capÍtulo 4 1.introdução 2.critérios para utilização de sensores 3.sensores utilizados como...
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CAPÍTULO 41. Introdução
2. Critérios para utilização de sensores
3. Sensores utilizados como transdutores
4. Sensores de proximidade
5. Detecção de erro em sistemas automatizados
6. Sensores para medida de posição e velocidade
7. Sensores para medida de força e pressão
8. Sensores para medida da variável de pressão
9. Sensores para medida de aceleração
10. Sensores de orientação e posicionamento
11. Sensores de uso educacional
Sensor => pode ser definido como sendo um transdutor que altera a sua característica física interna devido a um fenômeno físico externo — presença ou não de luz, som, gás, campo elétrico, campo magnético etc.
Transdutor => é todo dispositivo que recebe uma resposta de saída, da mesma espécie ou diferente, a qual reproduz certas características do sinal de entrada a partir de uma relação definida.
Todos os elementos sensores são denominados transdutores.
1. Introdução
Automação industrial: identificação de peças, medição, verificação de posição etc.
Automação bancária e de escritório: leitura de código de barras, tarja magnética, identificação de impressão digital.
Automação veicular: sensores de composição de gases do escapamento, sensores de temperatura, sensores de velocidade.
Automação residencial (domótica): sistemas de alarme, sensores para controle de temperatura ambiente, sensores de controle de luminosidade, sensores de detecção de vazamento de gás, sensores de presença para acendimento automático de lâmpadas etc.
Áreas de utilização
Proximidade: mecânicos, ópticos, indutivos e capacitivos.
Posição e velocidade: potenciômetros, LVDT, encoders absolutos e relativos e tacogeradores.
Força e pressão: células extensométricas (strain gauge).
Temperatura: analógicos (termopares).
Vibração e aceleração: acelerômetros.
Principais tipos de sensores industriais
Exemplos de aplicação de sensores
Exemplos de aplicação de sensores
Variáveis de medidaSinal analógico: é aquele que assume um determinado valor compreendido dentro de uma escala. Entre alguns exemplos podemos citar: o valor da pressão indicado em um manômetro, o valor da tensão indicado em um voltímetro, o valor da temperatura indicado em um termômetro.
Sinal digital: é aquele que pode assumir um número finito de valores em uma determinada escala. Entre alguns exemplos podemos citar: um relógio digital e um contador.
Sinal binário: é um sinal digital que pode assumir somente dois valores na escala: 0 ou 1.
2. Critérios para utilização de sensores
Discretos: os sensores podem ser utilizados para o controle de variáveis lógicas ou booleanas (sinais binários). Os mais empregados são os sensores de proximidade, utilizados geralmente para detecção de presença de objetos. Eles podem ser mecânicos, ópticos, indutivos e capacitivos.
Contínuos: é considerado uma das grandes áreas da Automação. Nesse processo, existem diferentes tipos de sensores capazes de medir as principais variáveis de controle, que podem ser classificadas como Medidas de Deslocamento, Velocidade, Pressão, Vazão e Temperatura (sinais analógicos ou binários).
Controle de processos
Linearidade: é o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física. Quanto maior a linearidade, mais fiel é a resposta do sensor ao estímulo.
Faixa de atuação: é o intervalo de valores da grandeza em que pode ser utilizado o sensor, sem causar sua destruição ou imprecisão na leitura.
Características
Acurácia: razão entre o valor real e o valor medido pelo sensor.
Resolução: grandeza relacionada ao grau de precisão de leitura do sensor.
Repetibilidade: variação dos valores lidos quando uma mesma quantidade é medida várias vezes.
Faixa de operação: limites superior e inferior da variável a ser lida pelo sensor.
Sensibilidade e linearidade: índice associado a acurácia, resolução, repetibilidade e range.
Características gerais dos sensores
Especificação de sensores para utilização em processos automatizados => baseia-se dos graus e classes de proteção estabelecidos nas Normas de Proteção Internacional.
Classes de proteção => indicadas por um símbolo composto:
a) duas letras – IP (International Protection) b) dois dígitos que definem o grau de proteção
Exemplo:
Características
Classes de proteção
Classes de proteção
=> Elementos de comando e sinalização no contexto da automação são considerados como sensores (por exemplo, entradas dos controladores programáveis industriais).
Elementos de comando:• Botão (chaves mecânicas) • Botão inversor ou comutador• Interruptor com trava• Chaves de fim de curso ou limit switch
Elementos de sinalização: • Lâmpada • Buzina • Cigarra
3. Sensores utilizados como transdutores
• Normalmente digitais (on/off). • Largamente utilizados em processos automatizados para detecção da presença ou ausência de um objeto.
• Sensores mais empregados na automação de máquinas e equipamentos industriais são do tipo: chaves mecânicas de final de curso, capacitivos, indutivos, ópticos, magnéticos e ultra-sônicos.
4. Sensores de proximidade
As chaves de fim de curso, como o próprio nome sugere, são aplicadas para detectar o fim do movimento de um mecanismo (como, por exemplo, uma junta robótica).
Chaves de fim de curso
Princípio de funcionamento: baseado num circuito oscilador que gera uma onda convertida em luz pelo emissor. Quando um objeto é aproximado do sensor óptico, este objeto reflete a luz do emissor para o receptor. Um circuito eletrônico identifica essa variação e emite um sinal que poderá ser utilizado para inspeção e controle.
Elementos:Emissor - pode ser um LED (Diodo Emissor de Luz) ou uma lâmpada.
Receptor - é um componente fotossensível (sensível à luz) como fototransistor, fotodiodo, ou LDRs (resistores variáveis pela luz).
Sensores de proximidade ópticos
• Não requerem contato mecânico para sensoriamento.
• Não apresentam partes móveis.
• Apresentam pequenas dimensões.
• Apresentam chaveamento seguro.
• São insensíveis a vibrações e choques.
• Apresentam muitas configurações disponíveis.
• Requerem sempre alinhamento.
• Podem ser blindados para serem usados em ambientes com alto grau de luminosidade (setores de soldagem, por exemplo).
• Normalmente exigem limpeza e isolamento de pó e umidade.
Principais características
Capazes de detectar diferentes tipos de objetos. Existem três formas de um sensor ótico operar:
1) Reflexão: a luz é refletida no objeto e o sensor é acionado. Neste caso os objetos devem ser transparentes ou escuros.
2) Barreira: o objeto bloqueia a passagem da luz, e a saída do sensor é comutada.
3) Emissor-receptor: nesse modo, o emissor e o receptor estão montados separadamente, e, quando o raio de luz é interrompido por um objeto colocado entre os dois, cessando a propagação da luz entre eles, o sinal de saída do sensor é comutado e enviado ao circuito elétrico de comando.
Principais características
• Vários modelos: alimentação 12-30 VDC, 24-240 VAC.
• Sinal de saída: TTL 5V, relé de estado sólido etc.
• Detecção de aproximação de objetos, desde que não sejam transparentes.
• Distância de detecção variável, função da luminosidade do ambiente.
• Normalmente construídos em dois corpos distintos (emissor e receptor de luz).
Principais características
Classificação:• Arranjo físico• Tipo de emissor ou receptor• Usado para detectar presença, medir velocidade etc.
Sensores ópticos
Exemplos de utilização de sensores ópticos com disco de reflexão
Exemplos de utilização de sensores ópticos com fenda de abertura
Exemplos de utilização de sensores ópticos (emissor-receptor)
Exemplos de utilização de sensores de proximidade ópticos
Princípio de funcionamento: semelhante ao princípio de funcionamento de um sonar utilizado em navios. Um sinal sonoro é emitido em uma determinada direção na água; as ondas sonoras caminham pela água até encontrar um obstáculo; este obstáculo reflete as ondas sonoras; quando os sensores do navio recebem o eco do sinal que foi transmitido, mede‑se o tempo gasto entre a emissão e o retorno.
Funciona a partir da emissão de som em alta freqüência, inaudível ao ser humano. O tempo de propagação é diretamente proporcional à distância do obstáculo a ser identificado.
Sensores de proximidade ultra-sônicos
Sensores de proximidade ultra-sônicos
Princípios de funcionamento
• Constituídos de cristais, como o quartzo, que possuem como característica importante o efeito piezoelétrico, ou seja, quando aplicamos uma força de tração ou compressão no cristal, aparecerá uma tensão proporcional à força aplicada (conversão de força em tensão).
• Quando se aplica uma tensão no cristal, ele se comprime ou expande automaticamente. Conseqüentemente, se aplicarmos uma tensão alternada em um cristal, ele irá vibrar na mesma freqüência da tensão aplicada (conversão de tensão em movimento).
• O sensor ultra-sônico aplica uma tensão alternada em alta freqüência no cristal, fazendo-o vibrar e assim emitir um som em alta freqüência (conversão de tensão em movimento). Depois, o circuito do sensor passa a ler a tensão no cristal para receber o eco do sinal que foi emitido (conversão de força ou movimento em tensão).
Principais características Sensores ultra-sônicos
• Geralmente utilizados como sensores de proximidade.
• Utilizam pulsos sonoros no sensoriamento. Medem amplitude e tempo do deslocamento do pulso sonoro de um obstáculo até o receptor em um determinado meio.
• Trabalham na faixa de freqüência entre 40 KHz e 2 MHz, podendo fornecer diretamente uma grande faixa de informações.
• Podem apresentar problemas de funcionamento em ambientes que contenham altos índices de “ruídos”. Entretanto, podem ser utilizados em ambientes que apresentam umidade e pó.
• Existem sensores ultra-sônicos digitais ou analógicos, que emitem sinal em função da distância do objeto.
• São capazes de detectar qualquer tipo de material, com exceção daqueles que absorvem o som.
Principais características Sensores ultra-sônicos
• Apresentam o princípio de funcionamento semelhante ao de um indutor. Quando o campo magnético é:
Mais fraco (o núcleo não está totalmente dentro do indutor): a impedância (resistência) do indutor é menor, portanto, a tensão no resistor é maior.
Mais forte (o núcleo está dentro do indutor): a impedância (resistência) do indutor é maior, conseqüentemente a tensão no resistor é menor.
• Num sensor indutivo, o material dielétrico é o ar/vácuo, cuja constante é igual a 1. Portanto, o valor da capacitância é considerado muito baixo.
• O núcleo do sensor indutivo é aberto => denominado “entreferro”. Princípio de funcionamento: o campo magnético tem que passar pelo ar. Ao ligarmos o indutor a um circuito RL trabalhando em corrente alternada (CA), poderemos verificar a variação de tensão do resistor de acordo com a distância da peça.
Sensores indutivos
• Quando a fonte é ligada, a corrente do circuito vai aumentando; quando o núcleo do indutor está magnetizado, a corrente atinge o seu valor máximo.
• Quando a fonte é desligada, o núcleo do indutor ainda está magnetizado, e o campo magnético armazenado é convertido em corrente elétrica. A corrente elétrica vai diminuindo até chegar a zero quando o núcleo estiver desmagnetizado.
Circuito RL – corrente contínua (CC)
• Neste circuito, a maior parte da tensão gerada pelo gerador fica na bobina, e a tensão do resistor é baixa. Isso ocorre porque a impedância da bobina aumenta de acordo com a freqüência do sinal. Quanto maior a freqüência, maior será a impedância, e vice-versa.• Inicialmente, temos a corrente elétrica fluindo num determinado sentido, gerando um campo magnético, que irá magnetizar o núcleo da bobina. Quando a corrente muda de sentido, o núcleo ainda está magnetizado de acordo com o sentido anterior; portanto, o campo magnético do núcleo oferecerá uma resistência à passagem da corrente elétrica n nesse sentido. • O núcleo vai se desmagnetizando e depois se magnetiza no sentido contrário. Quando há uma nova inversão no sentido da corrente, o processo se repete. Conseqüentemente, a impedância (resistência) do indutor depende da freqüência. Quanto maior a freqüência, maior a impedância. • Podemos alterar a impedância (resistência) oferecida pelo indutor alterando o valor do indutor. Para alterar o valor do indutor podemos alterar a posição do núcleo do indutor.
Circuito RL – corrente alternada (CA)
Exemplos de utilização de sensores indutivos
Exemplo de aplicação• Detecção de funções abertura/fechamento• Detecção de um atuador semi-rotativo• Detecção de pallets num esteira• Detecção de fim de curso de cilindros
Detecção da presença de objetivos sem o contato.
Range: 3mm +/– 10%.
• Apresentam o princípio de funcionamento semelhante ao de um capacitor, que é um componente eletrônico capaz de armazenar cargas elétricas.
• O material dielétrico é o ar, que possui constante dielétrica igual a 1 – portanto, o valor da capacitância é muito baixo.
• Quando algum objeto que possui constante dielétrica maior que 1 é aproximado do sensor capacitivo, o campo magnético gerado pela atração entre as cargas passa por este objeto, e a capacitância aumenta.
• O circuito de controle, então, detecta essa variação e processa a presença desse objeto.
Sensores capacitivos
• Baseados na medida da variação da capacitância
• Usados para detectar presença, medir distância, aceleração, umidade etc.
Sensores capacitivos
Sensores capacitivos Valores de constante dielétrica
• Num circuito RC trabalhando com corrente contínua, o valor da corrente inicialmente é alto e vai diminuindo com o tempo até chegar a zero.
• O valor do resistor vai determinar o tempo de carga do capacitor. A corrente chega a zero porque, quando o capacitor se carrega, não há mais espaço para armazenar cargas. Portanto, para corrente contínua a impedância (resistência) oferecida pelo capacitor é alta.
Revisão de conceitosCircuito RC – corrente contínua (CC)
• O valor da corrente é proporcional ao sinal de tensão gerado pelo gerador CA.
• Quanto maior for a freqüência do gerador, menor será a impedância (resistência) oferecida pelo capacitor.
• Se variarmos o valor da capacitância, a tensão no resistor (R) também variará. Esse é o princípio de funcionamento do sensor capacitivo.
Revisão de conceitosCircuito RC – corrente alternada (CA)
Exemplos de aplicaçãoSensores capacitivos
• São utilizados para monitorar a presença de corpos não magnéticos.
• Aplicações industriais: verificação da presença de peças, detecção do fluído de um reservatório, contagem de peças etc.
• Os sistemas automatizados de controle são usados para manter alguma relação funcional entre uma quantidade de entrada e uma quantidade de saída.
• É necessário medir a quantidade de saída (variável de controle) para determinar a diferença entre o valor da variável de saída e um valor desejável (sinal de referência) => aplicar uma correção (sinal atuante) para reduzir essa diferença.
• Detector de erro (sensor de erro ou comparador) => dispositivos que comparam dois sinais de entrada e transmitem um sinal de saída resultante da diferença entre eles.
• Sensores de erro devem ser capazes de aceitar sinais de diversas naturezas físicas e de as converter em uma quantidade física comum => finalidade de efetuar a comparação.
5. Detecção de erro em sistemas automatizados
Estrutura de controle de robô industrial
Duas malhas de comparação provenientes de um sensor de medição de distância de um objeto num dado ambiente (sensores externos) e de um sensor de posição (velocidade) de cada junta do robô (sensores internos).
Função de transferência ecomparador de erro
• Potenciômetros são utilizados para comparar sinais (níveis de tensão) - por exemplo, para comparar a referência de entrada com a variável controlada traduzida pela posição de uma junta robótica rotativa ou linear. • A tensão de saída do potenciômetro é proporcional ao deslocamento da junta robótica quando uma tensão é aplicada.
• Requeridos em sistemas de controle realimentados de posição e velocidade.
• Podem ser classificados como: Sensores para medida de posição
- potenciômetros- LVDT- encoders
Sensores para medida de velocidade - tacômetros
6. Sensores para medida de posição e velocidade
Potenciômetros de precisãoPrincipais características
• Fornecem um sinal analógico para controle.
• Fornecem uma informação de posição absoluta.
• Apresentam baixo custo.
• Podem apresentar alterações de temperatura e variação no uso.
• Não podem ser utilizados em ambientes com umidade ou poeira.
Tipos de potenciômetro
Wirewound (rolo de arame): composto por um contato que desliza ao longo de rolo de arame de nicromo. Apresenta como vantagem o baixo custo e como desvantagem possíveis falhas de leitura e sensibilidade excessiva a variações de temperatura.
Cermet (cerâmica condutiva): composto por um contato que desliza sobre trilha de cerâmica condutiva, apresentando vantagens em relação aos wirewound.
Filme de plástico: apresenta alta resolução, longa vida e boa estabilidade de temperatura.
Sensor de deslocamento linear - linearvariable differential transformer (LVDT)
• Existe uma grande variedade de sensores eletromagnéticos que trabalham com relutância variável.
• Os mais utilizados são transformadores lineares, transformadores rotativos, potenciômetros indutivos e transdutores conhecidos como microsyn.
• Principal utilização: giroscópios de aviões e navios, acelerômetros e transdutores diversos, especialmente os transdutores de pressão.
• Consiste de um núcleo magnético que se move no interior de um cilindro. A carcaça do cilindro contém um núcleo primário que pode se mover em função de um sinal de freqüência (tensão elétrica).
• A carcaça contém dois cilindros secundários que detectam a freqüência na tensão com uma magnitude igual ao deslocamento, tornando esse tipo de sensor muito preciso.
• LVDT produz uma saída elétrica proporcional ao deslocamento linear de um núcleo.
Sensor de deslocamento linear (LVDT)
Transformadores rotativos
• São transdutores que operam obedecendo o mesmo princípio de atuação dos transformadores lineares, com características de funcionamento semelhantes, em que apenas a variável de entrada é um deslocamento angular.
• Principal utilização: sistemas em que se tenha necessidade de medição de pequenos deslocamentos angulares, tais como lemes de direção em navios e aviões, válvulas hidráulicas e radares em que a rotação do eixo da antena é limitada.
• Principal vantagem sobre os potenciômetros de precisão: não existência de atritos ou ruídos elétricos provocados pelo cursor do potenciômetro.
Encoders ópticos
• São sensores digitais comumente utilizados para fornecer a realimentação de posição em atuadores.
• São compostos por discos de vidro ou plástico que giram entre uma fonte de luz (LED) e um par de fotodetectores. Assim, o disco é codificado com setores alternados de transparência e opacidade, gerando pulsos de luz e escuridão quando na rotação do disco.
• Podem ser classificados como incrementais e absolutos.
Tacômetros
• Conhecidos como tacogeradores
• Convertem rotação mecânica de um eixo em tensão elétrica, ou seja, é um gerador com tensão de saída proporcional à velocidade angular da entrada.
• Podem ser utilizados como detector de erro a partir da comparação da tensão gerada com uma tensão de referência.
Tacômetros
Esses dispositivos operam como um elemento diferenciador, pois a sua saída (tensão elétrica) é igual à derivada no tempo da entrada (variação angular). Normalmente são utilizados nas seguintes aplicações:
a) elemento de controle e/ou medida de velocidade angular;b) diferenciador ou integrador;c) elemento estabilizador de posição, numa realimentação denominadatacométrica.
Com o baixo custo atual dos encoders incrementais, que fornecem informações digitais, os sensores tacométricos são cada vez menos utilizados em aplicações industriais, sendo indicados ainda:
a) devido à facilidade de serem utilizados diretamente em malha de controle analógica utilizando amplificadores operacionais
(baixo custo);b) pelo fato de poderem ser incorporados diretamente no eixo do
motor, obedecendo ao mesmo príncipio de funcionamento de um motor girando em reverso.
Normalmente, a medição industrial de grandezas de força e pressão é realizada de modo indireto a partir do desenvolvimento de um mecanismo de medida da deflexão de uma superfície. Dentre eles, podemos citar:
1. arranjo físico para utilização de LVDT;
2. utilização de ponte de extensômetros em superfície metálica que altere a resistência quando deformada;
3. utilização de materiais piezoelétricos que geram variação de corrente quando deformados.
7. Sensores para medida de força e pressão
Células para medição de força e pressão
Pontes extensométricas (Strain Gauge)
O strain gauge é um transdutor de força que converte a força aplicada de tensão ou torção em valores de resistência elétrica dados em ohm.
Princípio de funcionamento: variação da resistência elétrica causada pela variação de seu comprimento, o que causa um aumento ou diminuição de sua área, de maneira que esta afeta a estrutura metálica do componente e faz com que haja uma variação proporcional em sua resistência elétrica.
Sensor destinado a medir microdeformações em materiais sólidos em geral, tais como metais, plásticos, vidros, cerâmicas, concretos etc. O strain gauge é um transdutor que converte força em resistência elétrica.
8. Sensores para medida da variável de pressão
A variável de pressão pode ser medida por meio de:
• um tubo de Pitot; • deformação de uma membrana fixa; • medida da deformação utilizando métodos semelhantes ao da medida de força;• mola (manômetro); • distorção do cristal piezo (pressão);• extensômetros (strain gauges).
9. Sensores para medida de aceleração
A variável de aceleração normalmente é medida pela força exercida por uma massa sísmica mediante:
• distorção do cristal piezo (pressão); • movimento de uma viga;• deformação de uma massa;• acelerômetros para a medida de vibração.
10. Sensores de orientação e posicionamento
Para definir completamente a posição de um corpo rígido que se movimenta, há a necessidade de um sistema de coordenadas, como é o caso do sistema de controle de um avião, em que se necessita de:
a) velocidade longitudinal;
b) rotação em torno de um eixo longitudinal (roll) – eixo x;
c) rotação em torno de um eixo de arfagem (pitch) – eixo y;
d) rotação em torno de um eixo de guinada (yaw) – eixo z.
Sistema de controle de um avião
11. Sensores de uso educacional
Ambiente de automação => utilizamos como modelo o material LEGO™
Utilização basicamente da família de sensores que fazem parte dos kits LEGO conectáveis às entradas do RCX ou a outras interfaces de comunicação com o computador.
Sensores => de temperatura, toque, luz, rotação e infravermelho.
No caso do ambiente LEGO-LOGO™, na montagem de um dispositivo do tipo esteira e de um caminhão que transporta peças, a utilização de sensor de luz (como um fototransistor) possibilita a automatização desse processo de transporte, ou seja, o sensor no formato de um dispositivo emissor e um receptor de luz poderão ser acoplados ao suporte da esteira, numa de suas extremidades, onde está o caminhão para receber as peças. Desse modo, cada peça que passa em frente ao sensor faz com que a luz emitida (pelo emissor) seja recebida de volta (pelo receptor).