Majoritatea sistemelor de detectare a deplasării și a forței care funcționează pe principii optice constau din trei părți de bază: o sursă de lumină, un senzor de lumină și un mediu de transmisie. Adesea sunt necesare auxiliare, cum ar fi lentile, ghiduri de undă optică, oglinzi, filtre, polarizatoare, diafragme și chopper-e. Un senzor de deplasare optică este construit în așa fel încât o schimbare a distanței dintre două părți ale senzorului sau între o parte a senzorului și un obiect în mișcare duce la o schimbare în transmisia, reflexia, absorbția, împrăștierea sau difracția unui fascicul de lumină. Majoritatea senzorilor optici de deplasare se bazează pe reflexie variabilă (continuă) sau pe transmisie (de obicei, on-off). Alte modalități nu sunt întâlnite adesea în mecatronică. Senzorii optici de forță sunt fie derivați din senzori de deplasare prin adăugarea unuia sau a mai multor elemente de arc, sau bazați pe o modificare a parametrilor materialelor optice adecvate (în special a fibrelor). Deoarece lumina este o undă, se poate folosi de asemenea timpul de călătorie (sau ToF), schimbarea de fază și interferența.

Fibrele optice câștigă din ce în ce mai mult interes ca senzori, alături de rolul lor de mediu de transport de date. Proprietățile de transmisie ale acestor fibre pot fi modulate prin diferite proprietăți fizice, cum ar fi temperatura, umiditatea, îndoirea, deformarea și concentrația substanțelor chimice care intră în contact cu fibra. Cititorul este referit la literatura de specialitate cu privire la acest subiect specific.

Anexa A.4 enumeră diferitele mărimi optice cu definițiile și unitățile acestora, așa cum se utilizează în acest capitol.

7.1 Componente electro-optice

Majoritatea senzorilor optici aplicați în sistemele mecatronice sunt utilizați pentru măsurarea deplasării sau a distanței dintre părțile (mobile) ale construcției. Ieșirea lor este utilizată pentru a controla funcționarea corectă a sistemului, de exemplu, pentru a efectua o acțiune specificată (de exemplu mișcarea și rotirea) sau pentru a menține o condiție specificată (poziția și forța). O configurație generală a unui sistem de detectare optică este dată în figura 7.1. Se compune dintr-un emițător de lumină (sursă de lumină) și un receptor de lumină (detector de lumină). Lumina se deplasează printr-un mediu (de obicei aer, dar poate include părți ale construcției) de la emițător la receptor. Calea de transmisie este influențată (modulată) de către cantitatea care trebuie măsurată. Diferitele proprietăți ale luminii pot fi afectate de măsurand. Acest lucru se poate face în diferite moduri, așa cum se arată în Tabelul 7.1. Același tabel oferă de asemenea diferite tipuri de emițători, receptoare și eventuale accesorii care pot construi sistemul de detectare optică. În mod evident, numărul mare de combinații oferă proiectantului o mare libertate în alegerea celei mai bune soluții pentru aplicația dorită.

Figura 7.1 Configurația de bază a unui sistem de detectare optică.

Tabelul 7.1 Privire de ansamblu asupra emițătorilor și receptoarelor optice, a tipurilor de modulații și a posibilelor accesorii

În mod evident, aplicarea unui sistem de detectare optică necesită incorporarea componentelor optice în construcția mecatronică; ele fac parte integrantă din ea. Prin urmare, este important să se includă încă de la început sistemul de detectare (optic și orice alt sistem) în procesul de proiectare a sistemului mecatronic.

Deoarece majoritatea sistemelor de detectare optică cuprind o combinație de emițător de lumină și un detector de lumină, analizăm unele dintre aceste dispozitive electro-optice și proprietățile lor.

7.1.1 Emițătoare de lumină

Următoarea listă furnizează emițătoare utilizate în mod obișnuit pentru aplicații în traductoare de deplasare și forțe, împreună cu o caracterizare generală. Pentru informații detaliate, cititorul se referă la fișele tehnice și la cataloagele producătorilor, cele mai multe fiind disponibile gratuit pe Internet.

Principalele tipuri de emițătoare de lumină sunt:

• • Bec termic: O sursă optică foarte ieftină și ușor de obținut, disponibilă și în dimensiuni mici (de exemplu, un bec de stop pentru bicicletă). Caracteristici majore:
    • spectru optic larg (lumină aproape albă)
    • unghi de fascicul larg (aproape omnidirecțional)
    • lent; lățime de bandă mică: datorită funcționării termice, intensitatea nu poate varia foarte rapid; nu este adecvat în sistemele modulate.

• • LED (diodă emițătoare de lumină: o sursă de lumină ieftină și larg utilizată pentru numeroase aplicații (de exemplu, iluminare, afișaje și telecomandă). Caracteristici principale:
    • materiale: GaAs și alți 3-5 compuși
    • spectru relativ îngust de emisie (zeci de nm)
    • acoperă toate culorile din spectrul vizibil și IR
    • intensitate controlabilă electric (atât de adecvată în sistemele modulate)
    • fascicul focalizat moderat (cu lentile încorporate).

• • Laser cu semiconductor (diodă laser): tipuri de putere redusă având aspect și dimensiuni similare cu LED-uri, dar a căror funcționare fizică este diferită; bine-cunoscut de la playere CD și DVD, indicatori cu laser și imprimante laser. Caracteristici principale:
    • materiale: GaAs și alți 3-5 compuși
    • stimulare laser prin injectarea particulelor încărcate (curent)
    • intensitate controlabilă electrică
    • monocromatic (spectru foarte îngust, câțiva nanometri)
    • acoperă majoritatea culorilor în spectrul vizibil, IR și lângă UV (bazat pe GaN)
    • fascicol focalizat moderat (la fel ca LED-ul).

• • Laser Solid state: dispozitiv mult mai scump, pentru putere optică mare. Caracteristici majore:
    • materiale: Nd3+: Y3Al5O12 (YAG: aluminiu de ytriu cu impurități de ioni de neodim); rubin (Cr3+: Al2O3)
    • stimulare laser prin mijloace optice (impulsuri luminoase)
    • monocromatic (spectru optic foarte îngust) în spectru vizibil și infraroșu
    • fascicul îngust
    • controlul intensității este posibil numai cu componente speciale.

• Laser (gaz): dispozitiv mult mai scump, potrivit pentru o energie optică mare. Caracteristici majore:
  • materiale: He-Ne, Ar gaz
  • stimularea laserului prin descărcarea gazului
  • monocromatic (spectru optic foarte îngust) în spectru vizibil și IR
  • fascicul îngust
  • controlul intensității este posibil numai cu componente speciale.

Multe alte tipuri de lasere există, destinate în principal altor aplicații, cum ar fi tăierea, frezarea și sudarea. Pentru aplicațiile mecatronice, LED-ul și dioda laser sunt dispozitive recomandabile datorită dimensiunilor mici, interfeței simple și ușor de modulat. Parametrii importanți care trebuie luați în considerare la proiectarea unui sistem de senzori sunt intensitatea de ieșire sau puterea față de curentul de intrare (sensibilitate), intensitatea de ieșire față de lungimea de undă (sensibilitatea spectrală) și intensitatea de ieșire față de unghiul de divergență (diagrama directivității).

Există un număr mare de LED-uri și diode laser pe piață. Unii producători oferă posibilitatea de a căuta în baza lor de date prin specificații speciale, așa cum le-a cerut proiectantul, de exemplu prin gama de putere sau lungimea de undă. Pentru fiecare tip de produs, specificațiile principale sunt prezentate în tabel, dar nu întotdeauna într-un mod structurat și consecvent. Găsirea exactă a ceea ce este necesar pentru o anumită aplicație este în continuare consumatoare de timp.

Datele grafice oferă informații mai bune comparativ cu datele numerice. Figurile 7.2A-D prezintă exemple de astfel de grafice: caracteristicile de ieșire pentru un LED și o diodă laser, spectrul optic și directivitatea.

Figura 7.2 Caracteristicile tipice ale dispozitivelor emițătoare de lumină:
(A) intensitatea radială axială față de curentul direct (LED),
(B) puterea de ieșire față de curentul direct (dioda laser),
(C) intensitatea radiantă relativă față de lungimea de undă (IR LED)
(D) diagrame de directivitate (LED).

Intensitatea față de curentul direct: Fig.7.2A arată că intensitatea și puterea unui LED este aproximativ proporțională cu curentul direct. Intensitatea maximă a unui LED variază de la câteva mW/sr până la mai mulți W/sr, în funcție de tip. Intensitatea scade cu creșterea temperaturii, la o viteză de aproximativ 1% pe Kelvin. O diodă laser (fig. 7.2B) pornește pentru laser la un curent direct specificat, de obicei între 50 și 100 mA. Și aici, intensitatea scade odată cu creșterea temperaturii, în principal datorită scăderii eficienței cuantice la temperaturi mai ridicate.

Lungimea de undă: O diagramă tipică a emisiei spectrale este dată în figura 7.2C. Lungimea de undă de vârf este determinată de tipul de material semiconductor (Tabelul 7.2). Valorile intermediare sunt de asemenea disponibile; acele culori sunt obținute prin aditivi mici de alte materiale. Lățimea de bandă optică este intervalul lungimii de undă la o intensitate relativă de 50%. LED-urile au lățimi de bandă optică de ordinul a 20-50 nm; o diodă laser este mult mai monocromatică, cu lățimi de bandă optică de numai 1 nm.

Tabelul 7.2 Lungimile de undă de vârf ale unor tipuri de LED

Diagrama de directivitate: Fig.7.2D este un exemplu de diagramă de directivitate. Unghiul la jumătate (care indică lățimea fasciculului) este definit ca direcția în care intensitatea a scăzut cu 50% față de intensitatea în direcția axei principale (0 grade). Diagrama combină directivitatea a două tipuri: un fascicul îngust și un tip de fascicul larg. De obicei, un unghi mic este obținut de o lentilă din față. Rețineți că diodele laser au de asemenea un unghi relativ larg al fasciculului (datorită căii optice scurte pe care lumina o străbate în dispozitiv).

Unele tipuri de diode laser conțin o fotodiodă suplimentară în carcasă, potrivită pentru a monitoriza și, eventual, controla intensitatea de ieșire. Alți parametri importanți care trebuie luați în considerare la alegerea sursei de lumină sunt sensibilitatea la temperatură a lungimii de undă de vârf (aproximativ 0,1 nm/K pentru un LED), timpii de creștere și de cădere (atunci când sunt utilizați ca dispozitive de comutare) și rezistența la căldură (când se utilizează aproape de putere maximă).

7.1.2 Senzori de lumină

Senzorii optici folosiți în mod obișnuit și caracteristicile lor generale sunt:

• Fotorezistor: mic; ieftin; sensibil la lumina vizibilă și IR; fără sensibilitate direcțională; lent (timp de răspuns mare, vezi capitolul 4: Senzori rezistivi).

• Fotodiodă: mică; ieftină; sensibilă la lumina vizibilă și IR; sensibilitate direcțională moderată; timp de răspuns rapid; de asemenea disponibil ca detector cuadrant (patru diode într-o carcasă).

• Fototranzistor: Similar cu fotodioda, oarecum mai lent.

• Matrice de diode: de la câteva (într-o singură carcasă) până la peste 4000 de elemente (pe un cip); rata de linie până la 100 kHz; tonuri de gri și culoare.

• Diodă sensibilă la poziție (PSD): proprietăți radiometrice ca fotodiodă; sensibile la poziție 1D și 2D (vezi secțiunea 7.1.3).

• Cameră CCD (scanare pe suprafață): rezoluție de până la 2048×2048 elemente; Rata cadrelor de până la 1000/s pentru tipurile cu rezoluție redusă; tonuri de gri și culoare.

• Cameră CMOS (scanare pe arie): rezoluție mai mare comparativ cu camera CCD; oarecum mai proastă performanța de zgomot.

Camerele de scanare pe linie și pe arie sunt dispozitive excelente pentru a efectua sarcini imagistice și, prin urmare, joacă un rol important în mecatronică și în special în robotică. Piața oferă un număr tot mai mare de camere cu preprocesare de imagine încorporată. Dimensiunea pixelului pentru camerele de scanare pe linie și pe arie este de ordinul a 5×5 μm. Cercetările curente urmăresc creșterea rezoluției (numărul de pixeli) și a vitezei (măsurate fie în timpul de achiziție a pixelilor, fie în rata de cadre). Cip-uri cu peste 60 de milioane de pixeli sunt fezabile. Camerele CMOS au o rezoluție mai mare, deoarece nu există buffer-e de sarcină pe cip, ca în cazul CCD-urilor. În plus, ceasurile de cameră și de sistem sunt sincronizate, eliminând necesitatea unui grabber de cadre și, prin urmare, creșterea ratei totale a cadrelor. Camerele nu vor fi discutate mai departe în această lucrare: cititorul se poate raporta la manualele pe această temă și la informațiile furnizate de producători.

Figura 7.3A-D prezintă caracteristicile tipice ale fotodiodelor: caracteristicile tensiune-curent, caracteristicile de sensibilitate și temperatură și sensibilitatea spectrală. Sensibilitatea direcțională este dată în mod similar cu cea a emițătoarelor; unghiurile la jumătate variază de la 10 la 60 de grade, în funcție de prezența unui obiectiv încorporat.

Figura 7.3 Caracteristici tipice ale fotodiodelor:
(A) caracteristica curent-tensiune,
(B) caracteristica sensibilității unei fotodiode de siliciu,
(C) curentul de întuneric față de temperatură și
(D) sensibilitatea spectrală a unei diode Si, GaAs și InGaAsP.

Caracteristica tensiune-curent: în figura 7.3A sunt reprezentate patru curbe pentru diferite valori ale intensității luminii incidente. În absența luminii, relația tensiune-curent (curba cea mai de sus) este aceeași ca pentru o diodă normală pn: un curent crescând exponențial cu tensiunea directă și un mic curent de scurgere (curentul la întuneric) când este polarizată invers. Când lumina cade pe joncțiunea-pn, curentul de scurgere crește deoarece fotonii generează perechi suplimentare de electron-gol care pot duce la un curent extern. Așa cum se poate vedea în figura 7.3A, curentul de scurtcircuit (reprezentat de marcatori pe axa-I) crește proporțional cu lumina incidentă. Tensiunea în gol (reprezentată de cercuri pe axa-V) crește și cu radiația, dar într-un mod neliniar.

Caracteristica de sensibilitate: Fotocurentul este proporțional cu lumina incidentă pe mai mult de șase decade (figura 7.3B). Acesta este motivul principal de ce modul curent (sau modul de conductivitate) este preferat modului fotovoltaic de operare. Citirea curentului se realizează cu ușurință utilizând un amplificator operațional în aranjamentul convertor curent-tensiune (Secțiunea 7.3.1). De obicei se aplică o tensiune inversă pentru a se asigura că dioda funcționează întotdeauna în partea plată a caracteristicilor din figura 7.3A .

Curentul de întuneric: Nu numai lumina (energia optică), ci și energia termică dă naștere la generarea de purtători suplimentari de sarcină în jurul joncțiunii pn. Acesta este exact motivul pentru care curentul invers al unei diode-pn nu este zero. Aproximativ, curentul de scurgere indus termic se dublează la fiecare 7°C. La temperatura camerei, curentul de scurgere al unei diode cu siliciu este foarte mic, cam 10 pA, dar deoarece o fotodiodă are o zonă activă în esență mai mare, curentul său de întuneric este de asemenea mult mai mare și, în plus, crește exponențial cu temperatura (figura 7.3C).

Sensibilitate spectrală: Presupunând o eficiență cuantică de 100%, fiecare foton incident creează o pereche electron-gol, dacă energia fotonului este mai mare decât energia benzii interzise Eg (pentru a genera un electron liber):

unde υ este frecvența și h constanta lui Planck. Deci Eg a materialului determină lungimea de undă maximă. Siliciul are un bandă interzisă egală cu 1,12 eV, corespunzând unei lungimi de undă limitate de aproximativ 1100 nm. Limita inferioară a spectrului este stabilită prin absorbția luminii înainte de a atinge joncțiunea-pn. În general, coeficientul de absorbție al materialelor implicate crește cu lungimea de undă redusă. Rezultatul este o bandă spectrală care depinde foarte mult de materiale. Fig.7.3D dă sensibilitățile spectrale ale trei fotodiode: Si, GaAs (ambele sensibile în partea vizibilă a spectrului) și o diodă specială pentru lungimi de undă mari. Informații detaliate privind caracteristicile dispozitivului și performanțele altor tipuri pot fi găsite în fișele de date ale producătorilor.

7.1.3 Diodă sensibilă la poziție

PSD este o diodă sensibilă la lumină, care este nu numai sensibilă la intensitatea luminii incidente, dar și la poziția în care fasciculul de lumină care intră atinge suprafața diodei. Figura 7.4 prezintă, schematic, configurația laterală a unui PSD cu siliciu.

Figura 7.4 Diodă sensibilă la poziționare (PSD):
(A) principiul de funcționare și (B) divizarea curentului.

Dispozitivul constă dintr-un fotodiodă-pn alungită, cu două conexiuni la extremitățile sale și o conexiune comună la substrat. Un fascicul de lumină incident poate pătrunde prin stratul superior, până în regiunea epuizată în jurul joncțiunii-pn unde generează perechi de electroni-goluri. Ca și în cazul unei fotodiode normale, joncțiunea este polarizată invers. Datorită câmpului electric peste joncțiune, electronii sunt direcționați către partea pozitivă, golurile se deplasează în partea negativă a joncțiunii. Electronii care sosesc în regiunea-n curg prin contactul comun la masă; golurile din stratul-p se împart între cele două contacte superioare, producând doi fotocurenți externi Ia și Ib.

Figura 7.4B prezintă un model electric al PSD. Este folosit pentru a explica modul în care divizarea curentului depinde de poziția fasciculului luminos. Fotocurentul (modelat ca o sursă de curent Iph) provine din punctul în care fasciculul atinge dioda. Divizarea pe două contacte este determinată de rezistențele de la acest punct la cele două puncte de capăt (Ra și Rb). Aplicând legea curentului a lui Kirchhoff pentru cei doi curenți de ieșire:

Presupunând o rezistență omogenă pe toată lungimea PSD, Ec. (7.2) pot fi rescrise ca:

În general, originea sistemului de coordonate al PSD este aleasă în centrul său. Astfel, x este poziția fasciculului luminos față de centru (x=0). Mai departe când lungimea totală a PSD este L, distanța a în figura 7.4A este egală cu L/2+x și b este egală cu L-a, deci

Se pare că diferența dintre cei doi curenți de ieșire, Ia-Ib este egală cu -2xI_ph/L și este dependentă liniar de x și Iph. Dar, este de preferat să aveți un semnalul de ieșire care depinde doar de poziția x și nu de intensitatea luminii fasciculului incident. Pentru a obține o astfel de ieșire, Ia-Ib este împărțit la Ia+Ib = I_ph, rezultând în

Deci, pentru a efectua o măsurare a poziției independentă de intensitate, PSD trebuie conectată la o interfață electronică pentru trei operații de semnal: adunare, scădere și divizare (vezi secțiunea 7.3.2). O PSD este în esență un dispozitiv analogic: fotocurenții variază în mod analogic cu poziția fasciculului de lumină incident. Acesta este unul dintre motivele pentru care cercetătorii au proiectat PSD-urile cu procesare de semnal pe cip (analogic) pentru a realiza semnale de ieșire independente de intensitate, conform Ec. (7,5) [1, 2].

Cu PSD din figura 7.4A, poziția fasciculului luminos poate fi determinată numai într-o singură direcție. Pentru o măsurare 2D este necesar o PSD-2D: acest tip de PSD are o suprafață sensibilă în formă de pătrat și două perechi de contacte de curent, câte o pereche pentru fiecare direcție. Principiul său de funcționare este exact același ca și pentru PSD-1D.

Linearitatea unei PSD depinde în mare măsură de omogenitatea rezistenței în stratul superior. În partea centrală (aproximativ 70% din lungimea sau aria totală) liniaritatea este mai bună decât 1%, în timp ce la margini eroarea de liniaritate crește semnificativ: aceasta ar trebui luată în considerare atunci când se utilizează dispozitivul în acea zonă.

Gama unei PSD liniare este aproape egală cu lungimea sa: de la câțiva mm până la 10 cm; lățimea este de câțiva milimetri. O PSD-2D măsoară 1×1 până la 4×4 cm. Rezistența totală dintre două contacte opuse este de câțiva kiloohmi (kΩ). Dispozitivele cu dimensiuni mai mari sunt greu de realizat în siliciu. Alte materiale sunt investigate pentru a mări dimensiunile laterale. De exemplu, PSD realizate din siliciu amorf hidrogenat (a-Si:H) au fost realizate cu o gamă de 10×10 cm și sensibilitate comparabilă [3]. Cercetarea continuă să îmbunătățească în continuare detectivitatea PSD-urilor și să reducă efectele luminii de fundal [4].

Majoritatea PSD-urilor sunt fabricate din siliciu, deci sensibilitatea lor spectrală este comparabilă cu fotodiodele normale de siliciu: majoritatea LED-urilor și diodelor laser se potrivesc bine în acest sens cu PSD-ul.

O PSD răspunde centrului optic de intensitate a luminii incidente. Lumina de fundal neomogenă determină o deplasare a acestui punct, rezultând o eroare de măsurare. Rețineți că lumina de fundal omogenă modifică factorul de scalare al sistemului, așa cum se poate vedea din Ec. (7.5), unde o contribuție egală la curenți se anulează la numărător, dar se adaugă la numitor. O analiză mai aprofundată a efectului surselor de iluminare ambientală este prezentată în Ref. [5] pentru o PSD-2D.

În general, există doar un singur spot de lumină (de la un laser) din care poate fi detectată poziția. În cazul mai multor spoturi luminoase, fasciculele pot fi distinse folosind lumina modulată pe diferite purtătoare [6]. PSD poate fi folosit pentru măsurători de deplasare fără contact. Modul în care se realizează acest lucru va fi discutat în secțiunea 7.2.2 despre triangulație.

7.2. Senzori optici de deplasare

7.2.1 Măsurarea intensității

O metodă simplă, dar destul de inexactă pentru măsurarea deplasării se bazează pe legea inversă pătratică: intensitatea luminii de la o sursă punctuală scade cu pătratul distanței (vezi Anexa A.4.1). Distingem două moduri posibile: modul direct și indirect. Figurile 7.5A și B prezintă configurația generală conform modului direct.

Fig. 7.5 Detectarea deplasării prin variația intensității (A), (B) modul direct, (C) modul indirect cu ținta mare și
(D) modul indirect, cu ținta mică; T = emițător (sursă), R = receptor (senzor).

În modul direct, emițătorul (LED sau dioda laser) este montat pe o parte fixă ​​a construcției, în timp ce senzorul este poziționat pe partea mobilă sau țintă (sau invers). Comparând Fig. 7.5A și B este clar că intensitatea luminii (în W/m²) scade cu pătratul distanței (a se vedea Anexa A.4.3 pentru o analiză detaliată). Presupunând un fascicul de lumină omogen pe unghiul complet al fasciculului în configurația Fig. 7.5A, ieșirea senzorului IO este invers proporțională cu pătratul distanței:

De fapt, legea pătratului invers este doar o aproximație, deoarece emisia nu este omogenă pe întregul con, așa cum se poate vedea în diagramele de directivitate din Fig.7.2D.

Evident, ieșirea senzorului nu depinde numai de distanța, ci și de intensitatea sursei și de sensibilitatea senzorului. Acești parametri trebuie să aibă o stabilitate suficientă pentru a putea distinge variațiile lor din variațiile de intensitate induse de deplasare. Cerințele de stabilitate pot fi diminuate prin aplicarea unui al doilea senzor, cu o poziție fixă ​​față de sursă, ca referință. Cantitatea de ieșire este diferența sau (mai bună, dar mai complicată de implementat) raportul semnalelor ambilor senzori. Dacă ambii senzori au stabilitate, sensibilitate identică, instabilitatea sursei poate fi complet eliminată. Acuratețea finală este limitată de variațiile diferenței parametrilor senzorilor.

Figura 7.5C prezintă modul indirect, adecvat pentru măsurători de distanță fără contact. Sursa și senzorul sunt montate ambele pe o parte fixă ​​a construcției. Sursa aruncă un fascicul de lumină pe țintă, care împrăștie această lumină în toate direcțiile (reflexie difuză, ignorăm aici reflexia speculară pentru simplitate). Majoritatea suprafețelor se comportă ca o suprafață Lambertiană, adică împrăștie lumina incidentă în toate direcțiile în mod egal (a se vedea Anexa A.4.2). De fapt, obiectul funcționează ca o sursă secundară de lumină, la fel cum vedem luna prin lumina soarelui împrăștiată de suprafața sa. Intensitatea luminii detectate depinde de distanța de la sistemul emițător-receptor la ținta reflectorizantă, deci este o măsură pentru poziția părții în mișcare.

Legea pătratului invers (7.6) se aplică și pentru această configurație, atâta timp cât ținta interceptează fasciculul complet. Dacă, pe de altă parte, ținta este mai mică (așa cum se arată în figura 7.5D), suprafața de reflexie este constantă (cea a țintei). Iradierea (puterea incidentă pe unitatea de arie) țintei scade cu pătratul distanței față de sursă (deoarece suprafața este constantă). Ținta iluminată acționează ca o sursă de lumină secundară, a cărei lumină este măsurată de senzor. Pentru această parte se aplică și legea pătratului invers, astfel că, în total, ieșirea senzorului scade cu a patra putere a distanței dintre sursă și țintă (vezi Anexa A.4.3 pentru o derivare mai generală):

Rețineți că ieșirea depinde și de unghiul suprafeței obiectului față de axa optică a sursei. Dependența de puterea-a patra are ca rezultat o gamă de măsurare chiar mai mică. În mod evident, proiectarea unui senzor de proximitate trebuie să fie astfel încât obiectul să intersecteze întotdeauna întregul fascicul, cu alte cuvinte, este preferat un fascicul îngust.

Ca și Ec. (7.6), și Ec. (7.7) este o aproximare, deoarece nu ține cont de directivitatea sursei și a senzorului sau de un fascicul de lumină neomogen. Dar, ele sunt utile pentru o verificare rapidă în timpul procesului de proiectare. Anexa A.4 oferă o demostrație mai generală a acestor relații.

Pentru măsurători de distanță fără contact, conform figurilor 7.5C și D, sunt disponibile dispozitive speciale, în care emițătorul și receptorul sunt montate într-o singură carcasă (figura 7.6).

Figura 7.6 Dispozitive senzor pentru detectarea distanței optice reflexive.

Atunci când este configurat pentru distanțe mici, acest sistem de senzori este denumit senzor optic de proximitate. Axele optice fac un unghi fix; așa cum se poate vedea în figura 7.7A, lumina poate călători numai de la emițător la receptor atunci când ținta de reflexie cade în zona în care curbele de directivitate ale emițătorului și receptorului se suprapun. Gama utilă a sistemului de detectare este oarecum mai mică: limitele inferioare și superioare ale gamei de detecție sunt stabilite de geometria configurației și de caracteristicile de directivitate ale dispozitivelor: xa < x < xb (figura 7.7B).

Figura 7.7 Detectare optică a proximității: (A) gama utilă și (B) caracteristici de transfer.

Toate considerațiile date pentru acest tip de senzori de deplasare liniară sunt valabile și pentru senzorii unghiulari. Sensibilitatea unghiulară se obține utilizând sensibilitatea de direcție a sursei sau a senzorului.

Senzorii de distanță fără contact discutați aici sunt simpli și ieftini. În principal datorită naturii analogice, cu metoda de reflexie se poate obține o rezoluție foarte înaltă (până la 0,01 μm) [7]. Dar, acuratețea este scăzută: deoarece ieșirea este un semnal de intensitate, variațiile de intensitate datorate altor cauze vor fi luate ca o deplasare. De exemplu, variațiile în reflectivitatea țintei, intensitatea emițătorului și sensibilitatea receptorului contribuie la modificarea semnalului de ieșire. Efectul coeficienților diferiți de reflexie este prezentat în figura 7.7B, unde curba superioară se referă la o suprafață cu o reflectivitate relativ ridicată, iar cea inferioară (punctată) la o suprafață mai absorbantă.

Compensarea, echilibrarea și feedbackul fac ieșirea mai tolerantă la variațiile acestor parametri (a se vedea principiile generale din capitolul 3: Aspecte de incertitudine). În loc de un singur receptor se utilizează o pereche sau un quad (patru diode dispuse într-o matrice 2×2). Poziția fasciculului incident de lumină este controlată astfel încât toți senzorii să aibă aceeași ieșire: aceasta garantează o poziție fixă ​​a fasciculului - exact între perechea de diode sau în centrul quad-ului. Informațiile despre deplasare sunt derivate din actuatorii care controlează poziția fasciculului. În acest fel sunt solicitate informații de poziție exacte cu senzori optici destul de inexacți. Concepte similare sunt folosite în CD-playere pentru a ține capul de citire exact pe pista corectă de pe disc.

În mecatronică și în multe alte aplicații, nu este întotdeauna de primă importanță să se găsească distanța exactă: detectarea unui eveniment ar fi suficientă în multe cazuri (deschiderea sau închiderea ușii, prezența unei persoane sau a unui obiect). În acest scop, au fost construiți senzori optici speciali cu o gamă largă de specificații. Sistemele în care senzorul stă cu fața spre sursă (modul direct) au cea mai mare gamă: până la 35 m. Sistemele cu mod indirect au o gamă mai mică, deoarece doar o parte din lumina împrăștiată va reveni la senzor. Cu reflectori speciali (retroreflectori), gama maximă este de cam 10 m; când se folosește numai reflexia obiectului în sine, gama de distanță este de câțiva metri.

Până în prezent au fost discutați numai senzorii în modul reflecție. Măsurarea deplasării (liniară și unghiulară) poate fi de asemenea realizată printr-o metodă de intensitate în modul transmisie. O configurație simplă este dată în figura 7.8.

Figura 7.8 Exemple de senzori de deplasare care utilizează variația intensității în modul de transmisie:
(A) vedere frontală pe gamă lungă, (B) vedere laterală și (C) vedere laterală pe gamă scurtă.

Transmisia de lumină este modulată de fanta conică din masca mobilă: un senzor de deplasare liniar foarte ieftin și simplu, potrivit pentru aplicații cu cerințe de acuratețe redusă. O versiune de rotație poate fi făcută în mod similar, cu o fantă conică într-un segment circular. Dimensiunile fantei sunt alese astfel încât întreaga gamă de deplasare să fie acoperită de transmisie de la 0% la 100%. Principiul este, de asemenea, potrivit pentru măsurarea mișcărilor foarte mici (sub milimetru). O sensibilitate ridicată (dar gamă mică) este obținută printr-o configurație cu o fantă îngustă în masca mobilă și o fantă fixă în fața receptorului (figura 7.8C). Prin modelarea fantei într-un anumit mod, se poate obține o funcție de transfer arbitrară, de exemplu o relație logaritmică sau parabolică între deplasare și transmisie. Pentru fiecare aplicație, dimensiunile optime pot fi găsite cu ușurință prin inspecția amplitudinii mișcării care trebuie monitorizată.

7.2.2 Triangulația

Un triunghi este determinat complet de trei parametri (dimensiuni sau unghiuri), o proprietate care este folosită pentru a găsi o distanță necunoscută. Presupunem că x în figura 7.9 este o distanță necunoscută.

Figura 7.9 Principiul triangulației cu o diodă sensibilă la poziție (PSD).

Atunci când o latură a și unghiurile α și β sunt cunoscute, celelalte laturi x și y sunt

Acest principiu este utilizat pentru a măsura deplasarea sau distanțele într-o varietate de situații. Figura 7.10A prezintă o configurație utilizând modul direct.

Figura 7.10 Triangulația aplicată la măsurarea distanței fără contact:
(A) mod direct și (B) mod indirect.

Cu o distanță fixă d, un unghi fix α și o distanță măsurată y (pe o PSD sau matrice de diode) distanța necunoscută poate fi calculată. În această configurație pentru măsurarea deplasării 1D, poziția x a țintei trebuie măsurată în timp ce se deplasează de-a lungul axei-x. Aceasta poartă un transmițător de lumină omnidirecțională, văzut de o PSD (sau o cameră de linie). Senzorul este poziționat în punctul focal al obiectivului, cu distanța focală f. Acest lucru creează o imagine clară pe PSD numai dacă spotul este departe (ceea ce, în cele mai multe situații practice, este adevărat). În general, poziția (și orientarea) optimă a PSD ar trebui să îndeplinească condiția Scheimpflug, pentru a avea întotdeauna spotul focalizat pe PSD, indiferent de distanța [8]. Din Fig. 7.10A rezultă că gama de măsurare (deplasare de la xa la xb) depinde de mărimea PSD (de la ya la yb), și lungimea focală f și poate fi în continuare reglată cu parametrii d și α.

Figura 7.10B oferă o configurație în modul indirect. Un fascicul de lumină de la o sursă laser aruncă un spot într-un punct adecvat, bine definit, la ținta mobilă. O parte din lumina împrăștiată este proiectată pe PSD. O deplasare a țintei determină o deplasare a spotului de lumină proiectat pe senzor. Poziția-x a sursei laser este irelevantă aici, atâta timp cât intensitatea spotului este suficient de mare pentru a crea un spot strălucitor pe PSD. În mod evident, fiecare poziție țintă xt corespunde unei poziții a spotului yt pe PSD. Această relație depinde de geometrie și de distanța focală a lentilei și se poate găsi folosind relația goniometrică:

Cu y/f=tan β și a/x=tan γ (vezi figura 7.10B ) ajungem la

Figura 7.11 prezintă efectul parametrului α asupra gamei și asupra caracteristicii de transfer. Liniile orizontale - cotanα și tanα reprezintă valori pentru x=0 și respectiv x→∞, în acest caz pt. α = 1,25 rad. La o lungime fixă ​​a PSD gama de măsurare crește pentru creșterea d și scăderea f. În general, transferul este neliniar; numai pentru α = π/2 (axele optice ale sursei și ale senzorului sunt perpendiculare) transferul este liniar: y/f = x/d; gama este destul de mică. Pentru α = 0 (axe optice paralele) transferul este pur și simplu invers: y/f = -d/x. În practică, trebuie făcut un compromis cu privire la gamă și inexactitate prin nelinearitate. Gama poate fi mărită cu ajutorul oglinzilor rotative, tehnică care va fi discutată în secțiunea 7.4 privind aplicațiile.

Fig. 7.11 Relația dintre distanța x care urmează a fi măsurată și poziția y a spotului luminos pe PSD, normalizată la x/d și y/f;
intervalul de măsurare și intervalul PSD sunt date pentru α = 1,25.

Mărimea imaginii spotului luminos pe senzor depinde de diametrul și divergența fasciculului și poate fi substanțial mai mare decât rezoluția necesară a senzorului. Pentru o PSD acest lucru nu este foarte relevant deoarece răspunde la centrul optic de intensitate care se află pe axa principală a fasciculului luminos. Evident, mărimea spotului nu trebuie să depășească lățimea PSD. O problemă mai serioasă este raportul S/N scăzut datorită materialelor de suprafață care reflectă slab, un unghi de incidență înclinat sau pur și simplu o distanță prea mare. Folosind tehnici multisenzor și medierea semnalului acuratețea poate fi îmbunătățită cu un factor de 10 [9] .

Atunci când se utilizează o matrice de diode în locul unei PSD, spotul luminos poate activa simultan mai multe elemente adiacente ale matricei. Prin urmare, elementul din centrul tuturor elementelor activate (sau median) ar trebui să fie selectat ca fiind cea mai bună poziție a spotului. În timp ce se proiectează un sistem de detectare a deplasării, de multe ori trebuie făcut un compromis între o cameră (1D sau 2D) PSD și o cameră (linie sau matrice).

Tabelul 7.3 prezintă unele diferențe de bază între aceste două dispozitive, care ar putea fi de ajutor în alegerea corectă. Rețineți că datele numerice sunt tipice; sunt disponibile valori mai mari pentru rezoluție și viteză.

Tabelul 7.3 Comparație între dioda sensibilă la poziție (PSD) și camera pentru măsurători de poziție

7.2.3 Encodere optice

Senzorii optici descriși în această secțiune sunt de natură digitală. Ei convertesc, printr-un intermediar optic, cantitatea de măsurare într-un semnal binar, reprezentând o valoare de măsurare codificată binar. Tipurile de senzori care aparțin acestei categorii sunt encoderele optice, proiectate pentru măsurarea deplasării liniare și unghiulare, tahometre optice (măsurarea vitezei unghiulare sau număr de rotații pe unitate de timp) și sisteme optice de coduri de bare în scopul identificării.

Encoderele optice sunt compuse dintr-o sursă de lumină, un senzor de lumină și un dispozitiv de codificare (la fel ca și configurația generală din figura 7.1). Dispozitivul de codare constă dintr-o bandă plană pentru deplasare liniară sau disc pentru deplasare unghiulară, care au un șablon de segmente alternante opace și transparente (modul de transmisie) sau segmente alternante de reflexie și absorbție (modul de reflexie). Ambele cazuri sunt ilustrate în figura 7.12.

Figura 7.12 Encodere optice în (A) modul de transmisie și (B) modul de reflecție.

Dispozitivul de codare se poate deplasa relativ la ansamblul emițătorului și al receptorului, determinând transferul radiant între ele să comute între o valoare high și una low. În modul de transmisie, encoderul constă fie dintr-un material translucid (de exemplu, sticlă, plastic și mylar), acoperit cu un model dintr-un material opac (de exemplu o metalizare), sau doar invers, de exemplu o placă metalică cu fante sau găuri.

Există două tipuri de encodere de bază: encodere absolute și incrementale. Un encoder absolut oferă informații instantanee despre deplasarea absolută sau poziția unghiulară. Figura 7.13 oferă exemple de dispozitive de codare absolută în modul de transmisie.

Figura 7.13 Encodere absolute:
(A) encodere liniare cu cod dublu pe 4 biți și cu cod gri pe 4 biți,
(B) sistem de citire cu colimator și
disc encoder unghiular (C).

Fiecare poziție (discretă) corespunde unui cod unic, care este obținut de un sistem de citire optică care este, în principiu, o versiune multiplă din Fig.7.12A. Obținerea poziției absolute cu o rezoluție de n biți necesită cel puțin n piste optice pe encoder și n senzori separați.

Evident, rezoluția maximă a unui encoder absolut este stabilită de cea a pistei cu bitul cel mai puțin semnificativ (LSB); în mod evident, este pista exterioară a unui encoder unghiular. Limitarea practică a rezoluției este limitată de dimensiunile detectoarelor. Circuitele integrate speciale, incluzând fotodiode și compensare încorporată, au fost dezvoltate pentru a menține performanța și cu discuri encoder de înaltă rezoluție [10].

Codul binar natural este polistrofic, ceea ce înseamnă că doi sau mai mulți biți de cod se pot schimba pentru o deplasare 1-LSB (a se vedea encoderul liniar din figura 7.13A, pista superioară). Toleranțele mecanice vor introduce coduri de eroare între două cuvinte binare adiacente. Din acest motiv, majoritatea encoderelor utilizează codul Gray, care necesită și numărul minim de piste la o rezoluție dată, dar este monostrofic: la fiecare deplasare LSB se schimbă numai un bit la un moment dat, așa cum se poate vedea din encoderul liniar din pista inferioară din figura 7.13A.

Dezavantajele serioase ale unui encoder absolut sunt rezoluția limitată, numărul mare de senzori de ieșire și, în consecință, prețul ridicat. O rezoluție mai bună este realizată de encoderul incremental, din care Fig. 7.14 prezintă un exemplu tipic pentru deplasarea liniară. Are o singură pistă care constă dintr-un număr mare de fante transparente. În tipul unghiular, aceste fante sunt dispuse radial de-a lungul circumferinței discului optic.

Figura 7.14 Scală de encoder liniar incremental cu markeri codificați.

În principiu, encoder-ul incremental are nevoie doar de o sursă și de un senzor, orientate unul spre celălalt prin discul de cod (unghiular) sau prin scala (liniară). Ieșirea senzorului se modifică alternativ de la low la high atunci când encoderul se deplasează față de sistemul senzor-sursă, generând un număr de impulsuri egal cu numărul tranzițiilor de lumină-întuneric-lumină. Deși semnalul de ieșire efectiv nu conține informații despre poziția absolută a encoderului, această poziție poate fi totuși găsită prin numărarea tranzițiilor sau impulsuri de ieșire, pornind de la o anumită poziție de referință. Poziția de referință este marcată de o fantă suplimentară pe disc sau scală. Odată ce informația despre poziție este pierdută (de exemplu, din cauza unei întreruperi de alimentare), sistemul ar trebui să meargă la cel mai apropiat marker de referință. La scale foarte mari, acest lucru ar putea necesita prea mult timp; prin urmare, scalele lungi au markeri multipli, care sunt codificați pentru a îi distinge unul de celălalt. În Fig. 7.14 markerii sunt identici dar poziționați la distanțe diferite. Numărul de linii între doi markeri adiacenți este un cod unic pentru poziția markerului.

Dacă encoder-ul incremental este folosit în același mod ca și encoder-ul absolut (un senzor pentru fiecare linie), rezoluția lui nu ar fi mult mai bună: dimensiunea senzorului nu trebuie să depășească lățimea unui slot. Dar, combinația cu o mască fixă ​​poziționată pe discul sau scala în mișcare oferă o rezoluție mult mai mare, așa cum este ilustrat în figura 7.15. Masca are o prelungire de mai multe lățimi de linie și același pas ca și scala.

Figura 7.15 Encoder incremental linear cu scala fixă ​​și mască în mișcare.

Transferul de lumină se modifică periodic de la o valoare minimă la o valoare maximă și înapoi pentru fiecare deplasare deasupra pasului modelului optic. Dacă scala și masca sunt perfect potrivite și aliniate, transferul maxim de lumină este de 50% (poziția x2 în figura 7.15), în timp ce transferul minim de lumină este zero pe întreaga suprafață a măștii (poziția x1). Deci dimensiunea senzorului nu mai este limitativă la rezoluţie. Dar, din cauza toleranțelor mecanice și a unei lumini imperfect aliniate, transferul minim nu este complet zero. Aceste efecte devin mai semnificative la scăderea lățimii liniei.

În cazul ideal, ieșirea senzorului variază liniar cu deplasarea sau rotirea peste o jumătate de perioadă de grating. La deplasare continuă, ieșirea se schimbă periodic, așa cum este indicat cu caracteristica triunghiulară din Fig. 7.16. O perioadă a acestui triunghi corespunde unei deplasări pe o perioadă de grating p.

Figura 7.16 Curenți de ieșire față de deplasare (A) fără offset, (B) și (C) transfer al fiecărei măști cu offset și (D) diferență între cele două semnale.

Din păcate, encoderele reale arată unele abateri de la comportamentul ideal. De exemplu, linia de bază a triunghiului Ia în Fig. 7.16A poate fi deplasată în sus sau amplitudinea scăzută, datorită nealinierii scalei și măștilor, rezultând într-o poziție ca în Fig. 7.16B. Adăugarea unui al doilea grating mobil și senzor oferă unele îmbunătățiri. Atunci când grating-urile sunt poziționate (n + ½)p (n real) în afară, ieșirile Ia o și Ib sunt în antifază (Fig. 7.16B și C). Diferența dintre cele două ieșiri este un semnal triunghiular care are o relație mai stabilă cu deplasarea (Figura 7.16D ): offsetul (comun) este eliminat, iar traversările prin zero definesc tranzițiile lumină-întuneric într-o manieră mai reproductibilă.

Encoderele incrementale discutate până acum nu oferă informații despre direcția deplasării sau a rotației. Acestea sunt utile pentru deplasările unidirecționale și ca senzori de viteză (absolută), dar nu reușesc atunci când sunt necesare informații de poziție după deplasare într-o direcție arbitrară. Figura 7.17 clarifică modul de rezolvare a acestei probleme. Două perechi de măști sunt acum poziționate la o distanță aproximativ (n + ¼) de pas. O deplasare are ca rezultat două semnale triunghiulare conform Fig.7.16D, defazate cu π/2 rad( Fig.7.17A și B ).

Figura 7.17 Determinarea direcției de deplasare utilizând două encodere optice.

Aceste semnale triunghiulare sunt convertite în două semnale binare d1 și d2, având și o diferență de fază π/2 (figura 7.17C). O astfel de conversie poate fi implementată cu ușurință utilizând comparatoare care își comută ieșirea doar la trecerile prin zero ale semnalului triunghiular. Din aceste două semnale d1 și d2 direcția mișcării poate fi dedusă simplu. O mișcare în direcția-x pozitivă are ca rezultat o secvență binară de cuvinte d1d2 de 00-01-11-10-00 etc. Astfel, codul 11 ​​este urmat de 10. Când direcția mișcării este inversată, codul 11 este urmat de 01. Prin comanda unei perechi de flip-flops, informația despre direcție este ușor de realizat.

Rezoluția unui encoder incremental poate fi mărită suplimentar, după cum urmează. Atunci când relația dintre deplasare și ieșire este cunoscută, această informație poate fi utilizată pentru a găsi poziții intermediare între valorile maxime și minime ale triunghiului. Prin urmare, encoder-ul incremental oferă posibilitatea de a interpola între fantele succesive, crescând substanțial rezoluția senzorului. În practică, ieșirea față de deplasare nu este un triunghi frumos așa cum este prezentat în figura 7.16: vârfurile pot fi rotunjite sau forma este mai asemănătoare trapezului. O acuratețe mai bună de interpolare este obținută atunci când ieșirea este mai întâi transformată într-o formă sinusoidală. Acest lucru are ca rezultat una sau două perechi de semnale în cuadratură (π/2 diferențe de fază), din care poate fi reconstruit unghiul "electric" (comparați procesarea semnalului de resolver din capitolul 6: Senzori inductivi și magnetici). Un alt mod este metoda arctan: câtul a două semnale în cuadratură este o funcție tangențială, deci prin luarea arctan acestei funcții se obține deplasarea. Evident, erorile în amplitudine, offset și fază ale acestor semnale introduc erori de poziție. O relație între erorile de semnal și erorile de poziție rezultate este dată în Ref. [11]. O metodă de reducere suplimentară a erorii de interpolare este generarea de armonici mai înalte ca semnale de cuadratură "între" [12] .

Rețineți: capul de măsurare al encoderelor incrementale comerciale poate conține patru măști pentru a obține sensibilitate de direcție (conform figurii 7.17), acuratețe de trecere prin zero (figura 7.16) și o interpolare toate în una. O a cincea mască servește pentru detectarea markerilor de referință.

Rezoluția intrinsecă a unui encoder incremental este stabilită de numărul de fante pe unitate de distanță sau rotație. În afară de interpolare, rezoluția poate fi sporită și mai mult prin folosirea efectului Vernier sau a efectului Moiré. Două scale identice, cu modele care au un pas ușor diferit, cauzează, atunci când sunt suprapuse, zone alternativ luminoase și întunecate de-a lungul scalei encoderului, cu o perioadă sintetică L (figura 7.18A).

Figura 7.18 Encoder incremental care utilizează
(A) efectul Vernier și (B) efectul Moiré pentru o rezoluție crescută.

În mod similar, două scale cu același pas, dar făcând un unghi mic, cauzează zone albe și întunecate (fig. 7.18B). Când scalele se deplasează o distanță de un pas una față de cealaltă, zona întunecată se deplasează pe o perioadă sintetică completă. Perioada Vernier este egală cu L=|p1p2/(p1 - p2)|. Configurația se comportă ca un amplificator optic de deplasare. Factorul său de amplificare este invers proporțional cu diferența de pas și poate fi foarte mare pentru pași cu valori ușor diferite. Zonele au o extensie care permite utilizarea senzorilor cu dimensiuni normale.

Sensibilitatea de direcție se obține în același mod ca și în figura 7.17, folosind două seturi de perechi sursă-senzor. Aici, de asemenea, sistemul permite interpolarea între două poziții adiacente cu ieșire maximă și minimă, similar cu encoderul normal. Un model special bazat pe acest concept este descris în Ref. [13] , unde sunt studiate atât măștile deplasate, cât și cele rotite.

Conceptul Vernier poate fi aplicat și în encodere absolute, pentru a îmbunătăți rezoluția lor intrinsec inferioară. Detaliile sunt prezentate în Ref.[14], care se ocupă de un encoder absolut unghiular folosit pentru a controla un servomotor. Cu două discuri care conțin doar trei piste binare fiecare, se poate obține o rezoluție de 1,6 grade, în loc de 45 de grade cu un disc de cod convențional pe 3 biți.

Principalele erori ale codificatoarelor optice sunt eroarea de cuantizare ½n (unde n este numărul de piste binare într-un encoder absolut sau numărul de linii din encoderul incremental fără interpolare), toleranțele măștii, alinierea necorespunzătoare și excentricitatea modelelor de cod. Tabelul 7.4 prezintă specificațiile finale ale mai multor tipuri de encodere.

Tabelul 7.4 Specificațiile maxime ale encoderelor optice

Până în prezent am considerat encodere cu modele de cod liniar, regulat și fascicule statice de lumină. Au fost propuse multe alte modele de cod pentru a reduce complexitatea instrumentului, a spori acuratețea sau a spori aplicabilitatea (vezi mai jos secțiunea 7.4, aplicații). În locul unui fascicul de lumină ajustat (pentru a acoperi complet zona codată), un fascicul de lumină de scanare (folosit pentru citirea codurilor de bare) este o alternativă utilă [15]. Această abordare permite utilizarea unui singur detector și inutil detectoare suplimentare pentru a determina direcția de mișcare. De asemenea, este mai ușor de citit coduri cu un format neregulat, de exemplu coduri pseudo-aleatoare. Aceste coduri pot oferi o acuratețe mai mare, deoarece sunt mai puțin sensibile la zgomot. Scanarea poate încetini sistemul, însă pentru multe aplicații, cum ar fi navigația, aceasta nu este o limitare gravă.

7.2.4 Interferometrie

Conceptul de interferometrie se bazează pe fenomenul de interferență (optică), care apare atunci când două unde cu frecvența egală coincid. Amplitudinea (sau intensitatea) rezultată variază în funcție de diferența de fază dintre cele două unde. Într-un senzor interferometric o astfel de diferență de fază apare datorită unei diferențe de lungime a căii între cele două fascicule luminoase, dintre care una urmează de obicei o cale de referință, cealaltă o cale a cărei lungime este modulată de o parte mobilă a construcției.

La amplitudini egale ale undelor individuale, intensitatea totală se dublează atunci când undele sunt în fază (interferență constructivă) și scade la zero atunci când sunt în antifază (interferență distructivă). Dacă amplitudinile undelor nu sunt aceleași, intensitatea minimă nu este zero și efectul de interferență devine mai puțin pronunțat.

Forma de undă a luminii monocrome (adică, lumină cu o singură lungime de undă) este descrisă de:

unde Ao este amplitudinea undei (atât pentru componentele câmpului electric, cât și magnetic), ω = 2πf este frecvența unghiulară a undei, k = 2πn/λ este numărul de undă și x coordonata în direcția propagării. Amintiți-vă că indicele de refracție n al unui mediu este definit ca raportul vitezei de propagare a luminii într-un vid c și în mediu v, deci n = c/v = λ0/λ. În restul textului presupunem că n = 1, deoarece majoritatea aplicațiilor sunt în aer, având un indice de refracție foarte aproape de unu.

Atunci când două unde cu frecvențe (lungimi de undă) egale se propagă pe distanțele x1 și respectiv x2, formele lor de undă sunt descrise ca A1cos (ωt - kx1) și A2cos (ωt - kx2). Ambele unde cad simultan pe același senzor, astfel încât funcțiile de undă sunt adunate:

unde

și

Ec. (7.12) descrie un semnal periodic cu frecvență radială ω și în care amplitudinea și faza variază ambele cu k(x1-x2); prin urmare, cu diferența dintre distanțele parcurse.

O undă plată transferă energia optică (electromagnetică) în direcția de propagare x care este Sx = Ey·Hz, o cantitate proporțională cu pătratul funcției de undă. Deoarece un fotosenzor răspunde la iradiere - adică energia medie a undei pe unitatea de suprafață - ieșirea lui este proporțională și cu pătratul amplitudinii funcției de undă A(x) din Ec. (7,13). Astfel, ieșirea senzorului satisface:

Ieșirea senzorului se modifică sinusoidal cu diferența de traiectorie Δx. Sensibilitatea diferențială este la maxim pentru multiplii impari ai π/2 (așa-numitul punct de cuadratură) și minim la multiplii lui π (figura 7.19). Doar atunci când ambele amplitudini ale undei de lumină sunt egale, m=1, rezultă un efect de interferență optimal. Acesta este motivul pentru care factorul m este numit vizibilitatea interferenței.

Figura 7.19 Ieșirea senzorului ca funcție de deplasarea relativă: (A) m=1, (B) m = 0,5.

Într-un interferometru, cele două unde se deplasează pe căi separate, una cu o lungime fixă ​​(referința) și cealaltă având o lungime setată de un obiect mobil, a cărui deplasare trebuie măsurată. Cele două unde cad pe același detector, unde sunt efectiv adunate. Potrivit Ec. (7.15) rezultă un semnal de ieșire proporțional cu intensitatea, care variază cu diferența de cale optică, deci, cu deplasarea obiectului.

Figura 7.19 arată că ieșirea variază periodic cu deplasarea; gama de măsurare lipsită de ambiguitate este doar o jumătate din lungimea de undă (pentru lumina roșie de aproximativ 300 nm). Pentru a acoperi o gamă mai largă, există două posibilități. Prima este de a număra numărul de tranziții lumină-întuneric pe durata mișcării pornind de la o anumită poziție de referință, ca și în cazul encoderului incremental. O altă metodă folosește o lungime de undă mărită artificial, realizată prin mixarea a două unde de frecvențe ușor diferite, ω1 și ω2 (sau lungimi de undă λ1 și λ2):

Aceasta este o undă modulată în amplitudine, a cărei anvelopă (vezi secțiunea 3.2.4) are o frecvență ωmix egală cu jumătate din diferența dintre cele două frecvențe ω1 și ω2. Aceasta corespunde unei lungimi de undă λmix egală cu

numită și lungimea de undă sintetică. De exemplu, atunci când cele două lungimi de undă sunt 650 și 652 nm, lungimea de undă sintetică este de 0,424 mm, rezultând o gamă de deplasare fără ambiguități de 0,2 mm (unde a fost inițial 325 nm).

Interferența este vizibilă numai cu două fascicule de lumină monocromatice, coerente. Crearea unei astfel de perechi de fascicule coerente începe cu o singură sursă de lumină monocromă (de exemplu o diodă laser sau laser). Fasciculul luminii emise este împărțit în două fascicule separate, de exemplu utilizând o oglindă semitransparentă. Figura 7.20 prezintă un astfel de sistem, cunoscut ca interferometru clasic sau interferometru Michelson.

Figura 7.20 Configurația interferometrului clasic.

Distribuitorul de fascicule MS este o oglindă semitransparentă: coeficienții de transmisie și reflexie sunt (aproximativ) 50%. Cele două fascicule luminoase ajung la senzor pe diferite căi: unul vine de la sursă, prin MS și MR și înapoi prin MS către senzor; are o lungime fixă. Un al doilea fascicul trece prin ținta (mobilă) și ajunge la senzor și el: lungimea totală a traseului variază cu poziția țintei. Evident, toate componentele optice trebuie să fie aliniate cu precizie pentru a obține o funcționare corespunzătoare.

Un dezavantaj major al configurației de interferometru din figura 7.20 este feedback-ul optic către sursă, care poate introduce instabilitatea frecvenței de ieșire. În configurația din fig. 7.21, un astfel de feedback este eliminat prin utilizarea unui splitter cu fascicul suplimentar. Acest tip de interferometru este denumit interferometru Mach-Zehnder. Conceput inițial pentru investigarea proprietăților eșantioanelor transparente, poate fi folosit și pentru măsurări de deplasare. Din nou, sunt implicate două unde de lumină coerente: unda de referință se deplasează o distanță fixă ​​prin oglinzile semi-transparente M_S1 și M_S2, iar cealaltă se reflectă la un set de oglinzi M_R1 și M_R2 fixat pe o țintă mobilă.

Figura 7.21 Configurația interferometrului Mach-Zehnder.

Există două receptoare, care pot acționa în modul de echilibru: atunci când unul are o ieșire maximă, celălalt are o ieșire minimă. Dezavantajul acestui interferometru este necesitatea conectării oglinzilor la ținta în mișcare.

Cel mai simplu interferometru este configurația Fabry-Perot (figura 7.22). Este în esență o cavitate optică formată din două oglinzi semitransparente în paralel. Obiectul în mișcare este fixat la una dintre aceste oglinzi. Senzorul primește lumină care a parcurs un număr de lungimi de cale în cavitate.

Figura 7.22 Configurația interferometrului Fabry-Perot.

Să presupunem că lungimea căii dintre oglinzi este ½λ, atunci undele care părăsesc oglinda în mișcare prezintă diferențe de fază de λ și sunt adunate (interferența constructivă); atunci când lungimea traseului este doar ¼λ, undele au diferențe de fază de ½ λ, rezultând interferență distructivă.

Atunci când pasul unui encoder incremental este micșorat, de ordinul lungimii de undă, lumina este refractată la grating. Acest efect este folosit pentru a crește rezoluția unui encoder liniar, combinându-l cu interferența. Figura 7.23 prezintă principiul de bază al acestui encoder interferometric. Instrumentul cuprinde două scale care se deplasează reciproc, la o distanță de aproximativ 1 mm. Una este transparentă, cealaltă nu. Scala netransparentă are un model de caneluri mici, cu pas p; aceasta este grilajul cu trepte. Cea transparentă este grila de scanare cu același pas. Lumina care cade pe o astfel de grilă va fi parțial difractată, rezultând fascicule difractate de ordin 0, ± 1, ± 2, ... În acest caz, luăm în considerare numai difracția ordinelor -1, 0 și +1; ordinul 0 corespunde fasciculului nedifractat.

Figura 7.23 Scală interferometrică (după Heidenhain).

Frontul undei de ordin 0 care trece prin grilajul transparent atinge grilajul de trepte, unde este difractat din nou în trei direcții 0, +1 și -1. Când grilajele sunt în linie, fronturile undei au toate aceeași fază. Dar, când grilajul cu trepte este deplasat pe o distanță x, frontul de undă difractat arată o schimbare de fază egală cu φ = 2πnp/λ (n este ordinul de difracție). Același lucru este valabil și pentru cele două fascicule difractate de la scala de scanare: atunci când acestea au atins scara de trepte, rezultă trei fascicule difractate, cu aceeași deplasare de fază. Proiectarea este făcută astfel încât fasciculele difractate să interfereze la revenirea la scala de scanare: pentru fiecare dintre cele trei direcții diferența de fază a undelor interferate este de 2p. De fiecare dată când frontul de undă trece prin grila de scanare, suportă o deplasare constantă suplimentară de fază; prin proiectare, această deplasare de fază este ϕ pentru undele de difracție de ordin 0 și 0 pentru celelalte unde.

Interferometria este aplicată în principal măsurărilor de deplasare liniară. Dar, principiul de detectare interferometric poate fi, de asemenea, utilizat pentru a crea senzori de deplasare unghiulară și de viteză. Măsurătorile de rotație prin interferometrie necesită o optică suplimentară, de exemplu un ansamblu de prisme [16, 17]. Deoarece rezoluția este ridicată, interferometria este de asemenea aplicată în sistemele senzorilor unde măsurandul introduce doar deplasări mici ale unei părți sensibile, de exemplu senzori de presiune, vibrație și accelerație inerțială. În aceste cazuri, deplasările mici ale unei membrane [18], o consolă [19] și o masă seismică [20], respectiv, sunt măsurate prin principiu interferometric. În aceste exemple, lumina este ghidată prin fibre către și de la elementul senzor, permițând construirea de dispozitive de detectare foarte mici.

Deoarece interferometrul are o sensibilitate foarte mare la parametrii de deplasare, necesită o reglare rigidă și ajustarea atentă a componentelor optice. Mai mult, o deplasare de frecvență Δf induce o variație de ieșire echivalentă cu o deplasare de fază de 4πΔf/c, unde c este viteza luminii. Un interferometru, prin urmare, are nevoie de o sursă foarte stabilă, pentru a minimiza zgomotul de fază în semnalul de ieșire. În general, interferometrul este un instrument destul de scump.

Gama unui interferometru variază de la câțiva centimetri până la câteva zeci de metri și depinde de numărul maxim de franjuri ulterioare (tranziții lumină-întuneric) care pot fi numărate. Rezoluția este stabilită de cea a măsurării modelului de interferență (fie în domeniul timp, fie în domeniul spațial). Acuratețea depinde în mare măsură de acuratețea și stabilitatea lungimii de undă (deplasarea între două valori consecutive). Lungimea de undă în aer variază (neliniar) cu indicele de refracție și deci cu temperatura, presiunea și umiditatea aerului. Pentru variații mici ale acestor parametri, o aproximare pentru variația lungimii de undă este [21]:

indicând variația relativă a lungimii de undă în preajma condițiilor atmosferice. În această expresie Δt, Δp și ΔH sunt variațiile de temperatură (°C), presiune (hPa) și umiditatea relativă (%), respectiv. Un exemplu: lungimea de undă a unui laser heliu-neon în vid este λ0=0,6329914 μm. În aer, cu temperatura t=20°C, presiunea p=1013 hPa și umiditatea 50%, λ=0,632820 μm.

Acuratețea relativă a unui interferometru necompensat într-o cameră cu condiționare nu este mai bună de 10 μm pe metru (deci 10^-5), în principal datorită dependenței de presiune. Când sunt compensați parametrii de mediu (care nu sunt niciodată perfecți), se poate obține o acuratețe de 3 μm/m, într-un interval de temperatură cuprins între 0°C și 40°C. Unele tipuri de erori pot fi reduse folosind două unde cu diferite lungimi de undă și presupunând că erorile sunt comune ambelor unde [22].

7.2.5 Timpul de zbor (Time-of-flight = ToF)

Lumina se deplasează printr-un mediu cu o viteză fixă v determinată de proprietățile sale optice, astfel încât timpul scurs t pentru acoperirea unei anumite distanțe x este proporțional cu distanța respectivă: t = x/v. Metoda ToF se bazează pe măsurarea intervalului de timp dintre emiterea unui impuls de lumină și timpul de sosire al impulsului reflectat. Viteza luminii este ridicată: aproximativ 300.000 km/s în aer. Deci, ToF a unui puls de lumină este foarte scurt: aproximativ 3 ns pentru fiecare metru, sau 6 ns pentru o distanță de 1 m la o țintă și înapoi.

Măsurarea distanțelor scurte necesită electronică rapidă pentru obținerea unei soluții rezonabile. Rezoluția pe gamă-lungă nu este o problemă majoră; limita este stabilită în principal de intensitatea descrescătoare a luminii reflectate la distanța în creștere, de aici raportul S/N redus. Când lumina incidentă a laserului face un unghi față de normala la țintă, lumina se reflectă departe de receptor. Atunci când se așteaptă o astfel de situație, ținta este prevăzută cu o folie retroreflectantă: fasciculul reflectat face același unghi ca fasciculul incident și cea mai mare parte a luminii va fi capturată de către detector. Același lucru se poate face pentru o suprafață țintă absorbantă.

7.3 Interfața

7.3.1 Diode emițătoare de lumină și fotodiode

LED-uri și fotodiode sunt cele mai frecvent utilizate componente electro-optice în aplicații mecatronice. Prin urmare, oferim câteva circuite electronice de bază pentru aceste dispozitive. Cele mai simple circuite sunt cu rezistoare și tranzistoare discrete, dar au o stabilitate destul de slabă. Figura 7.24A prezintă un circuit de interfață pentru controlul unui LED.

Figura 7.24 Circuit de interfață pentru un LED, cu rezistor și sursă de tensiune:
(A) circuit, (B) reglarea prin rezistor, (C) reglarea cu o tensiune;
punctele reprezintă punctele de polarizare.

Cu fie E sau R, curentul prin LED și, prin urmare, puterea de ieșire, poate fi ajustat la o valoare adecvată. Valoarea exactă rezultă din caracteristica tensiune-curent a dispozitivului și a liniei de sarcină:

Figura 7.24B prezintă două linii de încărcare corespunzătoare la două valori diferite pentru R; în fig.7.24C rezistența R este fixă, iar curentul este reglat de tensiunea E. În ambele cazuri, punctul de polarizare este stabilit de intersecția dintre caracteristică și linia de încărcare.

În figura 7.3A sunt indicate două abordări posibile de citire pentru o fotodiodă: citirea curentului și a tensiunii. În primul caz, circuitul este încărcat de un sistem cu rezistență de intrare zero (în figura 7.25A modelat de o rezistență R = 0); în ultimul caz, sistemul de măsurare are o rezistență infinită de intrare, R=∞. Pentru o valoare finită a rezistenței, tensiunea de ieșire este dată de intersecția dintre caracteristica diodei și linia V= Ip·R, așa cum se arată în figura 7.25B

Figura 7.25 Circuitul de interfață pentru o fotodiodă cu rezistor:
(A) circuit, (B) curent, tensiune și citire mixtă;
punctele reprezintă tensiunea de ieșire la o putere de intrare diferită.

În mod evident, doar citirea curentă oferă o tensiune de ieșire care variază liniar cu fotocurentul. În mod similar, doar controlul curent al unui LED oferă o ieșire optică bine definită. Aceste condiții nu pot fi îndeplinite cu ușurință doar de un rezistor. Utilizând amplificatoare operaționale (Anexa C), circuitele de interfață atât pentru sursă cât și pentru receptor pot fi proiectate cu performanțe mult mai bune. Figura 7.26 prezintă configurațiile de bază pentru fiecare dintre aceste componente.

Figura 7.26 Circuite de interfață cu amplificatoare operaționale pentru (A) un LED și (B) fotodiodă.

În ambele circuite amplificatoarele operaționale sunt configurate în mod feedback; acest lucru face diferența de tensiune dintre cele două borne de intrare zero. Prin urmare, tensiunea la borna de intrare negativă în Fig. 7.26A este egală cu E, forțând un curent E/R care curge prin rezistorul R. Deoarece nu intră curent în intrarea (ideală) amplificatorului operațional, acest curent trebuie, de asemenea, să curgă prin LED, generând un flux radiant asociat. Prin variația E, fluxul radiant variază în consecință.

În figura 7.26B amplificatorul operațional este configurat ca un convertor de curent-tensiune. Foto-curentul generat de fotodiodă este forțat să curgă prin rezistorul de reacție R, producând o tensiune de ieșire V=- R×IPD. Rezistorul R în serie cu borna de intrare pozitivă servește la compensarea curentului de polarizare al amplificatorului operațional, care curge și el prin rezistorul de reacție (vezi Anexa C).

O modalitate eficientă de a elimina influența luminii de mediu este modularea intensității. Acest lucru poate fi realizat cu ușurință utilizând circuitul din figura 7.26A: puterea de ieșire optică este proporțională cu tensiunea de intrare E, astfel încât atunci când E variază, intensitatea este modulată de această tensiune. Frecvența de modulație (purtătoare) trebuie aleasă astfel încât semnalele de interferență să poată fi ușor separate de semnal prin filtrare (Anexa C).

7.3.2 Interfața diodelor sensibile la poziție

O procesare corectă a semnalului face ca ieșirea unui PSD să fie independentă de intensitatea fasciculului luminos, așa cum se arată în secțiunea 7.1.3. Figura 7.27 prezintă un circuit combinat de procesare analogică/digitală pentru semnalele PSD.

Figura 7.27 Circuit de procesare a semnalului pentru un sistem de triangulație cu PSD.

Curenții Ia și Ib din PSD sunt convertiți în tensiuni Va și Vb, respectiv, folosind simple convertoare I-V configurate cu amplificatoare operaționale. Apoi, tensiunile de ieșire sunt convertite în semnale digitale de către două ADC-uri. Toate operațiile matematice conf. Ec.(7.5) sunt efectuate de un microprocesor.

Cea mai bună performanță este obținută atunci când gama de ieșire a convertoarelor I-V se potrivește cu gama de intrare a ADC-urilor. În acest caz, sistemul are cele mai multe avantaje din rezoluția maximă a ADC-urilor. Dar, radiația variază puternic cu distanța, după cum se arată în secțiunea 7.2.1. La distanțe mari, semnalul de ieșire poate scădea sub nivelul acceptabil de zgomot. Pe de altă parte, la distanțe apropiate, unde radiația este ridicată, electronicele de interfață pot rula în suprasarcină.

Pentru a extinde gama de măsurare, intensitatea sursei ar putea fi controlată astfel încât PSD să primească cea mai mare putere radiantă posibilă, indiferent de distanță. Suma celor doi curenți de ieșire dintr-o PSD este proporțională cu radiația; prin urmare, această sumă reprezintă o cantitate adecvată pentru controlul puterii radiante emise de sursă. Figura 7.28 oferă un exemplu de astfel de circuit de control; aici, prelucrarea semnalului este efectuată de circuite analogice.

Figura 7.28 Interfața PSD (analogică) cu putere radiantă de intrare stabilizată.

Ieșirea amplificatorului sumator este comparată cu o tensiune de referință Vref. Diferența amplificată controlează curentul prin sursa de lumină în așa fel încât tensiunea sumei să rămână Vref. În gama de funcționare a circuitului de control, tensiunea de însumare este egală cu tensiunea de referință. Gama de măsurare poate fi reglată prin ajustarea tensiunii de referință Vref. Deoarece intensitatea fasciculului incident este fixată de acest feedback, semnalul de ieșire este cel al amplificatorului diferențial, iar divizarea (analogică) poate fi omisă, ceea ce reprezintă un avantaj important al acestei abordări.

7.3.3 Interfața senzorilor optici cu sistemele încorporate

Mulți senzori optici integrați pot fi conectați direct la sistemele încorporate. Figura 7.29 prezintă un exemplu de senzor compact PSD discutat în secțiunea 7.1.3. Acest senzor utilizează numai trei conexiuni: tensiune de alimentare, masă și o tensiune de ieșire analogică. Tensiunea de ieșire variază în funcție de locația x a spotului luminos reflectat, care depinde de distanța obiectului detectat, precum și de dimensiunile fizice ale senzorului. Sursa și detectorul sunt configurate conform Fig. 7.30. Pentru această configurație x=A·f/L, cu L distanța obiectului, A distanța dintre senzor și proiector și f distanța focală a obiectivului. Această relație este o abordare alternativă a opțiunii de triangulație discutată în secțiunea 7.2.2 (fig. 7.9). Rețineți că relația este valabilă numai pentru o gamă limitată de distanțe L față de obiect. Când obiectul este prea aproape de senzor, distanța x a spotului reflectat va cădea dincolo de gama senzorului. Această relație permite calcularea directă a distanței unui obiect bazată pe tensiunea măsurată. Anexa D arată cum se măsoară această tensiune utilizând ADC-ul unui sistem încorporat.

Figura 7.29 Exemplu de diodă comercială detectoare de poziție (PSD) (după Sharp GP2Y0A51SK0F).

Figura 7.30 Relația Diodei detectoare de poziție (PSD) pentru dispozitivul din figura 7.29.

Optocuploarele transmisive sau reflexive necesită puțin, în ceea ce privește interfața, atunci când sunt utilizate pentru a detecta o stare digitală. În Secțiunea 7.3.2 sunt discutate metode pentru utilizarea amplificatoarelor operaționale pentru a crea o sursă de curent constant pentru partea de emisie și un convertor curent-tensiune pentru partea de recepție. Pentru detectarea binară a unei stări, cum ar fi prezența sau absența unui obiect, este adesea suficientă o strategie de interfațare mai simplă. Pentru partea de emisie (un LED) se poate folosi un rezistor de limitare a curentului și pentru fotodioda de recepție un rezistor pull-up ca polarizare directă. De asemenea, este posibilă interfațare capacitivă a acestor senzori, așa cum s-a discutat cu senzorul de matrice optică din secțiunea 5.3.2.

Rezistorul poate fi ales astfel încât pragul de ieșire să fie de aproximativ 2,5 V. Când nu este recepționată nici o lumină, tensiunea de ieșire este mai mare de 2,5 V și dacă se primește lumină tensiunea este cu mult sub 2,5 V. În această condiție, ieșirea poate fi conectată direct la un pin de intrare digital al unui controler încorporat. Din punct de vedere tehnic, în afară de această funcție de comparare, ar fi necesar și un trigger-Schmitt (discutat în anexa C) pentru a se asigura că nu există nici o oscilare la trecerea de la lumină la întuneric și invers.

Encoderele incrementale utilizează aceste principii și sunt fabricate în mod obișnuit cu circuitele de condiționare necesare. Tipic, encoderele optice au nevoie de o tensiune de alimentare (de exemplu 5,0 V) și oferă două semnale de ieșire digitală care sunt defazate la 90 de grade, așa cum se arată în figura 7.17. Uneori este disponibil un al treilea semnal de ieșire care furnizează un impuls index ca referință de poziție (comparați figura 7.13). Folosind software special, encoderele incrementale pot fi eșantionate prin sondare (adică verificând regulat dacă poziția s-a schimbat) sau prin utilizarea așa-numitelor "întreruperi externe". O astfel de întrerupere se bazează pe un semnal extern, adică un front în creștere, un front în cădere sau o schimbare la un anumit pin de intrare. Prin simpla numărare a tranzițiilor de impuls se poate măsura poziția encoderului. Pentru o rezoluție mai mare, este posibil să se măsoare toate fazele de tranziție distincte (adică, patru), folosind codarea în cuadratură. Exemple de cod sunt date în Anexa D.

7.4 Aplicații

Senzorii optici sunt utilizați într-o gamă largă de aplicații, de la o simplă măsurare a distanței până la sisteme de navigație complexe și identificarea obiectului. Aplicațiile discutate aici sunt clasificate în Tabelul 7.5.

Tabelul 7.5 Aplicații de detectare optică

7.4.1 Detectarea deplasării liniare

Atributele majore măsurabile ale deplasării liniare sunt poziția (relativă), viteza și accelerația. Detectarea optică permite măsurarea acestor cantități fără a intra în contact cu obiectul în mișcare.

7.4.1.1 Distanța liniară

Sistemele de detectare optică sunt utilizate pe scară largă pentru măsurarea distanțelor fără contact în mecatronică. Principiile majore sunt, în ordinea acurateței crescute, reflexia, triangulația si interferometria. Metoda reflexiei conform secțiunii 7.2.1 este foarte utilă pentru aplicațiile cu acuratețe redusă și pentru senzorii binari. Componentele electro-optice de dimensiuni mici pot fi ușor montate sau integrate în sistemul mecatronic. Dacă nu există suficient spațiu pentru montarea senzorilor în locația de măsurare, lumina poate fi transportată către (și din) pozițiile corespunzătoare folosind fibrele optice.

Deoarece reflectanța depinde de reflectivitatea obiectului, operația este limitată la medii cu obiecte invariante. În aplicații cu o varietate de obiecte posibile, date de distanță exacte pot fi obținute numai după o calibrare cu acele obiecte. Această problemă a fost recunoscută în primele zile ale roboticii atunci când s-au proiectat sisteme de prindere controlată (vezi, de exemplu, Ref. [23]). Pentru a deveni independenți de reflexia și orientarea obiectelor care trebuie manipulate, s-au dezvoltat algoritmi și configurații de senzori speciali [24]. Aceste probleme persistă, de exemplu pentru roboți medicali și pentru roboți pentru inspecția (fără echipaj) și explorarea zonelor necunoscute. Dacă obiectele sunt complet necunoscute, cum ar fi navigația într-un mediu necunoscut, trebuie să se permită toleranțe suficiente în datele de distanță obținute prin metode reflexiei.

Pentru a elimina influența variațiilor în intensitatea sursei și a altor interferențe nedorite într-un sistem de deplasare optic bazat pe modularea intensității, soluții eficiente sunt multiple detectări și feedback. Adăugarea unuia sau a mai multor receptoare pentru a compensa efectul variațiilor nedorite face ca sistemele bazate pe reflexie să fie mai puțin sensibile la proprietățile suprafeței și pot chiar să permită funcționarea necalibrată [25, 26]. O altă soluție este prezentată în Ref. [27], unde poziția relativă a emițătorului și a receptorului este reglată astfel încât să fie primită intensitatea maximă. Distanța se găsește indiferent de caracteristicile suprafeței. Feedback-ul este o soluție chiar mai puternică, dar are o complexitate mai mare a sistemului. Fig. 7.31 arată un exemplu al unui astfel de sistem.

Figura 7.31 Măsurarea poziției optic în configurația cu feedback;
(A) departe și (B) în apropiere.

Lumina reflectată de ținta (mobilă) este proiectată pe doi foto-senzori prin intermediul unei oglinzi rotative. Poziția acestei oglinzi este controlată astfel încât cei doi senzori să primească o radiație egală (poziția x1 în figura 7.31A). Unghiul corespunzător al oglinzii este φ1. La deplasarea obiectului în poziția x2, fasciculul luminos se deplasează din centrul senzorului dual, rezultând diferiți fotocurenți. Această diferență este folosită pentru a comanda oglinda să se rotească la un unghi φ2, unde fotocurenții devin egali din nou. Semnalul de comandă sau unghiul reprezintă o măsură a deplasării. Prin feedback, cerințele față de sursă și senzori sunt reduse semnificativ, după cum se explică în capitolul 3, Aspecte de incertitudine. Pentru deplasările 2D, oglinda în mișcare are 2 d.o.f., iar detectorul cuprinde patru receptoare aranjate într-un pătrat (un quad).

Principiul este aplicat, de exemplu, în sisteme de focalizare automată în anumite tipuri de camere. O altă aplicație se găsește în măsurarea fără contacte a profilurilor. Instrumentele comerciale pentru acest scop sunt disponibile cu o rezoluție de până la 50 nm și o distanță de aproximativ 1 m.

Toate exemplele menționate mai sus utilizează schimbarea în iradiere cu distanța dintre sursă și senzor (de obicei o relație 1/x²). Într-un mediu de absorbție a luminii (sau atenuant) intensitatea scade exponențial, conform legii lui Lambert-Beer:

unde I(0) este intensitatea la un punct x= 0, I(x) intensitatea la poziția x și α este coeficientul de absorbție al mediului. Coeficientul de absorbție al aerului este destul de scăzut; unele materiale au o absorbție mult mai mare și pot fi folosite pentru a crea un senzor de distanță bazat pe atenuarea luminii. Un model cu o fibră optică fluorescentă este descris în Ref. [28]. O sursă de lumină injectează lumină în fibră într-o anumită poziție de-a lungul lungimii sale. Intensitatea luminii care ajunge la ambele capete ale fibrei este măsurată prin două fotodiode. Potrivit Ec. (7.21) intensitatea la fiecare capăt de fibră depinde de distanța dintre poziția sursei de lumină și fotodiode. Similar cu PSD, diferența fotocurenților este o măsură pentru poziția sursei de lumină. Gama de distanță este aproximativ egală cu lungimea fibrei (cam 88 cm în configurația experimentală).

Măsurătorile de distanțe pe un interval foarte scurt pot fi efectuate utilizând fibrele optice. Două aranjamente diferite sunt reprezentate în figura 7.32.

Figura 7.32 Măsurarea distanței scurte utilizând o fibră optică.

Lumina provenită de la fibra emițătoare se reflectă la țintă și este interceptată de fibra receptoare. Lumina deviază într-o mică distanță de la capătul de ieșire, astfel încât radiația de la fața de intrare a fibrei receptoare depinde de distanța x, într-un mod similar celui din aranjamentele din fig. 7.5 și 7.7. Cu două fibre receptoare în mod diferențial, interferența celui mai comun mod (de exemplu intensitatea emițătorului) este suprimată. Caracteristica de sensibilitate depinde de unghiul de divergență, distanța standoff și unghiurile dintre capetele fibrelor și ținta plată. Pentru o analiză mai detaliată, consultați, de exemplu, Ref. [7]. Deoarece ieșirea este un semnal analogic, rezoluția măsurării distanței este în principal limitată de zgomot. Folosind tehnici de modulare și filtrare adecvată, zgomotul echivalent poate fi la fel de mic ca 1 nm/√Hz [29]. O metodă de extindere semnificativă a gamei de măsurare se bazează pe două lungimi de undă, așa cum este descris în Ref. [30], de exemplu. La prețul complexității superioare a sistemului, intervalul poate fi extins până la 40 mm.

Măsurătorile de distanțe bazate pe reflexie au un interval limitat, datorită legilor de putere inversă date de ec. (7.6) și (7.7). Sistemele de triangulație sunt mai puțin sensibile la intensitatea fasciculului reflectat, dacă sunt interfațate corespunzător. În sistemul de triangulație prezentat în figura 7.8, PSD poate fi înlocuită cu o matrice de diode, care simplifică interfața, dar rezoluția este limitată la cea a matricei.

Sistemele comerciale de triangulație sunt disponibile într-o carcasă compactă care include laser, una sau două PSD-uri, componente optice și electronica de interfață pentru a genera o ieșire independentă de intensitate, conform Ec. (7.5) și (7.10), (figura 7.33). Instrumentul fie conține un afișaj, fie oferă o ieșire electrică. Gamele de măsurare variază de la câțiva milimetri până la câțiva metri; reproductibilitatea este în intervalul ± 1 până la ± 10 μm.

Figura 7.33 Schema generală a unui senzor de distanță cu triangulație comercial.

Reducerea mărimii sistemului optic reprezintă o altă problemă pentru a crește versatilitatea sistemelor de măsurare a distanței bazate pe triangulație. Un exemplu de soluție tehnologică pentru miniaturizare este prezentat în Ref. [31], unde procesul LIGA (germană: Lithographie, Galvanoformung, und Abformung) este aplicat pentru realizarea structurii optice necesare. Dispozitivul total măsoară 7×7×3 mm; în mod evident gama de măsurare este prea mică - cam 1 mm. Dar, eroarea de repetabilitate este mai mică de 3 μm.

Un exemplu de senzor de deplasare care utilizează interferometrie în combinație cu principiul feedback din Capitolul 3, Aspecte de incertitudine, poate fi găsit în Ref. [32]. Sistemul folosește efectul speckle al fasciculului laser care cade pe o suprafață nonspecular-ă. Speckles sunt zone de lumină și întuneric distribuite aleator pe suprafață; acest model variază cu distanța de la laser la suprafață. Sistemul de feedback descris în Ref. [32] folosește această dependență. Cu un set de actuatoare piezoelectrice, spotul luminos pe țintă este controlat în așa fel încât să urmeze un speckle luminos atunci când ținta se mișcă. În acest fel, mișcarea țintei este transformată în cea a actuatorului. Un element esențial al sistemului este un interferometru cu auto-mixare (acest lucru va fi explicat în secțiunea privind vitezometrele). Sistemul permite măsurări de deplasare pe o distanță de 500 mm cu rezoluție sub-micronică.

Sistemele comerciale de detectare bazate pe principiului ToF acoperă game de la aproximativ 0,5 m până la 10 km, cu o inexactitate care variază de la câțiva milimetri pentru tipurile cu gamă-scurtă până la câțiva centimetri pentru tipurile cu gamă-lungă. Rezoluția este de obicei un ordin în magnitudine mai bună. Pe lângă măsurătorile de distanță simple, principiul este de asemenea aplicabil pentru determinarea gamei și pentru imagistică; astfel de sisteme cuprind o oglindă de scanare rotativă pentru scanarea 1D sau 2D a obiectului reflectorizant.

7.4.1.2 Proprietățile suprafeței: rugozitate, planeitate, grosime

Triangulația este aplicată într-o multitudine de aplicații în care este necesară o măsurare exactă a distanței fără contact. Rezoluția foarte mare este necesară în aplicații precum măsurători de rugozitate și măsurători de profil. În astfel de aplicații, triangulația laser 1D este combinată cu un mecanism de scanare (2D).

În Ref. [33] este descris un sistem de triangulație care efectuează măsurarea simultană a rugozității suprafeței și a înălțimii suprafeței (deplasarea în direcția normală). Măsurarea rugozității se bazează pe împrăștierea unui fascicul luminos incident normal la suprafață; măsurarea înălțimii urmează metoda triangulației standard. Pentru determinarea poziției luminii reflectate este utilizată o matrice liniară de fotodiode. Cu acest sistem, rugozitatea poate fi măsurată într-un interval cuprins între 5 și 100 nm; intervalul de înălțime este de ± 300 μm.

Deoarece principiul de triangulație permite măsurători de distanță fără contacte, este preferențial adecvat pentru măsurarea obiectelor cu temperatură ridicată. Un exemplu de aplicație se găsește în Ref. [34] în care este descris un sistem pentru măsurarea planeității plăcilor de oțel fierbinți imediat după ce au fost presate de o pereche de role. În aplicație, o bandă luminoasă este proiectată sub un unghi de 30 grade pe foaie (se deplasează la o viteză maximă de 15 m/s). O cameră de scanare în linie cu 2048 de pixeli vede banda în direcție perpendiculară, deci primește un spot luminos de aproximativ 10 pixeli în lățime. Folosind un algoritm special, rezoluția este mărită la un echivalent de 0,1 mm în înălțime a plăcii de oțel.

Senzorii de poziționare sau de deplasare care sunt destinați unei aplicații foarte specifice pot fi reproiectați pentru a servi alte aplicații în mecatronică și controlul calității. Exemple sunt mouse-ul optic și sistemul de preluare DVD. În Ref. [35] un mouse optic, format dintr-un LED și o cameră CMOS, este utilizat pentru măsurarea proprietăților viscoelastice ale polietilenei. Experimentele au arătat fezabilitatea (și limitările) acestei aplicații. Un cap de preluare DVD comercial este, de asemenea, potrivit ca bază pentru un accelerometru optic [36] și o sondă cu declanșator tactil [37].

O arie particulară de aplicare este explorarea unui mediu (necunoscut) sau reconstrucție a obiectului pentru scopuri de recunoaștere. Metodele de triangulație utilizate pentru acest domeniu specific de aplicare sunt discutate în secțiunea 7.4.5.

7.4.1.3 Viteza liniară și accelerația

Viteza poate fi derivată din informația despre distanță prin derivarea în timp a semnalului de deplasare. La fel, accelerația este obținută prin diferențierea semnalului de viteză. Deci, în principiu, orice senzor de deplasare poate fi luat ca punct de pornire al măsurării vitezei sau accelerației. Deoarece orice semnal de măsurare conține zgomot, diferențierea va crește nivelul de zgomot al semnalului de viteză obținut în acest fel. O opțiune mai bună este selectarea unui principiu de măsurare care produce un semnal de ieșire care este direct legat de viteza sau accelerația obiectului supus încercării, fără a fi nevoie de o operație de diferențiere.

Viteza unui vehicul (de exemplu, mașina, trenul și robotul mobil) este adesea determinată din viteza de rotație a roților (obținută, de exemplu, de un tahometru):

unde n este numărul de rotații pe minut (rpm) și R circumferința roții. Metoda este destul de inexactă deoarece alunecarea și uzura roților introduc erori de măsurare. Abordări alternative sunt măsurarea și corelația Doppler, ambele fiind implementate prin detectarea optică. Funcționarea de bază a metodei de corelație utilizând senzori optici este prezentată în Fig. 7.34.

Figura 7.34 Măsurarea vitezei folosind corelația încrucișată.

Două seturi de perechi de emițător-receptor în modul de reflexie sunt montate pe vehiculul în mișcare, la o distanță d în direcția mișcării. Atunci când suprafața este dură, semnalele reflectate depind într-o anumită măsură de structura specifică în punctul de impact. În timp ce se deplasează, semnalele de ieșire vor arăta o componentă aleatoare în funcție de împrăștierea variată a suprafeței. Ambele semnale de ieșire sunt (aproximativ) aceleași, dar deplasate pe un interval de timp d/v. Întârzierea dintre aceste semnale poate fi ușor derivată prin corelație încrucișată: funcția de corelație încrucișată arată un maxim pentru o diferență de timp egală cu d/v, de la care se calculează viteza.

Deși implementarea pare a fi simplă, rezultatul nu este evident. Raportul S/N este afectat în mod negativ de vibrații sau de alte mișcări (de exemplu, ruliu și tangaj) ale vehiculului, dezechilibrarea optică și caracteristicile suprafeței. În plus, o viteză mare necesită o rată ridicată de eșantionare pentru a obține o funcție de corelare (digitală) fiabilă, în timp ce la viteză mică timpul de întârziere este lung, ceea ce necesită un timp mai lung de procesare pentru a evita erorile mari de măsurare. S-au propus diferite soluții pentru depășirea acestor dificultăți. În Ref. [38] este prezentat un sistem care utilizează fibre optice care transmit lumina de la două diode laser spre suprafața în mișcare. Capetele laser sunt la distanță de 30 cm, iar distanța până la suprafață este de aproximativ 1 m. Folosind o tehnică specială de corelare, viteza suprafeței mobile a fost măsurată până la 30 km/h, cu o eroare de 9%.

Au fost propuse numeroase metode alternative pentru vitezometre fără contact prin mijloace optice. Menționăm doar câțiva dintre ele aici. În afară de filtrarea timpului a semnalelor reflectate, filtrarea spațială este o altă abordare utilă. Obiectul în mișcare este iluminat de iluminatul ambiental (deci nu în mod necesar o lumină coerentă). Zona iluminată este văzută de un fotodetector printr-o grilă cu periodicitate mică p. Când obiectul se mișcă cu viteza v în planul grilajului, ieșirea detectorului conține o componentă de frecvență egală cu kv/p, cu k amplitudinea optică. În Ref. [39] este descris un vitezometru care folosește acest principiu; grilajul a fost înlocuit cu o cameră CCD, care acționează simultan ca detector și dispozitiv de filtrare spațială. Informații despre direcția mișcării sunt obținute prin crearea unui semnal de cuadratură, care este pur și simplu realizat printr-o secvență de citire CCD modificată. Experimentele au relevat erori de viteză mai mici de 0,1% până la o viteză de 20 m/s.

Diferitele vitezometre optice se bazează pe interferometrie cu auto-mixare. Auto-mixarea este obținută prin feedback optic: o parte din lumina laser este trimisă înapoi prin intermediul unei suprafețe reflectorizante externe în cavitatea laserului. Atunci când sunt îndeplinite condiții particulare privind faza și amplitudinea luminii de întoarcere, fasciculul laser prezintă fluctuații de putere care sunt mai mult sau mai puțin în formă de dinți-fierăstrău. Intensitatea fluctuantă este observată utilizând o fotodiodă la partea din spate a laserului. Unul dintre avantajele interferometriei cu auto-mixare este un aranjament mai compact al pieselor optice și alinierea simplă.

Vitezometrele bazate pe interferometrie cu auto-mixare sunt descrise, de exemplu, în Ref. [40, 41]. La o distanță constantă între țintă și capul laser, fluctuațiile de putere au o amplitudine mai mult sau mai puțin constantă. Atunci când ținta se mișcă cu viteza v, spectrul fluctuațiilor conține frecvența Doppler fD, de unde viteza poate fi derivată folosind:

unde λ este lungimea de undă a luminii laser emise și φ este unghiul de incidență. La viteze moderate frecvența Doppler este destul de ridicată; de exemplu, folosind un laser cu lungime de undă 680 nm și incidență normală (φ = π/2), frecvența Doppler la o viteză de 1 m/s este egală cu 2,9 MHz. Determinarea exactă a acestei frecvențe este împiedicată de prezența efectului speckle, care introduce zgomot multiplicativ în semnal [40]. Mai mult, atunci când sunt utilizate în aplicații auto, de exemplu, alte mișcări introduc erori de măsurare. În special fluctuațiile în unghiul φ și variațiile înălțimii deasupra solului pot da erori mari, așa cum se poate vedea în Ec. (7,23). Aceste erori pot (în mare măsură) să fie eliminate folosind o configurație diferențială, așa cum este descris în Ref. [41]: două lasere se îndreaptă spre sol, cu unghiuri de incidență de ±18 grade în raport cu normala solului. Frecvența Doppler care poate fi reconstituită din cele două semnale de ieșire este mai puțin sensibilă la mișcările mașinii altele decât în ​​direcția de mers. Experimentele cu configurația cu două laser au arătat o abatere standard medie mai mică de 0,04%, la viteze de până la 100 km/h.

O aplicație bine cunoscută a principiului optic ToF (Secțiunea 7.2.5) se găsește în pistoalele cu laser care măsoară viteza mașinii. De obicei, aceste sisteme emit o serie de impulsuri scurte; din ToF a impulsurilor reflectate pot fi derivate atât distanța cât și viteza vehiculului. Gama și precizia tipice sunt de 5-500 ± 2 km/h.

Senzorii bazați pe inerție răspund direct la accelerație, evitând diferențierea crescătoare de zgomot a semnalelor de poziție sau de viteză. Un astfel de accelerometru cuprinde o masă și un element de arc (vezi și capitolul 8: Senzorii piezoelectrici). Atunci când masa este accelerată, forța inerțială rezultată determină deformarea elementului elastic proporțional cu accelerația aplicată. Această deformare poate fi măsurată în diferite moduri, de exemplu prin mijloace optice. Dar, deplasarea este în general foarte mică, iar măsurarea corespunzătoare necesită un senzor cu rezoluție înaltă în raport cu deplasarea. Configurațiile cu fibre optice în modul de reflexie (figura 7.32) sunt potrivite pentru această sarcină.

O soluție specială este propusă în Ref. [42]. Aici deplasarea (mică) se măsoară cu un encoder incremental utilizând efectul Moiree (conform Fig. 7.18B). Un grilaj este fixat pe carcasă; celălalt grilaj, făcând un unghi mic față de primul, este conectat la masa seismică. Lumina este condusă către (și de la) grilaje printr-o pereche de fibre optice (emițător și receptor), care asigură măsurarea transmisiei, care este modulată de mișcarea masei. Datorită unghiului mic, chiar deplasările mici ale masei determină o deplasare măsurabilă a modelului Moiree. De fapt, trebuie să existe două perechi de fibre emițător-receptor care să permită măsurarea direcției de deplasare în conformitate cu principiul dat în Figura 7.17. Sistemul este utilizat pentru măsurarea vibrațiilor structurilor civile mari și are o lățime de bandă utilă de 5 Hz. Frecvența de rezonanță a combinației masă-arc (aici 20 Hz) limitează lățimea de bandă, așa cum se explică în capitolul 8, Senzorii piezoelectrici.

7.4.2 Detectarea deplasării unghiulare

Măsurătorile de unghi pot fi clasificate în deplasări unghiulare (φ), viteză sau rată unghiulară (φ˙) și accelerație unghiulară (φ¨). Măsurarea exactă a deplasării unghiulare se efectuează în cea mai mare parte prin encodere, fie absolute, fie incrementale (Secțiunea 7.2.4). Mișcarea unghiulară pe o gamă foarte mică poate fi de asemenea detectată utilizând configurația din figura 7.32A: transmisia de la emițător la fibra receptoare este modulată nu numai prin deplasarea verticală, ci și prin rotirea țintei.

O aplicație specială este înclinometru sau senzorul de înclinare: măsoară unghiul în raport cu normala pământului și este un dispozitiv util pentru roboții de mers pe jos pentru a controla mișcarea și echilibrul. Piața oferă diferite înclinometre gata de utilizare, acoperind game între ± 1 și ± 90 grade, cu o liniaritate excelentă. Tipurile mecanice se bazează pe un pendul cu mișcare liberă care întotdeauna indică în jos, de asemenea, atunci când carcasa face un unghi φ cu normala pământului. La pivotul pendulului sunt conectate unele mijloace de detectare a deplasării, care dă un semnal de ieșire care este legat de φ. Acesta poate fi un simplu senzor de deplasare optică în modul de reflecție sau transmisie, printr-un encoder sau o giruetă conectată la celălalt capăt al pendulului. Aplicarea unei bucle de feedback (Capitolul 3: Aspecte de incertitudine) reduce erorile datorate, de exemplu, unei puternice relații neliniare între unghi și deplasarea măsurată.

Senzorul de proximitate din figura 7.32 este de asemenea sensibil la deplasarea unghiulară a suprafeței de reflexie. Acest concept este detaliat în continuare în Ref. [43]. Senzorul unghiular cu fibră optică este compus dintr-o oglindă rotativă, o fibră centrală de intrare și patru fibre de ieșire. Configurația combină o sensibilitate unghiulară ridicată și o sensibilitate neglijabilă la deplasările normale.

Inclinometrele cu fluid utilizează un lichid cu bulă de aer pentru a măsura înclinarea [44]. Un mic compartiment emisferic cu lichid este montat pe o placă substrat de siliciu pe care este depusă o structură cu diodă quad. Bula se află întotdeauna în poziția superioară a compartimentului. Lumina de la un LED, montat pe partea superioară a structurii, se deplasează prin lichidul cu bulă și ajunge la structura de diode, într-o poziție care depinde de locul bulei și deci de unghiul de înclinare. Cu patru fotodiode se obține unghiul de înclinare în două direcții.

Informațiile privind rata unghiulară pot fi obținute prin numărarea tranzițiilor prin zero în semnalul de ieșire al unui encoder incremental (figura 7.16) într-un interval de timp specificat. Dar, encoderele incrementale au o slew rate limitată (viteză maximă), peste care tranzițiile nu pot fi detectate corect. În afară de aceasta, rezoluția ridicată a majorității encoderelor incrementale nu este necesară pentru a obține informații despre rata cu acuratețe rezonabilă: numărul de rotații pe secundă (rps) sau rpm se va face în majoritatea aplicațiilor.

Senzorii de viteză unghiulară sau tahometrele low-cost sunt realizate pur și simplu prin montarea unuia sau mai multor segmente de material reflectorizant, cum ar fi folia de aluminiu, de-a lungul circumferinței arborelui rotativ sau pe capul arborelui (Fig.7.35 ). În cazul unui arbore reflectorizant ar trebui să luați un material absorbant, cum ar fi vopseaua neagră sau hârtia neagră. Semnalul de ieșire al receptorului este un semnal în formă de impuls cu frecvența impulsului f = np/2 Hz, n fiind numărul de rps și p numărul de tranziții dintre materialul reflexiv și cel nereflexiv de-a lungul circumferinței. Viteza unghiulară măsurată este 2πn= 4πf/p rad/s și poate fi determinată prin procesarea digitală.

Figura 7.35 Tahometre optice simple;
reflecție de la (A) partea laterală și (B) capul arborelui.

La viteza mare, este suficientă doar o pereche de zone alb-negru (p = 2). La viteze mai mici este necesar un număr mai mare de schimbări de intensitate pe rotație pentru a minimiza eroarea de cuantificare, fiind de 1 p/s. Performanța este suplimentar limitată de lumina posibilă a mediului: deși acest efect poate fi eliminat prin pragul semnalului de ieșire al detectorului, iluminarea alta decât prin emițător ar trebui să fie minimizată, de exemplu prin ecranarea optică a întregului sistem din mediul înconjurător, ori de câte ori este posibil. Tahometrele optice comerciale sunt disponibile în diverse dimensiuni și intervale, până la 12.000 rpm.

Pentru aplicațiile mecatronice și robotice, trebuie luate în considerare și diferite specificații mecanice (tabelul 7.6), de exemplu cuplul de pornire, momentul inerțial și sarcina arborelui. Ca tahometru, viteza maximă de rotație trebuie ținută minte. Unii producători oferă o indicație a duratei de viață așteptate.

Tabelul 7.6 Unele specificații mecanice ale encoderelor

Atunci când este greu de realizat alinierea corectă a encoderului și a arborelui rotativ, se pot aplica accesorii speciale, de exemplu cuplaje cu burduf, disponibile în numeroase aplicații (unghiulare, axiale, paralele, figura 7.36).

Figura 7.36 Cuplaje cu burduf pentru a evita nealinierea paralelă și unghiulară.

Un aranjament interferometric special permite măsurarea vitezei unghiulare, utilizând efectul Sagnac. Lumina este forțată să călătorească pe o cale circulară, printr-o buclă de fibră optică. De fapt, există două unde de lumină, una care călătorește în sensul acelor de ceasornic prin buclă, cealaltă în sens invers acelor de ceasornic. Ambele unde ajung pe același detector, unde interferează. Intensitatea este maximă atunci când timpii de călătorie sunt egali, ceea ce este cazul unui sistem inerțial în repaus. Când bucla se schimbă în jurul axei sale, timpii de deplasare a celor două unde opuse diferă puțin, rezultând o deplasare de fază la detector și, prin urmare, o modificare a modelului de interferență. Gama unui astfel de sistem este cam ± 60 de grade, în timp ce se poate aștepta o deviație termică de 10 grade pe oră.

Accelerația unghiulară se obține prin diferențierea vitezei unghiulare. Senzorul de accelerație de rotație descris în Ref. [45] utilizează discuri speciale pentru encodere. Un disc este cuplat elastic la altul, pentru a transforma accelerația unghiulară în deplasare unghiulară (conform legii inerției). Fantele celor două discuri fac unghiuri mici, rezultând o deplasare radială a părților suprapuse și, prin urmare, o deplasare a spotului luminos care trece de cele două discuri. Această schimbare este măsurată cu PSD.

7.4.3 Detectarea forței, cuplului și deformației

Măsurarea forței și a cuplului se bazează, în cea mai mare parte, pe măsurarea deformației rezultate (solicitare compresivă sau tracțiune). În acest sens, în principiu, metodele de detectare a deplasării discutate în secțiunile anterioare ale acestui capitol sunt candidați în procesul de selecție a unei metode de măsurare a forței. Aplicația tipică, totuși, justifică o secțiune separată privind acest tip de măsurare.

Un cuplu aplicat determină o răsucire a obiectului (de exemplu un arbore) la un unghi φ. Acest unghi este aproximativ proporțional cu cuplul și poate fi măsurat în diferite moduri. Pentru a obține o sensibilitate ridicată, distanța dintre punctele de capăt trebuie să fie mare. Dar, acest lucru poate împiedica măsurarea exactă a rotației relative. O soluție simplă este de a transfera rotația la un capăt printr-o extensie mecanică în apropierea celuilalt capăt (figura 7.37A), simplificând măsurarea unghiului. Atunci când unghiul obiectului este încă prea mic, poate fi introdus un element elastic cu conformitatea cunoscută, așa cum este prezentat în figura 7.37B. Cuplul este reconstruit din unghiul relativ dintre două puncte de capăt ale elementului arc rotativ.

Figura 7.37 Măsurarea cuplului unui arbore folosind
(A) o componentă de extensie și (B) un element de cuplu elastic.

O provocare specială este măsurarea cuplului pe arborii rotativi. Într-o astfel de aplicație este necesară o detectare fără contact, care poate fi realizată prin mijloace optice. În Ref. [46] această metodă este utilizată pentru măsurări de cuplu pe o mașină de debitat lemn. Discurile din figura 7.37 sunt prevăzute cu markeri optici pe circumferință, vizualizați din lateral de o pereche de fotodiode. Chiar și la o viteză de tăiere de 24.000 rpm se poate obține un semnal adecvat de cuplu.

O altă aplicație particulară a unui sistem optic de măsurare a forței este măsurarea online a forței 2D pe un stilou în scopul verificării semnăturii [47]. Forța de pe vârful stiloului este transferată la celălalt capăt al canalului de cerneală, care se poate deplasa în raport cu suportul stiloului. O oglindă mică, montată pe capătul canalului de cerneală, modulează direcția unui fascicul laser, care cade pe o fotodiodă quad. Din cei patru fotocurenți, forța orizontală 2D pe vârful stiloului poate fi reconstituită. Deoarece transferul de la forță prin deplasarea oglinzilor la fotocurenți este destul de complex, dispozitivul trebuie calibrat. Experimentele au demonstrat fezabilitatea metodei optice.

Deformările foarte mici sunt cel mai bine măsurate prin metode interferometrice, deoarece acest principiu permite măsurători de deplasare cu rezoluție foarte ridicată. Un exemplu este studiul privind proprietățile electrostrictive ale anumitor materiale. Electrostricția este deformația indusă de câmpul electric: deformările sunt în gama sub-angström până la sub-micron. Yimnirun [48] prezintă un sistem interferometric cu laser care poate măsura o deplasare atât de mică. Lucrarea raportează o rezoluție de deplasare mai mică de 10-5 nm și operează într-o bandă de frecvențe de la 3 la 20 kHz.

Multe exemple de sisteme optice (interferometrice) de măsurare a forței și deformației au fost raportate în literatură. Un anumit tip de senzor de forță este un senzor tactil, întâlnit în principal în aplicații robotice. Senzorii tactili de tip cutanat constau dintr-o matrice sau șir de senzori elementari de presiune sau deplasare. Multe tehnici optice au fost dezvoltate pentru a obține informații despre deplasarea elementelor individuale (taxeli). Patru metode importante sunt: ​​transmisia variabilă, suprafața de contact variabilă, reflexia internă totală și fibrele optice sensibile la presiune. O problemă comună este rezoluția: pentru a realiza o rezoluție ridicată, taxelii ar trebui să aibă dimensiuni mici și să fie împachetate dens.

Principiul transmisiei variabile este ilustrat în figura 7.38A. Ca și în cazul tuturor senzorilor tactili, forța aplicată este transferată într-o deplasare printr-un strat elastic. În tipul de transmisie variabilă, deplasarea este măsurată prin modularea mecanică a intensității unui fascicul luminos, o metodă deja publicată în 1983 [49]. Dispozitivul (comercial) are o rezoluție de 16×10 elemente tactile și un pas de aproximativ 0,3 cm. În ciuda acestei rezoluții limitate, senzorul este adecvat pentru recunoașterea obiectelor prin atingere[50].

Figura 7.38 Detectare tactilă optic:
(A) transmiterea luminii variabile și (B) zona de contact variabilă.

Principiul suprafeței de contact variabile este deja abordat în secțiunea 3.6.2, unde aria de contact este măsurată prin mijloace rezistive, dar citirea optică este, de asemenea, o opțiune. Aria de contact variabilă este realizată prin proeminențe pe partea din spate a unei foi elastice, montată pe o placă transparentă plată care servește ca un ghid de undă pentru a ilumina foaia elastică cu bulbi. La o forță aplicată, bulbii sunt impresionați și aria de contact cu placa de sticlă crește (figura 7.38B). Această variație a ariei este măsurată optic de către o cameră de vizionare a părții din spate a plăcii [51, 52]. Rezoluția acestui senzor tactil este limitată de numărul de bulbi elastici; camera nu este limitativă în ceea ce privește rezoluția. Dar, senzorul este destul de voluminos și nu poate fi încorporat într-un gripper de robot. Un avantaj al acestei configurații constă în faptul că scanarea este efectuată de electronica aparatului foto, de aceea viteza este ridicată.

O construcție mai plată poate fi realizată prin traversarea fibrelor optice. Structura este similară cu cea a senzorilor tactili din fibră de carbon. Punctele de traversare acționează ca taxeli (din tactile element, modelat pe pixel), iar fibrele efectuează scanarea. Atunci când o forță este aplicată la un astfel de punct de trecere, transmisia ambelor fibre se modifică din cauza micro-încovoiere. Acești senzori tactili cu fibră optică au o rezoluție potențial ridicată, însă sunt necesare mai multe cercetări pentru a profita pe deplin de această proprietate. Pentru aplicațiile mai puțin solicitante, cum ar fi, de exemplu, detectarea uzurii, acestea oferă perspective bune [53]. Detalii privind construcția și performanța senzorilor tactili cu fibră optică sunt furnizate în Ref. [54-56].

7.4.4 Urmărirea obiectelor

Măsurarea poziției 3D a unui anumit punct (mobil) este o sarcină destul de obișnuită în mecatronică (de exemplu poziția mesei într-o mașină de măsurare în coordonate) și robotică (poziția efectoarelor finale sau a unui obiect în mediul robotului). În multe aplicații, o altă sarcină este de a urmări obiectul menționat sau un anumit punct al obiectului atunci când acesta se mișcă. În general, pot fi luate în considerare două abordări diferite: imagistica (cu camere) și iluminarea activă (cum ar fi triangulația). Ultima abordare se caracterizează prin prezența unei surse de lumină cu poziție cunoscută (în cadrul de coordonate al sistemului) și că această poziție este utilizată pentru a reconstrui poziția obiectului. Sistemele de viziune cu iluminare ambientală nu au acea informație și necesită un fel de calibrare pentru a reconstrui poziția obiectului de la una sau două proiecții 2D ale scenei pe cipul camerei. Trebuie menționat faptul că sistemele de iluminare active pot cuprinde și ele o cameră (de exemplu, linie, matrice și 2D-PSD). Dar, obiectul căutat este iluminat de o sursă de lumină cunoscută, cum ar fi un spot laser, o linie laser, o pereche de linii sau un model de lumină 2D (denumit și lumină structurată). Procesul de reconstrucție combină cunoașterea despre sursa de lumină și imaginea luminii reflectate.

Urmărirea prin viziune este un subiect în sine și nu va fi discutată în continuare. Cititorul se poate referi la literatura extinsă. Tabelul 7.7 compară ambele concepte cu privire la unele considerente de proiectare importante.

Tabelul 7.7 Compararea viziunii și intervalele de urmărire a obiectelor

Sistemele de urmărire care utilizează o sursă de lumină specificată pot fi configurate în diverse moduri, în funcție de specificațiile sistemului, cum ar fi consumul de energie, spațiul disponibil și condițiile de mediu. Deoarece transmițătorul utilizează de obicei cea mai mare parte a puterii disponibile, alegerea între punerea emițătorului sau a receptorului pe obiectul (în mișcare) este o problemă importantă. În plus, există posibilitatea de a alege între modul direct și modul indirect sau reflecție. Acesta din urmă are avantajul că obiectul care urmează să fie urmărit este complet lipsit de cabluri și surse de alimentare. Doar un indicator distinctiv ar trebui să fie prezent, detectabil de sistemul optic, de exemplu un spot luminos, un model de lumină, un indicator negru/alb, un (retro) reflector sau ceva similar.

Când proiectul se bazează pe modul direct, din nou sunt deschise diferite opțiuni: emițător pe obiectul în mișcare și receptorul undeva în mediul înconjurător sau invers. Deoarece obiectul trebuie urmărit, receptorul sau emițătorul ar trebui să poată explora mediul prin scanare. Dintre toate combinațiile posibile se pot găsi aplicații practice.

La pornirea procesului de urmărire, poziția obiectului nu este, de obicei, cunoscută. Prin urmare, mai întâi se efectuează o căutare, în care mediul este scanat fie de emițător, fie de receptor, până când receptorul primește un semnal corespunzător înapoi. Odată ce obiectul a fost găsit, un algoritm de urmărire controlează calea de transmisie pentru a urmări mișcarea obiectului. Detalii suplimentare privind proiectarea sistemului depind puternic de aplicația specifică. Ca o ilustrare, vor fi descrise câteva exemple.

O primă aplicație este urmărirea 3D a efectorului final al unui robot («efectori finali» sunt clești, «unități active de prelucrare» și orice alt mijloc de prelucrare fixat pe placa de bază terminală a brațului de manipulare al unui «robot»). De obicei, poziția și orientarea punctului central al uneltei (TCP) derivă din poziția articulațiilor. Dar, erorile în construcția mecanică și conformitatea pieselor de compoziție cauzează erori în poziția TCP care pot împiedica poziționarea precisă a efectorului final. Măsurarea TCP în raport cu cadrul de coordonate al robotului poate furniza date pentru compensarea acestor erori. O binecunoscută abordare folosește o sursă de lumină montată pe un loc potrivit în apropierea TCP, care emite lumină în toate direcțiile. Lumina este percepută de un set de camere (2D-PSD, matrice CCD), poziționate în locații fixe, cunoscute, acoperind împreună întregul spațiul de lucru al robotului. Prin transformarea sau triangulația coordonatelor, poziția TCP poate fi reconstruită din pozițiile spotului în planurile imaginii. Gama de lucru este stabilită de câmpul de vizualizare al camerelor.

Această idee de bază poate fi implementată și extinsă în mai multe moduri. Principiul feedback-ului poate fi aplicat pentru a spori acuratețea și a mări gama de lucru. Aceasta se realizează, de exemplu, prin montarea camerei pe o platformă rotativă; orientarea camerei este controlată astfel încât spotul să fie întotdeauna în centrul imaginii. În această aplicație, o cameră 2D-PSD este o alegere bună, deoarece trebuie detectat doar un singur spot de lumină. Deoarece spotul este întotdeauna în centru, erorile datorate neliniarității PSD, care apar în principal la marginile dispozitivului, sunt eliminate. Encoderele de pe axele platformei furnizează informații despre poziția sursei de lumină. Pentru a găsi orientarea unei anumite părți a robotului, pot fi plasate două sau mai multe surse de lumină pe construcție, vizionate de una sau mai multe camere de luat vederi din sistemul de coordonate mondial. În toate cazurile, sistemul, după configurare, trebuie să fie calibrat pentru a obține cea mai mare acuratețe.

Într-o abordare alternativă pentru a găsi poziția efectorului final, sursa de lumină și detectorul din exemplul anterior sunt interschimbate: senzorul (camera) este montat pe efectorul final și o sursă transmite un model de lumină în direcția senzorului. Modelul poate fi un spot de lumină, o linie (atunci când emit un plan de lumină), un fir încrucișat sau orice model cunoscut. Un model 2D în combinație cu un senzor matrice permite măsurarea poziției și a orientării. Un algoritm de obținere a informațiilor solicitate este descris în Ref. [57], care se ocupă cu măsurarea poziției efectorului final.

Sistemele de urmărire sunt utilizate și în reabilitare, pentru a studia mișcarea oamenilor. Aici modul de reflexie este o practică obișnuită de a minimiza restricțiile de mișcare pentru persoana testată. Un set de platforme sau sfere (retro)reflectoare este poziționat pe anumite locații ale corpului (de exemplu, brațe, picioare, cap, umeri și picioare). Aceste marcaje sunt iluminate de o sursă de lumină specifică (de exemplu IR), în timp ce lumina reflectată este privită printr-un set de camere. Pentru a crește raportul S/N, lumina este mai întâi filtrată, astfel că aparatul foto vede în principal reflexia de la marcaje. Întrucât nu toți markerii pot fi văzuți în același timp din cauza blocării de către persoana testată și având în vedere că toți markerii sunt identici, au fost dezvoltați algoritmi de urmărire speciali pentru a identifica părțile corpului urmărit. Cerințele de exactitate nu sunt grave; viteza de procesare este factorul mai important deoarece mișcările rapide trebuie să fie urmărite și analizate.

În aplicațiile cu acuratețe ridicată, de exemplu, mașinile de măsurare în coordonate, interferometrele pot fi utilizate pentru a măsura cu exactitate poziția unei părți a mașinii. Takatsuji și colab. [58] descriu un sistem de urmărire pentru coordonatele scenei. Acesta cuprinde un retroreflector montat pe scenă și patru lasere care urmăresc poziția retroreflectorului. Un algoritm special a fost dezvoltat pentru a reconstrui toate cele trei coordonate; al patrulea laser redundant este utilizat pentru auto-calibrare.

O aplicație interesantă a unui senzor optic pentru urmărirea orientării 3D este senzorul optic integrat utilizat într-un controler portabil (sau un dispozitiv de interfață umană) pentru consola de jocuri Wii prezentată în Fig. 7.39. Pe lângă utilizarea principală a dispozitivului de intrare în joc, senzorul a găsit o utilizare și în mecatronică. Senzorul utilizează un senzor de imagine 2D pentru a detecta (până la patru) puncte infraroșii. Cu două puncte la o distanță fixă ​​cunoscută, este posibil să se determine atât orientarea cât și distanța față de aceste puncte utilizând triangulația (descrisă în secțiunea 7.2.2). În aplicația WiiMote, aceste date optice sunt fuzionate cu date obținute de un giroscop MEMS și un accelerometru pentru a obține o estimare exactă a poziției și orientării.

Figura 7.39 Schema generală de funcționare a senzorului de poziție optică WiiMote.

O implementare similară a urmăririi mișcării cu ajutorul unui senzor de imagine cu rezoluție redusă este senzorul de flux optic, care este implementat într-un mouse optic (prezentat schematic în figura 7.40). Un LED (de obicei un LED roșu) este utilizat pentru a ilumina o scenă (adică suprafața unui birou) capturată cu un senzor de imagine. Acești senzori au de obicei o rezoluție foarte scăzută (adică 19×19 pixeli), nu pentru a obține o imagine completă, ci pentru a măsura o schimbare în model cauzată de deplasare. Această schimbare în model este detectată și comunicată hardware-ului cu care este conectat mouse-ul. Aceste tipuri de senzori (și principiul fluxului optic, în general) sunt utilizate în aplicațiile mecatronice, cum ar fi asistarea navigării vehiculelor (care zboară).

Figura 7.40 Schema de lucru a unui mouse optic.

7.4.5 Forma obiectului

Forma unui obiect este caracterizată de coordonatele suprafeței sale exterioare. Măsurarea formei este utilă în numeroase aplicații, de exemplu localizarea și orientarea unui obiect într-un sistem de coordonate specificat, identificarea obiectelor, inspecția calității și extracția parametrilor. Cerințele de acuratețe sunt stabilite de aplicație. Cea mai mare precizie este necesară în inspecția produselor, unde este adesea nevoie de rezoluție submicronă. Identificarea și caracterizarea (globală) sunt aplicații mai puțin exigente.

Modul de transmisie este cel mai simplu și eficient mod de a controla procesele de producție și de a monitoriza dimensiunile produselor. Aplicabilitatea metodei este aproape nelimitată. Ca exemplu de măsurare 1D extrem de exigentă, ne referim la Ref. [59]. Scopul este determinarea online a diametrului paletei rotorului (până la câțiva metri) cu o eroare mai mică de 10 μm. Sursa de lumină și detectorul (o fotodiodă quad) sunt poziționate la marginea exterioară a lamei. O mică variație a diametrului modulează transmisia, generând informații despre eroare.

O ilustrare a caracterizării obiectului utilizând detectarea distanței cu fibră optică este măsurarea (online) a uzurii sculei [60]. În această metodă bazată pe intensitate, lumina spre (și de la) sculă (aici un dispozitiv de frezat) este transmisă printr-un fascicul de fibre. Un grup de fibre din pachet transmite lumina spre obiect; un alt grup transmite lumina reflectată către unitatea senzor. Practic, distanța față de sculă este măsurată în conformitate cu principiul prezentat în figura 7.32. În timp ce se rotește, este făcută o reprezentare grafică online a distanței; acest grafic oferă informații despre starea de uzură a sculei. În această aplicație, metoda intensității este satisfăcătoare, deoarece configurația este fixă, distanțele sunt scurte și condițiile de mediu sunt mai mult sau mai puțin constante.

Pentru date mai exacte, formă numerică și pentru aplicații într-un mediu mai puțin structurat, metoda de intensitate nu este de obicei adecvată. Discutăm alte două metode: sondarea și triangulația.

Multe instrumente de măsurare a coordonatelor 3D se bazează pe o sondă tactilă cu care sunt urmate contururile unui obiect pentru a obține informații de formă 3D cu o precizie ridicată (denumită și metrologie dimensională). Sonda tactilă constă dintr-un punct de atingere în formă de bilă cu dimensiuni binecunoscute și care este conectat la capătul unui stilou. Sonda este deplasată de un set de actuatoare până când atinge obiectul. Apoi, mișcarea este controlată astfel încât punctul să urmeze suprafața obiectului, menținând astfel doar contactul între sondă și suprafață. Cantitatea măsurată poate fi forța pe bilă, îndoirea stiloului sau deplasarea bilei în raport cu baza sistemului. Informațiile despre forma sunt reconstruite din pozițiile momentale ale etapelor și eventual corectate pentru îndoirea stylus-ului.

Diferitele configurații experimentale ale celei din urmă abordări utilizând detectare optică sunt descrise în Ref. [61,62], unde poziția variabilă a bilei la capătul stiloului este măsurată cu un cuplu de două fibre optice. Bila este atașată elastic de capătul stiloului, astfel încât atunci când sonda atinge obiectul, bila este deplasată oarecum în direcția forței de reacție. Alte oglinzi sunt conectate la partea superioară a bilei; ele urmăresc rotirea bilei când atinge obiectul. Un set sau un fascicul de fibre este fixat pe stiloul cu capetele lor chiar deasupra acestor oglinzi. Conform principiului din figura 7.29A, mișcarea bilei este măsurată în două direcții normale față de stylus. Devierile bilei până la 1 μm (care corespund unei forțe laterale mai mici de 1 mN) pot fi ușor măsurate.

În aplicații mai puțin exigente sau atunci când atingerea nu este posibilă sau permisă, triangulația este o metodă potrivită pentru a obține informații despre formă. Pentru informații despre formă, configurația triangulației din figura 7.10 trebuie să fie extinsă printr-un mecanism de scanare pentru a acoperi întreaga zonă a obiectului care urmează să fie investigat. Metoda se bazează pe măsurarea distanței de la un punct specificat la suprafața obiectului, în linie dreaptă. Metoda este, de asemenea, menționată ca variantă. Evident, datorită auto-blocării, poate fi investigată numai acea parte a suprafeței care este în vedere directă atât pentru emițător, cât și pentru receptor.

Găsirea gamei optice (unii o numesc imagine 2.5D) este, de asemenea, frecvent aplicată în robotică, de exemplu pentru a obține informații despre mediul robotului, pentru scopuri de navigare (vehicule ghidate automat) și multe alte sarcini. Navigarea prin măsurare este discutată în secțiunea următoare.

Pentru măsurătorile de formă, configurația cea mai directă este o scanare în puncte 2D (vezi și Fig. 1.3A). Distanța este determinată pentru fiecare punct de probă individual, prin triangulație. Inutil de spus că este un proces de achiziție destul de lent. O soluție mai rapidă este scanarea liniară, conform Fig. 1.3B. În locul unui punct, este proiectată o linie pe obiect. Linia este creată fie printr-o lentilă optică specială, fie printr-o oglindă rotativă rapidă și este vizualizată de o cameră matriceală. Linia este scanată (mecanic) în direcția perpendiculară pentru a acoperi întreaga suprafață a obiectului. Dacă obiectul însuși se mișcă, ca pe o bandă transportoare, un astfel de mecanism de scanare poate fi inutil. În figura 7.41 este prezentată configurarea de bază a unui detector de gamă cu scanare linie.

Figura 7.41 Aparat de căutare a gamei optice pentru recunoașterea obiectului utilizând scanarea în linie.

În această configurație simplă linia este creată de o oglindă rotativă. Linia proiectată urmează forma obiectului; acest model este văzut de o cameră foto. Din pozițiile cunoscute ale oglinzii, planul luminos și camera, forma intersecției dintre obiect și planul luminos poate fi reconstruită. În general, nu toate punctele obiectului sunt iluminate și nu toate punctele iluminate pot fi văzute de aparatul de fotografiat. Aceste umbre nu permit capturarea întregii secțiuni transversale.

Atunci când acest lucru nu este acceptabil pentru aplicație, poate fi utilizat un al doilea sistem de triangulație care funcționează sub un unghi diferit. O altă opțiune este un set de oglinzi prin care planul de scanare transmis printr-o singură sursă este proiectat din două părți pe obiect; aceleași oglinzi pot fi utilizate pentru redirecționarea luminii din două părți către receptorul comun. Această soluție este propusă în Ref. [63], în care scanarea este efectuată de deflectori acusto-optici. Evident, cele două scanări ar trebui să fie complementare pentru a construi o imagine completă a obiectului. O soluție similară cu două oglinzi este descrisă în Ref. [64]; în acest exemplu, se folosesc oglinzi eliptice, care permit reconfigurarea dinamică a geometriei. Acest lucru are ca rezultat o rezoluție mai bună a adâncimii și reducerea efectelor de blocare. În cele din urmă, menționăm un aparat cu laser care utilizează o oglindă piramidală cu mai multe fațete. Această oglindă acționează ca un scanner dublu, unul pentru fasciculul de emisie și unul pentru fasciculul reflectat. Sistemul, al cărui detaliu de proiectare poate fi găsit în Ref. [65], prezintă viteză mare, rezoluție înaltă și reducerea efectului de umbră.

Se fac multe cercetări pentru a monitoriza starea țevilor îngropate. În capitolul 6, senzori inductivi și magnetici, s-au discutat metode magnetice, dar se dezvoltă și sisteme optice. Roboții de țeavă care transportă diferiți senzori se deplasează prin conductele supuse încercării, colectând date importante despre starea țevii (adică, obstacole, coroziune, scurgeri și defecțiuni mecanice). Cu cât diametrul este mai mic, cu atât sunt mai severe cerințele în ceea ce privește dimensiunea, eficiența energetică (atunci când este alimentat de la baterie) și costurile. Ca exemplu de sistem de testare optică pentru diametrul mic al țevii se face referire la Ref. [66]. Această lucrare se referă la un sistem optic care măsoară suprafața interioară a unei țevi de 10 mm. Sistemul de detectare constă dintr-un laser, o oglindă de scanare, un motor și un PSD, asamblat axial pentru a se potrivi în interiorul țevii. Sistemul permite detectarea defectelor de suprafață de până la 0,1 mm, prin intermediul triangulației.

Scanarea mecanică este relativ lentă și formează limitarea majoră a timpului de achiziție, în special pentru un mecanism de scanare 2D. Proiecția liniei cu ajutorul opticii cilindrice reduce considerabil timpul de achiziție și, prin urmare, este larg răspândită în sistemele de găsire a gamei. O soluție pentru a accelera scanarea celeilalte dimensiuni este un șir de emițătoare care trimit un set de linii paralele la obiectul testat. Rezoluția este limitată de numărul de emițătoare care, din motive practice, nu poate fi foarte mare. Această soluție este potrivită numai în cazul în care nu este necesară o rezoluție înaltă în direcția de scanare. Un exemplu de sistem electronic de scanare pentru găsirea distanței cu laser este prezentat în Ref. [67]. Un număr limitat de linii paralele sunt proiectate pe obiect. Secțiunea transversală a fiecărei linii are o distribuție a intensității în formă de clopot și liniile se suprapun parțial. Când două linii adiacente sunt transmise simultan, intensitatea totală a proiecției arată un vârf într-o poziție care depinde de intensitățile relative ale liniilor individuale. Prin controlul acestui raport, valoarea vârfului se deplasează pe obiectul testat, pe o distanță aproximativ egală cu separarea liniilor. Gama poate fi extinsă prin adăugarea mai multor linii. Pe baza acestui principiu a fost obținut un timp de achiziție de 6 μs cu o rezoluție spațială de 1 μm pe o arie de scanare de 22×24 mm.

Măsurarea formei obiectelor foarte mari poate fi efectuată și prin măsurători optice. Deoarece distanțele implicate în astfel de aplicații sunt mult mai mari decât în exemplele anterioare, triangulația nu este o tehnică potrivită. Măsurarea cu ajutorul ToF optic, așa cum s-a discutat în secțiunea 7.2.5, este o opțiune mai bună. Mai mult, pentru a menține dimensiuni mici ale senzorului, este recomandată o abordare cu feedback (cu urmărire). Un exemplu al acestei combinații, ToF și urmărire, este descris pe larg în Ref. [68]. Sistemul are o acuratețe de urmărire mai bună de 1 mm și o rezoluție de măsurare de același ordin, pe o distanță de lucru de 12 m și gamă de unghi de ± 45 grade.

O altă zonă de aplicare privind obținerea informațiilor despre formă este determinarea unui profilului de înălțime (sau profil de adâncime), de exemplu în urmărirea cusăturilor pentru sudarea automată. Un exemplu specific de măsurare a profilului de înălțime este dat în Ref. [69], unde sunt studiate metode de recunoaștere a componentelor electronice pe un PCB. Una dintre aceste metode se bazează pe triangulație pentru a obține informații de formă 3D despre clasele componentelor (de exemplu, circuite integrate, condensatoare, baterii și așa mai departe). De asemenea, aici obiectul (PCB cu componente) este iluminat din două părți pentru a elimina efectele umbrelor. În locul unei linii, o secvență de modele de linii este proiectată pe PCB, care este văzută de o singură cameră. Din datele de gamă obținute, forma pieselor relevante din imagine este reconstruită și parametrizată [70] pentru a se potrivi cu parametrii corespunzători ai componentelor electronice standard.

Una dintre limitările rezoluției într-un sistem structurat de lumină (cu linii sau alte modele) este cauzată de lățimea liniei luminii proiectate. Mai mulți cercetători au propus metode de reducere a rezoluției prin utilizarea unor algoritmi specifici de procesare a imaginilor. Exemplele pot fi găsite în Ref. [71], unde forma copacilor este determinată prin triangulație, iar în Ref. [72], în care îmbunătățirea obținută a rezoluției este ilustrată prin măsurarea formei unui pneu auto.

Deoarece obiectele se sprijină în mod normal pe o bază, partea inferioară nu este accesibilă sistemului de triangulație. Pentru obiectele obișnuite având fundul plat, aceasta nu este o problemă. Recuperarea formei întregi a obiectelor neregulate, cum ar fi produsele agricole, nu este posibilă în acest fel. Un sistem elegant de detectare optică care permite determinarea formei complete este prezentat în Ref. [73,74]. Sistemul de detectare constă dintr-un inel cu un număr mare de emițătoare și receptoare situate alternativ în jurul inelului și îndreptate spre interior. Zona din interiorul inelului este scanată prin activarea succesivă a emițătoarelor; lumina de la fiecare emițător este detectată simultan de toate receptoarele. Când un obiect se află în ring, unele dintre receptoare se află în "umbra" obiectului și nu vor primi lumină în timp ce celelalte primesc. Prin ciclarea de-a lungul inelului, se obține un set de cord-uri care aproximează forma obiectului (de fapt, numai secțiunea transversală cu planul inelului). Când obiectul se deplasează prin inel (doar prin cădere), se obține o imagine 3D a formei totale. Metoda este ieftină și simplă și pare a fi potrivită pentru caracterizarea formei cartofilor și a produselor similare.

În multe aplicații robotice se utilizează sisteme de lumină structurată folosind modele aleatorii, care au inițial o zonă de aplicare diferită. Microsoft a proiectat un dispozitiv de intrare folosind un scanner 3D bazat pe o lumină structurată pentru consola lor de jocuri Xbox numită "Kinect" (prezentată în fig. 7.42). Datorită versatilității, disponibilității și gamei de prețuri, acești senzori au fost aplicați în multe proiecte de robot, în special în proiecte "sociale". Senzorul Kinect proiectează o rețea de puncte în infraroșu pe o anumită scenă. Această scenă este capturată utilizând o cameră normală cu lumină vizibilă, precum și o cameră sensibilă pentru spectrul infraroșu. Ambele surse de imagine sunt combinate pentru a re-crea un model 3D al scenei capturate. Pentru detectarea mișcării și a poziției umane, o parte din re-creare în software este ajutată prin utilizarea modelelor de schelet pentru a prezice pozițiile și mișcarea umană.

Figura 7.42 Prezentarea senzorului Kinect.

7.4.6 Navigare

Una dintre primele aplicații ale senzorilor optici în Robotică o constituie probabil "ochii" robotici în creaturi în mișcare de către Sir William Gray Walter. Robotul "Elsie", prezentat în figura 7.43, utilizează o celulă fotoelectrică pentru a-și localiza stația de încărcare. Asemănările cu omologii săi moderni, cum ar fi aspiratoarele Roomba, sunt izbitoare. Aceste roboți moderni de aspiratoare folosesc în continuare senzori optici pentru detectarea obstacolelor și comanda înapoi la stația de încărcare. Principiul controlului a fost elaborat de Valentino Braitenberg în faimoasele sale "vehicule" [75], unde o legătură încrucișată între două motoare ipotetice și senzori fac ca vehiculele să urmărească o sursă de lumină, prezentat în figura 7.44.

Figura 7.43 Robotul "Elsie" de Sir William Gray Walter.

Figura 7.44 Amintirea vehiculelor lui Braitenberg

O parte din implementarea practică a ideilor lui Braitenberg poate fi recunoscută într-o aromă de robotică numită "Roboți BEAM" (BEAM = biologie, electronică, estetică și mecanică). Acest stil de construire a roboților a fost inițiat (și propagat) de Mark Tilden [76] și alții. Roboții folosesc principii similare pentru a rămâne "vii", adică pentru a localiza cel mai strălucitor spot din cameră pentru a folosi o celulă solară mică pentru reîncărcare, evitând în același timp obstacolele. Un exemplu de robot inspirat de aceste principii este prezentat în figura 7.45.

Figura 7.45 Robot "BEAM", un mic vehicul alimentat cu energie solară, care evită obstacole.

Camerele de linie și de arie sunt adesea întâlnite în robotică în scopul recunoașterii obiectelor, explorării mediului, navigării și calibrării (robotului). Dar, nu vom mai discuta aceste aplicații aici; cititorul se referă la literatura extensivă privind viziunea pe calculator. Informațiile despre culori pot fi foarte utile în mai multe aplicații, cum ar fi pentru roboți de vopsire, sortarea obiectelor (în scopul reciclării) și așa mai departe. O cameră color este un traductor potrivit, dar când nu este nevoie de informații spațiale, ci doar de culoare, se va face și un set simplu de trei diode cu filtre de culoare.

Mișcarea este o variație în poziție; deci, poate fi măsurată de orice senzor de poziție, cu condiția ca acest senzor să aibă o gamă și un timp de răspuns adecvate. Când mișcarea depășește gama unui senzor de poziție, de exemplu așa cum se poate întâmpla cu roboții și AGV-uri în mișcare, sunt necesare alte tehnici de detectare a poziției. O metodă simplă de navigare optică urmărește o cale marcată. Calea poate consta doar dintr-o linie contrastantă pe podea. Un LED sau alt emițător de lumină aruncă un fascicul de lumină în jos pe podea și două detectoare, pe fiecare parte, preiau lumina reflectată. Vehiculul este controlat în așa fel încât ambii detectori primesc aceeași intensitate a luminii, adică atunci când acestea sunt la distanțe egale față de linia de reflexie (albă). Când vehiculul începe să se abată de la pistă, fie detectorul din stânga, fie cel de dreapta primește mai multă lumină, de la care este derivat un semnal de control.

De asemenea, când se determină poziția robotului sau a vehiculului de-a lungul căii, traseul poate fi codat de-a lungul căii, de exemplu printr-un model continuu de câmpuri luminoase și întunecate sau prin coduri optice speciale [77]. Similar, mișcarea unui robot mobil liber poate fi urmărită de un model de contrast 2D pe podea, utilizând senzori care detectează tranzițiile lumină-întuneric sau chiar o cameră de luat vederi încorporată care vede podeaua [78]. O altă posibilitate de măsurare a vitezei face uz de neregularitățile "naturale" ale suprafeței podelei. La două poziții ale vehiculului (față și spate) se măsoară variațiile de intensitate aleatorie; viteza rezultă din corelarea celor două semnale aleatorii [38]. Poziția absolută este apoi obținută prin tehnici dead-reckoning, plecând de la o poziție cunoscută și eventual actualizată din când în când cu poziții de referință obținute prin markeri sau balize speciale.

Balizele pentru determinarea poziției absolute pot fi pasive, fie active. Balizele pasive sunt, de exemplu, reflectoare situate la poziții cunoscute. Emițătoarele și receptoarele sunt amplasate pe vehicul. Balizele active transmit semnale care sunt recepționate de vehicul. Considerații importante privind proiectarea sunt directivitatea (sau aria de scanare) a emițătorului/receptorului, locația balizelor și identificarea balizelor (vehiculul trebuie să poată recunoaște balizele active).

Un exemplu de robot mobil care utilizează trei balize active este descris în Ref. [79]. Sistemul de detectare a acestui robot măsoară unghiurile dintre două perechi de baliză: α între B1 și B2 și β între B2 și B3 (figura 7.46). Apoi, robotul trebuie localizat la un punct P, situat pe intersecțiile celor două cercuri c1 prin (B1, B2, P) și c2 prin (B2, B3, P). Din pozițiile de baliză cunoscute și din cele două unghiuri, se poate calcula punctul P. Sistemul de detectare pe robot constă într-o fotodiodă rotativă (patru rot./s), conectată la un encoder care furnizează informații despre unghiul axei optice în raport cu coordonatele robotului. În timpul unei rotiri complete, detectorul primește trei semnale consecutive de la balize, din care derivă unghiurile α și β. Lumina de la balize conține un cod unic pentru a le distinge, care este decodat de sistemul de detectare. Rezoluția acestei măsurări a unghiului este mai bună decât 0,005 grade pe o distanță de la 1 la 10 m între robot și baliză.

Figura 7.46 Poziționarea de înaltă precizie a unui robot mobil bazat pe trei balize.

Evident, sistemul descris mai sus necesită o viziune directă a vederii între baliză și vehicul. În multe aplicații acest lucru nu este cazul, de exemplu când AGV-urile trebuie să navigheze într-o zonă complexă cu multe obstacole mari sau pe coridoare. Plasarea balizelor în planul AGV ar putea fi complicată, costisitoare sau chiar imposibilă. O soluție ar putea fi o poziție mai înaltă a balizelor (de exemplu, pe tavanul unei săli), mărind astfel gama de lucru a balizelor. Deoarece balizele și senzorii nu mai sunt într-un plan, totuși, acest lucru complică configurația optică și algoritmul de triangulare. De Cecco [80] oferă o soluție la această problemă, pe baza unui sistem special de scanare optică capabil să măsoare precis și unghiurile, rezultând o acuratețe a poziției mai bună de 2 mm într-o gamă de 10 m.

De asemenea, navigația poate fi efectuată de o cameră simplă 2D-PSD. Atunci când este permisă o d.o.f. suplimentară, poziția 3D poate fi obținută cu două astfel de camere. De la ieșirea ambelor camere 2D-PSD pot fi calculate cele trei coordonate xp, yp și zp ale spotului luminos, așa cum este arătat în fig. 7.47.

Figura 7.47 Sistem 3D de localizare optică cu două camere foto PSD 2D.

Punctul focal al camerei din stânga coincide cu originea cadrului de referință, astfel încât spotul de lumină are coordonatele (xd1, yd1, -F1), care satisfac:

A doua cameră PSD este rotită cu unghiuri φ și θ în jurul axei-z și -y, respectiv. Coordonatele spotului luminos în raport cu o PSD rotită sunt corelate cu cele ale cadrului de referință în conformitate cu formula de transformare:

Când camera este translatată în continuare pe un vector (xT, yT, zT), coordonatele spotului luminos satisfac expresia.

care este similar cu Ec. (7.24) pentru PSD stânga. Cu Ec. (7.24) - (7.26) , poziția spotului luminos poate fi exprimată în coordonatele de ieșire ale ambelor camere PSD, lungimile lor focale și parametrii geometrici ai sistemului.

Dacă sunt necesare numai informații despre viteză, pot fi aplicate tehnici de detectare inerțială. Integrarea ieșirii unui accelerometru asigură o viteză liniară. Un giroscop oferă rata unghiulară. Majoritatea giroscoapelor optice, de exemplu cel discutat în secțiunea 7.2.5, se bazează pe interferometrie. O imagine de ansamblu a giroscoapelor optice disponibile în comerț și altele pot fi găsite în Ref. [81].

Referințe

1. D.J.W. Noorlag, Lateral-Photoeffect Position-Sensitive Detectors, PhD thesis, Delft University of Technology, Delft, The Netherlands, 1982.

2. Tartagni M, Perona P. Progress in VLSI optical position-sensitive circuits. Sens Actuators A. 1998;67:109–114.

3. Fortunato E, Martins R. New materials for large-area position-sensitive sensors. Sens Actuators A. 1998;68:244–248.

4. T. Fujita, M. Idesawa, A new type of position sensitive device and its detecting characteristics, ISMCR’99, Tokyo, Japan, June 10–11, 1999; in: Proc. IMEKO-XV World Congress, Osaka, Japan, June 13–18, 1999, vol. X, pp. 1–6.

5. Iqbal S, Gualini MMS, Asundi A. Measurement accuracy of lateral-effect position-sensitive devices in presence of stray illumination noise. Sens Actuators A. 2008;143:286–292.

6. Qian D, Wang W, Busch-Vishniac IJ, Buckman AB. A method for measurement of multiple light spot positions on one position-sensitive sensor (PSD). IEEE Trans Instrum Meas. 1993;42(1):14–18.

7. Ko WH, Chang KM, Hwang GJ. A fibre-optic reflective displacement micrometer. Sens Actuators A. 1995;49:51–55.

8. M. de Bakker, The PSD Chip: High Speed Acquisition of Range Images, PhD thesis, Delft University of Technology, The Netherlands, 2000, p. 123.

9. Hüser D, Rothe H. Robust averaging of signals for triangulation sensors. Meas Sci Technol. 1998;9:1017–1023.

10. Maschera D, Simoni A, Gootardi M, et al. An automatically compensated readout channel for rotary encoder systems. IEEE Trans Instrum Meas. 2001;50(6):1801–1807.

11. Sanchez-Brea LM, Morlanes T. Metrological errors in optical encoders. Meas Sci Technol. 2008;19:8.

12. Tan KK, Zhou HX, Lee TH. New interpolation method for quadrature encoder signals. IEEE Trans Instrum Meas. 2002;51(5):1073–1079.

13. Rozman J, Pleteršek A. Linear optical encoder system with sinusoidal signal distortion below −60 dB. IEEE Trans Instrum Meas. 2010;59(6):1544–1549.

14. Wekhande S, Agarwal V. High-resolution absolute position Vernier shaft encoder suitable for high-performance PMSM servo drives. IEEE Trans Instrum Meas. 2006;55(1):357–364.

15. Yeatman EM, Kushner PJ, Roberts DA. Use of scanned detection in optical position encoders. IEEE Trans Instrum Meas. 2004;53(1):37–44.

16. Zhou W, Cai L. An angular displacement interferometer based on total internal reflection. Meas Sci Technol. 1998;9:1647–1652.

17. Zhang JH, Menq CH. A linear angular interferometer capable of measuring large angular motion. Meas Sci Technol. 1998;9:1247–1253.

18. Hill GC, Melamud R, Declercq FE, et al. SU-8 MEMS Fabry–Perot pressure sensor. Sens Actuators A. 2007;138:52–62.

19. Nieval PM, McGruer NE, Adams GG. Design and characterization of a micromachined Fabry–Perot vibration sensor for high-temperature applications. J Micromech Microeng. 2006;16:2618–2631.

20. Yang J, Jia S, Du Y. Novel optical accelerometer based on Fresnel diffractive micro lens. Sens Actuators A. 2009;151:133–140.

21. Heidenhain GmbH, Digitale Längen und Winkelmesstechnik, 1989, ISBN 3-478-93191-6.

22. Zeng L, Seta K, Matsumoto H, Iwashaki S. Length measurement by a two-colour interferometer using two close wavelengths to reduce errors caused by air turbulence. Meas Sci Technol. 1999;10:587–591.

23. D.J. Balek, R.B. Kelley, Using gripper mounted infrared proximity sensors for robot feedback control. IEEE Int. Conf. Rob. Autom., 2 (1985) 282–287.

24. Espiau B, Catros JY. Use of optical reflectance sensors in robotics applications. IEEE Trans Syst Man Cybern. 1980;SMC-10(12):903–912.

25. P.P.L. Regtien, Accurate Optical Proximity Detector, IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, San Jose, USA, February 13–15, 1990, Proceedings, pp. 141–143.

26. Bonen A, Saad RE, Smith KC, Benhabib B. A novel electrooptical proximity sensor for robotics: calibration and active sensing. IEEE Trans Rob Autom. 1997;13(3):377–386.

27. Yüzbaşιoğlu C, Barshan B. Improved range estimation using simple infrared sensors without prior knowledge of surface characteristics. Meas Sci Technol. 2005;16.

28. Lang SR, Ryan DJ, Bobis JP. Position sensing using an optical potentiometer. IEEE Trans Instrum Meas. 1992;41(6):902–905.

29. Alayli Y, Topçu S, Wang D, Dib R, Chassagne L. Applications of a high accuracy optical fibre displacement sensor to vibrometry and profilimetry. Sens Actuators A. 2004;116:85–90.

30. Liu XP, Spooncer RC, Jones BE. An optical fibre displacement sensor with extended range using two-wavelength referencing. Sens Actuators A. 1991;25–27:197–200.

31. Oka T, Nakajima H, Tsugai M, Hollenbach U, Wallrabe U, Mohr J. Development of a micro-optical distance sensor. Sens Actuators A. 2003;102:261–267.

32. Norgia M, Donati S. A displacement-measuring instrument utilizing self-mixing interferometry. IEEE Trans Instrum Meas. 2003;52(6):1765–1770.

33. Wang SH, Tay CJ, Quan C, Shang HM, Zhou ZF. Laser integrated measurement of surface roughness and microdisplacement. Meas Sci Technol. 2000;11:454–458.

34. Garcia DF, Garcia M, Obeso F, Fernandez V. Flatness measurement system based on a nonlinear optical triangulation technique. IEEE Trans Instrum Meas. 2002;51(2):188–195.

35. Ng TW. The optical mouse as a two-dimensional displacement sensor. Sens Actuators A. 2003;107:21–25.

36. Chu CL, Lin CH, Fan KC. Two-dimensional optical accelerometer based on commercial DVD pick-up head. Meas Sci Technol. 2007;18:265–274.

37. Chu CL, Chiu CY. Development of a low-cost nanoscale touch trigger probe based on two commercial DVD pick-up heads. Meas Sci Technol. 2007;18:1831–1842.

38. Gogoasa I, Murphy M, Szajman J. An extrinsic optical fibre speed sensor based on cross correlation. Meas Sci Technol. 1996;7:1148–1152.

39. Michel KC, Fiedler OF, Richter A, Christofori K, Bergeler S. A novel spatial filtering velocimeter based on a photodetector array. IEEE Trans Instrum Meas. 1998;47(1):299–303.

40. Plantier G, Servagent N, Sourice A, Bosch T. Real-time parametric estimation of velocity using optical feedback interferometry. IEEE Trans Instrum Meas. 2001;50:915–919.

41. Raoul X, Bosch T, Plantier G, Servagent N. A double-laser diode onboard sensor for velocity measurements. IEEE Trans Instrum Meas. 2004;53(1):95–101.

42. Feng MQ, Kim D-H. Novel fibre optic accelerometer system using geometric Moiré fringe. Sens Actuators A. 2006;128:37–42.

43. Khiat A, Lamarque F, Prelle C, Bencheikh N, Dupont E. High-resolution fibre-optic sensor for angular displacement measurements. Meas Sci Technol. 2010;21:10.

44. Kato H, Kojima M, Gattoh M, Okumura Y, Morinaga S. Photoelectric inclination sensor and its application to the measurement of the shapes of 3-D objects. IEEE Trans Instrum Meas. 1991;40(6):1021–1026.

45. Godler I, Akahane A, Ohnishi K, Yamashita T. A novel rotary acceleration sensor. IEEE Control Syst. 1995;15(1):56–60.

46. Pantaleo A, Pellerano A, Pellerano S. An optical torque transducer for high-speed cutting. Meas Sci Technol. 2006;17:331–339.

47. Shimizu H, Kiyono S, Motoki T, Gao W. An electrical pen for signature verification using a two-dimensional optical angle sensor. Sens Actuators A. 2004;111:216–221.

48. Yimnirun R, Moses PJ, Meyer RJ, Newnham RE. A single-beam interferometer with sub-Ångström displacement resolution for electrostriction measurements. Meas Sci Technol. 2003;14:766–772.

49. J. Rebman, K.A. Morris, A Tactile Sensor With Electrooptical Transduction, Proc. 3rd Int. Conf. on Robot Vision and Sensory Controls, 1983, pp. 210–216.

50. Luo RC, Loh HH. Tactile array sensor for object identification using complex moments. J Rob Syst. 1988;5(1):1–12.

51. R.M. White, A.A. King, Tactile Array for Robotics Employing a Rubbery Skin and a Solid-State Optical Sensor, Proc. 3rd Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators Philadelphia, Penn., (USA), June 1985, pp. 18–21.

52. Begej S. Planar and finger-shaped optical tactile sensors for robotic applications. IEEE J Rob Autom. 1988;4(5):472–484.

53. Rothmaier M, Luong MP, Clemens F. Textile pressure sensor made of flexible plastic optical fibers. Sensors. 2008;8:4318–4329.

54. Jenstrom DT, Chen C-L. A fibre optic microbend tactile sensor array. Sens Actuators. 1989;20:239–248.

55. N. Fürstenau, Investigations in a tactile sensor based on fibre-optic interferometric strain gauges, SPIE, 1169, Fibre optic and laser sensors VII, 1989, pp. 531–538.

56. Emge SR, Chen C-L. Two-dimensional contour imaging with a fibre optic microbend tactile sensor array. Sens Actuators B. 1991;3:31–42.

57. Yuan J, Yu SL. End-effector position-orientation measurement. IEEE Trans Rob Autom. 1999;15(3):592–595.

58. Takatsuji T, Goto M, Kurosawa T, Tanimura Y, Koseki Y. The first measurement of a three-dimensional co-ordinate by use of a laser tracking interferometer system based on trilateration. Meas Sci Technol. 1998;9:38–41.

59. Pesatori A, Norgia M, Svelto C. Optical sensor for online turbine edge measurement. Meas Sci Technol. 2009;20:7.

60. G. de Anda-Rodríguez, E. Castillo-Castañeda, S. Guel-Sandoval, J. Hurtado-Ramos, M. Eugenia Navarrete-Sánchez, On-line wear detection of milling tools using a displacement fibre optic sensor, XVIII IMEKO World Congress, September 17–22, 2006, Rio de Janeiro, Brazil.

61. Oiwa T, Nishitani H. Three-dimensional touch probe using three fibre optic displacement sensors. Meas Sci Technol. 2004;15:84–90.

62. Oiwa T, Tanaka T. Miniaturized three-dimensional touch trigger probe using optical fibre bundle. Meas Sci Technol. 2005;16:1574–1581.

63. Zeng L, Matsumoto H, Kawachi K. Two-directional scanning method for reducing the shadow effects in laser triangulation. Meas Sci Technol. 1997;8:262–266.

64. Clark J, Wallace AM, Pronzato GL. Measuring range using a triangulation sensor with variable geometry. IEEE Trans Rob Autom. 1998;14(1):60–68.

65. Rioux M. Laser range finder based on synchronized scanners. Appl Opt. 1984;23(21):3837–3844.

66. Wu E, Ke Y, Du B. Noncontact laser inspection based on a PSD for the inner surface of minidiameter pipes. IEEE Trans Instrum Meas. 2009;58(7):2169–2173.

67. M. Baba, T. Konishi, A new fast rangefinder based on the continuous electric scanning mechanism, ISMCR’99, Tokyo, Japan, 10–11 June 1999, in: Proc. IMEKO-XV World Congress, Osaka, Japan, June 13–18, 1999, vol. X, pp. 7–14.

68. Mäkynen AJ, Kostamovaara JT, Myllylä RA. Tracking laser radar for 3-D shape measurements of large industrial objects based on time-of-flight laser range finding and position-sensitive techniques. IEEE Trans Instrum Meas. 1994;43(1):40–49.

69. E.R. van Dop, Multi-sensor object recognition: the case of electronics recycling, Ph.D. thesis, University of Twente, The Netherlands, 1999; ISBN 90-36512689.

70. E.R. van Dop, P.P.L. Regtien, Fitting undeformed superquadrics to range data: improving model recovery and classification, Proceedings of the 1998 IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, Santa Barbara, California, USA, June 23, 1998, pp. 396–402; ISBN 0-8186-8497-6.

71. M. Demeyere, Noncontact Dimensional Metrology by Triangulation Under Laser Plane Lighting—Development of New Ambulatory Instruments, PhD thesis, Université catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Belgium, 2006.

72. Wei Z, Zhou F, Zhang G. 3D coordinates measurement based on structured light sensor. Sens Actuators A. 2005;120:527–535.

73. Gall H. A ring sensor system using a modified polar co-ordinate system to describe the shape of irregular objects. Meas Sci Technol. 1997;8:1228–1235.

74. Gall H, Muir A, Fleming J, Pohlmann R, Göcke L, Hossack W. A ring sensor system for the determination of volume and axis measurements of irregular objects. Meas Sci Technol. 1998;9:1809–1820.

75. Braitenberg V. Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology MIT press 1986.

76. Hasslacher B, Tilden MW. Living machines. Robotics and Autonomous Systems. 1995;15(1–2):143–169.

77. Petriu EM, Basran JS. On the position measurement of automated guided vehicles using pseudorandom encoding. IEEE Trans Instrum Meas. 1989;38(3):799–803.

78. Petriu EM, McMath WS, Yeung SK, Trif N, Bieseman T. Two-dimensional position recovery for a free-ranging automated guided vehicle. IEEE Trans Instrum Meas. 1993;42(3):701–706.

79. A.J. de Graaf, On-Line Measuring Systems for a Mobile Vehicle and a Manipulator Gripper, PhD thesis, University of Twente, The Netherlands, 1994; ISBN 90-9007766-9.

80. de Cecco M. A new concept for triangulation measurement of AGV attitude and position. Meas Sci Technol. 2000;11:N105–N110.

81. H.R. Everett, Sensors for Mobile Robots, 1995, ISBN 1-56881-048-2; Chapter 13.