Medição dimensional e de movimento. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira Faculdade Gama

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1 Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira Faculdade Gama

2 Sensor por efeito piezo-elétrico: Funciona a partir do efeito piezo-elétrico; Fenômeno físico reversível; Fornece tensão com a deformação do elemento sensor; Fornece deformação a partir da aplicação de uma tensão no elemento sensor;

3 Efeito piezo-elétrico: Descoberto por Pierre Curie e Jacques Curie em 1880; Característica encontrada em grande parte dos materiais (cristais, cerâmicos e polímeros); Capacidade do material em se polarizar eletricamente devido a uma deformação; Efeito direcional e sensitivo; Processo reversível;

4 Exemplo do efeito piezo-elétrico Quartzo em seu estado natural

5 Sob tração Sob compressão

6 Sensores com efeito piezos-elétricos: Elemento sensor de material piezo-elétrico; Medição de força, aceleração, movimento; Medição de distância, vibração, etc; Empregados na construção de sonares; Empregados na construção de ultrasom;

7 zz yy xx P P P P d d d P Modelo matemático: zz yy xx xx d d d P zz yy xx yy d d d P zz yy xx zz d d d P

8 Em que: P xx = Vetor de polarização na direção x; P yy = Vetor de polarização na direção y; P zz = Vetor de polarização na direção z; d xx = Coeficiente piezo-elétrico; σ xx = Tensão aplicada na direção x; σ yy = Tensão aplicada na direção y; σ zz = Tensão aplicada na direção z;

9 Coeficiente piezo-elétrico: Relação entre variação dimensional e tensão gerada; Relação entre as cargas elétricas e a força aplicada; Unidade de medida pode ser m/v ou C/N;

10 Para um sensor de Titanato de bário: Campo produzido na direção 3 g 33 Pressão aplicada na direção 3 f e i 0 t wl Contudo, conhecendo-se g para um dado material e a dimensão t, pode-se calcular a tensão de saída por unidade de pressão aplicada

11 d pode ser obtido a partir de g se a constante dielétrica do material for conhecida: C w t L g mn d mn ε = 4,06x10-11 F/m (Quartzo) ε = 1,25x10-11 F/m (Titanato de bário)

12 Projeto de sensores piezos-elétricos: Tensão de saída do sensor é de baixa amplitude; Impedância do sensor deve ser elevada; Impedância do amplificador deve ser elevada; Capacitância dos cabos devem ser consideradas (longas distância);

13 Sensor piezo-elétrico (modelagem matemática):

14 Sensor piezo-elétrico (modelagem matemática):

15 Circuito equivalente: R R R amp amp R leak R leak C C cr C cabo C amp

16 Modelo matemático do sensor: 0 / 1) ( 0; / 0 t p D K q D t p q o o D 1 D K RC C K K q

17 Algumas observações: Resposta em estado estacionária é nula; Desse modo, a resposta do sensor em geral esta associada a um sinal variante no tempo;

18 D 1 D K Medição dimensional Resposta a uma entrada pulso: Modelo matemático: T t p Dq K q D t p q i o o 0 / 1) ( 0; / 0 T t p q D o i o / 0 1) (

19 p/t - / 0 ) ( T q e A K t e p/ t=0 + A x i C A K e q 0 0 ) ( e C t e 1 ) ( / 0 T q e C A K t e p/t + p/0<t<t / 0 ) ( t q e C A K t e / ) ( / 0 1 ) ( T t T q e e C A K t e p/t>t>inf

20 Sensores de indutância variável: Movimento do núcleo causa uma variação da indutância mútua no sensor; Variação da indutância mútua induz uma tensão na saída do sensor;

21 Principais aplicações: Medição de deslocamento linear; Detecção de presença de objetos; Dentre outros;

22 Aplicações práticas: Residenciais; Indústriais; Dentre outras;

23 a Sensor de indutância variável; b c

24 Dois métodos para formar o circuito da ponte podem ser empregados:

25 Características: Alta sensibilidade requer elevada tensão de excitação; Comprimento: Varia de 0,1 a 200 pol; Resolução: infinitesimal; Alguns funcionam com freqüência de excitação bem elevada (112KHz) ; Nestes casos permite a medição da freqüência de movimento até 15KHz;

26 Sensores de relutância variável: Movimento de material condutor próximo do sensor provoca variação da relutância sob o sensor; Variação da relutância provoca variação do fluxo magnético sob o sensor; Variação do fluxo magnético induz uma tensão nos terminais do sensor;

27 Sensores de relutância variável: Em geral, composto apenas por uma bobina; Bobina imersa em núcleo magnetizado; A aproximação e afastamento de material condutor altera a relutância do núcleo; Variação da relutância do núcleo produz variação do fluxo magnético; Variação do fluxo magnético produz uma tensão induzida;

28 Principais aplicações: Detecção de deslocamento angular; Bastante empregado pela indústria automotiva;

29 Sensor de relutância variável

30 Sensor de relutância variável

31 Sensor indutivo de proximidade: Utilizado em uma série de aplicações industriais; Permite a medição de distâncias milimétricas; Utilizado para medir distância de objetos condutores; Não mede distância de objetos magnetizados; Funcionam a partir da variação da corrente de Foucault;

32 Princípio da corrente de Foucault

33 Sensor indutivo de proximidade

34 Características: Freqüência de operação: 50KHz 10MHz; Não depende de material magnético; Efetivo ainda que sujeito a altas temperaturas;

35 Sensor de efeito Hall: Comumente empregado na indústria automotiva; Em geral utilizado para medir deslocamento angular; Funciona a partir do princípio do efeito Hall;

36 Efeito Hall: Descoberto em 1879 por E. H. Hall; Baseado na interação entre cargas elétricas em movimento e um campo magnético externo; Direção de movimento de elétrons é modificada quando os mesmos estão sujeito a um campo magnético; Modificação da direção induz uma diferença de potencial perpendicular ao fluxo da corrente;

37

38 Sem o campo magnético V H I B Com o campo magnético

39 Sensor de efeito Hall: Afetado pelo efeito da piezo-resistência; Projeto do sensor deve considerar a redução do efeito da piezo-resistência; Solução é utilizar múltiplos elementos Hall;

40 Sensor Hall com dois elementos Hall V H V V 01 02

41 Sensor de efeito Hall: Tensão Hall é pequena (ordem de 30μV); Necessário circuito de condicionamento de sinal; Deve possuir estágio de amplificação; Deve possuir estágio de compensação de temperatura;

42 Características do estágio de amplificação: Baixo ruído; Alta impedância; Ganho moderado; Amplificadores diferenciais são comumente empregados;

43 Condicionador de sinal sensor de efeito Hall

44 Resposta do sensor de efeito Hall

45 Sensor de efeito Hall - Analógico

46 Sensor de efeito Hall Função de transferência

47 Sensor de efeito Hall Efeito de temperatura

48 Sensor de efeito Hall - Digital

49 Sensor de efeito Hall Digital Função de transferência

50 Aplicações Indústria automotiva

51 Aplicações automotiva Ignição eletrônica

52 Sensores de magneto-resistência: Medição de deslocamentos lineares e angulares; Sensor com elevada sensibilidade; Trabalha bem sob condições extremas; Funciona a partir do princípio da magneto-resistência;

53 Princípio do efeito da magneto-resistência: Material condutor muda sua resistência sob a presença de campo magnético externo; Na ausência de campo magnético externo, o material possui um vetor de magnetização paralelo a corrente; Sob a ação de um campo magnético externo, o vetor de magnetização muda sua direção; A resistência do material é em função do ângulo de rotação;

54 Efeito da magneto-resistência (Permalloy)

55 Observações: Relação não-linear entre a resistência e o ângulo de rotação; Pode existir mais de um valor de resistência associado com o campo magnético; Técnicas de construção devem ser empregadas para fornecer características lineares;

56 Sensor magnetoresistência (KMZ 10)

57 Sensor magneto-resistência: Elementos permalloy comumente conectado a uma ponte de Weatstone; Reduz a influência da temperatura; Aumenta a amplitude do sinal de saída do sensor;

58 Sensor magneto-resistência- Ponte de Weatstone

59 Sensor magneto-resistência- Características

60 Resposta do sensor sob efeito de temperatura

61 Principais aplicações: Sensor de velocidade da roda; Medição da posição de pedais; Medição da posição angular da válvula borboleta; Dentre outras;

62 Sensores de deslocamento digital: Constitui um dos poucos sensores digitais existentes; Fornecem um sinal digital decorrente de um deslocamento linear ou angular;

63 Sensor de ultrasom: Utilizado para medir distâncias de objetos; Funciona a partir da emissão de ondas ultrassônicas; Em geral possui uma unidade transmissora e uma unidade receptora;

64 Sensor de ultrasom (Princípio de funcionamento): Unidade transmissora converte o sinal elétrico recebido em um sinal de ultrasom; Onda é enviada e refletida pelo objeto; Unidade receptora captura a onda refletida; Calcula-se a distância a partir da diferença entre o tempo de envio e recepção;

65 Sensor de ultrasom (princípio de funcionamento): Velocidade do som 344m/s (20C); Onda é enviada e refletida pelo objeto; Unidade receptora captura a onda refletida; Calcula-se a distância a partir da diferença entre o tempo de envio e recepção;

66 Sensor de ultrasom

67 Princípio de funcionamento Diagrama de blocos

68 Atenuação da pressão sonora em função da distância

69 Espectro de irradiação Sinal sonoro

70 Espectro de irradiação Sinal sonoro

71 Aspectos construtivos (elemento sensor)

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