05/10/2011. Aula3 ROTEIRO. Disciplina : EME7AN Sensores e Transdutores TERMINOLOGIA - DESEMPENHO SENSORES INTELIGENTES SENSORES E TRANDUTORES

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1 ROTEIRO Disciplina : EME7AN Sensores e Transdutores Aula3 Prof. Cícero Alexandre Brandão de Paula 1. Descrever o desempenho dos sensores com base: faixa de Operação (Range); Span (Alcance); erro; precisão; sensibilidade; erros de histerese e não linearidade, repetitividade, estabilidade, zona morta, resolução; impedância de saída; tempo de resposta; constante de tempo; tempo de subida; tempo de acomodação. 2. Avaliar sensores utilizados para medição de deslocamento; posição; pressão de fluido; vazão de líquido; nível de líquido; temperatura e intensidade luminosa. 2 Livro: Mecatrônica Uma abordagem Multidisciplinar Autor: William Bolton SENSORES E TRANSDUTORES SENSORES INTELIGENTES O TERMO SENSOR É UTILIZADO PARA UM ELEMENTO QUE PRODUZ UM SINAL RELACIONADO À GRANDEZA MEDIDA. TRANSDUTORES SÃO DEFINIDOS COMO ELEMENTOS QUE, QUANDO SUBMETIDOS A UMA GRANDEZA FÍSICA, RESPONDEM COM OUTRA VARIAÇÃO ASSOCIADA. UM SENSOR TAMBÉM É UM TRANSDUTOR. QUANDO UM SENSOR TAMBÉM INCORPORA EM UM ENCAPSULAMENTO OS CIRCUITOS DE CONDICIONAMENTO E PROCESSAMENTO DE SINAIS, ESTE É DENOMINADO COMO SENSOR INTELIGENTE. FUNÇÕES: CAPACIDADE DE COMPENSAR ERROS ALEATÓRIOS PARA SE ADAPTAR A MUDANÇAS NO AMBIENTE; CÁLCULO AUTOMÁTICO DE PRECISÃO DA MEDIDA; COMPENSAÇÃO DE NÃO LINEARIDADE PARA QUE A SAÍDA SEJA LINEAR; AUTO CALIBRAÇÃO E AUTO DIAGNÓSTICO DE DEFEITOS. PADRÃO IEEE 1451 PLUG AND-PLAY SENSORES E TRANDUTORES TERMINOLOGIA - DESEMPENHO ERRO DE HISTERESE O TERMO SENSOR É UTILIZADO PARA UM ELEMENTO QUE PRODUZ UM SINAL RELACIONADO À GRANDEZA MEDIDA. TRANSDUTORES SÃO DEFINIDOS COMO ELEMENTOS QUE, QUANDO SUBMETIDOS A UMA GRANDEZA FÍSICA, RESPONDEM COM OUTRA VARIAÇÃO ASSOCIADA. UM SENSOR TAMBÉM É UM TRANSDUTOR. Figura 2.1 Histerese 1

2 ERRO DE NÃO LINEARIDADE RESPOSTA A UMA ENTRADA DEGRAU Figura 2.2 Erro de não linearidade usando: (a) Valores extremos da faixa de operação, (b) Melhor linha reta para todos os valores, (c) Melhor linha a partir do ponto zero Figura 2.3 Resposta a uma entrada degrau RESPOSTA TERMÔMETRO DE VIDRO POTENCIÔMETRO Figure 2.5 Rotary potentiometer Figure 2.4 Thermometer in liquid TRANSDUTOR RESISTIVO POTENCIÔMETROS TRANSDUTOR RESISTIVO POTENCIÔMETROS Simples e mais eficiente Conectado ao movimento do objeto Três tipos: Translação Simples volta: Angular Multi voltas: Angular Translação Vo = (Rx / R total ) Vi Rx Xi Relação linear Vi e Xi Não linearidade Causada pela carga R Linear se R L = Na prática, R L < Usando o Shunt Rm Para remover a não linearidade Rm = R L

3 TRANSDUTOR RESISTIVO POTENCIÔMETROS Resolução Depende do diâmetro do fio do enrolamento Fios finos dão melhor resolução 20µm está próximo do limite prático 50 voltas / mm TRANSDUTOR RESISTIVO POTENCIÔMETROS Um sensor analógico Funciona como um divisor de tensão 13 TRANSDUTOR RESISTIVO POTENCIÔMETROS (TIPOS) EXTENSOMETROS Fio - Bobina de fio de Níquel-cromo - Fios tende a falhar com a variação de temperatura Cerâmico - Pista de cerâmica condutora - Melhor do que o de fio, no que se refere a temperatura Filme plástico - Alta resolução - Longa vida e boa estabilidade de temperatura Figure 2.6 Strain gauges: (a) metal wire, (b) metal foil, (c) semiconductor EXTENSÔMETROS MONTAGEM DE UM STRAIN GAGE Se aplicado uma tensão direta no objeto Medindo pequeno deslocamento Medindo grande deslocamento Relações: l = distância entre P and P ε x = tensão em P Selection of Strain Gage Figure 2.7 Strain-gauged element 2 2L ε x s = 3lh 18 3

4 SENSORES CAPACITIVO SENSORES PUSH-PULL Figure 2.8 Forms of capacitive sensing element Figure 2.9 Push pull sensor SENSOR DE PROXIMIDADE CAPACITIVA TRANSDUTORES DIFERENCIAL LINEAR VARIÁVEL Figure 2.10 Capacitive proximity sensor Figure 2.11 LVDT TRANSDUTORES DIFERENCIAL LINEAR VARIÁVEL LVDT (LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL TRANSFORMER) Dispositivo eletromecânica que produz uma saída elétrica proporcional ao deslocamento de um núcleo móvel. Figure 2.12 LVDT output 24 4

5 PROCESSO DE DEMODULAÇÃO NO LVDT PONTE SEMICONDUCTOR DEMODULADOR Excitação na bobina enrolamento primário Tensão senoidal 3 ~ 15Vrms 60 ~ 20000Hz A 180º a fase muda ao cruzar o zero Vo = Vab + Vcd Vantagens Simples Não requer referência Desvantagem Não linearidade Causada pelos Diodos Requer demodulador para distinguir direção do movimento do núcleo Demodulador sensível a mudança de fase 25 Para eliminar (ripples) na saída Uso de filtro passa baixas Se a frequência de excitação : Frequência de deslocamento do núcleo = 10:1 Usar um circuito RC Caso contrário Mais complexo 26 EXEMPLO DE CIRCUITO LVDT TRANSDUTORES DIFERENCIAL LINEAR VARIÁVEL 27 Figure 2.13 LVDT d.c. output TRANSDUTORES DIFERENCIAL ROTACIONAL VARIÁVEL CARACTERÍSTICAS DO LVDT Figure 2.14 RVDT Transformador elétrico com um núcleo separado Menos atrito na medição Aplicada à deflexão dinâmica e da vibração de materiais altamente elástico Vida mecânica infinita" Aplicado a ensaios de fadiga de vida dos materiais e estruturas Resolução infinita" Tem limitação na resolução para facilitar a leitura do dispositivo externo Alta repetibilidade Aplicado para indicador de posição em malhas fechadas de controle com alto ganho. Isolação Input/Output Aplicado ao elemento de computação analógica, sem necessidade de amplificador buffer 30 5

6 SENSOR CORRENTE PARASITA ENCODERS ÓPTICOS Um codificador (encoder) é um dispositivo que fornece uma saída digital, como resultado de um deslocamento angular ou linear. Encoders de posição podem ser agrupados em duas categorias: encoders incrementais, que detectam mudanças no deslocamento de uma posição de referência, e encoder absolutos, que dão a posição real. Figure 2.15 Eddy current sensor ENCODERS ÓPTICOS ENCODERS INCREMENTAL Estrutura interna de Encoders ópticos Pulsos de leds são contados por detectores ópticos para fornecer posição rotativa Dois detectores são usados para determinar direção (em quadratura) Índice de pulso usado para denotam ponto de partida Caso contrário, o pulso não é único ENCODERS INCREMENTAL ENCODERS ABSOLUTOS Com N pulsos, se N=60 ocorrendo com uma revolução, então, desde que 1 revolução corresponda a uma rotação de 360º, o mínimo deslocamento angular, isto é, a resolução, que pode ser detectado é 360/60 = 6º. A resolução, portanto,varia normalmente de cerca de 6 a 0,3 C ou melhor. 35 Encoders Absoluto tem um código único que pode ser detectado por cada posição angular Muitas vezes sob a forma de um "Código de cinza"; um binário Código de alteração mínima Encoders absolutos são muito mais complexo e caro do que codificadores incrementais 36 6

7 ENCODERS ABSOLUTOS O disco de rotação do encoder absoluto. Observe que, embora a forma normal de código binário é mostrado na ENCODERS INCREMENTAL E ABSOLUTOS Assim com 10 faixas, haverá 10 bits e assim o número de posições que pode ser detectado é 2 10 = 1024, uma resolução de 360º/1024 = 0,35º. figura, na prática, uma forma modificada de código binário chamado de código Gray é geralmente usado. Este código, ao contrário de binário normal, só mudando um pouco na passagem de um número para o próximo. Assim, temos a seqüência de 0000, 0001,0011, 0010, 0011, 0111, 0101, 0100, 1100, O encoder incremental e o encoder absoluto pode ser usado com deslocamentos lineares, se o deslocamento linear é primeiro convertido em um movimento rotativo por meio de um disco de controle PROCESSAMENTO ENCODER QUANDO USAR UM ENCODER Necessidade de uma quadratura circuito para digitalizar o sinal Um contador e índice monitor Geralmente disponível em forma monolítica Muitas vezes, com algoritmos para o controle programáveis externo 39 Exigir a posição exata informações: incrementais linhas absolutas Exige feed-back Digital Compacto e razoavelmente robusta (não tão bom quanto indutivo) Enconder Linear também disponível. 40 ENCODERS ÓPTICO INCREMENTAL ENCODERS ÓPTICO ABSOLUTO Figure 2.16 An incremental encoder: (a) the basic principle, (b) concentric tracks Figure 2.17 A 3-bit absolute encoder 7

8 ENCODERS ÓPTICO ABSOLUTO CÓDIGO GRAY SENSOR DE PROXIMIDADE PNEUMÁTICOS Figure 2.18 Binary and Gray codes Figure 2.19 Pneumatic proximity sensor CHAVES FIM DE CURSO CHAVE MAGNÉTICA Figure 2.20 (a) Lever-operated, (b) roller-operated, (c) cam-operated switches Figure 2.21 Reed switch SENSORES FOTOELÉTRICOS SENSORES DE EFEITO HALL Figure 2.22 Using photoelectric sensors to detect objects by (a) the object breaking the beam, (b) the object reflecting light Figure 2.23 Hall effect 8

9 SENSORES DE EFEITO HALL SENSORES DE EFEITO HALL Figure 2.24 Hall effect sensors: (a) linear, (b) threshold Figure 2.25 Fluid-level detector TACOGERADOR DE RELUTÂNCIA VARIÁVEL TACOGERADOR - GERADOR CA Figure 2.26 Variable reluctance tachogenerator Figure 2.27 A.C. generator form of tachogenerator SENSORES PIROELÉTRICOS SENSORES PIROELÉTRICOS Figure 2.28 (a), (b) Polarising a pyroelectric material, (c) the effect of temperature on the amount of polarisation Figure 2.29 Pyroelectric sensor 9

10 SENSORES PIROELÉTRICOS SENSORES PIROELÉTRICOS Figure 2.30 Equivalent circuit Figure 2.31 Dual pyroelectric sensor SENSORES DE FORÇA SENSORES DE PRESSÃO Figure 2.32 Strain gauge load cell Figure 2.33 Diaphragms: (a) flat, (b) corrugated SENSORES DE PRESSÃO SENSORES DE PRESSÃO Figure 2.34 Diaphragm pressure gauge Figure 2.35 (a) A capsule, (b) Bellows 10

11 SENSORES DE PRESSÃO Figure 2.36 LVDT with bellows Figure 2.37 Tube pressure sensors SENSORES DE PIEZOELÉTRICOS CIRCUITOS EQUIVALENTES DE SENSORES Figure 2.38 (a) Piezoelectricity, (b) piezoelectric capacitor Figure 2.39 (a) Sensor equivalent circuit, (b) sensor connected to charge amplifier SENSORES DE TOQUE PVDF VAZÃO DE LÍQUIDO Figure 2.40 PVDF Piezoelectric Polyvinylidene fluoride (Filme de fluoreto de polivinilideno) Figure 2.41 Fluid flow through a constriction 11

12 VAZÃO DE LÍQUIDO PLACA DE ORIFÍCIO VAZÃO DE LÍQUIDO MEDIDOR TIPO TURBINA Figure 2.42 Orifice plate Figure 2.43 Turbine flowmeter NÍVEL DE LÍQUIDO MEDIDOR TIPO BOIA NÍVEL DE LÍQUIDO PRESSÃO DIFERENCIA Figure 2.44 Float system Figure 2.45 Using a differential pressure sensor LÂMINA BIMETÁLICAS Figure 2.46 Bimetallic thermostat Figure 2.47 Variation of resistance with temperature for metals 12

13 TERMISTORES TERMODIODOS E TRANSISTORES Figure 2.48 Thermistors: (a) common forms, (b) typical variation of resistance with temperature Figure 2.49 LM35 TERMOPARES TERMOPARES Figure 2.50 (a) A thermocouple, (b) thermoelectric e.m.f. temperature graphs Table 2.1 Thermocouples TERMOPARES FOTODIODO Figure 2.51 Cold junction compensation Figure 2.52 Photodiode 13

14 FOTODARLINGTON ENTRADAS DE DADOS POR CHAVES Figure 2.53 Photo Darlington Figure 2.54 Switches: (a) SPST, (b) SPDT, (c) DPDT ELIMINAÇÃO DO EFEITO DE REPIQUE ELIMINAÇÃO DO EFEITO DE REPIQUE Figure 2.55 (a) Switch bounce on closing a switch, (b) debouncing using an SR flip-flop, (c) debouncing using a D flip-flop Figure 2.56 Schmitt trigger: (a) characteristics, (b) used for debouncing a switch TECLADO BIBLIOGRAFIA Bolton, W. Mecatrônica: Uma abordagem Multidisciplinar. 4ª Ed. Porto Alegre: Bookman: 2010 Figure 2.57 (a) Contact key, (b) membrane key, (c) 16-way keypad 14