Posição x Deslocamento

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1 1 SENSORES Parte 5 Prof. Dr.-Ing. Fernando A.N. Castro Pinto Curso de Pós Graduação em Mecatrônica Universidade Federal do Rio de Janeiro Depto/Programa LAVI Engenharia Mecânica Lab. Acústica & Vibrações

2 2 Posição x Deslocamento Posição e deslocamento como grandezas similares Presença! Posição linear ou angular Resistência elétrica Encoders Potenciômetro LVDT Medida absoluta x relativa Triangulação GPS Resistência proporcional ao deslocamento ou posição. Alimentação DC ou AC e saída idealmente função linear do deslocamento.

3 3 Potenciômetros Resistores variáveis com três contatos Dois contatos conectam aos extremos do resistor com resistência fixa O terceiro contato é movido ao longo do resistor A resistência entre ele e os outros contatos varia Fornecem 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 Podem ser lacrados para evitar contaminação do ambiente

4 4 Potenciômetros Wirewound (rolo de arame): contato que desliza ao longo de um rolo de arame de nicromo. Apresenta como vantagem o baixo custo e como desvantagens possíveis falhas de leitura e a excessiva sensibilidade a variações de temperatura. Cermet (cerâmica condutiva): contato que desliza sobre uma trilha de cerâmica condutiva. Apresenta vantagens em relação aos wirewound. Filme de Plástico: Apresenta alta resolução, longa vida e boa estabilidade de temperatura.

5 5 LVDT (RVDT) O LVDT (Transformador Linear Diferencial Variável), produz uma saída elétrica proporcional ao deslocamento de um núcleo móvel, alterando a indução entre duas bobinas.

6 6 RVDT Funcionamento análogo ao LVDT Arranjo tangencial das bobinas Mais precisos que os potenciômetros Exemplo: Schaevitz R30 Não é possível chegar a 360o Campos de medição: ±30 (±60 máxima, com aumento da não-linearidade) Tensão de excitação: 3Vrms, 10kHz Erro de linearidade: ±0,5% do fundo de escala

7 7 Encoder Arranjo ótico com franjas gerando pulsos Podem ser tanto de rotação quanto lineares Sensores DIGITAIS É possível medir 360o Absolutos ou relativos (incrementais) Sistema é baseado em um disco (encoder rotativo), formado por janelas radiais transparentes e opacas alternadas O disco é iluminado perpendicularmente por uma fonte de luz projetada no receptor, e o feixe é interrompido pelas janelas opacas O receptor converte essas janelas de luz em pulsos elétricos;

8 8 Encoder O encoder incremental fornece normalmente dois pulsos quadrados defasados em 90º, que são chamados usualmente de canal A e canal B. A leitura de somente um canal fornece apenas a posição. A leitura dos dois canais fornece também o sentido do movimento. Outro sinal chamado de Z ou zero também indica a posição absoluta "zero" do encoder.

9 Encoder A posição do encoder absoluto é determinada pela leitura de um código e este é único para cada posição do seu curso Encoders absolutos não perdem a real posição no caso de uma eventual queda da tensão de alimentação. Não necessitam de inicialização. Codificação normal ou código GRAY 9

10 10 Encoder Absoluto Incremental

11 11 Ultra-Som Efeito piezoelétrico para geração de ondas acústicas Emissor e receptor com mesma tecnologia Distância medida pelo tempo de percurso da onda Depende da refletividade do objeto alvo Triangulação L= v t cos 2 Linearização se o transmissor e o receptor são posicionados perto um do outro em comparação com a distancia do objeto.

12 12 Ultra-Som Para triangulação são usados múltiplos sensores Um emissor e vários receptores Um receptor e vários emissores Distância medida pelo tempo de percurso da onda a cada sensor Depende da refletividade do objeto alvo Efeitos de ecos indesejados Difração e obstáculos Medição do tempo através de processamento de sinais (correlação cruzada) no domínio da freqüência Sincronização e controle

13 13 Velocidade Velocidade como derivada da posição Geralmentre baseada em contagem de pulsos Pulsos de um encoder Circuitos de conversão freqüência x tensão Dificuldade em velocidades muito elevadas Dificuldade em velocidades muito baixas Giroscópios Mede velocidade angular Eixo mantem orientação ou torques são medidos nas juntas Giroscópios laser Giroscópios piezoelétricos

14 14 GPS Global Positioning System Sistema de satélites em órbita emitindo sinais codificados Sistemas gerenciados por agências governamentais Diferentes acurácias (Standard e Precision) Abertos para uso civil Necessidade de circuito para captação e decodificação dos sinais Triangulação com base no tempo de recepção dos sinais Calcula a posição do receptor (antena) Indicam a velocidade (real) do receptor

15 15 GPS Global Positioning System

16 16 Pressão Pressão diferencial ou relativa Tubo de Pitot Pressão estática x dinâmica Manômetros de tubos Diâmetros diferentes?

17 17 Pressão Diafragmas Bourdon Foles

18 18 Pressão Extensometria Piezoelétricos Capacitivos

19 19 Pressão Pressão se transmite em diferentes meios Efeito útil para evitar altas temperaturas Transiente de pressão Faixa dinâmica depende também da tubulação Condicionamento de sinal Sensibilidade a vibrações e choques

20 20 Temperatura Alteração numa propriedade em função da temperatura. Alteração no volume Variação de resistência de um condutor Variação de resistência de um semicondutor Termômetro de vidro Termômetro de bulbo Termômetro bi-metálicos F.e.m. criada na união de dois metais distintos Intensidade da radiação total emitida por o corpo Outros fenômenos (velocidade do som em um gás, freqüência de ressonância de um cristal...).

21 Temperatura Termômetro de vidro Indicam a temperatura como diferença entre o coeficiente de dilatação do vidro e do líquido utilizado. Os mais comuns são: Mercúrio: (-37º C, 315ºC). Mercúrio côn gás inerte (N2): (-37ºC, 510ºC). Álcool: (-110ºC, 50ºC). Precisão 1% do intervalo. Termômetros de bulbo A variação da temperatura produz a expansão ou contração do fluido deformando o recipiente com o líquido (Bourdon). Intervalo: (-40ºC a +425ºC) Precisão: 1% 21

22 22 Temperatura Termômetros bi-metálicos Feitos com duas lâminas metálicas de diferentes coeficientes de dilatação, unidas solidamente pelos seus extremos. Pode-se utilizar latón, monel o acero e uma liga de ferro-níquel ou Invar laminados conjuntamente. Intervalo: 0 até 500ºC Precisão: 1% Termistores Variação da resistência por unidade de resistência e de temperatura: Sensibilidade α. Com uma aproximação linear, temos:

23 23 Temperatura Muito utilizados Pt e Ni. Termistores Intervalo: (platino) -200ºC a +500ºC Precisão: 0.2% PT100. Sensibilidade Ohm/ºC O níquel (Ni) tem um coeficiente R100/R0 muito grande, o que proporciona uma grande sensibilidade. Porém tem sensibilidade que se afasta muito da linearidade, sobretudo entre os 250 C e 300 C. O cobre (Cu) apresenta sensibilidade praticamente linear, porém devido à sua fácil oxidação não é muito utilizado. A Liga de ferro e níquel apresenta a vantagem de ser mais linear que níquel, apresenta porém menor relação R100/R0 do que o níquel.

24 24 Temperatura Termistores Intervalo de temperatura pequeno Mais baratos Tamanho pequeno (=> menor constante de tempo) Menor precisão Problemas de estabilidade: tem-se que envelhecer-los PTC (positive temperature coefficient) NTC (negative temperature coefficient

25 25 Temperatura Termopares Sinal de saída baixa Sensibilidade baixa Útil para altas temperaturas Comportamento linear Termopar J: Fe e Constatan (Cu-Ni). Afetado pela corrosão Intervalo: 0ºC a +750ºC. Precisão: 0.5% Termopar K: Cr e Alumel (Al-Ni). Boa resistência à oxidação Intervalo: 0ºC a ºC e 600ºC a 1.000ºC em atmosferas oxidantes. Precisão: 1% Termopar R: Pt e Pt-13% Rh (Rhodium). Termopar S: Pt e Pt-10% Rh. Intervalo de medida maior (0ºC a ºC), porém mais caros. Precisão: 0.5% Termopar W: W(tungstênio)-5% Re e W-26% Re (rhenium). Intervalo: 0ºC a ºC em atmosfera inerte ou vácuo. Precisão: 1%

26 26 Temperatura Termopares

27 27 Temperatura Pirômetros Para medir temperaturas muito altas. Método sem contacto Lei de Stefan-Boltzmann. A intensidade da energia radiante emitida pela superfície de um corpo aumenta proporcionalmente à quarta potência da temperatura absoluta do corpo. A energia irradiada pelo corpo é menor que a correspondente a sua temperatura, pois reflete energia como conseqüência do estado de sua superfície. Para corrigir a medida se define o fator de emissividade: relação entre a energia emitida pelo corpo e a emitida pelo corpo negro à mesma temperatura. Comparação visual da luminosidade do objeto radiante com o filamento de uma lâmpada incandescente. O valor da corrente na lâmpada fornece o valor da temperatura. Calibração prévia. Espectro de ondas visíveis: 0,45 micras (violeta)-0,75 micras (vermelho).

28 28 Temperatura Pirômetro de Radiação Possui detectores que captam simultaneamente toda a radiação emitida na zona do espectro entre 0,3 e 20 micras (radiação térmica). Os detectores são do tipo térmico: termopilhas (vários termopares Pt/Pt-Rd em série). A energia radiante que recebem eleva a temperatura e gera uma tensão. As variações de temperatura na caixa do pirômetro têm que ser compensadas. Para eliminar radiações perturbadoras (energia radiada o absorvida pelos outros elementos presentes) se usam lentes e filtros que também reduzem a energia útil.

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