FACU LTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ ȘI TEH NOLO GIA INFORMA ȚIEI DOMENIUL / PROGRAMUL DE STUDIU: INGINERIA SISTEMELOR/ AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ… [607482]

UNIVERSITATEA DIN ORADEA
FACU LTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ ȘI
TEH NOLO GIA INFORMA ȚIEI
DOMENIUL / PROGRAMUL DE STUDIU: INGINERIA SISTEMELOR/
AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ
FORMA DE ÎNVĂ ȚĂMÂNT: ZI

SIMULAREA UNUI SISTEM DE PROTECȚIE
DESTINAT SIGURANȚEI OAMENILOR
INTR -O CELULĂ ROBOTIZATĂ

COORDONA TOR ȘTIINȚIFIC
PROF. UNIV. DR. ING. SILAGHI H ELGA

ABSOL VENT

BALINT ADRIAN IONUT

ORAD EA
2017

3 CUPRINS

Introducere 4
Capitolul 1. Senzori care detectează prezența unui obiect în raza lor de acțiune 6
1.1. Senzorii capacitivi 8
1.2. Dimensiunea țintei și efectele acesteia 9
Capitolul 2. Măsurarea sarcinii statice și dina mice în segmente rotative folosind 11
senzorii capacitivi integrați
2.1. Supravegherea mașinilor rotative 11
2.2. Sonda capacitivă 12
Capitolul 3. Condiționarea semnalelor și modelul electric al sondei capacitive 16
3.1. Condițion area semnalelor 16
3.2. Modelul electric al sondei capacitive 16
3.3. Modelul de amplasare al senzorilor capacitivi 19
Capitolul 4. Sistemul de protecție capacitiv impl ementat pentru siguranța 23
oamenilor
4.1. Cuplajul capacitiv 23
4.2. Analiza cuplajului capacitiv 25
4.3. Măsurarea coeficientului de cuplaj C11 27
4.4. Măsurarea coeficientului de inductanță C12=C21 28
Capitolul 5. Utilizarea sistemului de protecție capacitiv 29
5.1. Mediul de lucru al robotu lui 29
5.2. Utilizarea efectului capacitiv 30
5.3. Elimin area cuplajului capacitiv parazit 30
Capitolul 6. Simularea sistemului de protecție capacitiv pentru roboți 33
6.1. Cazul utilizării unui singur senzor activ 33
6.2. Validarea experimentală pentru un senzor activ 34
6.3. Generalizarea pentru cazul utilizării a n senzori 34
6.4. Validarea experimentală pentru 3 senzori pasivi 35
6.5. Detectarea unei intruziuni 36
6.6. Măsurarea distanțelor și diferențierea dintre ținte 38
6.7. Considerații practice 42
6.8. Formele de undă ale circuitelor electronice de condiționare a semnalelor 45
preluate de la senzori obținute prin simulare în MULTISIM
Concluzii 54
Bibliog rafie 56
Anexe 58

4
INTRODUC ERE

Scopul acestei lucrări de licență este de a iniția punerea în aplicare a unui sistem de
detectare pe baza efectului capacitiv și pe tehnici de separare a surselor. Spre deosebire de
efectul inductiv care este în principal sensibil la metale, senzorul capacitiv este sensibil la o
mai mare varietate de obiecte. În ciuda atât de multor avantaje, cum ar fi costul, stabilitatea,
rezoluția, viteza, puterea de utilizare, efectul senzorilor pe bază capacitivă este redus, în mod
surprinzător, unii specialiști considerându-i prea sensibili la umiditate.
Siguranța oamenilor în industrie reprezintă o prioritate, de aceea, există o evoluție
continuă de noi sisteme de protecție. În această lucrare sunt prezentate sistemele de securitate
implementate pe mașini cu o geometrie variabilă.
În ultimii ani, roboții au fost utilizați din ce în ce mai mult în halele de producție.
Pentru a preveni noi riscuri de accidente, noi echipamente de securitate și tehnologii au fost
dezvoltate. Cu toate acestea, siguranța nu este complet asigurată în timpul intervențiilor de
protecție, iar în acest caz, unele protecții trebuie să fie neutralizate.
În acest scop, un nou dispozitiv de siguranță a fost dezvoltat, dispozitiv care se
bazează pe proprietățile de câmp electric și capacitate variabilă. Scopul său principal este de a
detecta și de a localiza un operator sau un obiect într-o zonă protejată. Acesta, poate fi pus în
aplicare cu ajutorul unui sistem mecanic articulat (robot, presă) care estimează distanța dintre
senzorii fixați pe un astfel de sistem și o țintă mobilă.
Senzorii sunt realizați din vopsea cu proprietăți condu ctive, astfel încât ei sunt de
dimensiuni și greutate redusă. Rezultatele arată că acest senzor are un mare potențial de a
detecta și estima obiectivele la distanță.
Inițial, un astfel de principiu de detecție a fost pus în aplicare pe utilaje periculoase
pentru care geometria este bine definită și modul de operare este vital față de un prag de
siguranță corespunzator. În robotică, geometria este variabilă, iar atunci și variația capacitivă
a sistemului trebuie să fie luată în considerare.
Pentru a identifica o țintă: ființă umană sau obiect; și pentru a o localiza în jurul unui
robot, geometria sa și fenomenele fizice legate de ținta-senzor de cuplaj sunt esențiale,
precum și punerea în aplicare a senzorilor.

Separarea prin estimare a efectului surselor a atras recent interes semnificativ în

5 domeniul de prelucrare a semnalului. Separarea prin estimare a efectului surselor își găsește
locul într-un număr mare de aplicații din diferite domenii (digital, comuni cații, etc). Principiul
de separare prin estimare a surselor este de a stabili parametrii surselor emise exclusiv pe baza
observațiilor senzorilor și fără a cunoaște date cu privire la procesul de amestecare, dacă am
lua în considerare sursele ca fiind statistic independente. În acest sens mulți algoritmi au fost
dezvoltati în ult imul deceniu. Unii au legatură cu corelarea semnalelor (APC), iar alții
încearcă să restabilească independența semnalelor de o rdin superior (ICA). Se distinge
identificarea matricei de amestec și extracția sursei, în funcție de aplicație. Acest proiect de
identificare a matricei de amestec este de mare interes, pentru că ar ajuta la estimarea
influenței coeficientului capacitiv de sistem. Scopul meu, în afara de instalarea unui sistem
experimental, este de a arăta că această problemă se poate referi la un caz de separare în orb a
surselor.

Lucrarea de licență este împărțită în șase capitole, parte de concluzii și
bibliografie. Capitolul 1 prezintă tipurile de senzori care permit detectarea prezenței
unui obiect în raza lor de acțiune. Capitolul 2 conține o prezentare a senzorilor
capacitivi integrați care permit măsurarea sarcinii statice și dinamice în segmente
rotative. Capitolul 3 tratează modelul electric al sondei capacitive și condiționările
semnalelor generate de către aceas ta, De asemenea este prezentat modul de amplasare al
sondei capacitive. Capitolul 4 prezintă un sistem capacitiv de protecție dedicat
siguranței oamenilor. Se prezintă principiul cuplajului capacitiv și o analiză a acestui
cuplaj. În capitolul 5 se prezintă modul de utilizare al sistemului capacitiv de protecție.
Este prezentat mediul de lucru al robotului, modul de folosire al efectului capacitiv și
eliminarea cuplajului capacitiv parazit. Capitolul 6 este reprezentat de simularea efectivă
a sistemului de protecție capacitiv.

6
Capitolul 1. Senzori care detectează

prezența unui obiect în raza lor de acțiune

Senzorul este un sistem destinat determinării un ei sau mai multor proprietăți,
cuprinzând atât traductorul, care transformă mărimea de in trare în semnal electric util, cât și
circuite pentru adaptarea și conversia semnalelor și eventual, pentru prelucrarea și evaluarea
informațiilor. Există foarte multe clasificări ale senzorilor: cu sau fără contact, absoluți sau
incrementali (în funcție de mărimea de intrare), analogici sau digitali (în funcție de mărimea
de ieșire) etc.
Senzorii și traductoarele sunt elemente tipice ale sistemelor de automatizare. De
asemenea, sunt utilizați și în cazul cercetării, analizelor de laborator – senzorii și traductoarele
fiind incluse în lanțuri de măsurare complexe, care sunt condu se automat.
Alegerea senzorilor și traductoarelor se face ținând cont de proprietatea de
moni torizat, de do meniul în care variază aceasta, de dimensiunile ce trebuie respectate sau de
geometria sistemului, de condiț iile speciale de mediu sau de lucru, de tipul mărimii de ieșire și
nu în ultimul rând de costul acestora.
Există mai multe tipuri de senzori care sunt utilizați pentru măsurarea și/sau detectarea
unei mari varietăți de condiții, incluzând: temperatură, presiune, nivel, umid itate, viteză,
mișcare, distanță, lumină sau prezența/absența unui obiect etc. Există mai multe variante din
fiecare tip, care poate utiliza un alt principiu de funcționare, sau poate fi proiectat să
funcționeze în diferite intervale ale mărimii detectate.
Senzorii, în unele cazuri, interacționează cu mediul în care aceștia au fost puși și
această interacțiune este folosită pentru a măsura proprietățile detectate. De exemplu, un
detector de temperatură comun este cunoscut ca un DTR (detector de temperatură rezistiv) ce
conține un fir de platină. Rezistența electrică a firului de platină se schimbă odata cu
temperatura, iar modul în care rezistența se schimbă poate fi utilizat la măsurarea
temperaturii. Mulți senzori utilizează principiul de funcționare care se bazează pe modificarea
proprietăților electrice a unui element senzor, această modificare fiind funcție de mărimea
detectată.
Alte tipuri de senzori emit un semnal care măsoara modul în care reacționează zona de
emisie. Senzorii inductivi de proxim itate sunt cei mai folosiți la mom entul actual. Aceștia

7 emit un mic câmp electromagnetic, folosit pentru a detecta proprietățile din zonă. Senzorii
magnetici, capacitivi și alții utilizează acest tip de principiu. Unii senzori numi ți fotoelectrici,
trimit un semnal de lumină și măsoară semnalul reflectat. Există o multitudine de senzori
fotoelectrici: senzori care detectează direct un semnal (Mod de Detectare Direct), senzori
care verifică dacă un fascicul este reflectat de la un reflector (retroflective Mod) senzori care
trimit un fascicul la un alt senzor receptor și detectează dacă fasciculul este întrerupt. Altele,
cum ar fi radarul și senzorii cu ultrasunete detectează de asemenea semnalul reflectat de la
obiect. Toata lumea este familiarizată cu radarul folosit de poliție care detectează viteza unui
vehicul și cu ecograful care foloseste semnale ultrasonice reflectate.

Senzorii de proximitate

În sens larg proximitatea se referă la gradul de apropiere dintre două obiecte, dintre
care unul reprezintă sistemul de referință. Senzorii de proximitate sunt senzori de investigare,
a caror particularități constau în distanțele mici de acțiune (zecimi de mm și mm) și în faptul
că în multe cazuri sunt utilizați la sesizarea prezenței în zona de acțiune.
Senzorii capacitivi se bazează pe variația capacității electrice într-un circuit și au
avantajul că pot detecta și obiecte nemetalice. Sunt însă sensibili la factori perturbatori, cum
ar fi murdărirea feței active.
Senzorii capacitivi funcționează pe baza măsurării valorilor capacității electrice de
lucru. Capacitatea descrie modul în care două obiecte condu ctoare aflate la o anumită distanță
unul față de celalalt, răspund la diferența de tensiune aplicată. Când o tensiune se aplică pe
condu ctori, se creează un câmp electric între ei, ceea ce determină apariția unor sarcini
pozitive și negative pe fiecare obiect (Fig. 1.1).

Fig. 1.1. Aplicarea unei tensiuni pe obiectele conductoare provoacă apariția unor
sarcini pozitive și negative pe fiecare obiect.

8 1.1. Senzorii capacitivi

Senzorii capacitivi folosesc o tensiune alternativă care determină schimb area contin uă
a pozițiilor sarcinilor. Mișcarea sarcinilor crează un curent electric alternativ care este detectat
de senzor (Fig. 1.2). Mărimea fluxului de curent e determinată de capacitate, iar capacitatea e
determinată de suprafața și apropierea de obiectele conductoare. Obiectele mai mari și mai
apropiate determină un curent mai mare decât obiectele mai mici și mai îndepărtate.
Capacitatea este de asemenea influențată și de tipul materialului noncondu ctor aflat între
obiecte.

Fig. 1.2. Aplicarea unei tensiuni alternative determină sarcinile să se miște între obiecte,
creând un curent alternativ care este detectat de senzor.

Capacitatea este direct proporțională cu aria suprafeței obiectelor și constanta
dielectrică a materialului dintre ele; și invers proporțională cu distanța dintre obiecte. În
aplicațiile senzorului capacitiv, sonda sau senzorul este unul din obiectele condu ctoare; ținta
este un alt obiect. Dimensiunile senzorului și ale țintei se presupun a fi constante, așa cum
este și materialul dintre ele. Astfel, orice schimbare a distanței între mostră și țintă condu ce la
la o schimbare capacității. Circuitele electronice sunt calibrate să genereze schimbări de
tensiune specifice pentru schimb ări de capacitate corespunzatoare. Aceste tensiuni sunt
scalate pentru a reprezenta schimbări în distanță specifice.
Schimb area de tensiune pentru o schimbare de distanță dată, se numește senzitivitate.
O senzitivitate cunoscută este 1.0V/100µ m. Aceasta înseamnă că, pentru fiecare schimbare în
distanța de 100µ m, tensiunea variază cu exact 1.0V. Cu această calibrare, o variație de +2V a
tensiunii înseamnă că ținta s-a mișcat cu 200µ m mai aproape de mostră.
Când o tensiune este aplicată unui condu ctor, câmpul electric rezidă din toate
suprafețele. Într-un senzor de capacitate, tensiunea este aplicată suprafeței senzitive ale
mostrei (Fig. 1.3). Pentru măsurători cât mai exacte, câmpul electric al suprafeței senzitive

9

trebuie să se afle între mostră și țintă. Dacă câmpului electric îi este permis să cuprindă și alte
obiecte sau suprafețe, atunci o schimb are în poziție a acestor obiecte va fi măsurată ca o
schimbare în poziția țintei.

Fig. 1.3. Compo nentele senzorului capacitiv.

O tehnica numita "gardă" este folosită pentru a preveni aceasta. Pentru a crea o gardă,
spatele și părțile laterale ale suprafeței senzitive sunt înconjurate cu alt condu ctor care este
ținut la aceeași tensiune ca și suprafața senzitivă. Când tensiunea este aplicată suprafeței
senzitive, un circuit separat aplică exact aceeași tensiune gardei. Datorită faptului că nu este o
diferență de tensiune, nu se creează un câmp electric între ele. Orice alt condu ctor aflat în
părțile laterale sau pe spatele mostrei, formează un câmp electric cu gardă și nu cu suprafață
senzitivă. Doar părții din față a suprafeței senzitive îi este permisă să formeze un câmp
electric cu ținta.

1.2. Dimensiunea țintei și efectele acesteia

Dimensiunea țintei este o dim ensiune primară dacă se ia în considerare selectarea unei
sonde pentru o aplicație specifică. Diametrul minim al țintei pentru calibrare este 30% din
diametrul zonei active a senzorului. În general, numărul maxim de decalaj de la care o sondă
este utilă este de aproxim ativ 40% din diametrul senzorului. Intervalul în care o sondă este
utilă este în funcție de mărimea zonei senzorului. Driverele electronice sunt proiectate pentru
o anumită sumă de capacități la sondă. De aceea, o sondă mică trebuie să fie considerabil mai
aproape de țintă, pentru a obține suma de capacități dorită. În electronică acestea sunt
reglabile în timpul de calibrare, dar există o limită largă de ajustare.
Frecvent, o țintă este măsurată simultan de mai multe mostre. Din cauza faptului că
sistemul măsoară un câmp electric variabil, tensiunea de excitație a fiecărei mostre trebuie
sincronizată pentru ca mostrele să nu interfereze una cu cealaltă. Dacă nu ar fi sincronizate, o

10
10 mostră ar crește câmpul electric, iar alta l-ar descrește influențând rezultatul.

Câmpul electric senzitiv caută o suprafață conductoare. Dacă ținta este condu ctoare,
senzorii de capacitate nu sunt influențați de materialul țintei. Datorită faptului că acest câmp
electric senzitiv se oprește la suprafața condu ctorului, grosimea țintei nu influențează
măsuratoarea.

11
11
Cap. 2. Măsurarea sarcinii statice și dinamice în segmente rotative folosind
senzorii capacitivi integrați

Pentru a măsura sarcina statică și dinamică generată de mașină în mișcarea rotativă se
integrează un senzor capacitiv în segmente rotative. Senzorul este format din două sonde
capacitive care redau deformările segmentelor rotative și le transformă în semnal electric.
Datorită faptului că sunt foarte apropiate de piesele rotative calitatea semnalului este foarte
bună. Forma senzorului și nevoia sa foarte mică de spațiu permit implementarea lui în timpul
creării mașinii. Există o paletă largă de aplicații ale acestor senzori:
a) mont ați pe roțile vehiculelor motorizate, aceștia permit îmbunătățirea calității
informației transmise la dispozitivele de siguranță;
b) mont ați pe componente ale liftului, aceștia măsoară încărcătura;

c) acestia permit supravegherea defectelor tehnice prin analiza de vibratii.

2.1. Supravegherea mașinilor rotative

Pentru a evita neprevăzutul și întreruperi de producție costisitoare, companiile mențin
și supraveghează starea masinilor productive permanent. Compon entele rotative sunt unse cu
ulei standard sau special și cu grăsime în funcție de tipul compon entei (oțel, ceramică etc), de
mediu (umiditate, coroziv etc) și de aplicație (viteză, temperatură etc). Totuși, supravegherea
stării generale a mașinilor este foarte importantă. În acest sens, analiza vibrațiilor este cea mai
popul ară și eficientă metodă de detectare a viitoarelor deteriorări. Aceasta este bazată pe
analiza semnalelor percepute de un senzor electromecanic fixat pe cadrul unei mașinării. În
general, acești senzori, pot măsura mărimi fizice ca distanțarea Xi, viteza Vi și accelerația gi.
În timpul mișcărilor de rotație, lagărele sunt extrem de solicitate. De fiecare dată când

un rulment lovește, acel șoc periodic generează o mică semnătură care este inclusă în
semnalul de vibrație general. Mărimea șocului depinde de mărimea defectului. Defectele
pinio anelor, afectează compon entele semnalului (de timp sau frecvență), iar detectarea lor este
destul de grea. Se formează o mixtură de semnale (câte un semnal de la fiecare parte vibrantă
a mașinăriei) și se pierde o parte din informație în funcție de distanța dintre defect și senzor.
Pentru a îmbunătăți calitatea semnalului primit, locația senzorului trebuie optimizată

în sensul alegerii acesteia cât mai aproape posibil de compo nentele mobile. Ideea principală

12
12 este poziționarea acestora în interiorul componentelor rotative, astfel, fiind localizate între
compon entele fixe și mobile ale mașinăriei. Fiecare senzor este constituit dintr-un cuplaj de
două sonde capacitive cu distanță variabilă. În fiecare moment, distanța dintre sonde depinde
de vibrația percepută permițând măsurarea distanțării Xi.
Cu ajutorul acestui dispozitiv se mai pot măsura:

a) distorsionările provocate de roțile vehiculelor mo torizate; din măsurarea directă,
solicitarea este realizată în contacte pneumatice și se poate interveni în timp real la
dispozitivele de siguranță integrate;
b) solicitarea statică a lagărelor mașinilor industriale (podu ri mobile etc).

2.2. Sonda capacitivă

A. Presiunea Hertz și principiul operațion al al senzorului

1) Presiunea Hertz:

Contactul dintre compo nenta rotativă și inelul tamburului este modelată ca o linie de
contact. Presiunea distribuită poate fi:
a) uniformă de-a lungul acestei linii, are forma unei jumătăți de elipsă;

b) punctuală pe direcția lățimii (Fig.2.1). În practică, cilindrul rotativ compensează

încărcătura, iar astfel, linia de contact a tamburului este mai mică decât lungimea acestuia.

Presiunea Hertz corespunde unei maxime valori P0 permisă pe axa mare a semi-
elipsei. La valori mai mari, materialul poate fi distrus. Presiunea de lucru nu trebuie să
depățească presiunea suportată de material. Pentru lagărele tamburului, producătorii folosesc
valoarea P0 ppermis, cu ppermis=4 GPa.
Când încărcătura este distribuită uniform pe jumătatea tamburului, deformările și

solicitările suferite de corpurile solide în contact, sunt exprimate analitic, în funcție de
presiunea contactului și suprafața de contact. Considerăm un sistem de coordonate cartezian.
Fig. 2.2 ne arată variația deformărilor (z) pe aria de contact. Solicitarea normală ζzz scade
rapid cu z, în timp ce solicitările laterale ζxx și ζyy pe direcțiile x și y cresc la inceput, apoi
descresc de-a lungul lui z. Acest comportament diferit, dă naștere unei solicitări tangențiale τij
care împiedică distrugerea segmentului. Cea mai solicitată suprafață se află între 0,48b și
0,78b unde b este jumătatea lățimii contactului (Fig. 2.2).

13
13

Fig. 2.1. Linia de contact între compon enta rotativă și inelul tamburului.

Fig. 2.2. Variația deformărilor (z) pe aria de contact

.

Astfel b este 0,35 mm pentru un inel de tambur cu diametrul de 60 mm și o presiune
de lucru de maxim 4 GPa. Suprafața sensibilă a substratului se află la 0,27 de mm de contact.
Implementarea senzorului trebuie să evite această suprafață.

2) Principiul operațional al senzorului

În interiorul inelului, deformări similare sunt relaționate cu solicitarea printr-o matrice
a rigidității. Acestea, scad odată cu adâncimea z conform legii lui Hooke în elasticitatea
liniară:

1
z E z x y

(2.1)

unde: εz este alungirea unitară a lui z;

ν: coeficientul Poisson al materialului;

E: Modulul Young al elasticității longitudinale;

14
14 ζi: compo nenta solicitării pe direcția i.

Panta deformării în grosimea unui inel este perpendiculară pe suprafața de contact a
solidelor (Fig. 2.3). Inelul a fost angrenat cu n elemente finite în funcție de grosimea sa.
Considerăm două puncte X1 apropiate de suprafața de contact a inelului și Xn în grosimea
inelului (Figura 3). Deplasarea diferențială ∆D a acestora este calculată astfel:

D

(2.2)
n
 X i
i 1

Fig. 2.3. Panta deformării în interiorul inelului rotativ

B. Caracteristicile sondei capacitive

În dispunerea propusă desenată în figura 4, sondele capacitive sunt plasate în interiorul
inelului. Abilitatea lagărului nu este afectată și concentrarea solicitării crește cu 20%.
Inelul a fost găurit, gaura având un diametru de 0.5 mm. Gaura de jos este situată la

1,2 b de suprafața de contact cu tamburul. Astfel, această distanță evită locul de început al
crăpăturilor. Un făgaș a fost făcut pe inel.

Fig. 2. 4. Schema sondei capacitive

15
15 Deformarea făgașului nu este plată și pentru a gestiona un condensator plat, fiecare
placă este constituită dintr-o dungă acoperită cu un condu ctor argintat (Fig. 2.5). Aceste dungi
sunt fixate rigid de pereții făgașului.
Sonda este fixată rigid de un levier de oțel. O extremitate a levierului de oțel este
menținută permanent în contact cu partea de jos a făgașului printr-un elastomer plasat la
cealaltă extremitate (Fig. 2.4, Fig. 2.5). Două absorbante de șoc sunt fixate pe pereți pentru a
menține banda mecanică a sondei la frecvențe care merg. Placa mobilă 1 se mișcă pe direcția
sa normală, iar celelalte două plăci sunt fixate rigid. Astfel trei plăci identice se află pe inel
(Fig. 2.6). Acestea joacă rolul sondei capacitive și pot detecta locul de solicitare maximă.

Fig. 2.5. Deformarea la baza făgașului.

Fig. 2.6. Locuri de implantare a sondei pe inel rotativ.

16
16 D
Cap.3. Condiționarea semnalelor și modelul electric al sondei capacitive

3.1. Condiționarea semnalelor

Condiț ionarea semnalelor are ca obiectiv m ăsurarea variațiilor de capacitate foarte
mici reflectând distanțări (δi+λi) și ∆di. Senzorul capacitiv este format din două
condensatoare Cs1 și Cs2 folosite în modul de operare impinge-trage. Câteva scheme electrice
sunt posibile pentru a măsura ∆C=C s1-Cs2.
O soluție particulară o reprezintă folosirea a două amplificatoare de sarcini.

Amplificatoarele liniare integrate trebuie să aibă impedanțe foarte mari, curenți foarte mici și
o imunitate foarte mare la zgomot. Câteva componente pot îndeplini aceste condiți i, cum ar fi:
OPA 128, 129 IPOs, AD645L, LMC6001 etc.

3.2. Modelul electric al sondei capacitive

Dispozitivul devine un condensator cu dublu sens când o placă interioară este mobilă
și mișcarea sa reflectă solicitarea, în timp ce două plăci exterioare sunt fixate ca în Figura 3.1.
Variațiile lor capacitive de timp reflectă deplasarea sondei (ecuatiile 6 și 7) în care timpul este

omis din motive de simplitate, unde d
n
 d j
j 1

este suma distorsiunilor elementare produse

de solicitări de genul dezechilibrului sau șocului. Dielectricul este aerul, iar pierderile sunt
neglijabile și impedanțele sunt reduse la cele ale condensatoarelor.

Fig. 3.1. Model de sondă: a)amplasat pe lagărul inelului;

b) amplasat și strâns de lagărul inelului.

e 0 S
C 0
0
(3.1)

17
17 C 1
Cs1 e0S
D0 d e0S 1
D0 1 d
C0 1
1 d
(3.2)

Cs 2

e 0S
D 0 m d

e 0S
D 0 D0

1
1 m d D0

C0 1
1 m d

(3.3)
D 0 D 0

Inelul rotativ este amplasat pe direcția radială a încărcăturii și inelul fix este alunecos.
Ajustarea inelului rotativ este de tipul H7k6. Astfel, distorsiunea din grosimea inelului este de
10-3 mm. Această constrângere voită, este transmisă parțial inelului fix prin compo nentele

rotative și astfel, determină o distorsiune de câtiva microni. Senzorii capacitivi sunt integrați
în inelul fix și punctul lor de operare este modificat. Noile ecuații ale modelului lor electric
sunt:

Cs1
e 0S
D1 d
e 0S 1
D 0 1 d
D 0
C1 1
1 d
D 0

, (3.4)

unde C1 0S . D 0

Cs 2 e0S
D 2 m d e0S
D 0 1
1 m d
D 0 C 2 1
1 m d
D 0
, (3.5)

unde C 2 0S . D 0

Scăzând (3.5) din (3.4), obținem:

C e 0S 1
D 0 1 d
D 0
e 0S
D 0
1
1 m d
D 0

(3.6)


 1 1 C C0 
1 1 d
 D 0 D 0 
1 1 

1 1 d 
D 0 D 0 

(3.7)

Dezvoltând ecuația (3.7), ∆C devine:

 C 0 
  d
 1 D 0   D 0  
 1
   d 
 1 D 0   D 0 
(3.8)

18
18 2
D D d
C
0

0 0 
D 
C C 
 0 2D 0 
2 2 
0 
(3.9)

 2 C 0  D 2 d 
D 
(3.10)
 0 0 

Rescriind ecuația (3.10) cu variația de timp pentru al i-lea sensor, avem:

Ci (t) 2C  
D  i n 
 d ij (t) 
(3.11)
0  j 1 

Variația ∆Ci(t) translatează atât solicitările statice (datorate asamblării lagărului), cât și

n
solicitările dinamice. Acestea determină distanțările δi și 
j 1

d ij (t)

în ecuația (3.11).
Considerând trei senzori aranjați ca o stea formată din trei ramuri (cu un unghi de 120 de
grade între ramuri) (Fig.3.2), ecuația vectorială este:

3 2C  3 3 n 
   Ci (t)
i 1   i 0  i 1  
i 1 j 1 d ij (t) (3.12)

Când avem o solicitare statică suplim entară λi exercitată pe lagăr, pentru al i-lea
sensor, ∆Ci(t) devine:
2C0
Ci (t) D 0 i i  d ij (t) (3.13)

19
19 0
0
D
D D
D
D Fig. 3.2. Compo rtamentul dinamic al mai multor sonde.

Ecuația vectorială devine:

3 2C  3 3 3 n 
   Ci (t)
i 1   i  i 0  i 1 i 1  
i 1 j 1 d ij (t) (3.14)

Suma algebrică a distanțărilor componentelor vectoriale este nulă din cauza strângerii

3
inelului rotativ, 
i 1

i 0 deoarece solicitarea strângerii este distribuită uniform pe inel.

Astfel, ecuația (3.14) devine:

3 2C  3 3 n 
 
(3.15)
 Ci (t)
i 1   i 0  i 1  
i 1 j 1 d ij (t) 

n
 i este suma algebrică a distanțărilor datorate solicitărilor radiale statice exercitate pe
i 1

lagăr.

n
 d ij (t)
j 1

este suma algebrică a distanțărilor datorate solicitărilor radiale dinamice exercitate

pe lagăr.
Acești doi termeni caracterizează ambele aspecte (dinamic și static) ale modului de
operare a sondei capacitive:

n
a) măsurând 

i se pot efectua operații ca: măsurarea încărcăturii, cântarire, etc;
i 1

n
b) măsurând variațiile încărcăturii în jurul unui punct de lucru 
j 1

d ij (t)

se pot efectua

operații ca: măsurarea vibrațiilor în jurul unui punct de lucru, dezechilibru etc.

3.3. Modul de amplasare al senzorilor capacitivi

Considerăm 3 senzori poziționați în punctele M0, M1 și M2. Deoarece variațiile de
capacitate pe mișcarea relativă a plăcilor este posibilă, calcularea sensibilității mecanice se
face astfel:

SC0

SC1
0S
2
0

0S 0S
2 2
1 0

(3.16)
(3.17)

20
20

M2
D2 M
0
t
M1
D1

D0
D
D 
D D D
D
S
S
C
D
D S
SC2 0S 0S
2 2
2 0
(3.18)

unde : S este suprafața activă a sonde i.

C(d) C(t)

d

d(t)

Fig. 3.3. Modul de amplasare al senzorilor capacitivi

Fiecare punc t mecanic de lucru Mi are valoarea sa capacitivă:

C 0 SC0 D 0 S
(3.19)

CS1 0

SC1 D1 0 D 0

(3.20)

CS2
SC2 D 2 0 D 0

(3.21)

Pentru variații mici în jurul punctelor de lucru, valorile capacității sunt:

S
0 D 0 d

0S
(3.22)
CS1
0 d

CS2 0
0 d (3.23)

(3.24)

iar diferența lor este:

C probe

CS1

CS2
0S 2
2
0 1 

d
2
d 
D 0 

(3.25)

Ecuația (3.25) devine:

Cprobe
2 0S
2
0
  d 1 
 
2
d D0 
2 0S
2
0

d 1 2  , (3.26)


21
21 
unde : 2 
d 
 , ε este eroarea liniară. D 0 

Dacă considerăm suprafața unde ε este neglijabil, atunci:

C probe (t)
C probe (t)
C probe 2 SC0

2 SC0

C static d(t)

2 SC0

C dinamic

d(t) (3.27)
(3.28)
(3.29)

Pentru o sonda particulară, aria de măsurare depinde de alegerea punctului de lucru.
Senzitivitatea sa, este invers proporțională cu pătratul ariei de măsurare. Pentru mici distanțări
în jurul punctului de lucru, poate fi văzută ca și constantă și trebuie să aibă valori mari.
Trebuie să se ajungă la un echilibru specific fiecărei aplicații între aria de măsurare,
sensibilitatea senzorului și liniaritatea răspun sului său.

Fig. 3.4. Evolutia lui ∆Cprobe in cadrul ariei de masurare.

Fig. 3.5. ∆Cprobe in 20% din aria de masurare

22
22 2

De exemplu, când o solicitare statică este exercitată, o distorsiune statică de ordinul

δ+λ=25 0 nm corespun de unei arii de măsurare D0 de ordinul 0,025 nm. Pentru o suprafață
activă S=56 mm2, dielectricul fiind aerul, la punctul de lucru valoarea capacității este C0=20
pF (Cs1=16,6 6 pF și Cs2=30 pF), iar sensibilitatea sa este Sc0= 0,8 pF/µm. Pentru distanțări
relative în jurul punctului de lucru ∆d(t)= 100 nm, variația ∆Cdin este de aproximativ 160 fF
și ∆Cstat este de 400 fF.

2
   
2   0.25
 0.001 (3.30)
 D0  25 

Eroarea liniară este de 1%.

Condensatoarele au capacități de câțiva picofarazi, a căror variații au de la câțiva
femtofarazi până la câteva sute de femtofarazi (Fig. 3.6).

Fig. 3.6. ∆Cprobe(t) după ∆Cstat(t), cu ∆d(t)=∆d0sinω0t și ∆d0=0,1 µF

23
23
Cap.4. Sistemul de protecție capacitiv implementat pentru siguranța
oamenilor

Sistemul de protecție capacitiv este dedicat siguranței oamenilor care lucrează în locuri
cu producție autom ată. Sistemul este impl ementat într-un sistem mecanic articulat (robot,
presă, etc). Senzorii capacitivi folosesc proprietățile câmpului electric pentru a estima distanța
dintre ei și o țintă. În același timp este posibilă diferențierea făcută de senzori dintre o ființă
umană și un obiect și aflarea informațiilor legate de distanță. Totodată ia în calcul și variațiile
de capacitate pe care mașina și le induce singură din pricina formei (interacțiunile dintre
diferitele compo nente ale sistemului mecanic și relativa apropiere a solului). Compo nentele
senzitive ale detectării sunt ieftine deoarece sunt constituite din vopsea condu ctoare aplicată
pe părțile periculoase ale mașinăriei. Greutatea și spațiul lor sunt neglijabile, acest aspect fiind
esențial pentru buna funcționare a mașinăriei.
Folosirea roboților industriali la producția în masă a condus la noi riscuri. Pentru aceste
riscuri nou-apărute, au fost dezvoltate noi echipamente de securitate și noi metodologii.
Totuși, siguranța nu este deplină acolo unde în timpul intervenției echipamentul protector
trebuie neutralizat. Astfel, a apărut și acest dispozitiv bazat pe proprietățile câmpului electric
și ale variației de capacitate. Este destinat să detecteze și să localizeze intruziunea într-o zonă
neprotejată. Principiul detectării a fost pentru prima dată implementat la mașinăriile
periculoase cu geometrie fixă și cu un mod de operare demn de începuturile siguranței. Acest
principiu al detectării aplicat în roboti că ridică probleme, deoarece este necesar să luăm în
considerare variațiile de capacitate datorate geometriei variabile ale mașinăriei. Dacă se vrea a
face diferențierea între o țin tă umană, un obiect și localizarea acestei ținte, este determinantă
cunoașterea fenomenelor fizice și geometrice care au loc în cuplajul țintă-senzor cât și
implementarea dispozitivelor senzitive și folosirea lor.

4.1. Cupla jul capacitiv

Un singur condu ctor conectat la o sursă de tensiune V(t) primește o cantitate de sarcină
electrică Q(t). Din legea lui Coulomb reiese faptul că sarcinile electrice cu același semn se
resping una pe cealaltă, iar echilibrul este obținut din raportul:

24
24
Cs

unde Cs
Q(t) , (4.1)
V(t)

este coeficientul capacității acelui singur conductor în spațiu.

Setul {conductor, infinit} poate fi văzut ca un condensator. Sarcinile electrice Q(t)
generează un câmp electric ale cărui unde sunt normale pe suprafața conductorului și deviază
departe.
Considerăm un sistem cu n condu ctori. În orice mom ent echilibrul său este caracterizat
de setul de sarcini electrice {Q1(t),…,Qn(t)} și de setul de voltaje {V1(t),…,Vn(t)} așa cum
este prezentat în Fig. 4.1(a). În stare statică, sarcinile sunt legate de tensiuni prin ecuațiile
liniare:

Qi (t)
n
 Cij
j 1

Vj (t)

(4.2)

sau Q CV (4.3)

unde Cij este coeficientul de capacitate al conductorului al j-lea . Depinde de geometria

sistemului pentru ca Cij C ji Cii . Cii este capacitatea proprie a condu ctorului al i-lea
înconjurat de alții. În forma matricială, C este simetric. Coeficienții îndeplinesc următoarea
condiție:

Cii  Cij (4.4)
i j

Dacă toți condu ctorii sunt împământați, ei sunt inactivi și nu emit nici un câmp

electric. Dacă doar un singur condu ctor este activ ( V1
0 ), sarcinile sale emit un câmp

electric așa cum este prezentat în Fig. 4.1(b). Ceilalți condu ctori sunt inactivi (Vi=0, i

dar reacționează la câmpul electric. Starea de echilibru este atinsă atunci când:
1 ),

Q1 (t) C11 C12 … C1n V1 (t)
    
Q 2 (t) C 21 C 22 … C 2n  0 
(4.5)
…
 …
 … … …  … 
  


atunci: Q n (t)C n1 C n 2 … C nn  0 

Q1 (t)

și Q i (t)
C11

Ci1

Q1 (t)
V1 (t)
V1 (t)
(4.6)
(4.7)
C11 (4.8) V1 (t)

25
25 cu Q1 (t) S1 1 (t)dS1 (4.9)

unde
1 (t) este densitatea sarcinii superficiale a primului conduc tor.

a) b)

Fig. 4.1. Influența reciprocă a cond uctorilor a) fiecare cond uctor „i” la Vi 0;

b) V1 0, V2=0, V3=0.

4.2. Analiza cupla jului capacitiv

Considerăm un singur condu ctor jucând rolul unui senzo r. Sursa sa de tensiune este

V1 (t)
V0 sin(2
ft) . Sarcina sa este Q1(t):

C11
Q1 (t)
V1 (t)

C1s (d

) , (4.10)

unde C1s (d
) (notat C1s
pentru simplitate) este capacitatea proprie care depinde doar de
geometria și suprafața sa. Presupun em un al doilea conductor jucând rolul unei ținte
împământate. Cu cât ținta este mai apropiată, cu atât câmpul electric interacționează cu ea și
apare un cuplaj C12(d) între ei. Dacă senzo rul și ținta ar face parte dintr-un sistem izolat, noile

sarcini ale senzorului
Q1 (t)
ar scădea în comp arație cu cea inițială Q1(t). Dar senzo rul fiind

fixat la V1(t), atunci noile sarcini q(t) sunt injectate să mențina echilibrul, iar C1s(d) și C11

devin:

C1s

(d)
Q1 (t)
V1 (t)

(4.11)

cu Q1 (t) Q1 (t) , (4.12)

26
26 1 Q1 (t) q(t)
C11 V (t) (4.13)

În conse cință, în timp ce ținta se apropie, C1s(d) descrește, C12(d) și C11(d) cresc așa
cum se poate observa în Fig. 4.2.

Fig. 4.2. Compo rtamentul capacitiv al lui C11; a), b), c): Variante ale lui C11, senzor-țintă

împământată; d): Variația mărimilor C1s, C11, C12 funcție de distanța senzor – țintă.

C11 (d) C1s (d) C12 (d) (4.14)

0

C12
C1s (d)

0
C1s

C12 (d) (4.15)
(4.16)

Să presupune m acum un intrus apropiat acestui set compus din senzo r și o țintă, astfel,

C11(d,t) devine:

C11 (d)
C1s (d)
C12 (d)
Cint (d)
(4.17)

unde Cint(d) este capacitatea dintre senzor și intrus. Atunci, detectarea intrusului neces ită

cunoa șterea evoluției C11(d), C1s(d), C12(d). Sistemul este generalizabil la folosirea a n senzori

27
27 conduc tori astfel:

Cii (d)

Cis (d)
n

j 1,i

Cij (d)
j

C int (d)

(4.18)

Cint (d)
C ii (d)
C is (d) n

j 1,i
Cij (d)
j
(4.19)

Fig. 4.3. Intrusul aproape de sistem.

4.3. Măsurarea coeficientului de cuplaj C11.

Pentru a măsu ra C11, senzorul trebuie legat la un circuit electronic așa cum observăm
în Fig. 4.4. Deoarece obiectivul este de a translata evoluția senzo rului capacitiv, impedan ța de
intrare amplificatorului integrat liniar, trebuie să fie foarte mare. Amplificatorul OPA 129 este
folosit deoarece curenții săi sunt mai mici de 30 fA și capac itatea inductivă este mai mică de 1
pF.

Fig. 4.4. Cuplajul capacitiv și accesul la C11.

28
28 Aceste caracteristici sunt obligatorii pentru că variațiile de curent ∆i(t) și capacitățile sunt

cuprinse între:

0.1 pA<∆i(t)<100 pA

0.1 pA<∆C11(d)<20 pA

Un diferențiator liniar neinversor este implementat. Acesta se comp ortă ca și o
"pompă de sarcini". Senzorul constituie prima placă a condensatorului, în timp ce a doua
placă este rejectată departe de potențiala împămân tare. Relatia dintre C11 și Vs1 este dată în
ecuația (4.20), unde t este omis pentru simplificarea ecuației:

Vs1 Ve 1 R C11 2 Ve 1 (R ) 2 C1s (d) C 21 2 (4.20)

Fig. 4.5. Cuplajul capacitiv și accesul la C12

4.4. Măsurarea coeficientului de inductanță C12=C21

Intrusul poate fi reprezentat de o ființă umană, de un obiect sau de o parte a sistemului
mobil care la rândul său este echipată cu un senzor numit senzorul 2 sau ținta. Pentru a
măsu ra valoarea lui C12=C21, senzo rul 2 este virtual împământat și este legat la un circuit
electronic așa cum observăm în Fig. 4.5. Din nou, dacă departe de orice senzor activ, acesta

nu este încărcat, iar condensatorul său
C2 s
nu este translatat, atunci tensiunea la ieșire este

Vs 2 (t ) 0 V.

Potrivit teoremei elementelor corespon dente, când senzo rul 1 îl activează pe senzorul
2, toate sarcinile în cantitate egală dar de sens contrar, resping sarcinile senzorului 1. În
consecință, măsu rarea lui Vs2 oferă acces către C12:

Vs2
Ve R
C12
(4.21)

Senzorul 2 rămâne inactiv deoarece este împămâ ntat virtual și nu emite câmp electric.

29
29
Cap.5. Utilizarea sistemului de protecție capacitiv

Atunci când se dorește utilizarea sistemului de protecție capacitiv pentru siguranța
oamenilor, care lucrează în apropierea unui sistem mecan ic articulat, (SMA) (bratul robotului,
presa), ne confruntăm cu două probleme majore:
– discriminarea variațiilor capacitive datorate geometriei variabile;

– discriminarea variațiilor capacitive datorate prezenței persoanelor sau obiectelor.

5.1. Mediul de lucru al robotului

Voi prezenta un exemplu de simulare, pentru a se înțelege mediul în care a SMA este
funcțional. Va fi selectat câte un reprezentant pentru diferite categorii de obiecte sau obiective
care pot exista în mediu.
SMA-ul este un robot situat într-o încăpere a cărei pereți sunt împămân tați. Acesta va
detecta obiective care pot fi:
– cond uctori sau dielectrici izolați sau neutri;

– cond uctori sau izolatori încărcați și izolați;

– cond uctori fixați la un potențial V.

Fig. 5.1. Amp lasarea spațiului de lucru al robotului

30
30 SMA-ul va fi echipat cu senzo ri pentru a fi în măsură să emită un câmp electric E și
pentru a fi sensibil la variațiile câmpu rilor din apropiere.

5.2. Utilizarea efectului capacitiv

Pentru a pune în aplicare efectul capacitiv, vom utiliza conduc torii care ne vor servi
drept senzori. Ne propunem să legăm fiecare senzor la un GBF care va fi alimentat cu o
tensiune variabilă de amplitudine maxima Vi și cu o frecvență fi. În jurul unui senzor, există
un câmp electric variabil în funcție de timp.Tot ceea ce s-a spus anterior în electrostatică
rămâne valabil la fiecare secund ă t. Toate variabilele de stare ale sistemului sunt definite,
sistemul suferind o transformare cvasi-statică sau staționară. Frecvențele utilizate sunt mai
mici de 300 de kHz (limita de bază a frecvenței); aceasta ne permite evitarea efectelor
magnetice care intervin la niveluri de frecvență ridicată.

Fig. 5.2. Amp lificatorul de sarcini cu "i" senzo ri.

Senzorul Si induce un curent. În regim cvasi-static, pentru a avea acces la qi(t), trebuie
să ajungem la curentul indus; pentru aceasta, se realizează un circuit cu amplificator de
sarcină, (figura 2.2), utilizând în plus o rezistență și un amplificator operațional (AOP) de tip
TLC081 . În regim liniar, potențialele de la intrările amplificatorului operațional sunt
aproximativ identice, potențialul Vi va fi eliberat de GBF-ul la care este conectat.

5.3. Eliminarea cupla jului capacitiv parazit

Pentru a folosi acest amplificator de sarcini, este important să fie eliminate toate
efectele capacitive parazite, să fie legate cu un fir de legatură, iar atunci va apărea un cuplaj
capacitiv între senzori și intrarea inversă a amplificatorului operațional.

31
31 Pentru rezolvarea problemei ce poate duce la o aproximație greșită a coeficientului de
influență, există 2 procedee:
– fixarea amplificatorului operațional pe senzori; în acest caz nu mai avem nevoie de
fir de legătură;
– utilizarea unui fir blindat; blindajul este sprijinit de creșterea potențialului Vi, firul de
legătură dintre senzo r și intrarea inversă a amplificatorului operațional este la un potențial Vi
(în regim liniar ε 0 ). Blindajul și firul interior de legătură au același potențial, nepu tând
forma un conden sator; astfel, doar senzorul va fi partea activă (figura 3.3).
Am optat pentru prima variantă, cea de fixare a amplificatorului operațional pe senzor.

Fig. 5.3. Ecranarea firului de legătură pe senzorul "i".

Cuplajul a trei senzori la aceeași țintă. Senzorul 1 este la originea câmpului electric

E1 , dar acesta suportă în același timp o suprapune re liniară a câmpu rilor electrice E 2

La fel se întâmplă și cu ceilalți 2 senzori.

Figura 5.4. Cuplajul a trei senzori. și E 3 .

32
32 Pe fiecare senzor vom avea un cuplaj cu diferite părți integrate ale SMA-ului. Scopu l
este de a putea discrimina diferența fiecărei componen te a SMA-ului cu senzorul și de
asemenea de semnalare a unei intruziuni.

33
33 V V
V V
Cap.6. Simularea sistemului de protecție capacitiv pentru roboți

6.1. Cazul utilizării unui singur senzor activ

Fig. 6.1 arată implementarea schema tică a circuitelor anterioare prezentate în Fig. 4.4

și Fig. 4.5.

Fig. 6.1. Schema de implementare a translatării cuplajului capacitiv

Două tensiuni electrice Vs1 și Vs2 sunt disponibile. Acestea translatează evoluția

capacității fiecărui senzor potrivit distanței d dintre ei. Valoarea lui
C1s
descrește atunci

când undele câmpu lui electric întâlnesc o țintă. Din ecuațiile (4.20) și (4.21), C11 și C12 devin:

C11

C
C1s

C
(d)
C 21

1
1
Ve R
2 2
s1 e
(6.1)

(6.2)
12 21
Ve R Vs 2

Diferența dintre cele două, cond uc la un mode l experimental după cum urmează:

C1s
(d)

exp
C11
C 21
1
Ve R
 2 2
 s1 e
Vs2 

(6.3)
În același timp, un model de referință intuitiv a fost construit din reflexia cuplajelor.
Acesta se potrivește modelului experimental prin ajustarea cu un parametru β:

C1s (d) mod 
C1s 1


C1s C 21
C 21 
 , (6.4)


34
34 V V  
unde C1s

C1s C 21 . (6.5)

6.2. Valida rea experimentală pentru un senzor activ

Ambele modele, atât cel experimental prezentat în ecuația (6.3), cât și cel de referință
prezentat în ecuația (6.4), au fost validate după cum urmează: două tuburi de aluminiu cu
diametrul de 60 mm și lungimea de 130 mm au fost amplasate ca și în Fig. 6.3. Unul a fost
setat la tensiunea de intrare Ve iar celălalt a fost împământat. Tensiunile de ieșire Vs1 și Vs2 au
fost înregistrate conform distanței d dintre cei doi senzori. Măsurătorile care se pot observa în
Fig. 6.4, evidențiază faptul că aceste curbe ale modelelor expe rimentale și teoretice sunt
aproape suprapuse.

Fig.6.4. Validarea expe rimentală.

6.3. Generalizarea pentru cazul utilizării a n senzori

Să presupune m că un robot are n brațe mobile, iar fiecare dintre ele este echipat cu un
senzor (Fig. 6.5). Ecuațiile (6.3) și (6.4) devin astfel:

n 1  n 
C1s (d)exp C1i  C j1 2 2
 si e  Vsj  (6.6)
j 2 Ve R 

 n 
  C ji 
 j 2 j 1 
C is (d) mod el C is 1 n  , (6.7)
 C is  C ji 
 j 1 

35
35 


unde
Cis

Cis n
 C ji
j 1

. (6.8)

Atâta timp cât nu se întâmplă nici o intruziune în volumul scanat de senzorul activ,
egalitatea dintre ecuațiile (6.5) și (6.6) este verificată.

Fig. 6.5. Translatarea cuplajului pentru n-1 senzo ri pasivi.

6.4. Valida rea experimentală pentru 3 senzori pasivi.

Ambele modele, atât cel expe rimental prezentat în ecuația (6.6), cât și cel de referință
prezentat în ecuația (6.7) au fost validate experimental. Doar un senzor rămân e activ în timp
ce restul de n-1 senzo ri sunt împămân tați. Un senzor mobil a fost aproape de senzorul activ.
Toate tensiunile de ieșire au fost înregistrate. Aceasta procedură a fost repetată de mai multe
ori prin schimbarea senzorului mobil și a poziției sale. Din nou, curbele modelelor
expe rimentale și teoretice sunt aproape suprapuse confirmând validitatea modelelor.

Fig.6.6. Validarea modelului experimental, β=0,2.

36
36 C 6.5. Detectarea unei intruziuni

6.5.1. Principiu de lucru

Egalitatea dintre ecuațiile (6.6) și (6.7) este verificată atâta timp cât senzorul activ nu
este declanșat de o intruziune deoarece fiecare coeficient în parte Cji depinde doar de cuplajul
dintre senzorul activ i și fiecare senzo r inactiv j. Când se petrece o intruziune, noul cuplaj este
creat între senzorul activ și intrus, fiecare Cji descrește, iar C1s(d)exp crește în ecuația (6.6) și
este neschimbat în ecuația (6.7) datorită lui α și a parametrului de ajustare β. Astfel, această
diferență face posibilă detectarea unui intrus. Această diferență este cu atât mai mare cu cât
intrusul este mai mare sau mai aproape de senzorul activ. Să presupunem că podeaua nu este
împământată, iar interacțiunea dintre podea și senzorul activ este semnificativă. Se împrăștie
vopsea conduc toare pe pode a care va juca rolul unui senzor împământat. Când se petrece o
intruziune, intrusul poate avea contact cu podeaua sau nu. Ambele cazuri sunt prezentate în
continuare.

6.5.2. Fără contact cu podeaua

Fig. 6.7. Detectarea intrusului.

Dupa cum se vede în Fig. 6.7, intrusul nu este în contact cu podea ua, iar acesta se
compo rtă ca un senzor împământat. Influența intruziunii este neglijabilă, iar Ve este mai mic
decât Vi. Cuplajul dintre intrus și senzo rul activ este prezentat mai jos.

Vsi
Ve 1 2 R Cis

n
 C ji
i 2 2

int rus / i  
(6.9)

37
37 n
Vsj
j 1
Ve R  n
 Cij
 j 1
 Cint rus j 

Ve R n
 Cij
j 1
(6.10)

Egalitatea dintre cele două modele rămâne doar atâta timp cât intrusul nu intră în
volumul detectabil al senzorului activ. Dacă se petrece o intruziune, curbele prezentate în Fig.
6.4 și Fig. 6.6 nu se mai suprapun, iar coeficientul de cuplaj datorat intruziunii este calculabil:

C int rus / i
Cis (d) exp
C is (d) mod el
(6.11)

Fig. 6.8 (a) ne arată comportamentul coeficienților de cuplaj când un om este la 10 cm
de senzo rul activ, iar Fig. 6.8 (b) ne arată când intrusul este fabricat din metal.

Fig. 6.8. Rezultatele experimentale ale unei intruziuni: a) coeficienților de cuplaj când
un om este la 10 cm; b) coeficienților de cuplaj când intrusul este fabricat din metal.

6.5.3. Contact cu podeaua

Când intrusul este in contact cu podea ua, cuplajul capacitiv dintre intrus și podea nu
este neglijabil. Pentru a-i afla valoarea Cintrus/podea, este necesar să împăm ântăm senzo rul activ

38
38  C 1 și să activăm senzo rul pode a cu V=0.1Ve pentru a avea toate cuplajele Cji=0, in special

cuplajele Cpodea/i și Cintrus/i. Astfel, Vsi, Vsj și Cintrus/i sunt date de urmatoarele ecuații:

Vsi

Vsj

Ve 1

Ve R

R

C1j
2 
 is

n

i 1,i

C ji
j
C int rus / i 2

C int rus / podea 


(6.12)

(6.13)

C int rus / i C is (d) exp Cis (d) mod el C int rus / podea (6.14)

6.6. Măsurarea distanțelor și diferențierea dintre ținte

6.6.1. Principiu de lucru

Coeficientul de inductanță este modelat de
Cint rus S , unde S este suprafața unui
d i

intrus în raport cu senzorul activ, di este distanța dintre suprafețe și ε este permitivitatea
mediului dintre cele două suprafețe. Doar cunoașterea lui Cintrus/i nu este suficientă pentru a
localiza intrusul datorită lui ε. S poate fi mare și departe, sau mic și aproape, în raport cu
senzorul activ.

Pentru a depăși această incertitudine rata variației:

int rus / i
Cint rus / i
d

trebuie să fie

estimată. Pentru aceasta, doi senzori identici sunt puși unul în spatele celuilalt, separați de o
distanță ∆d.

a)

39
39  
d

b)

Fig. 6.9. Detectarea unui intrus aflat pe podea

int rus/ i Cint rus/ i
d Cint rus/ i d d Cint rus/ i di
d S  1
d  di d 1 
di S (6.15)
2
i

Fig. 6.10. Localizarea și diferențierea unui intrus

Cunoaș terea elemen telor Cintrus-i și θintrus-I face posibilă localizarea (di) și discriminarea
intrusului (εS).
C int rus / i

int rus / i d i  S (6.16)

6.6.2. Rezultate experimentale

Diferite tipuri de intruziuni au fost testate; omul și ținta metalică. Tensiunile de ieșire
au fost măsurate, Cintrus/i(d), Cintrus/i(d+∆d) au fost calculate conform ecuației (6.14) și sunt
afișate în Fig. 6.11. Ecuațiile (6.15)și (6.16) sunt folosite pentru a determina θ, d și (εS) după

40
40 cum observăm în tabelele de mai jos.

Fig. 6.11. Rezultate expe rimentale, cuplaj senzor-intrus funcție de distanța d:

CintrusO pentru om și CintrusM pentru ținta metalică

TABELUL 6.1

Intrus uman (∆d=5mm)

d CintrusO CintrusO(d+∆d) θO dO (εS)O
3 7,2 6,171 2,06 3,50 25,20
4 6,1 5,422 1,36 4,50 27,45
6 4,5 4,154 0,69 6,50 29,25
8 3,6 3,388 0,42 8,50 30,60
10 2,943 2,803 0,28 10,50 30,90
12 2,456 2,358 0,20 12,50 30,70
14 2,0442 1,974 0,14 14,50 29,64
16 1,84 1,784 0,11 16,50 30,36
18 1,5406 1,499 0,08 18,50 28,50
20 1,3609 1,328 0,07 20,50 27,90
22 1,2031 1,176 0,05 22,50 27,07
24 1,01 0,989 0,04 24,50 24,75
25 0,956 0,937 0,04 25,50 24,38

Când intrusul este mobil, (ε.S) fluctuează în jurul valorii măsurate când este imobil.
Pentru un om 0,85(ε.S)O<(ε. S)O<1,15(ε.S)O. Din ecuația (6.11), prin schimbarea succesivă a

41
41

rolului senzo rului activ, cuplajele capacitive dintre intrus și senzorii activi sunt măsurabile.
Aceste măsuratori, metoda triunghiului și cunoașterea variabilelor articulare ale robotului, fac
posibilă localizarea și diferențierea intrusului.

TABELUL 6.2

Intrus metalic (∆d=5mm)

d CintrusM CintrusM(d+∆d) θM dM (εS)M
3 4,8426 4,151 1,38 3,50 16,95
4 3,6322 3,229 0,81 4,50 16,36
6 2,4221 2,235 0,37 6,47 15,68
8 1,8185 1,712 0,21 8,54 15,53
10 1,4994 1,428 0,14 10,50 15,74
12 1,2387 1,189 0,10 12,46 15,44
14 1,0182 0,985 0,07 15,33 15,61
16 0,8945 0,870 0,05 18,26 16,33
18 0,8001 0,780 0,04 19,90 15,92
20 0,7222 0,705 0,03 20,99 15,16
22 0,6603 0,646 0,03 23,09 15,24
24 0,6089 0,593 0,03 23,09 14,61
25 0,579 0,563 0,03 19,15 11,66

0,03 18,09 10,48

a)

42
42

b)

Fig. 6.12. Detectarea unui intrus aflat pe podea

6.7. Considerații practice

6.7.1. Protecția senzorilor împotriva paraziților interni

Senzorii sunt făcuți din straturi suprapuse de vopsea conductoare aplicată pe părți
periculoase ale robotului, deoarece greutatea și impedimentul spațiului sunt neglijabile.
Componen tele electrice esențiale ale robotului sunt în interiorul brațelor acestuia, ca de
exemplu motoarele electrice, codă ri de poziție etc. Acestea pot genera paraziți
electromagnetici și pot strica senzorii. Mai mult decât atât, compo nentele interne mobile pot
genera cuplaje de inductanță cu senzo rii.
Pentru a preveni aceste efecte negative, este necesar sa se formeze o cușcă Faraday în
locul unde sunt implemen tați senzorii. Astfel, primul strat de vopsea conductoare este aplicat
local și este împămân tat când senzo rul este inactiv și cu Ve când este activ. Al doilea strat, de
vopsea izolatoare, este aplicat pentru a izola senzorul de cușca Faraday, iar al treilea strat de
vopsea condu ctoare constituie un elemen t senzitiv, folosit pentru protecția proprie.
Senzorul a fost izolat de perturbanțele posibile datorită diferitelor compo nente interne
ale robotului și partea principală a câmpului emis este direcționată către zonele necesare
supravegherii. Geometria sa este adaptabilă fiecărui obiectiv. Totodată se poate realiza un inel
protector în jurul său.

43
43 6.7.2. Diferențierea om/obiect și distanța țintei

Pentru a diferenția țintele, ambii senzori trebuie să reacționeze identic. Acest lucru
trebuie făcut cu atenție maximă. Suprafețele ecranului Faraday și ale senzo rului trebuie
așezate la distanță egală. Când un senzor este activ, celalalt nu trebuie să îl influențeze și
trebuie să fie comp let izolat. Când senzorii sunt schimbați între ei, pertubarea este aceeași, iar
o soluție este aplicarea următoarei proceduri:

Fig. 6.13. Ciclul de funcționare al senzo rului

1) cele patru comutatoare a, b, c și d sunt oprite;

2) c și d sunt pornite: ambii senzo ri sunt împămân tați și sunt neutri din punc t de vedere
electric;
3) c și d sunt oprite: ambii senzori sunt izolați din punc t de vedere electric și nu sunt încărcați;

4) a este pornit: senzorul 1 este active;

5) a este oprit: senzorul 1 nu mai este active;

6) c este pornit: senzorul 1 este neutru din punct de vedere electric;

7) c este oprit: senzorul 1 este izolat electric și nu este încărcat;

8) b este pornit: senzo rul 2 este active;

9) b este oprit: senzorul 1 nu mai este active;

10) d este pornit: senzo rul 1 este neutru din punct de vedere electric;

11) d este oprit: senzo rul 1 este izolat electric și nu este încărcat;

12) Ciclul se reia de la pasul 4.

44
44

6.7.3. Proiectarea orientării senzorilor

d = 1mm

Fig. 6.14. Dispune rea senzorilor pe un braț robotic

Pentru a crește eficiența în detectare, 3 perechi de senzori aranjați ca o stea cu 3 ramuri
(Fig. 6.14) (la unghiul de 120 de grade unul față de celălalt) au fost aplicați pe fiecare braț.
Acest tip de dispunere este în general caracteristic senzorilor interdigitali.

6.7.4. Conectarea senzorului cu amplificatorul liniar

Conex iunea dintre senzor și amplificatorul liniar integrat trebuie să fie făcută cu
maximă atenție. Un simplu fir electric care conectează senzo rul de amplificator se poate
compo rta ca un senzor. Pentru a preveni această potențială problemă:
-amplificatorul este legat direct de senzor, astfel nu mai necesită nici un fir de conectare;

-un cablu protejat face legatura între senzo r și amplificator (Fig. 6.15). Astfel cablul și stratul
protector au același potențial deoa rece cuplajul capacitiv nu este translatat de circuitul
electronic.

Fig. 6.15. Conexiunea dintre senzor și amplificatorul liniar integrat.

6.7.5. Stabilitatea oscilatorului sinusoidal

45
45 Oscilatorul trebuie să fie fix în privința frecvenței și proporțiilor sale. Parametrii
acestuia au fost fixați la F=10 kHz 0.1 Hz și Ve= 2V 0,00001 V.
Dispozitivul senzorial inovativ și ieftin a fost construit și testat pentru a estima

distanța dintre senzori și un intrus. A fost fabricată o configurație interdigitală care, în urma
testării, se poate spune că poate diferenția omul de obiectele metalice. Totodată ia în calcul și
variațiile de capacitate pe care mașina și le induce singură din pricina formei. Acest sistem
ieftin poate fi implementat pentru a îmbunătăți siguranța în fabricile cu produc ție robotizată.

6.8. Formele de undă ale circuitelor electronice de condiționare a semnalelor
preluate de la senzori obținute prin simulare în MULTI SIM

1. Formele de undă pentru amplificatorul de intare în regim static

Fig. 6.16. Tensiunea de ieșire pentru C3=C4

Fig. 6.17. Tensiunea de ieșire pentru C4-C3=110fF 100n m

46
46

Fig. 6.18. Tensiunea de ieșire pentru C4-C3=12,39pF 10µ m

Fig. 6.19. Tensiunea de ieșire pentru C3=C4

Fig. 6.210. Tensiunea de ieșire pentru C4-C3=55 0fF 500n m

47
47

Fig. 6.21. Tensiunea de ieșire pentru C4-C3=12,39pF 10µ m

2. Formele de undă pentru amplificatorul diferențial în regim static

Fig. 6.22. Tensiunea de ieșire pentru: C3=C4

Fig. 6.23. Tensiunea de ieșire pentru C4-C3=55 fF 50nm

48
48

Fig. 6.24. Tensiunea de ieșire pentru C4-C3=12,39pF 10µ m

3. Formele de undă pentru amplificatorul diferențial în regim dinamic

Fig. 6.25. Tensiunea de ieșire pentru C3=C4

Fig. 6.26. Tensiunea de ieșire pentru C4-C3=550 fF 500nm

49
49

Fig. 6.27. Tensiunea de ieșire pentru C4-C3=12,39pF 10µ m

4. Formele de undă pentru filtru în regim static

Fig. 6.28. Tensiunea de ieșire pentru C3=C4

Fig. 6.29. Tensiunea de ieșire pentru C4-C3=55 fF 50nm

50
50

Fig. 6.30. Tensiunea de ieșire pentru C4-C3=12,39pF 10µ m

4. Formele de undă pentru filtru în regim dinamic

Fig. 6.31. Tensiunea de ieșire pentru C4=C3

Fig. 6.32. Tensiunea de ieșire pentru C4-C3=55 fF 50nm

51
51

Fig. 6.33. Tensiunea de ieșire pentru C4-C3=12,39pF 10µ m

5. Formele de undă pe diode în regim static

Fig. 6.34. Tensiunea de ieșire pentru C3=C4

Fig. 6.35. Tensiunea de ieșire pentru C4-C3=110 fF 100nm

52
52

Fig. 6.36. Tensiunea de ieșire pentru C4-C3=12.39pF 10µ m

5. Formele de undă pe diode în regimdinamic

Fig. 6.37. Tensiunea de ieșire pentru C3=C4

Fig. 6.38. Tensiunea de ieșire pentru C4-C3=110 fF 100nm

Fig. 6.39. Tensiunea de ieșire pentru C4-C3=12.39pF 10µ m

53

54
54
CONCLU ZII

Tema lucrării de licență este realizarea unui dispozitiv electric de protecție dedicat
siguranței persoanelor intr-o celula robotizata . Acest dispozitiv de protecție în câmp
electric bazat pe variația capacității este implemen tat pe o mașină cu geometrie variabilă
(brațul robotului, presă etc). Acesta, ar trebui să permită discriminarea prezenței unor obiecte
sau persoane în mediul său și aprecierea distanței, mai mult, trebuie să poată lua în considerare
variațiile capacității datorate geometriei variabile a mașinii.
În ultimii ani, roboții au fost utilizați din ce în ce mai mult în halele de produc ție.
Pentru a preveni noi riscuri de accidente, noi echipamente de securitate și tehno logii au fost
dezvoltate. Cu toate acestea, siguranța nu este complet asigurată în timpul intervențiilor de
protecție, iar în acest caz, unele protecții trebuie să fie neutralizate.
Senzorii sunt realizați din vopsea cu proprietăți conduc tive, astfel încât ei sunt de
dimensiuni și greutate redusă. Rezultatele arată că acest senzo r are un mare potențial de a
detecta și estima obiectivele la distanță.
Activitatea mea a constat în editarea, modelarea și dezvoltarea experimentală a unui
sistem capacitiv de detectare, implementat pe un sistem cu geome trie variabilă, pentru a studia
fenomenele fizice ale sistemului și arata că, acești coeficienti de influență pot fi discriminați
de algoritmii de separare ai surselor.
Sistemul capacitiv de protecție se bazează pe măsurarea influenței coeficientului
capacitiv. Diferitele părți ale mașinii cu geometrie variabilă sunt dotate cu senzo ri, fiecare
emițând un câmp electric de frecvențe diferite (câteva kilohertzi). Acești senzori actionează de
asemenea cu receptorii, detectând diferite amestecuri de câmpuri electrice.
Am arătat că există o influență a unui senzor dat asupra altuia. Aceste influențe sunt
depen dente de distanța dintre senzori. Am arătat, prin intermediul unui sistem cu doi senzori,
că influențele sunt aproape identice. De asemenea am arătat că, acest sistem este echivalent
unui sistem liniar. Influențele observate la fiecare senzo r pot fi utilizate la separarea
informației utile și la identificarea matricei de amestec, culegând informații despre coeficienții
de influență. În măsura posibilităților am încercat evitarea altor influențe și semnalizarea
detectării unei intruziuni. Algoritmii clasici de separare ai surselor m-au ajutat, având
rezultate satisfacatoare; semnalele fiind practic stationare.

55
55 Lucrarea de licență a pus accen t pe mode larea sistemelor, ignorând posibilele
diferențe care pot apărea la luarea în calcul a mediului înconjurător al SMA-ului. În lucrare
am prezentat detalii constructive ale senzo rilor capacitivi integrați, aspecte practice privind
poziționarea senzo rilor pe părțile mobile ale robotului. De asemenea sunt prezentate circuitele
electronice de cond iționare a semnalelor culese de la senzori și care extrag informația utilă
referitoare prezența unui corp în zona de acțiune a robotului și poziția acestuia. Activitatea
desfășurată în cadrul lucrării de disertație poate fi continuată prin luarea în considerare a unui
numă r mai mare de senzori care permit o protecție mai bună, dar și prin creșterea
comp lexității circuitelor electronice.

56
56
BIBLIOGRAFIE

[1]. L. Albera : Identification Autodidacte de Mélanges Potentiellement Sous-Déterminés,
Thèse, Université de Nice Sophia-Antipolis, Décembre 2003 .

[2]. L. K. Baxter, Capacitive Sensors, IEEE Press, Piscataway N.J.,1997.

[3]. A. Belouchrani, M. G. Amin, On the Use of Spatial Time Frequency Distributions for
Signal Extraction,Multidimensional Systems and Signal Processing, 9, 349.354
(1998 ), 1998 Kluwer Academ ic Publishers, Boston. Manufactured in The Netherlands.

[4]. J.F. Cardoso, Blind signal separation: statistical principles, Procedings of IEEE,
VOL. 9, pages 2009 -2025 , October 1998.

[5]. Andrzej Cichocki, Shun-ichi amari, Introduction to Blind Signal Processing:
Problems and Applications, John Wiley and Sons, Ltd, September 2002, Tokyo,
Japan.

[6]. P. Comon , Independent component analysis, a new concept , IEEE

TRANSACTIONS ON SIGNAL PROC ESSING, VOL. 47, pages 2807 -2820 , October

1999 .

[7]. B. Delcourt, Électricité et Magnétisme, Orsay. Publications Universitaires Scientiques,
Année 1989.

[8]. T. Kobayashi, Proximity Sensor and Object detecting Device, United States Patent nr.

6051981 , aprilie 2000 ;

[9]. M.B. Malmiri : On blind source separation in convolutive and nonlinear mixtures,
PhD thesis, Institut National Polytechnique de Grenoble, 2002.

57
57 [10]. H. Nguyen, Capteurs et systèmes de sécurité en production automatisée ; Université
de Nancy I ; Université de Reims – Rappo rt de DEA 1990 ;

[11]. J-P Pérez, R. Carles, R. Fleckinger: Électromagnétisme: Fondements et applications,
édition 4, Dunod, Paris, 2002 .

[12]. B. Pottier, Etude et réalisation d’un Détecteur de Proximité capacitif dédié à lq

Sécurité des Personnes, PhD Thesis URCA France, 1992 ;

[13]. B. Pottier, Lanto Rasolofondraibe, Danielle Nuzillard, INPI 289882 5, 2007 ;

[14]. B. Pottier, Lanto Rasolofondraibe, Danielle Nuzillard, Capacitive Protection System
for Robot dedicated to the Safety of Humans, IECON06 IEEE, Paris-France,
noiembrie 2006 ;

[15]. A. Pruski, B. Pottier, Dispositifs électriques sensibles ; Journées techn iques organisées
par l’INRS Lorraine – Nancy Vandoeu vre – iunie 1990 ;

58
58
ANEXE

Anexa 1. Circuit nr. 1 de condi ționare a semnalelor prelevate de la senzori

Anexa 2. Circuit nr. 2 de condi ționare a semnalelor prelevate de la senzori

59

Anexa 3. Circuit nr. 3 de condi ționare a semnalelor prelevate de la 2 senzori

60

Anexa 4. Circuit nr. 4 de condi ționare a semnalelor prelevate de la 2 senzori

61

Anexa 5. Modul de realizare al modulului cu senzori

62

Anexa 6. Circuit de condiționare a semnalelor prelevate de la 3 senzori

63

64