Post on 21-Dec-2018
SENSORES E ACTUADORES
J.R.Azinheira
Nov 2008
Bibliografia: Sensores e Actuadores, J.R. Azinheira, 2002, IST-DEM
(disponível na página da UC em 'Material de Apoio' -> 'Bibliografia Complementar')
Out 2007 Sensores e Actuadores
2
ÍNDICE
• Cadeia de Medida
• Sensores do movimento
– posição linear e angular, proximidade, velocidade e
aceleração
• Grandezas mecânicas
– forças, binários, pressão, nível
• Escoamentos e caudais
• Temperatura
• Cadeia de actuação e actuadores
Out 2007 Sensores e Actuadores
3
Sensores a Actuadores
Monitorização e Controlo
• Cadeia de medida: informações sobre o processo
• Cadeia de actuação: ordens de controlo
cadeia de medida
Processocomputador
v isualização
registo
operador
actuador
independente
sensor
independente
Sistema
fig. um processo automatizado
cadeia de actuação
Out 2007 Sensores e Actuadores
4
Cadeia de Medida e Actuação Seguindo o Sinal
• Cadeia de medida: sensor + CS + aquisição
• Cadeia de actuação: energia + CS + actuação
sinal
pretendido
sinal
a medir
sinal
medido
sinal
condicionadosinal
amostrado
sinal
digital
sensor
CS
amostragem
A/D
CS D/A
actuador com
puta
dor
meio físico
(processo)
fig. cadeias de medida e de actuação
sinal de
controlo
Out 2007 Sensores e Actuadores
5
ÍNDICE
• Cadeia de Medida
• Sensores do movimento
– posição linear e angular, proximidade, velocidade e
aceleração
• Grandezas mecânicas
– forças, binários, pressão, nível
• Escoamentos e caudais
• Temperatura
• Cadeia de actuação e actuadores
Out 2007 Sensores e Actuadores
6
Cadeia de Medida
índice
• Intrumentação
– definições
– erros
• Condicionamento de Sinal analógico
– Amplificador Operacional
– Circuitos de base
– Filtros
• Aquisição e sinal digital
• Exemplo
Out 2007 Sensores e Actuadores
7
Instrumentação
Definições
– medir : atribuir a uma grandeza física um valor numérico xm usando
uma escala adequada (unidade).
– o valor exacto (xe): fornecido por um instrumento ideal.
– o erro : diferença entre valor medido e valor exacto :
• erro absoluto, na unidade da medida:
• erro relativo, geralmente em percentagem:
• erro (relativo ao) fim-de-escala, em percentagem:
– gama de medida : mínimo e máximo medíveis.
– exactidão ou precisão : majorante do erro absoluto/relativo.
– a resolução : menor variação detectada
abs absrel
e m
e ee
x x
max
absfe
ee
x
abs m ee x x
Out 2007 Sensores e Actuadores
8
Instrumentação
Definições
– a sensibilidade ou factor de escala : relação entre uma variação à
entrada e variação da medida.
– repetibilidade e reproducibilidade :
• a mesma medição, nas mesmas condições fornece o mesmo valor;
• outra medição, com outro princípio, fornece o mesmo valor;
– calibração :
• determinação experimental da relação valor exacto-valor medido
• verificação da sua precisão e da sua fiabilidade
> o valor exacto é determinado com o apoio de um instrumento de
precisão superior garantida.
Out 2007 Sensores e Actuadores
9
Instrumentação
erros
• erros aleatórios e sistemáticos
– aleatórios: diferentes para cada
medição (estatística)
– sistemáticos: repetem-se
má utilização do sensor
modelo errado
factores externos
não linearidade
aquecimento
• erros estáticos ou dinâmicos
0
< x >
fig. distribuições gaussianas de erros aleatórios
(a)
(b)
a
b
x x 2 95 %
Out 2007 Sensores e Actuadores
10
Instrumentação erros sistemáticos típicos
parâmetro a medir(measurand)
medid
a
curva ideal
curva real
(calibração)
erro de zero (offset) erro de linearidadeerro de sensibilidade
(de ganho)
parâmetro a medir(measurand)
medid
aparâmetro a medir
(measurand)
medid
aparâmetro a medir
(measurand)
medid
a
saturação
parâmetro a medir(measurand)
medid
a
histerese
parâmetro a medir(measurand)
medid
a
resolução insuficiente
Out 2007 Sensores e Actuadores
11
Condicionamento do Sinal
analógico
• objectivos:
– correcção do nível (amplificar/atenuar)
– conversão entre grandezas (I/V, V/, F/V)
– operações com sinais (soma/subtração)
– filtragem
• circuitos passivos
– componentes R/L/C unicamente
• circuitos activos: recorrem também ao
Amplificador operacional (AmpOp)
Out 2007 Sensores e Actuadores
12
Condicionamento de Sinal
AmpOp
Aproximações do AmpOp ideal (na zona linear):
– resistência de entrada infinita
– ganho muito elevado
R R
Ri
o
Coe e
1Ae
Z
AmpOp carga
fig. o amplificador operacional
fonte de
tensão
e1 o
Ae1
eo
símbolo
e1
eo
saturação
saturaçãolinear
ee
ii
A
RRi 0
1
Modelo do Amplificador Operacional
Out 2007 Sensores e Actuadores
13
Condicionamento de Sinal Circuitos de base com AmpOp
Circuitos amplificadores:
não inversor inversor seguidor
– o não inversor tem ganho >1
– o inversor tem ganho <0
– o seguidor permite isolar a entrada e a saída (i=0)
e eR
Ro 1
2
1
1R A
1R
R2
A A
fig. configurações usuais com Amplificadores Operacionais
R2
eo
e1 e
o e1
eoe
1
e eR
Ro
1
2
1
1 e eo 1
Out 2007 Sensores e Actuadores
14
Condicionamento de Sinal
Exemplo : amplificador não inversor
1R A
R2
eoe
1
11
2
2
1
1
121
1
1
00
eR
Re
R
ee
R
eii
ee
i
o
o
Com a aproximação do AmpOp ideal:
Out 2007 Sensores e Actuadores
15
Condicionamento de Sinal Mais circuitos com AmpOp
R
eo
A
R
R
e1
e2
somador
R
eo
A
R
R
e1
e2
R
subtractorR
eo
A
Re1
inversor
eo
A
R
e1 C
derivador
eo
A
Re1
C
integrador
eo
A
e1
er
comparador
Out 2007 Sensores e Actuadores
16
Condicionamento de Sinal Circuitos não lineares
• Fora da zona linear ou com componente não linear
R
eo
A
R
R
e1
er
1
2
comparador com histerese
R
eo
A
Re1
rectificador de onda completa
Out 2007 Sensores e Actuadores
17
Condicionamento de Sinal
Amplificador de instrumentação
É um subtrator com ganho elevado
ecm
R2
R
Rf1
f2
R
R R2
1
1
eo
R
fonte
fig. amplificador de instrumentação
R
Rz
amplificador
e1
e2
A
A
A
e 1 2R
R
R
Re eo
z
2
12 1
Out 2007 Sensores e Actuadores
18
Condicionamento de Sinal Resposta em frequência do AmpOp
f
ganho
(dB)
G
A -20 dB/década
BW
fig. largura de banda de um amplificador de tensão
o
Out 2007 Sensores e Actuadores
19
Condicionamento de Sinal Valores típicos do AmpOp
• elevada impedância de entrada Zi (tip. 105..1014);
• reduzida impedância de saída Zo;
• ganho elevado e/ou ajustável (tip. A106; G10-1..103);
• possível ajuste do zero (tip. ±100%);
• largura de banda (tip. GBW=106);
• CMRR60..120 dB
Out 2007 Sensores e Actuadores
20
Condicionamento de Sinal Valores típicos do AmpOp
alguns exemplos de AmpOps
LM741 LF356 LM312 LM324
Vos 5 3 2 7 mV = |ep-en| para eo=0
IB 500 0.03 1.5 45 nA = |ip-in| para eo=0
GBW 1 5 1 1 MHz
CMRR 90 100 100 85 dB
"slew rate" 0.5 12 - - V/s = |deo/dt| máximo
alimentação ±3..±22 ±15..±18 ±15..±18 3..32 Vdc
consumo 2.8 5 0.3 3 mA
preço ap. 0.50 1 3 0.50 EUR
barato baixo IB baixo
consumo
alim. unipolar,
4 AmpOp's
Out 2007 Sensores e Actuadores
21
Condicionamento de Sinal
Filtros
• Filtros passivos, componentes passivos RLC.
• Filtros activos, com AmpOps com alimentação.
• Os filtros activos: – são mais pequenos, leves, baratos, sem bobinas, com impedâncias
alta à entrada e baixa à saída, são ajustáveis e simples;
– requerem alimentação estabilizada, têm ruídos de baixa/alta
frequência, saturam com amplitudes elevadas, têm frequência
limitada a uma banda de 0.1Hz a 1 MHz.
Out 2007 Sensores e Actuadores
22
Condicionamento de Sinal
Filtros
• O objectivo do filtro é:
atenuar o ruído = isolar a informação
• supõe que têm frequências diferentes
CS com Função de Transferência
fc
1
H(f)
fc
1
H(f)
f
1
H(f)
1
H(f)
f1 2
f f1 2
fig. filtros ideais
passa-baixo passa-alto passa-banda corta-banda
Out 2007 Sensores e Actuadores
23
Condicionamento de Sinal filtros de primeira ordem
1
0.01 1.00
-90
-45
0
ganho
fase (°)
c
0.1
fig. filtro passa-baixo real (de 1ª ordem)
H(f)
-3 dB
-20 dB/déc.
frequência
normalizadaf/f0.10 10.0
H ss
( )
1
1
ou
H f
jf
fc
( )
1
1
Out 2007 Sensores e Actuadores
24
Condicionamento de Sinal Filtros de primeira ordem
fig. filtros passa-baixo de 1ªordem
R
eo
Ce1
passivo R
C
e1 e
o
activo
R1
passivo
H(s) =1
1+ s RC
activo
H(s) =R / R
1+ s RC
1
fig. filtros passa-alto de 1ªordem
passivo
R
e1 e
o
activoR
1
R
eo
C
e1
C
passivo
H(s) =s RC
1+ s RC
activo
H(s) =
R / R
1+ s RC
1
sRC
Out 2007 Sensores e Actuadores
25
Condicionamento de Sinal Filtros de segunda ordem
0.0001
0.01
1
0.01 1.00
-180
-135
-90
-45
0
Bessel
Butterworth
Tchebychev
ganho
fase (°)
fig. filtros passa-baixo de 2ª ordem
H(f)
-3 dB
c
frequência
normalizada f/f0.10 10.0
H(s) =
n
n ns s
2
2 22
ou
H f
jf
f
f
fc c
( )
1
1 2
2
Out 2007 Sensores e Actuadores
26
Condicionamento de Sinal Filtros de segunda ordem
fig. filtros passa-baixo de 2ªordem
R
CR
eo
e1
C
1
2
R
R
C
R
a
b
eo
Re1
C
R
R
a
beo
e1
C
R
R
fig. filtro passa-alto de 2ªordem
C
Out 2007 Sensores e Actuadores
27
Aquisição do Sinal
• multiplexagem
• amostragem/retenção (sample-and-hold)
(discretização no tempo)
• conversão analógico-digital (CAD)
(discretização na variável)
t
x
x
período de
amostragem
resolução
Out 2007 Sensores e Actuadores
28
Aquisição do Sinal
Conversão A/D
• Esquema de CAD
• Operação de um CAD
D/A
Vi
sinal digital
paralelo -SDP
registo de
controlo
lógica de controlo
fig. aproximação iterativ a
grandeza medida
xm xmaxxmin
0
nmax
n
min
max min
int 2N mm
x xn x
x x
Valor máximo à
entrada do CAD
Valor máximo à
saída do CAD
2𝑁
xmax
Out 2007 Sensores e Actuadores
29
Aquisição do Sinal
Conversão A/D: alguns valores
CAD
CDA
conversores A/D (ADC) "Analog Devices"
AD573 AD578 AD1377 AD770 AD1170
tipo de conversão iter. iter. iter. flash integração
resolução 10 12 16 8 18 bits
tempo de conversão 30 6 10 <0.006 4..110(ms) s
precisão 1 LSB 0.1% <0.1% 1 LSB <0.001%
offset 1 LSB 0.1% 1/2 LSB
Zi 5k 5/10k 260 100M 1.9/3.8/7.5k
Vi unipolar 10 10/20 5/10/20 V
Vi bipolar ±5 ±5/±10 ±2.5/±5/±10 ±1 ±5 V
alimentação +5-15 +5±15 ±5 ±15 V
saída SDP SDP/SDS SDP SDP/SDS SDS
tempo de aquecimento 1 10 min
conversores D/A (DAC) "Analog Devices"
AD557 AD561 AD662 AD569
tipo de saída tensão tensão corrente tensão
resolução 8 10 12 16 bits
tempo de conversão 0.8 0.25 <1 <5 s
precisão <1 <1/2 <1 1 LSB
alimentação +5-15 +5±15 ±5 ±15 V
saída 0..2.56 0..2.56 <2.4 mA -5..5 V
Out 2007 Sensores e Actuadores
30
Aquisição do Sinal
Sinal Digital
• Sinal digital: codificado em N bits de “0” e “1”
(sinal digital paralelo e série)
1
0
0
1
paralelo NRZ-L BIPHASE-L
fig. codificação série -PCM
relógio
4 bits em
série
numa só
linha
1 0 0 11 0 0 1
T T T
1 0 0 1
1001
série
Out 2007 Sensores e Actuadores
31
Aquisição do Sinal
Exemplo de codificação digital
a codificação TTL (transistor-to-transistor logic)
é uma codificação em tensão: 0V/5V:
“0” 0V ou < cerca de 2.4 V
“1” 5V ou > cerca de 3 V
o sinal não deve estar nunca entre 2.4V e 3V!
5V
0V
"1"
"0"
Out 2007 Sensores e Actuadores
32
Cadeia de Medida
Conclusão
• A Cadeia de Medida depende da grandeza medida,
do princípio físico utilizado pelo sensor, da ordem
de grandeza…
• O sensor pode ser:
– resistivo: a resistência varia com a grandeza
– capacitivo: uma capacidade varia com a grandeza
– indutivo: é uma indutância que varia;
sendo o objectivo levar o sinal numa forma
adequada até ao microprocessador
Out 2007 Sensores e Actuadores
33
Exemplo de cálculo
de cadeia de medida
Enunciado:
– Considere que um sensor fornece uma saída em tensão que varia entre
10mV e 50mV.
– Pretende-se adquirir o sinal com um CAD com entrada entre 0V e 10Vdc
– Dimensione um CS para optimizar a leitura.
Out 2007 Sensores e Actuadores
34
Exemplo de cálculo
de cadeia de medida
Enunciado:
– Considere que um sensor fornece uma saída em tensão que varia entre
10mV e 50mV.
– Pretende-se adquirir o sinal com um CAD com entrada entre 0V e 10Vdc
– Dimensione um CS para optimizar a leitura.
• Consideramos um Diagrama de Blocos
sensor CS CADe U n
Out 2007 Sensores e Actuadores
35
Exemplo de cálculo
de cadeia de medida
Enunciado:
– Considere que um sensor fornece uma saída em tensão que varia entre
10mV e 50mV.
– Pretende-se adquirir o sinal com um CAD com entrada entre 0V e 10Vdc
– Dimensione um CS para optimizar a leitura.
• Consideramos um Diagrama de Blocos
• O CS terá uma operação linear da forma : U=Ae+B
sensor CS CADe U n
e
U
0V
10V
10mV 50mV
100.25 / 250
50 10
250 10 2.5
VA V mV
mV mV
B mV V
Out 2007 Sensores e Actuadores
36
Exemplo de cálculo de CM Implementação em circuito
Um exemplo de implementação seria com:
– um amplificador não inversor
com ganho: R2/R1+1=A
– um subtrator
e U2.5V RR
R
RR2
R1
Out 2007 Sensores e Actuadores
37
ÍNDICE
• Cadeia de Medida
• Sensores do movimento
– posição linear e angular, proximidade, velocidade e
aceleração
• Grandezas mecânicas
– forças, binários, pressão, nível
• Escoamentos e caudais
• Temperatura
• Cadeia de actuação e actuadores