Transdutores. Medidas Eléctricas II. Prof. Ricardo Queirós

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1 Transdutores Medidas Eléctricas II Prof. Ricardo Queirós Licenciatura em Engenharia Electrotécnica: Electrónica e Telecomunicações Universidade Agostinho Neto 2014 Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 1 / 18 Conteúdo 1 Introdução 2 Transdutores de Temperatura 3 Transdutores Capacitivos 4 Transdutores Piezoeléctricos 5 Transdutores Indutivos Transformador Diferencial Linear Variável (LVDT) Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 2 / 18

2 Introdução Transdutores Um transdutor é um dispositivo capaz de converter uma forma de energia noutra, fazendo corresponder, segundo uma determinada relação, uma grandeza de saída a uma grandeza de entrada. Por outro lado, um sensor inclui um transdutor e alguma forma de condicionamento de sinal (ex. amplificação, filtragem, etc.); Os transdutores podem ser classificados considerando a sua aplicação, conversão de energia, etc. A tabela seguinte mostra alguns tipos de transdutores: Transdutor Parâmetro Aplicações RTD Resistência Temperatura Termístor Resistência Temperatura Capacitivo Capacidade Deslocamento, força Indutivo Indutância Deslocamento, pressão, força Piezoeléctrico Tensão Deslocamento, pressão Célula fotovoltaica Tensão Intensidade luminosa (painel solar) Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 3 / 18 Transdutores de Temperatura Detector de Temperatura Resistivo (RTD) (1) A temperatura é determinada a partir da variação de um elemento resistivo; Vários materiais (metais) são utilizados como elemento resistivo (ex. Níquel, Platina, Cobre, etc.). A variação da resistência com a temperatura é aproximadamente: R = R 0 + αr 0 (T T 0 ) R = αr 0 T Onde α é o coeficiente de temperatura da resistência do material, R e R 0 são as resistências do material às temperaturas T e T 0 (referência), respectivamente. Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 4 / 18

3 Transdutores de Temperatura Detector de Temperatura Resistivo (RTD) (2) A seguinte tabela mostra o coeficiente de temperatura de alguns materiais: Sensibilidade de um RTD Material α ( C 1 ) Níquel Tungsténio Alumínio Cobre Prata Ouro Platina S = dr dt = αr 0 A sensibilidade é representada em Ω/ C. Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 5 / 18 Transdutores de Temperatura Coeficiente de Temperatura da Resistência O coeficiente de temperatura da resistência (α) pode ser positivo (PTC) ou negativo (NTC); Nos PTC, um aumento de temperatura causa um aumento de resistência. Já no caso dos NTC, o inverso acontece. Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 6 / 18

4 Transdutores de Temperatura Termístor (1) O funcionamento do termístor também se baseia na variação de um elemento resistivo com a temperatura; O elemento resistivo é fabricado com um material semicondutor (ex. óxido de cobre, de titânio, de níquel, etc.); A variação da resistência com a temperatura é aproximadamente: R = R 0 e [ ( )] β 1 T 1 T 0 onde β é uma constante determinada experimentalmente (em Kelvin). O termístor é um dispositivo com elevada sensibilidade. Ou seja, a sua resistência varia rapidamente com a temperatura; A não linearidade da relação entre a resistência e a temperatura é uma desvantagem. Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 7 / 18 Termístor (2) Transdutores de Temperatura O material semicondutor deteriora-se a altas temperaturas. Por essa razão, os termístores estão limitados a medições até aproximadamente 300 C. Sensibilidade de um Termístor S = dr dt = R 0 A sensibilidade é representada em Ω/ C. ( ) [ ( )] β β 1 T T 2 e 1 T 0 Conversão de graus Celsius ( C) para Kelvin (K) C = K Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 8 / 18

5 Transdutores Capacitivos Transdutores Capacitivos (1) A capacidade C de um condensador de pratos paralelos com área (sobreposição) A a uma distância d, cujo material entre os pratos tem uma permitividade ɛ, é determinada por: C = ɛa d Onde ɛ = ɛ 0 ɛ r, sendo ɛ 0 a permitividade do vácuo (espaço livre) e ɛ r a permitividade relativa do dieléctrico. Note que ɛ 0 = F/m. d Dieléctrico Área Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 9 / 18 Transdutores Capacitivos Transdutores Capacitivos (2) Exemplo A área dos pratos de um condensador é de 100 cm 2. (a) Determine a capacidade do condensador quando a distância entre os pratos é de 1 cm e o dieléctrico é o ar. (b) Repita o procedimento se o dieléctrico for um material com ɛ r = 4. (a) Ar => ɛ r = 1 (b) C = (1)(0.01) 0.01 C = (4)(0.01) pf 35.4 pf Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 10 / 18

6 Transdutores Capacitivos Transdutores Capacitivos (3) A capacidade do condensador altera-se quando: 1) a distância entre os pratos varia, 2) existe movimento lateral (relativo) dos pratos e 3) existe variação do dieléctrico. Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 11 / 18 Transdutores Capacitivos Transdutores Capacitivos (4) Sensibilidade S = C d = ɛa d 2 A sensibilidade é representada em F/m. Aplicações Medição do nível de líquidos Microfones Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 12 / 18

7 Transdutores Piezoeléctricos Transdutores Piezoeléctricos (1) Um material piezoeléctrico é um material que se lhe aplicarmos uma pressão, surge aos seus terminais uma diferença de potencial (efeito piezoeléctrico directo). Por outro lado, a aplicação de uma tensão aos seus terminais leva à sua deformação (efeito piezoeléctrico inverso); Existem vários materiais piezoeléctricos, por exemplo: quartz e Titano-zirconato de chumbo (PZT). Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 13 / 18 Transdutores Piezoeléctricos Transdutores Piezoeléctricos (2) eléctrodo P Piezo. Mat. d V P Analisando a figura, temos: Q = VC e a carga induzida é proporcional à força exercida: Q = S q F igualando: VC = S q F = S q AP onde: V = S qap C mas C = ɛ A d se S v = S q ɛ, entao: V = S qdp ɛ V = S v dp Onde C-Capacidade, Q-carga eléctrica, F-Força, S q -Sensibilidade à carga, A-Área, S v -Sensibilidade à tensão, P-Pressão. Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 14 / 18

8 Transdutores Piezoeléctricos Transdutores Piezoeléctricos (3) 1.2. Research Problem 5 Exemplo Um material piezoeléctrico (quartz) com espessura de 2 mm, sensibilidade à tensão de Vm/N é sujeito a uma pressão de N/m 2. Determine a tensão aos terminais do material. Many applications nowadays are based on ultrasonic distance measurements. For example, in parking-aid systems, thickness measurements, liquid level measurement, mobility V = S v dp = (0.055)(0.002)( ) = V aids for the blind [8], camera lens-focusing, imaging [9], flaw detection and ranging, surface profiling [10], map-building, and object detection [11], localisation [12] and recognition [13]. Figure 1.2 sketches some of these applications. Their success rely on the precision and accuracy of the distance estimation techniques. Thus, there is a need for high resolution ultrasonic distance measuring systems. Aplicações Ultrasonic Transducer Ultrasonic Transducers Couplant Ultrasonic Transducer Liquid (a) (b) (c) Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 15 / 18 Figure 1.2: Schematic diagram demonstrating common applications where distance information is important. (a) Transdutores Parking-aid Indutivos systems, Transformador (b) Material Diferencial thickness Linear Variável measurement, (LVDT) and (c) Liquid level measurement. Transformador Diferencial Linear Variável (1) 1.2 TrêsResearch bobines, umproblem enrolamento primário e dois secundários, são posicionadas de acordo com a figura. As bobines do secundário Although têm oitmesmo is frequent número nowadays deto espiras measure distances e são conectadas with ultrasonicde waves tal 4, forma there que as tensões induzidas estão em oposição de fase; are many limitations in the traditional methods, such as: short measurable ranges, too high sensitivity to signal-to-noise ratio (SNR), low precision, and the requirement of wide bandwidth 5 ultrasonic transducers. Thus, traditionally employed techniques are not sufficient for some application requirements. More sophisticated ultrasonic ranging techniques are required. 1.3 Research Objectives The main objectives of this thesis are the following: 1. To develop new distance measurement techniques using piezoelectric ultrasonic 4 Also known as ultrasonic ranging 5 More expensive and not so common. Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 16 / 18

9 Transdutores Indutivos Transformador Diferencial Linear Variável (LVDT) Transformador Diferencial Linear Variável (2) Um núcleo magnético move-se livremente entre as bobines; É aplicada uma tensão alternada à bobine do primário. A tensão de saída no secundário depende do coeficiente de indução mutua entre as bobines do secundário e a do primário, que por sua vez depende da posição do núcleo. Quando o núcleo está na posição central (referência), as tensões induzidas nas bobines do secundário são iguais. No entanto, como estão em oposição de fase, a tensão de saída é de 0 V. Quando uma força externa desloca o núcleo para a esquerda, por exemplo, o fluxo magnético será mais elevado entre o primário e a bobine do secundário mais à esquerda. Assim, a magnitude da tensão de saída passa a ser a diferença entre as duas tensões do secundário e está em fase com a tensão da bobine mais à esquerda. Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 17 / 18 Transdutores Indutivos Transformador Diferencial Linear Variável (LVDT) Transformador Diferencial Linear Variável (3) Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 18 / 18

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