Automation In Engineering

# Cloud infrastructuur en connectiviteit Cloud computing voor drones omvat het leveren van opslag, rekenkracht en connectiviteit via het internet, met de mogelijkheid om schaalbaar mee te groeien met de behoeften van de gebruiker en te opereren volgens een 'pas-as-you-go'-model. Dit model biedt tevens hoge beschikbaarheid [4](#page=4). ### 1.1 Kernconcepten van cloud infrastructuur Cloud infrastructuur biedt fundamentele diensten die cruciaal zijn voor moderne technologieën, waaronder drone-operaties. Deze diensten omvatten: #### 1.1.1 Opslag en rekenkracht De cloud stelt gebruikers in staat om data op te slaan en rekenintensieve taken uit te voeren zonder te investeren in eigen hardware. Dit is essentieel voor het verwerken van grote hoeveelheden sensordata van drones, machine learning-modellen en simulaties [4](#page=4) [8](#page=8). #### 1.1.2 Schaalbaarheid Een van de belangrijkste voordelen van cloud infrastructuur is de schaalbaarheid. Dit betekent dat de beschikbare resources (zoals opslag en rekenkracht) eenvoudig kunnen worden aangepast aan veranderende behoeften. Dit is bijzonder nuttig voor drone-operaties die variëren in intensiteit en complexiteit [4](#page=4). #### 1.1.3 Pas-as-you-go model Het 'pas-as-you-go'-principe houdt in dat gebruikers alleen betalen voor de resources die ze daadwerkelijk gebruiken. Dit biedt financiële flexibiliteit en maakt de inzet van cloud-gebaseerde oplossingen toegankelijker [4](#page=4). #### 1.1.4 Hoge beschikbaarheid Cloud providers garanderen een hoge beschikbaarheid van hun diensten, wat betekent dat de infrastructuur continu operationeel is en minimale downtime kent. Dit is cruciaal voor kritische drone-applicaties [4](#page=4). ### 1.2 Connectiviteit met de cloud Voor drones zijn er verschillende methoden om verbinding te maken met de cloud infrastructuur: #### 1.2.1 Draadloze connectiemethoden * **Via 4G/5G:** Drones kunnen gebruikmaken van mobiele netwerken (4G of 5G) om een stabiele internetverbinding tot stand te brengen voor communicatie met de cloud [5](#page=5). * **Via dockingstation:** Een alternatieve methode is het gebruik van een dockingstation, dat mogelijk een meer directe en betrouwbare verbinding met de cloud kan bieden, afhankelijk van de specifieke implementatie [5](#page=5). ### 1.3 Belangrijke cloud providers Er zijn diverse toonaangevende cloud providers die specifieke diensten aanbieden die relevant zijn voor drone-toepassingen en robotica: #### 1.3.1 Amazon Web Services (AWS) AWS biedt diensten zoals: * **AWS IoT Core:** Voor het beheer van IoT-apparaten en communicatieprotocollen zoals MQTT [8](#page=8). * **AWS RoboMaker:** Een platform voor het simuleren van Robot Operating System (ROS/ROS2) omgevingen in de cloud [8](#page=8). AWS staat bekend om zijn sterke punten op het gebied van schaalbaarheid, Over-The-Air (OTA) updates en beveiliging [8](#page=8). #### 1.3.2 Microsoft Azure Azure biedt onder andere: * **Azure IoT Hub + Device Twins:** Voor het beheren van IoT-apparaten en het bijhouden van hun status en configuratie [8](#page=8). * **Digital Twins / Industrial Edge:** Oplossingen voor het creëren van digitale replica's van fysieke systemen en het uitvoeren van data-analyse op de edge [8](#page=8). Azure integreert ook naadloos met bestaande enterprise IT-systemen zoals ERP, Active Directory (AD) en PowerBI [8](#page=8). #### 1.3.3 Google Cloud Platform (GCP) GCP biedt relevante diensten voor drone-toepassingen: * **Vertex AI:** Een platform voor machine learning, met functionaliteiten voor computer vision en modeltraining [8](#page=8). * **Pub/Sub:** Een berichten-service voor realtime telemetrie [8](#page=8). * **BigQuery:** Een datawarehouseoplossing voor het analyseren van grote datasets, zoals robotlogdata [8](#page=8). #### 1.3.4 NVIDIA Cloud (NGC) NVIDIA biedt gespecialiseerde cloud-oplossingen voor robotica en AI: * **Isaac Sim:** Een platform voor robotica-simulatie [8](#page=8). * **Model deployment voor Jetson:** Faciliteert de implementatie van AI-modellen op NVIDIA Jetson-apparaten [8](#page=8). NGC is geoptimaliseerd voor AI, vision en perception workloads [8](#page=8). #### 1.3.5 Private / Hybrid Cloud (On-prem Edge) Naast publieke cloud providers, is er de mogelijkheid van private of hybride cloud oplossingen: * **Eigen Kubernetes/Harbor registries:** Implementatie van eigen container-orkestratie en image-registries voor meer controle [8](#page=8). Deze aanpak is ideaal voor sectoren waar lage latency en hoge controle essentieel zijn, zoals industrie, defensie en de zorg [8](#page=8). > **Tip:** Het kiezen van de juiste cloud provider en connectiemethode hangt sterk af van de specifieke eisen van de drone-operatie, zoals datahoeveelheid, realtime verwerking, beveiligingsvereisten en budget [4](#page=4) [5](#page=5) [8](#page=8). --- # Dataverzameling, opslag en analyse in de cloud Dit onderwerp behandelt de soorten data die door robots worden gegenereerd, hoe deze data efficiënt kan worden opgeslagen en geanalyseerd in de cloud, en strategieën om de kosten hiervan te beheersen. ### 2.1 Het belang van dataopslag voor robots Het opslaan van data van robots is cruciaal voor het verkrijgen van inzichten in hun werking, het diagnosticeren van fouten en het inspecteren van de omgeving. Data maakt onderhoud voorspelbaar, verhoogt de veiligheid, optimaliseert routes en stelt robots in staat slimmer te worden door middel van machine learning [6](#page=6). ### 2.2 Soorten data gegenereerd door robots Robots genereren verschillende soorten data, die kunnen worden onderverdeeld in de volgende categorieën [7](#page=7): * **Sensordata**: Dit omvat ruwe gegevens van sensoren zoals LiDAR-puntenwolken, camera-beelden, GPS/IMU positionering, en omgevingsinformatie zoals temperatuur, obstakels en trillingen [7](#page=7). * **Operationele data**: Deze data beschrijft de status en prestaties van de robot zelf, inclusief batterijniveau, temperatuur van motoren, status van actuatoren, en eventuele fouten en meldingen [7](#page=7). * **Gebruiksdata**: Dit betreft gegevens over hoe de robot wordt gebruikt, zoals afgelegde routes, tijd besteed aan taken, en periodes van stilstand [7](#page=7). ### 2.3 Integratie van data, cloud en fleet management Een efficiënte samenwerking tussen robots, de cloud en fleet management vormt een intelligent en schaalbaar robot-ecosysteem. Het proces verloopt doorgaans als volgt [9](#page=9): 1. **Dataverzameling door robot**: Sensoren sturen ruwe data naar een lokale computer aan boord van de robot [9](#page=9). 2. **Lokale verwerking (edge)**: De robot filtert en comprimeert data om de benodigde bandbreedte te verminderen [9](#page=9). 3. **Data naar de cloud**: Telemetrie, statusinformatie, beelden en logs worden geüpload naar de cloud [9](#page=9). 4. **Cloudverwerking en -analyse**: De cloud verwerkt en analyseert de data om problemen te detecteren, kaarten te verbeteren en patronen te leren [9](#page=9). 5. **Beslissingen door Fleet Manager**: De fleet manager neemt beslissingen, zoals het herverdelen van taken, het berekenen van betere routes, en het versturen van instructies [9](#page=9). 6. **Ontvangst van updates/commando's**: Robots ontvangen updates of realtime commando's via over-the-air (OTA) updates of directe commando's [9](#page=9). ### 2.4 Data generatie en volume De hoeveelheid gegenereerde data kan aanzienlijk zijn. Een typische schatting voor continue opname (gecomprimeerd) per dag per robot kan worden berekend op basis van de datarates van verschillende sensoren en componenten [10](#page=10): * Camera's: 2 camera's × 4.0 Mbps per camera = 8.0 Mbps. Dit resulteert in ongeveer 0.5 MB/s per camera, wat neerkomt op 43.200 MB per dag per camera, of 86.400 MB per dag voor twee camera's [10](#page=10). * LiDAR: 0.1 MB per scan @ 10 Hz = 1.0 MB/s, wat neerkomt op 86.400 MB/dag [10](#page=10). * IMU/GNSS: 1 KB/s = 0.001 MB/s, wat neerkomt op 86.4 MB/dag [10](#page=10). * Logs: 10 KB/s = 0.01 MB/s, wat neerkomt op 864 MB/dag [10](#page=10). * Maps / SLAM uploads: Ongeveer 200 MB/dag [10](#page=10). Het totale typische dataverbruik per dag kan oplopen tot ongeveer 173.950,4 MB, wat overeenkomt met circa 170.0 GB of 0.166 terabytes (TB) per dag. Het is belangrijk op te merken dat niet alle data naar de cloud hoeft te worden gestuurd; een slimme strategie is hierbij essentieel [10](#page=10). ### 2.5 Kostprijs van cloudopslag De kosten voor cloudopslag zijn een belangrijke overweging. Uitgaande van een datarate van ongeveer 169.87 GB per dag, wat neerkomt op circa 5.096 GB per maand (bij 30 dagen), zijn de maandelijkse opslagkosten per robot (storage-only) als volgt: * **AWS S3 Standard** (~0.023 dollars/GB): Ongeveer 117.21 dollars per maand per robot [11](#page=11). * **Google Cloud Storage Standard** (~0.020 dollars/GB): Ongeveer 101.92 dollars per maand per robot [11](#page=11). * **Azure Blob Hot** (~0.018 dollars/GB): Ongeveer 91.73 dollars per maand per robot [11](#page=11). Voor een schaalvoorbeeld met 100 robots kunnen de maandelijkse opslagkosten (storage-only) aanzienlijk zijn: AWS ≈ 11.721 dollars, GCP ≈ 10.192 dollars, en Azure ≈ 9.173 dollars [11](#page=11). ### 2.6 Opslagstrategieën voor kostenbeheersing Om de kosten van cloudopslag te beheersen, kunnen diverse strategieën worden toegepast [12](#page=12): 1. **Ringbuffer / Circular Logging**: Data wordt continu opgenomen en de oudste data wordt automatisch overschreven wanneer de opslag vol raakt. Dit is nuttig voor video, LiDAR en telemetrie [12](#page=12). 2. **Edge AI preprocessing**: Voordat data naar de cloud wordt gestuurd, kan deze worden gecomprimeerd, gedownsampled, worden geselecteerd op keyframes, of kunnen anomalieën worden gedetecteerd (waarbij alleen bij events data wordt gestuurd) [12](#page=12). 3. **Selective Upload / Event-Based Upload**: Robots sturen alleen data naar de cloud in specifieke gevallen, zoals bij een incident of anomalie, op verzoek van een operator, bij SLAM map updates, voor diagnostiek of onderhoud, of aan het einde van een missie of shift [12](#page=12). 4. **Scheduled Upload (bij lage belasting)**: Uploads worden gepland tijdens het dokken of laden, 's nachts, bij sterke Wi-Fi, of via een lokaal access point in een warehouse of hub [12](#page=12). 5. **Temporary Hot Cache (1–3 dagen)**: De meest recente ruwe data blijft lokaal beschikbaar voor live debugging, replays, mission reconstruction, en de lokale autonomie stack [12](#page=12). 6. **Encrypted Storage**: Alle data moet altijd worden beveiligd met full-disk encryptie (AES-256), ondertekende firmware met secure boot, en encryptie van log files [12](#page=12). ### 2.7 Opslagtypen en databehoud Er is een onderscheid te maken tussen 'Hot Storage' en 'Cold Storage', elk met eigen eigenschappen qua frequentie van toegang, snelheid, kosten en typische data [13](#page=13): | Eigenschap | Hot Storage | Cold Storage | | :---------------- | :------------------------------------------------- | :------------------------------------------------- | | Frequentie toegang | Vaak (dagelijks/uur) | Zelden (maandelijks/jaarlijks) | | Snelheid | Zeer snel | Langzamer (zelfs uren) | | Kosten | Hoog | Laag | | Typische data | Live logs, recente runs, OTA data | Historische video, LiDAR, backups | | Voorbeelden | S3 Standard, Azure Hot | S3 Glacier, Nearline, Archive | Daarnaast is het belangrijk om een lokaal bewaartijdbeleid te hanteren en te bepalen wat er na de lokale bewaarperiode met de data gebeurt [13](#page=13): | Data Type | Lokale Bewaartijd | Na lokatie? | | :------------- | :---------------- | :----------------------------------------- | | Camera raw | 24–72 uur | Summaries of event clips | | LiDAR raw | 24–48 uur | SLAM map + compressed scan | | IMU/GNSS | 7–30 dagen | Kleine datasets → cloud | | Logs | 30–90 dagen | Full logs bij incidenten | ### 2.8 Ros2 bag als logging tool De `Ros2 bag` tool is een essentieel hulpmiddel voor het opnemen en afspelen van ROS2 topics, wat zeer nuttig is voor logging, debugging en testen. De hoeveelheid data die hiermee gegenereerd kan worden, kan oplopen tot 200 tot 1000 GB per uur, wat het sterk aanbeveelt om deze data lokaal op te slaan [14](#page=14). --- # Fleet management en communicatieprotocollen Dit onderwerp behandelt de rol van een fleet manager bij de coördinatie van dronevloten, inclusief taakbeheer, routeplanning en onderhoud, evenals belangrijke communicatieprotocollen zoals MQTT en OTA-updates. ### 3.1 De rol van de fleet manager Een fleet manager is software die is ontworpen om een groep (fleet) van robots te coördineren. De primaire functies van een fleet manager omvatten [19](#page=19): * **Taakbeheer**: Dit omvat het toewijzen van taken aan robots, het instellen van prioriteiten voor deze taken en het volgen van de status van uitgevoerde taken [19](#page=19). * **Routen en verkeerscontrole**: Fleet managers voorkomen botsingen en opstoppingen binnen de robotvloot door robots dynamisch om te sturen op basis van obstakels of drukte in de omgeving [19](#page=19). * **Gezondheid en onderhoud**: Functies omvatten voorspellend onderhoud, live foutdiagnose en automatische waarschuwingen wanneer onderhoud nodig is [19](#page=19). * **Veiligheid en compliance**: Dit omvat het instellen van geofencing, het definiëren van no-go zones en het loggen van alle uitgevoerde acties om naleving van regelgeving te waarborgen [19](#page=19). * **Software-updates (OTA)**: Over-the-air (OTA) updates zorgen ervoor dat alle robots in de vloot dezelfde firmware draaien zonder dat er handmatig ingrijpen nodig is [19](#page=19). > **Tip:** Een effectieve fleet manager kan de efficiëntie en veiligheid van een robotvloot aanzienlijk verbeteren door gecentraliseerde controle en geautomatiseerde processen. Voorbeelden van bestaande fleet management systemen zijn Energy Robotics, Drone Deploy en Open RMF [20](#page=20). ### 3.2 Communicatieprotocollen voor robotvloten #### 3.2.1 MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) MQTT is een lichtgewicht, event-driven communicatieprotocol dat speciaal is ontworpen voor IoT-apparaten en robots. Het is zeer geschikt voor robottoepassingen vanwege [15](#page=15): * **Laag bandbreedtegebruik**: MQTT vereist minimale netwerkcapaciteit [15](#page=15). * **Betrouwbaarheid op slechte netwerken**: Het protocol is ontworpen om goed te functioneren, zelfs op onstabiele verbindingen [15](#page=15). * **Quality of Service (QoS) niveaus**: MQTT ondersteunt verschillende QoS-niveaus die gegarandeerde berichtbezorging waarborgen [15](#page=15). * **Geschiktheid voor telemetrie en commando's**: Het is ideaal voor het verzenden van telemetriegegevens, statusupdates en commando's tussen apparaten en systemen [15](#page=15). De architectuur van MQTT omvat: * Een **Broker**: Dit is een centraal punt dat berichten ontvangt van publishers en deze distribueert naar subscribers [15](#page=15). * **Publishers**: Dit zijn de apparaten of systemen die berichten verzenden, zoals robots of sensoren [15](#page=15). * **Subscribers**: Dit zijn de apparaten of systemen die zich abonneren op specifieke onderwerpen om berichten te ontvangen, zoals dashboards, cloudservices of andere robots [15](#page=15). #### 3.2.2 OTA (Over The Air) updates OTA-updates maken het mogelijk om software op afstand bij te werken zonder fysieke toegang tot het apparaat. Dit is cruciaal voor robotvloten om de volgende redenen [16](#page=16): * **Snelle bugfixes en veiligheidsupdates**: Softwareproblemen kunnen direct worden opgelost [16](#page=16). * **Uitrollen van nieuwe functies**: Nieuwe functionaliteiten kunnen efficiënt aan de vloot worden toegevoegd [16](#page=16). * **Schaalbaarheid**: OTA-updates zijn essentieel voor het beheer van grote aantallen robots [16](#page=16). De componenten van een OTA-updatesysteem omvatten: * Een **update server / cloud backend**: Waar de updatebestanden worden gehost [16](#page=16). * Een **update agent op het device**: Software op de robot die de update downloadt en installeert [16](#page=16). * **Artifacten**: Dit zijn de daadwerkelijke softwarepakketten, containers of OS-images die worden bijgewerkt [16](#page=16). Er zijn verschillende OTA-modellen: * **OS-level updates**: Hierbij worden volledige systeemimages bijgewerkt, vaak met behulp van A/B-partities voor een veilige update en rollback [16](#page=16). * **Application-level updates**: Deze richten zich op het bijwerken van specifieke componenten zoals containers, packages of modules [16](#page=16). * **Hybrid OTA**: Een combinatie van een stabiel besturingssysteem met containerized applicaties [16](#page=16). Cruciale vereisten voor succesvolle OTA-updates zijn: * **Betrouwbare rollback**: Mogelijkheid om terug te keren naar een vorige stabiele versie indien de update mislukt [16](#page=16). * **Veiligheid**: Het implementeren van mechanismen zoals signing en verificatie om de integriteit en authenticiteit van updates te waarborgen [16](#page=16). * **Atomische updates**: Updates moeten een "alles of niets" principe volgen, waarbij de update volledig slaagt of mislukt zonder de software in een corrupte staat achter te laten [16](#page=16). --- # Interoperabiliteit en standaarden voor robotvloten Interoperabiliteit is cruciaal voor het effectief laten samenwerken van verschillende robotsystemen en infrastructuur, waarbij standaarden zoals Mass Robotics InterOp, VDA 5050 en Open-RMF een sleutelrol spelen in systeemintegratie [26](#page=26) [31](#page=31). ### 4.1 Het interoperabiliteitsdilemma Het huidige landschap kent veel diverse robotsystemen, maar deze systemen hebben vaak moeite om met elkaar te communiceren. Dit leidt tot een interoperabiliteitsdilemma, waarbij reeds geïnvesteerde middelen in gespecialiseerde systemen de integratie bemoeilijken. De noodzaak voor robots om met elkaar te communiceren is essentieel voor verschillende logistieke taken, zoals transport, schoonmaak en levering, maar ook voor beveiliging en resourcebeheer [26](#page=26) [27](#page=27). ### 4.2 Rollen van standaarden en platformen Verschillende standaarden en platformen trachten dit probleem op te lossen. #### 4.2.1 Robot Fleet Management (RMF) Robot Fleet Management (RMF) is een ecosysteem van oplossingen dat gericht is op het beheren van robotvloten en de integratie met gebouwbeheersystemen. Het omvat componenten zoals een RMF Web interface voor verkeersmanagement, een task dispatcher, een traffic editor, en infrastructuurintegratie. RMF Simulation maakt gebruik van Gazebo voor physics-based simulaties [28](#page=28) [32](#page=32). Het RMF-ecosysteem wordt ondersteund door een breed scala aan spelers, waaronder Solution Providers (SI's), Collaborators en Robot Providers [29](#page=29). #### 4.2.2 Open-RMF Open-RMF is een specifiek initiatief binnen dit ecosysteem dat een open specificatie en referentie-implementatie biedt. Het streeft ernaar systeemintegratie te faciliteren door middel van FOSS (Free and Open Source Software) bibliotheken, modules en een Software Development Kit (SDK) [30](#page=30) [31](#page=31). ##### 4.2.2.1 Architectuur en Integratiemogelijkheden van Open-RMF Open-RMF hanteert een gedistribueerde, op onderhandeling gebaseerde architectuur die ontworpen is om uitbreidbaar te zijn. Het biedt drie primaire integratiemogelijkheden [31](#page=31): 1. **Full Control:** Dit biedt de meest uitgebreide integratie, waarbij het systeem volledige controle heeft over de robot en spontane herplanning en omleidingen op elk moment mogelijk zijn. De SDK zorgt hierbij voor de communicatie met de gebouwbeheer-infrastructuur, zoals deuren en liften [31](#page=31). 2. **Traffic Light:** Een minder verreikende integratie, vergelijkbaar met het beheer van verkeerslichten, waarbij robots op bepaalde "beslissingspunten" kunnen worden hergepland of omgeleid [31](#page=31). 3. **Read-Only:** De meest beperkte vorm van integratie, waarbij het systeem enkel de status van de robot kan observeren. Deze modus is ook nuttig om te zorgen dat geautomatiseerde voertuigen voorrang verlenen aan handmatig bestuurde voertuigen [31](#page=31). ##### 4.2.2.2 Functionaliteiten en Vergelijking met Andere Standaarden Open-RMF onderscheidt zich van andere standaarden op diverse functionele gebieden: * **AGVs (Automated Guided Vehicles):** Open-RMF biedt dezelfde integratiemogelijkheden als AGVs (positie- en statusupdates, commandering via een gedefinieerd grid) [31](#page=31). * **AMRs (Autonomous Mobile Robots):** Voor AMRs ondersteunt Open-RMF dezelfde drie integratiemogelijkheden, met een toekomstige "native integration" in ontwikkeling [31](#page=31). * **Manually driven vehicles:** Open-RMF ondersteunt read-only integratie, wat essentieel is voor de co-existentie met handmatig bestuurde voertuigen [31](#page=31). * **Replanning / Rerouting:** In tegenstelling tot standaarden die dit enkel op "decision points" toestaan, faciliteert Open-RMF's "Full Control" integratie spontane herplanning en omleiding op elk moment [31](#page=31). * **Task Requests:** Open-RMF biedt een geoptimaliseerd dispatchingsysteem voor uitbreidbare taakbeschrijvingen en ondersteunt zowel veiling-achtige taaktoewijzing (in V2) als directe robot-taakverzoeken [31](#page=31). * **Door / Elevator Integration:** Open-RMF (via de SDK in Full Control) neemt de communicatie met gebouwbeheer-infrastructuur voor zijn rekening, een functionaliteit die bij andere standaarden expliciet is uitgesloten of de verantwoordelijkheid is van een "master control" [31](#page=31). #### 4.2.3 Mass Robotics InterOp Mass Robotics InterOp is een andere standaard die een open specificatie en referentie-implementatie biedt. Deze standaard focust op positie- en basis robotstatusupdates voor AGVs. Het sluit AMRs en handmatig bestuurde voertuigen uit van de standaard. Herplanning en omleidingen zijn uitgesloten van deze standaard. Voor task requests komt er in versie 2 een veiling-achtig mechanisme. Integratie met deuren en liften is mogelijk, maar komt in een toekomstige versie [31](#page=31). #### 4.2.4 VDA 5050 VDA 5050 is eveneens een open specificatie die met name gericht is op AGVs, waarbij commando's worden gegeven om door een gedeeld, vooraf bepaald grid te bewegen. Net als Mass Robotics InterOp sluit VDA 5050 AMRs en handmatig bestuurde voertuigen uit. Herplanning en omleiding zijn uitgesloten van de standaard. VDA 5050 ondersteunt geen task requests en laat de integratie met deuren en liften over aan de "master control" [31](#page=31). > **Tip:** Bij het kiezen van een interoperabiliteitsstandaard is het belangrijk om de specifieke behoeften van uw robotvloot en infrastructuur te evalueren, aangezien elke standaard zijn eigen sterke en zwakke punten heeft op het gebied van functionaliteit en toepasbaarheid. > **Example:** Een magazijn dat zowel AGVs voor bulktransport als AMRs voor fijnmazige orderpicking gebruikt, zou baat hebben bij een flexibele oplossing zoals Open-RMF, die zowel verschillende robottypen als geavanceerde taakbeheerfuncties ondersteunt, in tegenstelling tot de meer beperkte AGV-gerichte standaarden zoals VDA 5050 [31](#page=31). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Cloud | Een netwerk van servers die computing resources bieden, zoals opslag en rekenkracht, via internet. Het maakt schaalbaarheid en flexibiliteit mogelijk voor dataverwerking en -opslag. | | Mqtt | Message Queuing Telemetry Transport; een lichtgewicht, event-driven communicatieprotocol dat vaak wordt gebruikt in IoT en voor robotcommunicatie vanwege zijn lage bandbreedteverbruik en betrouwbaarheid op onstabiele netwerken. | | Fleet manager | Softwareapplicatie ontworpen om een groep (vloot) van autonome robots of voertuigen te coördineren, inclusief taaktoewijzing, routeplanning, monitoring van gezondheid en software-updates. | | Opslag | Het proces en de capaciteit om digitale gegevens te bewaren voor toekomstig gebruik. In de cloud variëren opslagtypen van hot storage voor frequente toegang tot cold storage voor langdurige archivering. | | Rekenkracht | De capaciteit van een computer of server om berekeningen uit te voeren en taken te verwerken. Cloudproviders bieden flexibele rekenkracht die kan worden opgeschaald naar behoefte. | | Schaalbaar | Het vermogen van een systeem om effectief om te gaan met een toenemende hoeveelheid werk of het potentieel om te groeien. In de cloud betekent dit dat resources kunnen worden uitgebreid of ingekrompen op basis van de vraag. | | Pas-as-you-go | Een prijsmodel waarbij klanten alleen betalen voor de computing resources die ze daadwerkelijk gebruiken, wat flexibiliteit en kostenefficiëntie biedt. | | Hoge beschikbaarheid | De garantie dat een systeem of dienst operationeel en toegankelijk is gedurende een zeer hoog percentage van de tijd, vaak bereikt door redundantie en fouttolerantie. | | LiDAR | Light Detection and Ranging; een remote sensing methode die laserlicht gebruikt om afstanden te meten en 3D-modellen van de omgeving te creëren, vaak gebruikt in autonome systemen. | | IMU | Inertial Measurement Unit; een elektronisch apparaat dat de oriëntatie, snelheid en hoeksnelheid van een object meet met behulp van versnellingsmeters en gyroscopen. | | GPS | Global Positioning System; een satellietgebaseerd navigatiesysteem dat locatie en tijdsinformatie biedt met wereldwijde dekking. | | MQTT QoS-niveaus | Quality of Service-niveaus in MQTT die de garantie van berichtbezorging specificeren: QoS 0 (at most once), QoS 1 (at least once), en QoS 2 (exactly once). | | OTA (Over The Air) updates | Het proces van het draadloos bijwerken van software, firmware of besturingssystemen op een apparaat, zoals een robot, zonder fysieke toegang. | | Ringbuffer / Circular Logging | Een datastructuur waarbij nieuwe gegevens oudere gegevens overschrijven wanneer de buffer vol raakt. Handig voor het continu vastleggen van telemetrie of sensordata. | | Edge AI preprocessing | Het uitvoeren van kunstmatige intelligentie-algoritmen en dataverwerking dicht bij de bron van de data (de robot), voordat de data naar de cloud wordt gestuurd, om bandbreedte te besparen en latentie te verminderen. | | Event-Based Upload | Een strategie waarbij data alleen naar de cloud wordt geüpload wanneer specifieke gebeurtenissen of incidenten plaatsvinden, in plaats van continu. | | Hot Storage | Opslagtype dat snelle toegang tot data biedt, ideaal voor recent gegenereerde of vaak opgevraagde data, maar met hogere kosten. | | Cold Storage | Opslagtype voor data die zelden wordt geraadpleegd, gekenmerkt door lagere kosten maar langzamere toegangstijden. | | Ros2 bag | Een bestandsformaat in het Robot Operating System (ROS) dat berichten van verschillende topics kan opnemen en opslaan voor latere analyse, debugging en simulatie. | | Interoperabiliteit | Het vermogen van verschillende systemen, apparaten of softwareapplicaties om samen te werken en gegevens uit te wisselen zonder speciale inspanningen van de gebruiker. | | VDA 5050 | Een open standaard die wordt gebruikt voor de communicatie tussen autonome mobiele robots (AMRs) en magazijnmanagementsystemen (WMS) of fleet managers. | | Open-RMF | Een open-source platform dat een referentie-implementatie en bibliotheken biedt voor systeemintegratie tussen meerdere robotvloten en gebouw-infrastructuur. |

# Inleiding tot industriële sensoren en aansturing Dit hoofdstuk introduceert het concept van sensoren binnen automatiseringsprocessen, hun essentiële functies, en de structuur van de cursus, met een focus op hun bijdrage aan betrouwbaarheid, veiligheid en energiebesparing. ### 1.1 De rol van automatisering en sensoren Automatisering, hoewel een complex proces dat veel keuzes vereist, is uiteindelijk mensenwerk. Het opleidingsonderdeel "Industriële sensoren en aansturing" richt zich op het waarnemen van de omgeving en het verwerken van signalen, met als doel studenten in staat te stellen weloverwogen keuzes te maken over sensoren voor specifieke situaties en het omzetten van sensorsignalen naar bruikbare uitgangssignalen [19](#page=19) [21](#page=21). ### 1.2 Functie van sensoren Sensoren, ook wel opnemers of transducers genoemd, meten een fysische grootheid en zetten deze om naar een elektrische grootheid, zoals spanning of stroom. Het resulterende elektrische signaal kan vervolgens verder worden verwerkt door systemen zoals PLC's of pc's. Steeds vaker wordt signaalverwerking, zoals de omzetting van analoge naar digitale signalen, direct in de sensor geïntegreerd [21](#page=21). De niet-elektrische signalen die sensoren kunnen meten, behoren tot diverse domeinen, waaronder: * Temperatuur [21](#page=21). * Druk [21](#page=21). * Kracht [21](#page=21). * Debiet [21](#page=21). * Niveau [21](#page=21). * Positie [21](#page=21). * Licht [21](#page=21). * Straling [21](#page=21). * pH [21](#page=21). ### 1.3 Het belang van sensoren "Meten is weten" is een fundamenteel principe waarbij sensoren een cruciale rol spelen. Ze detecteren fysische, chemische of elektrochemische parameters. Een systeem met meer sensoren kan beter reageren op gebeurtenissen in een productieproces, wat leidt tot een hogere betrouwbaarheid en efficiëntie [21](#page=21). **Voorbeeld:** Op een transportband in een vulinstallatie die 50.000 flessen per uur verwerkt, meten ultrasone sensoren de positie van flessen en de tussenruimte in de flessenstroom. Als de tussenruimte te groot is, wordt de band versneld om een probleemloze vulling en etikettering te garanderen [21](#page=21). Sensoren fungeren als de verbinding tussen het proces, de machine, de buitenwereld en de elektronische besturing. Ze zijn essentieel voor automatiseringsprojecten en worden gebruikt voor diverse taken zoals signaleren, tellen, bewaken, beveiligen, lezen, meten en herkennen [21](#page=21). > **Tip:** Een goede basiskennis van verschillende sensortypes, hun toepassingen, en hoe ze aan te sluiten en in te stellen, is onmisbaar voor iedereen die zich bezighoudt met automatisering. Kortom, sensoren zijn de primaire informatiebronnen voor automatisering [22](#page=22). Door sensoren op meerdere plaatsen in een machine te integreren, kunnen processen beter gecontroleerd worden. Hedendaagse sensortechnologie maakt quasi-continue machinebewaking mogelijk, waardoor afwijkende parameters worden geregistreerd nog voordat een storing optreedt. Dit verhoogt de betrouwbaarheid van machines, maakt proactief onderhoud mogelijk en verlengt de levensduur, wat resulteert in een hogere inzetbaarheid en een beter rendement op de investering [22](#page=22). #### 1.3.1 Veiligheid Veiligheid is een ander cruciaal aspect waarbij sensortechnologie een belangrijke rol speelt. Sensoren die in machines zijn geïntegreerd, hoe klein ook, vallen onder de verantwoordelijkheid van de machinebouwer. Met de toenemende mate van automatisering groeit ook de vraag naar veiligheidssensoren. Deze sensoren worden de "ogen en oren" van de machine en kunnen in bepaalde gevallen zelfs operators vervangen [22](#page=22). #### 1.3.2 Energiebesparing Energiebesparing is een belangrijk aandachtspunt voor industriële bedrijven. Sensortechnologie kan bijdragen aan energiezuinigere aandrijvingen. Hoe meer informatie er wordt verzameld door metingen, hoe efficiënter het productieproces kan worden georganiseerd [22](#page=22). ### 1.4 Leerdoelstellingen De leerdoelstellingen voor "Industriële sensoren en aansturing" zijn als volgt: * De belangrijkste principes van sensoren, signaalconditionering en -verwerking, en beeldherkenning uitleggen [22](#page=22). * Een verantwoorde keuze maken van een geschikte sensor voor een automatiseringsproces [22](#page=22). * Eigenschappen van een sensor afleiden uit de datasheet [22](#page=22). * Een sensor op een correcte manier aansluiten [22](#page=22). ### 1.5 Leermateriaal en cursusopbouw Het leermateriaal omvat een uitgewerkt leerpad met visuele ondersteuning, eenvoudigere schema's, en vraag-antwoord-secties, dat dient als basis voor theorielessen. Daarnaast is er een cursustekst, die gedistribueerd wordt en digitaal beschikbaar is. De cursus bestaat uit 18 uur theorieles, aangevuld met BZL-sessies, en 10 uur laboles waar sensoren praktisch worden aangesloten en uitgetest, inclusief het instellen van parameters en het gebruik van datasheets [23](#page=23). De cursustekst is opgedeeld in drie delen: * **Deel I: Keuze van de geschikte sensor** gaat in op factoren zoals de te meten grootheid, omgeving, medium en procesomstandigheden [23](#page=23). * Hoofdstuk 2: Karakteristieken van sensoren [23](#page=23). * Hoofdstuk 3: Eigenschappen van te onderzoeken media [23](#page=23). * **Deel II: Werking van sensoren** beschrijft het werkingsprincipe van veelgebruikte sensoren [23](#page=23). * Hoofdstuk 4: Debietsensoren [23](#page=23). * Hoofdstuk 5: Kracht- en druksensoren [23](#page=23). * Hoofdstuk 6: Temperatuursensoren [23](#page=23). * Hoofdstuk 7: Licht- en kleursensoren [23](#page=23). * Hoofdstuk 8: Positiesensoren [23](#page=23). * Hoofdstuk 9: Niveausensoren [23](#page=23). * **Deel III: Inbouw van sensoren in een meetsysteem** behandelt de verwerking van meetsignalen, zoals ontstoring, signaalconditionering en -verwerking (filtering, versterking, AD-omzetting), en beeldherkenning [24](#page=24). * Hoofdstuk 10: Ontstoring [24](#page=24). * Hoofdstuk 11: Signaalconditionering en -verwerking [24](#page=24). * Hoofdstuk 12: Intelligente sensoren [24](#page=24). * Hoofdstuk 13: Beeldherkenning en machine learning [24](#page=24). Aan het einde van de hoofdstukken bevinden zich opdrachten, verwerkingsvragen en zelftoetsvragen. Opdrachten dienen thuis opgelost te worden, terwijl zelftoetsen studenten helpen hun begrip te controleren [23](#page=23). Intermezzo's met artikelen over sensoren en hun toepassingen in verschillende talen zijn opgenomen om studenten te laten kennismaken met internationale terminologie. De cursus wordt afgesloten met bijlagen, waaronder de studiefiche, oplossingen voor opdrachten, tips voor zelftoetsen, en een formularium [24](#page=24). ### 1.6 Conclusie Sensortechnologie is onmisbaar in de moderne machinebouw en zorgt voor grotere betrouwbaarheid, meer veiligheid en efficiënter energieverbruik. Het aantal verkochte sensoren neemt jaarlijks toe. Sensoren meten een fysische grootheid en zetten deze om naar een elektrische grootheid. Zowel de sensoren zelf als de signaalverwerking komen aan bod in dit opleidingsonderdeel [24](#page=24) [25](#page=25). --- # Karakteristieken en classificatie van sensoren Dit deel van het studiemateriaal focust op de classificatie van sensoren en hun fundamentele eigenschappen, wat essentieel is voor de selectie van de juiste sensor voor een specifieke toepassing [31](#page=31). ### 2.1 Indeling van sensoren Sensoren kunnen op verschillende manieren worden ingedeeld om hun diversiteit te structureren en de keuze ervan te vergemakkelijken. De voornaamste indelingen zijn gebaseerd op de te meten grootheid, het meetprincipe, het uitgangssignaal en de aansluiting [31](#page=31). #### 2.1.1 Naargelang de fysische meetgrootheid Sensoren worden gecategoriseerd op basis van het type fysische grootheid dat ze meten. Deze omvatten [31](#page=31): * **Geometrische of plaatsgrootheden:** Metingen gerelateerd aan positie, beweging en afmetingen, zoals afstand, positie, hoek, snelheid en versnelling [31](#page=31). * **Dynamometrische grootheden of krachtgrootheden:** Grootheden die kracht, druk, moment of massa betreffen [31](#page=31). * **Stromingsgrootheden:** Metingen van de flow van vloeistoffen of gassen, zoals massadebiet, volumetrisch debiet en warmtestromen [31](#page=31). * **Omgevingsgrootheden:** Metingen van omgevingsfactoren, zoals temperatuur, lichtintensiteit, radioactiviteit en pH-waarde [31](#page=31). #### 2.1.2 Naargelang het fysisch meetprincipe Deze classificatie groepeert sensoren op basis van het onderliggende fysische principe dat wordt gebruikt om de meting uit te voeren. De belangrijkste typen zijn [31](#page=31): * **Resistieve sensoren:** Maken gebruik van veranderingen in elektrische weerstand. Voorbeelden zijn rekstrookjes, potentiometrische opnemers en piëzo-resistieve sensoren. De weerstand ($R$) van een geleidend materiaal wordt gegeven door de formule $R = \rho \frac{l}{A}$, waarbij $\rho$ de specifieke weerstand, $l$ de lengte en $A$ de dwarsdoorsnede is [32](#page=32). * **Potentiometrische sensoren:** De weerstand is evenredig met de lengte, waarbij de te meten grootheid direct de positie van het aftakkingspunt van de potentiometer beïnvloedt [32](#page=32). * **Rekstrookjes:** Veranderingen in kracht beïnvloeden zowel de lengte als de doorsnede van de geleider [32](#page=32). * **Piëzo-resistieve sensoren:** De weerstand van een materiaal verandert onder invloed van druk [32](#page=32). * **Meetbruggen:** De weerstandsveranderingen worden vaak gemeten met behulp van meetbruggen, zoals de Wheatstonebrug [32](#page=32). * **Gebalanceerde brug:** Vereist aanpassing van een instelbare weerstand ($R_1$) om de brug weer in evenwicht te brengen (nulmethode) [32](#page=32). * **Ongebalanceerde brug:** Meet de uitgangsspanning ($u_u$) direct, die bij benadering evenredig is met de weerstandsverandering ($\Delta R$) via de formule $u_u \approx u_i \frac{\Delta R}{4R}$ [32](#page=32). * **Actieve brug:** Gebruikt een verschilversterkerschakeling en resulteert in een uitgangsspanning die een factor 2 groter is dan bij een standaard ongebalanceerde brug [33](#page=33). * **Capacitieve sensoren:** Kenmerken zich door een eenvoudige mechanische constructie en hoge gevoeligheid, maar vereisen complexere elektronica voor signaal linearisatie. De capaciteit ($C$) van een parallelplatencondensator wordt gegeven door $C = \epsilon_0 \epsilon_r \frac{A}{d}$, waarbij $\epsilon_0$ de permittiviteit van vacuüm, $\epsilon_r$ de relatieve permittiviteit, $A$ de plaat-oppervlakte en $d$ de afstand tussen de platen is. Veranderingen kunnen optreden door variatie in afstand, oppervlakte of het diëlektricum. Methoden voor capaciteitsmeting omvatten brugimpedantiemeting, opamp-circuits, frequentiemeting en tijdsmeting [33](#page=33) [34](#page=34). * **Inductieve sensoren:** Gebruiken parameters zoals veldsterkte, flux, zelfinductie en wederzijdse inductie die afhankelijk zijn van de constructie van de spoel en de te meten grootheid. Ze kunnen contactloos meten [34](#page=34). * **Hall-effect sensoren:** Genereren een spanning evenredig met de magnetische veldsterkte [34](#page=34). * **Magnetische verplaatsingssensoren:** Meten de sterkte van een magneetveld dat afhangt van de afstand, zoals variabele reluctantie- en wervelstroomsensoren [34](#page=34). * **Transformatorische verplaatsingssensoren:** Omvatten de Lineair Variabele Differentiële Transformator (LVDT) en de inductosyn voor lineaire metingen, en synchro's en resolvers voor hoekmetingen [34](#page=34). * **Inductieve naderingsschakelaars:** Detecteren geleidende voorwerpen door veranderingen in het elektromagnetisch veld van een spoel [34](#page=34). * **Optische sensoren:** Werken met een lichtbron, ontvanger en transmissiemedium. Ze zijn gevoelig voor variaties in transmissie, reflectie, absorptie, verstrooiing of breking van licht. Voordelen zijn immuniteit voor elektromagnetische storing en verhoogde veiligheid in explosiegevaarlijke omgevingen. Nadelen zijn gevoeligheid voor omgevingslicht en vervuiling [35](#page=35). * **Piëzo-elektrische sensoren:** Benutten het piëzo-elektrisch effect waarbij mechanische vervorming een oppervlaktelading genereert die evenredig is met de kracht. De lading ($Q$) gerelateerd aan capaciteit ($C$) en spanning ($U$) is $Q=CU$. Ze zijn robuust en geschikt voor druk- of krachtopnemers, en versnellingsopnemers. Statische metingen zijn niet mogelijk door ladingsverlies, en ze zijn gevoelig voor temperatuurvariaties [35](#page=35) [36](#page=36). * **Ultrasone sensoren:** Gebruiken geluidsgolven met frequenties hoger dan 18 kHz. Ze bieden betere focusseerbaarheid, onhoorbaarheid en de mogelijkheid om door metaal te meten, wat handig is voor explosieve vloeistoffen en detectie van scheuren. Ze bestaan uit een bron, ontvanger en medium, waarbij piëzo-elektrische kristallen vaak worden gebruikt. Akoestische systemen zijn vaak gebaseerd op looptijdmetingen en zijn gevoeliger voor mediumeigenschappen dan optische systemen [36](#page=36) [37](#page=37). * **Chemische sensoren:** Meet het signaal op basis van de chemische samenstelling of reactie van het product. Voorbeelden zijn pH-metingen. Deze worden buiten het bestek van dit document behandeld [37](#page=37). #### 2.1.3 Naargelang het uitgangssignaal Sensoren kunnen ook worden ingedeeld op basis van het type uitgangssignaal dat ze genereren [37](#page=37). * **Directe sensoren:** Zetten de meetgrootheid direct om in een stroom- of spanningssignaal, zoals een tachometer die een toerental-evenredige spanning genereert [37](#page=37). * **Indirecte sensoren:** Converteren de meetgrootheid eerst naar een tussenliggende grootheid die vervolgens wordt omgezet in een elektrisch signaal. Een lichtgevoelige weerstand is een voorbeeld, waarbij de weerstandswaarde eerst gemeten moet worden alvorens omgezet te worden naar een bruikbaar signaal [37](#page=37). * **Schakelsensoren:** Detecteren of een meetgrootheid een bepaalde drempelwaarde overschrijdt en genereren een digitaal (aan/uit) signaal. Ze werken vergelijkbaar met transistors [37](#page=37). * **NPN-sensoren:** Schakelen de belasting tussen de sensor en de massa ('sinking'). Een voldoende basisstroom is vereist, met de emittor verbonden aan massa [38](#page=38). * **PNP-sensoren:** Schakelen de belasting tussen de sensor en de voedingsspanning ('sourcing'). Ze worden geactiveerd door een stroom tegengesteld aan de pijl op het schema, met de emittor verbonden aan de voedingsspanning [38](#page=38). #### 2.1.4 Naargelang de aansluiting De manier waarop sensoren worden aangesloten, varieert sterk en kan invloed hebben op de meetnauwkeurigheid [38](#page=38). * **Draadconfiguraties:** Sensoren kunnen variëren in het aantal uitgangsdraden (bv. tweedraads, driedraads, vierdraads) [38](#page=38). * **Pt100-voorbeelden:** Een Pt100-temperatuursensor, die een toenemende weerstand heeft met temperatuur (100 $\Omega$ bij 0 °C tot 139 $\Omega$ bij 100 °C) bestaat in 2-, 3- en 4-draadse uitvoeringen [39](#page=39). * **2-draadse uitvoering:** Meet de weerstand van de sensor plus de weerstand van de kabel, wat onnauwkeurigheid kan veroorzaken [40](#page=40). * **3-draadse uitvoering:** Meet de weerstand van de sensor plus kabel en de weerstand van de kabel apart, waarna deze van elkaar worden afgetrokken om de sensorweerstand nauwkeurig te bepalen. Dit vereist draden van gelijke lengte en dikte [40](#page=40). * **4-draadse uitvoering:** Gebruikt een extra paar draden om de spanning over de Pt100 te meten, terwijl een kleine stroom door de sensor wordt gestuurd. Dit compenseert ook de overgangsweerstand aan de klemmen voor zeer nauwkeurige metingen [40](#page=40). * **Connectoren:** De M12-connector is een veelgebruikt type voor 2- tot 19-draadse aansluitingen [40](#page=40). * **IO-Link:** Een gestandaardiseerde, bidirectionele communicatie-interface voor sensoren en actuatoren. Het systeem bestaat uit een IO-Link master en een IO-Link device. Meetsignalen worden gedigitaliseerd in de sensor en via een standaardkabel naar de master gestuurd, die ze weer omzet. IO-Link maakt ook externe parametrisering mogelijk. Het werkt met een onafgeschermde 3-draadse kabel, vaak M12. Het ondersteunt zowel binaire schakelsignalen als analoge waarden, en andere informatie zoals parameters en diagnostiek. Een groot voordeel is het eenvoudig herladen van parameters na sensorvervanging [41](#page=41) [42](#page=42) [43](#page=43). ### 2.2 Eigenschappen van sensoren De kenmerken van een sensor bepalen de prestaties en geschiktheid voor een bepaalde toepassing [43](#page=43). * **Nauwkeurigheid (Accuracy):** De mate waarin de gemeten waarde overeenkomt met de werkelijke waarde. Een hogere nauwkeurigheid betekent een kleinere mogelijke fout [43](#page=43). * **Precisie (Precision):** De willekeurige spreiding van gemeten waarden rond het gemiddelde [43](#page=43). * **Resolutie (Resolution):** Het kleinst mogelijke onderscheid tussen twee verschillende meetwaarden dat een meetsysteem kan detecteren. Resolutie staat los van nauwkeurigheid [43](#page=43). * **Gevoeligheid (Sensitivity):** Geeft aan in welke mate het uitgangssignaal van de sensor verandert bij een wijziging van de meetgrootheid. Het is de helling van de ijkkromme, uitgedrukt in bijvoorbeeld Volts per graad Celsius ($V/°C$) voor een temperatuursensor [43](#page=43) [44](#page=44). * **Lineariteit (Linearity):** Een sensor werkt lineair als de ijkkromme een rechte lijn is, waarbij de gevoeligheid constant is [44](#page=44). * **Bereik (Range):** Het gebied waarbinnen de waarde van de te meten grootheid kan liggen [44](#page=44). * **Werkingsgebied (Operating range):** Definieert de omgevingsomstandigheden (bv. temperatuur, druk) waarin de sensor betrouwbaar functioneert [44](#page=44). --- # Eigenschappen van te onderzoeken media en stromingseigenschappen De keuze van een sensor hangt in grote mate af van de eigenschappen van de te onderzoeken stof en de stromingskarakteristieken [51](#page=51). ### 3.1 Aggregatietoestand Stoffen kunnen in drie aggregatietoestanden voorkomen: vast, vloeibaar en gasvormig. Deze fasen worden bepaald door de temperatuur en de afstand tussen de moleculen [51](#page=51). * **Vast:** Een vaste stof heeft bij een gegeven temperatuur een eigen volume en vorm. De moleculen zitten op vaste posities, trekken elkaar aan en bewegen nauwelijks. Bij verhitting kan een vaste stof smelten tot een vloeistof of direct overgaan in gasvorm door sublimatie [51](#page=51). * **Vloeibaar:** Een vloeistof heeft een eigen volume, maar neemt de vorm van het vat aan. De moleculen bewegen door elkaar, maar blijven redelijk dicht bij elkaar. Bij verhitting kan een vloeistof verdampen tot een gas, en bij verlaging van de temperatuur stollen tot een vaste stof [52](#page=52). * **Gas:** Een gas past zowel volume als vorm aan het vat aan. De moleculen bewegen vrij en zitten ver van elkaar, waardoor de onderlinge aantrekking minimaal is. Bij sterke afkoeling kan een gas rijpen of desublimeren tot een vaste stof, of condenseren tot een vloeistof [52](#page=52). Op het kritische punt is er geen verschil meer tussen de vloeistof- en gasfase, waarbij de stof superkritisch wordt [53](#page=53). ### 3.2 Karakteristieken van een stof Verschillende fysische eigenschappen van stoffen zijn cruciaal voor de sensorselectie [53](#page=53). #### 3.2.1 Densiteit of dichtheid De densiteit (of dichtheid) is de massa van een stof per volume-eenheid en wordt uitgedrukt in kg/m³ [53](#page=53). > **Voorbeeld:** De densiteit van ijzer is 7860 kg/m³, terwijl lucht slechts 1,29 kg/m³ heeft (bij 0 °C en 1 bar) [53](#page=53). #### 3.2.2 Viscositeit of stroperigheid Viscositeit beschrijft de stroperigheid of traagvloeibaarheid van een fluïdum, oftewel de weerstand tegen vervorming door schuifspanning. De dynamische viscositeit wordt uitgedrukt in Pa.s, en de kinematische viscositeit in m²/s [53](#page=53). > **Voorbeeld:** Water heeft een lage viscositeit (1 mPa.s bij 20 °C), terwijl honing een hoge viscositeit heeft (10000 mPa.s) [54](#page=54). #### 3.2.3 Corrosiviteit Corrosiviteit is de eigenschap van een stof om andere stoffen waarmee het in contact komt te vernietigen of beschadigen. Dit kan leiden tot brandwonden op de huid of schade bij inademing. Sterke zuren en basen zijn voorbeelden van corrosieve stoffen [54](#page=54). #### 3.2.4 Conductiviteit of elektrische geleidbaarheid De conductiviteit (elektrische geleidbaarheid) is het vermogen van een stof om elektrische stroom te geleiden en wordt uitgedrukt in siemens per meter (S/m). Temperatuur beïnvloedt de geleidbaarheid; hogere temperaturen leiden tot hogere geleiding [54](#page=54). > **Voorbeeld:** Zeewater heeft een veel hogere conductiviteit (54000 μS/cm) dan gedestilleerd water (1 μS/cm) bij 25 °C [55](#page=55). #### 3.2.5 Relatieve permittiviteit of diëlektrische constante Permittiviteit beschrijft hoe een medium een elektrisch veld beïnvloedt en is een maat voor het vermogen van een materiaal om te polariseren. De relatieve permittiviteit ($\epsilon_r$) is een dimensieloos getal dat aangeeft hoe veel maal groter de permittiviteit van een stof is vergeleken met vacuüm. Een hogere permittiviteit verhoogt de capaciteit van een condensator, mits het diëlektricum niet geleidt [55](#page=55). > **Voorbeeld:** Water heeft een hoge diëlektrische constante (78,5), terwijl lucht slechts 1,00056 heeft [55](#page=55). #### 3.2.6 Abrasiviteit Abrasiviteit beschrijft het vermogen van een stof om oppervlakken weg te slijten door mechanische werking, vaak door de aanwezigheid van kleine, harde deeltjes. Tandpasta en zandstraalmiddelen zijn voorbeelden van abrasieve materialen [55](#page=55) [56](#page=56). #### 3.2.7 Percentage vaste stof en grootte van de korrels De hoeveelheid en grootte van vaste deeltjes in een vloeistof of gas hebben ook invloed op de sensorselectie [56](#page=56). ### 3.3 Stromingseigenschappen De stromingseigenschappen van een medium zijn van belang bij het meten van debieten. Er wordt onderscheid gemaakt tussen laminaire en turbulente stroming [56](#page=56). #### 3.3.1 Laminaire stroming Bij laminaire stroming bewegen de lagen van het medium zich parallel ten opzichte van elkaar. Er is weinig tot geen stroming loodrecht op de hoofdstroom, en deeltjes bewegen in rechte, niet-gemengde stroomlijnen. Dit type stroming komt voor bij hoog-viskeuze vloeistoffen en wordt niet beïnvloed door de ruwheid van de pijpwand [56](#page=56). #### 3.3.2 Turbulente stroming Turbulente stroming kenmerkt zich door wervels en veel stroming loodrecht op de hoofdstroom, wat leidt tot menging van deeltjes. Dit type stroming treedt op bij hogere snelheden en lagere viscositeiten, zoals bij water. De ruwheid van de pijpwand heeft hierbij veel invloed op het weerstandsverlies [56](#page=56). #### 3.3.3 Reynoldsgetal Het Reynoldsgetal ($Re$) is een dimensieloos getal dat de overgang tussen laminaire en turbulente stroming karakteriseert. Het wordt berekend met de volgende formule [57](#page=57): $$Re = \frac{v \cdot d_i \cdot \rho}{\eta}$$ Waarbij: * $v$: stroomsnelheid [57](#page=57). * $d_i$: inwendige diameter van de pijp [57](#page=57). * $\rho$: densiteit [57](#page=57). * $\eta$: viscositeit [57](#page=57). De overgang van laminaire naar turbulente stroming vindt plaats rond $Re = 2320$. Voor zuiver laminaire stroming geldt $Re < 2000$, en voor zuiver turbulente stroming $Re > 4000$ [57](#page=57). Debietmeters zijn doorgaans ontworpen voor turbulente stromingen, omdat deze in gesloten leidingen het meest voorkomen (95%). In turbulente stroming is de stroomsnelheid overal gelijk, wat de debietsbepaling vereenvoudigt [57](#page=57). #### 3.3.4 In- en uitlooplengte Debietmeters vereisen vaak een specifieke in- en uitlooplengte van rechte buis vóór en na het meetinstrument. Deze lengtes (typisch vijfmaal de buisdiameter voor inloop en tweemaal voor uitloop) zorgen ervoor dat het stromingsprofiel overeenkomt met het profiel waarop de meter is gekalibreerd, wat de meetnauwkeurigheid waarborgt [57](#page=57) [58](#page=58). ### 3.4 Procesomstandigheden Naast de eigenschappen van de stof en de stroming, hebben ook procesomstandigheden zoals druk en temperatuur invloed op de sensorselectie. Omgevingsfactoren, zoals een explosieve omgeving, beperken de keuze van sensortypes [58](#page=58). ### 3.5 Besluit De keuze van een sensor is een complex proces dat rekening houdt met diverse factoren: aggregatietoestand, fysische en chemische eigenschappen van de stof, stromingseigenschappen en procesomstandigheden. Er bestaat geen universeel "beste" sensor; de keuze moet altijd specifiek aangepast worden aan de meettoepassing [58](#page=58). --- # Specifieke sensortypes en hun werkingsprincipes Debietsensoren meten de flow van vloeistoffen of gassen en kunnen zowel het volumedebiet ($q_V$) als het massadebiet ($q_m$) bepalen. Het verband tussen beide is afhankelijk van de dichtheid ($\rho$) van het medium: $q_m = \rho q_V$. Voor samendrukbare gassen is dit verband complexer en wordt vaak rekening gehouden met de bedrijfstoestand (druk $p$, temperatuur $T$) of het debiet herleid tot normaalvoorwaarden via de universele gaswet: $\frac{pV}{T} = nR$. De meeste debietsensoren meten het volumedebiet, met uitzondering van de Coriolis-massadebietsensor die direct het massadebiet meet [65](#page=65). ### 4.1 Coriolis-massadebietsensor Deze sensor meet direct het massadebiet door gebruik te maken van het Coriolis-effect. Een vibrerende buis waarin het medium stroomt, veroorzaakt een faseverschuiving tussen de vibraties in het in- en uitgaande deel. Deze faseverschuiving is recht evenredig met de doorstromende massa. Moderne meters zijn vaak dubbel U-vormig om externe trillingen te compenseren [66](#page=66). * **Voordelen:** Meet direct massadebiet, ongeacht dichtheid of aanwezigheid van luchtbellen; zeer nauwkeurig (tot 0,1%); kan voor hoge drukken (tot 1000 bar) gebruikt worden; heeft geen in- of uitlooplengte nodig [67](#page=67). * **Nadelen:** Duur [76](#page=76). ### 4.2 Elektromagnetische debietsensor Deze sensor werkt volgens de wet van Faraday: een geleider (de vloeistof) die door een magnetisch veld beweegt, wekt een elektrische spanning op die evenredig is met de snelheid [67](#page=67). * **Toepassing:** Enkel bruikbaar voor geleidende vloeistoffen zoals water, melk, of bier [67](#page=67). * **Opbouw:** Geïsoleerde inox buis met elektroden [67](#page=67). ### 4.3 Meetflens, diafragma en verschildrukmeting Deze methodes zijn gebaseerd op de wet van Bernoulli en het behoud van energie. Een vernauwing in de leiding (meetflens, diafragma) veroorzaakt een drukverschil ($\Delta p$) dat kwadratisch toeneemt met het volumedebiet ($q_V$). Het debiet kan berekend worden met de formule $q_V = C A_2\sqrt{p_1 - p_2}$, waarbij $C$ een verliescoëfficiënt is, $A_2$ de doorsnede van de vernauwing, en $p_1 - p_2$ het gemeten drukverschil (#page=68, 69) [68](#page=68) [69](#page=69). * **Diafragma/Meetflens:** Eenvoudig te vervaardigen en installeren, maar veroorzaakt een aanzienlijk blijvend drukverlies en beïnvloedt de meting zelf (#page=69, 75). Vereist in- en uitloop [69](#page=69) [75](#page=75). * **Stuwbuis:** Robuuster en gestroomlijnder dan een meetflens, resulterend in kleiner drukverlies en betere erosiebestendigheid [70](#page=70). * **Venturibuis:** Gelijk principe als meetflens en stuwbuis, maar met een geleidelijk versmallende en verbredende pijpdoorgang. Het blijvend drukverlies is hier verwaarloosbaar [70](#page=70). ### 4.4 Turbinedebietmeter Plaatst een schoepenwiel in de stroming; de rotatiesnelheid is evenredig met de stromingssnelheid [70](#page=70). * **Nadelen:** Roterende delen vereisen veel onderhoud; nog weinig gebruikt, behalve voor aardgasmetingen (#page=70, 71) [70](#page=70) [71](#page=71). * **Nauwkeurigheid:** Hoog (tot 0,1%) [75](#page=75). ### 4.5 Ultrasone debietsensor Deze sensoren kunnen uitwendig op de buis gemonteerd worden zonder het proces te onderbreken [71](#page=71). * **Werkingsprincipes:** * **Looptijd:** De looptijd van een ultrasone golf is afhankelijk van de bewegingssnelheid van de vloeistof [72](#page=72). * **Dopplereffect:** Frequentieverschil tussen uitgezonden en ontvangen signaal hangt af van de relatieve snelheid van de vloeistof [72](#page=72). * **Voordelen:** Geschikt voor vloeistoffen met vaste deeltjes of corrosieve vloeistoffen; kan uitwendig gemonteerd worden (#page=71, 75) [71](#page=71) [75](#page=75). * **Nadelen:** Zeer duur. Vereist meerdere geluidspaden voor optimale nauwkeurigheid [72](#page=72). ### 4.6 Vortexdebietsensor Wanneer een hindernis in een stromend medium wordt geplaatst, ontstaan er wervelingen (vortices) in tegenfase. De frequentie van deze wervelingen is evenredig met de stroomsnelheid [72](#page=72). * **Voorwaarden:** Minimumsnelheid is vereist om vortices te creëren; viscositeit mag niet te hoog zijn [72](#page=72). * **Detectie:** Thermistoropnemers (afkoeling), ultrasoonsensoren (wisselend pad), of druksensoren (wisselende druk) [73](#page=73). * **Nauwkeurigheid:** Typisch 0,75% voor vloeistoffen, 1,5% voor gassen [75](#page=75). * **Nadelen:** Vereist in- en uitlooplengtes; niet geschikt voor vloeistoffen met grote viscositeit (#page=73, 75) [73](#page=73) [75](#page=75). ### 4.7 Rotameter Een eenvoudige en goedkope methode die bestaat uit een conische buis met een vlotter. De positie van de vlotter in de buis is een maat voor het debiet [73](#page=73). * **Voordelen:** Lage kostprijs; kan gebruikt worden in extreme omstandigheden (bv. vloeibare stikstof) (#page=73, 76) [73](#page=73) [76](#page=76). * **Nadelen:** Beperkte nauwkeurigheid (1% tot 5%); druk en temperatuur beïnvloeden de meting; viscositeitsafhankelijk boven bepaalde waarden (#page=73, 76) [73](#page=73) [76](#page=76). * **Installatie:** Altijd verticaal te installeren [73](#page=73). --- ## 5. Kracht- en druksensoren Druk is gedefinieerd als de kracht per oppervlakte-eenheid: $p = \frac{F}{A}$. Bij drukmetingen is het belangrijk om de referentie aan te geven (overdruk, relatieve druk, absolute druk). Druk wordt veelal uitgedrukt in bar of Pascal (Pa). Druksensoren worden ook gebruikt om andere fysische grootheden te meten, zoals temperatuur, niveau en debiet [79](#page=79). ### 5.1 Elastische vervormingssensoren Deze sensoren gebruiken een meetelement (Bourdonveer, balg, membraan) dat elastisch vervormt onder invloed van druk. De verplaatsing is evenredig met de druk binnen het elastische gebied [79](#page=79). ### 5.2 Piëzo-elektrische druksensoren Druk op een kristal genereert een potentiaalverschil dat evenredig is met de druk. Geschikt voor dynamische metingen, maar temperatuurgevoelig en vereisen speciale bekabeling en versterkers [79](#page=79) [88](#page=88). ### 5.3 Capacitieve druksensoren Deze sensoren meten de verandering in capaciteit die ontstaat door druk. * **Olievrije drukopnemer:** Bestaat uit keramische platen; druk verkleint de afstand tussen de platen, wat de capaciteit verhoogt. Robuust, stabiel, hoge nauwkeurigheid en lage temperatuurcoëfficiënt [80](#page=80) [88](#page=88). * **Oliegevulde verschildrukopnemer:** Twee meetkamers met olie; drukverhoging aan één zijde verplaatst het membraan, wat leidt tot capaciteitsverandering. Geschikt voor zeer kleine meetbereiken en hoge statische drukken (#page=80, 81, 88) [80](#page=80) [81](#page=81) [88](#page=88). ### 5.4 Resistieve druksensoren (Rekstrookjes) Deze sensoren maken gebruik van rekstrookjes die de rek (vervorming) van een object meten. De weerstandsverandering ($\Delta R$) van een rekstrookje is gerelateerd aan de rek ($\epsilon$) en de rekfactor ($k$): $\Delta R / R \approx k \epsilon$ (#page=82, 83). Voor metaalrekstrookjes is $k \approx 2$, terwijl voor halfgeleiderrekstrookjes $k$ veel hoger is (orde van 130) vanwege het piëzo-resistieve effect, maar ze zijn wel temperatuurafhankelijk (#page=83, 88) [82](#page=82) [83](#page=83) [88](#page=88). #### 5.4.1 Brugschakelingen met rekstrookjes Rekstrookjes worden vaak in een Wheatstone-brugschakeling geplaatst om de weerstandsverandering nauwkeurig te meten en temperatuursinvloeden te compenseren. * **Kwartbrugschakeling:** Één rekstrookje; gevoelig voor temperatuur [84](#page=84). * **Halve brugschakeling:** Twee rekstrookjes (één actief, één 'dummy') om temperatuursinvloed te compenseren (#page=84, 85). Kan met twee actieve rekstrookjes een dubbele gevoeligheid geven [84](#page=84) [85](#page=85). * **Volle brugschakeling:** Vier rekstrookjes; temperatuur gecompenseerd en hogere gevoeligheid (4x die van een kwartbrug) (#page=85, 86) [85](#page=85) [86](#page=86). **Toepassingen:** Meten van vervormingen, krachten, druk (via drukdozen) [86](#page=86). --- ## 6. Temperatuursensoren Temperatuur wordt gemeten in graden Celsius (°C), Kelvin (K) of Fahrenheit (°F). De Kelvin-schaal heeft het absolute nulpunt (0 K) als laagste temperatuur [95](#page=95). ### 6.1 Thermokoppel Bestaat uit twee verschillende metalen; een potentiaalverschil ontstaat over het contactvlak, dat afhankelijk is van de temperatuur [95](#page=95). * **Werking:** Een temperatuurverschil tussen de 'warme' en 'koude' las genereert een thermospanning. Om een nauwkeurige meting te doen, moet de temperatuur van de koude las bekend zijn (koude-las-compensatie) (#page=96, 97) [96](#page=96) [97](#page=97). * **Voordelen:** Groot temperatuurbereik (tot 1700 °C) . * **Nadelen:** Beperkte nauwkeurigheid; vereist referentietemperatuur; lage gevoeligheid (10-50 μV/°C) (#page=96, 104) [96](#page=96). * **Toepassingen:** Hoge temperaturen, gasboilers (waakvlamdetectie) [98](#page=98). ### 6.2 Thermische weerstanden (Weerstandsthermometer) Materialen met een grote temperatuurcoëfficiënt waarvan de weerstand verandert met de temperatuur [98](#page=98). * **Platinaweerstandsthermometer (Pt100):** Meest gebruikt; zeer nauwkeurig en reproduceerbaar; levert een lineair verband tussen weerstand en temperatuur (#page=99, 104) [99](#page=99). * **Voordelen:** Hoge nauwkeurigheid, stabiliteit, lineaire respons . * **Nadelen:** Klein temperatuurbereik (tot 850 °C); trage responstijd door grotere afmetingen . ### 6.3 Thermistor Halfgeleidermateriaal waarvan de resistiviteit sterk afhankelijk is van de temperatuur [100](#page=100). * **NTC (Negatieve Temperatuurcoëfficiënt):** Weerstand daalt bij stijgende temperatuur. * **PTC (Positieve Temperatuurcoëfficiënt):** Weerstand stijgt bij stijgende temperatuur. * **Voordelen:** Grote weerstandsverandering per graad Celsius (100-2000 Ω/°C), waardoor kabelweerstand verwaarloosbaar is . * **Nadelen:** Minder lineair verband tussen temperatuur en weerstand dan Pt100 (#page=100, 104); fragieler dan thermokoppels [100](#page=100) . ### 6.4 Transistortemperatuursensor De basis-emittor-spanning van een transistor is temperatuurafhankelijk. Meestal worden twee identieke transistoren gebruikt om de invloed van de collectorstroom te elimineren . * **Toepassing:** Bewaking van componenttemperatuur in computers . * **Bereik:** Beperkt temperatuurgebied (-40 °C tot 120 °C) . ### 6.5 Pyrometer (Infraroodmeter) Meet de hoeveelheid uitgestraalde infraroodenergie van objecten boven het absolute nulpunt . * **Voordelen:** Zeer kleine responstijd; meting op afstand zonder contact (#page=102, 104) . * **Nadelen:** Minder nauwkeurig (maximaal 1,0 °C); emissiviteit van het oppervlak is van invloed (#page=102, 104) . ### 6.6 Bimetaalopnemer Bestaat uit twee metalen met verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten die samen een strip vormen. Temperatuur veroorzaakt kromming . * **Voordelen:** Niet gevoed te worden, dus werkt bij stroomuitval; eenvoudig (#page=103, 104) . * **Nadelen:** Relatief traag (responstijd tot 1 minuut) (#page=103, 104) . --- ## 7. Licht- en kleursensoren Lichtsensoren meten lichtsterkte, verlichtingssterkte of luminantie. Kleursensoren detecteren de kleur van een object door de intensiteit van gereflecteerd licht in verschillende golflengtebereiken te meten . ### 7.1 Lichtgevoelige weerstand (LDR) De weerstand van een LDR daalt bij toenemende lichtintensiteit. * **Materiaal:** Meestal cadmiumsulfide . * **Nadelen:** Trage reactie (grote tijdsconstante); hysteresis; niet geschikt voor nauwkeurige lichtmetingen (#page=109, 117) . ### 7.2 Fotocel Een vacuüm- of gasgevulde elektronenbuis die werkt op basis van het foto-elektrisch effect. Lichtemissie van elektronen vanuit een kathode naar een anode is evenredig met de lichtsterkte. Tegenwoordig vervangen door fotodiodes en fototransistoren . ### 7.3 Fotodiode Een diode die in omgekeerde geleiding komt bij blootstelling aan licht. De spanning-stroomkarakteristiek is lichtafhankelijk . * **Voordelen:** Nauwkeurig, snelle reactie, lineaire karakteristiek (beter dan LDR) (#page=111, 117) . * **Nadelen:** Zelf geen spanning opgewekt, vereist externe spanningsbron (#page=111, 117). Gevoelig voor specifieke lichtfrequenties (kleuren) . ### 7.4 Fotovoltaïsche cel Genereert zelf een spanning wanneer licht erop valt; zet lichtenergie om in elektrische energie . * **Toepassing:** Zonnecellen . ### 7.5 Fototransistor Een combinatie van een fotodiode en een transistor. Licht op de basis genereert een basisstroom die een grotere collectorstroom regelt . * **Voordelen:** Hogere gevoeligheid dan fotodiodes door interne versterking . * **Nadelen:** Gevoelig voor specifieke golflengtes (spectrum); heeft nog steeds een 'dark current' . ### 7.6 Kleursensoren Gebruiken lichtdetectoren met filters om kleuren te onderscheiden. * **Principes:** * **Specifieke kleur belichting:** Object reflecteert licht van dezelfde kleur als de bron. * **Wit licht belichting:** Gereflecteerd licht wordt gesplitst (RGB) en door detectoren met kleurfilters gemeten. * **RGB-systeem:** Gebruikt rood, groen en blauw filters. Nadeel: 2/3 lichtverlies (#page=114, 115) . * **CYMG-systeem:** Gebruikt cyaan, magenta, geel filters; laat meer licht door maar toont minder kleurnuances . --- ## 8. Positiesensoren Positiesensoren meten de positie of verplaatsing van een object. Benaderingsschakelaars detecteren de aanwezigheid van een object binnen een bepaald bereik (#page=121, 122) . ### 8.1 Inductieve positiesensor Gebruikt een elektromagnetisch veld om de positie te detecteren . * **Lineaire Variabele Differentiaaltransformator (LVDT):** Drie spoelen met een beweegbare kern; de spanning in de secundaire spoelen is evenredig met de kernpositie . * **Voordelen:** Grote levensduur (contactloos), lage temperatuurcoëfficiënt, bestand tegen agressieve media (in bepaalde uitvoeringen) . * **Gekoppelde inductieve positiesensor met 2 spoelen:** Kernpositie verstoort het brugevenwicht; uitgangsspanning is maat voor de positie . * **Contactvrije inductieve positiesensor:** Eén spoel; zelfinductie beïnvloed door ferromagnetische metalen in de buurt (#page=130, 140). Gevoeligheid neemt toe bij verkleinen afstand . ### 8.2 Optische positiesensor Gebruikt een zender (bv. laser) en ontvanger. * **Laser-positiesensoren:** Hoek van terugkaatsing is maat voor afstand; laserpulsen meten lange afstanden via looptijd. Straal is fijn en zichtbaar . * **Voordelen:** Kan grote afstanden overbruggen . ### 8.3 Ultrasone positiesensor Zender en ontvanger gebruiken ultrasone signalen. Positie wordt afgeleid uit de looptijd of faseverschuiving van het signaal . * **Voordelen:** Kan gebruikt worden bij dunne folies en mist . * **Nadelen:** Voortplantingssnelheid is temperatuur- en drukafhankelijk . ### 8.4 Magnetostrictieve positiesensor Gebruikt het fenomeen magnetostrictie. Een stroomimpuls en een magnetisch veld wekken een torsiepuls op. De looptijd van deze puls tot de sensorkop is een maat voor de positie . * **Voordelen:** Contactloos, slijtagevrij, onderhoudsvrij, hoge nauwkeurigheid, lange levensduur (#page=132, 140) . ### 8.5 Potentiometerpositiesensor Gebruikt een lineaire potentiometer met een glijcontact mechanisch verbonden met een as. De uitgangsspanning is een functie van de positie van de loper . * **Voordelen:** Grote gevoeligheid, laag gewicht, bruikbaar met AC en DC . * **Nadelen:** Wrijving moet overwonnen worden; niet bestand tegen agressieve media; mechanische blokkering bij te grote verplaatsing . ### 8.6 Encoder Positie-opnemer met discrete outputs (pulsen). * **Werking:** Een roterende schijf of lineaire meetlat met doorzichtige en niet-doorzichtige strepen wordt afgetast met fotocellen. Het aantal pulsen geeft de verplaatsing aan (#page=133, 134) . * **Richtingsdetectie:** Twee fotocellen 90° verschoven . * **Types:** * **Incrementeel:** Meet verplaatsing tussen twee momenten op basis van aantal pulsen . * **Absoluut:** Registreert de positie op elk moment via een lichtcode (bv. Gray-code) . * **Voordelen:** Nauwkeurigheid, digitale output . ### 8.7 Resolver Bestaat uit twee vaste spoelen en één draaibare spoel. De spanning geïnduceerd in de draaispoel is een functie van de hoek . * **Toepassing:** Meten van hoekverdraaiingen . ### 8.8 Synchro Vergelijkbaar met een resolver, maar met drie statorspoelen op 120° verschoven. Geeft een driefasige wisselspanning uit waarvan de amplitude de hoek bepaalt. Meestal vervangen door encoders . ### 8.9 Inductosyn Heeft een lineaire of roterende uitvoering. Principe gelijk aan resolver, maar met hogere nauwkeurigheid (tot 1 µm voor lineair, 0,05 hoekseconden voor roterend) (#page=138, 139) . --- ## 9. Niveausensoren Niveausensoren meten het niveau van vloeistoffen of vaste stoffen in tanks of silo's . ### 9.1 Geleidbaarheidsniveauschakelaar Meet de weerstandsverandering tussen een elektrode en een metalen wand (of tussen twee elektroden) veroorzaakt door de aanwezigheid van een geleidend product . * **Voordelen:** Eenvoudig, goedkoop, geschikt voor viskeuze of schuimende producten . * **Nadelen:** Vereist geleidend product; elektroden mogen niet vervuilen . ### 9.2 Trilvork Een piëzo-elektrisch aangedreven trilvork die op zijn resonantiefrequentie trilt in lucht. Aanraking met een medium dempt de trilling of verandert de frequentie . * **Voordelen:** Robuust, geschikt voor extreme omstandigheden (turbulentie, bellen, schuim) . ### 9.3 Vlotter Een vlotter die op het vloeistofniveau rust, beweegt mee met de hoogte. De positie kan een schakelaar bedienen of via een potentiometer worden omgezet in een signaal . * **Toepassing:** Vloeistoffen . ### 9.4 Hydrostatische niveausensor Meet de hydrostatische druk van een vloeistofkolom met een relatieve drukopnemer . * **Voordelen:** Robuust, toepasbaar voor alle vloeistoffen (ook agressieve) . * **Nadelen:** Resultaat hangt af van de dichtheid van de stof (#page=149, 155) . ### 9.5 Capacitieve niveausensor Meet de verandering in capaciteit tussen twee elektroden, veroorzaakt door de aanwezigheid van een medium met een andere diëlektrische constante dan lucht. De capaciteit is recht evenredig met de niveauverandering ($\Delta C = 2\pi\epsilon_0 \ln(b/a) (\epsilon_r - 1) \Delta h$) (#page=149, 150) . * **Toepassing:** Vloeistoffen, poeders, grof stortgoed met hoge diëlektrische constante . * **Nadelen:** Vereist kalibratie; meetresultaten kunnen beïnvloed worden door luchtvochtigheid . ### 9.6 Ultrasone niveausensor Meet de looptijd van een ultrasoon signaal van een zender naar de ontvanger nadat het is weerkaatst door het medium. De afgelegde weg is $2\Delta l = c\Delta t$ . * **Toepassing:** Vloeistoffen en grofkorrelige vaste stoffen . * **Nadelen:** Voortplantingssnelheid is temperatuur- en drukafhankelijk; stoorecho's moeten gefilterd worden (#page=151, 156) . ### 9.7 Contactloze radarniveausensor (Microgolf) Meet de looptijd van een microgolfpuls die weerkaatst wordt door het oppervlak van het medium. De voortplantingssnelheid is onafhankelijk van druk, temperatuur, stof of nevel . * **Toepassing:** Extreme toepassingen (hoge temperatuur/druk), agressieve media, vacuüm, turbulentie (#page=152, 156) . * **Nadelen:** Product moet een bepaalde diëlektrische constante hebben; duur (#page=152, 156) . ### 9.8 Geleide radarniveausensor Meet de looptijd van een microgolfpuls die langs een kabel wordt geleid. De golf weerkaatst aan het grensvlak tussen media met verschillende diëlektrische constanten . * **Voordelen:** Sluit valse echo's uit; ongevoelig voor druk, temperatuur, stof, etc. (#page=153, 156) . * **Toepassing:** Fijnkorrelige vaste stoffen (tot 20 mm) en vloeistoffen (#page=153, 156) . * **Nadelen:** Kabel kan aangetast worden door agressieve media . ### 9.9 Peillood Een geautomatiseerd systeem waarbij een gewicht via een kabel naar beneden wordt gelaten tot het de vaste stof of vloeistof raakt. De spanning op de kabel verandert, waarna het gewicht wordt opgehaald en de lengte van de afgerolde kabel wordt gemeten . * **Voordelen:** Veilig, onafhankelijk van samenstelling, breed meetbereik, werkt waar andere systemen falen (bv. stoffige, vochtige, onder druk staande producten) (#page=154, 156) . * **Nadelen:** Semi-continue meting; mechanische slijtage (#page=154, 156) . --- # Signaalverwerking en intelligente sensoren Dit document behandelt de integratie van sensoren in meetsystemen, waarbij de focus ligt op ontstoring, signaalconditionering en -verwerking, evoluerend naar intelligente sensoren en de toepassing van beeldherkenning en machine learning. ## 5. Signaalverwerking en intelligente sensoren ### 5.1 Ontstoring Het succesvol integreren van sensoren in een meetsysteem vereist aandacht voor de mogelijke stoorsignalen die de meting kunnen beïnvloeden. Elektromagnetische storing is met name relevant bij systemen die elektrische meetprincipes of sensoren gebruiken. Het vakgebied Elektromagnetische Compatibiliteit (EMC) biedt inzichten om de onderlinge beïnvloeding van elektrische apparaten te beheersen. Men onderscheidt *inter-EMC* (stoorbronnen buiten het systeem) en *intra-EMC* (stoorbronnen binnen het systeem). Dit hoofdstuk concentreert zich op inter-EMC . #### 5.1.1 Methoden om stoorsignalen te beperken Om de invloed van stoorsignalen te beperken, zijn er grofweg drie benaderingen: * **Stoorsignalen verminderen:** De afstand tussen vermogenkringen en meetsystemen vergroten, omdat wederzijdse inductanties en parasitaire capaciteiten omgekeerd evenredig zijn met de afstand . * **Afschermen tegen stoorsignalen:** Storing kan op verschillende plaatsen in het sensorsysteem binnendringen: in het meetobject, de sensor zelf, de meetleidingen of de signaalverwerkende apparatuur . * **Storingen binnenkomend op het object:** Dit heeft niets te maken met EMC van het sensorsysteem zelf . * **Storingen binnenkomend op de sensor:** Maatregelen omvatten het kiezen van een andere locatie, een ander type sensor, of het afschermen en correct aarden van de sensor . * **Storingen binnenkomend op de kabel:** * **Elektrostatische afscherming:** Het gebruik van een geaarde metalen afscherming, zoals bij coaxiale kabels . * **Elektromagnetische afscherming:** Het gebruik van 'twisted pairs' (getwiste draden) is een veelgebruikte methode om elektromagnetische interferentie te vermijden. De wikkelingen zorgen ervoor dat de lusoppervlakte van de kabel in een homogeen stoorveld gemiddeld nul is, waardoor geen stoorspanning wordt geïnduceerd . * **Storingen binnenkomend op de signaalverwerkende apparatuur:** Electrostatische afscherming door een geaarde metalen behuizing is hierbij cruciaal. Aandacht voor de kabeldoorvoer en de kwaliteit van connectoren is belangrijk. Bij lange afstanden tussen zender en ontvanger moeten de schermen aan beide kanten geaard worden, maar aardlussen moeten vermeden worden . * **Elimineren van de invloed van stoorsignalen:** * **Gebalanceerde en ongebalanceerde verbindingen:** Bij gebalanceerde verbindingen wordt het signaal via twee parallelle, getwiste lijnen verstuurd, waarbij de ene lijn het signaal en de andere het tegengestelde signaal transporteert. Een verschilversterker aan de ontvanger filtert de storing eruit, omdat deze op beide lijnen gelijk inwerkt. Een pseudo-gebalanceerde verbinding stuurt het signaal via één lijn en gebruikt de tweede lijn als referentie, verbonden met de massa aan de zenderzijde . * **Filters:** Filters zijn effectief als het frequentiespectrum van het meetsignaal verschilt van dat van het stoorsignaal. Ze kunnen laag-, hoog- of banddoorlaatfilters zijn, actief of passief, en van verschillende ordes . * **Modulatie en demodulatie:** Als het stoorsignaal in hetzelfde frequentiegebied ligt als het meetsignaal, kan modulatie bij de zender en demodulatie bij de ontvanger het meetsignaal verplaatsen naar een ander frequentiegebied, waarna filtering mogelijk wordt . * **Uitmiddelen:** Geschikt voor ruisonderdrukking bij repetitieve signalen . ### 5.2 Signaalconditionering en -verwerking Een meetsysteem bestaat uit drie basiscomponenten: de sensor, de signaalconditionering en de signaalverwerking . * **Sensor:** Zet een fysische grootheid om in een (meestal elektrische) grootheid . * **Signaalconditionering:** Vormt het sensorsignaal om tot een vorm die geschikter is voor verdere verwerking. Dit kan versterking, niveau-aanpassing, filtering, linearisatie of impedantie-aanpassing omvatten . * **Signaalverwerking:** Zet het signaal van de signaalconditionering om naar een vorm geschikt voor processturing of visualisatie, zoals een analoog-digitaal-omzetter . Veelvoorkomende aanpassingen van het sensorsignaal omvatten: * Wegwerken van stoorinvloeden (bv. compensatie, filtering) . * Versterken tot een gestandaardiseerd spanningsgebied (bv. 0-10 V) . * Omvormen naar een gestandaardiseerd stroomgebied (bv. 4-20 mA), geschikt voor lange afstanden . * Omvormen van analoog naar digitaal signaal (bv. TTL-niveau met specifieke woordlengte) . * Parallel/serieel omzetting of omgekeerd voor digitale signalen . #### 5.2.1 Meetbrug Meetbruggen, zoals de DC-Wheatstonebrug en AC-bruggen, worden gebruikt om weerstanden, capaciteiten, inductanties en frequenties te meten . * **Gebalanceerde AC-brug:** In evenwicht als `|Z1|*|Z4| = |Z2|*|Z3|` en `fase(Z1) + fase(Z4) = fase(Z2) + fase(Z3)`. Deze is nauwkeurig maar niet geschikt voor automatische metingen . * **Ongebalanceerde AC-brug:** Zet de impedantieverandering om in een spanningssignaal, wat geschikter is voor automatische metingen . #### 5.2.2 Demodulatie Demodulatie haalt de meetinformatie uit een gemoduleerd signaal (bv. een draaggolf). Er zijn drie hoofdtypen : * **Amplitudedemodulatie:** De meetinformatie is evenredig met de amplitude van het uitgangssignaal ten opzichte van de draaggolf. Dit wordt vaak gevolgd door een laagdoorlaatfilter . * **Frequentiedemodulatie:** De meetinformatie zit in de frequentie van het uitgangssignaal. Dit kan gerealiseerd worden met een LC-resonantiecircuit dat selectief versterkt op basis van de frequentie . * **Fasedemodulatie:** De meetinformatie is gecodeerd in de faseverschuiving van het uitgangssignaal ten opzichte van een referentiesignaal. Dit kan bepaald worden met Schmitt-triggers . #### 5.2.3 Elektronisch filter Elektronische filters worden gebruikt om dynamische signalen te analyseren op hun frequentie-inhoud en de bandbreedte te beperken vóór digitalisering . * **Classificatie:** * **Naar uitgefilterde frequenties:** Laagdoorlaat, hoogdoorlaat, banddoorlaat, bandsperfilter . * **Naar versterking:** Passief (geen versterking, enkel R, C, L) of actief (met opamp, met versterking) . * **Naar onderdrukkingsgraad:** Eerste orde (20 dB/decade), tweede orde (40 dB/decade), enz. . * **Passieve filters:** * **Eerste orde:** RC-laagdoorlaatfilter en RL-laagdoorlaatfilter. De snijfrequentie ($\omega_c$) is respectievelijk $1/(RC)$ en $R/L$. Hoogdoorlaatfilters worden gevormd door componenten te wisselen . * **Hogere orde:** Worden gerealiseerd door overdrachtsfuncties van eerste orde te vermenigvuldigen. De amplitudediagrammen worden opgeteld. Een tweede-orde laagdoorlaatfilter kan bijvoorbeeld bestaan uit twee RC-netwerken in serie . * **Actieve filters:** Gebruiken operationele versterkers (opamps) voor versterking en aanpasbaarheid . * **Eerste orde:** Tamme integrator (laagdoorlaat) en gedempte differentiator (hoogdoorlaat). Een combinatie hiervan levert een banddoorlaatfilter op . * **Hogere orde:** Categorieën zoals Butterworth (vlakke doorlaatband), Tschebyscheff (steilere flank, rimpel in doorlaatband), Elliptisch (steilere flank, rimpel in doorlaat- en sperband), en Bessel (lineair fasediagram) . #### 5.2.4 Versterker Versterkers worden gebruikt om signalen te versterken, vaak met opamps . * **Operationele versterker (opamp):** Gebruikt in schakelingen zoals niet-inverterende versterker inverterende versterker sommeerversterker en verschilversterker . * **Instrumentatieversterker:** Een verbeterde vorm van een verschilversterker met grote nauwkeurigheid en hoge ingangsimpedantie, opgebouwd uit meerdere opamps. Deze biedt een hogere Common Mode Rejection Ratio (CMRR) . #### 5.2.5 AD- en DA-omzetter Omvormers tussen analoog en digitaal zijn essentieel omdat sensoren vaak analoge uitgangen hebben en computers digitaal werken . * **AD-omzetter (Analoog-Digitaal):** Zet een analoog signaal om in een digitale vorm. Dit proces omvat: * **Bemonsteren (discretiseren in de tijd):** Het vastleggen van signaalwaarden op discrete tijdstippen met een bemonsteringsfrequentie ($f_s$). Het **Nyquist-criterium** stelt dat $f_s > 2 f_{max}$ om aliasing te voorkomen en het signaal volledig te reconstrueren . * **Kwantiseren (discretiseren in amplitude):** Toekennen van digitale waarden aan de bemonstelde signalen door afronding. De resolutie is het aantal bits ($N$) en het aantal niveaus is $2^N$. De kleinste stap is het Least Significant Bit (LSB) . * **DA-omzetter (Digitaal-Analoog):** Zet een digitaal signaal om in een analoog signaal, vaak door digitale bitwaarden om te zetten in spanningsniveaus en vervolgens te filteren . ### 5.3 Intelligente sensoren Intelligente sensoren gaan verder dan alleen meten; ze kunnen data analyseren, beslissingen nemen, hun toestand bewaken, zichzelf ijken en optimaliseren . #### 5.3.1 Sensor met ingebouwde signaalconditionering en -verwerking Een steeds groter deel van de signaalconditionering en -verwerking wordt direct in de sensor geïntegreerd, vaak op één siliciumchip. Dit vermindert de gevoeligheid voor storingen en bespaart kosten en montage-tijd . #### 5.3.2 Sensor met ingebouwde regelaar en sturing Meer functies, zoals comparatoren, microcontrollers en geheugen (EEPROM) voor kalibratiegegevens, kunnen op de chip worden geïntegreerd. Dit maakt de sensor flexibeler en reduceert het aantal benodigde basistypes . #### 5.3.3 Sensor met ingebouwde buskoppeling Voor systemen met veel sensoren is het economisch om ze via een gemeenschappelijke bus aan te sluiten. De sensoren hebben hiervoor een bustransceiver nodig, die vaak ook op de chip geïntegreerd is . ### 5.4 Beeldherkenning en machine learning De toenemende automatisering drijft de behoefte aan intelligente sensoren, waaronder beeldsensoren. Beeldherkenning maakt automatisering op basis van visuele informatie mogelijk . #### 5.4.1 Van beeldsensor tot beeldherkenning * **Beeldbewerking:** Het aanpassen van een beeld (bv. verscherpen, ruis onderdrukken) . * **Beeldanalyse:** Het extraheren van meetwaarden uit een beeld (bv. aantal bloedcellen) . * **Beeldherkenning:** Het automatisch interpreteren van een beeld om objecten of patronen te identificeren . #### 5.4.2 Beeldsensoren * **CCD (Charged Coupling Device):** Miljoenen lichtgevoelige pixels waarbij de lading per rij in een register wordt uitgelezen. Hoge kwaliteit, maar hogere productiekosten door minder massaproductie . * **CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor):** Elke pixel heeft eigen elektronica voor signaalomzetting, versterking en ruisreductie op de chip. Lagere kosten, lager energieverbruik en hogere snelheid dan CCD, maar over het algemeen minder gevoelig en lagere resolutie . * **sCMOS (scientific CMOS):** Een hybride architectuur die voordelen van beide combineert . #### 5.4.3 Principes van 3D-beeldvorming * **Gestructureerd licht:** Projectie van patronen (bv. rasters, lijnen) op een object om diepte- en oppervlakte-informatie te berekenen . * **Stereovision:** Twee camera's nemen gelijktijdig beelden, de afstand wordt berekend door de verschillen te analyseren. Vereist veel rekenkracht . * **Radar:** Afstandsbepaling op basis van de tijd tussen uitgezonden en teruggekaatst radarsignaal . * **LIDAR (Light Detection and Ranging):** Werkt als radar, maar gebruikt laserlicht. Kan kleinere objecten detecteren en oppervlaktescans uitvoeren . * **TOF (Time of Flight):** Een lichtgolf wordt uitgezonden en de tijd die het duurt om terug te reflecteren wordt gemeten, waardoor de afstand per pixel bepaald wordt en een 3D-beeld wordt gevormd . #### 5.4.4 Karakteristieken van een camera * **Soort beeld:** 2D, 3D, kleur . * **Resolutie:** Aantal pixels op de sensor (bv. 1280x1024) . * **Gevoeligheid:** Aangegeven met ISO-waarde; hogere ISO betekent hogere gevoeligheid maar kan leiden tot meer ruis . * **Kleurdetectie:** Kleurencamera's produceren meer data en hebben een lagere resolutie en gevoeligheid dan monochrome camera's . * **Interface en software:** Belangrijk voor beeldverwerking . #### 5.4.5 Principe van beeldherkenning Beeldherkenning is complexer dan alleen pixelmanipulatie en vereist een referentiemateriaal. Het proces omvat : * **Kleurkwantisatie:** Reductie van het aantal kleuren voor snellere analyse . * **Kleurhistogram:** Globale beschrijving van het beeld op basis van kleuren . * **Patroonherkenning:** Zoeken naar bekende patronen (bv. korrels, strepen) . * **Vormbepaling:** Identificeren van objecten op basis van hun grenzen . * **Vergelijking met referentieset:** Zoeken naar overeenkomsten met een database van objecten . #### 5.4.6 Artificiële intelligentie, machine learning en deep learning * **Artificiële Intelligentie (AI):** Overkoepelende term voor systemen die menselijke intelligentie nabootsen, kunnen leren, beslissingen nemen en uitvoeren . * **Machine Learning (ML):** Een subset van AI die algoritmen ontwikkelt waarmee systemen leren van data zonder expliciete programmering. ML-modellen identificeren patronen en passen zich aan op basis van ervaring. Voorbeelden zijn predictief onderhoud en het automatiseren van aanpassingen in productieprocessen . * **Deep Learning (DL):** Een gespecialiseerde vorm van ML die neurale netwerken gebruikt (geïnspireerd door het menselijk brein) om zeer complexe patronen te herkennen. Het werkt via iteraties om fouten te reduceren door gewichten aan knooppunten aan te passen. Deep learning wordt toegepast in beeldherkenning, geluidsherkenning, diagnoseondersteuning, games en robotica . --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Sensor | Een apparaat dat een fysische, chemische of elektrochemische parameter detecteert en omzet naar een elektrisch signaal, meestal spanning of stroom. Sensoren worden ook wel opnemers of transducers genoemd. | | Automatisering | Het proces van het implementeren van technologie om menselijke tussenkomst in het besturen en regelen van processen te minimaliseren of te elimineren, met als doel de efficiëntie, betrouwbaarheid en veiligheid te verhogen. | | Betrouwbaarheid | De mate waarin een systeem, machine of component consequent de verwachte prestaties levert onder gespecificeerde omstandigheden en gedurende een gespecificeerde tijdsperiode, wat resulteert in minder storingen en stilstand. | | Veiligheid | Het aspect dat betrekking heeft op het voorkomen van schade, letsel of ongelukken in industriële omgevingen, waarbij sensoren een cruciale rol spelen bij het bewaken en signaleren van gevaarlijke situaties. | | Signaalverwerking | Het proces waarbij het door een sensor gegenereerde ruwe elektrische signaal wordt gemanipuleerd om nuttige informatie te extraheren, zoals het filteren, versterken, omzetten (bijvoorbeeld analoog naar digitaal) en analyseren ervan. | | Werkingsgebied | Het bereik van fysische grootheden waarbinnen een sensor zijn metingen nauwkeurig en betrouwbaar kan uitvoeren, gedefinieerd door minimale en maximale grenswaarden. | | Herhaalbaarheid | De mate waarin een sensor bij opeenvolgende metingen van dezelfde inputwaarde consistente uitgangssignalen levert, wat een indicatie is van de stabiliteit en precisie van de meting. | | Elektrische grootheid | Een meetbare fysische eigenschap die wordt uitgedrukt in elektrische eenheden, zoals spanning (gemeten in Volt) of stroom (gemeten in Ampère), die door sensoren worden gegenereerd. | | Fysische grootheid | Een meetbare eigenschap van een object of fenomeen in de natuur, zoals temperatuur, druk, kracht, debiet of positie, die door sensoren kan worden gedetecteerd. | | Initiële keuze sensor | Het proces van het selecteren van de meest geschikte sensor voor een specifieke automatiseringsapplicatie, gebaseerd op factoren zoals de te meten grootheid, de omgeving en de vereiste nauwkeurigheid. | | Term | Definitie | | Nauwkeurigheid | De nauwkeurigheid geeft de juistheid van een meting aan, oftewel de mate van overeenkomst tussen de gemeten waarde en de werkelijke waarde. Hoe hoger de nauwkeurigheid, hoe kleiner de potentiële fout in de meting. | | Precisie | Precisie verwijst naar de willekeurige spreiding van gemeten waarden rondom het gemiddelde van deze metingen. Een hoge precisie betekent dat de meetwaarden dicht bij elkaar liggen, zelfs als ze niet exact overeenkomen met de werkelijke waarde. | | Resolutie | De resolutie, ook wel het oplossend vermogen genoemd, is de kleinst mogelijke onderscheiding die een meetsysteem kan maken tussen twee verschillende meetwaarden. De opgegeven resolutie zegt niets over de juistheid van de meting. | | Gevoeligheid | De gevoeligheid van een sensor beschrijft hoe sterk het uitgangssignaal van de sensor verandert bij een wijziging van de te meten grootheid. Dit wordt vaak uitgedrukt als de helling van de ijkkromme, bijvoorbeeld in Volt per graad Celsius (V/°C) voor een temperatuursensor. | | Lineariteit | Een sensor werkt lineair wanneer de ijkkromme een rechte lijn is. In dit geval is de gevoeligheid gelijk aan de helling van deze rechte lijn, wat een constante relatie tussen de gemeten grootheid en het uitgangssignaal impliceert. | | Bereik | Het bereik van een sensor definieert het specifieke interval waarbinnen de waarde van de te meten grootheid moet vallen om betrouwbaar gemeten te kunnen worden. | | Resistieve sensoren | Deze sensoren maken gebruik van variaties in elektrische weerstand om een grootheid te meten. Voorbeelden zijn rekstrookjes, potentiometrische opnemers en piëzo-resistieve sensoren, waarbij de weerstand verandert door mechanische vervorming of druk. | | Capacitieve sensoren | Capacitieve sensoren werken op basis van veranderingen in capaciteit. De capaciteit kan variëren door aanpassingen in de afstand tussen de platen, de oppervlakte van de platen, of het diëlektricum tussen de platen, wat wordt gebruikt voor metingen. | | Inductieve sensoren | Inductieve sensoren maken gebruik van magnetische velden, zelfinductie en wederzijdse inductie om metingen te verrichten. Typische voorbeelden zijn Hall-elementsensoren, magnetische verplaatsingssensoren en transformatorische verplaatsingssensoren. | | Optische sensoren | Optische sensoren maken gebruik van licht, bestaande uit een lichtbron, ontvanger en transmissiemedium, om eigenschappen zoals verplaatsing, aanwezigheid of kleur te detecteren. Ze kunnen metingen verrichten door veranderingen in transmissie, reflectie of absorptie van licht waar te nemen. | | Piëzo-elektrische sensoren | Deze sensoren maken gebruik van het piëzo-elektrische effect, waarbij mechanische vervorming een elektrische lading genereert. Ze worden vaak toegepast als druk- of krachtopnemers en kunnen ook als versnellingsopnemer dienen. | | Ultrasone sensoren | Ultrasone sensoren werken met geluidsgolven op frequenties hoger dan 18 kHz. Deze sensoren zenden ultrasone golven uit en meten de terugkaatsing of de tijd van aankomst om afstanden of aanwezigheid te detecteren. | | Directe sensor | Een directe sensor zet de te meten grootheid onmiddellijk om in een elektrisch signaal, zoals een stroom- of spanningssignaal. Een tachometer, die een spanning afgeeft evenredig aan het toerental, is een voorbeeld. | | Indirecte sensor | Bij een indirecte sensor wordt de te meten grootheid eerst omgezet in een andere fysische grootheid, die vervolgens wordt omgezet in een elektrisch signaal. Een lichtgevoelige weerstand die de lichtintensiteit meet en die weerstand omzet in een elektrisch signaal, is hier een voorbeeld van. | | Schakelsensor | Sensoren die niet bedoeld zijn om een analoog signaal te genereren, maar enkel om te detecteren of een meetgrootheid een bepaalde waarde overschrijdt. Ze produceren een digitaal uitgangssignaal (aan/uit) zodra de ingestelde limiet is bereikt. | | NPN-sensor | Een type schakelsensor dat een NPN-transistor bevat en ‘sinking’ wordt genoemd, omdat het de belasting tussen de belasting en de massa schakelt wanneer de sensor wordt geactiveerd. | | PNP-sensor | Een type schakelsensor dat een PNP-transistor bevat en ‘sourcing’ wordt genoemd, omdat het de belasting tussen de belasting en de voedingsspanning schakelt wanneer de sensor wordt geactiveerd. | | Pt100 | Een veelgebruikte resistieve temperatuursensor waarbij de weerstand van een platina-element toeneemt met de temperatuur. De nauwkeurigheid van de meting hangt af van het aantal draden (2, 3 of 4) dat gebruikt wordt voor de aansluiting. | | IO-Link | Een gestandaardiseerd, bidirectioneel communicatieprotocol voor sensoren en actuatoren. Het maakt digitale communicatie mogelijk, vervangt analoge signalen en maakt externe configuratie en diagnose van sensoren mogelijk. | | Aggregatietoestand | De fase waarin een stof voorkomt, zoals gasvormig, vloeibaar of vast. Deze fasen worden bepaald door de temperatuur en de onderlinge afstand van de moleculen, waarbij de chemische samenstelling van de stof onveranderd blijft. | | Densiteit (of dichtheid) | De massa van een stof per volume-eenheid, uitgedrukt in kilogram per kubieke meter (kg/m³). Dit geeft aan hoe compact de materie in een stof is georganiseerd en is afhankelijk van de aggregatietoestand en temperatuur. | | Viscositeit (of stroperigheid) | De eigenschap van een fluïdum die de weerstand tegen vervorming door schuifspanning aangeeft; de mate van stroperigheid of traagvloeibaarheid. Wordt uitgedrukt in Pascal-seconde (Pa.s) voor dynamische viscositeit of vierkante meter per seconde (m²/s) voor kinematische viscositeit. | | Corrosiviteit | De eigenschap van een stof om andere stoffen waarmee het in contact komt te vernietigen of onherstelbaar te beschadigen, zoals het veroorzaken van brandwonden bij contact met weefsel. Dit is een directe fysische reactie van de stof. | | Conductiviteit (elektrische geleidbaarheid) | De eigenschap van een elektrisch component om elektrische stroom te geleiden. De waarde wordt uitgedrukt in siemens per meter (S/m) en hangt onder andere af van de temperatuur en de aanwezige ionen in het medium. | | Relatieve permittiviteit (diëlektrische constante) | Een dimensieloos getal dat aangeeft hoe een medium een elektrisch veld beïnvloedt en erdoor beïnvloed wordt, door het vermogen van het materiaal te polariseren. Het is de verhouding van de permittiviteit van de stof tot die van vacuüm. | | Abrasiviteit | De eigenschap van een materiaal dat schuurmiddel bevat, waardoor het door mechanische beweging oppervlakken kan wegslijten. Dit wordt bepaald door de aanwezigheid van kleine vaste deeltjes met specifieke eigenschappen zoals korrelgrootte en hardheid. | | Laminaire stroming | Een stromingsprofiel waarbij de lagen van het medium zich parallel aan elkaar voortbewegen zonder significante menging, met deeltjes die in rechte stroomlijnen bewegen parallel aan de pijpas. Komt voornamelijk voor bij hoogvisceuze vloeistoffen. | | Turbulente stroming | Een stromingsprofiel gekenmerkt door wervelingen en significante stroming loodrecht op de hoofdstroom, wat resulteert in menging van deeltjes. Dit treedt op bij hogere stroomsnelheden en lagere viscositeit. | | Reynoldsgetal ($Re$) | Een dimensieloos getal dat de overgang tussen laminaire en turbulente stroming karakteriseert. Het beschrijft de relatie tussen stroomsnelheid ($v$), inwendige pijpdiameter ($d_i$), densiteit ($\rho$) en dynamische viscositeit ($\eta$), berekend met de formule $Re = \frac{v d_i \rho}{\eta}$. | | Massadebiet ($q_m$) | De hoeveelheid massa die per tijdseenheid door een leiding stroomt, uitgedrukt in kg/s. Dit is rechtstreeks meetbaar met een Coriolis-massadebietsensor. | | Volumedebiet ($q_V$) | De hoeveelheid volume die per tijdseenheid door een leiding stroomt, uitgedrukt in m³/s. Dit is de meest gemeten grootheid door debietsensoren, waarbij het massadebiet berekend wordt door vermenigvuldiging met de dichtheid. | | Coriolis-effect | Een natuurkundig effect dat optreedt wanneer een object in een roterend of trillend systeem beweegt, wat resulteert in een kracht loodrecht op de bewegingsrichting en de rotatie-as. Dit effect wordt gebruikt in Coriolis-massadebietsensoren om de doorstromende massa te meten. | | Wet van Faraday | Een natuurkundige wet die stelt dat een verandering in het magnetische veld door een geleider een elektrische spanning opwekt. Dit principe wordt toegepast in elektromagnetische debietsensoren. | | Wet van Bernoulli | Een principe in de vloeistofdynamica dat stelt dat voor een ideale vloeistof, de som van de statische druk, dynamische druk en potentiële energiedruk constant is langs een stroomlijn. Dit principe wordt gebruikt bij debietsensoren zoals meetflenzen, stuwbuizen en venturibuizen. | | Continuïteitsvergelijking | Een principe dat stelt dat voor een incompressibele vloeistof, het product van de doorsnede van de leiding en de gemiddelde stroomsnelheid constant is, wat resulteert in $q_V = A \cdot v$. Dit wordt gebruikt in combinatie met de wet van Bernoulli voor debietmetingen. | | Piëzo-elektrisch effect | Het fenomeen waarbij bepaalde materialen, zoals kristallen, een elektrische lading genereren wanneer ze mechanisch worden vervormd, of omgekeerd, vervormen onder invloed van een elektrisch veld. Dit wordt gebruikt in piëzo-elektrische druksensoren. | | Capaciteit | De eigenschap van een systeem om elektrische lading op te slaan, bepaald door de geometrie en het diëlektricum tussen geleiders. Capacitieve sensoren meten veranderingen in capaciteit die veroorzaakt worden door druk- of niveauverschillen. | | Rekstrookje | Een dunne, flexibele weerstandsdraad of -film die op een object wordt gelijmd en diens rek of stuik meesleept. De weerstand van het rekstrookje verandert als gevolg van de mechanische vervorming, wat wordt gebruikt om krachten of drukken te meten. | | Piëzo-resistief effect | Het fenomeen waarbij de elektrische weerstand van bepaalde materialen (zoals halfgeleiders) verandert onder invloed van mechanische spanning. Dit effect wordt benut in halfgeleiderrekstrookjes. | | Brugschakeling (Wheatstonebrug) | Een elektronische schakeling die wordt gebruikt om kleine weerstandsveranderingen nauwkeurig te meten. Het wordt vaak toegepast met rekstrookjes om vervormingen om te zetten in een meetbaar spanningssignaal. | | Thermokoppel | Een temperatuursensor bestaande uit twee verschillende metalen die aan één uiteinde met elkaar verbonden zijn. Een temperatuurverschil tussen de verbindingen genereert een kleine spanning die evenredig is met dit verschil. | | Weerstandsthermometer (Pt100) | Een temperatuursensor waarvan de elektrische weerstand verandert met de temperatuur. De Pt100, gemaakt van platina, is een veelgebruikte en nauwkeurige weerstandsthermometer. | | Thermistor | Een temperatuursensor met een hoge temperatuurcoëfficiënt, waarbij de weerstand sterk afhankelijk is van de temperatuur. NTC (negatieve temperatuurcoëfficiënt) en PTC (positieve temperatuurcoëfficiënt) zijn twee typen. | | Pyrometer (Infraroodmeter) | Een sensor die de temperatuur meet door de hoeveelheid uitgestraalde infraroodenergie van een object te detecteren, zonder fysiek contact te maken. | | Lichtgevoelige weerstand (LDR) | Een elektronische component waarvan de weerstand afneemt naarmate de hoeveelheid invallend licht toeneemt. | | Fotodiode | Een halfgeleiderdiode die stroom geleidt wanneer er licht op valt. De geleidende stroom is evenredig met de lichtintensiteit. | | Fototransistor | Een transistor die stroom geleidt wanneer hij wordt belicht. Het combineert de lichtgevoeligheid van een fotodiode met de stroomversterking van een transistor. | | Kleursensor | Een sensor die de kleur van een object analyseert door het gereflecteerde licht te meten, vaak met behulp van filters en primaire (RGB) of secundaire (CYMG) kleuren. | | Lineaire Variabele Differentiële Transformator (LVDT) | Een inductieve positiesensor die de lineaire verplaatsing meet door de magnetische koppeling tussen spoelen te variëren met behulp van een beweegbare kern. | | Encoder | Een digitale positie-opnemer die beweging omzet in discrete pulsen. Incrementele encoders meten de verplaatsing tussen momenten, terwijl absolute encoders de positie op elk moment vastleggen. | | Magnetostrictieve positiesensor | Een lineair meetsysteem dat gebruik maakt van het magnetostrictieve fenomeen (vervorming van een materiaal onder invloed van een magnetisch veld) om positie contactloos te meten. | | Potentiometerpositiesensor | Een positieopnemer gebaseerd op een lineaire potentiometer, waarbij het glijcontact is verbonden met een beweegbare as en de uitgangsspanning afhangt van de positie van de loper. | | Resolver | Een elektromechanische sensor die hoekverdraaiingen meet door de inductie tussen spoelen te variëren met de positie van een rotor. | | Synchro | Een roterende transformator die vergelijkbaar is met een resolver en wordt gebruikt om de positie van een rotor te meten. | | Inductosyn | Een zeer nauwkeurige lineaire of roterende positieopnemer die werkt op basis van inductie, vergelijkbaar met een resolver maar met hogere precisie. | | Geleidbaarheidsniveauschakelaar | Een niveauschakelaar die werkt door de verandering in elektrische weerstand tussen sensorelektroden te meten wanneer een geleidend product een verbinding tot stand brengt. | | Trilvork | Een niveauschakelaar die werkt door de resonantiefrequentie van een trilvork te meten. Wanneer de trilvork in contact komt met een medium, verandert de resonantie, wat leidt tot een schakelsignaal. | | Vlotter | Een niveausensor die rust op het vloeistofoppervlak en meebeweegt met de vloeistofhoogte. De positie van de vlotter kan een schakelaar bedienen of worden omgezet in een elektrisch signaal. | | Hydrostatische niveausensor | Een sensor die het niveau meet door de hydrostatische druk van de vloeistofkolom te meten, die recht evenredig is met de hoogte van de vloeistof. | | Capacitieve niveausensor | Een sensor die het niveau meet door de verandering in elektrische capaciteit te meten tussen elektroden. De capaciteit varieert met de hoeveelheid aanwezig medium. | | Ultrasone niveausensor | Een sensor die het niveau meet door de looptijd van een ultrasoon signaal dat wordt uitgezonden en gereflecteerd door het vloeistof- of vaste stofoppervlak, te bepalen. | | Radarniveausensor (contactloos) | Een sensor die het niveau meet met behulp van microgolven die worden uitgezonden en gereflecteerd door het oppervlak van het te meten medium. De looptijd of frequentieverandering van de microgolf is een maat voor het niveau. | | Radarniveausensor (geleid) | Een sensor die het niveau meet door de looptijd van een microgolfpuls te meten die langs een kabel wordt geleid en gereflecteerd wordt aan het grensvlak van het medium. | | Peillood | Een geautomatiseerd systeem dat een gewicht laat zakken tot het een oppervlak raakt, waarbij de lengte van de afgerolde kabel een indicatie geeft van het niveau. | | **Ontstoring** | Het proces van het beperken van de invloed van ongewenste signalen (storingen) op een meetsysteem, om de kwaliteit en betrouwbaarheid van de meting te waarborgen. Dit omvat technieken zoals afscherming, aarding en filtering. | | **Elektromagnetische compatibiliteit (EMC)** | Een vakgebied dat zich bezighoudt met de mate waarin elektrische en elektronische apparaten goed kunnen functioneren zonder elkaar ongewenst te beïnvloeden door hun elektromagnetische velden, stromen en spanningen. | | **Inter-EMC** | Het onderdeel van EMC waarbij de stoorbronnen zich buiten het beschouwde systeem bevinden. Dit is van belang omdat deze storingen vaak pas in de praktijk optreden en onverwacht kunnen zijn. | | **Intra-EMC** | Het onderdeel van EMC waarbij de stoorbronnen zich binnen het beschouwde systeem bevinden. Deze problemen worden vaak al door fabrikanten onderkend en opgelost. | | **Afscherming** | Een methode om stoorsignalen te verminderen door een elektrisch of magnetisch geleidend materiaal rond de componenten te plaatsen, zoals een metalen omhulsel voor kabels of apparatuur. | | **Geaarde metalen afscherming** | Een afschermingsmethode waarbij een metalen omhulsel, zoals bij een coaxiale kabel, direct verbonden is met de aarde om elektrostatische koppeling te voorkomen en stoorspanningen en -stromen naar de aarde af te leiden. | | **Twisted pairs** | Een type kabel waarbij de geleiders per paar om elkaar heen zijn gewonden om elektromagnetische interferentie te verminderen. Het principe berust op het principe dat de lusoppervlakte gemiddeld nul is in een stoorveld, waardoor inductie wordt geminimaliseerd. | | **Gebalanceerde verbinding** | Een transmissiemethode waarbij het signaal via twee transmissielijnen wordt verstuurd; één lijn stuurt het normale signaal door, de andere het tegengestelde signaal. Storingen die op beide lijnen even groot zijn, worden aan de ontvanger met een verschilversterker uitgefilterd. | | **Pseudo-gebalanceerde verbinding** | Een variant van gebalanceerde verbinding waarbij één transmissielijn het signaal doorstuurt en de andere lijn aan de zenderzijde met de massa wordt verbonden. De ontvanger gebruikt deze nullijn als referentie voor het filteren van stoorsignalen. | | **Filter** | Een elektronisch circuit dat specifieke frequenties uit een signaal verwijdert of versterkt, om de signaal-ruisverhouding te verbeteren of specifieke componenten te isoleren. | | **Laagdoorlaatfilter** | Een filter dat frequenties lager dan een bepaalde snijfrequentie doorlaat en frequenties daarboven verzwakt. | | **Hoogdoorlaatfilter** | Een filter dat frequenties hoger dan een bepaalde snijfrequentie doorlaat en frequenties daaronder verzwakt. | | **Banddoorlaatfilter** | Een filter dat frequenties binnen een bepaald bereik doorlaat en frequenties daarbuiten verzwakt. | | **Bandsperfilter** | Een filter dat frequenties binnen een bepaald bereik verzwakt en frequenties daarbuiten doorlaat. | | **Actief filter** | Een filter dat gebruik maakt van actieve componenten, zoals opamps, om de doorgelaten frequenties te versterken. | | **Passief filter** | Een filter dat is opgebouwd uit passieve componenten zoals weerstanden, condensatoren en spoelen, en de doorgelaten frequenties niet versterkt. | | **Modulatie** | Het proces waarbij een meetsignaal wordt overgedragen op een draaggolf of in de eigenschappen van een draaggolf wordt verwerkt, om het signaal te transporteren over een frequentiegebied dat verschilt van stoorsignalen. | | **Demodulatie** | Het proces van het extraheren van de oorspronkelijke meetinformatie uit een gemoduleerd signaal, om dit weer bruikbaar te maken. | | **Uitmiddelen** | Een signaalverwerkingsmethode waarbij het meetsignaal wordt gemiddeld over meerdere metingen, wat effectief is voor het onderdrukken van ruis bij repetitieve signalen. | | **Signaalconditionering** | Het proces van het omzetten van het ruwe signaal van een sensor naar een vorm die beter geschikt is voor verdere verwerking, wat onder andere versterking, filtering en niveauaanpassing kan omvatten. | | **Signaalverwerking** | Het proces waarbij het gesignaliseerde signaal wordt omgezet in een vorm die geschikt is voor processturing of visualisatie, zoals een analoog-naar-digitaal-omzetting. | | **Meetbrug** | Een elektronisch circuit, zoals de Wheatstone-brug, dat wordt gebruikt om weerstanden, capaciteiten of inductanties te meten door de balans van de brug aan te passen. | | **Amplitudemodulatie** | Een vorm van modulatie waarbij de amplitude van de draaggolf proportioneel is aan de meetinformatie. Demodulatie hiervan is bijvoorbeeld mogelijk door fasegevoelige gelijkrichting. | | **Frequentiedemodulatie** | Een vorm van demodulatie waarbij de meetinformatie is gecodeerd in de frequentie van de draaggolf. Dit wordt vaak toegepast bij metingen gebaseerd op het Doppler-effect. | | **Fasedemodulatie** | Een vorm van demodulatie waarbij de meetinformatie is gecodeerd in de faseverschuiving van het meetsignaal ten opzichte van een referentiesignaal. | | **Operationele versterker (opamp)** | Een veelzijdige elektronische component die gebruikt wordt voor diverse signaalverwerkingstaken, zoals versterking, filtering en integratie. | | **Instrumentatieversterker** | Een verbeterde vorm van een verschilversterker, ontworpen voor hoge nauwkeurigheid en hoge ingangsimpedantie, specifiek voor het meten van kleine verschilspanningen in aanwezigheid van grote common-mode signalen. | | **Analoog-digitaal-omzetter (ADC)** | Een elektronisch apparaat dat een continu analoog signaal omzet in een discreet digitaal signaal, door middel van bemonstering en kwantisatie. | | **Digitaal-analoog-omzetter (DAC)** | Een elektronisch apparaat dat een discreet digitaal signaal omzet in een continu analoog signaal. | | **Bemonstering (sampling)** | Het proces waarbij de waarde van een analoog signaal op discrete tijdstippen wordt vastgelegd om een digitaal signaal te creëren. | | **Kwantiseren (quantization)** | Het proces waarbij de bemonsterde analoge waarden worden toegekend aan discrete digitale niveaus, wat inherent afrondingsfouten introduceert. | | **Nyquist-criterium** | Een fundamenteel principe dat stelt dat een signaal volledig gereconstrueerd kan worden uit zijn discrete monsters als de bemonsteringsfrequentie minstens tweemaal zo hoog is als de hoogste frequentie in het signaal ($f_s > 2 f_{max}$). | | **Aliasing** | Een fenomeen dat optreedt wanneer een analoog signaal wordt bemonsterd met een te lage frequentie, waardoor onjuiste frequenties in het digitale signaal verschijnen die niet uit het oorspronkelijke signaal te herleiden zijn. | | **Intelligente sensor** | Een sensor die niet alleen meet, maar ook ingebouwde functionaliteit heeft voor signaalconditionering, signaalverwerking, analyse, besluitvorming, zelfkalibratie en zelfoptimalisatie. | | **Beeldsensor** | Een elektronische component, zoals een CCD of CMOS-chip, die licht omzet in elektrische signalen om een digitaal beeld te creëren. | | **CCD (Charged Coupling Device)** | Een type beeldsensor waarbij de lading van de pixels rij voor rij naar een register wordt uitgelezen, wat resulteert in een hoge beeldkwaliteit maar complexere productieprocessen. | | **CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)** | Een type beeldsensor waarbij de omzetting van lichtenergie naar spanning en vervolgens naar digitale informatie op elke pixel apart gebeurt, wat leidt tot lagere kosten en lager energieverbruik, maar mogelijk lagere gevoeligheid dan CCD. | | **Beeldbewerking** | Manipulatie van een digitaal beeld met als resultaat een nieuw, aangepast beeld, zoals verscherpen, inzoomen of ruis onderdrukken. | | **Beeldanalyse** | Het proces waarbij een beeld wordt geanalyseerd om meetwaarden of informatie over de beeldinhoud te verkrijgen, zoals het tellen van objecten of het beoordelen van kwaliteit. | | **Beeldherkenning** | Het geautomatiseerde proces van het identificeren van objecten, patronen of kenmerken binnen een beeld, met als resultaat een interpretatie van de beeldinhoud. | | **Machine learning (ML)** | Een tak van kunstmatige intelligentie die zich richt op het ontwikkelen van algoritmen waarmee systemen kunnen leren van gegevens zonder expliciet geprogrammeerd te zijn, om patronen te identificeren en voorspellingen te doen. | | **Deep learning (DL)** | Een gespecialiseerde vorm van machine learning die gebruik maakt van diepe neurale netwerken (met meerdere lagen) om zeer complexe patronen en relaties in data te herkennen. | | **Neuraal netwerk** | Een computermodel dat geïnspireerd is op de structuur en werking van biologische neurale netwerken, gebruikt voor machinaal leren en deep learning. | | **Resolutie** | De mate van detail die een digitaal beeld of een sensor kan weergeven, vaak uitgedrukt in het aantal pixels (bij beeldsensoren) of het aantal discrete niveaus (bij omzetters). | | **Gevoeligheid** | De reactiesnelheid van een sensor of beeldsensor op licht of een andere fysieke grootheid, vaak aangegeven met de ISO-waarde bij camera's. | | **Gestructureerd licht** | Een 3D-beeldvormingstechniek waarbij een bekend patroon, zoals lijnen of rasters, op een object wordt geprojecteerd. De vervorming van dit patroon wordt geanalyseerd om diepte-informatie te verkrijgen. | | **Stereovisie** | Een 3D-beeldvormingstechniek die twee camera's gebruikt die op een afstand van elkaar zijn geplaatst. Door de twee beelden te vergelijken, kan de diepte van de scène worden berekend. | | **LIDAR (Light Detection and Ranging)** | Een afstandmeettechnologie die laserlicht gebruikt om de afstand tot objecten te bepalen door de tijd te meten die het licht nodig heeft om te reflecteren. | | **TOF (Time of Flight)** | Een principe voor afstandmeting waarbij de tijd wordt gemeten die licht nodig heeft om van de zender naar het object en terug naar de sensor te reizen, om zo de afstand te berekenen. | | **Common Mode Rejection Ratio (CMRR)** | Een maat voor het vermogen van een differentiële versterker om gelijktijdige signalen op beide ingangen te onderdrukken, terwijl het verschil tussen de ingangen wordt versterkt. | | **Wheatstone-brug** | Een DC-meetbrug die bestaat uit vier weerstanden en wordt gebruikt om een onbekende weerstand te meten door de brug in evenwicht te brengen. | | **Bodediagram** | Een grafische weergave van de frequentierespons van een systeem, bestaande uit een amplitudekarakteristiek en een fasekarakteristiek. | | **Snijfrequentie (cut-off frequency)** | De frequentie waarbij de versterking van een filter is afgenomen tot -3 dB (ongeveer 70,7% van de maximale versterking). | | **Verschilversterker** | Een versterker die het verschil tussen twee ingangssignalen versterkt. | | **Sommeerversterker** | Een versterker die de som van meerdere ingangssignalen versterkt. | | **Inverterende versterker** | Een versterker die het ingangssignaal met een factor versterkt en tegelijkertijd omkeert (faseverschuiving van 180°). | | **Niet-inverterende versterker** | Een versterker die het ingangssignaal met een factor versterkt zonder de fase ervan te veranderen. | | **Geleide emissie** | Het ongewenste uitzenden van elektromagnetische storingen via elektrische geleiders. | | **Gestraalde emissie** | Het ongewenste uitzenden van elektromagnetische storingen in de vorm van elektromagnetische golven. |

# Soorten mobiele robots en hun toepassingen Dit onderwerp behandelt de verschillende types grondrobots, hun doelen en de redenen voor hun inzet in diverse industrieën. ### 1.1 Grondrobots: Algemene definitie en categorieën Een grondrobot is een robot die zich verplaatst en taken uitvoert op de grond. Deze robots kunnen op afstand bestuurd worden of autonoom opereren. Ze vinden toepassing in diverse sectoren, waaronder de industrie, landbouw, zorg, defensie en huishoudens [1](#page=1). #### 1.1.1 Automated Guided Vehicle (AGV) Een AGV is een onbemand voertuig dat binnen een vooraf gedefinieerde omgeving rijdt en taken uitvoert. De navigatie is gebaseerd op vaste routes of externe geleidingssystemen [1](#page=1). * **Kenmerken:** * Beperkte intelligentie: AGV's kunnen geen obstakels ontwijken [1](#page=1). * Voordelen: Ze zijn betrouwbaar en voorspelbaar [1](#page=1). * Nadelen: AGV's zijn niet flexibel [1](#page=1). * **Toepassingen:** Fabrieken, magazijnen en productielijnen [1](#page=1). #### 1.1.2 Autonome Mobiele Robot (AMR) Een AMR is een robotisch systeem dat zich zelfstandig voortbeweegt door zijn omgeving waar te nemen met sensoren. Op basis van deze waarnemingen neemt de AMR realtime beslissingen om zijn weg te bepalen en taken uit te voeren [1](#page=1). * **Kenmerken:** * Dynamische navigatie: AMR's kunnen obstakels ontwijken en nieuwe routes berekenen [1](#page=1). * Geschiktheid: Ze zijn beter geschikt dan AGV's voor magazijnen waar ook mensen aanwezig zijn [1](#page=1). #### 1.1.3 Unmanned Ground Vehicle (UGV) Een UGV is een algemene term voor elk voertuig dat autonoom of op afstand rijdt zonder menselijke bestuurder [1](#page=1). ### 1.2 Redenen voor de inzet van mobiele robots Mobiele robots worden ingezet om taken uit te voeren die vallen onder de "6 D's" van werk, waarbij de eerste drie (Dirty, Dull, Dangerous) de oorspronkelijke drijfveren waren. Later zijn hier vier extra categorieën aan toegevoegd (Demanding, Delicate, Duur, Difficult, Distant) [1](#page=1) [2](#page=2). * **Dirty:** Taken in vuile, stoffige of ongezonde omgevingen, zoals schoonmaakrobots of robots voor afvalverwerking [1](#page=1). * **Dull:** Herhalende, eentonige of geestdodende taken, bijvoorbeeld transport in magazijnen [1](#page=1). * **Dangerous:** Gevaarlijke werkzaamheden, zoals in de mijnbouw, bij explosiegevaar of rampenbestrijding [1](#page=1). * **Demanding:** Fysiek of mentaal zwaar werk, zoals het tillen van zware producten of het werken lange uren [1](#page=1). * **Delicate:** Zeer nauwkeurige taken die moeilijk zijn voor mensen, zoals in de medische sector of micro-assemblage [1](#page=1). * **Duur:** Taken waarbij het gebruik van robots kosteneffectiever en efficiënter is dan menselijke arbeid [2](#page=2). * **Difficult:** Taken die voor mensen praktisch niet of zeer moeilijk uitvoerbaar zijn, zoals werken in extreme kou of in de ruimtevaart [2](#page=2). * **Distant:** Taken op afgelegen of moeilijk toegankelijke locaties, zoals op de oceaanbodem of als Marsrovers [2](#page=2). ### 1.3 Het concept van autonomie Een voertuig wordt als autonoom beschouwd wanneer het zelfstandig zijn locatie, perceptie en planning kan verwerken en aanpassen [2](#page=2). > **Tip:** Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen AGV's en AMR's, met name vanwege hun navigatievermogen en flexibiliteit in dynamische omgevingen. ### 1.4 Historische context van autonome voertuigen Het eerste autonome voertuig werd ontworpen door Da Vinci. Dit voertuig kon worden opgewonden door draaiwielen die bladveren aanstuurden, en de programmering werd gedaan door het toevoegen of weglaten van houten onderdelen [2](#page=2). ### 1.5 Wetgeving rond zelfrijdende voertuigen Volgens de huidige Belgische wetgeving is het bij zelfrijdende voertuigen altijd verplicht dat een menselijke bestuurder op elk moment in staat is om de controle over te nemen en het voertuig stil te leggen indien nodig [2](#page=2). ### 1.6 Automatisering door observatie Het automatiseren van robots omvat vaak het observeren van menselijke taken, waarna de robot deze taken zelfstandig kan uitvoeren [2](#page=2). ### 1.7 Aandrijvingssystemen: Batterijen Verschillende soorten batterijen worden gebruikt in mobiele robots, elk met specifieke eigenschappen: * **Lithium-ion (Li-ion):** * Kenmerken: Hoge energiedichtheid, lichtgewicht, oplaadbaar, lange levensduur [2](#page=2). * Toepassing: Veel gebruikt in mobiele robots [2](#page=2). * **Lithium-polymeer (Li-po):** * Kenmerken: Hogere energiedichtheid en lichter dan Li-ion batterijen [2](#page=2). * Toepassing: Vaak gebruikt in drones [2](#page=2). * **Lithium-ijzerfosfaat (LiFePO₄):** * Kenmerken: Uitstekende veiligheid en lange levensduur. Lagere energiedichtheid dan Li-ion, maar biedt stabiele prestaties met een lage kans op oververhitting en brand [2](#page=2). * Toepassing: Elektrische voertuigen en industriële robots [2](#page=2). * **Nikkel-metaalhybride (NiMH):** [2](#page=2). --- # Aandrijvingssystemen voor robots Dit deel van de studiehandleiding behandelt diverse aandrijvingssystemen voor robots, met een focus op batterijtechnologieën, hun eigenschappen, en alternatieve methoden zoals brandstofcellen, supercondensatoren en verbrandingsmotoren. ### 2.1 Batterijtechnologieën Batterijen vormen een cruciale component voor de stroomvoorziening van mobiele robots, waarbij verschillende chemische samenstellingen leiden tot variërende prestaties en toepassingen [2](#page=2). #### 2.1.1 Lithium-ion batterijen Lithium-ion (Li-ion) batterijen worden veelvuldig toegepast in mobiele robots vanwege hun hoge energiedichtheid en lichte gewicht. Ze bieden een lange levensduur en zijn oplaadbaar [2](#page=2) [4](#page=4). * **Samenstelling:** De elektroden bestaan uit een lithium legering en een koolstof elektrode, met een lithiumzout in een organische oplossing als elektrolyt [4](#page=4). * **Risico's:** Een hoog risico op thermische runaway bestaat, wat het gebruik van een Battery Management System (BMS) en temperatuurbewaking vereist [3](#page=3). #### 2.1.2 Lithium-polymeer batterijen Lithium-polymeer (LiPo) batterijen onderscheiden zich door een nog hogere energiedichtheid en een lager gewicht in vergelijking met Li-ion batterijen, waardoor ze vaak in drones worden ingezet [2](#page=2). * **Risico's:** Net als Li-ion batterijen, lopen LiPo batterijen een hoog risico op thermische runaway, wat BMS en temperatuurbewaking noodzakelijk maakt [3](#page=3). #### 2.1.3 Lithium-ijzerfosfaat batterijen Lithium-ijzerfosfaat (LiFePO) batterijen staan bekend om hun uitstekende veiligheid en lange levensduur. Hoewel hun energiedichtheid lager is dan die van Li-ion batterijen, bieden ze stabiele prestaties en een geringe kans op oververhitting en brand. Ze worden frequent gebruikt in elektrische voertuigen en industriële robots [2](#page=2) [5](#page=5). * **Veiligheid:** Worden beschouwd als de veiligste oplaadbare lithium batterijen, geschikt voor industriële en buitenrobots [3](#page=3). * **Samenstelling:** Dit type is een lithium-ion accu met lithium-ijzer-fosfaat als kathode [5](#page=5). #### 2.1.4 Nikkel-metaalhydride batterijen Nikkel-metaalhydride (NiMH) batterijen zijn zwaarder en hebben een lagere energiedichtheid dan lithium batterijen, maar zijn veiliger en goedkoper [2](#page=2) [5](#page=5). * **Samenstelling:** Bestaan uit een nikkelelektrode en een metaalhydride elektrode. Metaalhydride is een verbinding van metaal en waterstof, toegepast bij waterstofopslag [5](#page=5). * **Risico's:** Relatief veilig, maar met lage prestaties en een kans op lekken bij slecht onderhoud [3](#page=3). #### 2.1.5 Loodzuur batterijen Loodzuur batterijen zijn zwaar en hebben een lage energiedichtheid, maar zijn zeer betaalbaar en betrouwbaar. Ze worden ingezet in grotere en zwaardere robots waar gewicht minder een rol speelt [2](#page=2) [4](#page=4). * **Werking:** Bevatten een positieve en een negatieve plaat in zwavelzuur, waarbij ionisatie optreedt wanneer een loden of looddioxide plaat wordt toegevoegd [4](#page=4). * **Soorten:** * **Startbatterijen:** Ontworpen om gedurende korte perioden een hoge stroom te leveren [4](#page=4). * **Tractiebatterijen:** Gebouwd voor diepe ont- en herladen cycli, met ruimte voor water voor koeling bovenaan [4](#page=4). * **Stationaire batterijen:** Dienen als back-up in fabrieken bij uitval van het reguliere elektriciteitsnetwerk en slijten meestal door ouderdom [4](#page=4). #### 2.1.6 Nikkel-cadmium batterijen Nikkel-cadmium (NiCd) batterijen bestaan uit een nikkelhydroxide elektrode en een cadmium elektrode. Ze zijn hoog belastbaar en snel oplaadbaar, maar hebben een geheugenfunctie. Dit type is een droge accu [4](#page=4). ### 2.2 Batterijeigenschappen #### 2.2.1 Energiedichtheid Energiedichtheid is de hoeveelheid energie die een batterij kan opslaan per eenheid massa of volume. Een hogere energiedichtheid maakt langer gebruik van een robot mogelijk [3](#page=3). #### 2.2.2 Vermogensdichtheid Vermogensdichtheid verwijst naar de hoeveelheid energie die een batterij per tijdseenheid kan afgeven per eenheid massa of volume. Deze eigenschap bepaalt hoe snel een robot kan accelereren, klimmen of zware lasten kan verplaatsen. Een hoge energiedichtheid impliceert niet automatisch een hoog vermogen [3](#page=3). ### 2.3 Batterijrisico's en veiligheidsrichtlijnen #### 2.3.1 Risico's * **Algemeen:** Temperatuur, mechanische schade en laadstrategieën zijn significante risicofactoren [3](#page=3). * **Li-ion en LiPo:** Hoog risico op thermische runaway [3](#page=3). * **LiFePO en LTO:** Veiligste oplaadbare lithium batterijen, geschikt voor industriële en buitenrobots [3](#page=3). * **NiMH:** Relatief veilig, maar met lage prestaties en kans op lekken bij slecht onderhoud [3](#page=3). #### 2.3.2 Beste veiligheidsrichtlijnen * **BMS (Battery Management System):** Bewaakt celspanning, stroom, temperatuur en balans [3](#page=3). * **Mechanische bescherming:** Voorkomt punctie of compressie bij botsingen of kantelingen [3](#page=3). * **Thermisch management:** Gebruikt actieve of passieve koeling bij hoge vermogens [3](#page=3). * **Brandveilig ontwerp:** Plaatsing van de batterij in een gescheiden, geïsoleerd compartiment tijdens transport [3](#page=3). ### 2.4 Invloed op Capaciteit De capaciteit van een batterij, de totale hoeveelheid elektriciteit die het kan leveren bij normaal gebruik, wordt beïnvloed door diverse factoren. Een hogere capaciteit resulteert in een langere werktijd bij dezelfde stroom [4](#page=4). * **Ontlaadstroom:** Een hogere ontlaadstroom leidt tot een lagere capaciteit. De ontlaadtijd voor startaccu's is 20 uur [5](#page=5). * **Temperatuur:** Bij hogere temperaturen verlopen de chemische reacties vlotter, wat de capaciteit van de accu vergroot [5](#page=5). ### 2.5 Laadmethoden * **Bufferladen:** Hierbij worden verbruiker en lader parallel op de accu aangesloten. De lader levert een stroom om de accu volgeladen te houden. Als de alternator van een auto dezelfde spanning heeft als de batterij, wordt deze niet opgeladen [5](#page=5). * **Druppelladen:** Compenseert ladingsverlies dat optreedt wanneer een accu lange tijd stilstaat [5](#page=5). ### 2.6 Startkabels aansluiten en loskoppelen #### 2.6.1 Aansluiten 1. Zet de motor en alle stroomverbruikers uit [5](#page=5). 2. Verbind de pluspolen van beide accu's [5](#page=5). 3. Sluit de tweede kabel aan op de minpool van de auto met de volle accu, en verbind deze vervolgens met een metalen deel van de motor, niet op de minpool van de lege accu, om slechte aarding te omzeilen [5](#page=5). 4. Start de motor en laat de batterij enkele minuten opladen [5](#page=5). #### 2.6.2 Loskoppelen 1. Schakel bij de opgeladen auto de achterruitverwarming en de verwarming in om spanningspieken te voorkomen. Vermijd het inschakelen van koplampen, aangezien deze door de spanningspiek kunnen doorbranden [5](#page=5). 2. Maak eerst de kabels los aan de minpool en daarna pas aan de pluspool [5](#page=5). ### 2.7 Andere Aandrijvingsmethoden #### 2.7.1 Brandstofcel Een brandstofcel genereert elektrische energie via chemische reacties, waarbij waterstof via een chemisch proces wordt omgezet naar elektriciteit. Deze stroom wordt eerst naar een batterijpakket geleid, dat vervolgens een elektromotor aanstuurt. De elektromotor kan niet direct worden aangedreven omdat de opgewekte stroom te klein is [6](#page=6). * **Elektrische aandrijving met brandstofcel:** * **Voordelen:** Hoge tank-to-wheel efficiëntie, tot 2x lagere CO2 uitstoot, 100% recyclebaar en een levensduur van 20 jaar [6](#page=6). * **Nadelen:** Meer gewicht, niet geschikt voor vriestemperaturen, opslag van waterstof op -253°C, en dure productie van waterstof [6](#page=6). #### 2.7.2 Supercondensatoren Supercondensatoren slaan energie elektrostatisch op [6](#page=6). * **Voordelen:** Kunnen in zeer korte tijd grote hoeveelheden energie opnemen en afgeven, en hebben een langere levensduur dan batterijen [6](#page=6). * **Nadelen:** Lagere energiedichtheid dan batterijen, en worden vaak in combinatie met batterijen gebruikt als ondersteuning [6](#page=6). #### 2.7.3 Verbrandingsmotor Verbrandingsmotoren worden zelden gebruikt bij grondrobots vanwege het hoge geluidsniveau, de aanzienlijke uitstoot en de minder precieze besturing [6](#page=6). * **Benzine:** Geschikt voor hoge toerentallen, meestal met luchttoevoer en bougieontsteking [6](#page=6). * **Diesel:** Biedt goede brandstofefficiëntie en vereist geen bougie [6](#page=6). --- # Robotkinematica en locomotie Dit onderwerp onderzoekt de studie van beweging, vrijheidsgraden, mobiliteit en verschillende typen wiel- en beengebaseerde locomotie voor robots. ### 3.1 Kinematica en locomotie Kinematica is de tak van de mechanica die de beweging van objecten beschrijft zonder rekening te houden met de oorzaken van die beweging. Het houdt zich bezig met de positie, snelheid en versnelling van een robot. Locomotie verwijst naar de fysieke wijze waarop een robot zich verplaatst, zoals via wielen of poten. Kinematica biedt de wiskundige grondslag om deze beweging te beschrijven, waardoor het mogelijk wordt de verplaatsing waar te nemen en de robot te besturen en te navigeren [7](#page=7). #### 3.1.1 Vrijheidsgraden en mobiliteit * **Degrees of Freedom (DOF)**: Dit zijn de onafhankelijke bewegingen die een robot of een deel ervan kan uitvoeren. De meeste actuatoren regelen één enkele DOF. Een motoras regelt bijvoorbeeld een roterende DOF, terwijl een glijdend element op een plotter één translationele DOF regelt [7](#page=7). * **Degree of Mobility (DOM)**: Dit is het aantal DOF dat direct toegankelijk is voor de actuatoren van de robot [7](#page=7). #### 3.1.2 Holonomie Een robot wordt als **holonoom** beschouwd wanneer het aantal DOF gelijk is aan het aantal DOM. Dit betekent dat de robot onmiddellijk in elke willekeurige richting in de ruimte kan bewegen. Een robot is **niet-holonoom** wanneer het aantal DOF groter is dan het aantal DOM. In dit geval kan de robot niet onmiddellijk in elke richting bewegen; de bewegingsmogelijkheden zijn beperkter en afhankelijk van de configuratie en kinematische beperkingen [8](#page=8). #### 3.1.3 Forward en Inverse Kinematica * **Forward Kinematics**: Deze analyse berekent de resulterende positie en oriëntatie van de robot op basis van bekende inputs, zoals de rotaties van de wielen. Een voorbeeld is het berekenen van de afgelegde afstand na een bepaald aantal wielrotaties [8](#page=8). * **Inverse Kinematics**: Deze analyse berekent de benodigde inputs (bijvoorbeeld wielrotaties) om een gewenste positie of oriëntatie te bereiken. Een voorbeeld is het bepalen hoeveel wielrotaties nodig zijn om een afstand van acht meter af te leggen [8](#page=8). ### 3.2 Wielgebaseerde locomotie Verschillende typen wielen en aandrijvingssystemen worden gebruikt voor robotlocomotie: * **Standaard wielen**: Conventionele wielen voor robotbeweging [7](#page=7). * **Swedish Wheel (Mecanum Wheel)**: Een speciaal type wiel dat omnidirectionele beweging mogelijk maakt door de combinatie van rollementen die onder een hoek staan ten opzichte van de wielas [8](#page=8). * **Differential-drive robot**: Een robot die zijn linker- en rechterwielen onafhankelijk kan aandrijven, wat wendbaarheid mogelijk maakt [8](#page=8). #### 3.2.1 Typen wielaandrijvingssystemen * **Bicycle**: Dit systeem heeft één wiel vooraan en één achteraan en is een type differential drive. Het is niet-holonoom, relatief eenvoudig te besturen en robuust [8](#page=8). * **Synchro drive**: Dit systeem maakt gebruik van drie wielen (twee achteraan, één vooraan) waarbij alle wielen synchroon sturen. Dit maakt holonome beweging mogelijk, maar het systeem is mechanisch complex [8](#page=8). * **Omnidirectional drive**: * Systemen met één wiel links en één rechts, die wendbaar en goedkoop kunnen zijn [8](#page=8). * Systemen die vier zweedse wielen gebruiken, waardoor volledige holonome beweging mogelijk is [8](#page=8). * **Tracked (rupsbanden)**: Deze systemen zijn effectief op ruw terrein, maar zijn doorgaans traag en energie-intensief [8](#page=8). * **Skid steer**: Hierbij draaien vier wielen, gescheiden voor links en rechts, met verschillende snelheden, waardoor het voertuig draait. Dit systeem is niet-holonoom en veroorzaakt slijtage doordat de wielen over de grond slippen [8](#page=8). * **Ackermann steering**: Gebruikt in auto's, waarbij de voorste wielen kunnen draaien en de achterste wielen volgen. Dit is niet-holonoom en efficiënt op harde ondergronden [8](#page=8). * **4 wiel drive**: Alle vier de wielen worden aangedreven, vaak in combinatie met Ackermann steering. Dit systeem verbetert tractie en stabiliteit [8](#page=8). #### 3.2.2 Hydraulische aandrijving Hydraulische systemen gebruiken vloeistoffen voor aandrijving en worden onderverdeeld in: * **Hydrostatica**: De studie van vloeistoffen in rust [7](#page=7). * **Hydrodynamica**: De studie van vloeistoffen in beweging [7](#page=7). **Voordelen** van hydraulische aandrijving zijn de mogelijkheid om grote krachten en vermogens te leveren, nauwkeurige reacties, een hoge levensduur en weinig onderhoud. Ze kunnen ook circulaire bewegingen uitvoeren [7](#page=7). **Nadelen** omvatten gevoeligheid voor temperatuur en druk, risico op breuk door drukpieken, dure herstellingen en milieurisico's bij lekkage [7](#page=7). ### 3.3 Been-gebaseerde locomotie (Legged Locomotion) #### 3.3.1 Stabiliteit Robots met poten kunnen gebruik maken van dynamische stabiliteit [9](#page=9). * **Schokabsorptie**: De gewrichten en actuatoren van de robot kunnen fungeren als schokdempers, wat het chassis beschermt tegen stoten en oneffenheden [9](#page=9). * **Herstel na storing**: Als een robot met poten een been verliest, kan deze vaak nog operationeel blijven met een aangepaste gang [9](#page=9). * **Interactiekrachten**: Poten kunnen krachten genereren die helpen bij duwen, springen of vasthouden aan oppervlakken [9](#page=9). #### 3.3.2 Beweegbaarheid * **Obstakeloverwinning**: Lopende robots kunnen over aanzienlijk grotere obstakels manoeuvreren dan rijdende robots [9](#page=9). * **Oneffen terrein**: Ze kunnen zich gemakkelijker voortbewegen op oneffen terrein door hun stapgrootte en staphoogte aan te passen [9](#page=9). * **Verticale mobiliteit**: Been-gebaseerde robots zijn uniek in hun vermogen om trappen en ladders te beklimmen [9](#page=9). ### 3.4 Elektrische energie Elektrisch vermogen geeft aan hoeveel elektrische energie per seconde wordt omgezet in een andere energievorm. Belangrijke elektronische componenten omvatten weerstanden, condensatoren, diodes, LED's, transistoren en Printed Circuit Boards (PCB's) [9](#page=9). --- # Elektrische componenten en communicatieprotocollen Dit gedeelte behandelt de essentiële elektronische componenten in grondrobots, van weerstanden en condensatoren tot motoren en controllers, evenals diverse communicatieprotocollen en externe communicatiemethoden. ### 4.1 Elektronische componenten Elektrisch vermogen definieert hoeveel elektrische energie per seconde wordt omgezet in een andere vorm van energie [9](#page=9). #### 4.1.1 Passieve componenten * **Weerstanden:** Deze componenten beperken de stroom. * **Variabele weerstanden:** * **Potentiometer:** Een regelbare weerstand [10](#page=10). * **NTC (Negative Temperature Coefficient):** De weerstandswaarde daalt bij een stijgende temperatuur [10](#page=10). * **PTC (Positive Temperature Coefficient):** De weerstandswaarde stijgt bij een stijgende temperatuur [10](#page=10). * **LDR (Light Dependent Resistor):** De weerstandswaarde daalt bij een toenemende hoeveelheid licht [10](#page=10). * **Rekstrookjes:** Hun weerstandswaarde verandert met de mate van vervorming; uitrekken verhoogt de weerstand [10](#page=10). * **Condensatoren:** Bestaan uit twee aansluitklemmen, twee elektroden en een isolator in het midden. Hun functie is het afvlakken van wisselspanning [10](#page=10). #### 4.1.2 Actieve componenten * **Diodes:** Kunnen in doorlaat- en sperrichting worden geschakeld. Ze worden toegepast als gelijkrichter in alternatoren en transformatoren, en dienen voor het gelijkrichten naar gelijkspanning en het beschermen van componenten [10](#page=10). * **LED's (Light Emitting Diodes):** Worden in doorlaatrichting geplaatst en geven een deel van de energie af in de vorm van licht [10](#page=10). * **Transistoren:** Worden gebruikt om een signaal te versterken of om actuatoren aan te sturen [10](#page=10). #### 4.1.3 Geïntegreerde schakelingen en printplaten * **PCB (Printed Circuit Board):** Een printplaat waarop componenten worden gemonteerd en met elkaar verbonden [10](#page=10). ### 4.2 Elektrische componenten bij grondrobots #### 4.2.1 Energieopslag en -distributie * **Batterij + BMS (Battery Management System):** * **Energiedichtheid:** De hoeveelheid energie per eenheid massa of volume, cruciaal voor gewichts- en volumeefficiëntie van robots [11](#page=11). * **Vermogensdichtheid:** De hoeveelheid energie die een batterij per tijdseenheid kan afgeven per eenheid massa of volume, bepaalt de kortetermijnkracht van de robot (acceleratie, klimmen) [11](#page=11). * **BMS:** Zorgt voor betrouwbare en veilige werking, stabiele voeding, monitort batterijstatus, beschermt tegen overladen/kortsluiting/oververhitting, en balanceert cellen voor een langere levensduur [11](#page=11). * **Zekeringen:** * **Smeltzekeringen:** Opofferingcomponenten die bij overstroom doorbranden ter bescherming. Vaak direct op de hoofdingang van een PCB geplaatst [11](#page=11) [12](#page=12). * **PPTC (Polymeric Positive Temperature Coefficient):** Zekeringen die zichzelf herstellen. Bij storing stijgt de weerstand, beperkt de stroom en daalt deze terug na verholpen storing, zonder schade aan de PPTC. Vaak gebruikt op circuits die vaker fouten begaan [12](#page=12). * **Elektronische stroombegrenzing:** Meten stroom elektronisch en schakelen uit bij overschrijding van ingestelde grenzen. Meestal gebruikt bij hoogwaardige robots [12](#page=12). * **PDU (Power Distribution Module):** Een stroomdistributiesysteem voor centrale controle en bewaking van belastingen op de CAN-bus [12](#page=12). * **Connectoren:** Diverse types zoals AMP, JST, Deutsch, XT30/60/90, T-plug, EC5, Sub-D, Milspec, en M12 [12](#page=12). * **Spanningsregelaar/DC-DC converter:** * **Spanningsregelaar:** Stabiliseert een onstabiele ingangsspanning naar een geregelde uitgangsspanning [12](#page=12). * **DC/DC converter:** Zet gelijkspanning om naar een hogere of lagere gelijkspanning. Een hogere spanning (boost) resulteert in een kleinere stroom [12](#page=12) [13](#page=13). #### 4.2.2 Aandrijving * **Motoren:** * **DC-motoren:** Goedkoop, eenvoudig aan te sturen, hoog startkoppel, maar hebben slijtage aan borstels en een laag rendement. Gebruikt in kleine AGV's en hobbyrobots [13](#page=13). * **Brushless DC-motoren (BLDC):** Elektronisch geregelde commutatie zonder borstels, wat leidt tot minder slijtage en een langere levensduur. Complexer en duurder, gebruikt in geavanceerde robots [13](#page=13). * **Servo-motoren:** Hebben een ingebouwde feedbacklus voor precieze positionering. Gebruikt in robotarmen en grippers, maar hebben beperkte rotatie en lager koppel bij hoge snelheden [13](#page=13). * **Stappenmotoren:** Draaien in nauwkeurige stappen door elektrische pulsen. Gebruikt voor nauwkeurige navigatie en fijne positieaanpassingen, maar hebben laag koppel bij hoge snelheden en constant stroomverbruik [13](#page=13). * **AC-inductiemotoren:** Robuust, betrouwbaar, krachtig, ideaal voor industriële toepassingen. Zwaarder en vereisen een frequentieregelaar, minder gebruikt bij kleine robots [14](#page=14). * **Lineaire motoren:** Produceren een rechte beweging in plaats van rotatie. Gebruikt in militaire en zware terreinrobots, bieden lange autonomie en hoge kracht, maar zijn complex en onderhoudsintensief [14](#page=14). * **Overbrenging:** Mechanismen om koppel over te brengen. * **Tandwielen:** Motor gekoppeld aan een tandwielkast [14](#page=14). * **Kettingaandrijving:** Koppel overgebracht via een ketting tussen tandwielen [14](#page=14). * **Riemaandrijving:** Koppel overgebracht via een getande riem tussen poelies [14](#page=14). * **Motorcontroller:** Belangrijk voor het controleren van de motorsnelheid [14](#page=14). #### 4.2.3 Sensoren en besturing * **Encoder:** Zet beweging van de motor om in een digitaal signaal voor positie, snelheid en richting [15](#page=15). * **Basis regelsysteem:** Vergelijkt een referentiewaarde met een gemeten werkelijke waarde om het systeem te regelen. * **Type regelaars:** * **Aan/uit regelaar:** Wisselt continu tussen aan en uit [15](#page=15). * **P-regelaar (Proportioneel):** Corrigeert het verschil tussen gewenste en werkelijke waarde [15](#page=15). * **I-regelaar (Integraal):** Houdt rekening met de fouten over een langere periode [15](#page=15). * **D-regelaar (Differentieel):** Kijkt naar de snelheid van verandering van de waarden [15](#page=15). * **PID-regelaar:** Combineert P, I en D regelaars voor optimale regeling [15](#page=15). ### 4.3 Interne communicatie #### 4.3.1 Basis terminologie * **Buadrate:** Aantal bits per seconde dat wordt verzonden; hogere waarden betekenen meer data in kortere tijd [15](#page=15). * **Latency:** Vertraging tussen het geven van een commando en de uitvoering ervan [15](#page=15). * **Bandbreedte:** Hoeveelheid data die tegelijkertijd kan worden verzonden; bredere banden verwerken meer data per keer [15](#page=15). * **Suplex/duplex:** * **Simplex:** Data wordt in één richting verzonden via één draad [16](#page=16). * **Half-duplex:** Data kan in beide richtingen worden verzonden, maar niet tegelijkertijd, via twee draden [16](#page=16). * **Full duplex:** Data kan in beide richtingen tegelijkertijd worden verzonden, vaak gebundeld in één draad [16](#page=16). #### 4.3.2 Communicatieprotocollen * **UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter):** Ideaal voor point-to-point communicatie met twee draden (transmitter, receiver). Full duplex. Toepassingen: GPS-modules, debuggen, Bluetooth/wifi modules [16](#page=16). * **I²C (Inter Integrated Circuit):** Seriële communicatie tussen geïntegreerde schakelingen. Half-duplex met multi-master ondersteuning. Toepassingen: IMU uitlezen, sensoren op hoofdboordcomputer [16](#page=16). * **SPI (Serial Peripheral Interface):** Seriële datalink met full-duplex en een master-slave relatie (MOSI: Master Out Slave In, MISO: Master In Slave Out). Toepassingen: SD-kaarten, flashgeheugen, geavanceerde sensoren [16](#page=16). * **One Wire:** Communicatiesysteem met lage snelheid via één geleider voor gegevens, signalering en stroom. Lagere datasnelheden en groter bereik dan I²C. Toepassingen: temperatuur- en vochtigheidsmeting, compatibel met Raspberry Pi en Arduino [17](#page=17). * **RS232:** Ontworpen voor point-to-point communicatie. Gebruikt voor debuggen, firmwareoverdracht of communicatie met oudere industriële apparatuur [17](#page=17). * **RS485:** Ontworpen voor multi-point communicatie (netwerken met meerdere apparaten op één bus). Kan verder communiceren, tot 32 apparaten per bus, die elk kunnen zenden en ontvangen. Gebruikt voor het aansturen van motoren of uitlezen van sensoren [17](#page=17). * **USB (Universal Serial Bus):** Seriële busstandaard met 4 draden, kan data tot 5 meter verzenden. Snel, bi-directioneel, dynamisch aankoppelbaar [17](#page=17). * **CAN (Controller Area Network):** Vaak gebruikt bij het Multi-Master principe [17](#page=17). * **CAN OPEN:** Een standaard die extra functies toevoegt aan CAN, met een master-slave principe waarbij slaves een aparte ID hebben [18](#page=18). * **ISOBUS:** Standaard voor communicatie en data-overdracht tussen tractor, machine en bedrijfssoftware. Vereenvoudigt bekabeling en maakt eenvoudige machine-uitwisseling mogelijk [18](#page=18). * **Universal terminal:** Bedieningspaneel voor aangekoppelde machines [18](#page=18). * **ECU (Electronic Control Unit):** Het 'brein' van de ISOBUS op de machine [18](#page=18). * **TIM (Tractor Implement Management):** Maakt aansturing van de tractor via de machine mogelijk, maar is onveilig en nog niet wijdverspreid [18](#page=18). * **Ethernet:** Meest gebruikte netwerkstandaard voor lokale netwerken. Maakt snelle communicatie, grote dataoverdracht en internetverbindingen mogelijk [18](#page=18). * **MAC-adres:** Unieke, hard-gecodeerde identificatie van 48 bits [18](#page=18). * **IP-adres:** Logisch adres dat een apparaat identificeert op een netwerk, kan variëren, gebruikt voor communicatie over verschillende netwerken [18](#page=18). * **Switch:** Verbindt meerdere apparaten binnen één lokaal netwerk, creëert efficiënte verbindingen. Gebruikt als interne netwerkbackbone voor pc's, camera's, lidars en motorcontrollers [18](#page=18). * **Router:** Verbindt verschillende netwerken met elkaar, gebruikt voor remote operation, telemetrie en 4G/5G-verbindingen [18](#page=18). * **DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol):** Deelt automatisch netwerkconfiguraties uit, ideaal voor grote robotnetwerken [19](#page=19). * **ETHERCAT (Ethernet for Control Automation Technology):** Open, real-time Ethernetstandaard geoptimaliseerd voor extreem snelle communicatie [19](#page=19). ### 4.4 Externe communicatie #### 4.4.1 Draadloze technologieën * **Bluetooth:** Draadloze technologie voor gegevensuitwisseling over korte afstanden met korte golflengte radio golven. Gebruikt 2.4 GHz en schakelt frequenties om interferentie te minimaliseren. Vormt Piconets met master en slaves [21](#page=21). * **Wifi:** Werkt op 2.4 en 5 GHz, max. bereik van 100 meter. Gebruikt voor teleoperatie, real-time video en cloudverbindingen. * **Repeater:** Versterkt data en vergroot bereik, maar introduceert verbruik en vertraging [21](#page=21). * **Zigbee:** Draadloze standaard voor lage bandbreedte, laag stroomverbruik en IoT-toepassingen. Creëert betrouwbare, energiezuinige en schaalbare netwerken voor domotica en industriële monitoring [21](#page=21). * **LoRa (Long Range):** Werkt op 868 MHz, lage data rate, max. bereik van 15 km. Gebruikt voor energiezuinige telemetrie, niet geschikt voor real-time besturing [21](#page=21). * **Mobiele netwerken (4G/5G):** Werken tussen 700 MHz en 3.5 GHz, groot bereik. Gebruikt voor autonoom rijden en drone-communicatie. * **4G:** Geschikt voor videofeedback, telemetrie van grote datavolumes en GPS-correctiedata [21](#page=21). * **5G:** Extreem hoge doorvoersnelheid voor 4K/8K video en cloudverwerking [21](#page=21). #### 4.4.2 Frequenties en propagatie * **Frequenties:** Hogere frequenties hebben een lager bereik [19](#page=19). * VLF, LF, MF, HF, VHF, UHF, SHF, EHF, UV (golflengtes) [19](#page=19). * **Antennes:** Zenden en ontvangen elektromagnetische golven in een donutvormige uitstraling rond de antenne [20](#page=20). * **Propagatie van frequenties:** Omvat reflectie, absorptie, diffractie en scattering [20](#page=20). * **Penetratie:** Signaal moet door muren, ramen, etc. kunnen dringen. Signaalverlies hangt af van het materiaal [20](#page=20). * **Reflectie:** Multi-path propagatie door reflectie tegen objecten, wat leidt tot signaalweerkaatsing via verschillende paden [20](#page=20). * **RF (Radio Frequency) frequenties:** * **433 MHz:** Extreem goed bereik, dringt goed door muren. Gebruikt voor garagedeuren, goedkope sensoren [20](#page=20). * **868 MHz:** Goede balans tussen bereik, datasnelheid en doordringbaarheid. Gebruikt voor smart metingen, home security [20](#page=20). * **2.4 GHz:** Zeer hoge bandbreedte, wereldwijd geharmoniseerd. Gebruikt voor Wifi, Bluetooth [20](#page=20). --- # Cloudgebaseerde diensten en fleet management Dit onderwerp beschrijft hoe cloudgebaseerde diensten worden gebruikt voor robots, de verschillende manieren waarop data kan worden opgeslagen, en de rol van fleet managers bij het beheren van robotgroepen. ## 5 Cloudgebaseerde diensten en fleet management ### 5.1 Cloudgebaseerde diensten voor robots Cloudgebaseerde diensten maken voor robots gebruik van externe opslag en rekenkracht via het internet, wat zorgt voor een hoge beschikbaarheid van resources. Connectiviteit met de cloud kan worden gerealiseerd via mobiele netwerken zoals 4G/5G of via een dockingstation [22](#page=22). #### 5.1.1 Soorten data in de cloud Data wordt opgeslagen in de cloud voor diverse doeleinden, waaronder het voorspelbaar maken van onderhoud, het verhogen van de veiligheid, het optimaliseren van routes en het verbeteren van de intelligentie van robots. De opgeslagen data kan worden onderverdeeld in drie hoofdcategorieën [22](#page=22): * **Sensordata**: Dit omvat informatie verzameld door sensoren zoals LiDAR, camera-beelden, GPS-posities en omgevingsinformatie [22](#page=22). * **Operationele data**: Dit betreft de interne status van de robot, zoals batterijniveau, temperatuur van motoren, status van actuatoren en eventuele foutmeldingen of waarschuwingen [22](#page=22). * **Gebruiksdata**: Deze data registreert hoe de robot wordt gebruikt, inclusief afgelegde routes, operationele tijden en perioden van stilstand [22](#page=22). #### 5.1.2 Opslagstrategieën Verschillende opslagstrategieën worden toegepast om de efficiëntie en effectiviteit van dataopslag te waarborgen: * **Ringbuffer**: Bij deze methode wordt data continu opgenomen en worden de oudste gegevens automatisch overschreven wanneer de opslag vol raakt [22](#page=22). * **Edge AI preprocessing**: Data ondergaat preprocessing op het apparaat zelf (edge) voordat het naar de cloud wordt gestuurd. Dit kan compressie, downsampling, selectie van keyframes en detectie van anomalieën omvatten [22](#page=22). * **Selective upload**: Data wordt alleen naar de cloud gestuurd wanneer er een incident plaatsvindt, wanneer dit expliciet wordt gevraagd, bij kaartupdates, voor onderhoudswerkzaamheden, of aan het einde van een missie [22](#page=22). * **Scheduled upload**: Data wordt periodiek geüpload, bijvoorbeeld tijdens het docken, 's nachts, bij een sterke wifi-verbinding, of via acces points [22](#page=22). * **Temporary hot cache**: Recente data wordt lokaal opgeslagen voor snelle toegang ten behoeve van debugging, doorgeven van informatie (relays) of voor lokale autonomie van de robot [22](#page=22). * **Encrypted storage**: Om gevoelige logbestanden te beschermen, wordt de data versleuteld opgeslagen [22](#page=22). ### 5.2 Fleet managers Fleet management is software die een groep robots coördineert en beheert. De belangrijkste functies van een fleet manager omvatten [23](#page=23): * **Taakbeheer**: Toewijzen van taken aan individuele robots, het stellen van prioriteiten voor deze taken en het volgen van de status van uitgevoerde taken [23](#page=23). * **Routenplanning en -uitvoering**: Het voorkomen van botsingen tussen robots en het aansturen van robots op basis van omgevingsfactoren zoals obstakels of drukte in een gebied [23](#page=23). * **Onderhoudsbeheer**: Faciliteren van voorspellend onderhoud door het monitoren van de status van robots en het automatisch genereren van waarschuwingen wanneer onderhoud nodig is [23](#page=23). * **Veiligheid**: Implementeren van veiligheidsmaatregelen zoals geofencing (het definiëren van virtuele grenzen) en het instellen van 'no-go' zones waar robots niet mogen komen [23](#page=23). * **Software updates**: Beheren en distribueren van software-updates naar de vloot van robots [23](#page=23). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Ground robot | Een robot die zich op de grond voortbeweegt en specifieke taken uitvoert. Deze robots kunnen zowel op afstand bestuurd worden als autonoom opereren in diverse omgevingen zoals industrie, landbouw, zorg, defensie en huishoudens. | | Automated Guided Vehicle (AGV) | Een onbemand voertuig dat navigeert binnen een gedefinieerde omgeving via vaste routes of externe systemen. AGV's hebben beperkte intelligentie en kunnen geen obstakels ontwijken, wat hen betrouwbaar en voorspelbaar, maar niet flexibel maakt. Ze worden veelal ingezet in fabrieken en magazijnen. | | Autonome mobiele robot (AMR) | Een robotisch systeem dat zich zelfstandig voortbeweegt, zijn omgeving waarneemt met sensoren en real-time beslissingen neemt voor navigatie en taakuitvoering. AMR's kunnen dynamisch navigeren, obstakels ontwijken en nieuwe routes berekenen, waardoor ze flexibeler zijn dan AGV's en beter geschikt voor magazijnen met menselijke aanwezigheid. | | Unmanned Ground Vehicle (UGV) | Een overkoepelende term voor alle voertuigen die autonoom of op afstand rijden zonder menselijke bestuurder op de grond. | | Autonoom | Een voertuig wordt als autonoom beschouwd wanneer het in staat is om zelfstandig zijn locatie, perceptie en planning te verwerken en aan te passen aan veranderende omstandigheden. | | Energiedichtheid | De hoeveelheid energie die een batterij, brandstof of ander energieopslagsysteem kan bevatten per eenheid massa of volume. Een hogere energiedichtheid betekent dat meer energie kan worden meegenomen voor een bepaald gewicht of volume, wat essentieel is voor langere operationele tijden van mobiele robots. | | Vermogendichtheid | De hoeveelheid energie die een batterij per tijdseenheid kan afgeven, gemeten per eenheid massa of volume. Dit bepaalt hoe snel een robot kan accelereren, klimmen of zware lasten kan verplaatsen, en is dus cruciaal voor de prestaties en kracht van de robot op korte termijn. | | Battery Management System (BMS) | Een elektronisch systeem dat de prestaties en veiligheid van een batterijpakket bewaakt en regelt. Een BMS monitort celspanning, stroom, temperatuur en celbalans, beschermt tegen overladen, kortsluiting en oververhitting, en optimaliseert de levensduur van de batterij. | | Kinematica | De studie van beweging zonder rekening te houden met de krachten die de beweging veroorzaken. Kinematica beschrijft de positie, snelheid en versnelling van een robot en is essentieel voor het waarnemen, besturen en navigeren van de robot. | | Vrijheidsgraad (DOF - Degrees of Freedom) | Het aantal onafhankelijke manieren waarop een robot of een mechanisch systeem kan bewegen of oriënteren. Een motoras die roteert, regelt bijvoorbeeld één roterende DOF, terwijl een lineaire beweging één translationele DOF regelt. | | Mate van mobiliteit (DOM - Degree of Mobility) | Het aantal vrijheidsgraden (DOF) dat direct toegankelijk is voor de actuatoren van een robot. Dit bepaalt hoeveel van de mogelijke bewegingen van een robot daadwerkelijk gestuurd kunnen worden. | | Holonomische robot | Een robot is holonomisch wanneer het aantal vrijheidsgraden (DOF) gelijk is aan het aantal controleerbare bewegingsvrijheden (DOM). Dit betekent dat de robot in staat is om zich onmiddellijk in elke richting in de ruimte te bewegen. | | Niet-holonomische robot | Een robot is niet-holonomisch wanneer het aantal vrijheidsgraden (DOF) groter is dan het aantal controleerbare bewegingsvrijheden (DOM). Deze robots kunnen zich niet onmiddellijk in elke richting bewegen en vereisen vaak specifieke manoeuvres om te navigeren. | | Print Circuit Board (PCB) | Een printplaat waarop elektronische componenten worden gemonteerd en met elkaar verbonden door middel van geleidende banen. PCB's vormen de basis voor de elektronische circuits in veel apparaten, inclusief robots. | | CAN (Controller Area Network) | Een robuust protocol voor communicatie tussen microcontrollers en apparaten, veelgebruikt in voertuigen en industriële automatiseringssystemen. Het staat bekend om zijn betrouwbaarheid en efficiëntie in omgevingen met veel elektrische ruis. | | Ethernet | Een veelgebruikte netwerkstandaard voor lokale netwerken die hoge communicatiesnelheden en de mogelijkheid om grote hoeveelheden data te verzenden mogelijk maakt. Ethernet wordt gebruikt voor robotcommunicatie, verbinding met het internet en als interne netwerkbackbone. |