Bibliografia. Transdutores Optoelectrónicos INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO CAPÍTULO V 2008/2009

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1 INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO CAPÍTULO V Transdutores Optoelectrónicos 28/29 Bibliografia LJ Technical Systems, An Introduction to Transducers and Instrumentation Carlos Martins, Apontamentos de Instrumentação Industrial, Departamento de Radiotecnia, ENIDH Omega, Transactions, ( National Instruments, Tutorials, ( Luis Filipe Baptista MEMM 2

2 Índice do capítulo Introdução Transdutores ópticos - Absolutos - Incrementais Aplicações industriais Luis Filipe Baptista MEMM 3 Transdutores ópticos Transdutores Ópticos Célula fotovoltaica Fotocondutiva (Resistiva) Fotodiodo e fototransistor Transdutores opto-electr electrónicos Incremental Absoluto Luis Filipe Baptista MEMM 4

3 Transdutores ópticos Célula fotovoltaica Fenómeno físico: gera uma FEM quando a luz incide na sua superfície. Construção: Consiste numa junção PN, em que uma das camadas é muito fina (espessura de µm). A luz que incide sobre a célula atravessa esta camada sem perder muita energia. Funcionamento: Quando a luz chega à junção PN, é absorvida e liberta a energia, gerando uma força electromotriz (EMF ou FEM) Aplicação: Pode ser utilizada para medir a intensidade luminosa, e também para gerar electricidade. Luis Filipe Baptista MEMM 5 Transdutores ópticos Célula fotovoltaica Detalhe construtivo da célula Quando a luz atinge a junção PN (camada de depleção), esta é absorvida e a energia libertada cria pares de electrões-lacunas que se difundem através da junção. Luis Filipe Baptista MEMM 6

4 Transdutores ópticos Célula fotovoltaica Característica I-V de funcionamento da célula e símbolo genérico Lux unidade de luz incidente Luis Filipe Baptista MEMM 7 Transdutores ópticos Célula fotovoltaica Aplicações: Fonte de tensão: para aumentar a tensão de saída, devem-se ligar várias células em série. Fonte de corrente: para aumentar a corrente de saída, devem-se ligar várias células em paralelo. Fonte de energia: células solares. Transdutor de luminosidade: detector de presença ou ausência de intensidade luminosa. Luis Filipe Baptista MEMM 8

5 Transdutores ópticos Célula fotovoltaica Aplicações: central solar (Austrália) Tipo Silício Poli- cristalino Silício Mono- cristal Silício amorfo Eficiência típica (%) * Eficiência máxima (%) 24,7 9,8 2,7 Luis Filipe Baptista MEMM 9 Transdutores ópticos Fototransistor Construção: transistor NPN, que difere do transistor normal, pelo facto de a luz incidir na base do transistor através de uma lente. (c - colector, b base, e emissor). Luis Filipe Baptista MEMM

6 Transdutores ópticos Fototransistor Circuito típico: o colector é ligado à fonte de alimentação (+V) através da resistência de carga R. A ligação da base não é utilizada neste circuito, mas está disponível para obter-se a polarização devida à luz e deste modo, efectuar a comutação dos níveis de tensão. Luis Filipe Baptista MEMM Transdutores ópticos Fototransistor: Modo de funcionamento Ausência de luz incidente: haverá uma pequena corrente de fuga e a tensão de saída será ligeiramente inferior a +V, devido à queda de tensão em R. Presença de luz incidente: aumenta a corrente de fuga através da ligação base-emissor (Iceo) e é amplificada pela acção do transístor de modo a obter uma grande corrente no colector, de acordo com: V = V I R out ceo Luis Filipe Baptista MEMM 2

7 Transdutores ópticos Fototransistor Características típicas (Elemento do DIGIAC) Tipo Corrente Colector (V CE = 5 V) MEL2 No escuro ηa Luz ambiente 3,5 ma Aplicações típicas: Elemento de transdutores opto-electrónicos (posição e velocidade linear e angular), geralmente designados por encoders. Luis Filipe Baptista MEMM 3 Transdutores ópticos Célula fotocondutiva resistiva - LDR Constituição: Disco de material semicondutor (sulfito de cádmio), contendo no interior uma grelha de ouro em contacto com o material semicondutor. Luis Filipe Baptista MEMM 4

8 Transdutores ópticos Célula fotocondutiva resistiva - LDR Funcionamento: A resistência do semicondutor medida aos seus terminais diminui quando a luz incide na sua superfície. Luz incidente nula: resistência elevada Luz incidente elevada: resistência baixa Material utilizado: o sulfito de cádmio é muito utilizado, pois varia a sua resistência numa gama de comprimentos de onda próxima da do olho humano (4 7 µm). Quando a luz é retirada, os pares electrãolacuna respondem de uma forma lenta -> tempo de resposta muito elevado. Luis Filipe Baptista MEMM 5 Transdutores ópticos Célula fotocondutiva resistiva - LDR Lei de variação com a luz: R a = a L,7 a α,9 sensibilidade elevada relação diâmetro/espessura elevada Luis Filipe Baptista MEMM 6

9 Transdutores ópticos Célula fotocondutiva resistiva LDR Aplicações práticas: Fotometria Medição de níveis de líquidos Sistemas de segurança (intrusão de pessoas em espaços proibidos ou perigosos, detecção ou corte de chama em caldeiras Controlo de luminosidade em diversos espaços (aviários, estufas, etc ). Luis Filipe Baptista MEMM 7 Transdutores ópticos Fotodíodo PIN Constituição: difere do fotodíodo normal, porque possui uma camada de silício intrínseco (puro), a região I, localizada entre as camadas P e N. Vantagem: reduz a capacitância da junção, obtendo-se uma resposta mais rápida (±,5 ns.) Luis Filipe Baptista MEMM 8

10 Transdutores ópticos Fotodíodo PIN Modo de operação: pode funcionar da seguinte forma: Como célula fotovoltaica, através da medição da tensão de saída Amplificando a corrente de saída e convertendo-a numa tensão Luis Filipe Baptista MEMM 9 Transdutores ópticos Fotodíodo PIN Modo de funcionamento: montagem típica, símbolo do fotodíodo e característica I-V de um fotodíodo, para diversos valores de intensidade luminosa. Luis Filipe Baptista MEMM 2

11 Dispositivos de medição de movimento Os dispositivos optoelectrónicos têm a vantagem de permitir medir um deslocamento de uma forma digital, sem ter que se recorrer a um conversor A/D. Tipos de transdutores de posição optoelectrónicos: Absolutos; Incrementais Luis Filipe Baptista MEMM 2 Características dos transdutores Incremental: Mede o deslocamento a partir de um ponto inicial de partida. É conhecido por encoder incremental. Absoluto: Mede o deslocamento relativamente a um ponto de referência interno fixo. O deslocamento é traduzido em incrementos codificados de forma discreta. É conhecido apenas por encoder. Luis Filipe Baptista MEMM 22

12 Formas de leitura A diferenciação óptica pode ser obtida da seguinte forma: Zonas transparentes / opacas Zonas reflectoras / não reflectoras Sistema transparente/opaco: o emissor e o detector de luz são montados um de cada lado do disco ou régua. Para o caso da diferenciação ser feita através de reflexão, o emissor e detector estão situados no mesmo lado. Facilidade de montagem: no caso dos discos, é bastante usual utilizar-se o sistema transparente; no caso das réguas é usado o sistema por reflexão. Luis Filipe Baptista MEMM 23 Encoder Incremental Aspecto típico da montagem de um encoder incremental: - Disco com orifícios - Emissor: led de infra-vermelhos) - Receptor: fotodíodo ou fototransistor Luis Filipe Baptista MEMM 24

13 Encoder Incremental Dispositivo optoelectrónico emissorreceptor de leitura associado ao disco Luis Filipe Baptista MEMM 25 Encoder incremental Tipos de encoders: Saída pulsada Saída em quadratura Saída em quadratura: Utiliza dois canais A e B, para medir a posição. São usadas duas fiadas de orifícios desfasados de 9º. Esta disposição permite através da leitura dos sinais dos dois canais, medir a posição e o sentido do movimento. Luis Filipe Baptista MEMM 26

14 Encoder incremental Saída em quadratura: Disposição dos orifícios do encoder (duas fiadas) e formas de onda à saída dos canais A e B. Luis Filipe Baptista MEMM 27 Encoder incremental: formas dos sinais para ambos os sentidos de rotação Luis Filipe Baptista MEMM 28

15 Encoder incremental Construção do disco: utilizando a tecnologia laser, conseguem-se discos com fendas e diâmetros da ordem dos 4 mm. Resolução: recorrendo à multiplicação de sinais através de circuitos electrónicos de condicionamento de sinal, é possível aumentar a resolução para /4 ou mesmo /6 de volta (rotação), no caso dos codificadores com 3 canais. Luis Filipe Baptista MEMM 29 Encoder incremental (rotativo) Aspecto do dispositivo de leitura e disco com duas fiadas de orifícios desfasados. Luis Filipe Baptista MEMM 3

16 Encoder incremental (rotativo) Construção de um encoder (simplificado) Aspecto típico de um encoder rotativo industrial (OMRON). Luis Filipe Baptista MEMM 3 Encoder absoluto Para obter grandes resoluções, os discos ou réguas utilizados são normalmente de vidro. O processo de tratamento dos discos para obter as zonas transparentes ou de reflexão, difere em cada um dos casos. Sistemas de reflexão: é utilizado um processo químico de ataque ao vidro de forma a criar as zonas de reflexão e de não reflexão. Sistemas por transparência: é utilizado um sistema de emulsão fotográfica ou de deposição metálica. Luis Filipe Baptista MEMM 32

17 Encoder absoluto (mov. angular) Montagem óptica de reflexão: Neste caso, o emissor e receptor estão montados no mesmo suporte, sendo o feixe luminoso reflectido (ou não) através de um disco. Luis Filipe Baptista MEMM 33 Encoder absoluto (mov. angular) Aspecto das formas de onda à saída de um encoder absoluto (A) e incremental (B). A Luis Filipe Baptista MEMM 34 B

18 Encoder absoluto (mov. angular) Exemplo de um disco com código binário reflectido ou de Gray com 3 bits. Luis Filipe Baptista MEMM 35 Encoder absoluto (mov. angular) Posição C B A Código binário reflectido ou de Gray com 3 bits (C, B, A) > só muda um bit de cada vez Luis Filipe Baptista MEMM 36

19 Encoder absoluto (mov. angular) O disco tem representado um código binário (Gray) com 8 bits. Tem associado ao disco 8 emissores e receptores ópticos. Luis Filipe Baptista MEMM 37 Encoder absoluto (mov. angular) Aspecto do dispositivo opto-electrónico de leitura e disco de 8 bits Luis Filipe Baptista MEMM 38

20 Encoder absoluto (mov. angular) Formas de onda de um encoder (8 bits) Luis Filipe Baptista MEMM 39 Encoder absoluto (mov. linear) Permite medir posição ou velocidade linear Mais sensível de montar e alinhar Mais sujeito a poeiras e sujidades Luis Filipe Baptista MEMM 4

21 Encoder absoluto (mov. linear) Exemplo de uma régua com código binário reflectido ou de Gray (4 bits). Luis Filipe Baptista MEMM 4 Encoder absoluto (mov. linear) Princípio de funcionamento Emissor: led Receptor: célula fotovoltaica Luis Filipe Baptista MEMM 42

22 Aspecto típico de encoders lineares Caixa estanque (Selado) Caixa aberta (Exposto) Luis Filipe Baptista MEMM 43 Aplicações típicas de encoders (I): Medição da posição angular de servos ou de velocidade em motores (A - eléctricos ; B - Diesel). A B Luis Filipe Baptista MEMM 44

23 Aplicações típicas de transdutores optoelectrónicos Leitura/gravação de dados (A) Leitura de códigos de barras (B) Leitura e posicionamento de peças (C) Luis Filipe Baptista MEMM 45