Sensores. Carlos Reis FEEC-Unicamp

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1 Sensores Carlos Reis FEEC-Unicamp

2 Relutância variável A relutância de um circuito magnético determina qual é a força magnetomotriz necessária para produzir um determinado fluxo Φ. A variação da relutância provoca variação do fluxo magnético, que por sua vez induz uma tensão (alternada) numa bobina. V dφ = dt (Lei de Faraday) Na maioria dos sensores que se baseiam neste princípio, a variação da relutâcia está associada à variação do comprimento do gap de ar. Carlos Reis FEEC-Unicamp 2

3 Relutância variável Princípio aplicado na medição de velocidade e posição angular. bobina imã permanente bobina imã permanente Carlos Reis FEEC-Unicamp 3

4 Relutância variável Curva de um dispositivo comercial, relacionando a taxa de conversão entre freqüência (rotação) e a tensão produzida em função da distância do gap de ar. Dentre as aplicações se incluem: MOTOR: Rotação e posição TRANSMISSÃO: velocidades de entrada e saída da transmissão RODA: ABS, controle de tração e estabilidade do veículo. Carlos Reis FEEC-Unicamp 4

5 Relutância variável Sensor de rotação Carlos Reis FEEC-Unicamp 5

6 Relutância variável Um sensor de relutância magnética pode ser modelado como um fonte de tensão AC. A amplitude da tensão produzida varia de poucos milivolts até amplitudes que excedem a tensão da bateria. Considerando que a amplitude da tensão produzida é proporcional à taxa de variação do fluxo, que por sua vez está associada à variação da grandeza a ser medida, o circuito eletrônico necessário para condicionar o sinal produzido por um sensor destes, tanto pode ser um simples retificador, como um conversor AC/RMS. sensor Retificador LPF Carlos Reis FEEC-Unicamp 6

7 Célula Hall As células Hall são sensores alternativos para medir velocidade e deslocamento angular, desempenhando uma função similar à dos sensores do tipo relutância variável. Quando um elétron se desloca em direção perpendicular a um campo magnético aplicado, sofre uma força em direção perpendicular ao plano V formado pelo campo e pela velocidade de deslocamento. v B F = qv B Como resultado, forma-se um acúmulo de cargas nas laterais do semicondutor, dando origem à diferença de potencial V H : F V Carlos Reis FEEC-Unicamp 7 H RH IB = d I = corrente elétrica B = densidade de fluxo d = expessura da lâmina R H = coeficiente Hall

8 Célula Hall As células Hall necessitam de alimentação, sendo excitadas por tensão ou corrente. Estes sensores magnéticos são normalmente mais caros e requerem circuitos de condicionamento mais complexos. Apesar destas aparentes desvantagens, as células Hall permitem que velocidades muito baixas sejam medidas além de serem adequadas para a detecção de proximidade (de objetos magnetizados) em condições estáticas. Características que não se encontram nos sensores baseados em relutância variável. Carlos Reis FEEC-Unicamp 8

9 Relutância variável Sensor de rotação Carlos Reis FEEC-Unicamp 9

10 Célula Hall O circuito condicionador apropriado para um sensor Hall é semelhante ao que se utiliza para condicionar o sinal de tensão de uma ponte resistiva: A célula é excitada com uma corrente constante (Iref) e a tensão diferencial produzida é amplificada com um amplificador de instrumentação. A célula normalmente produz uma tensão residual que deve ser cancelada, somandose uma tensão ajustável à tensão de saída. A sensibilidade da célula é normalmente muito baixa, produzindo sinais da ordem de dezenas de µv por Gauss. Carlos Reis FEEC-Unicamp 10

11 Célula Hall Características de uma célula Hall comercial: Sensibilidade (saída): 0,4mV/Gauss (Io=1mA) Inclui compensação de temperatura Carlos Reis FEEC-Unicamp 11

12 Célula Hall Sensibilidade (saída): 0,4mV/Gauss (Io=1mA) Inclui compensação de temperatura Carlos Reis FEEC-Unicamp 12

13 Célula Hall As células Hall são também usadas na detecção de níveis. Ou seja, fazem o sensoriamento de campo magnético, comparando o campo medido a um determinado valor. O circuito condicionador normalmente usado, neste caso é o seguinte. Nível crítico Carlos Reis FEEC-Unicamp 13

14 Sonda Lambda (ZrO 2 ) A sonda Lambda (Nerst) é essencialmente uma célula eletroquímica sensível à diferença da quantidade de Oxigênio entre o ambiente e a exaustão do veículo. A célula produz uma diferença de potencial quando a concentração de Oxigênio da exaustão é menor do que a da atmosfera. Esta diferença de potencial, E, é função da razão entre as pressões parciais do Oxigênio no ambiente e na exaustão: E RT PO2 ( amb) = n 4 F PO ( ext) Equação de Nerst 2 R = constante geral dos gases F = constante de Faraday T = temperatura absoluta PO ( amb)=concentração parcial de O no ambiente 2 2 PO ( ext)=concentração parcial de O na exaustão 2 2 Carlos Reis FEEC-Unicamp 14

15 Sonda Lambda (ZrO 2 ) A construção da sonda Lambda consiste em um corpo cerâmico de óxido de Zircônio, cuja superfície é provida de eletrodos de platina permeáveis a gás. A atuação da sonda baseia-se no fato do material cerâmico ser poroso e permitir uma difusão do oxigênio do ar. Além disso, a cerâmica torna-se condutora em temperaturas elevadas. Havendo uma diferença de teor de oxigênio entre os 2 lados (o lado em contato com o gás de escape e o outro em contato com o ar ambiente) será gerada uma tensão elétrica entre os eletrodos, que será utilizada pela unidade eletrônica de controle para corrigir o tempo de injeção. Carlos Reis FEEC-Unicamp 15

16 Sonda Lambda (ZrO 2 ) Sonda Lambda Carlos Reis FEEC-Unicamp 16

17 Sonda Lambda Sob o ponto de vista elétrico a sonda Lambda pode ser modelada como uma fonte de tensão, cujo dependência com a relação entre ar e combustível é a seguinte: Carlos Reis FEEC-Unicamp 17

18 Sonda Lambda A resistência de saída associada ao dispositivo varia com temperatura de forma exponencial: Carlos Reis FEEC-Unicamp 18

19 Sonda Lambda Para condicionar adequadamente o sinal produzido por uma sonda Lambda é necessário usar um amplificador de instrumentação que tenha ganho ajustável e que suporte grande excursão do sinal de entrada. Além disto, o condicionador de sinal deve detectar circuito aberto nos fios a que se conectam a sonda e também detectar sonda fria. Esta última exigência é importante, tendo em vista que as informações da sonda só são válidas quando sua temperatura está acima de 600 C. Carlos Reis FEEC-Unicamp 19

20 Sonda Lambda Um circuito condicionador para sonda Lambda: K Vout = G VL + RL I K + 2 ( ) 1 Carlos Reis FEEC-Unicamp 20

21 Sonda Lambda Considerando que o mínimo de Vs seja 100mV e que Rs seja cerca de 100Ω, então a corrente de polarização I1 deve ser menor que 5µA para garantir que a precisão de Vout seja de 0,5%. O máximo de Vs é cerca de 800mV quando a mistura é rica. Se a tensão nos terminais da sonda exceder este valor, o circuito deve interpretar esta situação como circuito aberto ou sonda fria. Consequentemente, a tensão de referência Vref limite para o comparador deve ser ajustada para um nível um pouco acima de 800mV. O circuito condicionador inclui um deslocamento de nível para a polarização da sonda através que é dado por R ref.i 1. Carlos Reis FEEC-Unicamp 21

22 Potenciômetros Potenciômetros são amplamente usados em veículos como sensores de posição. Podem ser tanto lineares como rotativos. Aplicação Recirculação de gas na exaustão (EGR) Posição do pedal Posição do volante Faixa de resistência 1KΩ a 5KΩ Posição da borboleta Nível de combustível Conforto: controle de porta traseira, posição de assento, teto solar, limpador de parabrisa, etc Ω a 1KΩ 100Ω a 5KΩ Carlos Reis FEEC-Unicamp 22

23 Potenciômetros Posição do pedal borboleta EGR Recirculação de gases Nível de combustível Carlos Reis FEEC-Unicamp 23

24 Potenciômetros O circuito condicionador de sinais para potenciômetros depende essencialmente da distância entre o sensor e o circuito. O circuíto abaixo é adequado quando o sensor se encontra instalado à curta distância, de tal modo que a influência da fiação seja desprezível. Além disto, assume que o potenciômetro seja calibrado em fábrica. Em tais circunstâncias, o potenciômetro pode ser excitado com uma fonte de tensão de referência, implementando um divisor de tensão. Consequentemente, o circuito condicionador de sinais se restringe a um simples seguidor de tensão. Vout = m Vref Onde m é uma medida direta da posição do sensor 0<m<1. Carlos Reis FEEC-Unicamp 24

25 Potenciômetros Outro circuito condicionador de sinais adequado para situações semelhantes à do caso anterior (sensor à curta distância): Vout = mrib + RoIb Posição do sensor Ajuste de zero Carlos Reis FEEC-Unicamp 25

26 Potenciômetros Quando o sensor se encontra distante do circuito de condicionamento, ou seja, a fiação pode interferir na medição da grandeza, então o circuito seguinte é mais apropriado. Neste caso, os dois fios que ligam o sensor ao circuito condicionador têm a mesma resistência (r). São usadas duas fontes de correntes idênticas Ib. Vout = G Rm Ib O potencial em que se apoia o sensor é 2RmIb. Esta tensão é vista pelo amplificador como um sinal de modo comum. Carlos Reis FEEC-Unicamp 26

27 Potenciômetros Outro circuito, bastante adequado para sensores resistivos, que evita a influência da fiação no sinal monitorado: Vout = G Rm Ib Carlos Reis FEEC-Unicamp 27

28 Termistores Termistors são simples resistores cujas resistências variam com a temperatura de maneira previsível, de acordo com uma função específica. Como são resistores, requerem algum tipo de excitação, por exemplo uma fonte de corrente constante. Também, podem ser usados em combinação com um resistor insensível à temperatura para compor um divisor resistivo de tensão. A dependência térmica de um termistor é regida pela seguinte função exponencial: ( ) RT = R e o 1 1 B T To R o é o valor da resistência na temperatura T o. T é a temperatura em Kelvin. B é o coeficiente de temperatura. Quando B<0, o termistor é chamado de NTC. Carlos Reis FEEC-Unicamp 28

29 Termistores ( ) RT R o = e 1 1 B T To Carlos Reis FEEC-Unicamp 29

30 Termistores É importante observar, ao dimensionar a corrente de excitação de um termistor, para o efeito de auto-aquecimento. Quando a potência dissipada é desprezível, a relação I-V do termistor é uma reta, indicando uma resistência constante, cujo valor está associado à temperatura do ambiente. A medida que a corrente aumenta, os efeitos de autoaquecimento se tornam mais evidentes e a temperatura do termistor aumenta, causando uma diminuição da sua resistência. Para cada incremento sucessivo de corrente há uma correspondente redução da resistência. Consequentemente, a taxa de variação na relação tensão-corrente diminui com o aumento da corrente. Este processo continua até atingir um certo valor de corrente para o qual a taxa de variação se anula. Além deste ponto, um incremento na corrente provoca um aquecimento incremental que reduz o valor da resistência a tal ponto que o incremento de tensão é negativo. Ou seja, o termistor exibe resistência negativa. Carlos Reis FEEC-Unicamp 30

31 Termistores IAT Temperatura da água Carlos Reis FEEC-Unicamp 31

32 Termistores Os termistores podem ser condicionados como qualquer outro sensor resistivo. A forma mais simples consiste na medição da tensão produzida no divisor resistivo de tensão abaixo: Vout = R Vref R+ Rs Neste caso, como Rs diminui com a temperatura, V out aumenta com o aumento de T. As medições de temperatura de água e da temperatura absoluta da admissão (Intake Absolute Temperature) são realizadas com Termistores: Carlos Reis FEEC-Unicamp 32

33 Acelerômetro piezoelétrico Este tipo de sensor é particularmente usado na detecção da ocorrência de Knocking. O instante da ignição no cilindro de um motor é normalmente ajustado para ocorrer um pouco antes do pistão chegar ao topo da câmara (compressão) para aumentar a eficiência do motor. No entanto, pode acontecer que a ignição ocorra antes disto. Como conseqüência, ocorre um fenômeno chamado "knocking". Carlos Reis FEEC-Unicamp 33

34 Acelerômetro piezoelétrico Sensor de detonação Carlos Reis FEEC-Unicamp 34

35 Acelerômetro piezoelétrico Quando a pressão no interior do cilindro ultrapassa um certo limite, surgem vibrações. A característica espectral destas vibações é uma propriedade (assinatura) do motor. Se estas vibrações perdurarem por muito tempo o motor pode ser seriamente danificado. Carlos Reis FEEC-Unicamp 35

36 Acelerômetro piezoelétrico Um sensor piezoelétrico (sensor de Knock), é usado para monitorar estas vibrações anormais do motor, informando à unidade eletrônica de controle (ECU) para que esta atue na eliminação do fenômeno. O sensor de Knock opera detectanto vibrações na faixa de 2 a 12KHz. Como para um determinado motor corresponde uma freqüência de knock que lhe é característica, é possível sintonizar o sensor. piezoelétrico Carlos Reis FEEC-Unicamp 36

37 Acelerômetro piezoelétrico Circuito de condicionamento de um sensor de Knock: Carlos Reis FEEC-Unicamp 37

38 Sensores capacitivos Os sensores capacitivos são adequados para medir pressão, deslocamento e posição. O tipo mais comum de sensor capacitivo usado em veículos consiste de um diafragma flexível feito de material condutor em paralelo com um eletrodo fixo. Área=A ε d A capacitância de uma estrutura como estas é dada por: C ε A = d Carlos Reis FEEC-Unicamp 38

39 Sensores capacitivos Dentre as aplicações de sensores capacitivos num veículo, se incluem: Pressão do óleo do motor Pressão dos pneus Pressão absoluta do coletor (MAP) No caso de motores, cujo controle se baseia na relação velocidadedensidade, é necessário medir o fluxo da massa de ar e calcular, a partir disto, qual é a quantidade de combustível necessária. Juntamente com a medida da pressão absoluta, é medida a temperatura do ar na admissão para calcular a densidade do ar. Carlos Reis FEEC-Unicamp 39

40 Sensores capacitivos Os sensores capacitivos, sejam eles implementados em tecnologia MEMS ou com diafragmas e membranas metálicas, operam inseridos numa ponte excitada com sinal AC: Carlos Reis FEEC-Unicamp 40

41 Sensores capacitivos O sensor capacitivo Cm é inserido numa ponte AC que é excitada com um sinal senoidal de aproximadamente 20KHz. No lado oposto da ponte se encontra o capacitor de referência C ref. Quando a ponte está equilibrada a diferença de fase entre V sensor e V referencia é nula. Uma variação em C m causa uma diferença de fase que pode ser medida pela ECU contando o tempo entre as transições de subida dos dois sinais. Carlos Reis FEEC-Unicamp 41

42 Sensores capacitivos O condicionamento de sinais de sensores capacitivos também pode ser realizado aplicando-se técnica de capacitor chaveado, sendo um dos capacitores o dispositivo sensor. Um amplificador de tensão implementado em técnica de capacitor chaveado tem seu ganho estabelecido pela razão de dois capacitores: CK1 a b a b a b a b a b CK2 T1 T2 T3 T4 Carlos Reis FEEC-Unicamp 42

43 Ciclo T1 T q1 ( a,1) = C1 Ve 2 T q2( a,1) = 0 Vs = 0 2 q1 ( b,1) = 0 T C1 T = = = 2 C2 2 (,1) (,1) C1 Ve Vs( T) q2 b q1 a Ve Carlos Reis FEEC-Unicamp 43

44 Ciclo T2 T q1 ( a,2) = C1 Ve 2T 2 T q2( a, 2) = 0 Vs 2T = 0 2 q1 ( b,2) = 0 T C1 T = = = 2 C2 2 ( ) ( ) ( ) q2 b, 2 q1 a, 2 C1 Ve 2 T Vs 2T Ve 2T Carlos Reis FEEC-Unicamp 44

45 Ciclo Tn T q1 ( a, n) = C1 Ve nt 2 T q2 ( a, n) = 0 Vs nt = 0 2 q1 ( b, n ) = 0 T C1 T = = = 2 C2 2 (, ) (, ) 1 Vs( nt) q2 b n q1 a n C Ve nt Ve nt Carlos Reis FEEC-Unicamp 45

46 ( ) Vs nt C1 T = Ve nt C2 2 O equacionamento mostra que o sinal de saída está atrasado de meio período do clock e invertido em relação ao sinal de entrada. O ganho é determinado pela razão entre o capacitor da entrada, C1 e o capacitor de realimentação C2 Carlos Reis FEEC-Unicamp 46

47 O Amplificador a Capacitor-Chaveado Formas de onda de entrada e saída de um amplificador implementado em que C1/C2 =10. Carlos Reis FEEC-Unicamp 47

48 O Amplificador a Capacitor-Chaveado Formas de onda de entrada e saída de um amplificador implementado em que C1/C2 =10. Carlos Reis FEEC-Unicamp 48

49 Clock utilizado em Capacitor-Chaveado Uma solução a este problema é o uso de clocks interdigitados. Ou seja, a transição de cada clock é feita em instantes distintos, havendo assim um pequeno intervalo de tempo em que nenhuma chave conduz. Carlos Reis FEEC-Unicamp 49

50 Amplificador não-inversor em Capacitor-Chaveado Pode ser implementado fazendo-se a inversão do sinal de entrada, Ve, através da comutação cruzada das chaves analógicas. O principio de funcionamento é semelhante ao do amplificador inversor, exceto pela inversão da polaridade de capacitor C1 no instante em que sua carga é transferida para C2. O ganho do amplificador, neste caso, é dado por C1/C2. Também neste caso o sinal de saída está atrasado de meio período do clock em relação à entrada. Carlos Reis FEEC-Unicamp 50

51 Amplificador não-inversor em Capacitor-Chaveado Formas de onda de entrada e saída de um amplificador implementado de acordo com esta configuração. No caso, C1/C2 =10. Carlos Reis FEEC-Unicamp 51

52 Amplificador não-inversor em Capacitor-Chaveado Formas de onda de entrada e saída de um amplificador implementado de acordo com esta configuração. No caso, C1/C2 =10. Carlos Reis FEEC-Unicamp 52

53 Sensores capacitivos tensão constante sensor ( ) Vs nt C1 T = Ve nt C2 2 A tensão de saída é proporcional à variável que modifica a capacitância C1. Carlos Reis FEEC-Unicamp 53

54 FIM Carlos Reis FEEC-Unicamp 54