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Princípios de Funcionamento – Tipos e Aplicações

Aula 10- Utilização de sensores e transdutores óticos

Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS

Valner Brusamarello

Contextualização

O que são sensores óticos?

Importância de sensores óticos inseridos no contexto da atualidade

Importância de Sensores óticos dentro da Indústria

Importância de sensores óticos dentro da instrumentação

Principal característica: Ausência de cabos metálicos entre transmissão e recepção de sinal

Aplicações: contagem de peças, medição de velocidade, medição de deslocamento, sistemas de segurança, comunicação de dados entre muitos outros

Generalidades

Princípios Gerais de Funcionamento de

Dispositivos Baseados em Sensores Óticos

Interrupção de feixe de luz

Reflexão de feixe de luz

Medição de Intensidade de Luz

Utilização de Arranjos para medição de intensidade de Luz

Interrupção de feixe de luz

Fonte Emissora de Luz

Anteparo Elemento Sensor


Elemento Sensor

1)

2)

Reflexão de feixe de luz


Anteparo

Elemento Sensor

Medição de Intensidade de Luz

I1

I2

Sinal 1

Sinal 2

Sensor 1

Sensor 2

V1

V2

Utilização de Arranjos para medição de intensidade de Luz

Elementos Sensores

Tipos de Sensores

LDRs

Fotodiodos

Fototransistores

CCDs e CMOS

Resistor Dependente de Luz - LDR (Light

Dependent Resistor)

LDR é um dispositivo semicondutor de dois terminais, cuja resistência varia com a intensidade de luz incidente

Materiais frequentemente utilizados:sulfeto de cádmio (CdS) e o seleneto de cádmio (CdSe).

LDRs aumentam sua condutividade quando expostos a Luz.

Variação de Resistência típica : cerca de 300 para luz ambiente e 10 M para o escuro

Resposta lenta (cerca de 200K por segundo)

Transdutores Fotoresistivos

Fornecem uma alteração de resistência em resposta a uma alteração da intensidade luminosa

A luz afeta a resistividade do material

g

e g g

e

m A l

N e2

2

m=massa do elétron

e=velocidade média dos elétrons

entre íons

Ne= número de elétrons livres

e= carga do elétron

= distância média entre íons

Fotoresistor

Alteração da

Intensidade

Luminosa

Resistência

Rl

Ag g

g

g


LDR (Light Dependent Resistor)

Princípio de Funcionamento

A energia luminosa desloca elétrons da banda de

valência para a de condução (mais longe do

núcleo), aumentando o número destes,

diminuindo a resistência


LDR (Light Dependent Resistor)

Principais Características Tem sua resistência diminuída ao ser iluminado

É composto de um material semicondutor (em geral sais)

Sulfito de Cádmio - CdS Selenito de Cádmio - CdSe Sulfito de Chumbo - PbS Selenito de Chumbo - PbSe

A resistência varia de alguns M, no escuro, até centenas de , com luz solar direta

Os usos mais comuns do LDR são em relés fotoelétricos, fotômetros e alarmes.

Desvantagem está na lentidão de resposta dinâmica (300 K/s)


LDR (Light Dependent Resistor) Material semicondutor - CdS ou CdSe


LDR - Função de Transferência

b

LALR

RL = resistência do sensor sob intensidade luminosa de L (lux)

A = Constante que depende do sensor (340 - 991 x 103)

b = constante que depende do sensor (típico 0,85)

L = intensidade luminosa em lux (típico entre 5 e 104 lux)

ALbRL

logloglog

Normalmente representada em

Escala log x log

Transdutores Fotoresistivos LDR - Função de Transferência

Resposta Espectral: Depende do distância entre a banda de Condução e de Valência, representada pela energia do gap (Eg) - os fótons precisam ter energia superior à do gap para ceder aos elétrons (Ef=h)

A energia do gap depende do material empregado no semicondutor

Depende capacidade do cristal e de sua cobertura em deixar a luz passar

Limitado pela

capacidade de

transmissão Limitado

pelo Gap


LDR - Condicionamento Melhor Linearização

Excitação em tensão

+

-

VoR

RT

+

-

V1

Por meio de V1 ajusta-se a

sensibilidade

RR

VVoL

1

11

RL

REAL

L1 L2 L3 Intensidade luz (lux)


LDR - Condicionamento A topologia dos circuitos de condicionamento pode ser a mesma utilizada para os

termistores.

A diferença está no resistor de linearização

Amplificadores (log - antilog , divisores podem ser utilizados para melhorar ainda mais a linearidade da resposta.

ALb loglog

log -logA RL

(-b) 10^

Lblog

b

LALR

Llog L

Fotodiodo

Diodo de junção construído de forma a possibilitar a utilização da luz como fator de controle para a corrente

Funciona polarizado inversamente

Tem resposta rápida em relação a variação do sinal luminoso

Corrente de saída baixa

Fototransistores

Princípio de funcionamento similar ao fotodiodo, entretanto associado ao efeito do transistor

Maior sensibilidade devido a amplificação

Resposta mais lenta

Sensores de Imagens – Active Pixel Sensor

- APS Acoplador de Cargas (Charge

Coupled Device - CCD) e CMOS

Arranjo de sensores que transformam uma informação luminosa pontual (pixel) num sinal elétrico

A luz num determinado ponto sensor provoca a liberação de cargas que geram uma diferença de potencial

Um arranjo na forma de matriz permite então que seja feita uma varredura de sinais elétricos ocasionados pela luminosidade numa superfície

CCDs

Circuito integrado com uma matriz de capacitores acoplados.

Cada capacitor transfere sua carga elétrica para um outro capacitor vizinho (via controle).

Os CCDs são usados em fotografia digital, imagens de satélites, equipamentos médico-hospitalares entre outros;

A capacidade de resolução da imagem depende do número de células fotoelétricas do CCD (pixels).

Quanto maior o número de pixels, maior a resolução da imagem.

Câmeras fotográficas digitais incorporam CCDs com capacidades de milhões de pixels. São comuns CCDs (atualmente) com 10.2 Mpixels

CCD

Uma superfície fotosensível gera cargas elétricas.

As cargas negativas são deslocadas pelo controle sucessivo das tensões +V nos gates do CCD.

Câmeras coloridas usualmente usam máscaras (Bayer mask) sobre o CCD.

Cada quadrado de 4 pixels tem um filtro vermelho, um azul e dois verdes .

CMOS

Os CMOS possibilitam utilizar transistores para transferência de carga – trouxe flexibilidade aos sensores.

No esquema, RST é o reset do fotodiodo. Quando acionado RST, o fotodiodo fica ligado diretamente a VRST, limpando a carga.

Msf, funciona como um buffer que segue a tensão de source. Um amplificador que permite observar a tensão do pixel sem precisar remover a carga.

Msel é o transistor de seleção que permite que uma única linha de uma matriz de pixels possa ser lida eletronicamente.

CMOS – mais barato e menor consumo! Embora desempenho ainda seja menor a tendência é que em breve sensores desse tipo substituem os CCDs.

Aplicações - Medição de Nível

Sensores Detectam

quando o líquido na

garrafa alcança o

seu limite superior

Aplicações - Medição de Temperatura

termômetros de radiação implementados com sensores óticos

Aplicações - Termógrafo

Aplicações - Medição de Temperatura

Termômetro de radiação implementado com sensores óticos

Aplicações - Diversos

Aplicações - Termocâmeras

Aplicações - Leitura de CD / DVD

Transdutores Fotoelétricos

Fotodiodos

Princípio de Funcionamento Os fótons ao colidirem com elétrons na banda de valência cedem energia a eles e,

assim, os elétrons são promovidos para a banda de condução. Se esta colisão ocorrer na região de deplexão, o campo elétrico existente ali desloca os elétrons criando uma fotocorrente.

D1

Ânodo

Cátodo

-e Ip


Fotodiodos

Princípio de Funcionamento

D1

Ânodo

Cátodo

Fotodiodo sob polarização reversa

aumenta a região de deplexão


Fotodiodos Princípio de Funcionamento

Absorção Geração do par

Elétron-Lacuna

Recombinação

Geração de Corrente

Elétrica

(fotocorrente Ip)

Ip

Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Função de Transferência – Responsividade A/W ou V/W :

corrente ou tensão por potência radiante incidente.

(A/Watt) P

IR

L

P

eheP NeeNI é a eficiência de absorção

Neh= número de pares eletron-lacuna

gerados por segundo

(Joules) c

hEf

então se Ef > Eg = Ec-Ev

Energia de 1 Photon de compr. de onda

ehfWatts NE P


Fotodiodos Função de Transferência - Responsividade

(A/Watt) P

IR

L

P

eheP NeeNI

Egc

h se 0

Egc

h se (A/Watt) hc

eE

e

R f

ehfWatts NE P


Quando utilizado sem polarização, denomina-se de modo fotovoltaico.

O fluxo da corrente devido ao efeito fotoelétrico é restrito e surge uma tensão elétrica.

Uma célula solar pode ser vista como um fotodiodo com uma grande área.

No modo fotocondutivo o diodo é polarizado

reversamente .

Apenas uma corrente muita pequena é capaz de fluir nessas condições.


Fotodiodos Modos de Operação

Fotovoltaico

Fotocondutivo

PkT

eV

o I1eII

Io corrente de fundo (ou corrente sat reversa)

Ip corrente gerada pelo efeito fotoelétrico

Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos - Função de Transferência Operando no Modo Fotovoltaico (fotocélula)

PkT

eV

o

Ld

I1eII

IRV

d

I I


Fotodiodos - Função de Transferência Operando no Modo Fotovoltaico (fotocélula)

Id

I


Fotodiodos - Função de Transferência Operando no Modo Fotocondutivo

PkT

eV

o

LBd

I1eII

IRVV

d

+ -

I

Neste caso Vd é negativo logo I-Io-Ip,

ou seja, a corrente no diodo e a tensão em

RL são lineares em relação a potência

luminosa incidente.


Fotodiodos - Função de Transferência Operando no Modo Fotocondutivo


Fotodiodos - Função de Transferência Modelo Matemático

Possui ruído térmico

(Rs e Rj) e ruído

quântico (devido a

corrente no diodo).

Quanto maior a polarização reversa

maior é a corrente de ruído

Quanto maior a

polarização reversa

menor é Cj.


Fotodiodos Condicionamento


Fotodiodos - Exemplo de Aplicação

Sensores de Proximidade

São constituidos de uma fonte de luz (LED) e um fotodetector (fototransistor)

Normalmente procede-se a modulação do sinal para diminuir a influência da luz ambiente

Saída TTL 5V, relé de estado sólido, etc...

Amplificador

Demodulator

Modulator Fonte de

Sinal

Saída

Sinal Modulado

Fonte de Alimentação

Carga


Sensores de Proximidade Fotoelétricos

Alguns Modelos



Modos de Operação

Feixe de luz passante

Longas distâncias (20m)

Alinhamento é crítico

Retro-reflexão

Distâncias de 1 a 3m

Popular e barato

Reflexão difusa

Distância de 12 a 300mm

Barato e fácil de usar



Admitem extensão com fibra ótica



Exemplos de Aplicação



Exemplos de Aplicação

Cortina de luz

(segurança)

Detector de Colisão



Codificador Ótico - Encoder

São sensores de posição

Consiste de uma lâmina de plástico ou vidro que se movimenta entre uma fonte de luz (LED) e um conjunto de fotodiodos

A lâmina é codificada (reticulada) com setores transparentes e opacos alternados, de modo que pulsos de luz são produzidos com o movimento da lâmina.

Rotativos



Codificador Ótico

São sensores de posição

Consiste de uma lâmina de plástico ou vidro que se movimenta entre uma fonte de luz (LED) e um conjunto de fotodiodos

A lâmina é codificada (reticulada) com setores transparentes e opacos alternados, de modo que pulsos de luz são produzidos com o movimento da lâmina.

Lineares Expostos Selados


Codificador Ótico Rotativo

Características


Codificador Ótico Linear

Características

Funcionamento do Encoder Simples

Um emissor e

um receptor

acoplados a uma

roda com rasgos

que permitem a

luz passar

Funcionamento do Encoder Incremental para detectar sentido de rotação

Permite saber o

sentido do

movimento do

disco em relação

aos sensores

Funcionamento do Encoder Absoluto

Geração de código

binário correspondente

a posição do disco em

relação aos sensores e

emissores


Codificadores Óticos - Estrutura Interna


Codificadores Óticos Incrementais

Modo de Operação

• Os pulsos de luz são contados para determinar a posição

• São usados dois fotodetectores em quadratura para determinar a direção do movimento

• Um pulso de índice é utilizado para determinar a posição inicial


Codificador Ótico Incremental Linear

Encoder


Codificador Ótico Incremental

Rotativo


Codificador Ótico Incremental Rotativo Exemplo de Discos


Codificadores Óticos Incremental Rotativo Detalhes Construtivos

Fonte Luminosa

Lente

Máscara

Disco com Escala

Fotosensores



Sinais de Saída

Quase Senoidais

Permite Interpolação

Digitais

A2

B2p

ppI

Iarctg

360

llNP

Interpolação - Explora a característica

quase senoidal dos sinais de saída



Sinais de Saída Porque Quase Senoidais ?

Máscara

po

Feixe de

Luz

Paralelo

Escala impressa

Fotosensor

p

I (p)I (p, )

TS

sobre o disco

A

A

Escala

Área efetiva de passagen de luz

Máscara

pr

po

L

Corte A-A

Imx

1

0

Gd(p)

Imx

I (p)s

p

p

pr

I (p)T

Esse é o sinal ideal da fotocorrente em

função do movimento da escala

Intensidade luminosa

ideal sobre a escala

Escala Móvel

Intens. luminosa no Fotodiodo

S( )

2n

KsAL

p


Codificador Ótico Incremental Sinais de Saída

Porque Quase Senoidais ?

FonteLuminosa

Lente

Convergente

MáscaraEscala

Fotosensor

Frente de onda

Difração

Interferência

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

p

I (p)T

Mas ocorre a difração da

luz no retículo da máscara

Passo 4 m ou menor

Intensidade luminosa real sobre a escala


Codificador Ótico Absoluto

Modo de Operação

• Fornecem um código digital único para cada posição

• O código geralmente é no formato Gray

• Os codificadores óticos absolutos são mais complexos e caros que os incrementais


Codificador Ótico Absoluto Linear


Codificaor Ótico Absoluto Rotativo


Codificadores Óticos Absolutos Rotativos Exemplos de Discos


Codificador Ótico Exemplo de Aplicação

Sistema de

Posicionamento de

Telescópio

Mecanismo de

alimentação para

máquina perfuratriz

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