Sensores piezoeléctricos

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Aline Corte-Real Figueiroa
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1 Sensores piezoeléctricos Materiais piezoeléctricos (Titanato de Bário (BaTi), poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) ) geram potencial eléctrico quando sujeitos a vibração ou stress mecânicos (& vice versa) q (= carga) = k f onde k= const. piezoeléctrica (C/N) & f = força Tensão: V = q/c = kf / C Princípio físico: Uma alteração da malha cristalina provoca um rearranjo de carga surgindo uma ddp. Essa tensão pode ser calculada modelando o sensor como um condensador de placas paralelas com uma resistência de fuga grande, mas finita, tipicamente 100 GΩ. Sensores Piezoeléctricos x Cable e Amplifier q=kf Crystal Se f=k x vem q=kx, com K=kk C/m, sensibilidade 1 dx V0 V0 = ic dt = K( ) dt C dt R Charge generator i s = Kdx/dt Diferenciando: dv V C = dt R dx K dt i s i a = 0 + i i R C C R υ o R = R a R s /(R a + R s ) ~ R a C = C s + C c + C a 1

Essa tensão pode ser calculada modelando o sensor como um condensador de placas paralelas com uma resistência de fuga grande, mas finita, tipicamente 100 GΩ.

2 A tensão tem um ligeiro decaimento exponencial devido ao facto da resistência de fuga ser finita e haver descarga através dela. Quando se liberta a pressão a tensão cai abruptamente (de Kx/C). O decaimento e o undershoot podem ser minimizados aumentando a constante temporal RC (adicionando, por exemplo, um condensador em paralelo) Sensores de Temperatura A medição de temperatura requer essencialmente a transferência de uma certa quantidade de energia térmica do objecto para o sensor, que este converte num sinal eléctrico cujas características estão relacionadas com a temperatura do objecto. Assume particular importância o acoplamento (contacto) térmico entre o sensor e o objecto Há vários métodos (e respectiva categoria de sensores). Os principais são:» Métodos Termoeléctricos (Termopar)» Métodos Resistivos (termístor, RTD-Resistive Temperature Detectors)» Métodos de Semicondutor» Métodos Ópticos 2

essencialmente a transferência de uma certa quantidade de energia térmica do objecto para o sensor, que este converte num sinal eléctrico cujas características estão relacionadas com a temperatura do

3 Métodos de Transferência de Calor Condução - Processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa, dentro de um meio sólido, líquido ou gasoso ou entre meios diferentes em contacto físico directo. Convecção Processo de transporte de energia quando há também movimento do meio (líquido ou gasoso). Radiação Processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa, quando os mesmos estão separados no espaço, ainda que exista vácuo entre eles. Termómetros Líquido Baseados na lei de expansão de volumétrica de um líquido V t =V o.[1+β 1 ( T)+β 2 ( T) 2 +β 3 ( T) 3 ] Líquido Ponto de Solidif. Ponto de Ebulição Faixa de Uso Mercúrio -39 ºC / +350 Álcool Etílico / +70 Tolueno /

Radiação Processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa, quando os mesmos estão separados no espaço, ainda que exista vácuo entre eles.

4 Pressão de Gás Termómetros Lei dos Gases Perfeitos Observa-se que a variação de pressão é linearmente dependente da temperatura, com volume constante (Tensão de Seebeck) Qualquer dos dois efeitos pode dominar dependendo dos metais escolhidos. O que temos, na prática, são tabelas que correspondem a um ajuste polinomial T1 i Metal A T2 Metal B i 4

Seebeck) Qualquer dos dois efeitos pode dominar dependendo dos metais escolhidos.

5 Tipos de Termopares Termopar Tipo T Cu - Co + Cobre (99%), - Constantan (Cu 58%-Ni 42%) Intervalo de temperaturas 200 / 370ºC Aplicações criometria, industria de refrigeração, química, petroquímica Termopar Tipo J Fe - Co + Ferro (99,5%) - Constantan (Cu 58%-Ni 42%) Intervalo de temperaturas 40 / 760ºC Aplicações Centrais de energia, metalúrgica, química, industria em geral Há ainda os tipos B, E, K, S, R, etc 5

Termopar Tipo J Fe - Co + Ferro (99,5%) - Constantan (Cu 58%-Ni 42%) Intervalo de temperaturas 40 /

6 Termopar Termopar Correlações da f.e.m. em função da temperatura 6

7 Termopar A fem do termopar é uma função das propriedades dos metais e da diferença de temperaturas das junções. Na prática, uma das junções é mantida a uma temperatura constante (ou é feita a compensação através de circuitos auxiliares). Há três leis empíricas: 1. (circuitos homogéneos) Num circuito composto apenas por um metal não se pode manter uma corrente apenas por aquecimento. (b) Não é por haver variações de temperatura no metal A que a fem se altera. 2. (metais intermédios) A fem total num circuito constituído apenas pela interligação de vários metais é nula se estes estiverem todos à mesma temperatura. (c) As junções com o metal C estão à mesma temperatura 3. (temperaturas intermédias) Se ε1 é a fem medida com junções a temperatura T1 e T2 e se ε2 é a fem medida com junções a temperatura T2 e T3, então, com as junções a T1 e T3 teremos ε1 + ε2. 7

(circuitos homogéneos) Num circuito composto apenas por um metal não se pode manter uma corrente apenas por aquecimento. (b) Não é por haver variações de temperatura no metal A que a fem se altera. 2.

8 De outra forma: Medir fem e detrminar T pelas tabelas, medir Tf, e calcular Tq=T+Tf É comum também a expressão (A e B constantes) = Aexp R T ( B T ) 8

9 Resistance ratio, R/R 25º C Temperature, C Figure 2.13 (a) Typical thermistor zero-power resistance ratio-temperature characteristics for various materials. Termistores -Resistências sensiveis à temperatura constituidas por materiais semicondutores -NTC Negative Temperature Coefficient -PTC Positive Temperature Coefficient Gama de temperaturas: -100 / 300ºC Extremamente sensíveis Erros -/+ 0.01ºC 9

Termistores -Resistências sensiveis à temperatura constituidas por materiais semicondutores -NTC Negative

10 RTD resistance is specified at 0 ºC. A typical platinum RTD with 100Ω resistance at 0ºC would have a resistance of Ω at 1ºC and a resistance of Ω at 50ºC. Figure shows a comparison of a typical RTD temperature/resistance curve to that of a thermistor. The tolerance of RTDs is better than thermistors, typically ranging from.01% for platinum to.5% for nickel. Aside from better tolerance and overall lower resistance, the interface to an RTD is similar to that for a thermistor. Termoresistências Vantagens -Grande precisão -Não tem limite de distância de operação -Permite utilizar em qualquer ambiente com a protecção adequada -Boas caracteristicas de reprodutibilidade -Substitui o termopar com grandes vantagens em alguns casos 10

01% for platinum to.5% for nickel. Aside from better tolerance and overall lower resistance, the interface to an RTD is similar to that for a thermistor.

11 Termoresistências -Têm grande precisão - Podem ser utilizadas numa grande variedade de ambientes e sem limites de distância -São mais caras -Menos resistentes a erros de operação -Temperatura máxima de 630 ºC -É necessário que todo o corpo esteja com temperatura uniforme para medir correctamente -Tempo de resposta longo 11

resistentes a erros de operação -Temperatura máxima de 630 ºC -É necessário que

12 -2 mm -1 Spectral radient emittance, W-cm (a) λ m = 9.66 µm T = 300 K Wavelength, µm 100% % Total power Termometro de infra-vermelhos Principio de Funcionamento Gama de temperaturas: -20 / 1000 ºC 12

66 µm T = 300 K 5 10 15 20 Wavelength, µm 100% 80 60 40 20 25

13 Radiometros ou Pirometros de Radiação Junções pn como sensores de temperatura kt q transístor díodo I = I0e dv be 2.1 mv /º C dt qv kt v d = = 25mV À temperatura ambiente = Para transístor de silício kt q ln I I 0 13

14 Termómetros de Semicondutores -Caracteristicas dos materiais semicondutores são dependentes da temperatura -Gama de temperaturas: -230 / 150ºC -Alta sensibilidade -Boa linearidade -Grande precisão 14

temperatura -Gama de temperaturas: -230 / 150ºC

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