INSTRUMENTAÇÃO AULA XI

Transcrição

1 INSTRUMENTAÇÃO AULA XI

2 Transdutores Eletromagnéticos Princípio de Funcionamento Lei de Faraday Um fluxo magnético variável ao atravessar perpendicularmente uma espira de área A ef induz uma tensão elétrica E. dφ E = N dt onde φ = BA ef = BAsen dφ =α ω cos( ωt) dt E = NBAω cos ( ωt) ( ωt) + E _ Quando um campo magnético variável passa através de uma bobina induz tensão elétrica entre os terminais da bobina Amplitude e freqüência de E dependem da velocidade de giro ω

3 Transdutores Eletromagnéticos Tacogerador Medida de velocidade angular Muito ruidoso São usualmente acoplados aos motores, para controle analógico de de velocidade Uso diminuído em função de controle digital com transdutores menos ruidosos e mais exatos

4 Transdutores Eletromagnéticos Pick-Up Magnético Codificador Incremental Transdutores de posição e velocidade Gera uma tensão quando um dente de material ferro magnético passa próximo ao imã e altera o fluxo magnético v A amplitude e freqüência de E dependem de v imã E + E _ x

5 Transdutores Eletromagnéticos Pick-Up Magnético

6 Transdutores Indutivos Inductosyn Princípio de Funcionamento V1 Explora a variação do acoplamento magnético entre os condutores do primário e do secundário em função do deslocamento dos condutores do primário em relação aos do secundário. + V2 _ V2 + V1

7 Transdutores Indutivos Inductosyn Princípio de Funcionamento V1 Explora a variação do acoplamento magnético entre os condutores do primário e do secundário em função do deslocamento dos condutores do primário em relação aos do secundário. + V2 _ V2 + V1

8 Transdutores Indutivos Inductosyn Princípio de Funcionamento V1 Explora a variação do acoplamento magnético entre os condutores do primário e do secundário em função do deslocamento dos condutores do primário em relação aos do secundário. + V2 _ V2 + V1

9 Transdutores Indutivos Inductosyn Princípio de Funcionamento V1 V2 V1

10 Transdutores Indutivos Inductosyn Princípio de Funcionamento V1 V2 V1

11 Transdutores Indutivos Inductosyn Princípio de Funcionamento V1 V2 V1

12 Transdutores Indutivos Inductosyn Função de Transferência d ( t) = cos 2π V p sen ω p V2 1 ( t) p d V 2 (t) V 1 (t)

13 Transdutores Indutivos Inductosyn Função de Transferência (2 sensores)

14 Transdutores Indutivos Inductosyn Aplicação - Sensor de deslocamento Codificador Incremental Linear

15 Transdutores Indutivos Inductosyn Aplicação - Sensor de deslocamento Codificador Incremental Linear

16 Transdutores Indutivos Inductosyn Aplicação - Sensor de deslocamento Codificador Rotativo Incrementais ou Absolutos Incremental Absoluto

17 Transdutores Indutivos Resolver Princípio de Funcionamento Explora a variação do acoplamento magnético entre o enrolamento primário e os enrolamentos secundários θ

18 Transdutores Indutivos Resolver Função de Transferência V = sen( θ ) V sen( t) V (t) = cos( θ ) V sen( t) (t) ω 13 S R 24p S R 24p 24 ω θ VR24p = 2 a 40VRMS f = 400Hz a 10kHz Exatidão de 0,008 a 0,08

19 Transdutores Indutivos Resolver Detalhes Construtivos Transformador Rotativo para evitar o uso de escovas na excitação do rotor θ θ θ θ

20 Transdutores Indutivos Resolver Detalhes Construtivos

21 Transdutores Indutivos Synchro Princípio de Funcionamento É o mesmo princípio do Resolver, contudo as bobinas estão defasadas de 120 graus.

22 Transdutores Indutivos Synchro Função de Transferência ( ) V ( ωt) V ( t) sen θ sen S = R p ( θ ) V sen( ωt) V 23( t) = sen 12 S R ( θ ) V sen( ωt) V 31( t) = sen 12 S R p p

23 Transdutores Indutivos Condicionamento (Medida de Ângulo e Velocidade) Inductosyn e Resolver UP/DN Ck Synchronous Retifier Low Pass Filter Error Ksin(θ-ϕ) Vsin(θ-ϕ) sinωt Uma pastilha que implementa diretamente estas funções é o AD2S90 da Analog Devices

24 Transdutores Indutivos Principais Aplicações Medida de Posição para controle em Servomotores Controle de velocidade

25 Sensores e Transdutores Óticos Princípios Gerais de Funcionamento de Dispositivos Baseados em Sensores Óticos Interrupção de feixe de luz Reflexão de feixe de luz Medição de Intensidade de Luz Utilização de Arranjos para medição de intensidade de Luz

26 Sensores e Transdutores Óticos Interrupção de feixe de luz 1) Fonte Emissora de Luz Anteparo Elemento Sensor 2) Fonte Emissora de Luz Elemento Sensor

27 Sensores e Transdutores Óticos Reflexão de feixe de luz Fonte Emissora de Luz Anteparo Elemento Sensor

28 Sensores e Transdutores Óticos Medição de Intensidade de Luz Sinal 1 Sensor 1 I1 V1 Sinal 2 Sensor 2 I2 V2

29 Sensores e Transdutores Óticos Utilização de Arranjos para medição de intensidade de Luz Elementos Sensores

30 Sensores e Transdutores Óticos Tipos de Sensores LDRs Fotodiodos Fototransistores CCDs

31 Sensores e Transdutores Óticos Resistor Dependente de Luz - LDR (Light Dependent Resistor) LDR é um dispositivo semicondutor de dois terminais, cuja resistência varia com a intensidade de luz incidente Materiais freqüentemente utilizados:sulfeto de cádmio (CdS) e o seleneto de cádmio (CdSe). LDRs aumentam sua condutividade quando expostos a Luz. Variação de Resistência típica : cerca de 300 Ω para luz ambiente e 10 MΩ para o escuro Resposta lenta (cerca de 200K Ω por segundo)

32 Sensores e Transdutores Óticos Fotodiodo Diodo de junção construído de forma a possibilitar a utilização da luz como fator de controle para a corrente Funciona polarizado inversamente Tem resposta rápida em relação a variação do sinal luminoso Corrente de saída baixa

33 Sensores e Transdutores Óticos Fototransistores Princípio de funcionamento similar ao fotodiodo, entretanto associado ao efeito do transistor Maior sensibilidade devido a amplificação Resposta mais lenta

34 Sensores e Transdutores Óticos Sensor Acoplador de Cargas (Charge Coupled Device - CCD) Arranjo de sensores que transformam uma informação luminosa pontual (pixel) num sinal elétrico A luz num determinado ponto sensor provoca a liberação de cargas que geram uma diferença de potencial Um arranjo na forma de matriz permite então que seja feita uma varredura de sinais elétricos ocasionados pela luminosidade numa superfície

35 Sensores e Transdutores Óticos Encoders Definição Tipos de Encoders: Encoders Incrementais Encoders Absolutos

36 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Princípio de Funcionamento Os fótons ao colidirem com elétrons na banda de valência cedem energia a eles e, assim, os elétrons são promovidos para a banda de condução. Se esta colisão ocorrer na região de deplexão, o campo elétrico existente ali desloca os elétrons criando uma fotocorrente. Ânodo D1 -e Cátodo Ip

37 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Princípio de Funcionamento Cátodo Fotodiodo sob polarização reversa aumenta a região de deplexão D1 Ânodo

38 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Princípio de Funcionamento Ip Absorção Geração do par Elétron-Lacuna Recombinação Geração de Corrente Elétrica (fotocorrente Ip)

39 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Função de Transferência - Responsividade Energia de 1 Photon de compr. de onda λ E f = h c (Joules) λ R I P = = I P P L en e (A/Watt) = eηn eh η é a eficiência de absorção Neh= número de pares eletron-lacuna gerados por segundo então se Ef > Eg = Ec-Ev P Watts = E f N eh

40 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Função de Transferência - Responsividade R = I P P L (A/Watt) I P = en e = eηn eh R = P Watts = eη λ = eη (A/Watt) se h Ef hc c 0 se h < Eg λ E f N c Eg λ eh

41 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Modos de Operação Fotovoltaico Fotocondutivo I = I o e ev kt 1 I P

42 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos - Função de Transferência Operando no Modo Fotovoltaico (fotocélula) I V d = R L I I = I o e evd kt 1 I P

43 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos - Função de Transferência Operando no Modo Fotovoltaico (fotocélula) I d I

44 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos - Função de Transferência Operando no Modo Fotocondutivo I + - V d I = + I o V B e = evd kt R L I 1 I P Neste caso Vd é negativo logo I -Io-Ip, ou seja, a corrente no diodo e a tensão em R L são lineares em relação a potência luminosa incidente.

45 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos - Função de Transferência Operando no Modo Fotocondutivo

46 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos - Função de Transferência Modelo Matemático Possui ruído térmico (Rs e Rj) e ruído quântico (devido a corrente no diodo). Quanto maior a polarização reversa menor é Cj. Quanto maior a polarização reversa maior é a corrente de ruído

47 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Condicionamento

48 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Condicionamento

49 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos - Exemplo de Aplicação Sensores de Proximidade São constituidos de uma fonte de luz (LED) e um fotodetector (fototransistor) Normalmente procede-se a modulação do sinal para diminuir a influência da luz ambiente Saída TTL 5V, relé de estado sólido, etc... Modulator Sinal Modulado Amplificador Demodulator Fonte de Sinal Saída Fonte de Alimentação Carga

50 Transdutores Fotoelétricos Sensores de Proximidade Fotoelétricos Alguns Modelos

51 Transdutores Fotoelétricos Sensores de Proximidade Fotoelétricos Modos de Operação Feixe de luz passante Longas distâncias (20m) Alinhamento é crítico Retro-reflexão Distâncias de 1 a 3m Popular e barato Reflexão difusa Distância de 12 a 300mm Barato e fácil de usar

52 Transdutores Fotoelétricos Sensores de Proximidade Fotoelétricos Admitem extensão com fibra ótica

53 Transdutores Fotoelétricos Sensores de Proximidade Fotoelétricos Exemplos de Aplicação

54 Transdutores Fotoelétricos Sensores de Proximidade Fotoelétricos Exemplos de Aplicação

55 Transdutores Fotoelétricos Sensores de Proximidade Fotoelétricos Exemplos de Aplicação Detector de Colisão Cortina de luz (segurança)

56 Sensores e Transdutores Óticos Aplicações - Medição de Nível Sensores Detectam quando o líquido na garrafa alcança o seu limite superior

57 Sensores e Transdutores Óticos Aplicações - Medição de Temperatura Pirômetros de radiação implementados com sensores óticos

58 Sensores e Transdutores Óticos Aplicações - Termógrafo Imagem térmica de um corpo

59 Sensores e Transdutores Óticos Aplicações - Medição de Temperatura Pirômetro de radiação implementado com sensores óticos

60 Sensores e Transdutores Óticos Aplicações - Visão Artificial

61 Sensores e Transdutores Óticos Aplicações - Diversos

62 Sensores e Transdutores Óticos Aplicações - Termocâmeras

63 Sensores e Transdutores Óticos Aplicações - Leitura de CD

64 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos - Exemplo de Aplicação Codificador Ótico São sensores de posição Consiste de uma lâmina de plástico ou vidro que se movimenta entre uma fonte de luz (LED) e um conjunto de fotodiodos A lâmina é codificada (reticulada) com setores transparentes e opacos alternados, de modo que pulsos de luz são produzidos com o movimento da lâmina. Rotativos

65 Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos - Exemplo de Aplicação Codificador Ótico São sensores de posição Consiste de uma lâmina de plástico ou vidro que se movimenta entre uma fonte de luz (LED) e um conjunto de fotodiodos A lâmina é codificada (reticulada) com setores transparentes e opacos alternados, de modo que pulsos de luz são produzidos com o movimento da lâmina. Expostos Lineares Selados

66 Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Rotativo Características

67 Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Linear Características

68 Codificadores de Posição Relativos (Incrementais) e Absolutos

69 Sensores e Transdutores Óticos Funcionamento do Encoder Simples Um emissor e um receptor acoplados a uma roda com rasgos que permitem a luz passar

70 Sensores e Transdutores Óticos Funcionamento do Encoder Incremental Permite saber o sentido do movimento do disco em relação aos sensores

71 Sensores e Transdutores Óticos Funcionamento do Encoder Absoluto Geração de código binário correspondente a posição do disco em relação aos sensores e emissores

72 Transdutores Fotoelétricos Codificadores Óticos Estrutura Interna

73 Transdutores Fotoelétricos Codificadores Óticos Incrementais Modo de Operação Os pulsos de luz são contados para determinar a posição São usados dois fotodetectores em quadratura para determinar a direção do movimento Um pulso de índice é utilizado para determinar a posição inicial

74 Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Incremental Linear

75 Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Incremental Rotativo

76 Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Incremental Rotativo Exemplo de Discos

77 Transdutores Fotoelétricos Codificadores Óticos Incremental Rotativo Detalhes Construtivos Fonte Luminosa Lente Máscara Disco com Escala Fotosensores

78 Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Incremental Sinais de Saída Quase Senoidais Digitais Permite Interpolação Interpolação - Explora a característica quase senoidal dos sinais de saída P = N l p p + lp I arctg 360 I 2 B 2 A

79 Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Incremental Sinais de Saída Porque Quase Senoidais? Máscara Feixe de Luz Paralelo Escala impressa sobre o disco Fotosensor A A I (p) I S (p, θ) T p o Área efetiva de passagen de luz Máscara L I T(p) Imx Gd(p) I s(p) Imx 1 0 Intensidade luminosa ideal sobre a escala θr Escala Móvel Intens. luminosa no Fotodiodo p p p Escala θr Corte A-A p o S( θ ) KsAL p p Esse é o sinal ideal da fotocorrente em função do movimento da escala 2π np θ

80 Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Incremental Sinais de Saída Porque Quase Senoidais? Lente Convergente Máscara Difração Escala Fotosensor Fonte Luminosa Frente de onda Interferência Intensidade luminosa real sobre a escala I (p) T 1 0,8 0,6 Mas ocorre a difração da luz no retículo da máscara Passo 4 µm ou menor 0,4 0,2 0 p

81 Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Absoluto Modo de Operação Fornecem um código digital único para cada posição O código geralmente é no formato Gray Os codificadores óticos absolutos são mais complexos e caros que os incrementais

82 Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Absoluto Linear

83 Transdutores Fotoelétricos Codificaor Ótico Absoluto Rotativo

84 Transdutores Fotoelétricos Codificadores Óticos Absolutos Rotativos Exemplos de Discos

85 Transdutores Fotoelétricos Codificador Ótico Exemplo de Aplicação Sistema de Posicionamento de Telescópio Mecanismo de alimentação para máquina perfuratriz