Capítulo 1: Características de sensoriamento

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1 Capítulo 1: Características de sensoriamento Sensores e transdutores desempenham um papel fundamental em diversos ramos de atividade, destacando-se controle e automação de processos industriais, produtos eletroeletrônicos de consumo (portáteis ou não), indústria automobilística (desde itens de conforto à segurança), aplicações em medicina, aeroespaciais, entre muitas outras. De fato, estes dispositivos têm apresentado inserção crescente em praticamente toda área que envolve tecnologia de ponta. Mas qual é a diferença entre um sensor e um transdutor? São encontradas várias definições na literatura sobre transdutores e sensores, não havendo um consenso na comunidade científica sobre qual definição é a mais adequada e abrangente para descrever o significado destes dois termos. É comum o leitor se deparar, em um número razoável de publicações, com o uso da palavra sensor como sinônimo de transdutor, principalmente em aplicações envolvendo eletroeletrônica. Nesta apostila, vamos buscar as diferenças entre um e outro partindo da origem das duas palavras: - A origem da palavra transdutor vem do latim tranducere, com o significado de converter. - A origem da palavra sensor vem também do latim sensus, que significa capaz de ter sensibilidade. Tomando como base a origem das palavras, podemos definir os termos da seguinte forma: - Transdutores: São dispositivos capazes de converter um tipo de sinal relacionado a algum fenômeno físico, químico, elétrico, etc. em outro tipo de sinal. Os transdutores mais comuns aplicados em instrumentação e automação em geral são aqueles que convertem quantidades físicas (entre outras) em sinais elétricos, como tensão, corrente ou resistência. Transdutores são utilizados não apenas para detectar uma informação, mas também para dar uma resposta de natureza elétrica correspondente à variável sob teste; - Sensores: São os elementos sensitivos (que respondem a algum tipo de estímulo) e que fazem parte do transdutor. Exemplos baseados nas definições adotadas: -Transdutor de pressão: O elemento sensor é o diafragma móvel ou a membrana que sofrerá alguma deformação por pressão mecânica. -Transdutor strain gage ou extensômetro: O elemento sensor é o fio ou chapa metálica que sofrerá deflexão ou compressão devido a alguma força mecânica aplicada sobre o transdutor

2 1.1 Classificação Sensores e transdutores podem ser classificados de diversas formas, como por exemplo: - pela forma de conversão dos sinais (analógica, digital, frequência, etc); - pelo tipo de transdução (mecânica, térmica, magnética, elétrica, etc, como ilustrado na Tabela 1.1); - pelas aplicações (deslocamento, velocidade, força, etc); -pelo desempenho (exatidão, repetibilidade, linearidade, etc). Tabela 1: principais tipos de transdução Neste curso, nos interessam os sensores/transdutores cuja conversão da grandeza de entrada resulta em um sinal de saída de natureza elétrica (corrente, tensão, resistência, capacitância, etc). Um tipo de classificação importante no que tange à sensoriamento refere-se à fonte de energia. Os sensores/transdutores podem ser de dois tipos: - Ativos: são aqueles que necessitam de uma fonte de energia externa para serem alimentados e produzem um sinal elétrico como resposta ao sinal de entrada (de excitação). Exemplos: Termistores, Termoressistencias, Extensômetros, cuja conversão de energia varia sua resistência elétrica, grandeza esta não detectável sem que o elemento seja polarizado por corrente/tensão; - Passivos: correspondem àqueles que não necessitam de fonte externa para produzirem um sinal elétrico como resposta ao sinal de entrada. Exemplos: Termopares, Células Solares, Cristais Piezelétricos, cuja conversão de energia gera um sinal de tensão/corrente elétrica na saída.

3 1.2 Características específicas de sensores/transdutores Para efetuar a conversão de grandezas, sensores/transdutores são inseridos de alguma forma no meio/elemento a ser mensurado. O sensor/transdutor não pode interferir neste meio, algo que em termos práticos é apenas uma idealização do dispositivo. Desta forma, a escolha ou desenvolvimento de um sensor/transdutor parte do princípio que o mesmo deve interferir minimamente com as variáveis de processo ao monitorá-las. Para se aproximar o máximo possível do caso ideal, é necessário conhecer e entender as características do dispositivo. Podemos dividir as principais características de sensores/transdutores em duas categorias: estáticas e dinâmicas Características Estáticas São características do sensor/transdutor invariantes com o tempo ou frequência. A seguir, são explanadas as principais: - Função de transferência (T(ω)): Função matemática que estabelece a relação entre o estímulo de entrada I e a resposta (sinal de saída) O do transdutor. Tal relação fornecerá a função (matemática) da sensibilidade de um transdutor. A função de transferência ideal para os sensores/transdutores é a função linear, devido à facilidade em relacionar os sinais de entrada e saída, além de simplificar o condicionamento de sinal em um sistema de medição: O T = I - Sensibilidade (S): Razão entre a intensidade do sinal de saída ou sinal de resposta do transdutor e o sinal de excitação (sinal de entrada), ou variável sob medição. Matematicamente, a sensibilidade pode ser expressa como a derivada da função de transferência com relação ao sinal de entrada (físico) de um sensor: S = - Erro de Linearidade: Máxima variação (ou desvio) entre a função de transferência real e a função de transferência ideal do transdutor. Quanto menor o erro de linearidade (ou maior a do di linearidade ), mais o sensor/transdutor se aproxima do caso ideal: Dif Linearidad e% = 100. FE Dif máx distância máxima entre a reta e a curva real; FE s fundo de escala da resposta. máx s

4 - Conformidade (resposta não linear): Máxima variação (ou desvio) entre a função de transferência real e uma curva de referência ideal do transdutor. Quanto menor a conformidade, mais o sensor/transdutor se aproxima de uma curva ou função ideal: Dif Conformida de% =100. FE máx s Dif máx distância máxima entre uma curva/função ideal e a curva real; - Resolução: É a menor alteração que o mensurando (estímulo) pode apresentar e que é detectada pelo sensor; - Exatidão: Indica a diferença entre um valor experimental (REAL) e o IDEAL; - Precisão: Fornece o resultado de flutuação da resposta real do sensor para a mesma excitação; - Faixa de Operação: Definição dos valores mínimo e máximo da grandeza a ser caracterizada e que podem ser mensurados pelo sensor/transdutor; - Histerese: é uma grandeza que representa a incapacidade do sensor responder da mesma forma a um dado estímulo, efetuado em duas direções opostas de operação (Figura 1.1). O sinal de excitação em um transdutor pode ser aplicado variando-se seu sinal de um nível baixo para um nível elevado, ou vice-versa. Idealmente a resposta do transdutor deveria ser a mesma, independentemente da forma de excitação, o que infelizmente não ocorre na prática. Hist máx histerese máxima; Histerese % = 100. Hist FE máx s Figura 1.1: Curva de sensor com histerese - Deriva (drift): Caracteriza a mudança da resposta do transdutor com o passar do tempo, devido ao: envelhecimento,contaminação, envenenamento;

5 - Saturação: Limite a partir do qual o sensor perde sua linearidade (Figura 1.2); Figura 1.2: Curva de resposta com saturação - Erro de repetibilidade: Incapacidade do sensor reproduzir o mesmo sinal com estímulos equivalentes Características Dinâmicas São características que medem a capacidade do sensor/transdutor em responder a variações de um estímulo em função do tempo. As principais são ilustradas na Figura 1.3: Figura 1.3: Principais características dinâmicas de um sistema de medida - Tempo de resposta (delay time): velocidade com que a medida fornecida pelo sensor alcança o valor real do processo, ou seja, o tempo que o sensor/transdutor demora a reagir ou sentir a variação do estímulo de entrada;

6 - Tempo de subida (Rise time): tempo necessário para que a resposta do sensor/transdutor passe de 0 a 100% de seu valor final; - Constante de tempo: Tempo necessário para um sensor chegar a x% do seu valor final estacionário (Figura 1.4); Figura 1.4: constante de tempo - Sobre sinal (Overshoot): ocorre quando o sinal de saída excede o nível estimado; - Tempo de estabilização (Settling time): tempo decorrido da aplicação de um estímulo constante e a estabilização do sinal de saída. - Resposta em Frequência: a faixa do espectro (em freqüência) que determinado sistema pode reproduzir uma medida. Qualquer sistema eletrônico, e neste contexto incluem-se os transdutores, tem suas limitações em freqüência, ou seja, operam bem em determinadas faixas de freqüência e em outras não Relação Sinal-Ruído Ruído é todo sinal indesejado que interfere a resposta de uma medição. Pode ser caracterizado como sendo o sinal presente na saída de um instrumento sem nenhum sinal de excitação. Os tipos de ruídos mais comuns são os denominados aleatórios (de origem térmica ou quântica) e os de interferência (gerados por sinais externos ao transdutor, que podem ter ou não a mesma origem da grandeza que se deseja medir). Em termos práticos, o que mais interessa em um sistema é caracterizar qual é valor percentual do ruído em relação ao sinal que se pretende medir (conhecido como Relação Sinal-Ruído (SNR Signal to noise ratio)) e não caracterizar o valor absoluto do ruído. A caracterização do parâmetro SNR é apresentada normalmente em decibéis (db):

7 potência do sinal SNR = 10.log potência do ruído Para um sinal variável no tempo: Sinal SNR = 10.log Ruído 1.3 Sistemas de medição Um sistema de medição consiste em um conjunto de componentes cujo objetivo é medir, quantificar ou registrar valores de alguma grandeza, seja ela de origem física, elétrica, química, óptica, térmica, etc. Desta forma, para realizar qualquer observação de grandezas de origem não elétrica é necessário utilizar algum tipo de transdução da energia sob teste para a energia elétrica. RMS RMS 2 Em termos gerais, um sistema de medição pode ser subdivido em três principais blocos (Figura 1.5): o primeiro bloco (dispositivo de entrada), um bloco intermediário (dispositivo condicionador de sinais ou processador), e o terceiro bloco (dispositivo de indicação ou registro). Figura 1.5: Principais blocos de um sistema de medição. O dispositivo de entrada tem como objetivo captar a informação relativa à grandeza que se deseja medir e converte-a proporcionalmente a um sinal elétrico, que é enviado ao segundo bloco. No segundo bloco, o sinal obtido pelo sensor poderá ser amplificado, filtrado, multiplicado, comparado, linearizado, convertido para um sinal digital, ou seja, modificado adequadamente, a fim de ficar compatível com as exigências requeridas pelo dispositivo que fará o registro do sinal (terceiro bloco). O terceiro bloco tem como função registrar ou armazenar os valores da grandeza sob medição (terminal de vídeo, um osciloscópio, uma impressora ou mesmo um computador para armazenar os dados ou para controlar processos). Podemos dividir ou classificar sistemas de medição em duas categorias: analógico e digital, como descrito nas seções a seguir.

8 1.3.1 Sistema analógico de medição Um sistema analógico caracteriza-se pelo percurso contínuo do sinal elétrico, da entrada até o mostrador ou o registrador (Figura 1.6). Figura 1.6: sistema analógico de medição Mesmo que o sinal tenha um percurso contínuo, sofre alteração devido à adaptação ocorrida entre um estágio do circuito para outro. As principais adaptações que o sinal pode sofrer são: - Condicionamento do sinal de entrada: este sub-bloco pode ou não existir, dependendo basicamente do tipo de sensor que está sendo utilizado no sistema de medição. Para sua implementação devem ser consideradas a impedância de saída da fonte (sensor) e a impedância de entrada do próximo bloco. Caso tais impedâncias sejam da mesma ordem de grandeza, o sinal transmitido será conseqüentemente atenuado. Por esta razão cada caso deve ser analisado criteriosamente; - Amplificação do sinal: tem por função alterar a intensidade do sinal para valores que possam ser utilizados pelos blocos subseqüentes; - Processamento do sinal: aqui o sinal pode sofrer várias alterações, como por exemplo filtragem, linearização, avaliação do valor de pico, valor RMS. A função da filtragem, por exemplo, é diminuir o ruído que o sinal apresenta; - O mostrador é geralmente do tipo galvanômetro, no qual são gravadas as respectivas escalas utilizadas; - O armazenamento dos dados pode ser realizado de duas formas: registradores de papel onde os dados são gravados em um papel contínuo (exemplo: sismógrafo); a outra forma é gravar os dados em fitas magnéticas.

9 1.3.2 Sistema digital de medição Um sistema digital de medição difere do sistema analógico, principalmente pela forma como o sinal é tratado. O coração dos sistemas digitais corresponde aos conversores analógicos digitais (A/D), pois são estes que transformam o sinal analógico (mundo real) em sinal digital. No sistema digital, grande parte do tratamento é realizada na forma digital. O armazenamento de dados na forma digital apresenta uma versatilidade muito maior se comparada ao armazenamento analógico, principalmente para realizar pós-processamento dos dados. Os dois primeiros blocos (correspondentes ao sensor e condicionamento do sinal, Figura 1.7) são basicamente os mesmos representados no sistema analógico de medição. Porém não é necessário que o condicionamento de sinal seja tão complexo quanto o utilizado em sistemas analógicos. Nos sistemas digitais, muitas funções podem ser efetuadas posteriormente à amostragem do sinal. Os dois blocos a seguir (correspondentes à amostragem (circuito denominado Sample and Hold (S/H)) e ao conversor A/D) muitas vezes aparecem como um único bloco (denominado bloco de conversão A/D). O armazenamento é realizado em discos magnéticos rígidos e/ou flexíveis (HDs), fitas magnéticas (DAT), discos ópticos (CD-ROM, DVDs), etc. Apresentam alta flexibilidade, facilidade de transporte e grande volume de armazenamento. Outro ponto importante é que o pós-processamento digital também é facilitado com esse tipo de armazenamento dos dados. Figura 1.7: Sistema de medição digital

10 1.4 Exercícios sugeridos 1) Defina histerese, resposta em frequência, tempo de resposta e relação sinal-ruído. 2) O que é um sistema de medição? 3) Um dado sensor de temperatura linear apresenta inicialmente uma resposta de 1mV/ o C. O sensor é então acoplado a um amplificador de ganho 100, e um ruído de fundo de 10mV é evidenciado no sistema. Qual é a sensibilidade do sistema? Qual a relação sinal/ruído? 4) Considere a seguinte situação: um valor de 5 o C está somado em todas as temperaturas medidas por um determinado sensor. Que tipo de característica estática pode estar relacionada ao efeito observado? Explique. 5) Um sensor de pressão tem como saída um sinal de corrente i. Sabendo que a mesma variou di = 250mA para uma variação de pressão de 10 bar, determine a sensibilidade deste sensor. 6) Qual a principal vantagem de um sensor com resposta linear em relação a um sensor com resposta não linear? 1.5 Bibligrafia - J. FRADEN. "Handbook of modern sensor physics, designs, and applications", Springer-Verlag, J. G. WEBSTER. "The measurement, instrumentation and sensors handbook", Springer, A. BALBINOT, V. J. BRUSAMARELLO, "Instrumentacao e fundamentos de medidas", Volume 1, 2 a ed., LTC, Rio de Janeiro, A. BALBINOT, V. J. BRUSAMARELLO, "Instrumentacao e fundamentos de medidas", Volume 2, LTC, Rio de Janeiro, D. THOMAZINI, P.U.B. ALBUQUERQUE, Sensores Industriais, ed. Érica, E. GALEAZZO, M.O. PEREZ-LISBOA. Apostila da disciplina Sensores, Faculdade de Ciências da Fundação Instituto Tecnológico de Osasco, 2005