SENSORES PARTE 1 TERMINOLOGIAS CLASSIFICAÇÃO DOS SENSORES

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1 SENSORES PARTE 1 DISCIPLINA: Instrumentação Biomédica AULA: Aula 2, parte 1. PROFESSOR: Eliab Rodrigues CONTATOS: eliab.rodrigues@hotmail.com SITES: / TERMINOLOGIAS 1. Sensor: É um dispositivo que responde a um estímulo físico/químico de maneira específica e mensurável analogicamente. 2. Transdutor: É um dispositivo que transforma um tipo de energia em outro, utilizando para isso um elemento sensor. Ex.: Microfone. 3. Encoder: É um transdutor que converte um movimento angular ou linear em uma série de pulsos digitais elétricos. Esses pulsos gerados podem ser usados para determinar velocidade, taxa de aceleração, distância, rotação, posição ou direção. 4. Atuador: É um elemento que produz movimento, atendendo a comandos que podem ser manuais, elétricos ou mecânicos. 5. Eletrodo: É o terminal utilizado para conectar um circuito elétrico a um corpo a ser eletro estimulado e/ou eletro capturado. CLASSIFICAÇÃO DOS SENSORES 1. Sensores Industriais: São sensores de uso geral. Nos equipamentos biomédicos estes também estão presentes em função da necessidade de monitoramento peças ou componentes dos aparelhos biomédicos. Por exemplos: Sensor de Temperatura de um componente (processador, transístor, dissipador de calor, etc.) ou Sensor de pressão de uma bomba. 2. Sensores Biomédicos: Sensores especiais, desenvolvidos exclusivamente para captação de Biosinais ou adaptados para isto. Estes sensores existem em função da necessidade de comunicação (interface) entre a máquina e o material biológico captado. Por exemplos: Pás do Desfibrilador, Sensores Magnéticos da RM. MODELOS DE SENSORES DIFERENTES PARA A MESMA VARIÁVEL, PQ? Figura01: Sensores NTC e PTC I

2 1. DESIGNER DO FABRICANTE a. Fins de Marketing, b. Fins de Logística. 2. DETALHES CONSTRUTIVOS a. Princípio Físico (Magnético, Laser, Termosensível), b. Exposição a Fatores do Meio(ambiente) na Aplicação (Imerso em líquidos, contato com corrosivos, sujeito a vibração, etc.).

3 SENSORES DE TEMPERATURA Pra relembrar. Veja a tabela de equivalência dos padrões de temperatura para graus célsius: PADRÃO VALOR Celsius 1 Kelvin 274,15 Fahrenheit 33,8 Reaumur 0,8 Rankine 493,47 O controle de temperatura é necessário em processos industriais ou comerciais, como a refrigeração de alimentos e compostos químicos, fornos de fusão (produção de metais e ligas, destilação fracionada (produção de bebidas e derivados de petróleo), usinas nucleares e aquecedores e refrigeradores domésticos (fornos elétricos e microondas, freezers e geladeiras) equipamentos biomédicos (autoclave, termodesinfectadora). NTC e PTC Figura02: Sensores NTC e PTC II O NTC (Negative Temperature Coeficient, Coeficiente Negativo de Temperatura), tem resistência inversamente proporcional à temperatura. Ele é feito de compostos semicondutores, como os óxidos de ferro, magnésio e cromo. Segue a equação abaixo: R = A e B/T O A e o B são coeficientes que variam com a composição química, O e é o número de Neper: O T é a temperatura, em graus Kelvin (some 273 à temperatura em Celsius, para conversão). Sua curva característica é, então, exponencial decrescente. Curva do NTC E PTC

4 Figura03: Gráfico NTC e PTC Devido a seu comportamento não linear, o NTC é utilizado numa faixa pequena de temperaturas, em que a curva é próxima de uma reta, ou com uma rede de linearização, como abaixo. Rede sem linearização, Símbolo do NTC. O NTC é empregado em temperaturas de até uns 150º C. O PTC (Positive Temperature Coeficient) tem resistência proporcional à temperatura, e atua numa faixa restrita. A variação da resistência é maior que a de um NTC, na mesma faixa. Seu uso é mais freqüente como sensor de sobretemperatura, em sistemas de proteção, por exemplo, de motores. DIODOS COMO SENSOR O diodo comum de silício, polarizado diretamente com corrente de 1mA, tem queda de tensão próxima de 0.62V, a 25oC. Esta tensão cai aproximadamente 2mV para cada ºC de aumento na temperatura, e pode ser estimada pela equação: Vd = A - BT A e B variam um pouco conforme o diodo. Esta equação é de uma reta, e vale até uns 125 ºC, limite para o silício. Curva térmica do diodo O diodo é encontrado em controles e termômetros de baixo custo e razoável precisão, até uns 150 ºC. Confira abaixo as características do comportamento do diodo em função da temperatura aplicada, conforme a tabela e o gráfico abaixo: Tabela01: Diodo 1N

5 Figura04: Gráfico 1N O diodo comum semicondutor pode ser utilizado como um sensor de temperatura. A tensão enviesada para a frente através de um diodo tem um coeficiente de temperatura de cerca de 2.3mV / C e é razoavelmente linear. O circuito de medição é simples como mostrado abaixo. Figura05: Circuito Diodo Sensor A corrente de polarização deve ser mantida tão constante quanto possível - usando a fonte de corrente constante, ou uma resistência a partir de uma fonte de tensão estável. Sem a calibração inicial o erro de medição é susceptível de ser muito grande - na ordem de ± 30 C - ou maior nos sensores de temperatura do tipo de contacto. Este erro inicial é bastante reduzido se as peças sensor usados for de boa qualidade. O sensor pode também for feito a partir de um transistor se utilizado no modo de ligação da BASE- COLETOR. Ou, o sensor ser formado a partir da ligação BASE-EMISSOR. Para melhorar o desempenho do díodo como um sensor de temperatura, duas tensões de diodo (V 1 e V 2 ) pode ser medido em diferentes correntes (I 1 e I 2 ), tipicamente selecionadas para ser cerca de 1:10 razão. A temperatura absoluta pode ser calculada a partir da equação: T = (V 1 - V 2) / ( x10 ln (I 1 / I 2 )) O resultado é em graus Kelvin (K). Este é o método empregado por sensores de temperaturas circuito mais integrados e explica por que alguns emitir um sinal proporcional à temperatura absoluta.

6 TERMOPAR Figura06: Termopar Termopares são sensores de temperatura simples, robustos e de baixo custo, sendo amplamente utilizados nos mais variados processos de medição de temperatura. Um termopar é constituído de dois metais distintos que unidos por sua extremidade formam um circuito fechado. O termopar desta maneira gera uma Força Eletro-Motriz (FEM), que quando conectada a um Instrumento de Leitura consegue ler a temperatura do processo destes Termopares. Diferentes tipos de Termopares possuem diferentes tipos de Curva FEM x Temperatura. Figura07: Termopar II Como funciona Em 1822, o físico Thomas Seebeck descobriu (acidentalmente) que a junção de dois metais gera uma tensão eléctrica em função da temperatura. O funcionamento dos termopares é baseado neste fenômeno, que é conhecido como Efeito de Seebeck. Embora praticamente se possa construir um termopar com qualquer combinação de dois metais, utilizam-se apenas algumas combinações normalizadas, isto porque possuem tensões de saída previsíveis e suportam grandes gamas de temperaturas. Existem tabelas normalizadas que indicam a tensão produzida por cada tipo de termopar para todos os valores de temperatura que suporta, por exemplo, o termopar tipo K com uma temperatura de 300 C irá produzir 12,2 mv. Contudo, não basta ligar um voltímetro ao termopar e registrar o valor da tensão produzida, uma vez que ao ligarmos o voltímetro estamos a criar uma segunda (e indesejada) junção no termopar. Para se fazerem medições exatas devemos compensar este efeito, o que é feito recorrendo a uma técnica conhecida por compensação por junção fria (0 C). Caso esteja se perguntando por que é que ligando um voltímetro a um termopar não se geram várias junções adicionais (ligações ao termopar, ligações ao aparelho de medida, ligações dentro do próprio aparelho, etc...), a resposta advém da lei conhecida como lei dos metais intermédios, que afirma que ao inserirmos um terceiro metal entre os dois metais de uma junção de um termopar, basta que as duas novas junções criadas com a inserção do terceiro metal estejam à mesma temperatura para que não se manifeste qualquer modificação na saída do termopar. Esta lei é também importante na própria construção das junções do termopar, uma vez que assim se garante que ao soldar os dois metais a solda não irá afectar a

7 medição. Contudo, na prática as junções dos termopares podem ser construídas soldando os materiais ou por aperto dos mesmos. Todas as tabelas normalizadas dão os valores da tensão de saída do termopar considerando que a segunda junção do termopar (a junção fria) é mantida a exatamente zero graus Celsius. Antigamente isto se conseguia conservando a junção em gelo fundente (daqui o termo compensação por junção fria). Contudo a manutenção do gelo nas condições necessárias não era fácil, logo se optou por medir a temperatura da junção fria e compensar a diferença para o zero grau Celsius. Tipicamente a temperatura da junção fria é medida por um termistor de precisão. A leitura desta segunda temperatura, em conjunto com a leitura do valor da tensão do próprio termopar é utilizada para o cálculo da temperatura verificada na extremidade do termopar. Em aplicações menos exigentes, a compensação da junção fria é feita por um semicondutor sensor de temperatura, combinando o sinal do semicondutor com o do termopar. É importante a compreensão da compensação por junção fria; qualquer erro na medição da temperatura da junção fria irá ocasionar igualmente erros na medição da temperatura da extremidade do termopar. Em resumo: Termopares são sensores de temperatura simples, robustos e da baixo custo, sendo amplamente utilizados nos mais variados processos de medição de temperatura. Um termopar é constituído de dois metais distintos que unidos por sua extremidade formam um circuito fechado. O termopar desta maneira gera uma Força Eletro-Motriz (FEM), que quando conectada a um Instrumento de Leitura consegue ler a temperatura do processo destes Termopares. Diferentes tipos de Termopares possuem diferentes tipos de Curva FEM x Temperatura. Linearização O instrumento de medida tem de ter a capacidade de lidar com a compensação da junção fria, bem como com o fato de a saída do termopar não ser linear. A relação entre a temperatura e a tensão de saída é uma equação polinomial de 5ª a 9ª ordem dependendo do tipo do termopar. Alguns instrumentos de alta precisão guardam em memória os valores das tabelas dos termopares para eliminar esta fonte de erro. Tipos de Termopares Os termopares disponíveis no mercado têm os mais diversos formatos, desde os modelos com a junção a descoberto que têm baixo custo e proporcionam tempo de resposta rápido, até os modelos que estão incorporados em sondas. Estão disponíveis uma grande variedade de sondas, adequadas para diferentes aplicações (industriais, científicas, investigação médica, etc...). Quando se procede à escolha de um termopar deve-se ponderar qual o mais adequado para a aplicação desejada, segundo as características de cada tipo de termopar, tais como a gama de temperaturas suportada, a exatidão e a confiabilidade das leituras, entre outras. Também deve-se levar em consideração, além da especificação do tipo de liga, a construção física do termopar. Para cada processo é necessário uma construção física específica, já que alguns processos agridem o material utilizado. Desta forma, é imprescindível que na especificação do termopar, além da liga, seja levada em consideração sua construção física externa. Tipo K: O termopar tipo K é um termopar de uso genérico. Tem um baixo custo e, devido à sua popularidade estão disponíveis variadas sondas. Cobrem temperaturas entre os -200 e os 1200 C, tendo uma sensibilidade de aproximadamente 41µV/ C. Termoelemento positivo (KP): Ni90%Cr10% (Cromel) Termoelemento negativo (KN): Ni95%Mn2%Si1%Al2% (Alumel) Faixa de utilização: -270 C a 1200 C F.E.M. produzida: -6,458 mv a 48,838 mv Tipo E: Este termopar tem uma elevada sensibilidade (68 µv/ C) que o torna adequado para baixas temperaturas.

8 Termoelemento positivo (EP): Ni90%Cr10% (Cromel) Termoelemento negativo (EN): Cu55%Ni45% (Constantan) Faixa de utilização: -270 C a 1000 C F.E.M. produzida: -9,835 mv a 76,373 mv Tipo J: A sua gama limitada (-40 a 750 C) é a responsável pela sua menor popularidade em relação ao tipo K. Aplica-se, sobretudo com equipamento já velho que não é compatível com termopares mais modernos. A utilização do tipo J acima dos 760 C leva a uma transformação magnética abrupta que lhe estraga a calibração. Termoelemento positivo (JP): Fe99,5% Termoelemento negativo (JN): Cu55%Ni45% (Constantan) Faixa de utilização: -210 C a 760 C F.E.M. produzida: -8,096 mv a 42,919 mv Tipo N: A sua elevada estabilidade e resistência à oxidação a altas temperaturas tornam o tipo N adequado para medições a temperaturas elevadas, sem recorrer aos termopares que incorporam platina na sua constituição (tipos B, R e S). Foi desenhado para ser uma evolução do tipo K. Tipo B: Os termopares tipo B, R e S apresentam características semelhantes. São dos termopares mais estáveis, contudo, devido à sua reduzida sensibilidade (da ordem dos 10 µv/ C), utilizam-se apenas para medir temperaturas acima dos 300 C. Note-se que devido à reduzida sensibilidade destes termopares, a sua resolução de medida é também reduzida. Adequado para medição de temperaturas até aos 1800 C. Contra aquilo que é habitual nos outros termopares, este origina a mesma tensão na saída a 0 e a 42 C, o que impede a sua utilização abaixo dos 50 C. Em compensação, utiliza cabos de extensão de cobre comum desde que a sua conexão com o termopar esteja neste intervalo (0 C a 50 C). Os demais termopares necessitam de cabos de ligação com o mesmo material do termopar, sob o risco de formarem com o cobre um "outro termopar", se a conexão estiver a temperatura diferente do instrumento de processamento do sinal (p.ex. transmissor). Termoelemento positivo (BP): Pt70,4%Rh29,6% (Ródio-Platina), Termoelemento negativo (BN): Pt93,9%Rh6,1% (Ródio-Platina), Faixa de utilização: 0 C a 1820 C, F.E.M. produzida: 0,000 mv a 13,820 mv. Tipo R: Adequado para medição de temperaturas até aos 1600 C. Reduzida sensibilidade (10 µv/ C) e custo elevado. Termoelemento positivo (RP): Pt87%Rh13% (Ródio-Platina), Termoelemento negativo (RN): Pt100%, Faixa de utilização: -50 C a 1768 C, F.E.M. produzida: -0,226 mv a 21,101 mv. Tipo S: Adequado para medição de temperaturas até aos 1600 C. Reduzida sensibilidade (10 µv/ C), elevada estabilidade e custo elevado. Termoelemento positivo (SP): Pt90%Rh10% (Ródio-Platina), Termoelemento negativo (SN): Pt100%, Faixa de utilização: -50 C a 1768 C, F.E.M. produzida: -0,236 mv a 18,693 mv. Tipo T: É dos termopares mais indicados para medições na gama dos -270 C a 400 C. Termoelemento positivo (TP): Cu100%, Termoelemento negativo (TN): Cu55%Ni45% (Constantan), Faixa de utilização: -270 C a 370 C, F.E.M. produzida: -6,258 mv a 20,872 mv.

9 Chromel/ AuFe Note-se que a escolha de um termopar deve assegurar que o equipamento de medida não limita a faixa de temperaturas que consegue ser medida. Comparação de tipos Faixa de Temperatura ( C) Classe de tolerância ( C) Padrão de Cores Tipo Contínua Termo Curto 1 2 IEC BS ANSI Baixo Alto Baixo Alto K : ± : ±0.004 T : ± : ± T J : ± : ±0.004 T : ± : ± T N : ± : ±0.004 T : ± : ± T R : ± : ±0.003 (T 767) 0 600: ± : ± T Sem definição S : ± : ±0.003 (T 767) 0 600: ± : ± T Sem definição B não disponível : ± T Sem definição Sem definição Sem definição T E : ± : ±0.004 T : ± : ±0.004 T : ± : ± T : ± : ± T Reprodutibilidade 0,2% da tensão. Calibração individual de cada sensor. Tabela02: Comparação de Termopares

10 Figura08: Curva dos Termopares Termopares padronizados de metal nobre Existem três tipos: B, R e S. Como mostrado nas Tabelas 1 e 2, todos contêm platina e suas ligas com ródio são relativamente inertes quimicamente. Suas vantagens são que a não homogeneidade originase de efeitos mecânicos e pode ser revertida por um recozimento cuidadoso. A platina pura, porém, sofre de excessivo crescimento de grãos acima de 1100ºC e o fio torna-se muito frágil; o grão cresce o suficiente para mostrar um entalhado no fio. Pelo fato do tipo B não conter o fio de platina pura, tem melhor desempenho em altas temperaturas do que os outros tipos. As ligas de metal nobre tendem a ser simples e a não sofrer mudanças metalúrgicas significativas em altas temperaturas. Porém, o ródio pode migrar para o fio de platina pura após um período de tempo. Isoladores de alta pureza devem ser usados e bainhas de metal devem ser evitadas, a não ser que sejam de platina. Os termopares de platina têm bom desempenho em atmosferas oxidantes, mas não em atmosferas redutoras, especialmente se o hidrogênio estiver presente. Os tipos S e R são muito parecidos e a intenção original era que fossem do mesmo material, mas problemas na obtenção de platina e ródio puros causaram a divergência. O tipo R tem uma tensão 10% maior do que o tipo S, mas o tipo S é considerado levemente mais estável e foi utilizado como termopar de referência para as escalas internacionais de temperatura mais antigas. Como conseqüência, o tipo S tem uma melhor história de desempenho comprovado e, portanto é preferido como termopar de referência na calibração de outros tipos de termopares. Com cuidado, os erros podem ser mantidos na casa de décimos de graus até 1000ºC. O termopar tipo B foi projetado para uso exclusivo em altas temperaturas. Por volta da temperatura ambiente, o coeficiente de Seebeck é tão baixo que erros na temperatura da junção de referência não causam erros significativos na temperatura da junção de medição. Como resultado, a instrumentação para o termopar tipo B é freqüentemente fornecida sem entrada da temperatura da junção de referência. A maior desvantagem dos metais nobres está no seu custo. Os termopares de metal nobre custam entre dez a vinte vezes mais do que os termopares de metal não nobre. Um termopar de referência deve ser todo de platina desde a junção de medição até a junção de referência e pode necessitar de dois metros de fio aproximadamente. Muitas aplicações em altas temperaturas necessitam de termopares de metal nobre pela sua estabilidade, mas não necessitam alta exatidão. Nestes casos um cabo de compensação pode ser usado para a porção de termopar na temperatura ambiente, ou próximo a ela.

11 Tipos de montagem Convencional Figura09: Termopar Convencional São montados de forma simples, através de Isoladores e Blocos de Ligação Cerâmicos. Os termopares desta série requerem uma proteção adicional e são normalmente elementos de reposição utilizados nas montagens com tubo de proteção e cabeçote. Possuem boa durabilidade pela construção mais robusta, porem baixo tempo de resposta e diâmetro mínimo normalmente limitado em 15mm. Isolação mineral Figura10: Termopar de Isolação Conhecido também como TIM (Termopar de Isolação Mineral) suas características o tornam ideal para uma grande variedade de aplicações no processo industrial de medição de temperatura. É constituído de uma bainha de proteção metálica em que os condutores são altamente compactados com óxido de magnésio proporcionando uma ótima isolação elétrica, ficando os condutores completamente isolados das condições ambientais. A bainha pode ser fabricada a partir de uma grande variedade de materiais (ex. aço inox 304, 316, 310, Inconel) e diâmetros (ex. Ø1,0/Ø1,5/Ø3,0/Ø4,5/Ø6,0). Os termopares de isolação mineral devido às suas propriedades proporcionam grande estabilidade, longevidade, facilidade de instalação (podem ser dobrados, torcidos ou achatados), resistência mecânica, tempo de resposta rápida, diâmetros reduzidos e podem ser fabricados em grandes comprimentos. Os fios dos termopares com bitolas menores proporcionam tempo de resposta mais rápido e menor vida útil e bitolas maiores proporcionam maior vida útil, porém, tempo de resposta maior. Flexíveis Figura11: Termopares Flexíveis

12 Ideais para a utilização na indústria de transformação de plástico ou em aplicações onde são necessários: facilidade de instalação, fácil remoção e rápido tempo de resposta. São sensores de baixo custo e podem ser fornecidos com conexões tipo baioneta de fácil e rápida instalação e com a opção rosqueada sobre a mola, permite ajuste no comprimento de inserção. Principais aplicações em máquinas de injetoras de plástico, extrusoras, Shell molding, máquinas de embalagens, etc. Quando dois metais encostados são submetidos a uma temperatura, surge nos extremos deles uma tensão proporcional à temperatura. Este é o efeito Seebeck. V=KT K é uma constante para cada par de metais, que é utilizável até seu limite térmico. METAL TEMPERATURA MÁXIMA CONSTANTE K Cobre-constantán 375ºC 0.1mV/ ºC Ferro-constantán 750ºC mV/ ºC Tabela03: Constante O custo dos termopares é elevado, e são empregados em aplicações profissionais, onde se requer alta confiabilidade e precisão. Especificações Técnicas e Modelos Comuns de Termopares Tipo K Minipa. Figura12: Termopar MTK-15B

13 Figura13: Termopar MTK-01 Figura14: Termopar MTK-93 CIRCUITO INTEGRADO LM35 Há circuitos integrados sensores de temperatura, como o LM 335, da National Oferecem alta precisão, por conterem circuitos linearizados. Operam de 0 a 100ºC aproximadamente. O sensor de temperatura mais popular com certeza é o LM35, ele é um circuito integrado que parece um transistor comum de encapsulamento TO-92 de 3 pinos, mas existe outras versões de encapsulamento, como a TO-220. Figura15: LM43 T046 Figura16: LM35 Múltiplos.

14 Figura17: LM35 Encapsulamentos O LM35 é um circuito integrado sensor de Temperatura de precisão para graus centígrados, ele é um termômetro preciso e sensível, além de ser barato e fácil de encontrar aqui no Brasil. Figura18: Pinagem do sensor de temperatura LM35 O LM35 é um sensor de precisão em centígrados e tem uma voltagem de saída analógica, sua faixa de medição é de -55 º C a +150 º C com uma precisão de ± 0,5 º C. A tensão de saída é de 10mV / º C. A sua saída pode ser conectado diretamente a uma porta de qualquer microcontrolador. O LM35 tem um funcionamento básico, para cada 10mV na saída representa um grau Celsius, então se é medido em sua saída 222 mv, isso representa que a temperatura é de 22,2 C, partindo deste principio, qualquer multímetro pode ser usado como um termômetro de precisão.

15 Figura19: Transformando multímetro em termômetro Quando usado 5V, a resolução resultante é 5000mV/1024 = 4.8mV. Como o LM35 tem uma resolução de saída de 10mV / º C, o termômetro de resolução feita por ATMEGA8535 é 10mV/4.8mV ~ 0,5 º C. Figura20: Aplicações do LM35 Características de Funcionamento do LM35

16 Figura21: Característica do LM35

17 SENSORES DE LUZ Além de seu uso em fotometria (incluindo analisadores de radiações e químicos), é a parte de sistemas de controle de luminosidade, como os relés fotoelétricos de iluminação pública e sensores indireto de outras grandezas, como velocidade e posição (fim de curso). LDR O LDR (Light Dependent Resistor) tem sua resistência diminuída ao ser iluminado. É composto de um material semicondutor, o sulfeto de cádmio, CDs. A energia luminosa desloca elétrons da camada de valência para a de condução (mais longe do núcleo), aumentando o número destes, diminuindo a resistência. A resistência varia de alguns MW, no escuro, até centenas de W, com luz solar direta. Os usos mais comuns do LDR são em relés fotoelétricos, fotômetros e alarmes. Sua desvantagem está na lentidão de resposta, que limita sua operação. Light Dependent Resistor (foto-resistor) que consiste numa célula de Sulfeto de Cádmio com símbolo, forma e curvas características mostradas na figura abaixo. Figura22: Curvas do LDR Figura23: LDR O LDR é um dispositivo cuja resistência depende da intensidade de luz que incide numa superfície sensível. A resistência é mais elevada no escuro, caindo rapidamente à medida que a intensidade luminosa aumenta. Os LDRs comuns podem ter uma resistência maior que 1MΩ no escuro e menor que 100Ω com iluminação total. Sua sensibilidade é, portanto, muito grande e ele pode conduzir a corrente em ambos os sentidos. Todavia, a maior desvantagem no uso dos LDRs como sensores é sua velocidade de resposta, que é muito lenta. Acima de uns 10kHz ele deixa de responder eficientemente às variações de luz. Isso significa que esse tipo de sensor funciona bem como um detector de passagem de baixa velocidade, uma chave de fim de curso ou ainda como elemento de segurança impedindo o acionamento de uma máquina quando alguém está num determinado local de perigo. Ele não serve, entretanto, como sensor de velocidade de uma peça que gira em alta rotação. Os LDRs, contudo, podem trabalhar com correntes relativamente elevadas simplificando os projetos dos circuitos em que eles operam. Outro tipo de sensor importante é o fotodiodo cujo símbolo, aspecto e curva característica são ilustrados na abaixo.

18 O FOTODIODO Figura23: Representações do Fotodiodo O fotodiodo funciona baseado no fato de que a corrente numa junção PN polarizada no sentido inverso varia com a luz que nela incide. Esta luz libera portadores de carga que se somam à corrente de fuga. As correntes que se obtém dos fotodiodos quando iluminados são muito baixas, exigindo circuitos de grande amplificação para o acionamento de dispositivos de potência. A principal vantagem dos fotodiodos, entretanto, está na sua elevadíssima velocidade de resposta, o que torna esse tipo de sensor ideal para medir rotação de peças em alta velocidade, ler códigos de barras e até mesmo contar objetos que passem com muita rapidez por um local. O fotodiodo é um diodo semicondutor em que a junção está exposta à luz. A energia luminosa desloca elétrons para a banda de condução, reduzindo a barreira de potencial pelo aumento do número de elétrons, que podem circular se aplicada polarização reversa. A corrente nos foto-diodos é da ordem de dezenas de ma com alta luminosidade, e a resposta é rápida. Há foto-diodos para todas as faixas de comprimentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta, dependendo do material. O foto-diodo é usado como sensor em controle remoto, em sistemas de fibra óptica, leitoras de código de barras, scanner (digitalizador de imagens, para computador), canetas ópticas (que permitem escrever na tela do computador), toca-discos CD, fotômetros e como sensor indireto de posição e velocidade. Empregam foto-diodos ou foto-transistor e uma fonte luminosa, lâmpada, LED ou laser. Há dois tipos básicos: Fototransístor e Célulasfotovoltaicas. Foto-transistor É um transistor cuja junção coletor-base fica exposta à luz e atua como um foto-diodo. O transistor amplifica a corrente, e fornece alguns ma com alta luminosidade. Sua velocidade é menor que a do fotodiodo. Figura24: Representações do Fototransístor I

19 Suas aplicações são as do foto-diodo, exceto sistemas de fibra-óptica, pela operação em alta freqüência. Células foto-voltaicas Figura25: Célula Fotovoltaica I Figura26: Célula Fotovoltaica II São dispositivos que convertem energia luminosa em elétrica. O diodo iluminado intensamente na junção pode reverter a barreira de potencial em fonte de elétrons, produzindo energia. A eficiência do processo é baixa devido a pouca transparência da junção (somente as camadas superficiais são iluminadas), apenas alguns %. Seu uso principal está nos painéis solares. Outro dispositivo é a foto-célula de selênio (um semicondutor), de operação similar. Usa-se em medidores de luminosidade e aparelhos de análise química (como fotocolorímetros).

20 SENSORES DE VELOCIDADE Empregam-se nos controles e medidores de velocidade de motores dentro de máquinas industriais, eletrodomésticos como videocassete e CD, Unidades de disquetes e Winchesters de computadores, na geração de eletricidade (garantindo a freqüência da CA), entre outros. TACOGERADOR Figura27: Tacogerador Elétrico Figura28: Tacogerador Eetrônico É um pequeno gerador elétrico de CC, com campo fornecido por imã. A tensão gerada, pela Lei de Faraday é proporcional à velocidade com que o fluxo magnético é cortado pelo enrolamento do rotor. Assim, o Tacogerador é um transdutor mecânico elétrico linear: V = K n K é uma constante que depende do campo do imã, do número de espiras e pólos e das dimensões do rotor; n é a rotação do eixo (por minuto, rpm, ou segundo, rps). A polaridade da tensão gerada depende do sentido de rotação. Alguns vêm com tacômetros e outros contadores eletromecânicos. INTERRUPTOR DE LÂMINAS Figura29: Reed Switch Conhecido como reed-switch (em inglês), compõe-se de duas lâminas de ferro próximas, dentro de um pequeno envoltório de vidro. Ao se aproximar um imã ou solenóide as duas lâminas se encostam, fechando os contatos externos. Instalando-se um imã na periferia de uma roda, que gira poucos mm em frente ao interruptor de lâminas, este fechará os contatos a cada volta. Se este for ligado a uma tensão contínua, gerará pulsações numa freqüência proporcional à rotação da roda. Além de seu uso como sensor de velocidade, é encontrado em alarmes, indicando porta ou janela fechada (um imã é instalado nesta, e o reeds-witch no batente), e em sensores de fim-de-curso, em máquinas industriais, gavetas de toca-discos CD e videocassete, etc.

21 SENSORES ÓPTICOS São Sensores cujo funcionamento baseia-se na emissão de um feixe de luz, o qual é recebido por um elemento fotossensível, basicamente são divididos em três sistemas: Barreira, Difusão e Reflexão, são utilizados em diversas áreas: Industrial em sistema automáticos e de segurança pessoal, residencial e predial como alarmes. Na indústria são muito utilizados, por exemplo, em sistemas de contagem de peças, determinação de fim de curso, e sistemas de segurança, os sensores em geral incluindo os sensores ópticos podem ser encontrados em duas versões PNP, e NPN, já que são em sua grande maioria baseados em transistores, a tensão mais comum entre esses sensores é de 24VDC, padrão no meio industrial e de fácil integração com CLPs (Controladores Lógico Programável), mas também é possível ser encontrados em tensões como 220VAC, mas em menor escala. A grande vantagem desse tipo de sensoriamento é o não contato com o sistema que será monitorado, desta forma se evita problemas mecânicos e permite, por exemplo, que a leitura (contagem de peças, etc.) se já feita em movimento, o que garante que o sensoriamento ocorra sem interrupção do processo de fabricação. Os encapsulamentos são os mais diversos, porem o mais comum é o cilíndrico, alguns podem ser vistos na figura. Figura30: Sensor Óptico SENSORES ÓPTICOS DE BARREIRA Figura31: Sensor de Barreira Figura32: Sensor de Barreira II

22 Funcionamento Baseia-se na interrupção ou incidência de um feixe luminoso sobre um foto-receptor, o qual provoca uma ação (comutação) eletrônica. A emissão de luz é proveniente da emissão de raios infravermelhos em grande parte das aplicações, bem como laser. Para conseguir-se máxima eficiência a luz é modulada ou pulsada a uma frequencia máxima de 1,5khz, frequência que será interpretada por um receptor óptico sincronizado a essa frequencia o que imuniza o sistema de interferências da recepção luminosa ambiente. É um sistema formado por sensores alinhados: Figura33: Sensor Óptico de Barreira Aplicações Além das aplicações habituais, como contagem de peças, proteção do operador, etc, o sistema pode trabalhar com emissão de luz visível, para sistemas de alarme tanto em ambientes internos quanto externos, formando uma barreira que ao ser interrompida, pode causar diversos acionamentos no sistema. Funcionamento. SISTEMA REFLEXIVO Figura34: Sensor Óptico Reflexivo No sensor de reflexão um feixe luminoso atinge um disco com um furo ou marca de cor contrastante, que gira. O sensor recebe o feixe refletido, mas na passagem do furo a reflexão é interrompida (ou no caso de marca de cor clara a reflexão é maior), e é gerado um pulso pelo sensor. O sensor de interrupção de luz usa também um disco com furo, e a fonte de luz e o sensor ficam em lados opostos. Na passagem pelo furo, o feixe atinge o sensor, gerando um pulso. A freqüência destes pulsos é igual à velocidade, em rps, nos dois tipos. As vantagens destes sensores são o menor tamanho e custo, a maior durabilidade e a leitura à distância. É usado em sistemas de controle e tacômetros portáteis.

23 É um sistema formado pelo dispositivo emissor de luz e dispositivo receptor montados no mesmo conjunto, neste caso o feixe de luz emitido é refletido em uma superfície refletora e retorna ao ponto de origem atingindo o dispositivo receptor que está ao lado do dispositivo emissor. Veja diagrama de blocos: Figura35: Esquema Sensor Óptico Reflexivo Aplicações Os tipos reflectivos ou por difusão são comumente utilizados onde um espelho ou a própria peça a ser detectada reflete os raios infravermelhos. Evidentemente que as peças não poderá ter suas superfícies opacas, já que prejudicarão a detecção. Os sensores ópticos pelo sistema a de barreira, possuem um alcance maior que os reflectivos, chegando a distancias de até 200 metros, enquanto os reflexivos e por difusão a apenas 10 metros. SISTEMA POR DIFUSÃO Funcionamento No sistema por difusão, os elementos de emissão e recepção infravermelho estão montados justapostos em um mesmo conjunto óptico, direcionados para a face sensível do sensor. Os raios infravermelhos emitidos pelo transmissor refletem sobre a superfície de um objeto e retornam em direção do receptor, a uma distância determinada (distância de comutação), que provoca o chaveamento eletrônico, desde que o objeto possua uma superfície não totalmente fosca e permita a reflexão. Veja diagrama de Blocos Figura36: Esquema Sensor por Difusão

24 Sistema por difração Funcionamento Neste sistema os elementos de emissão e recepção infravermelho estão montados justapostos assim como o de difusão em um único conjunto óptico, direcionados para um prisma, o feixe de luz retorna em direção do receptor. Quando este prisma, por exemplo, é mergulhado em qualquer liquido translúcido, os raios infravermelhos se dispersam, desviando assim a sua trajetória ocasionando uma comutação eletrônica. Veja o diagrama de blocos: Figura36: Esquema Sensor por Difração

25 FONTES CONSULTADAS FONTES BIBLIOGRÁFICAS: FRANCHI, Claiton Moro. Acionamentos Elétricos. 4.ed. São Paulo: Érica, p. Robert L. Boylestad. Dispositivos Eletrônicos e Teoria dos Circuitos, 8ª edição / Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky; tradução Rafael Monteiro Simon: revisão técnica José Bueno de Camargo, José Lucimar do Nascimento, Antonio Pertence Júnior. São Paulo: Prentice Hall, FONTES WEB: Acessados em 08 de Fevereiro de FONTES DAS IMAGENS Acessados em 09 de Fevereiro de FIGURA01: FIGURA02: FIGURA03: FIGURA06: FIGURA07: FIGURA08: FIGURA09: FIGURA10: FIGURA11: FIGURA12: FIGURA13: FIGURA14: FIGURA15: FIGURA16: FIGURA17: FIGURA23: FIGURA23: FIGURA24: FIGURA25: FIGURA27: FIGURA28: FIGURA29: FIGURA31: FIGURA32: FIGURA34: FIGURA40: