4. Sensores Ativos
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SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE 4. Sensores Ativos Como já foi dito anteriormente, os sensores ativos comportam-se como geradores. Estes produzem um sinal elétrico a partir do fenômeno físico sem requererem fontes externas de alimentação. Contudo, nem sempre a energia que produzem é suficiente para, por si só, excitar o elemento da cadeia de medida que se segue. Assim, frequentemente, os sensores ativos necessitam, tal como os passivos, de fontes de energia auxiliares. Uma particularidade deste tipo de sensor é a possibilidade de possuírem dois regimes de funcionamento; por exemplo, o efeito que rege o seu funcionamento é normalmente reversível. Assim, alguns dos tipos de dispositivos que serão abordados nesta secção poderão ser usados tanto na vertente de sensoriamento como de atuação. Nesta secção serão objeto de estudo alguns dos tipos mais comuns de sensores ativos tanto na perspectiva da sua aplicação como do seu princípio físico. 4.1. Sensores Eletromagnéticos Para sensores baseados neste princípio, a variação de uma determinada variável física reflete-se numa variação do campo magnético sem que seja implicada, de uma forma direta, qualquer variação da indutância do sensor [1]. A maior parte dos sensores eletromagnéticos existentes baseia-se sobre a lei de Faraday; por exemplo, quando se verifica um movimento relativo entre um condutor e um campo magnético surge uma f.e.m. no condutor. Para o caso de um indutor de n espiras, a f.e.m. induzida é dada por: Onde se refere ao fluxo magnético que atravessa a bobina. Este fluxo pode ser intrinsecamente variável como aquele que é produzido; por exemplo, devido a uma corrente variável no tempo. De forma alternativa, a posição do circuito pode ser variável em relação a um fluxo magnético constante. 4.1.1. Resolvers e Synchros Um resolver é um tipo de transformador elétrico giratório usado para medir graus de rotação. Relativamente à sua arquitetura, um resolver é semelhante a um motor elétrico possuindo, tal como ele, um estator (parte fixa) e um rotor que pode girar livremente no interior do primeiro. Estes dispositivos são sensores de posição angular eletro-mecânicos que, através de princípios eletromagnéticos, fornecem um sinal elétrico que é função da sua posição rotórica (o contrário também é válido). Mais concretamente convertem a posição de um eixo numa diferença de fase de uma tensão alternada em relação a outra tomada como referência. 1 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE 4.1.2. Sensores Eletromagnéticos de Fluxo (vazão) Para o caso de um condutor retilíneo de comprimento l deslocando-se a uma velocidade v transversal ente a um campo magnético B, a tensão induzida nesse condutor é dada, em módulo, por [1]: esta expressão mantém-se independentemente do tipo de material que compõe o condutor servindo de base a um grande número de sensores eletromagnéticos como, por exemplo, microfones, acelerômetros e sensores de velocidade linear [1]. É também neste princípio que se baseia o medidor de vazão eletromagnético usado para quantificar a velocidade média (vazão) de um fluído condutor. O seu princípio de funcionamento resulta da aplicação directa de (5.9) em que o comprimento l é substituído pelo diâmetro d do condutor por onde circula o fluído. A sua filosofia de funcionamento é ilustrada na figura seguinte. 2 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE Um fluido desloca-se ao longo de um tubo não metálico e não magnético (de forma a não haver distorções do campo magnético) com uma velocidade v no interior de um campo magnético B criado por duas bobinas externas. Do movimento do líquido perpendicularmente ao campo magnético gerado resulta uma força eletromotriz induzida detectada por dois eletrodos colocados transversalmente em relação ao campo magnético e à direção do movimento do líquido. Para este tipo de sensor, o campo magnético deve ser constante podendo ser gerado tanto por uma corrente contínua como alternada. Normalmente uma corrente alternada é utilizada de forma a minimizar problemas eletroquímicos nos eletrodos e interferências termoelétricas [1]. A figura a seguir mostra um possível aspecto de um sensor comercial desta natureza. Existem diversos tipos de sensores de fluxo para líquidos apoiados nos mais variados princípios físicos. No entanto, este método em particular permite medir, de uma forma não invasiva, o fluxo de um líquido não necessitando portanto de qualquer contato direto com a quantidade a medir. Assim sendo, este tipo de dispositivos pode ser aplicado (sempre que as condições de funcionamento se reunam) para medir, por exemplo, líquidos corrosivos ou com matéria sólida em suspensão. 4.1.4. Sensores de Efeito Hall Estes dispositivos sensores têm por base, não a lei da indução de Faraday, mas um outro efeito eletromagnético descoberto em 1879 pelo cientista E. H. Hall. Hall verificou que submetendo um condutor simultaneamente a uma corrente elétrica e a um campo magnético perpendicular à direção do fluxo dessa corrente, desenvolvia-se uma tensão no condutor perpendicular a ambas as grandezas. Este fenômeno ocorre devido ao desvio da trajetória das cargas elétricas provocada pela força de Laplace. Assim criam-se distribuições assimétricas de cargas nas superfícies laterais do condutor dando origem a uma diferença de potencial. Esta ocorrência é ilustrada pela figura que se segue. 3 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE Apesar do efeito Hall se verificar em qualquer material condutor, este fenômeno é bastante mais intenso nos semicondutores. Além da sua maior sensibilidade ao efeito, a utilização de materiais semicondutores introduz a vantagem suplementar de ser possível a integração, numa mesma pastilha de silício, do sensor e respectivo circuito de condicionamento de sinal. Desta forma, os sensores de efeito Hall aparecem normalmente sob a forma de circuito integrado com encapsulamento de três terminais como mostrado na figura 5.8. 4.2. Sensores Termoelétricos Os sensores termoelétricos têm por princípio de funcionamento dois fenômenos térmicos que se verificam sobre condutores. São eles o efeito Thomson e o efeito Seebeck. O efeito Thomson refere-se à força electromotriz que se observa num condutor sujeito a um gradiente de temperatura; por exemplo, uma temperatura não homogênea ao longo de um condutor origina uma f.e.m. Já o efeito Seebeck diz respeito ao fenômeno elétrico (f.e.m) que se verifica quando se mantém as duas junções de um circuito fechado, formado por dois condutores de diferentes metais, a temperaturas distintas. Este último efeito é reversível e possui algumas aplicações no domínio da atuação (efeito Peltier). Uma das aplicações mais comuns deste último fenômeno térmico é em sensores de temperatura designados por termopares. Conceitualmente estes dispositivos são constituídos 4 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE apenas por dois metais (ou ligas metálicas) distintos ligados por uma união de soldadura (figura 5.10). Segundo Seebeck, se dois metais (ou ligas metálicas) diferentes A e B são unidos, uma diferença de potencial ocorre através da junção de A com B cuja amplitude depende quer do tipo de metais utilizados quer da magnitude da diferença entre a temperatura da junção (T1) e a temperatura da junção de referência (T2). Assim, quando a junção de medida é aquecida ou arrefecida relativamente a uma segunda junção de referência, a f.e.m. produzida pode ser caracterizada pela seguinte equação : Onde α1 e α2 são constantes e dependem dos materiais usados para a construção do termopar. Verifica-se assim uma relação não-linear entre a f.e.m produzida e a temperatura das junções. Por este motivo, a medição da temperatura através destes dispositivos é efetuada com base em curvas ou tabelas de calibração fornecidas pelos fabricantes. Para um determinado par específico de junções, estas tabelas são determinadas com precisão para um conjunto vasto de temperaturas em relação a uma temperatura de referência de 0ºC. A tabela a seguir apresenta alguns dos pares de junções mais comuns para a concepção de termopares. Adicionalmente apresentam-se também as respectivas referências comerciais e algumas características metrológicas [3]. Os termopares são estruturas frágeis devendo portanto ser protegidos por um invólucro que os proteja de deformações mecânicas e químicas. Assim, e em termos de concepção, o termopar é primeiro colocado no interior de um isolador elétrico (normalmente um material cerâmico) de forma a evitar qualquer contato elétrico com o processo a medir. Posteriormente o conjunto é envolto num encapsulamento que lhe fornece robustez mecânica e boa condução térmica (em regra utiliza-se o aço inoxidável) [1] [2]. A figura 5.11 mostra o aspecto exterior de um termopar usado em processos industriais. 5 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE Nota: Constantan, Cromel, Alumel, Nirosil e Nisil são nomes comerciais de ligas metálicas. 4.3. Sensores Piezoelétricos Os sensores piezoelétricos, como o seu próprio nome indica, têm por princípio físico de funcionamento um efeito que se verifica em determinados materiais a que se dá o nome de efeito piezoelétrico. O efeito piezoelétrico consiste no aparecimento de uma polarização eléctrica (d.d.p.) entre faces opostas de um dado material quando este é submetido a uma tensão mecânica entre essas mesmas faces (figura 5.16 a). Adicionalmente, e tal como para o efeito termoelétrico, o fenômeno piezoelétrico também é reversível; por exemplo, se for aplicada uma tensão entre faces opostas do material este deforma-se (figura 5.16 b). Assim, o princípio de piezoeletricidade pode ser aplicado tanto em sensores como em atuadores. 6 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE A nível microscópico, a piezoeletricidade de um material está relacionada com a sua distribuição iônica, mais propriamente com o fato de, na sua composição, possuírem moléculas com distribuição assimétrica da carga elétrica. Assim, o efeito piezoelétrico é predominante em materiais de estrutura cristalina tais como o quartzo, o sal de Rochelle, alguns tipos de cerâmicas e polímeros. Adicionalmente, e devido à natureza anisotrópica destes materiais, o efeito piezoelétrico depende também da orientação relativa em que as deformações são efectuadas. Num nível prático, este fenômeno possui um variado leque de aplicações tanto no domínio do sensoriamento como da atuação. No que se refere ao primeiro domínio, o efeito piezoelétrico é usado como base para diversos tipos de sensores entre os quais se destacam, sensores de força, pressão, aceleração, umidade, e ultra-sons (tanto para o receptor como para o emissor). 4.4. Sensores Piroelétricos Tal como o efeito piezoelétrico, o efeito piroelétrico é verificado em materiais cristalinos que geram cargas quando sujeitas a uma determinada grandeza física. No entanto, e ao contrário do fenómeno piezoelétrico, não é uma deformação mecânica que causa o aparecimento de uma carga elétrica superficial, mas sim a variação da temperatura; por exemplo, radiação eletromagnética de baixo comprimento de onda. Estruturalmente, um sensor piroelétrico é similar ao sensor piezoelétrico discutido anteriormente. De fato, e como se ilustra na figura 5.22, um sensor piroelétrico consiste num cristal piroelétrico polarizado sobre o qual são depositados dois eletrodos metálicos em faces opostas. Esta estratégia de concepção constitui uma espécie de capacitor que opera como sensor de temperatura. 7 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE A aplicação mais comum para o efeito piroelétrico é a detecção de radiação térmica à temperatura ambiente. Este tipo de dispositivos tem sido aplicado em pirômetros (medição da temperatura sem contato), sistemas de alarme, etc. [1]. Num nível doméstico, este tipo de sensor tem sido cada vez mais utilizado sob a forma de um interruptor piroelétrico. Um possível aspecto é ilustrado na figura a seguir. Estes interruptores aparecem no mercado com três terminais de ligação e com ajuste externo de sensibilidade. À frente do detector é aplicado um elemento de focagem cujo objetivo principal é o de direcionar a radiação infravermelha para o sensor servindo também como proteção. 4.5. Sensores Fotovoltáicos Num material semicondutor do tipo p os portadores majoritários são as lacunas no sentido em que existem mais lacunas disponíveis para a condução do que elétrons. Já para o material semicondutor do tipo n verifica-se o contrário; por exemplo, existem mais elétrons livres do que lacunas para a condução. No momento em que estes dois tipos de semicondutores são unidos, e devido à agitação térmica, dá-se na região de junção um fenômeno de recombinação dos elétrons em excesso do material n com as lacunas em excesso do material p. 8 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE Como resultado verifica-se, em ambos os lados da superfície de contato, uma redução da concentração dos portadores de carga livres. Mais ainda verifica-se que, em torno da junção, existe uma região no material do tipo p em que predominam elétrons e uma região no material do tipo n em que predominam lacunas. Os íons positivos na região n e os íons negativos na região p produzem um campo elétrico que se opõe à difusão de cargas adicionais através dessa barreira de potencial. Desta forma obtém-se um equilíbrio entre a corrente de difusão e a corrente induzida por esse campo elétrico não se verificando, em regime estático, a passagem de portadores de carga de um material para outro. O efeito fotovoltáico consiste no aparecimento de um potencial elétrico numa junção p-n quando radiação eletromagnética de comprimento de onda adequada (designadamente na região referente à luz visível) ioniza a região de depleção. A incidência de radiação eletromagnética na junção com energia superior à da barreira de potencial cria pares adicionais de elétrons/lacunas traduzindo-se, em última análise, numa diferença de potencial que pode ser avaliada aos terminais do dispositivo. Essa tensão em circuito aberto, ou alternativamente a corrente de curto circuito, aumenta com o aumento da intensidade da radiação até um ponto de saturação determinado pela energia da junção. Assim, os sensores fotovoltáicos são usados em aplicações onde se pretende medir a intensidade luminosa ou, em alternativa, em aplicações onde a luz é usada para medir uma variável diferente (ex. detecção de passagem). Apesar do elevado número de dispositivos com esta base de funcionamento, nesta secção vamos estudar dois: o fotodiodo e o fototransistor. 4.5.1. Fotodiodos Embora qualquer diodo seja sensível à radiação eletromagnética, os fotodiodos são dispositivos especialmente desenhados de forma a aproveitar ao máximo este feito. Assim, em relação aos diodos normais, os fotodiodos possuem uma área de 9 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE exposição da zona de junção mais elevada e um encapsulamento especialmente concebido para ser permissivo à luz. Por este motivo o invólucro é normalmente transparente ou, em alternativa, possui uma janela ou lente de plástico transparente adaptada. A resposta espectral dos fotodiodos depende do tipo de material e do encapsulamento. No que se refere ao material utilizado, a maior parte destes sensores são fabricados a partir de silício possuindo uma resposta espectral máxima para comprimentos de onda em torno dos 800nm. Contudo, quando se pretende melhor resposta a comprimentos de onda mais baixos, por exemplo, na zona do infravermelho, o material usado é normalmente o germânio[4]. Na figura 5.27 é mostrado o esquema equivalente simplificado para um fotodiodo. Alguns exemplos de montagens de fotodiodos no modo fotovoltáico são ilustrados na figura abaixo. 4.5.2. Fototransistores Em termos de concepção, um fototransistor consiste, tal como o transistor bipolar, num conjunto organizado de três camadas semicondutoras (normalmente do tipo n-p-n) em que o fenômeno de condução é dependente da radiação eletromagnética que incide na junção base/colector (figura 5.31 a). Desta forma, os pares elétron/lacuna gerados pelo efeito fotovoltáico constituem uma pequena corrente injetada na base que, em última análise, é responsável por colocar o transístor na região ativa. Adicionalmente, e tendo em consideração a matéria previamente exposta, o fototransistor pode ser visto como sendo um fotodiodo em paralelo com a junção base coletor de um transistor bipolar normal como se ilustra na figura 5.31 b. A corrente reversa do fotodiodo transforma-se na corrente de base 10 CLP Prof.: Anderson Dias de Oliveira SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE do transistor sendo amplificada por uma quantidade que depende do ganho em corrente (hFE) do transístor, por exemplo Em termos de encapsulamento, estes dispositivos possuem dois ou três terminais (é possível encontrar fototransistores com a base acessível) estando a junção base/colector exposta à luz através de uma pequena janela transparente implantada no invólucro. Na figura seguinte são mostrados possíveis encapsulamentos de fototransistores comerciais. 4.6. Sensores Digitais Na realidade esta secção deveria ser chamada “métodos digitais de sensoriamento” pois na realidade não existem sensores para os quais o processo de sensoriamento resulte diretamente numa saída digital. O processo usual é o de converter uma dada quantidade contínua no tempo num sinal digital por intermédio de um sensor sem a exigência explicita da conversão de uma tensão analógica na sua equivalente digital [1]. Dentro deste contexto, no decorrer desta secção, serão objeto de estudo algumas técnicas de medida baseadas na medida da frequência de um sinal modulado pelo processo a medir recorrendo (ou não) a um elemento primário qualquer. 11 CLP Prof.: Anderson Dias de Oliveira SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE 4.6.1. Tacômetro de Relutância Variável O tacômetro de relutância variável é um dispositivo que pode ser utilizado para a medição da velocidade angular ou posição de um veio. Conceitualmente, consiste numa roda dentada feita de um material ferromagnético solidária com o eixo cuja velocidade angular ou posição se pretende medir. O sensor propriamente dito consiste num enrolamento condutor disposto em torno de um ímã permanente. Esta estratégia de sensoriamento é esboçada na figura abaixo. Devido à rotação da roda dentada, o intervalo de ar entre o sensor e o material ferromagnético é alterado traduzindo-se numa modificação da relutância do circuito magnético. Desta forma, o fluxo magnético na bobina varia resultando, em última análise, numa variação da força eletromotriz induzida no enrolamento. 4.6.2. Codificador Incremental de Posição Trata-se de um dispositivo mecânico muito simples que permite converter, de forma imediata, a posição de um eixo numa informação binária (posições lineares também podem ser medidas recorrendo a esta estratégia). Em termos de concepção, e para o caso de codificadores ópticos para posições angulares, este tipo de dispositivo consiste num disco com uma escala composta por segmentos alternadamente transparentes e opacos. Adicionalmente, possui em posições diametralmente opostas em relação a cada uma das faces do disco um ou mais emissores de luz e um conjunto de dispositivos sensíveis a essa mesma grandeza. Estes pares emissor/receptor são responsáveis pela „leitura‟ da posição angular do disco. Assim, considere-se o codificador incremental ilustrado na figura 6.2 a. Este dispositivo gira solidário com a peça cuja posição se pretende conhecer. Para este caso concreto, o codificador é composto por um disco com doze aberturas igualmente espaçadas e por um par emissor e receptor de luz mecanicamente isolados do disco; por exemplo, a sua posição é fixa em relação ao disco. O conjunto emissor/receptor é colocado em faces opostas do disco numa posição, em relação ao centro do disco, igual à distancia das aberturas ao eixo. O emissor (por exemplo um LED) fornece radiação luminosa (visível ou não) e o receptor (normalmente um fototransistor) recebe essa radiação modulada pela velocidade angular do disco. 12 CLP Prof.: Anderson Dias de Oliveira SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE Desta forma, com o movimento do disco, sempre que um feixe de luz passa através das aberturas no disco é detectado pelo receptor que gera, através de um condicionamento apropriado, um impulso elétrico. O número de pulsos produzidos desde uma dada posição de referência é diretamente proporcional à posição angular do disco; por exemplo, o deslocamento em relação a uma referência arbitrária é conhecido por contagem de pulsos. Assim, e para o exemplo concreto da figura 6.2 a, cada pulso de saída corresponde a um deslocamento angular de _/6 radianos. Se ocorrerem quatro pulsos desde a posição de referência, significa que a posição angular do eixo é de 2_/3 radianos. O processo de contagem é efetuado normalmente através de um contador digital em que, por exemplo, o sinal de relógio é fornecido pela saída do detector. Devido à natureza periódica do processo, ao fim de cada evolução completa do disco o contador deve ser reinicializado a zero. 4.7 Características Fundamentais dos Sensores para Automação O sinal de um sensor pode ser usado para detectar e corrigir desvios em sistemas de controle, e nos instrumentos de medição, que freqüentemente estão associados aos sistemas de controle de malha aberta (não automáticos), orientando o usuário, sendo caracterizados por: 13 CLP Prof.: Anderson Dias de Oliveira SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE Linearidade: É o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física. Quanto maior, mais fiel é a resposta do sensor ao estímulo. Os sensores mais usados são os mais lineares, conferindo mais precisão ao sistema de controle. Os sensores não lineares são usados em faixas limitadas, em que os desvios são aceitáveis, ou com adaptadores especiais, que corrigem o sinal. Faixa de atuação: É o intervalo de valores da grandeza em que pode ser usado o sensor, sem destruição ou imprecisão. Histerese: É a distância entre os pontos de comutação do sensor, quando um atuador dele se aproxima e se afasta. Este valor é importante, pois garante uma diferença entre o ponto de acionamento e desacionamento, evitando que em uma possível vibração do sensor ou acionador, a saída oscile. Sensibilidade: É a distância entre a face do sensor e o atuador no instante em que ocorre a comutação. As medidas na tabela são determinadas para um atuador de chapa de aço quadrada com 1 mm de espessura, cujo lado é igual ao diâmetro do sensor. Superfície Ativa: É a superfície através da qual o campo eletro-magnético de alta freqüência se irradia no meio externo. Esta área é definida pela superfície do núcleo e corresponde aproximadamente à superfície da área externa deste núcleo. Fator de correção: Fornece a redução da distância sensora em presença de materiais cujas características apresentam desvios em relação ao ferro Fé 360 (definido pela ISSO 630). Freqüência de Comutação: Corresponde à quantidade máxima de comutações por segundo. Baseado nas características operacionais de cada dispositivo, os transdutores são elementos de campo mais utilizados para controle, enquanto queos sensores, também elementos de campo, são utilizados mais especificamente em automação de processos. Distância Sensora: Distância em que aproximando-se o acionador da face sensora, o sensor muda o estado da saída. Distância Sensora Nominal: Distância sensora teórica, a qual utiliza um alvo padrão como acionador e não considera as variações causadas pela industrialização, temperatura de operação e tensão de alimentação. É o valor em que os sensores de proximidade são especificados. De acordo com a tabela a seguir, é possível ter uma visão geral dos sensores a serem abordados: 14 CLP Prof.: Anderson Dias de Oliveira SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE 4.8 Sensores Indutivos Dispositivos de indução operam segundo o princípio de que havendo um movimento relativo entre um campo magnético e um condutor, uma corrente poderá ser induzida no condutor. Usualmente, o condutor é um fio, esse fio é enrolado de tal maneira a produzir uma bobina. Assim que o campo magnético passa pela bobina, ele induz nessa mesma bobina uma tensão que é proporcional à intensidade do campo magnético, à velocidade do movimento e ao número de voltas do fio da bobina. A relutância em circuitos magnéticos é o equivalente à resistência em circuitos elétricos. Um caminho de baixa relutância é um bom condutor magnético. Como exemplo, se um material ferromagnético é aproximado de um imã permanente, o campo que circunda o imã aumenta em intensidade, fazendo com que o fluxo seja redirecionado para passar através do material. De acordo com a figura a seguir, cada vez que o material magnético se aproxima, o campo deverá ser alterado, e um pulso de corrente será induzido na bobina. 4.8.1 Princípio de Funcionamento Geração de um campo eletromagnético de alta freqüência, que é desenvolvido por uma bobina ressonante instalada na face sensora. 15 CLP Prof.: Anderson Dias de Oliveira SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE A bobina faz parte de um circuito oscilador, que em condição normal (desacionada), gera um sinal senoidal. Quando um metal aproxima-se do campo, este por correntes de superfície, absorve a energia do campo, diminuindo a amplitude do sinal gerado no oscilador. Esta diminuição do valor original aciona o estágio de saída. Os sensores de proximidade indutivos são equipamentos eletrônicos capazes de detectar a aproximação de peças, componentes, elementos de máquinas, em substituição às tradicionais chaves fim de curso. A detecção ocorre sem que haja o contato físico entre o acionador e o sensor, aumentando a vida útil do sensor por não possuir peças móveis sujeitas a desgastes mecânicos. 4.9. Sensores Capacitivos A capacitância depende da área das placas A, da constante dielétrica do meio, _r, e da distância entre as placas, d: Nos sensores Capacitivos podemos variar qualquer destes fatores, sendo mais prático alterar a distância entre uma placa fixa e uma móvel, ou a área, fazendo uma placa móvel cilíndrica ou em semicírculo (ou várias paralelas, como no capacitor variável de sintonia) se mover em direção à outra fixa. A variação na capacitância pode ser convertida num desvio na freqüência de um oscilador, ou num desvio do equilíbrio (tensão) numa ponte feita com dois capacitores e dois resistores, alimentada com corrente alternada. O desvio de tensão será inversamente proporcional ao desvio na capacitância, neste caso e, usando um sensor de distância entre as placas, será proporcional ao deslocamento entre as placas. Este método é usado em sensores de posição, força e pressão, havendo uma mola ou diafragma circular suspenso por borda elástica (como o cone de um altofalante), suportando a placa móvel. Há também o sensor por diferença de 16 CLP Prof.: Anderson Dias de Oliveira SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE capacitância, que é um capacitor duplo, com duas placas fixas e uma móvel no centro. 4.9.1. Princípio de Funcionamento Baseia-se na geração de um campo elétrico, desenvolvido por um oscilador controlado por capacitor. O lado sensível de um sensor capacitivo é formado por dois eletrodos metálicos dispostos concentricamente que se equivalem a um capacitor. As superfícies dos eletrodos são conectadas em uma ramificação de alimentação de um oscilador de alta freqüência sintonizado de tal maneira que não oscilem quando a superfície está livre. Quando um objeto se aproxima da face ativa do sensor, ele entra no campo elétrico sob a superfície do eletrodo e causa uma mudança na capacitância do conjunto, ocorrendo uma oscilação com uma amplitude tal que seja detectada por um circuito e convertida em um comando de chaveamento. 4.10 Sensores Ópticos 4.10.1. Princípios de Funcionamento Baseiam-se na transmissão e recepção de luz infravermelha, que pode ser refletida ou interrompida pelo objeto a ser detectado. 17 CLP Prof.: Anderson Dias de Oliveira SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE 4.10.2. Difusão O transmissor e o receptor são montados na mesma unidade, sendo que o acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado entra na região de sensibilidade e reflete para o receptor o feixe de luz emitido pelo transmissor. Distâncias nominais de até 2m aproximadamente. 4.10.3. Sensor Reflexivo O transmissor e o receptor são montados na mesma unidade, sendo que o acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado interrompe o feixe de luz transmitido pelo transmissor que é refletido para o receptor por um espelho prismático. Este espelho faz garante o retorno da luz transmitida em feixe paralelo ao recebido com inersão da polaridade. Essa característica proporciona ao sensor reflexivo diferenciar uma superfície brilhante ou polida do espelho prísmático. Distâncias nominais de até 20m aproximadamente. 18 CLP Prof.: Anderson Dias de Oliveira SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE 4.10.4. Barreira de luz O transmissor e o receptor são montados em unidades distintas, sendo que o acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado interrompe o feixe de luz transmitido pelo transmissor que é recebido pelo receptor. Distâncias nominais de até 200m aproximadamente. 4.10.5. Exemplos de aplicações 19 CLP Prof.: Anderson Dias de Oliveira SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE 4.11 Sensores Ultra-sônicos 4.11.1 Princípio de Funcionamento O sensor emite pulsos cíclicos ultra-sônicos que refletidos por um objeto incidem no receptor, acionando a saída do sensor. 20 CLP Prof.: Anderson Dias de Oliveira SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE Definição da faixa de medição. Alinhamento angular 21 CLP Prof.: Anderson Dias de Oliveira SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE Alinhamento Angular – Aplicação 4.11.2. Exemplos de Aplicações 22 CLP Prof.: Anderson Dias de Oliveira SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE 23 CLP Prof.: Anderson Dias de Oliveira SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE 24 CLP Prof.: Anderson Dias de Oliveira SENAI – CFPOC/POUSO ALEGRE 5. Referências [1] Pallás-Areny, R. e Webster, J. G. “Sensors and Signal Conditioning”. ISBN 0-47154565-1. John Wiley & Sons, Inc. (1991). [2] Asch, G. et. al. “Les Capteurs en Instumentation Industrielle”. ISBN 2-04-0169482 Dunod (1987). [3] Bolton, W. “Mechatronics: Electronic Control Systems in Mechanical and Electrical Engineering”. ISBN 0-582-35705-5. Longman (1999). [4] Bradley, D.A., Dawson, D., Burd, N.C. e Loader, A.J. “Mechatronics: Electronics in Products and Processes”.ISBN 0-412-58290-2. Chapman & Hall (1991) [5] J. G. Pinto, R.M. Vasconcelos, F. O. Soares, J. L. Monteiro, “High resolution yarn mass measurement”, Conference Information Technology in Mechatronics, Istambul, Turkey, 1-3 October, 2001, ISBN 975-518-171-1, pp425-430. [6] Dailey, D. 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