Princípios de funcionamento e suas aplicações
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Aula 10- Utilização de sensores e transdutores óticos Princípios de Funcionamento – Tipos e Aplicações 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 Generalidades 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 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 1) Anteparo Elemento Sensor Fonte Emissora de Luz 2) Elemento Sensor Reflexão de feixe de luz Fonte Emissora de Luz Anteparo Elemento Sensor Medição de Intensidade de Luz Sinal 1 Sensor 1 I1 V1 Sinal 2 I2 Sensor 2 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 Rg g lg Ag g 2m e Ag lg N e e2 Alteração da Intensidade Luminosa Fotoresistor m=massa do elétron e=velocidade média dos elétrons entre íons Ne= número de elétrons livres e= carga do elétron = distância média entre íons Resistência Transdutores Fotoresistivos 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 Transdutores Fotoresistivos 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) Transdutores Fotoresistivos LDR (Light Dependent Resistor) Material semicondutor - CdS ou CdSe Transdutores Fotoresistivos LDR - Função de Transferência RL AL b 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) Normalmente representada em Escala log x log log RL b log L log A 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 Transdutores Fotoresistivos LDR - Condicionamento Melhor Linearização Excitação em tensão REAL Vo V1 RL RT + V1 - 1 1 RL R + R Vo - L1 L2 Intensidade luz (lux) L3 Por meio de V1 ajusta-se a sensibilidade Transdutores Fotoresistivos 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. b log L log A RL RL ALb log log L blog L -logA (-b) L 10^ 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. Ânodo -e D1 Cátodo Ip Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Fotodiodo sob polarização reversa aumenta a região de deplexão Princípio de Funcionamento Cátodo D1 Ânodo Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Princípio de Funcionamento Ip Recombinação Absorção Geração do par Elétron-Lacuna Geração de Corrente Elétrica (fotocorrente Ip) Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Função de Transferência – Responsividade A/W ou V/W : corrente ou tensão por potência radiante incidente. IP R (A/Watt) PL I P eNe eNeh Energia de 1 Photon de compr. de onda c E f h (Joules) é a eficiência de absorção Neh= número de pares eletron-lacuna gerados por segundo então se Ef > Eg = Ec-Ev P Watts E f N eh Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Função de Transferência - Responsividade IP R (A/Watt) PL I P eNe eNeh P Watts E f N eh c e E e hc (A/Watt) se h Eg R f 0 se h c Eg Transdutores Fotoelétricos 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. Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Modos de Operação Fotovoltaico Fotocondutivo eV kT I Io e 1 I P 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) II Vd R L I eVkTd I I o e 1 I P Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos - Função de Transferência I d OperandoIno Modo Fotovoltaico (fotocélula) Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos - Função de Transferência Operando no Modo Fotocondutivo Vd VB R L I I + - eVkTd I I o e 1 I P 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. Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos - Função de Transferência Operando no Modo Fotocondutivo Transdutores Fotoelétricos 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 menor é Cj. Quanto maior a polarização reversa maior é a corrente de ruído Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Condicionamento Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Condicionamento Transdutores Fotoelétricos 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... Modulator Fonte de Sinal Sinal Modulado Amplificador Demodulator Fonte de Alimentação Carga Saída Transdutores Fotoelétricos Sensores de Proximidade Fotoelétricos Alguns Modelos Transdutores Fotoelétricos Sensores de Proximidade Fotoelétricos 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 Transdutores Fotoelétricos Sensores de Proximidade Fotoelétricos Admitem extensão com fibra ótica Transdutores Fotoelétricos Sensores de Proximidade Fotoelétricos Exemplos de Aplicação Transdutores Fotoelétricos Sensores de Proximidade Fotoelétricos Exemplos de Aplicação Transdutores Fotoelétricos Sensores de Proximidade Fotoelétricos Exemplos de Aplicação Cortina de luz (segurança) Detector de Colisão Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos - Exemplo de Aplicação 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 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos - Exemplo de Aplicação 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. Expostos Lineares Selados Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Rotativo Características Transdutores Fotoelétricos 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 Transdutores Fotoelétricos Codificadores Óticos - Estrutura Interna Transdutores Fotoelétricos 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 Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Incremental Linear Encoder Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Incremental Rotativo Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Incremental Rotativo Exemplo de Discos Transdutores Fotoelétricos Codificadores Óticos Incremental Rotativo Detalhes Construtivos Fonte Luminosa Lente M áscara Disco com Escala Fotosensores Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Incremental Sinais de Saída Quase Senoidais Permite Interpolação Digitais Interpolação - Explora a característica quase senoidal dos sinais de saída I2B P N plp arctg 360 I2A lp Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Incremental Sinais de Saída Porque Quase Senoidais ? Escala impressa sobre o disco Fotosensor M áscara Área efetiva de passagen de luz M áscara Intensidade luminosa ideal sobre a escala I T(p) Imx A L Gd(p) po Feixe de Luz Paralelo A I T (p) I s (p) IS (p, ) Escala r p po r 1 0 Escala Móvel p p Intens. luminosa no Fotodiodo Imx p Corte A-A p Esse é o sinal ideal da fotocorrente em função do movimento da escala S( ) KsAL 2 np Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Incremental Sinais de Saída Escala? Porque QuaseDifração Senoidais M áscara Lente Convergente Fotosensor Intensidade luminosa real sobre a escala I T (p) Fonte Luminosa Frente de onda 1 0,8 Interferência Mas ocorre a difração da luz no retículo da máscara Passo 4 m ou menor 0,6 0,4 0,2 0 p Transdutores Fotoelétricos 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 Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Absoluto Linear Transdutores Fotoelétricos Codificaor Ótico Absoluto Rotativo Transdutores Fotoelétricos Codificadores Óticos Absolutos Rotativos Exemplos de Discos Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Exemplo de Aplicação Sistema de Posicionamento de Telescópio Mecanismo de alimentação para máquina perfuratriz
