Utilização de sensores e transdutores óticos

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1 Utilização de sensores e transdutores óticos Princípios de Funcionamento Tipos e Aplicações Universidade de Caxias do Sul - UCS Valner Brusamarello

2 Sensores e Transdutores Óticos Contextualização O que são sensores óticos? Importância de sensores óticos inseridos no contexto da atualidade Importância de Sensores óticos dentro da Indústria Importância de sensores óticos dentro da instrumentação

3 Sensores e Transdutores Óticos Generalidades Principal característica: Ausência de cabos metálicos entre transmissão e recepção de sinal Aplicações: contagem de peças, medição de velocidade, medição de deslocamento, sistemas de segurança, comunicação de dados entre muitos outros

4 Sensores e Transdutores Óticos Aspectos Históricos Há pelo menos 5 milhões de anos a humanidade utiliza sinais visuais para comunicação Século II AC Polibio propôs um sistema de transmissão do alfabeto grego por meio de sinais de fogo Século XVII Descobertas no campo da ótica com Snell, Huygens, entre outros Século XX Explosão tecnológica com surgimento da era moderna e utilização dos semicondutores

5 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

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

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

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

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

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

11 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)

12 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

13 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

14 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

15 Sensores e Transdutores Óticos Encoders Definição Tipos de Encoders: Encoders que utilizam um disco perfurado simples Encoders Incrementais Encoders Absolutos

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

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

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

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

20 Sensores e Transdutores Óticos Aplicações - Visão Artificial

21 Sensores e Transdutores Óticos Aplicações - Diversos

22 Sensores e Transdutores Óticos Aplicações - Termocâmeras

23 Sensores e Transdutores Óticos Aplicações - Leitura de CD

24 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 Ip Cátodo

25 Fotodiodos Princípio de Funcionamento Cátodo Fotodiodo sob polarização reversa aumenta a região de deplexão D1 Ânodo

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

27 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

28 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 c Eg λ N eh

29 Fotodiodos Modos de Operação Fotovoltaico Fotocondutivo I = I o e ev kt 1 I P

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

31 Fotodiodos - Função de Transferência Operando no Modo Fotovoltaico (fotocélula) I d I

32 Fotodiodos - Função de Transferência Operando no Modo Fotocondutivo I + - V I d = + I o V B e = evd kt R L 1 I 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. I P

33 Fotodiodos - Função de Transferência Operando no Modo Fotocondutivo

34 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

35 Fotodiodos Condicionamento

36 Fotodiodos Condicionamento

37 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

38 Sensores de Proximidade Fotoelétricos Alguns Modelos

39 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

40 Sensores de Proximidade Fotoelétricos Admitem extensão com fibra ótica

41 Sensores de Proximidade Fotoelétricos Exemplos de Aplicação

42 Sensores de Proximidade Fotoelétricos Exemplos de Aplicação

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

44 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

45 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

46 Codificador Ótico Rotativo Características

47 Codificador Ótico Linear Características

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

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

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

51 Codificadores Óticos Estrutura Interna

52 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

53 Codificador Ótico Incremental Linear

54 Codificador Ótico Incremental Rotativo

55 Codificador Ótico Incremental Rotativo Exemplo de Discos

56 Codificadores Óticos Incremental Rotativo Detalhes Construtivos Fonte Luminosa Lente Máscara Disco com Escala Fotosensores

57 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

58 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

59 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

60 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

61 Codificador Ótico Absoluto Linear

62 Codificaor Ótico Absoluto Rotativo

63 Codificadores Óticos Absolutos Rotativos Exemplos de Discos

64 Codificador Ótico Exemplo de Aplicação Sistema de Posicionamento de Telescópio Mecanismo de alimentação para máquina perfuratriz