La nivel mondial, dezvoltarea senzorilor este o disciplină în creștere rapidă. Piața senzorilor de astăzi oferă mii de tipuri de senzori, pentru aproape toate cantitățile măsurabile, pentru o gamă largă de aplicații și cu o mare varietate de calitate. Multe grupuri de cercetare activează în domeniul senzorilor, explorând noi tehnologii, investigând noi principii și structuri, ajutând la reducerea dimensiunilor și a prețului, la aceeași performanță sau chiar mai bună.

Inginerii de sistem trebuie să aleagă senzorii corespunzători pentru proiectare, de la un volum copleșitor de dispozitive de senzori și de echipament asociat. O alegere bine motivată necesită o cunoaștere aprofundată a ceea ce este disponibil pe piață și o bună înțelegere în cercetarea actuală a senzorilor pentru a putea anticipa viitoarele soluții de senzori.

Acest capitol introductiv oferă o imagine generală asupra senzorilor - funcționalitatea acestora, terminologia și proprietățile globale - ca un preludiu al unei discuții mai aprofundate cu privire la performanța senzorilor și principiile de funcționare.

1.1 Senzori în mecatronică

1.1.1 Definiții

Un traductor este o parte esențială a oricărui sistem de procesare a informațiilor care funcționează în mai multe domenii fizice. Aceste domenii sunt caracterizate de tipul de cantitate care oferă transportul informației relevante. Exemple sunt domeniile optice, electrice, magnetice, termice și mecanice. Un traductor este acea parte a unui sistem de măsurare care convertește informația despre un măsurand de la un domeniu la altul, în mod ideal fără pierderi de informații.

Un traductor are cel puțin o intrare și o ieșire. În cazul instrumentelor de măsurare, unde prelucrarea informațiilor este realizată prin semnale electrice, fie ieșirea, fie intrarea este de natură electrică (tensiune, curent, rezistență, capacitate și așa mai departe), în timp ce cealaltă este un semnal neelectric (deplasare, temperatură, elasticitate, și așa mai departe). Un traductor cu intrare neelectrică este un traductor de intrare, destinat să transforme o cantitate neelectrică într-un semnal electric pentru a măsura această cantitate. Un traductor cu ieșire neelectrică se numește un traductor de ieșire, destinat convertirii unui semnal electric într-o cantitate neelectrică pentru a controla această cantitate. Deci, o definiție mai explicită a unui traductor: este un dispozitiv electric care convertește o formă de energie într-alta, cu intenția de a păstra informațiile.

Conform terminologiei obișnuite, aceste traductoare sunt denumite senzori și actuatori, respectiv. (fig.1.1). Deci, un senzor este un traductor de intrare și un actuator este un traductor de ieșire. Trebuie remarcat însă că această terminologie nu este standardizată. În literatură se găsesc alte definiții. Unii autori fac o diferență explicită între un senzor și un traductor (intrare), subliniind o distincție între elementul care efectuează conversia fizică și dispozitivul complet - de exemplu, o marcă tensometrică (traductorul) și o celulă de sarcină (senzorul) cu unul sau mai multe mărci tensometrice și un element elastic.

Figura 1.1 Senzori și actuatoare.

Încercările de a standardiza terminologia în domeniul metrologiei au condus la Vocabulaire International de Métrologie (VIM) [1]. Conform acestui document, un traductor este un dispozitiv utilizat în măsurare, care asigură o cantitate de ieșire ce are o relație specificată cu cantitatea de intrare. Același document definește un senzor ca element al unui sistem de măsurare care este direct afectat de un fenomen, corp sau substanță care transportă o cantitate care trebuie măsurată.

Senzorii moderni nu conțin doar elementul de conversie, ci și o parte a procesării de semnal (procesare analogică, cum ar fi amplificarea și filtrarea, conversia AD și prelucrarea digitală). Mulți dintre acești senzori au electronica integrată cu partea de traductor pe un singur cip. Senzorii actuali pot avea o ieșire compatibilă cu magistrala, care implică condiționarea completă a semnalului pe placă sau includ electronica de transmisie în dispozitiv, de exemplu, pentru aplicații biomedicale.

Condiționarea semnalului poate fi inclusă:

• pentru a proteja senzorul de încărcare sau pentru a reduce erorile de încărcare;

• pentru a adapta gama de ieșire a senzorului la gama de intrare a convertorului analogic-digital (ADC);

• pentru a spori raportul S/N (raport semnal-zgomot) înainte de prelucrarea suplimentară a semnalelor;

• pentru a genera o ieșire electrică digitală compatibilă cu magistrala; sau

• pentru a transmite date de măsurare pentru aplicațiile wireless.

În concluzie, limitele dintre senzor și traductor, proclamate în multe manuale de senzori, dispar sau își pierd utilitatea: utilizatorul cumpără și aplică sistemul senzor ca un singur dispozitiv, cu o intrare neelectrică și o ieșire electrică (de exemplu, un semnal analogic, un semnal digital compatibil cu un microprocesor sau un semnal radio).

1.1.2 Dezvoltarea senzorilor

Senzorii furnizează informațiile esențiale despre starea unui sistem (mecatronic) și a mediului său. Aceste informații sunt folosite pentru a executa sarcinile prescrise, pentru a adapta proprietățile sau funcționarea sistemului la mediu (în schimbare) sau pentru a spori acuratețea acțiunilor care trebuie efectuate.

Senzorii joacă un rol important nu numai în mecatronică, ci și în multe alte domenii. Aceștia sunt aplicați pe scară largă în prezent în toate tipurile de produse și sisteme industriale. Câteva exemple sunt următoarele:

• Electronice de consum

• Produse de uz casnic

• Transport public, auto

• Industria prelucrătoare

• Producție

• Agricultura si industria de creștere

• Instrumente medicale

și multe alte domenii în care introducerea senzorilor a crescut dramatic performanța instrumentelor, mașinilor și produselor.

Piața senzorilor mondiali continuă să crească substanțial. Piața senzorilor din întreaga lume oferă peste 100.000 de tipuri diferite de senzori. Această cifră nu numai că ilustrează o gamă largă de utilizare a senzorilor, dar și faptul că selectarea senzorului potrivit pentru o anumită aplicație nu este o sarcină ușoară. Motivele creșterii interesului pentru senzori sunt următoarele:

• Prețuri reduse: prețul senzorilor nu depinde numai de tehnologie, ci și de volumul producției. Astăzi, prețul unui senzor este de la zeci de mii de euro pentru piese individuale până la câțiva eurocenți pentru un volum de 100 de milioane.

• Miniaturizare: tehnologia compatibilă cu IC și progresul tehnologiei microprelucrării sunt responsabile pentru această tendință [2- 4]. Senzorii de presiune aparțin primilor candidați pentru realizarea în siliciu (începutul anilor 1960). Sistemele MicroElectro-Mecanice (MEMS) preiau treptat mai mulți senzori mecanici [5- 7], proiectați în mod tradițional. În zilele noastre, sunt disponibili senzori solid-state (în siliciu sau tehnologie compatibilă) pentru aproape orice cantitate și încă mai există loc pentru inovare în acest domeniu [8, 9].

• Detectare inteligentă: aceeași tehnologie permite integrarea funcțiilor de procesare a semnalului și de detectare pe un singur cip. Tehnologia specială permite prelucrarea atât a semnalelor analogice cât și a celor digitale ("semnale mixte"), rezultând module de senzori cu ieșire digitală (compatibilă cu microprocesor).

Senzori MEMS cunoscuți sunt accelerometrele și giroscoapele. Un accelerometru MEMS poate fi realizat complet din siliciu, folosind tehnologia microprelucrării. Masa seismică este conectată la substrat prin grinzi subțiri, flexibile, care acționează ca un arc. Deplasarea masei poate fi măsurată, de exemplu, cu piezorezistoare integrate poziționate pe grindă la o locație cu deformare maximă (capitolul 4) sau printr-o metodă capacitivă ( Capitolul 5).

În mecatronică, se întâlnesc în principal senzori pentru măsurarea cantităților mecanice. Senzorii cei mai frecvenți sunt pentru deplasare (poziție) și forță (presiune), dar multe alte tipuri de senzori pot fi găsite într-un sistem mecatronic.

Mulți senzori sunt disponibili comercial și pot fi adăugați la, sau integrați într-un sistem mecatronic. Această abordare este preferată pentru sistemele cu sarcini relativ simple și funcționarea într-un mediu bine definit, așa cum se întâlnește frecvent în aplicațiile industriale. Totuși, pentru sarcini mai versatile și aplicații specifice, sunt necesare sisteme dedicate de senzori, care de multe ori nu sunt disponibile. Proiecte speciale, dezvoltare ulterioară sau chiar cercetare sunt necesare pentru a îndeplini cerințele specifice, de exemplu în ceea ce privește dimensiunile, greutatea, intervalul de temperatură și duritatea radiațiilor.

1.1.3 Terminologia senzorilor

În această lucrare, urmărim o categorizare strictă a senzorilor în funcție de principiul lor fizic principal. Motivul pentru această alegere este că performanța senzorului este determinată în principal de fizica principiului de bază al funcționării. De exemplu, un senzor de poziție poate fi realizat utilizând metode rezistive, capacitive, inductive, acustice și optice. Caracteristicile senzorului sunt strâns legate de procesele de conversie fizică respective. Cu toate acestea, un senzor magnetic de un anumit tip ar putea fi aplicat ca, de exemplu, un senzor de deplasare, un senzor de viteză sau un senzor tactil. Pentru toate aceste aplicații performanța este limitată de fizica acestui senzor magnetic.

Se pare că poziția și mișcarea conduc lista cu cantitățile măsurate. Limbajul comun conține multe alte cuvinte pentru parametrii de poziție. Adesea, traductorii sunt numiți după aceste cuvinte. Iată o scurtă descriere a unora dintre aceste traductoare.

Traductoarele pentru măsurarea forței și cantitățile aferente sunt următoarele:

Multe traductoare au primit nume în funcție de principiul lor de funcționare, de construcție sau de o anumită proprietate. Exemplele sunt după cum urmează:

Unii senzori utilizează o concatenare a pașilor de conversie. Un senzor de deplasare, combinat cu un arc, poate acționa ca un senzor de forță. În combinație cu o masă calibrată, un senzor de deplasare poate servi ca un accelerometru. Performanța unor astfel de traductoare nu depinde doar de senzorul primar ci și de componentele adăugate: în exemplele de mai sus, în acord cu arcul și, respectiv, masa seismică.

Informațiile referitoare la o anumită cantitate pot fi obținute și prin calcul folosind relațiile dintre cantități. Acuratețea rezultatului depinde nu numai de erorile din cantitățile măsurate direct, ci și de acuratețea parametrilor din model care descrie relația dintre cantitățile implicate.

De exemplu, la o măsurare a distanței acustice distanța este calculată din timpul de zbor măsurat (ToF, cu erori asociate) și viteza sunetului. Un rezultat precis al măsurării necesită cunoașterea vitezei acustice a mediului la temperatura curentă.

Unele variabile pot fi derivate de la altele prin prelucrarea electronică a semnalelor. Viteza și accelerația pot fi măsurate cu ajutorul unui senzor de deplasare, prin diferențierea semnalului său de ieșire o dată sau de două ori. În schimb, prin integrarea semnalului de ieșire al unui accelerometru se obține un semnal de viteză și, printr-o a doua integrare, un semnal de poziție. Evident, performanța rezultatului final depinde de calitatea procesării semnalului. Principala problemă cu diferențierea este creșterea nivelului de zgomot (în special în intervalul de frecvență mai ridicat), iar integrarea poate avea ca rezultat o deviație mare datorită integrării offset-ului.

1.1.4 Senzori și informații

În funcție de cantitatea de informații pe care un senzor sau un sistem de detectare le oferă, se pot distinge trei grupe de senzori: senzori binari, senzori analogi și senzori de imagine. Senzorii binari dau doar un pic de informație, dar sunt foarte utili în mecatronică. Ei sunt utilizați ca opriri finale, ca detectoare de evenimente și ca dispozitive de siguranță. În funcție de ieșirea lor (0 sau 1), procesele pot fi pornite, terminate sau întrerupte. Natura binară a ieșirii le face extrem de insensibile la interferențele electrice.

Senzorii analogici sunt utilizați pentru obținerea informațiilor metrice cu privire la cantitățile legate de distanță (de exemplu, poziția relativă, viteza liniară și unghiulară și accelerația), forța (de exemplu, presiunea, forța de prindere și îndoire) sau altele (de exemplu, proprietăți termice, optice, mecanice, electrice sau magnetice ale unui obiect). Există o gamă largă de senzori industriali disponibili pentru aceste scopuri.

Cea de-a treia categorie cuprinde senzori de imagine, destinate pentru a obține informații referitoare la structuri și forme. În funcție de aplicație, datele senzorilor se referă la imagini cu una, două sau trei dimensiuni. Cerințele de acuratețe sunt mai puțin severe în comparație cu senzorii din categoria precedentă, dar conținutul de informații al ieșirii lor este mult mai mare. Ca o consecință, achiziția și prelucrarea datelor pentru astfel de senzori sunt mai complexe și mai consumatoare de timp.

Următoarele secțiuni prezintă câteva aspecte generale ale senzorilor, în urma clasificării în senzori binari, analogi și de imagine, așa cum au fost introduși anterior. De fapt, secțiunea servește ca o prezentare generală a senzorilor și a sistemelor de detectare care sunt discutate mai detaliat în capitolele ulterioare. Detalii despre cunoștințe fizice, specificații și aplicații tipice sunt lăsate pentru acele capitole. Aici sunt evidențiate diferențele de abordare și se subliniază consecințele acestora pentru aplicabilitatea în sistemele mecatronice.

1.1.4.1 Senzori binari

Un senzor binar are o intrare analogică și o ieșire cu două stări (0 sau 1). Convertește cantitatea de intrare (analogică) la un semnal de ieșire de un bit. Acești senzori sunt de asemenea menționați ca întrerupătoare sau detectoare. Ei au un nivel de prag fix sau reglabil x_t (fig. 1.2A). De fapt, există în esență două nivele, marcând intervalul histerezis (fig. 1.2B). Orice senzor analogic poate fi convertit la un senzor binar prin adăugarea unui declanșator (trigger) Schmitt (comparator cu histerezis, Anexa C.5). Deși histerezisul scade acuratețea detecției pragului (până la intervalul de histerezis), acesta poate contribui la reducerea oscilației nedorite datorat zgomotului din semnalul de intrare.

Figura 1.2 Caracteristica unui senzor binar
(A) fără histerezis, (B) cu histerezis impus.

Majoritatea senzorilor binari măsoară poziția. Senzorii de deplasare binari sunt de asemenea menționați ca senzori de proximitate. Ei reacționează atunci când o parte a sistemului sau un obiect în mișcare a atins o anumită poziție. Două tipuri majore sunt comutatoarele comandate mecanic și magnetic.

Comutatoarele controlate mecanic sunt de fapt senzori de atingere. Ele sunt disponibile într-o mare varietate de dimensiuni și construcții; pentru condiții speciale există tipuri impermeabile și rezistente la explozie; pentru măsurători de precizie există întrerupătoare cu o inexactitate mai mică de ±1μm și un interval de histerezis în același ordin, garantat pe o gamă de temperatură cuprinsă între -20°C și 75°C. Un alt parametru important al unui comutator este fiabilitatea, exprimată în numărul minim de comutații. Întrerupătoarele mecanice au o fiabilitate de aproximativ 10⁶ .

Un comutator reed este un comutator controlat magnetic: două sârme magnetizabile sau trestii, într-o capsulă închisă ermetic, umplută cu un gaz inert. Comutatorul este în mod normal oprit; acesta poate fi comutat mecanic on de un magnet permanent care se apropie de senzor. Comutatoarele reed au o fiabilitate bună: peste 10⁷ comutări la o frecvență de comutare de 50 Hz. Un dezavantaj este efectul de oscilație, săriturile contactelor în timpul unei tranziții de stare. Comutatoarele reed sunt utilizate în diferite sisteme comerciale, de la mașini (monitorizarea luminilor întrerupte, indicatoare de nivel) la orgi electronice (contacte de redare), la dispozitive de telecomunicații și la echipamente de testare și măsurare. În sistemele mecatronice, acționează ca detectori de terminare a mișcării, senzori de atingere și alte dispozitive de siguranță. Aspectele tehnice sunt descrise în capitolul 6 la senzorii inductivi și magnetici.

Dezavantajele tuturor comutatoarelor mecanice sunt un timp de comutare-on relativ mare (pentru comutatoarele reed, în mod obișnuit de 0,2 ms) și uzura. Acest lucru explică popularitatea crescândă a comutatoarelor electronice, cum ar fi semiconductorii controlați optic și plăci Hall. Există o gamă largă de senzori de deplasare binari pe piață, pentru o varietate de distanțe și performanțe.

Tabelul 1.1 Specificațiile tipice ale senzorilor binari comerciali

Toți acești senzori, cu excepția comutatorului mecanic, funcționează practic fără contact. Evident, tipurile optice au cea mai largă gamă de distanță. Tipurile optice, inductive și capacitive sunt în esență senzori analogici, cu nivele de prag reglabile. Specificațiile includ interfața și electronica de citire. În particular, timpul de răspuns al senzorului în sine poate fi mult mai bun decât valoarea indicată în tabel. Datele de acuratețe includ histerezis și se aplică pentru întregul interval de temperatură (temperatura maximă de funcționare este de 70°C tipic).

1.1.4.2 Senzori analogici

Există un număr copleșitor de senzori analogici pe piață, pentru aproape orice cantitate fizică, și care funcționează în conformitate cu o diversitate de principii fizice. În mecatronică, cantitățile majore de măsurare de interes sunt deplasările liniare și unghiulare, derivatele lor de timp (viteza și accelerația) și forța (inclusiv cuplul și presiunea). Acestea și mulți alți senzori vor fi discutate mai detaliat în capitolele ulterioare.

1.1.4.3 Senzori de imagine

Imagistica este o metodă puternică de a obține informații despre parametrii geometrici ai obiectelor cu o formă complexă. Obiectul 3D sau o scenă completă este transformat într-un set de puncte de date reprezentând parametrii geometrici care descriu caracteristicile particulare ale obiectului, de exemplu poza sa (poziția și orientarea în spațiu), dimensiunile, forma sau identitatea. O condiție esențială în imagistică este păstrarea informațiilor solicitate. Acest lucru nu este, cu siguranță, banal: fotografiile și fotografiile de cameră sunt reprezentări 2D ale unei lumi 3D și, prin urmare, multe informații sunt pierdute prin procesul de imagistică.

Trei concepte de bază pentru achiziția imaginilor sunt reprezentate schematic în figura 1.3. În prima metodă, scena care urmează să fie înregistrată este scanată punct cu punct prin unele mijloace mecanice (de exemplu, o oglindă pe un motor pas cu pas) sau electronic (de exemplu, cu matrice în fază). Un astfel de sistem de imagistică este adesea denumit detector de distanțe: oferă informații privind distanța într-un interval unghiular determinat de limitele mecanismului de scanare. Ieșirea este un flux secvențial de date care conține informații 3D despre scenă: datele de profunzime de la senzorul de scanare și datele unghiulare din mecanismul de scanare. Deși punctele de date sunt tridimensionale, informațiile se obțin numai în ceea ce privește limita de suprafață și numai acea parte a suprafeței care este conectată la sistemul de senzori printr-o linie directă. Prin urmare, datele privind intervalul sunt numite uneori date 2,5D. În figura 1.3A, senzorul și mecanismul de scanare sunt prezentate ca un singur dispozitiv. Cele mai multe sisteme de scanare constau din mai multe părți, de exemplu, un emițător și un receptor fix și una sau mai multe oglinzi rotative sau reflectoare. Uneori, transmițătorul, receptorul sau ambele sunt montate pe dispozitivul de scanare. Deși metoda de scanare este lentă, este necesar doar un singur senzor care poate fi de calitate superioară.

Figura 1.3 Tehnici de imagistică: (A) scanare cu puncte 2D,
(B) scanare în linie 1D și (C) proiecție pe senzor de matrice 2D.

În cea de-a doua metodă (figura 1.3B), scena este scanată linie cu linie, din nou folosind un dispozitiv mecanic de scanare. Fiecare linie este proiectată pe o serie de senzori (în domeniul optic, de exemplu o matrice de diode). Matricea senzorilor poate include scanarea electronică pentru a procesa datele într-un mod adecvat. Cu toate acestea, mecanismul de scanare mecanică funcționează într-o singură direcție, ceea ce crește viteza de formare a imaginii și micșorează complexitatea construcției în comparație cu scanarea în puncte.

A treia metodă (figura 1.3C) implică proiecția imaginii necunoscute pe o matrice 2D a senzorilor de punct. Această matrice este scanată electronic pentru procesarea în serie a datelor. Deoarece toate scanările sunt efectuate în domeniul electronic, timpul de achiziție este scurt. Cel mai cunoscut dispozitiv de imagistică este camera matrice CCD (Charge Coupled Device). Are cea mai mare rezoluție spațială a tuturor imaginilor matriceale.

Având în vedere natura diferitelor suporturi posibile de informații, există cel puțin trei candidați pentru achiziția de imagini: lumina, (ultra)sunetul și forța de contact. Toate cele trei sunt utilizate atât în ​​modul de scanare cât și în proiecție. Cel mai popular este camera CCD ca aparat pentru explorarea și analizarea spațiului de lucru al unui sistem mecatronic sau al unui mediu de robot. Totuși, în numeroase aplicații, camera nu este cu siguranță cea mai bună alegere.

Obținerea unei imagini este doar primul pas în obținerea informațiilor solicitate; prelucrarea datelor este un alt element important. Există o diferență izbitoare între viziunea (bazată pe cameră) și prelucrarea datelor nonvision. Principala problemă a camerei CCD este furnizarea de date inutile. Primul pas în procesarea imaginilor este, prin urmare, acela de a scăpa de toate datele irelevante din imagine. De exemplu, un simplu contur ar putea fi suficient pentru identificarea corectă a obiectului; ideea este cum să găsiți conturul potrivit. Însă, majoritatea aparatelor nonvision suferă de o rezoluție prea mică. Aici principala problemă este extragerea informațiilor din imaginea cu rezoluție scăzută și, în cazul sistemelor de scanare, de la alți senzori. În toate cazurile, procesarea datelor bazată pe modele este necesară pentru a ajunge la concluzii adecvate despre caracteristicile obiectelor sau scena testată.

1.1.4.4 Imagistica optică

Cele mai multe sisteme optice de imagistică aplicate în mecatronică și robotică utilizează o cameră (tip CCD sau CMOS) și o iluminare adecvată a scenei. Imaginea (sau o pereche de imagini sau chiar o secvență când sunt necesare informații 3D) este analizată prin algoritmul de procesare a imaginii aplicat intensității și distribuției de culoare din imagine. Caracteristicile particulare ale obiectului sunt extrase din modele speciale în intensitatea luminii din imagine. Informația despre poziție este derivată din poziția caracteristicilor din imagine, împreună cu parametrii camerei (poziția și orientarea, distanța focală).

Condițiile specificate pentru obținerea unei imagini adecvate trebuie să fie îndeplinite: o iluminare care oferă un contrast adecvat și nu există umbre îngrijorătoare și o setare a camerei cu o vedere completă asupra obiectului sau scenei și cu o cameră care are o rezoluție suficient de ridicată, astfel încât să nu se piardă detalii relevante. Evident, o imagine 2D arată doar o anumită perspectivă a obiectului, niciodată o vedere completă (auto-ocluzie). În cazul mai multor obiecte, unele dintre ele ar putea fi (parțial) ascunse în spatele altora (ocluzie), o situație care face identificarea mult mai dificilă.

Chiar și în situația cea mai favorabilă, imaginea în sine nu dezvăluie suficiente informații pentru sarcina specificată. Pe lângă un model adecvat al obiectului, avem nevoie de un model al procesului de imagistică: poziția și orientarea camerei (lor), parametrii camerei ca distanța focală și poziția sursei (surselor) de lumină în raport cu obiectul și cu camera. Toate aceste elemente determină calitatea imaginii de la care trebuie extrase caracteristicile. Poza obiectului din scenă poate fi derivată din informațiile și cunoștințele disponibile ale sistemului imagistic.

Mulți algoritmi au fost dezvoltați pentru a extrage caracteristici utile dintr-o imagine care este construită din mii de eșantioane (în spațiu și timp) descrise prin parametrii de culoare, valorile de tonuri gri sau doar biții pentru imagini alb-negru. Imaginea este căutată pentru anumite combinații de pixeli adiacenți, cum ar fi marginile, din care sunt derivate limitele regiunii. Zgomotul în imagine poate deranja acest proces, și algoritmi speciali au fost dezvoltați pentru a reduce influența lui. Rezultatul este o imagine care dezvăluie cel puțin unele caracteristici ale obiectului. Pentru informații suplimentare despre extragerea caracteristicilor, cititorul este trimis la literatura privind viziunea pe calculator și prelucrarea imaginilor.

1.1.4.5 Imagistica acustică

Interesul pentru undele acustice în imagistică este în continuă creștere, în principal din cauza costurilor reduse și a construcției simple a traductoarelor acustice. Adecvarea imagisticii acustice a fost dovedită în aplicații medicale, geologice și submarine. Aplicațiile în mecatronică au, totuși, unele limitări severe care se întorc la propagarea undelor ultrasonice în aer (unde operează majoritatea sistemelor mecatronice). În ciuda acestor limitări, detaliate în Capitolul 9, se fac multe încercări de îmbunătățire a acurateței și aplicabilității sistemelor de măsurare acustică, în special deoarece acestea sunt aplicate la măsurarea distanței și la determinarea intervalului.

Cel mai remarcabil dezavantaj al imagisticii acustice este rezoluția spațială scăzută, datorită fasciculului divergent al traductoarelor acustice. Directivitatea traductoarelor poate fi îmbunătățită prin creșterea raportului dintre diametru și lungimea undei. Chiar și la frecvențe medii (adică, 40 kHz), acest lucru are ca rezultat dispozitive destul de mari. O metodă alternativă este utilizarea unei serii de elemente acustice active simultan. Datorită interferențelor, fasciculul principal (în direcția axei acustice) este îngustat. Mai mult, direcția acestui fascicul poate fi controlată electronic prin variația defazajului sau a întârzierii de timp între elementele matricei. Această tehnică, cunoscută sub denumirea de matrice fazate, se aplică atât emițătorilor, cât și receptoarelor.

Recunoașterea formelor necesită un set de senzori de distanță sau scanare cu un singur senzor, conform unuia din principiile din figura 1.3. Forma rezultă dintr-o serie de calcule numerice (a se vedea, de exemplu, referințele [10, 11]).

În loc de modele geometrice pentru utilizarea în recunoașterea obiectului, pot fi utilizate și alte modele. Un exemplu de abordare diferită este prezentat schematic în figura 1.4. Un semnal acustic (stimulul) este transmis spre obiect. Forma modelului de ecou (răspunsul) este determinată de forma și orientarea obiectului. Într-o fază de învățare, modelele ecou ale tuturor obiectelor posibile sunt stocate în memoria calculatorului. Ele pot fi considerate semnături acustice ale obiectelor. Modelul de ecou de la un obiect de test aparținând setului instruit se potrivește cu fiecare dintre semnăturile stocate. Utilizarea unui criteriu de distanță minimă indică cel mai bun candidat [12]. Evident,condițiile de testare ar trebui să fie aceleași ca în timpul fazei de învățare: sunt necesare o geometrie fixă ​​și un stimul stabil.

Figura 1.4 Recunoașterea obiectelor utilizând tehnica de semnătură acustică;
stânga: configurarea sistemului; dreapta-sus: ecou numai al plăcii de bază;
jos: ecou de obiect pe placa de bază.

Procesul de comparare poate fi efectuat fie în domeniul frecvență, fie în domeniul timp. Cu această tehnică simplă, este posibil să se facă distincția între obiecte ale căror forme sau orientări (poziția normală vs poziția răsturnată) sunt destul de diferite. Cu un stimul adaptiv și un algoritm adecvat, chiar și defectele mici ale unui obiect pot fi detectate prin tehnici ultrasonice. În anumite condiții, diferențele de obiect foarte mici pot fi detectate, de exemplu, între fețele unei monede [13].

1.1.4.6 Imagistica tactilă

Spre deosebire de imagistica optică și acustică, imagistica tactilă se realizează prin contact mecanic între senzor și obiect. A avea contact are avantaje și dezavantaje. Dezavantajele sunt sarcina mecanică a obiectului (poate fi mișcată sau presată) și necesitatea de a deplasa senzorul activ spre obiect. Avantajele imagisticii tactile includ posibilitatea obținerii informațiilor legate de forță (de exemplu, forța și cuplul de atingere) și a proprietăților mecanice ale obiectului (de exemplu, elasticitatea, reziliența și textura suprafeței). Un alt avantaj față de imagistica optică este insensibilitatea față de condițiile de mediu. Această versatilitate a unui senzor tactil îl face foarte atractiv în scopuri de control, în special în procesele de asamblare. Mai mult, datele tactile și viziunea pot fi combinate, pentru a beneficia de ambele modalități.

În robotică, imagistica tactilă este în mare parte combinată cu acțiunea de prindere. Pentru controlul în linie, senzorul tactil ar trebui să fie încorporat în dispozitivul de prindere al robotului, permițând distribuirea simultană a forței și măsurătorile de poziție în timpul mișcării dispozitivului de prindere. Acest lucru permite controlul continuu al forței, precum și corectarea poziției.

În sistemele de inspecție (cum ar fi mașinile de măsurare a coordonatelor), obiectul testat este scanat mecanic printr-un mecanism de mișcare, cu un senzor de atingere ca efect de capăt. Mașina este controlată pentru a urmări o cale de-a lungul obiectului, în timp ce menține forța de atingere la o valoare constantă. Datele de poziționare rezultă din transformarea înapoi a coordonatelor vârfului (senzorului) în coordonatele mondiale. Scanarea este lentă dar poate fi foarte precisă, până la 10 nm în trei dimensiuni.

1.2 Selectarea senzorilor

Alegerea unui senzor adecvat nu este cu siguranță o sarcină banală. În primul rând, sarcina care trebuie susținută de unul sau mai mulți senzori trebuie analizată în detaliu și toate strategiile posibile trebuie revizuite. Senzorii potențiali trebuie specificați cu precizie, inclusiv condițiile de mediu și constrângerile mecanice și electrice. Dacă se pot găsi senzori comerciali care satisfac cerințele, se recomandă cumpărarea. O atenție deosebită ar trebui acordată electronicii de interfață (în general disponibile ca unități separate, dar rareori adecvate pentru sistemele mecatronice nou dezvoltate). În cazul în care piața nu oferă sistemul de senzori potrivit, un astfel de sistem poate fi asamblat din componentele senzorilor comerciali și electronice. Această lucrare oferă o ghidare fizică pentru majoritatea senzorilor, pentru a ajuta la înțelegerea funcționării acestora, pentru a vă ajuta să faceți o alegere justificată, sau pentru a asigura cunoștințe privind asamblarea sistemelor de detectare particulare.

Selecția senzorilor se bazează pe cerințe satisfăcătoare; totuși, aceste cerințe sunt adesea necunoscute cu precizie sau în detaliu, în special atunci când proiectantul sistemului și utilizatorul acestuia sunt persoane diferite. Prin urmare, prima sarcină a designerului este să obțină cât mai multe informații despre viitoarele aplicații ale sistemului, toate condițiile posibile de funcționare, factorii de mediu și specificațiile, în ceea ce privește calitatea, dimensiunile fizice și costurile.

Lista cererilor ar trebui să fie exhaustivă. Chiar și atunci când nu toate elementele sunt relevante, ele trebuie indicate ca atare. Acest lucru va lăsa mai mult spațiu designerului și va reduce la minimum riscul de a începe totul din nou. Lista trebuie făcută astfel încât să permită o comparație fără ambiguități cu specificațiile finale ale sistemului proiectat. Odată ce designerul are o idee completă despre utilizarea ulterioară a sistemului, poate începe faza proiectării conceptuale.

Înainte de a se gândi la senzori, trebuie luat în considerare mai întâi principiul măsurării. Pentru instrumentarea fiecărui principiu de măsurare, proiectantul are la dispoziție o multitudine de metode de detectare. Pentru realizarea unei anumite metode de senzor, proiectantul trebuie să aleagă componenta optimă a senzorului și tipul senzorului dintr-o vastă colecție de senzori oferită de numeroși producători de senzori.

Acest proces de proiectare este ilustrat printr-un exemplu de măsurare pentru o singură cantitate statică: cantitatea de lichid dintr-un recipient (de exemplu, un distribuitor de băuturi). Prima întrebare la care trebuie răspuns este, în ce unități trebuie exprimată suma: volum sau masă? Acest lucru poate influența selecția finală a senzorului. Figura 1.5 prezintă diferite principii de măsurare într-un mod schematic:

A: rezervorul este plasat pe un cântar, pentru a măsura greutatea sa totală;

B: un manometru pe fundul rezervorului;

C: o regulă de măsurare de sus în jos cu citire electronică;

D: detector de nivel în partea de jos, măsurarea înălțimii coloanei;

E: detector de nivel din partea de sus a rezervorului, măsurarea înălțimii părții goale;

F: debitmetre (masă sau volum) atât la intrare cât și la ieșire.

Figura 1.5 Conținutul rezervorului de măsurare.

Evident, pot fi găsite mai multe principii pentru a măsura o cantitate care este legată de cantitatea de fluid din rezervor.

În faza conceptuală a proiectării ar trebui luate în considerare cât mai multe principii, chiar și cele neconvenționale. Pe baza listei cererilor, ar trebui să fie posibil să se găsească din această listă un principiu adecvat al candidatului sau, cel puțin, să se elimine multe dintre principii, pe o bază argumentată. De exemplu, dacă rezervorul conține un fluid corosiv, este preferat un principiu de măsurare fără contact, punând principiile B, C și D într-o poziție inferioară din listă.

În plus, pentru rezervoarele foarte mari, metoda A poate fi eliminată din cauza costurilor ridicate. Proiectul conceptual se încheie cu un set de principii cu argumente pro și contra, clasificate în funcție de perspectivele de succes.

După ce ați specificat o listă de principii candidate, următorul pas este să găsiți o metodă adecvată de detectare pentru fiecare dintre ele. În exemplul din figura 1.5, vom investiga în continuare principiul E, un detector de nivel plasat în partea de sus a rezervorului. Trebuie notat faptul că numai cantitatea de lichid nu poate fi determinată: de asemenea, trebuie luată în considerare forma recipientului. Din nou, se face o listă a diferitelor metode posibile de senzori, după cum urmează:

E1: un flotor conectat la un sistem electronic de citire;

E2: măsurare ToF optică ;

E3: măsurarea domeniului optic;

E4: măsurarea distanței electromagnetice (radar);

E5: măsurarea ToF acustică, și așa mai departe.

Ca și în faza conceptuală, aceste metode sunt evaluate utilizând lista cerințelor, deci nu numai caracteristicile metodei de detectare, ci trebuie luate în considerare și proprietățile obiectului de măsurare (de exemplu, tipul de lichid și forma rezervorului) și mediul înconjurător. Pentru sistemul rezervor, metoda acustică ToF ar putea fi un candidat excelent din cauza faptului că nu are contact. În această fază, este de asemenea important să se ia în considerare metode de reducere a unor factori de mediu, cum ar fi temperatura. În cele din urmă, această fază se încheie cu o listă de metode de detectare a candidatului, precum și cu avantajele și dezavantajele acestora în raport cu cerințele.

Pasul final este selectarea componentelor care alcătuiesc sistemul de detectare. Aici trebuie luată o decizie între achiziționarea unui sistem comercial disponibil și dezvoltarea unui sistem dedicat. Criteriile majore sunt costurile și timpul: ambele sunt deseori subestimate atunci când se ia în considerare dezvoltarea proprie.

În această fază a procesului de selecție, specificațiile senzorilor devin importante. Furnizorii de senzori publică specificații în fișele de date sau pe Internet. Cu toate acestea, accesibilitatea acestor date este încă slabă, făcând această parte a procesului de selecție critică și consumatoare de timp, în special pentru nespecialiștii din domeniul senzorilor.

Evident, exemplul senzorului de nivel este foarte simplificat, în timp ce procesul de selecție nu este de obicei atât de simplu. Deoarece senzorul este adesea doar un element în proiectarea unui sistem mecatronic complex, se recomandă o interacțiune apropiată și frecventă cu alte discipline de proiectare, precum și cu clientul.

1.3 Detectarea încorporată

Senzorii joacă un rol esențial în evoluțiile actuale din industrie și internet ale lucrurilor. Cel mai adesea nu se referă doar la traductoare care convertesc semnale fizice în domeniul electric, ci sunt discutate ca sisteme complete. Un "nod senzor" din industria 4.0 sau din Internetul lucrurilor constă, în mod normal, dintr-un sistem integrat, încorporat, care conține alimentarea, procesarea, mijloacele de comunicare și, eventual, elementul de detectare. Cantități mari de date sunt generate folosind rețele largi de noduri senzor inteligente care măsoară condițiile instalației, calitatea apei sau vremea - adesea cu o robustețe mai mare, o acuratețe mai mare sau o rezoluție mai bună decât tehnologia convențională de teledetecție.

Aceasta înseamnă că, pentru industria inteligentă, internetul obiectelor și aplicațiile mecatronice, posibilitățile de interfațare și procesare (încorporată) a semnalelor senzorilor sunt aproape la fel de importante în criteriile de selecție ca și alegerea unui traductor fizic adecvat. Pentru a sublinia această importanță, pentru fiecare principiu fizic vor fi discutate câteva exemple de prelucrare încorporate. Acestea nu sunt în nici un caz menite ca linii directoare de proiectare sau rețete complete, dar vizează să ofere o perspectivă asupra posibilităților, să ofere o opțiune pentru învățare și pot fi folosite ca punct de plecare pentru proiectare sau dezvoltare ulterioară.

1.3.1 Interfațare, condiționare, prelucrare

Senzorii discutați în această carte sunt, în principal, traductoare care convertesc cantitățile dintr-un domeniu fizic în domeniul electric. Aplicațiile discutate (în mecatronică) sunt în mare parte nu numai în domeniul semnalului electric, ci și în domeniul digital. Un traductor convertește sau transformă informația de la un domeniu la altul. De asemenea, actul observării se schimbă (nu numai adevărul în mecanica cuantică). Un traductor ideal convertește cât mai puțină energie posibil pentru a nu avea un impact asupra măsurandului. Aceasta înseamnă că semnalele electrice de măsurare convertite sunt de obicei mici și necesită condiționarea suplimentară, cum ar fi amplificare, reducere offset și liniarizare. Acest lucru se poate realiza în mai multe moduri: prin proiectarea inteligentă a senzorilor, prin adăugarea circuitelor de condiționare sau prin prelucrarea datelor în domeniul digital. Pentru prelucrarea datelor în domeniul digital, este necesar ca datele să fie transformate din domeniul electric într-o reprezentare digitală, de obicei printr-o conversie de la analogic la digital. Alternativ, senzorii pot fi de asemenea proiectați astfel încât ieșirea lor primară să se afle deja în domeniul digital: encodere incrementale sau (în special) encodere optice absolute dau ieșirea lor în "pași" sau "biți" digitali, vezi Capitolul 7.

Această abordare (prezentată schematic în figura 1.6) poate fi, de asemenea, recunoscută în majoritatea sistemelor de detectare digitală obișnuită (de uz casnic), cum ar fi termometrele digitale de febră sau cântare de baie. Circuitele pentru condiționare, conversie și procesare sunt, de obicei, condensate într-un singur circuit integrat, uzual, ieșirea datelor pe un mic afișaj cu cristale lichide.

Figura 1.6 Prezentare generală schematică a pașilor în detectarea încorporată.

Pentru fiecare tip de traductor există un număr de strategii de interfațare însoțite de circuite de condiționare utile. Atunci când în cele din urmă se generează o tensiune care are o relație liniară (de preferință) sau cel puțin o schimbare cu măsurandul, activitatea în domeniul electric poate fi considerată făcută - și semnalul poate fi convertit în domeniul digital (în mod tipic cu ADC) pentru prelucrarea ulterioară și, în final, vizualizarea și interpretarea.

1.3.2 Platformă pentru ilustrare

Pentru a ilustra opțiunile de interfațare și algoritmii de procesare (simpli), a fost aleasă o platformă care a devenit un standard de facto în educație și aplicații Do-It-Yourself (DIY). Platforma Arduino a fost construită în jurul unui număr de membri ai seriei microcontrolerului pe 8 biți Atmel AVR RISC (set de instrucțiuni reduse). În ultimii ani, familia a fost extinsă la plăci bazate pe arhitectura ARM, Intel x86 și multe altele. Deși există mai multe sisteme, arhitecturi integrate, familii, plăci etc., această alegere a fost făcută cu speranța de a oferi exemple accesibile și reproductibile care pot fi traduse cu ușurință într-un alt sistem de alegere.

Placa care va fi folosită pentru experimentele și exemplele discutate este cel mai comun membru al familiei Arduino, Arduino Uno (Fig.1.7), care a fost în dezvoltare de mai bine de 10 ani și nu a fost schimbată substanțial, doar cizelată în acest proces.

Figura 1.7 Configurarea tipică a plăcii Arduino Uno cu placa de testare.
Schema realizată cu Fritzing.org.

Această placă este alcătuită dintr-un microcontroler ATmega328p de la Atmel care rulează la 16 MHz, o mică secțiune de putere (regulatori liniari de 5 și 3,3 V) și un microcontroler ATmega8U2 separat, utilizat ca dispozitiv USB-CDC pentru programare și comunicare. O singură conexiune USB poate fi utilizată atât pentru programarea dispozitivului (adică pentru încărcarea de noi programe în memoria flash a controlerelor principale) cât și pentru comunicarea cu dispozitivul. Mai multe plăci există în familia Arduino, folosind o mare varietate de protocoale de comunicare și programare, cum ar fi JTAG, debug cu 1-fir, native USB și protocoale de comunicații precum Bluetooth, WIFI, LoraWAN etc. dar acestea sunt, deși interesante pentru dezvoltarea rețelelor și nodurilor de senzori, considerate dincolo de scopul de a înțelege elementele de bază necesare procesării încorporate.

1.3.3 Arhitectura de control încorporată

Controlerul ATmega328p, care formează inima plăcii Arduino discutate, este un microcontroler RISC pe 8 biți care rulează la 16 MHz. RISC implică faptul că majoritatea instrucțiunile de nivel scăzut pot fi efectiv prelucrate într-un singur ciclu de ceas (ceea ce înseamnă 16.000.000 de instrucțiuni pe secundă). Controlerul are 4kB memorie RAM, 32kB memorie flash pentru stocarea programului și 1kB EEPROM. Acesta conține un număr de cronometre care pot fi utilizate pentru întreruperi sau generarea de semnale de modulare a lățimii pulsului și suport hardware pentru un număr de protocoale și standarde de comunicații (SPI, I2C) și o interfață serială de sincronizare cu scop general (UART).

Pentru detectarea încorporată, unul dintre cele mai relevante dispozitive din controler este ADC. Placa utilizată are un convertor AD cu 6 canale de 10 biți care, în configurația normală (canal unic), poate lua un eșantion în 100 μs (deci o rată maximă de eșantionare de 10 kHz), în funcție de modul în care rutina de eșantionare este configurată și implementată. Rețineți că acest lucru este în mare măsură cauzat de implementarea funcțiilor ("analogRead ()") în mediul și în biblioteci Arduino. Este posibil să se obțină rate mai ridicate de eșantionare utilizând diferite implementări în cod, a se vedea exemple din Anexa D.

Tensiunea de referință pentru convertorul intern AD poate fi setată la o referință internă de 1,1V, referința standard de 5,0V (alimentare) sau o referință externă (a se vedea anexa D ).

Pinii de intrare care pot fi utilizați pentru conversia AD (controlerul are doar un convertor AD și un multiplexor cu 6 canale) pot fi utilizați și ca pini de intrare sau ieșire pentru utilizare generală. De asemenea, este posibil să se utilizeze un rezistor pull-up intern la fiecare pin de intrare, astfel (în cazuri simple) eliminând necesitatea unor componente suplimentare pentru interfațarea senzorilor.

1.3.4 Dezvoltarea aplicațiilor

Software-ul pentru placa Arduino poate fi scris pe un mediu integrat de dezvoltare (IDE) care rulează pe un computer gazdă. Versiunile acestui IDE există pentru multe sisteme de operare (Windows, Linux și Mac OSX) și pot fi descărcate în mod liber (sursele sunt licențiate ca GPL) de pe site-ul web Arduino.cc. IDE (prezentat în figura 1.8) este scris în Java și se bazează pe compilatorul GNU AVR-GCC și pe proiecte AVR-dude pentru compilarea codului (C ++) și programarea dispozitivelor.

Figura 1.8. Arduino IDE cu schiță "goală" și monitor serial cu date numerice.

În multe aplicații pentru proiectare și educație, intrarea unui senzor este comparată cu o anumită valoare de prag și se iau măsuri în consecință. Scopul exemplelor ilustrate este de a obține un pas mai departe și a traduce semnalele senzorilor obținute înapoi la unități SI semnificative.

Puterea controlului încorporat, chiar și prin dispozitive relativ simple (calcul) ca microcontrolere AVR pe 8 biți, a fost demonstrată de dezvoltarea comunității Maker/DIY de imprimante 3D, quadcoptere și vehicule de echilibrare. Detectarea și controlul în timp real, de nivel scăzut (menținerea căldurii într-un cap de imprimare, poziția și altitudinea quadcopterului sau echilibrul unui Segway) este executată în aceste exemple de către microcontroler, control de buclă total de către un sistem gazdă sau operator de la distanță.

Pentru exemplele prezentate în această lucrare se va lua o abordare similară. După interfațare, condiționare și procesarea semnalelor în platforma încorporată, trebuie să aibă loc și înregistrarea, vizualizarea și interpretarea.

Deși Arduino IDE conține un număr de instrumente pentru vizualizarea și înregistrarea elementară a datelor (un instrument monitor serial și un scriitor de grafice rudimentar), aici este introdus un instrument diferit pentru înregistrarea, vizualizarea și prelucrarea datelor senzorilor pe un sistem PC gazdă. Platforma utilizată pentru o serie de exemple ilustrative simple este numită în mod corespunzător "Processing", disponibilă gratuit pentru mai multe sisteme de operare de pe site-ul Web al procesării (http://processing.org). IDE-urile atât pentru procesare, cât și pentru Arduino au un aspect și o simțire foarte asemănătoare. Fig. 1.9 arată IDE de procesare cu un exemplu de „graphwriter“, așa cum s-a discutat în Anexa D. Nu sunt nicidecum medii dezvoltate deplin pentru dezvoltarea produselor industriale, dar sunt special concepute pentru a crea mici teste, probe de concepte și prototipuri de lucru. De aceea, programele sunt denumite "schițe-sketches".

Figura 1.9 IDE-ul de procesare și interpretarea grafică a datelor (trimise de Arduino).

Începând cu capitolul 4, vor fi date un număr de exemple de detectare încorporată utilizând placa Arduino și IDE descrise. Pe lângă aceste instrumente, va fi folosit un instrument de foaie de calcul convențional (cum ar fi Microsoft Excel, numerele "Numbers" sau LibreOffice Calc). Există multe exemple pentru importul de date și interfața plăcii direct cu medii precum MatLab sau LabVIEW. După cum s-a spus, instrumentele descrise sunt utilizate doar ca exemple simple pentru a ilustra posibilitățile de integrare a senzorilor.

O mare parte din informațiile relevante pentru a începe utilizarea senzorilor încorporați, în special utilizând platforma Arduino, pot fi găsite online. Un bun punct de pornire este site-ul principal al lui Arduino. Referințele [14-16] oferă o introducere suplimentară în placa Arduino și lumea DIY în care se învârte. Aceste cărți au un caracter practic și conțin orientări pas cu pas pentru instalarea software-ului necesar, conectarea la placă, conectarea senzorilor ca și o introducere de bază în domeniul electronicii practice.

Referințe

1. International Vocabulary of Metrology – Basic and General Concepts and Associated Terms (VIM), Document produced by Working Group 2 of the Joint Committee for Guides in Metrology (JCGM/WG 2), JCGM 200, 2008.

2. Petersen KE. Silicon as a mechanical material. Proc IEEE. 1982;70(5):420–457.

3. Middelhoek S, Audet SA. Silicon Sensors London, San Diego, New York, Berkeley, Boston, Sydney, Tokyo, Toronto: Academic Press; 1989.

4. Gardner JW. Microsensors – Principles and Applications New York, Chichester, Weinheim, Brisbane, Singapore, Toronto: Wiley; 1994.

5. R.F. Wolffenbuttel (Ed.), Silicon Sensors and Circuits; On-Chip Compatibility, Chapman & Hall, London, Glasgow, Weinheim, New York, Tokyo, Melbourne, Madras, 1995.

6. Bao M-H. Micro Mechanical Transducers – Pressure Sensors, Accelerometers and Gyroscopes. Amsterdam, Lausanne, New York, Oxford, Shannon, Singapore, Tokyo: Elsevier; 2000.

7. Elwenspoek M, Wiegerink R. Mechanical Microsensors. Berlin, Heidelberg, New York, (Barcelona, Hong Kong, London, Milan, Paris, Singapore, Tokyo): Springer-Verlag; 2001.

8. Proceedings of various conferences, for instance ‘Transducers’, ‘Eurosensors’, ‘IEEE Int. Conf. on Micro Electro Mechanical Systems’ and many more.

9. Various international journals, for instance ‘Sens. Actuators A’ (Elsevier), ‘IEEE Sens. J.’ (IEEE).

10. Mattila P, Siirtola J, Suoranta R. Two-dimensional object detection in air using ultrasonic transducer array and non-linear digital L-filter. Sens Actuators A. 1996;55:107–113.

11. Armitage AD, Scales NR, Hicks PJ, Payne PA, Chen QX, Hatfield JV. An integrated array transducer receiver for ultrasound imaging. Sens Actuators A. 1995;46–47:542–546.

12. Cai C, Regtien PPL. A smart sonar object recognition system for robots. Meas Sci Technol. 1993;4:95–100.

13. Martín Abreu JM, Freire Bastos T, Calderón L. Ultrasonic echoes from complex surfaces: an application to object recognition. Sens Actuators A. 1992;31:182–187.

14. Karvinen T, Karvinen K, Valtokari V. Make: Sensors: A Hands-On Primer for Monitoring the Real World with Arduino and Raspberry Pi Maker Media, Incorporated May 6, 2014; ISBN 978-1-4493-6806-7.

15. Igoe T. Making Things Talk: Using Sensors, Networks, and Arduino to See, Hear, and Feel Your World Maker Media, Incorporated September 8, 2011; ISBN 978-1-4493-1717-1.

16. Banzi M. Getting Started with Arduino O’Reilly Media, Inc September 13, 2011; ISBN 978-1-4493-0987-9.