TRS1722, TRS1755 i TRS1766 senzori proizvođača TAOS (Texas Advanced Optoeletronic Solutions) su visoko osetljivi reflektivni senzori crvene (630 nm), zelene (567 nm) i plave (470 nm) boje, respektivno, koji konvertuju intezitet svetlosti u napon. Svaka komponenta sadrži LED izvor bele svetlosti, fotodiodu sa postavljenim optičkim filterom boje, i transimpendansni pojačavač.

TCS230 je programabilni konvertor inteziteta obojene svetlosti u frekvenciju kombinovan sa podešljivim silicijumskim diodama i konvertorom struje u frekvenciju na istoj monolitnoj CMOS integrisanoj pločici.

Integrisani senzori TRS1722, TRS1755, TRS1766

Slika 1. Izgled i raspored nožica integrisanog senzora TRS1722

Izlazni napon je direktno proporcionalan intezitetu reflektovane svetlosti na fotodiodi kojoj je dodat intezitet svetlosti koji se može smatrati kao šum.

Može se primetiti da za razliku od prethodnog senzora koji meri prisustvo određene boje u svetlosti, ovaj senzor meri prisustvo određene boje ali u svetlosti odbijenoj od predmeta posmatranja. Pritom se vrši osvetljavanje pomatrane površine.

Svi funkcionalni delovi, kao što su fotodioda, operacioni pojačavač, komponente u povratnoj sprezi i filter boje, izrađeni su u monolitnoj integrisanoj MOS tehnologiji, kao i senzor opisan u prethodnom odeljku. Izvor svetlosti čini LED dioda i takođe ulazi u sastav integrisane komponente što naravno utiče na cenu gotove komponente. Izgled i raspored nožica komponente prikazani su na slici (sl. 1.).

Senzor se mogu napajati iz jednog izvora baterije, što je prednost komponente s obzirom na područje primene.

Funkcionalna blok šema uređaja je prikazana na slici (sl. 2.).

Slika 2. Funkcionalna blok šema senzora boje TRS1722

Integrisani senzor TCS230

Osnovne osobine Integrisanog senzor TCS230 su:

• visoka rezolucija konverzije inteziteta svetlosti u frekvenciju
• programabilni izbor boje koja se detektuje i puno skaliranje izlazne frekvencije
• direktna komunikacija sa mikrokontrolerom
• napajanje iz jedne baterije (2,7 V do 5,5 V)
• mogućnost isključivanja
• nelinearna greška tipično 0,2% na 50 kHz
• stabilni 200ppm/ºC temperaturni koeficijent

TCS230 je programabilni konvertor inteziteta obojene svetlosti u frekvenciju kombinovan sa podešljivim silicijumskim diodama i konvertorom struje u frekvenciju na istoj monolitnoj CMOS integrisanoj pločici. Prednosti ovakve realizacije su već pomenute u prethodnim tekstovima koje opisuju slične senzore boje kao sto su npr. TSLB257, TSLG257, TSLR257, TRS1722, TRS1755 i TRS1766, a tu su minijaturni izgled kao posledica izrade u monolitnoj CMOS integrisanoj tehnologiji i prihvatljiva cena u odnosu na druga rešenja što je posledica izrade senzora u ogromnim serijama.

Izgled i raspored nožica integrisanog senzora TCS230 prikazan je na slici 3.

Slika 3. Izgled i raspored nožica integrisanog senzora TCS230

Izlazni signal je pravougaona povorka impulsa (faktor ispune 50 %) čija frekvencija zavisi od inteziteta svetlosti. Izlazna frekvencija se može skalirati na jednu od tri moguće vrednosti preko par kontrolnih ulaznih nožica na komponenti.

Digitalni ulazi i izlazi su direktno kompatibilni za rad sa mikrokontrolerom i drugim logičkim kolima, što je vrlo bitno, jer se obrada informacija sa senzora najčešće vrši upravo pomenutim elementima.

Konvertor svetlosti u frekvenciju očitava 8×8 matricu fotodioda. Šesnaest fotodioda ima plave filtere, 16 fotodioda ima zelene filtere, 16 fotodioda ima crvene filtere, i 16 fotodioda su bez filtera. Četiri tipa fotodioda su ugrađene radi smanjivanja efekta nejednakosti slučajnog zračenja. Šesnaest fotodioda iste boje su paralelno povezane, a koji tip dioda se koristi može se podesiti preko odgovarajućih nožica na integrisanom kolu.

Funkionalna blok šema data je na slici (sl. 4.)

Slika 4. Funkcionalna blok šema senzora boje TCS230

Retina oka apsorbuje svetlost i šalje signale i osećaje mozgu. Osećaji nas obaveštavaju o osobinama svetlosti, kao što je boja.

Vizuelna oprema koju koristimo za posmatranje svetlosti i njenih osobina je ista kod svakog, i kada radi, radi veoma dobro. Nacionalna uprava za standarde (National Bureau of Standards) izračunala je da ljudsko oko prepoznaje preko 10 miliona boja.

Veliki deo čovekovog života je vezan za boje i čovek je uvek bio fasciniran bojama. Čovek svoju stvarnost doživljava u velikoj meri na osnovu onoga što vidi. Često je određenim bojama pripisivano određeno značenje od religijskog do duhovnog karaktera. I danas su boje sastavni deo ljudskog života. Ljudsko oko je skoro savršen senzor boje. To znači da se u procesu proizvodnje koristi čovek kao osnovno merodavno sredstvo kada su u pitanju boje i njihovo raspoznavanje. U cilju usavršavanja pre svega industrijske proizvodnje i mnogih drugih procesa vezanih za boje, izmišljeni su prvi elektronski uređaji za raspoznavanje boja. Predmet ovog rada je upravo jedan takav uređaj.

Osnovno o bojama

Vidljiva svetlost je elektromagnetni talas u opsegu talasnih dužina od 400 nm – 700nm. To je samo mali deo svih postojećih talasnih dužina. Svetlost koju mi vidimo nije jedna talasna dužina već kombinacija mnogo talasnih dužina. Na sledećoj slici (sl. 1.) data je spektralna raspodela snage vidljive svetlosti tj. spektar nekoliko tipičnih izvora svetlosti.

Spektralna raspodela snage (spectral power distribution – SPD) pokazuje precizno odziv boje od izvora svetlosti u vidu razinskog dijagrama energije prisutne na svakoj talasnoj dužini unutar vidljivog spektra. SPD dijagram sunčeve svetlosti u podne, na primer, jasno pokazuje izuzetno balansiran izvor svetlosti. Sve talasne dužine vidljive svetlosti su prisutne i približno su jednake. U odnosu na veštački izvor svetlosti, sunčeva svetlost predstavlja veliku količinu energije u plavom i crvenom delu spektra. SPD dijagrami mogu biti veoma korisni za razumevanje različitih izvora svetlosti.

Slika 1. Izgled spektralne raspodele snage za nekoliko tipičnih izvora svetlosti

Slika 2. Funkcija svetlosne efikasnosti ljudskog oka

Slika 3. Odziv ljudskog oka na dnevnu svetlost

Ljudsko oko radi u osnovi kao kamera. Svaki neuron je ili štapić (rode) ili konus (cone). Samo konusni neuroni su osetljivi na boju. Čovek poseduje u oku specijalne ćelije za detoktovanje boja. Te ćelije se još nazivaju i konusi zbog njihove sličnosti sa pomenutim geometrijskim predmetom. Postoje tri vrste konusa i to konusi za tri osnovne boje: crvenu, zelenu i plavu. Svaka od ovih ćelija različito reaguje na frekvenciju spoljašnje svetlosti. Slike (sl. 2.) i (sl. 4.) pokazuju spektralnu osetljivost konusnih ćelija i svetlosnu efikasnost ljudskog oka (sl. 3.).

Slika 4. Spektralna osetljivost konusnih ćelija na odgovarajuću osnovnu boju

Signal boje dolazi do mozga kao rezultat rada konusnih ćelija za tri osnovne boje posmatranog spektra. Taj signal se može predstaviti pomoću tri vrednosti (f 1):

(f 1)

gde je E spektralna raspodela snage i S funkcija spektralne osetljivosti.

Slika 5. Spektralna raspodela snage E(λ)

Boja se može predstaviti kao suma tri boje. To znači da boje formiraju trodimenzionalni vektorski prostor. Sledeći grafici pokazuju izgled tri osnovne boje potrebne za predstavljanje svih talasnih dužina vidljivog spektra.

Slika 6. Optimalan izgled spektralne osetljivosti potrebne za sintezu svih boja vidljivog spektra

Negativne vrednosti pokazuju da se neke boje ne mogu tačno proizvesti jednostavnim dodavanjem osnovnih boja. Za laku sintezu boja potrebno je da sve vrednosti sa grafika budu pozitivne. Zato je međunarodna komisija za osvetljenje (CIE – Commission Internationale de L’Eclairage) 1931. godine definisala tri standardne osnovne boje (X,Y,Z). Osnovna boja Y je namerno izabrana da bude identična kao funkcija svetlosne efikasnosti ljudskog oka. Sledeći grafici pokazuju vrednosti X,Y, i Z potrebnih da se tačno reprodukuje bilo koja boja iz vidljivog spektra.

Slika 7. CIE funkcije spektralne osetljivosti

Osnovne boje se sada mogu predstaviti pomoću sledećih formula (f 2):

(f 2)

Sve vidljive boje su u «potkovici» oblikovanom konusu u X-Y-Z prostoru. Ako posmatramo ravan X+Y+Z=1 i njenu projekciju na X-Y ravan, dobijamo CIE dijagram boja (CIE chromaticity diagram) koji je dat na slici (sl. 8.).

Ivice predstavljaju čiste boje tj. sinusoidne talase sa odgovarajućom frekvencijom. Bela boja se nalazi na mestu tačke (sl. 8.), a emitovana bela svetlost je ista kao da je emituje crno telo na temperaturi od 6447 K.

Prilikom dodavanja, bilo koje dve boje (odnosno tačke na CIE dijagramu boja) rezultujuća boja, odnosno tačka se nalazi na liniji između tih tačaka.

Za nalaženje i predstavljanje komplementarnih boja koristi se Lab (L*a*b) model, gde je L osvetljenje (Luminance), „a“ rastojanje između zelene i crvene, a „b“ rastojanje između plave i žute boje (sl. 9.).

Slika 8. CIE dijagram boja

Slika 9. LAB model

Diplomski rad: Sanja Stupar – Senzor za detekciju boje,

Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad, 2006. godina

U kombinaciji sa jednosmenim motorom MAXON RE 35 koristi se HEDL 5540 digitalni inkrementalni enkoder kao senzor brzine obrtanja motora. Ovaj enkoder zasnovan je na optičkom principu i pogodan je za zadatke pozicioniranja. Poseduje mogućnost određivanja smera rotacije i brzine obrtanja vratila.

Enkoder šalje svetlost sa LED diode kroz fino izrezan točak kruto vezan na vratilo motora. Prijemnici (fototranzistori) pretvaraju svetlo/tamni signal u odgovarajući električni pravougaoni impuls koji se pojačava i šalje na obradu. Ovog tip enkodera se odlikuje velikim brojem impulsa na izlazu, ima mogućnost indeks kanala i moguće je linijsko upravljanje ali zauzimaju veliki prostor sa izbočinama (Detaljnije o načinu rada možete videti u tekstu Digitalni inkrementalni enkoderi).

Osobine enkodera HEDL 5540

U ovom tekstu je opisan HEDL 5540 digitalni inkrementalni enkoder. Njegova karakteristika je da daje 500 impulsa po obrtaju za jedan krug. To zapravo znači da se jedan impuls dobije na svakih 0,72° rotora, tj. ako se uzme u obzir i reduktor (korišćeni reduktor ima prenos 1:33) na izlaznom vratilu se mora napraviti ugao od 0,0218° za dobijanje jednog impulsa na izlazu enkodera. U slučaju da je reduktor sa prenos 1:14 na izlaznom vratilu se napravi ugao od 0,0514° za dobijanje jednog impulsa. Iz toga se može zaključiti da je preciznost više nego dovoljna.

Na raspolaganju su 2 kanala (A i B) i indeks kanal I, kao i svi kanali u komplementarnom obliku (A,B i I) vidi sliku 1. Vremenski dijagram izlaznih signala enkodera HEDL 5540. Kanali A i B su fazno pomereni, pa se njihovim upoređivanjem može ustanoviti smer obrtanja rotora. Početni impuls (indeks kanal I) se koristi kao referenca pri određivanju ugla rotora ali ove osobine enkodera nisu iskorišćene u testiranom modulu za pogon.

Slika 1. Vremenski dijagram izlaznih signala enkodera HEDL 5540

Na slici 2. prikazana je blok šema izlaznih signala enkodera HEDL 5540.

Slika 2. Blok šema izlaznih signala enkodera HEDL 5540

Za neke potrebe rada modula za pogon motora dovoljno je korišćen samo jednog signala enkodera. To može biti bilo koji signal A, B ili I njihove invertovane vrednosti.

Na slici 3. je prikazan jedan od primera povezivanja enkodera HEDL 5540 sa linijskim prijemnikom za čiju se svrhu preporučuju integralna kola MC 3486, SN 75175 ili AM 26 LS 32. Enkoder HEDL 5540 na svom izlazu ima linijski drajver DS26LS31. Napon napajanje ovog enkodera iznosi 5V+10% dok se izlazna struja po signalu kreće u opsegu od -20mA do 20mA. Izlazni signali su po standardu EIA rs 422. Radni temperaturni opseg je u granicama od 0°C do 70°C.

Slika 3. Primer povezivanja enkodera HEDL 5540

Na slici 4. je prikazan raspored pinova na izlaznom konektoru HEDL 5540 digitalnog inkrementalnog enkodera.

Slika 4. Raspored pinova na izlaznom konektoru HEDL 5540 enkodera

1 – Nije povezan (NC – Not Connected),

2 – Napajanje (+5V),

3 – Masa (GND),

4 – Nije povezan (NC – Not Connected),

5 – Kanal A (invertovano),

6 – Kanal A ,

7 – Kanal B (invertovano),

8 – Kanal B ,

9 – Kanal I (indeks) (invertovano) i

10 – Kanal I (indeks)

Na slici 5. može se videti izgled i dimenzije digitalnog inkrementalnog enkodera HEDL 5540.

Slika 5. Izgled i dimenzije enkodera HEDL 5540

Izvor:

Evgenije Adžić, Mirko Raković, Živorad Mihajlović

Elaborat tima BREBRE za robotsko takmicenje Eurobot 2004 god.

Vrste Digitalnih inkrementalnih enkodera

U narednom tekstu opisane su vrste i podela načina merenja brzine i položaja vratila motora. Postoji više vrsta senzora za dobijanje informacija o brzini i položaju motora. To su:

• digitalni inkrementalni enkoderi,
• DC tahometri i
• rezolveri.

U ovom tekstu je opisano korišćenje digitalnog inkrementalnog enkodera kao senzora brzine kojim se motor obrće.

Digitalni inkrementalni enkoderi se prave u nekoliko varijanti. To su enkoderi zasnovani na:

• magnetno-otpornom principu (MO enkoderi),
• na magnetnom principu sa Holovim senzorom i na
• optičkom principu.

Poslednje navedena vrsta senzora je povoljna za zadatke pozicioniranja vratila motora. Takođe je moguće određivanje smera rotacije i brzine vratila motora. Oni su ujedno i nejčešće korišćena vrsta senzora.

Enkoder zasnovan na magnetno-otpornom principu (MO enkoder)

Kod MO enkodera višepolni magnetni disk je spojen na vratilo motora. Kada motor radi, proizvodi se sinusni napon na MO senzoru. Prednosti ovog tipa enkodera su:

• mali prostor koji zauzima enkoder,
• veliki broj impulsa,
• mogu biti selektovani različiti brojevi impulsa,
• može biti selektovan indeks kanal (detekcija punog kruga motora) i
• moguće je linijsko upravljanje.

Enkoder sa Holovim senzorom

Enkoder sa Holovim senzorom (Slika 1. Prikaz enkodera zasnovanog na magnetnom principu sa Holovim senzorom) je sličan prethodno opisanom MO enkoderu. Razlika je u tome što se različiti polovi na višepolnom magnetu detektuju Holovim senzorom i šalju na elektroniku kao kanali A i B. Osobine ovog enkodera su:

• zauzimaju malo prostora,
• imaju dva kanala A i B,
• nije moguće linijsko upravljanje i
• mali broj impulsa.

Slika 1. Prikaz enkodera zasnovanog na magnetnom principu sa Holovim senzorom

Enkoderi zasnovani na optičkom principu

Enkoderi zasnovani na optici (Slika 2. Princip rada enkodera zasnovanog na optičkim signalima) šalju svetlost sa LED diode kroz fino izrezan točak kruto vezan na vratilo motora. Prijemnici (fototranzistori) pretvaraju svetlo/tamni signal u odgovarajući električni impuls koji se pojačava i šalje na obradu. Osobine ovog enkodera su:

• zauzimaju veliki prostor sa izbočinama,
• veliki broj impulsa na izlazu,
• mogućnost indeks kanala i
• moguće je linijsko upravljanje.

Slika 2. Princip rada enkodera zasnovanog na optičkim signalima

Enkoderi proizvode jednostavne pravougaone impulse koji se koriste kao informacija pri upravljanju motorima. Ti impulsi se mogu brojati radi proračuna pozicije ili određivanja brzine. Kanali A i B su fazno pomereni, pa se njihovim upoređivanjem može ustanoviti smer obrtanja rotora. Početni impuls (indeks kanal I) se koristi kao referenca pri određivanju ugla rotora. Oblik signala na izlazu iz enkodera je prikazan na slici 3.

Slika 3. Oblici signala na izlazu digitalnog inkrementalnog enkodera

Izgled digitalnog inkrementalnog enkodera HEDL 5540 je dat na slici 4.

Slika 4. Izgled enkodera HEDL 5540

Izvor:

Evgenije Adžić, Mirko Raković, Živorad Mihajlović

Elaborat tima BREBRE za robotsko takmicenje Eurobot 2004 god.

Senzori detektuju veličine koje se mere i konvertuju ih u neku prihvatljivu formu, generalno u električne signale. Senzori se još nazivaju i pretvaračima. Pretvarač je uređaj koji pretvara signal jedne fizičke veličine u odgovarajući signal druge fizičke veličine.

Konačni izbor senzora ili pretvarača zavisi od veličine koja se meri, potrebne preciznosti, osetljivosti, cene, veličine i načina upotrebe. Prilikom projektovanja sistema izbor senzora je veoma bitan. Maksimalna tačnost celog sistema zavisi od tačnosti pojedinih senzora i interno generisanog šuma od samog senzora.

Generalno se može reći da se svaki senzor sastoji iz više osnovnih elemenata ili modula:

• Modul za detektovanje: prima signal iz merene sredine (kao što su pritisak, temperatura, zračenje, magnetno polje itd.) i na osnovu njih generiše izlazni signal koji zavisi od izmerene vrednosti.
• Modul za konverziju: konvertuje signal koji dobijamo na izlazu modula za detekciju u odgovarajući signal drugog oblika. Ovaj modul se često naziva i pretvarački modul. Često se pretvaranje ulaznog signala odvija u više etapa.
• Modul za obradu: vrši uobličavanje signala. Uglavnom su signali koji se dobijaju suviše mali pa ih je potrebno uobličiti i pojačati. Ovaj modul prima mali ulazni signal i generiše mnogo veći izlazni signal.
• Modul za prenos podataka: prenosi signal od mesta na kome se vrši merenje do mesta gde će rezultati merenja biti prikazani.
• Modul za prikaz podataka: daje informaciju o merenim veličinama u formi koja će biti prepoznata od strane korisnika. Ovaj modul može biti jednostavna skazaljka koja skreće u zavisnosti od izmerene veličine ili neki komplikovaniji uređej koji će obuhvatiti odgovarajući displej ili PC računar.

Klasifikacija senzora

… može se izvršiti na osnovu izlaznog signala, napajanja, operativnog moda i veličina koje se mere.

Prema obliku signala koji daju na svom izlazu senzori se dele na:

• Analogni senzori: na svom izlazu daju kontinualni, neprekidni niz vrednosti. Izlazni signal je proporcionalan veličini koja se meri, a informacija o vrednosti veličine koja se meri je sadržana u amplitudi izlaznog signala. Izlaz ovih senzora se obično preko A/D konvertora povezuje na kompijuter ili mikrokontreler.
• Digitalni senzori: na svome izlazu daju niz diskretnih vrednosti. Svaka vrednost je nezavisna od prethodne i sledeće vrednosti. Na svom izlazu može da se pojavi jedna od unapred definisanih digitalnih vrednosti. Digitalni senzori su poznati po svojoj tačnosti i jednostavnim povezivanjem na kompijuter ili mikrokontroler bez potrebe za dodatnim konvertorima.

Prema izvoru napajanja senzori se dele na:

• Aktivni senzori: zahtevaju spoljašnje napajanje za generisanje izlaznog signala
• Pasivni senzori: kod pasivnih senzora izlazni signal se generiše zahvaljujući ulaznim parametrima, odnosno ovaj samo-generišući senzor proizvodi električni signal na račun spoljašnjeg uticaja na senzor. Primeri pasivnih senzora su piezoelktrični i radioaktivni senzori.

Na osnovu operativnog moda senzori se klasifikuju na:

• Skretni senzori: se koriste u fizičkim sklopovima gde je izlazna veličina proporcijonalna merenoj vrednosti koja se prikazuje.
• Senzori nultog tipa: kod ovog tip senzora svaka promena merene veličine se balansira protivsilom tako da se svaki debalans detektuje.

Svakako najvažnija klasifikacija senzora izvršena je na osnovu veličina koje se mere. Prema ovom kriterijumu senzori se dele na: električne, mehaničke, akustične, hemijske, magnetne, optičke, termičke itd.

Karakteristike senzora

• Osetljivost: je sposobnost mernog instrumenta da odgovori na promene veličine koja se meri. Definiše se kao odnos promene izlazne veličine (?O) i ulazne veličine (?I).
  
• Rezolucija: je definisana kao najmanja promena merene veličine koja može biti detetektovana. Takođe je poznata ko stepen finoće kojom se mogu izvršiti merenja.
• Tačnost: je mera razlike između izmerene i tačne vrednosti. Ona zavisi od samih mogućnosti i ograničenja instrumenta kojim se vrši merenje.
• Preciznost: je sposobnost instrumenta da daje određeni broj očitavanja unutar date tačnosti. Preciznost merenja zavisi od pouzdanosti instrumenta.
• Prazan hod: je definisan kao maksimalno odstojanje ili ugao za koji bilo koji deo mehaničkog sistema može biti pomeren a da se pri tome pričvršćeni deo ne pomeri. Ovo je neželjena pojava i veoma je vazno otkloniti je ili smanjti u projektovanju uređaja sa zupčanicima.
• Ponovljivost: je sposobnost instrumenta da daje iste izlazne vrednosti kada na ulazu pri istim uslovima imamo istu ulaznu vrednost.
• Linearnost: teži se da izlazni signal bude linearna funkcija ulaznog sistema.Linearnost se jako teško postiže i odstupanje od idealnog slučaja se naziva linearna tolerancija. Nelinearnost nastaje zbog upotrebe nelinearnih elemenata, histerezisa, curenja i pojačavača.

Moderni sistemi se jako puno oslanjaju na upotrebu senzora. Kontrola industrijskih procesa i automatizovanih sistema bila bi veoma teška bez preciznih senzora. Konačni izbor senzora zavisi od željene tačnosti, tako da u slučajevima gde nije potreban visok nivo tačnosti nije ekonomično koristiti skupe i precizne senzore. Svaki sistem koji se zasniva na mernom sistemu mora uključiti i određenu dozu nesigurnosti. Nesigurnost može biti izazvana netačnošću senzora , slučajnim promenama merenih veličina i stanjem okoline u kojoj se vrši merenje. Tačnost celog sistema zavisi od tačnosti pojedinačnih komponenti koje se koriste. Tako da kod sistema koji se sastoje od velikog broja podsistema i komponenti greška i netačnost pojedinačnih komponenti mogu imati veliki akumulativni efekat. Iz tog razloga je pravilan izbor senzora veoma bitan.