reprezentată în figura 8.(anexa).

II.8.MagnetoconstricţiaTermenul magnetoconstricţie descrie tendinţa unor materiale să-şi schimbe forma, de a se contracta sau dilata în prezenţa unui câmp magnetic. Normal, domeniile magnetice ale unui material sunt orientante arbitrar.Dacă un câmp magnetic este aplicat domeniile se vor alinia, cauzând o schimbare în lungimea materialului.

III. Metode şi procedee

III.1.Senzorii optici

III.1.1.Senzori optici activiÎn cazul senzorilor optici activi ţinta este formată din diode LED iar sensorul este reprezentat de un sistem optic având o anumită configuraţie.Cel mai mare dezavantaj al acestor sisteme este necesitatea contactului vizual dintre sensor şi emitor (ţintă).LED-urile sunt controlate de senzor prin fluctuaţia acestora în funcţie de frecvenţa cadrelor luate de camera video.În timp ce aceste sisteme pot fi extrem de fine este posibil ca datorită unui sistem optic dereglat să nu dea rezultatele aşteptate.O aplicaţie directă constituie camerele video folosite pentru supravegherea unor incinte sau perimetre.Cele care sunt specializate pe recunoaşterea unui anumit patern a imaginii, trebuie să lucreze în buclă închisă, adică să existe un semnal de răspuns la comenzile primite (focalizare şi mişcare).Pentru aceasta, sistemele automate de supraveghere video trebuie să dispună de traductoare de poziţie, care să măsoare poziţia unghiulară a mecanismelor de acţionare.Schema functională a unui sistem automat de poziţionare şi cu comandă a focalizării este prezentată pe figura 1. din anexă.

III.1.2.Senzori optici activiSenzorii optici pasivi folosesc suprafeţe reflectătoare sau diode LED puternice care nu sunt controlate de senzor.Senzorul foloseşte diferiţi algoritmi cum ar fi transformarea direct liniară pentru a stabili poziţia relativă.Sunt senzori optici pasivi care se bazează pe recunoşterea unui anumit model (pattern) pentru a determina poziţia emitorului. Aceştia sunt folosiţi mai ales pentru supravegherea aeriană şi extraatmosferică.Supravegherea aeriană este o metodă extrem de utilă pentru obţinerea unei cantităţi mari de informaţii de foarte bună calitate, într-un timp relativ scurt.În prezent, prin supraveghere aeriană nu se obţin numai imagini ale zonelor de interes ci şi localizarea precisă a unor obiective.Un bun exemplu sistemul AWACS (Airborne Warning and Comunication System), un sistem performant îmbarcat pe un avion Boeing 707.Supravegherea la înălţime elimină unele din dezavantajele ale staţiilor radar terestre (raza de acţiune limitată datorită curburii Pământului, numeroase unghiuri moarte datorate reliefului terestru şi a formei diagramei de activitate).Metoda de obţinere a informaţiilor cu ajutorul sateliţiilor de supraveghere permite determinarea rapidă şi în condiţii de siguranţă deosebite a datelor necesare privind anumite

obiective la care accesul este dificil de realizat.Tehnica supravegherii prin satelit poate furniza o gamă extrem de variată de informaţii, senzorii de la bordul satelitului obţinând imagini atât în spectrul vizibil cât şi în infraroşu, microunde, etc.Câteva date despre satelitul IRS-1C (Indian Remote Sensor) sunt redate în tabelul 2. anexă.

III.2.Senzori mecaniciAceste sisteme sunt formate dintr-un număr de articulaţii conectate prin traductoare.Multe sunt exacte, dar voluminoase sau dificil de utilizat.Nu este necesar contactul vizual dintre sensor şi ţintă .Deşi sunt destul de conveţionale, rezultatele sunt excelente.Anumite modificări care au loc în articulaţii sunt transformate în semnale electrice de către traductoare, stabilindu-se astfel poziţia în sistemul celor 3 axe coordonate.

III.3.Senzori acusticiAceşti senzori au un cost scăzut şi pot fi precişi numai sub condiţii controlate strict.Ei calculează poziţia unui emitor (cum ar fi un mic difuzor sau fluctuaţie pe fond fonic) măsurând timpul de propagare şi comparându-l cu un şir determinat (pricipiul acumulării).Din păcate sunetele de înaltă frecvenţă, temperatura şi umiditatea pot influenţa negativ localizarea unui obiectiv.Ei nu depind de contactul vizual faţă de ţintă.Unul dintre dispozitivele care foloseşte această tehnologie este aparatul care măsoară câmpul radiomagnetic de radiofrecvenţă, aparat aflat în dotarea radioamatorilor de mulţi ani.Aceste dispozitive sunt foarte uşor de utilizat şi nu numai că indică prezenţa unui radioemiţător, dar pot afişa şi puterea acestuia şi raza sa de acţiune.Un astfel de aparat are schema funcţională din figura 3. (anexă).Un alt domeniu care foloseşte senzori acustici este radiolocaţia.Folosind tehnica digitală radarele de astăzi detectează poziţia, viteza şi mărimea obiectului localizat.Sensorul de poziţie depinde de impulsul de sondaj utilizat dar în cazul cel mai simplu poate fi un receptor superheterodină.Schema bloc a acestuia este reprezentată în fig 5. Semnalul recepţionat de antenă este amplificat de AFFI, înainte de schimbarea de frecvenţă.Inserarea amplificatorului de frecvenţă foarte înaltă (AFI) asigură o sensibilitate foarte bună, întrucât mixerul este un circuit “zgomotos”, şi dacă ar fi primul etaj din receptor, factorul de zgomot al acestuia ar fi foarte mare.Frecvenţa intermediară, constantă, este amplificată în câteva etaje AFI înainte de a fi aplicată demodulatorului – alt etaj cu amplificare mică şi zgomot ridicat.După demodulare (sincronă sau nu), semnalul este din nou amplificat şi adus la parametrii necesari utilizatorului.Sunetele de frecvenţe mari (ultrasunetele) pot fi folosite pentru calcularea poziţiei unui obiectiv.Folosind efectul piezoelectric direct, se emit ultrasunete de către un generator, care apoi sunt interpretate de către un traductor.Pentru transformarea ultrasunetelor în semnal electric se utilizează o lamelă de cuarţ, semnalul electric fiind produs prin efect piezoelectric direct.Astfel, sistemele cu ultrasunete sunt capabile să deceleze în zona cercetată nu numai prezenţa unor obiecte metalice, ci şi existenţa unor arme neconvenţionale din materiale plastice, explozibili, mine nemetalice,etc., lucru imposibil de realizat cu alte dispozitive.Dar poate cea mai importantă aplicaţie o constituie sistemele de navigaţie globală (GPS).Structura sistemului are la bază sistemul de radionavigaţie LORAN, însă locul staţiilor terestre a fost luat de nu mai puţin de 24 de sateliţi (ultimul lansat în 1994).Sistemul sateliţilor (21 în uz, 3 de rezervă) instalaţi pe şase orbite circulare (câte patru pe orbită), perioada de rotaţie de 12 ore, constituie baza acestuia.Semnalele de navigaţie sunt generate pe frecvenţele f1=1575,42 MHz (pentru utilizatori neautorizaţi) şi

f2=1227,6MHz (pentru utilizatorii autorizaţi).Eroare de sincronizare a sateliţilor faţă de timpul UTC este de 1 ns. Trebuie menţionat că singurele date transmise de la sateliţi constituite doar din timpul GPS propriu sistemului.Receptorul GPS are următoarele funcţii: recepţionează semnalele de la sateliţi, simultan pe maximum 12 canale, calculează pseudodistanţa (distanţa de la satelit la utilizator), calculează poziţia utilizatorului în coordonate geografice (latitudine şi longitudine), determină viteza de deplasare a utilizatorului şi nordul geografic.Pricipalele date sunt determinate pe baza măsurării timpului de propagare a semnalului de la satelit, pe baza unei tehnici de corelare a codurilor.Măsurătoarea curentă presupune o deplasare în timp pentru care secvenţa de cod transmisă este corelată cu un cod identic generat de receptor.Codul din receptor este deplasat până în momentul în care are loc o corelaţie maximă. Pseudodistanţa, distanţa dintre utilizatorul unui receptor GPS şi satelit reprezintă tocmai produsul între această deplasare în timp şi viteza de propagare a undelor electromagnetice.Pentru determinarea distanţei reale între utilizator şi satelit, receptorul GPS prelucrează pseudodistanţa împreună cu datele din efemeride (poziţiile sateliţilor).Una din metodele de calcul a coordonatelor, fără a face apel la efemeridele sateliţilor, este reprezentată de calculul sistemului din figura 7.(anexa).Prin rezolvarea acestui sistem sunt eliminate coordonatele sateliţilor (valori necunoscute), obţinând cele trei coordonate carteziene ale utilizatorului; a patra necunoscută din sistem este timpul de propagare a undelor prin atmosferă TA, cu valori aproximativ egale pentru toţi sateliţii recepţionaţi la un moment dat.Determinarea analitică a valorii lui TA creşte precizia determinărilor.

III.4.Senzori magnetici

Se bazează pe intensitatea şi faza câmpului magnetic.Deşi par a fi soluţia ideală, tind să fie afectaţi de obiecte metalice, şi în special de cele feromagnetice.Aceasta este valabil atât pentru sistemele vechi funcţionând în curent alternativ, dar şi pentru sistemele noi folosind curent continuu (care sunt mai silenţioase).

III.4.1.Senzori magnetici inductiviFuncţionarea lor se bazează pe modificarea proprietăţilor unui circuit magnetic (bobină) în prezenţa unui corp metalic feromagnetic aflat la o distanţă mică, de la câţiva centimetri la un metru.Schema unui astfel de bloc este prezentă în figura 6. (anexă). Aceasta duce la utilizarea lor ca detectoare de obiecte metalice ascunse: mine, arme de foc, arme albe, etc.

III.4.2.Senzori magnetici ce folosesc efectul Hall Senzorii care au la bază efectul lui Hall pot returna un semnal analog sau unul digital, în funcţie de necesităţi.Schema de principiu este reprezentată în figura 9.Utilizarea lor este variată, în cazul determinării poziţiei sunt foarte exacte dar au o arie de acţiune limitată.

III.4.3.Senzori magnetici ce folosesc magnetoconstricţiaSenzorii ce folosesc magnetoconstricţia sunt limitaţi la determinarea poziţiei doar pe o singură axă, cea mai importantă utilizare fiind cea ca senzori în cadrul unor sisteme de suspensie la automobile. Un senzor de poziţie folosind magnetoconstricţia, foloseşte acest efect pentru a induce o impuls pulsatoriu printr-un fir special, numit fir conducător de semnal. Timpul de propagare prin acesta este măsurat şi folosit la calculul distanţei. În cazul a două câmpuri magnetice: unul creat de un magnet care se mişcă pe lângă tubul senzor şi un altul înconjurând întregul fir conducător de semnal, creat când un curent electric îi este aplicat, avem la punctul de întâlnire dintre aceste două câmpuri magnetice, o tensiune oscilatorie . Acesta se propagă cu viteza sunetului (~3.54 µs/cm) până când este

detectat capătul senzorului. Poziţia magnetului ce se mişcă este determinată precis măsurând timpul trecut dintre lansarea impulsului electronic şi sosirea semnalului de tensiune. Detectarea poziţiei fară un contact direct este astfel realizată fară nici o uzură a elementelor sensibile.

IV. Discuţii şi interpretări

Domeniul abordat în această lucrare este unul vast şi în continuă evoluţie. Noi tehnologii sunt folosite pentru a face senzori din ce în ce mai performaţi şi precişi. Prezenta lucrare a încercat să facă o succintă prezentare a actualelor tehnologii folosite şi principiul de funcţionare a unora dintre cei mai reprezentativi senzori. Mărturisesc că majoritatea informaţiilor au fost culese de pe Internet, ceea ce nu mă face să mă îndoiesc de veridicitatea lor. Însă majoritatea prezentărilor sunt schiţate, fără prea multe detalii tehnice ceea ce nu aduce unui inginer iniţiat prea multe noutăţi. Noile tehnologii promit multe pentru viitor, însă, încă depind de anumiţi factori cum ar fi contactul vizual direct care le limitează aplicaţiile.Unii dintre acesti senzori au un preţ destul de ridicat, în funcţie de precizia cerută şi domeniul de utilizare.

V. Concluzii

Senzorii de poziţie sunt dispozitive electronice capabile să stabilească cu o anumită precizie poziţia într-un sistem 3D a unui obiect.

Senzorii optici folosesc sisteme optice avansate (camere video) pentru a detecta fluatuaţii în fondul vizual sau modele specifice.Utilizate mai ales în tehnica de supraveghere sunt sisteme ce stabilesc cel mai exact poziţia.

Senzorii mecanici folosesc ca senzori traductoare ce transformă tensiunea dintr-o articulaţie în impuls electric.Aceştia folosesc o tehnologie ce a fost înlocuită treptat, astăzi folosindu-se numai în procese industriale.

Senzorii acustici folosesc fluctuaţia semnalului radio (electromagnetic) pentru stabilirea poziţiei emiţătorului.Sunt sisteme simple, a cărei aplicaţie principală o reprezintă radarul şi mai nou sistemul de poziţionare prin satelit (GPS).

Senzorii magnetici se folosesc de faza şi intensitatea unui câmp magnetic pentru a localiza un obiect.Sunt folosiţi în sisteme de detecţie a unor materiale dar sunt folosite şi în instrumente de localizare, deşi au o rază de acţiune prea limitată.

Senzorii de poziţie sunt câteva dintre cele mai mari realizări ale tehnicii, însă fiecare prezintă unul sau mai multe dezavantaje ce îi reduce funcţionalitatea numai la anumite domenii. Dezvoltarea tehnicii poate aduce o nouă generaţie de senzori mai puternici, mai precişi şi mai ieftini.

VI. Bibliografie

Vladimir Melnic Sisteme electronice de supraveghere, Editura Teora,Bucureşti 1999Aledaida Mateescu Semnale şi circuite de telecomunicaţii, Editura Didactică şi

Pedagogică, Bucureşti 1979Aledaida Mateescu Semnale, circuite şi sisteme, Editura Militară Bucureşti, 1998**** Internet