A medição de deslocamentos lineares e angulares é de fundamental importância no campo da engenharia moderna. Cita-se como exemplos de aplicação:

Capítulo 5 MEDIDORES DE DESLOCAMENTO 5.1 INTRODUÇÃO 5.1.1 Importância A medição de deslocamentos lineares e angulares é de fundamental importância no campo da engenharia moderna. Cita-se como exemplos de aplicação: - Movimentos em máquinas ferramentas, máquinas de medir, robôs industriais, etc.; - Conversão mecânica/elétrica em transdutores para grandezas como: força, pressão, torque, aceleração, etc.; - Controle dimensional através da medição diferencial (pequenos deslocamentos) como mais importante técnica de controle de qualidade automatizado; Neste capítulo serão focalizados os medidores de aplicação mais corrente, e que operam segundo princípios de transdução: - Mecânico; - Pneumático; - Elétrico analógico; - Elétrico digital. 5.1.2 Medição Diferencial A produção em massa e de elevada qualidade na indústria mecânica exige medição rápida, confiável e, se possível, com a mínima influência do operador. Estes requisitos são preenchidos pela medição diferencial. Os medidores de deslocamento, nesta aplicação, transformam um pequeno deslocamento captado por um sensor de medição em um deslocamento amplificado de um ponteiro, que possa ser lido num mostrador digital. O mensurando é portanto um deslocamento linear, em geral, bastante pequeno. Se o sistema de amplificação é de boa qualidade, pode-se obter facilmente indicações da ordem de até décimos de micrometros (os medidores elétricos de deslocamento podem oferecer resolução de até centésimos de micrometros). A indicação representará sempre a diferença entre a dimensão da peça e a de um padrão para o qual o sistema é ajustado. A comparação se faz da seguinte maneira: - Fixa-se o medidor de deslocamento em um dispositivo apropriado ( figura 5.1a ); 1

- Coloca-se o padrão sob o sensor do medidor de deslocamento ( figura 5.1b ) e "zera-se" a indicação, por exemplo, através do giro do mostrador até a coincidência do ponteiro com o zero da escala ( figura 5.1c ), ou através do ajuste da altura da fixação do apalpador utilizando dispositivo apropriado; - Retira-se o padrão, coloca-se a peça e procede-se a leitura da diferença ( figura 5.1d ). Figura 5.1: Medição diferencial. Figura 5.2: Aplicações dos comparadores. Especiais vantagens do método de medição são o seu pequeno erro e sua força de medição quase constante. Como visto na descrição do paquímetro, pode-se cometer erros consideráveis, devidos, por exemplo, a uma força de contato excessiva sobre a peça. A medição diferencial permite eliminar alguns destes erros, pois o operador não 2

interfere na operação de medição, a não ser na ajustagem final do instrumento e na colocação da peça a ser medida. Modernamente a medição diferencial adquire crescente importância em função de adequar-se amplamente à automatização com emprego de medidores elétricos de deslocamento. A medição diferencial tem também larga aplicação no trabalho de ajuste de máquinas, como exemplificado a figura 5.2. 5.2 MEDIDORES MECÂNICOS 5.2.1 Sistema de Mola Torcional Talvez o mais simples, mas o mais engenhoso dos medidores de deslocamento é o instrumento projetado por Abramson. Na figura 5.3 é mostrado esquematicamente este instrumento. É um sistema de alavanca associada a uma mola torcional tipo fita. Uma fita muito fina (1) tem fixo no seu centro (0), um ponteiro muito leve (2). A fita é torcida em forma de hélice em todo o seu comprimento. Uma extremidade da fita é fixada em uma alavanca AOB angular tipo mola, um braço da qual é ligado diretamente à haste do apalpador (4). Quando a haste do apalpador se desloca, a alavanca angular gira em torno de 0 e provoca um aumento de comprimento na fita. Isto provocará um giro na fita e o ponteiro girará de um ângulo proporcional ao alongamento da fita. Pode ser mostrado que o fator de amplificação da fita é dado por: d 0 9 1 1 =,. 2 d1 W. n onde: 1 - comprimento da fita medido ao longo do seu eixo; W - largura da fita; n - número de voltas da fita; 0 - giro no ponto médio da fita em relação às extremidades. Para que o instrumento apresente elevada sensibilidade, as dimensões da seção transversal da fita devem ser bem reduzidas. Estas dimensões são da ordem de 6 x 2,5 µ m e as tensões devidas à tração na fita, são normalmente aliviadas por pequenas perfurações executadas ao longo do seu comprimento. Estes comparadores podem atingir uma ampliação de 5.000 vezes. A função da barra ajustável (3) é possibilitar o ajuste da amplificação. Isto é uma grande vantagem do ponto de vista construtivo do instrumento, já que permite um último ajuste em fábrica, ou na operação de manutenção. As forças de medição, em geral, são de 2 a 3 N, podendo em alguns casos serem reduzidas até 0,5 N. 3

Figura 5.3: Comparador com alavanca e mola tipo fita. 5.2.2 Relógios comparadores São medidores de deslocamentos constituídos de um apalpador (que toca na peça), de um mecanismo de amplificação baseado num sistema cremalheira/trem de engrenagens e um mostrador circular onde desloca-se um ou dois ponteiros, à semelhança de relógios. Na figura 5.4 tem-se o mecanismo de um relógio comparador. Além dos elementos básicos, estes medidores em geral possuem ainda: - Mostrador giratório; - Indicação de voltas completas do ponteiro; - Eliminação de folgas nas engrenagens; - Dispositivo "anti-choque"; - Compensação da força de medição. Com respeito ao relógio comparador, faz-se ainda destaque aos seguintes aspectos: a) O mostrador giratório ( EP ) permite que o " zero " da escala principal, quando do ajuste inicial do relógio comparador, seja levado a coincidir com o ponteiro, qualquer que seja a posição do mesmo; desta maneira, a indicação inicial é zero, facilitando em muito a operação de medição. 4

b) Além da escala principal ( EP ), os relógios comparadores costumam ser equipados com uma escala auxiliar ( EA ), sobre a qual um ponteiro pequeno ( PP ) indica as voltas completas do ponteiro principal ( P ), facilitando assim a leitura. c) Para a eliminação de folgas do engrenamento, introduz-se uma protensão por intermédio da mola espiral ( ME ). Pela ação desta mola que atua sobre a engrenagem auxiliar ( EAX ), consegue-se que em todo o trem de engrenagens o contato ocorra sempre no mesmo flanco dos dentes, qualquer que seja a direção do movimento da haste ( H ). Assim elimina-se, em grande parte, o curso morto na inversão do movimento do ponteiro ( histerese ). d) A proteção do mecanismo contra o choque funciona da seguinte maneira: a cremalheira (CR) não é usinada diretamente sobre a haste (H), mas sim sobre uma bucha (BU) que, envolvendo a haste (H), pode deslizar sobre a mesma. Na situação normal, bucha (BU) está pressionada pela força de protensão das engrenagens contra o batente (BA) (pino transversal na haste H). Ocorrendo um impacto no apalpador, a haste (H) se desloca livremente para cima e o batente (BA) se desprende do contato com a bucha (BU), que permanece inicialmente sem movimentar-se; em seguida, sob a atuação da força de protensão, a bucha (BU) começa a se deslocar lentamente para cima até que o contato com o batente (BA) seja reestabelecido. e) Compensação da força de medição: A mola de retorno (M) não atua diretamente sobre a haste mas sim, por intermédio de uma alavanca (AL) (encostada convenientemente, por exemplo, sobre o batente BA). Deste modo, graças à forma da alavanca (AL) rotulada (em RO) o aumento da força da mola (M), devido ao alongamento crescente da mesma quando a haste (H) sobe, é compensado pelo decréscimo do braço B para b (sendo b < B) sobre o qual a força da mola atua. Figura 5.4: Mecanismo de um relógio comparador. 5

Figura 5.5: Relógio comparador digital eletrônico. 5.3 MEDIDORES PNEUMÁTICOS Os medidores pneumáticos de deslocamento prestam-se com particulares vantagens para aplicações especiais em meios sob radiação nuclear ou campos magnéticos, no controle de qualidade dimensional e outras. Na figura 5.6 apresenta-se o princípio de funcionamento e um exemplo da realização prática do mesmo. O método de medição pneumático consiste essencialmente em transformar um deslocamento em variações de pressão de ar. O princípio é baseado no comportamento do fluxo de ar em uma câmara com dois orifícios ( figura 5.6 ). Figura 5.6: Princípio de funcionamento do medidor de deslocamento pneumático. O ar chega a uma pressão constante H. Passa através do orifício de controle G e chega a câmara A. O tamanho do orifício G é constante, mas o tamanho efetivo do orifício S pode ser variado através de um deslocamento d. Se d varia, varia também a 6

pressão h, o que nos fornece uma avaliação de d. Por dimensionamento dos diâmetros de G e S e do rígido controle da pressão H, a pressão h poderá variar linearmente com o tamanho efetivo do orifício S. Para valores h/h entre aproximadamente 0,6 e 0,8 a relação entre a pressão h e a área do orifício S é linear. Estes valores são usados no dimensionamento de todo o sistema. A lei linear entre a área do orifício S e a pressão h é expressa na seguinte forma: h = a. H b. H A1. A 2 onde: h -pressão na câmara A; H -pressão de entrada; A1 -área do orifício G; A2 -área efetiva do orifício S; a e b -são constantes Como nos outros medidores, a sensibilidade é a relação entre a variação do sinal de saída em relação a variação do mensurando. No caso, o sinal de saída é dh e a variação do mensurando corresponde à variação de A2. Logo a sensibilidade é: dh / da2 = - bh / A1 Então a amplificação pneumática é proporcional a pressão de entrada e inversamente proporcional a área (ou inversamente proporcional ao quadrado do diâmetro) do orifício de controle (G). É claro que um requisito necessário para este tipo de sistema de medição é a pressão de entrada H ser rigorosamente constante. Para isto, deve-se ter um regulador de pressão que controle a pressão de alimentação. A figura 5.7 mostra um esquema do instrumento produzido pela Solex. O ar comprimido provém de um compressor e passa inicialmente por um filtro. A seguir passa por uma válvula de fluxo e onde a pressão é reduzida e mantida constante através de um tubo mergulhado em uma câmara de água, sendo a pressão do tubo equivalente a altura da coluna d'água. O excesso de ar escapa para a atmosfera em uma forma de borbulhos. O ar já com pressão reduzida para o valor H, passa através do orifício de controle (3) e sai pelo orifício de medição (5). A resposta de pressão no circuito (h) é indicada pela altura da coluna d'água no tubo manométrico. O tubo é graduado para indicar as variações de pressão resultantes da variação do deslocamento d. Amplificações de 50.000 vezes são possíveis neste sistema. A pressão H é normalmente 500 mm H 2 O. Na prática, a variação da área efetiva de (5) pode ser feita de três formas (figura 5.7 ): 7

- Por aproximação direta: a pressão varia conforme a posição do orifício de saída em relação à peça a ser medida. É o caso dos bocais para a medição de diâmetros internos. - Por aproximação indireta: o furo de saída é substituído por um obturador em forma de válvula e a saída de ar se efetua através do espaço entre o obturador e seu encosto. Neste caso, o obturador é acionado mecanicamente através de um apalpador e existe contato entre a peça e instrumento de medida. - Por estrangulamento: a seção de saída é a própria peça a medir como por exemplo o gigleur de um carburador. Figura 5.7: Medição de deslocamento pelo princípio pneumático. Figura 5.8: Forma construtiva dos tampões. Uma das aplicações mais importantes dos medidores pneumáticos é sem dúvida a medição diferencial de diâmetros internos de peças. Através de técnicas especiais de construção dos sensores, denominados tampões ( figura 5.8 ), consegue-se um instrumento bastante simples de operar, de elevada confiabilidade e pequena incerteza de medição. 8

Uma outra forma construtiva é mostrada na figura 5.9. Neste sistema opera-se de modo diferencial, isto é, o sinal proporcional é gerado em função da diferença de pressão entre a câmara padrão (canal de referência) e a câmara do medidor (canal de medição). A medição de pressão é feita com manômetros diferencial que pode operar mecanicamente ( figura 5.9 ) ou eletricamente com as consequentes vantagens. Figura 5.9: Medidor pneumático (segundo Federal). 5.4 ELÉTRICOS ANALÓGICOS Os medidores elétricos de deslocamento estão sendo cada vez mais utilizados em substituição aos sistemas mecânicos e pneumáticos, principalmente pela sua simplicidade de construção e facilidade de automatização. Os transdutores eletro analógicos, segundo seu princípio de funcionamento se dividem em: - Resistivos; - Indutivos; - Capacitivos; - Fotoelétricos. A crescente evolução na área eletrônica permite que sejam construídos sistemas de medição com erros mínimos e alta imunidade a fatores ambientais. 5.4.1 Resistivos Os transdutores à base da variação da resistência, por alteração dimensional do resistor efetivo, também conhecido por potenciômetros ( figura 5.10 ), encontram 9

frequente aplicação em função do seu baixo custo, sendo apropriados para deslocamentos lineares e angulares. Apresentam como desvantagem a alteração de suas características com o uso acentuado em função do desgaste. Não apresentam interesse no campo de controle geométrico. 5.4.2 Indutivo Figura 5.10: Transdutores resistivos de deslocamento. Os medidores eletroindutivos de deslocamentos são os mais usados atualmente dentre os medidores analógicos. Suas principais vantagens são: - construção compacta; - elevada resposta dinâmica; - alta sensibilidade; - boa linearidade; - pouco desgaste; - boa imunidade às influências de fatores ambientais. Basicamente distingue-se dois métodos de variação da indutância de um transdutor: - variação da indutância própria; - variação da indutância mútua entre dois indutores. Na sequência são analisados alguns aspectos construtivos e operacionais dos medidores do tipo indutivo: a) Indutância própria (auto-indutância) 10

Ao tomar-se uma bobina de resistência elétrica desprezível e injetarmos nela uma corrente elétrica variável no tempo, será criada uma diferença de potencial sobre esta bobina (figura 5.11a), dada por: v L d. =. i d. t A constante de proporcionalidade L entre a tensão e o oposto da derivada da corrente em relação ao tempo é chamada indutância (unidade no SI=Henry). O elemento físico que apresenta uma indutância predominante é chamado indutor ( figura 5.11d). b) Indutância mútua Figura 5.11: Indutância própria e indutância mútua. Uma característica importante dos indutores é a indutância mútua. A indutância mútua é a propriedade de um indutor percorrido por uma corrente elétrica com amplitude variável, induzir uma tensão elétrica em um outro indutor próximo (figura 5.11b). Um transformador de tensão é um conjunto formado por dois indutores acoplados magneticamente de forma eficaz, ou seja, através de um núcleo de alta permeabilidade magnética (figura 5.11c). c) Características de um indutor A forma fisica característica de um indutor é uma bobina enrolada sobre um núcleo de alta permeabilidade magnética. 11

A indutância de um indutor ideal pode ser dada em função das características geométricas da bobina, da permeabilidade magnética do meio, e do número total de espiras ( figura 5.11d), ou seja: L = n 2. 1. A. µ onde: n - número de espiras da bobina por unidade de comprimento; 1 - comprimento da bobina; A - área da seção transversal da bobina; µ - permeabilidade magnética do meio. Cosiderando que N = n.l, onde N é o número total de espiras tem-se: L = N 2 A.. µ 1 A princípio qualquer um dos parâmetros da equação acima pode ser usado para variar a indutância do indutor. O parâmetro mais usado, pela facilidade de construção do transdutor e dos ótimos resultados metrológicos e operacionais alcançados é a permeabilidade magnética "µ". d) Transdutor Diferencial pela Auto-indutância Na figura 5.12a pode-se ver um transdutor indutivo de variação da indutância própria constituído de um só indutor. Este tipo de transdutor possui uma característica altamente não linear. Como forma de compensar esta característica, usa-se o artifício da ligação diferencial ( figura 5.12b), conseguindo-se uma resposta de maior sensibilidade e linearidade. Na figura 5.12b está mostrada a configuração normalmente encontrada em medidores de deslocamento indutivo com contato, pela variação da indutância própria de forma diferencial, ou seja, variação da indutância de dois indutores, uma aumentando e outra diminuindo de valor, simultaneamente. Pela variação da indutância de um indutor conforme visto na figura 5.12, foram desenvolvidos diferentes tipos de transdutores de deslocamento indutivos. O transdutor mais difundido é o deslocamento linear com cursor (contato). Na figura 5.13, tem-se a forma construtiva de um tipo comercial. A faixa de medição é função das dimensões dos componentes, atingindo a faixa de até ± 0,5 m. Suas principais vantagens são robustez, erros mínimos, estabilidade e resolução, que pode, dependendo da unidade de tratamento do sinal, ser até da ordem de 0,01 µ m. As principais características metrológicas e operacionais deste tipo de transdutor podem ser vistas no quadro da figura 5.14. 12

Figura 5.12: Transdutor indutivo. Figura 5.13: Transdutor indutivo com contato. e) Transdutor Diferencial de Indutância Mútua Este tipo de transdutor baseia-se no princípio de variação da indutância mútua entre dois indutores. O tipo mais comum está mostrado na figura 5.15. É formado por três indutores, sendo que um (primário) é excitado com uma tensão de amplitude e 13

frequência fixas e os outros dois ligados de forma diferencial (secundário). A tensão nestes dois enrolamentos é proporcional ao fator de acoplamento entre o enrolamento primário e secundário o qual varia de acordo com a posição do núcleo. Característica Valor Típico Observações Classe de 0,5% do V.F.E. Para a faixa de operação nominal. Precisão Linearidade 0,05% a 5% Dependendo da faixa de operação. Incerteza de + 0,01 µm ± 2S (S= desvio padrão para Medição n medidas) para uma faixa de ± 2 mm. Histerese 0,003% mm Dados de calibração feita em um transdutor. Resolução 0,01 µm Dada aproximadamente pela tensão residual do circuito ponte. Sensibilidade 100 mv / mm Por unidade volt de excitação do transdutor. Figura 5.14: Características metrológicas e operacionais (valores limite típicos do transdutor de deslocamento de indutância própria). Figura 5.15: Transdutores indutivos ; Transformador diferencial. f) Transdutor Indutivo sem Contato Os transdutores indutivos sem contato permitem a medição de deslocamentos com a vantagem de não provocarem retroação sobre o processo devido a inexistência de força de medição. Existe no entanto a desvantagem de necessitar uma calibração para cada montagem específica, já que o comportamento depende do posicionamento espacial dos elementos envolvidos, bem como das características geométricas e do material da peça da qual se está medindo o deslocamento ( figura 5.16). 14

Figura 5.16: Transdutores indutivos sem contato. Os transdutores de deslocamento indutivos sem contato são utilizados aos pares, podendo-se proceder a montagem com dois elementos ativos (1/2 ponte), na forma diferencial, ou com um elemento ativo e um de compensação (1/4 de ponte). g) Diagrama de Blocos do Sistema de Medição Eletro Indutivo Na figura 5.17 pode-se ver o diagrama de blocos básico de um sistema de medição de deslocamento utilizado com um transdutor indutivo do tipo com contato e variação da indutância própria. Nesta figura pode-se ver inclusive os sinais obtidos nas diversas etapas do sistema desde a grandeza a medir (GM) até a indicação do sinal medido. h) Transdutor Indutivo sem Contato, por Correntes Parasitas Estes transdutores aproveitam o efeito de correntes parasitas (correntes de Foucauld) que surgem em um material condutor de eletricidade quando este é submetido a um campo magnético. O sensor é constituído de uma bobina ativa, que gera tal campo, e outra que permite compensar variações de temperatura ( figura 5.18). Uma parte do campo magnético de alta frequência (1 MHz) é dissipado no interior da peça, e esta perda depende, entre outros fatores, da distância entre ela e a bobina. Um circuito em ponte detecta esta perda, fornecendo um sinal elétrico que deve ser adequadamente tratado. Os principais fatores que influenciam a sensibilidade são: - Condutividade elétrica do material: obtém-se maior sensibilidade quanto maior a condutividade, podendo-se ter materiais de baixa condutividade magnética (p. ex.: alumínio); - Distância entre a bobina e a peça: consequência da não linearidade do princípio físico de transdução; 15

- Geometria da peça - a superfície sobre a qual incidem as linhas de campo magnético, existindo restrições quanto à mínima espessura da peça (1 mm). Estes sistemas devem ser calibrados para as específicas condições de utilização. No sentido de compensar a não linearidade, estes sistemas contam com circuitos analógicos de compensação, ou até mesmo, microprocessadores que permitem uma calibração e ajustagem para cada aplicação. Figura 5.17: Medidor indutivo de deslocamento ; Módulos do sistema de medição. 5.4.3 Capacitativo Conforme mostrado na figura 5.19, a capacitância de um capacitador pode ser alterada em função da variação do afastamento das placas, da área superposta de placas e do dielétrico. Todos os três recursos podem ser utilizados para a medição de deslocamentos, conforme esquematizado na figura 5.19. A montagem diferencial de dois capacitadores é utilizada para obter-se linearidade e alta sensibilidade na medição de pequenos deslocamentos ( figura 5.19). Uma das vantagens do sistema capacitativo é permitir medições de deslocamentos em meios sujeitos a grandes variações de temperatura. 16

Figura 5.18: Medidor indutivo de deslocamento ; Tipo sem contato, por correntes parasitas. Figura 5.19: Transdutores capacitivos ; Métodos de variação da capacitância. 17

5.4.4 Fotoelétrico Os medidores fotoelétricos analógicos são formados por um substrato semicondutor e um circuito elétrico complementar ( figura 5.20 ). Eles fornecem um sinal de tensão "V", proporcional à posição do feixe luminoso ( d) incidente no substrato. Possuem boa linearidade, boa sensibilidade e velocidade de operação entre 0 e 10 khz. Sua principal desvantagem é a de não poderem trabalhar em meios expostos à poeira, óleo e outras impurezas. Figura 5.20: Transdutor analógico fotoelétrico. 5.5 MEDIDORES ELÉTRICOS DIGITAIS Os principais medidores elétricos digitais utilizam transdutores de deslocamento que operam com escalas eletro-ópticas. As escalas eletro-ópticas baseiam-se na codificação de uma barra ou disco por marcações que interferem na transmissão de luz de uma fonte até um fotodetector. A figura 5.21 mostra os dois princípios distintos de medição com as escalas eletro-ópticas: o incremental e o absoluto. Figura 5.21: Escalas eletroópticas incrementais. 18

5.5.1 Medidores com Escalas Eletroópticas Incrementais As escalas incrementais devido ao seu custo inferior e características metrológicas superiores, têm uso predominante em aplicações práticas. Opticamente elas podem ser de dois tipos: - Reflexiva: um feixe luminoso incide sobre uma escala polida com gravações de traços opacos, refletindo sobre ela em direção a um fotodetector. Com o movimento da escala, este fotodetector libera um sinal elétrico proporcional à intensidade luminosa incidente; - Transparente: enquanto se desloca, uma escala de vidro gravada com traços escuros interrompe de modo alternado um feixe luminoso entre a fonte e um fotodetector (figura 5.21). Em ambos os casos, o fotodetector fornece um sinal senoidal cujo período corresponde ao espaçamento entre os traços da escala e que, após um tratamento, é injetado em um contador. Com o número de pulsos contados e o espaçamento entre franjas, é possivel calcular o deslocamento relativo da escala. Figura 5.22: Medição opto-eletrônica de posição linear. Uma maior resolução é obtida com um segundo conjunto de fotodetectores, cuja posição em relação ao primeiro resulta na emissão de um sinal eletricamente defasado em 90 (figura 5.22). Por uma combinação lógica dos níveis dos dois sinais, é possivel interpolar deslocamentos menores do que o espaçamento entre franjas e identificar o sentido do movimento. Traços adicionais, separados da escala principal, podem ser previstos para definir uma posição de referência localizável quando se deseja inicializar os contadores com um valor pré-estabelecido. 19

Algumas escalas têm gravados códigos correspondentes à posição absoluta da escala, permitindo rapidamente recuperar a indicação no mostrador, após, por exemplo, ter sido desligado o contador. De maneira análoga às escalas lineares, configura-se escalas angulares com discos ópticos e fotodetectores orientados radialmente. Como principais vantagens destas escalas, apresentam-se a sua estabilidade com o tempo e frente a variaçoes de temperatura, bem como a grande faixa de operação que se pode obter pela justaposição de segmentos de escala. A principal fonte de erros reside no espaçamento entre os traços e, com menor significado, erros de interpolação entre duas franjas adjacentes. Os sistemas de medição comerciais, baseados em escalas eletro-ópticas, têm sido colocados à disposição com incremento digital de até 0,1 µm. A associação de princípios interferométricos na detecção de franjas, estas agora gravadas em uma camada de ouro depositada sobre uma fita de aço, permite alcançar uma incremento digital de 0,02 µm. 5.5.2 Medidores com Escalas Eletroópticas Absolutas Nas escalas absolutas existe uma codificação de posição gravada na sua superfície, baseada em regiões que transmitem ou não o feixe luminoso de uma fonte até um fotodetector ( figura 5.23 ). Um conjunto de fotodetectores capta, a cada posição da escala, os sinais de passagem ou não do feixe nas diversas regiões codificadas determinando-se a posição da escala pela combinação lógica destes sinais. A principal desvantagem deste tipo de escala é a menor resolução que se pode alcançar, muito embora já sejam disponíveis com sistemas com incremento digital de 1 µm. Figura 5.23: Codificação absoluta de posição. 20

5.5.3 O Laser Interferométrico O laser interferométrico é um instrumento de grande versatilidade e qualidade para a medição de deslocamentos lineares que vão de décimos de µm a dezenas de metros. A seguir é descrito o seu princípio de funcionamento. Um laser a gás He-Ne, tipo Zeemann, é o elemento central do Laser Interferométrico modular. Ele pode alimentar simultaneamente até 6 módulos de medição nos quais se mede, independentemente, uma grandeza por módulo. Baseado na figura 5.24, pode-se expor resumidamente o princípio de funcionamento. O laser emite um raio com duas frequências f1 e f2 bastante próximas e estáveis. Pela deflexão de parte do raio sobre um fotodetetor, é gerado por interferência, um sinal elétrico com uma frequência (f1 - f2). O restante da energia do raio é colocado à disposição dos módulos. Na figura 5.24 está esquematizado um módulo genérico. Figura 5.24: Componentes básicos do laser interferométrico modular. O raio proveniente do laser é, num interferômetro, dividido em suas componentes f1 e f2. Estes raios são, por sua vez, reencaminhados ao interferômetro pelos retro-refletores, de onde seguem, conjuntamente, até o fotodetetor localizado no captador. Ali, gera-se por interferência no estado estático dos componentes ópticos, um sinal de frequência (f1 - f2). Este sinal e o sinal de referência gerado no cabeçote, são encaminhados a contadores eletrônicos dos quais é, ciclicamente, realizada a diferença, e esta transferida a um acumulador. Havendo um movimento dos retrorefletores, ocorre uma alteração na frequência (± f1 e ou ± f2) em função do efeito Doppler. O sinal gerado terá, então, durante o deslocamento, uma frequência (f1 ± f1) - (f2 ± f2), sendo em função disto registrada uma diferença nos contadores. O valor acumulado corresponde à diferença do caminho óptico de f1 e f2. No interferômetro linear (figura 5.25), um dos retrorefletores é fixo com relação ao interferômetro ( f2 = 0). Havendo um deslocamento dx do outro retrorefletor, a diferença do caminho óptico entre f1 e f2 será proporcional ao deslocamento dx, que 21

pode ser medido com uma resolução da ordem de 0,16 µm ao longo de 60 m com uma incerteza de ± 1 µm/m sob condições ideais. O valor de f1 não é alterado por pequenos deslocamentos transversais e inclinações do retrorefletor. Alguns sistemas mais modernos alcançam uma resolução de 0,01 µm. Na figura 5.25 está esquematizado o interferômetro linear de espelho plano. Aqui também um dos raios não altera o caminho óptico em relação ao interferômetro (f2), ficando o sinal resultante dependente da variação sofrida pelo outro (f1). Com o duplo percurso do raio entre interferômetro e refletor (espelho plano) a diferença do caminho óptico com um deslocamento dx será dupla em relação ao interferômetro linear, duplicando consequentemente a sensibilidade. O refletor, sendo um espelho plano, poderá ser deslocado, transversalmente, sem influenciar o valor medido. Figura 5.25: Interferômetros para medição de deslocamentos lineares. Figura 5.26: Interferômetro angular. 22

Na figura 5.26 mostra-se a viabilidade da medição de pequenos deslocamentos angulares, fazendo-se um arranjo especial de componentes ópticos. 5.6 NORMAS RELATIVAS AOS MEDIDORES DE DESLOCAMENTO NBR 6388 "Relógios Comparadores com leitura de 0,01 mm". NBR 10125 "Relógios Comparadores com leitura de 0,001 mm". DIN 878 "Messuhren" DIN 879, Teil 1 "Fõnzeiger mit mechanischer Anzeige" JIS B7536 "Eletrical Comparators" ISO/R463 "Metric dial gauges for linear measurement" ASME/ANSI B89.1.10M "Dial Indicators ( For Linear Measurements )" JIS B 7503 "Dial Gauges Reading in 0,01 mm" 23