sensores e transdutores

6071 Sent - Sensores e Transdutores

Sensores e Transdutores

Carlos Gonçalves Efa_teac 0212 Página 1


Autor do Trabalho:

Carlos Gonçalves Turma: Efa Teac 0212

Destinatario:

Professor Ricardo Santos

Disciplima 6071 Sent – Sensores e Transdutores

Índice1. Sensores............................................................................................................................................8

2. Transdutores.....................................................................................................................................8

3. Classificação dos Sensores e Transdutores.......................................................................................9

4. Características dos Sensores e Transdutores...................................................................................9

5. Tipos de Sensores...........................................................................................................................11

6. Relatório do exercício prático………………………………………………………………………………………………….11

7.Conclusão……………………………………………………………………………………………………………………………..….14



1. Sensores

São dispositivos usados para detectar, medir ou gravar fenômenos físicos tais como calor, radiação entre outros e que responde transmitindo informação, iniciando mudanças ou operando controles.

2. Transdutores

Um transdutor é um dispositivo que converte uma forma de energia ou quantidade física em outra.

3. Classificação dos Sensores e Transdutores

Os sensores e transdutores podem ser classificados com base [3]:

* Na aplicação a que se destinam;

* Na quantidade física, propriedade ou condição que é medida.

* No princípio elétrico de funcionamento.

Quanto às grandezas físicas podem ser classificados em:

* Mecânicos;

* Térmicos;

* Ópticos.

Outro processo usual de classificação consiste na divisão em dois grandes grupos:

* Passivos: precisam de uma fonte de alimentação externa;

* Ativos: auto-alimentados geram na saída uma tensão ou corrente.



Os sensores podem ser classificados também como analógico, quando mede vários pontos assumidos de uma grandeza, ou digitais, quando existem apenas dois pontos possíveis de serem atingidos.

4. Características dos Sensores e Transdutores

Algumas características importantes devem ser levadas em consideração para a escolha e utilização de um sensor na aplicação de um projeto. Apesar de existirem inúmeros tipos de sensores, há algumas características que servem em caráter geral dos mesmos. São elas:

4.1 Faixa de trabalho

São todos os níveis de amplitude da grandeza física medida nos quais o sensor opera dentro da exatidão especificada. Caracteriza-se pelo espaço compreendido entre um limite mínimo e um máximo de operação projetado.

4.2 Resolução

Define-se como a menor alteração do meio físico que causa uma mudança no sinal de saída do sensor.

4.3 Sensibilidade

É a relação entre a grandeza física e sua representação no sinal de saída do sensor.

4.4 Linearidade

Um sensor é linear quando variações iguais da grandeza física representam variações iguais do sinal entregue, o seja, quando a sensibilidade do sensor é a mesma para toda a sua faixa.

4.5 Histerese

Quando o estímulo de entrada crescer até um ponto qualquer e este ponto entregar um sinal, e se, o estimulo de entrada vir de um ponto mais elevado e regredir até este mesmo ponto, e o sinal entregue for diferente do anterior, ocorreu um fenômeno denominado histerese. Este fenômeno pode ser causado por diversas variáveis de processo, como por exemplo, a folga entre os dentes de uma engrenagem.



4.6 Exatidão ou Erro

Dada uma grandeza física, exatidão ou erro é a diferença entre o valor do sinal entregue pelo sensor e o valor esperado para aquela grandeza. Esta exatidão ou erro geralmente é representado em termos percentuais.

4.7 Relação Sinal ou Ruído

É a relação entre a potencia de um sinal entregue pelo sensor e a potencia do sinal de ruído. Sinal de ruído é o sinal de alimentação do sensor, que tem sua amplitude determinada.

5. Tipos de Sensores

5.1 Sensor de Proximidade Indutivo

Utilizado para detectar a aproximação de um metal, que pode ser um elemento de máquina, ou uma peça qualquer. Este sensor funciona através de uma bobina que gera um campo eletromagnético de alta freqüência, que é convertido em sinais senoidais. Quando um metal se aproxima, absorve parte da energia gerada neste campo, o que causa a diminuição da amplitude do sinal gerado, indicando assim a presença do mesmo. A distancia de acionamento deste sensor é determinada pelo tamanho da bobina utilizada. A distancia de acionamento de um sensor é menor do que a distancia do seu desacionamento, o que deve ser levado em consideração no projeto.

O sensor indutivo pode ser do tipo embutido, quando o campo eletromagnético emerge apenas na face sensora, o que permite a instalação em superfícies metálicas, ou do tipo não embutido, onde o campo eletromagnético emerge também na lateral do sensor.

5.2 Sensor Capacitivo

Utilizado para detectar a aproximação de materiais orgânicos, pós, líquidos, madeira, papeis, metais, etc. Este sensor funciona através de um campo elétrico formado por um oscilador controlado por um capacitor. Este capacitor é formado por duas placas eletricamente carregadas com cargas opostas, montadas na face sensora, projetando o campo elétrico para fora. Quando um material se aproxima, o



dielétrico do campo se altera, alterando a capacitância, o que faz com que o oscilador também altere a amplitude de seu sinal.

Como os dielétricos dos materiais são conhecidos, é possível identificar com este sensor, qual o tipo de material que se aproxima, ou, por exemplo, se há liquido dentro de uma garrafa, ou pó dentro de uma caixa fechada.

A distância de acionamento deste sensor varia de acordo com o tipo de material que se aproxima, ou, melhor dizendo, com o coeficiente dielétrico deste material. Quanto menor for o dielétrico do material, menor à distância atuadora do sensor.

5.3 Sensores Fotoelétricos

Utilizado para detecção de materiais em geral, devendo-se tomar algumas precauções para materiais transparentes ou brilhosos. Este sensor funciona através da emissão de luz infravermelha em pulsos, através de um transmissor, e da recepção desta luz, por um receptor. O sensor acusa toda a vez que um material interrompe o feixe de luz entre o transmissor e o receptor.

A seguir serão apresentados os três tipos mais comuns de sensores fotoelétricos.

5.4 Sistemas por difusão

Neste sistema o transmissor e o receptor são montados na mesma unidade. O acionamento ocorre toda vez que o material entra na área de sensibilidade e reflete a luz do transmissor para o receptor.

A distância de atuação varia de acordo com várias variáveis, como por exemplo, a cor, a rugosidade, etc.

Para este sensor, há uma distância, próxima a ele, que não acusa o material, denominada zona morta. Deve-se ao fato da distancia ser insuficiente para que o feixe de luz seja refletido para o receptor. Esta distância corresponde aos primeiros 10% a 20% da distância sensora total.



5.5 Sensores Potenciómetros

Seu princípio de funcionamento baseia-se na variação de resistência de um potenciômetro conectado mecanicamente a um eixo para monitorar sua posição. Este sensor é utilizado para monitorar movimentos de rotação de até quase 360°. Para deslocamentos lineares, pode-se utilizar potenciômetros rotativos ligados a uma polia. Outra possibilidade de monitorar movimentos lineares é utilizando potenciómetros lineares. O problema deste sensor é o curso limitado, nunca maior que 25cm.

5.6 Encoders

Trata-se de dispositivos de detecção de posição compostos por um disco perfurado e vários sensores ópticos. Estes dispositivos podem ser absolutos ou incrementais. Nos dispositivos absolutos, de acordo com a posição adotada pelo disco, forma uma configuração digital que é interpretada como posição. Esta posição é absoluta. Os dispositivos incrementais são compostos por apenas dois sensores ópticos dispostos à 90º um do outro, e por um disco perfurado. Estes dispositivos descrevem o deslocamento em um eixo cartesiano e a posição em relação ao ponto de onde originou o deslocamento. Este dispositivo é mais preciso do que o absoluto. Quanto maior o número de perfurações do disco, maior a precisão do dispositivo.

Este dispositivo é utilizado para medição de posições angulares, porém também podem realizar medições lineares.

5.7 Sensores de Ultra Som

Trata-se de sensores formados por um emissor e um receptor de ultra-som. O emissor é constituído por um cristal piezoelétrico que emite pulsos de sinais acima de 20 KHz. Estes sinais migram na velocidade do som são refletidos pelo corpo identificado. O sensor recolhe os sinais emitidos analisando o tempo de transito e calcula a distancia do corpo.



5.8 Sincros e Resolvers

São sensores utilizados para medição de posições angulares de alta precisão. São compostos por dois jogos de bobinas, um rotor e um estator. A bobina do rotor é excitada com uma tensão de referência de 400 Hz. A medição da posição é feita com base na medição da tensão induzida entre as bobinas.

5.9 Sensores de Força

Os sensores de força são geralmente chamados de extensômetros ou strain gauges. Existem vários tipos de extensômetros. O mais comum deles é o resistivo, que são elementos cuja resistência elétrica varia com a tração ou a compressão. Como a temperatura também influencia na resistividade do material, são adotados materiais com baixa sensibilidade a temperatura, que em geral é o constantan. Faz-se necessário a conexão com um circuito condicionador de sinal, devido à extensão deste se muito pequena.

Outra forma de se medir força linear, é com um potenciômetro linear solidário com uma mola. Como é conhecida, a compressão de uma mola ideal depende da força aplicada.

5.10 Sensores de velocidade

A velocidade é derivada da posição com respeito ao tempo, portanto, seria possível utilizar um sensor de posição, como por exemplo, um encoder, e o controlador simplesmente deveriam efetuar a derivada para obter a velocidade. Acontece que nessa medição, sempre existe um ruído de baixa amplitude, mas alta freqüência. Ao derivar esse sinal, a amplitude do ruído ficará incrementada pela freqüência, devolvendo uma relação sinal ruído inaceitável para a maioria dos fins práticos. É por esse motivo que as leis de controle, em geral, não derivam os sinais lidos dos sensores.

O sensor de velocidade mais utilizado é o tacômetro. Este consiste simplesmente num dínamo que gera um sinal de corrente contínua de amplitude proporcional à velocidade de rotação de seu eixo. Este sensor tem sua exatidão reduzida a baixas revoluções.

Também são utilizados, em medições de alta precisão, dispositivos sensitivos baseados na detecção do sinal por efeito Doppler, ou alteração da freqüência de uma onda mecânica.



5.11 Sensores de Luz

Os sensores de intensidade de luz são baseados no efeito fotoelétrico, onde determinados materiais geram energia elétrica quando são iluminados. Uma pequena pista destes materiais é disposta sobre uma placa de material inerte e ligados seus extremos a terminais elétricos. A mudança de resistência da pista dependera da intensidade da luz que incide sobre ela.

5.12 Sensores de Pressão

A pressão nada mais é, do que uma força aplicada a uma área. São dois, os métodos mais comuns para se medir a pressão. O primeiro é um sensor capacitivo que tem um diafragma de área conhecida o qual é submetido à pressão a ser medida. No diafragma há um eletrodo, o qual se aproxima de um outro rígido. Isto varia sua capacitância tornando possível a medição da pressão.

O segundo, trata-se de alguns materiais que geram uma tensão proporcional à pressão a que são submetidos. Estes materiais são colocados entre dois eletrodos conectados a dois terminais. Quando sobre um deles é exercida uma pressão, ou uma força, entre os terminais aparecerá uma tensão elétrica proporcional.

5.13 Sensores de Som

O sensor de som consiste em traduzir uma onda mecânica que se propaga pelo ar num sinal elétrico equivalente

5.14 Sensores de Gases

O princípio destes sensores está baseado na combustão do gás num pequeno recinto dentro de um dispositivo em comunicação com o ambiente. O gás no ambiente penetra neste dispositivo que está preenchido por um volume poroso de óxido de alumínio cristalizado. Este material é fundido em torno de um filamento. No interior é depositado um elemento catalisador por meio de um processo químico. Assim, ao aquecer o filamento, por meio da circula; ao de uma corrente elétrica, existirá uma grande superfície do catalisador numa temperatura que propicia a reação do gás com o ar. Este entra em combustão e aquece o ambiente, e a temperatura é medida por um filamento de platina. A temperatura do filamento de platina será proporcional à concentração de gás no ambiente.

5.15 Sensores de Temperatura



5.15.1 Par Bimetálico

Consiste em duas faixas compridas soldadas uma na outra. Estas faixas são de materiais diferentes, portanto tem coeficientes de dilatação diferentes. Quando a temperatura aumenta, o par bimetálico curva-se fechando o contato da chave instalada na extremidade do mesmo. Este sensor não serve para medir temperaturas, mas sim para alarmar, quando a temperatura atinge um determinado patamar. A temperatura de acionamento pode ser ajustada alterando o comprimento das faixas metálicas

5.15.2 Sensor de Resistência Elétrica

Este tipo de sensor desfruta do fato de a resistividade de um material variar com a temperatura. Há uma formula para a determinação da temperatura pela resistividade do material que faz uso de duas constantes. Estas constantes tornam a medição desta forma, não linear. Por isso, o material mais adequado para fabricação destas "termoresistências" é a platina, que apresenta as constantes mais baixas dos outros materiais, fazendo com que a medição da temperatura torne-se quase linear.

5.15.3 Termistores

Também aproveitando o fato da variação da resistividade dos materiais com a temperatura, estes sensores são formados por resistores que tem altos coeficientes de variação, portanto, uma transferência altamente não linear. Existem vários tipos de termistores e cada um deles se aplica a uma faixa de temperatura e apresentam uma curva de variação de resistência em função da temperatura característica, o que faz com cada um seja adequado para uma aplicação específica.

5.15.4 Termopares

Consiste em dois metais diferentes colocados em contato elétrico, o que gera uma diferença de potencial entre ambos em função da temperatura. Os materiais utilizados variam do acordo com as faixas de temperatura que se pretende medir, a linearidade necessária, entre outras especificações. Estes sensores, por sua economia e exatidão, são os mais utilizados na medição de temperaturas.


R1

2.2k

R2

5.6k

R847k

R102.2k

R3

27k

R5

27k

R4

27k

R747k

p350k

p1

10k

p250k

R9120k

R627k

VCC

15V

VDD

-15V

VCC

5V


6 Relatório do exercício prático

Neste trabalho pratico foi nos pedido para verificar as caractiristicas e a calibração de um sensor de posiçao angular, utilizando um potenciometro linear e outro logaritmo, aqui em baixo deixo o circuito que utiliza-nos para o exercico:

Inicialmente neste projecto tivemos que realizar alguns calculos entre eles o Vin para 0º e o Vin para os 300º:

Calculo Utilizado para Vin 0º :

Vin= R10R9+R10

∗Vin Vin=1.2

120+1.2∗5=0.049V

Calculo Utilizado para Vin 300º:

Vin300 º= R10R9+R10+P1

∗Vin Vin=1.2

120+1.2+10∗5=0.045V



Em seguida procedemos há montagem do circuito e respectiva calibração dos Potenciometros e respetivas resistencias variaveis.

Feito isto procedemos a recolha de dados dos respectivos potenciometros, o linear e o logaritmo.

Nesta proxima tabela estão o valores obtidos com o potenciometro Logaritmo onde tambem poderemos observar o grafico relativo ao mesmo.

Potenciómetro Logarítimo

Posição Vin Vout

0º 0,048 1

30º 0,076 1,277

60º 0,201 2,52

90º 0,34 3,88

120º 0,401 4,48

150º 0,41 4,58

180º 0,422 4,7

210º 0,432 4,8

240º 0,447 4,94

270º 0,45 5

300º 0,45 5


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110

1

2

3

4

5

6

Potenciómetros Logarítimos

VinVout

VIn

Vout


Nesta proxima tabela e grafico podemos observar os dados obtidos por um potenciometro Linear e seu respectivo grafico.

Neste proximo grafico esta a comparar os 2 grafico, onde podemos observar a diferença entre um potenciometro linear e um logaritmo:


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110

1

2

3

4

5

6

Potenciómetro Linear

VinVout

VIn

Vout

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110

1

2

3

4

5

6

Gráfico Comparativo

Vin Linear Vout Linear Vin Logr Vout Logr

Potenciómetro LinearPosição Vin Vout

0º 0,048 0,998

30º 0,063 1,151

60º 0,123 1,876

90º 0,195 2,407

120º 0,228 2,895

150º 0,263 3,259

180º 0,303 3,68

210º 0,34 4,05

240º 0,395 4,62

270º 0,43 5,01

300º 0,435 5,05


7 Conclusão:

A minha conclusão na parte de montagem e calibraçao do circuito foi que, as caractieristicas e calibraçoes dos respectivos componentes tanto Potenciometros e resistencias variaveis variam muito entre umas e outras, mesmo que tenham a mesma capacitate ohmica.

A minha conclusão final apos ter retirado os dados e feitos os respectivos calculos acerca do circuito foi que, com o potenciometro linear os dados relativos ao angulo são mais faceis de extrair, isto porque os valores do potenciometro em relação ao Vout são “quase” lineares, ao contrario do potenciometro Logaritmo que os valores de Vout osilam de forma logaritma sendo assim mais dificil extrair o angulo ( consegue-se, mas no com o potenciometro Linear e mais simples).


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