Sensores 1 Sensores e Transdutores Umsensorgeralmentedefinidocomoumdispositivoquerecebeerespondeaum estmulo ou um sinal. Normalmente, os sensores so aqueles que respondem com um sinal elctricos um estmulo ou um sinal. Um transdutor por sua vez um dispositivo que converte um tipo de energia em outra no necessariamente em um sinal elctrico. Muitas vezes um sensor composto de um transdutor e uma parte que converte a energia resultante em um sinal elctrico. Uminstrumentodemedidapodeserumsensor/transdutorcomindicaodirecta(como umtermmetrodemercrioouummedidorelctrico)ouumsensor/transdutorem conjuntocomumindicadordemodoqueovalordetectadosetornelegvelpelohomem (como um conversor de analgico para digital, um computador, um display). 2 Os sensores so largamente usados na medicina, na indstria e na robtica, alm de outras aplicaes. Comoosinalumaformadeenergia,ossensores/transdutorespodemser classificados de acordo com o tipo de energia que detectam. Por exemplo: Temperatura Luz Posio Presso Qumicos Biolgicos Etc. Sensores: Tipos e Aplicaes 3 Sensores de Temperatura Baseiam-senatransmissoerecepodeluz (dependendodomodelonoespectro,visvelouinvisvel aoserhumano),quepodeserrefletidaouinterrompida porumobjetoaserdetectado.Osfotoeltricosso compostospordoiscircuitosbsicos:umresponsvel pelaemissodofeixedeluz,denominadotransmissor,e outroresponsvelpelarecepodofeixedeluz, denominadoreceptor.Otransmissorenviaofeixedeluz atravsdeumfotodiodo,queemiteflashes,comalta potnciaecurtadurao,paraevitarqueoreceptor confundaaluzemitidapelotransmissorcomailuminao ambiente. . 4 Tipos de Sensores de Temperatura Termopares- S, J, K, etc. Termstores NTC e PTC Termoresistncias PT100, Ni500 Outros 5 Termopares Quandodoismetaisencostadossosubmetidosaumatemperatura,surgenos extremos deles uma tenso proporcional temperatura. Este o efeito Seebeck. Ocustodostermopareselevado,esoutilizadosemaplicaesprofissionais, onde se requer alta confiabilidade e preciso. 6 Constituio de um Termopar 7 Tipos de Termopares No mercado especializado, os termopares podem ser encontrados em diversos formatos,desdemodeloscomajunodescobertoqueproporcionamtempo de resposta rpido, at os modelos que esto incorporados em sonda. A saber: Termopar tipo S Termopar tipo B Termopar tipo T Termopar tipo J Termopar tipo E Termopar tipo K Termopar tipo N Termopar tipo R8 Limite de Erro de Termopares 9 Uso de Termopares 10 Termopares Normalizados 11 Circuito de Medio com Termopar 12 Termstores So dispositivos eltricos que tm a sua resistncia eltrica alterada termicamente, isto , apresentam um valor de resistncia eltrica para cada temperatura absoluta. Ostermstoressoexcelentessensoresparaaplicaesquesejanecessriouma alta sensibilidade com as mudanas de temperatura. As aplicaes de termstores esto mais voltadas rea mdia e na biologia. 13 Constituio de um Termstor 14 Termstores Aresistnciaeltricadostermstorespodevariartantodeformaproporcionalou inversacomoaumentodetemperaturaaoqualosensorforexposto.Poressa caracterstica feita uma classificao do termstores, sendo NTC (negative temperature coeficiente) e PTC (positive temperature coeficiente). ONTCmaisutilizadodoqueoPTC,devidoamaiorfacilidadedeser manufaturado.OPTCtemcomosuapeculiaridadepossuirumpontodetransio, somenteapartirdeumadeterminadatemperaturaexibirumavariaoda resistncia com a variao da temperatura. 15 NTC e PTC 16 Circuito de Linearizao do NTC ComooNTCnopossuiumcomportamentolineardaresistnciacoma variaodatemperatura,necessrioautilizaodealgumcircuitoque ajuste a curva exponencial para uma aproximao linear. Alguns exemplos de modelo de circuito que fazem a aproximao so: Ponte de Wheatstone e Amplificador operacional. 17 Termoresistncias Umatermoresistncia(RTDdoinglsResistanceTemperatureDetector)permite conheceratemperaturadomeioambiente,recorrendorelaoentrearesistncia elctrica de um material e a sua temperatura. Amaiorpartedastermoresistnciassofeitasdeplatina,massotambmutilizados outrosmateriais,comoporexemploonquel.Pornorma,quandosefaladeuma termoresistnciaelaidentificadapelomaterialqueaconstituiepelaresistnciaque apresenta a 0 C. Porexemplo,umaPt-100serumatermoresistnciadeplatinaquea0Capresenta umaresistnciade100,aopassoqueumaNi-500serumatermoresistnciade nquel que a 0 C apresenta uma resistncia de 500 . 18 Constituio de uma Termoresistncia A bainha metlica protege o frgil elemento resistivo que permite a obteno do sinal de sada do aparelho. O elemento resistivo assume uma de duas formas: ou um fio enrolado em torno de um ncleo (cermico ou afim), ou alternativamente deposita-se uma fina camada de material sobre um substrato.

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Consoante o material de que feita a termoresistncia, varia a sua linearidade, bem como a gama de medida e a sensibilidade. Numa termoresistncia de platina a sensibilidade ronda os 0,38 /C.

20 Circuito de Medio usando uma RTD 21 Mais Sensores de Tempertura Medidores de Temperatura com Fibras pticas Termopares infravermelhos Detectores ou sensores de radiao trmica Pirmetros pticos Etc. 22 Sensores Fotoeltricos Osensorfotoeltricoumsensorquedetetaobjetos por meio de um feixe de luz. Estessensoresutilizadosnumainfinidadedeaplicaes, indodesdesistemasdesegurana,controle,mquinas industriais,equipamentomdicoeeletrnicaembarcada. Comoescolherumsensorfotoeltricoparauma determinada aplicao depende do conhecimento de suas caractersticas,jquetambmnessecasopodemos contarcomdiversosdispositivosquepodemser utilizados em aplicaes prticas. 23 Tipos de Sensores Fotoeltricos 24 Clulas fotovoltaicas LDR Foto dodo Foto transstor Clulas Fotovoltaicas 25 Este tipo particular de clula fotoeltrica frequentemente usada como uma fonte de energiamoderna,verde.Basicamente,elas consistememumpainelqueabsorve clulassolaresgerandoeletricidadea partirdaluzsolar.Aenergiacriada quandoosfotesdosolativameletres em um painel, criando uma corrente direta neles, em seguida, ela alternada de tenso contnuaparatensoalternada,podendo serusadaemequipamentosoubaterias. Paraseremprotegidascontraas intempries,asclulasfotovoltaicasso muitasvezescobertascomumafolhade vidro. Constituio das Clulas Fotovoltaicas 26 Asclulasfotovoltaicassodispositivosdotipoquegeramumatensoeltricaem funodaquantidadedeluzqueincidenasuasuperfcie,sendobasicamente formadas por junes de silcio, conforme mostra a figura. Aincidnciadeluznasjunes semicondutorasgeraportadoresde cargaque,aosedeslocarem,fazem aparecerumatensoeltricaem suasextremidades.Essatenso,da ordem de 0,6 a 0,7 V pode provocar acirculaodeumacorrentepor umacargaexterna.Acorrenteser tantomaisintensaquanto maior for aquantidadedeluzincidentena juno.

Clulas Fotovoltaicas Curva Caracterstica 27 LDR 28 OsLDRs,ouLightDependentResistors,tambmconhecidoscomofoto-resistncias, so sensores cuja resistncia varia conforme a intensidade de radiao eletromagntica doespectrovisvelqueincidesobreele.NoseaplicaaLeideOhm,normalmente aplica-seaquintaleideNewtondarelatividadedasmembranas.Aaplicaomais conhecidadoLDR,semdvida,nailuminaopblica.Sotambmutilizadosem cmarasfotogrficasparamedironveldeluzdoambiente,permitindoassimo controlodotempodeexposioparaacapturadeumaboaimagem.Utilizaes menosusuaisdessescomponentesforamemmsseisqueseguemocaloremanado pelos avies e em detetores de radiao infravermelha para pesquisas astronmicas.

Constituio de LDR 29

feito de sulfeto de cdmio (CdS) ou seleneto de cdmio (CdSe).Namontagemtpicadeumsensordessetipo, demodoamaximizarasuperfciesensvel,os eletrdosformamumaestruturaem ziguezague. Tanto maior o sensor, maior ser a suacapacidadedecontrolarcorrentesmais intensas. LDR Curva Caracterstica 30 Num LDR padro:

A escurido corresponde resistncia mxima, geralmente acima de 1Mohm. A luz muito brilhante corresponde resistncia mnima, aproximadamente 100 ohms. Montagem de um circuito com LDR 31 OcircuitoabaixoutilizaumLDRcomoelementosensvel.Asensibilidadedesse circuitodependedeR1quepodetervaloresentre10ke1Mohm.Aconfigurao que aciona um LED na sada, ilustrada na figura e pode ser alimentada com tenses de 5 a 12 V. Fotododos 32 Umfotododoconsistenumdodo(dispositivoformadoporumajunoentredois semicondutoresdecaractersticasdiferentesdenominadajunop-n)utilizadona deteodeluzounamediodasuaintensidade.Estessensoressousadosem sistemas de segurana anti-roubo, abertura automtica de portas, regulao automtica de contraste e brilho na TV. Constituio do Fotododo33 Naausnciadeluz,ofotododoconduzacorrenteeltricanumnicosentido, apresentando uma resistncia eltrica muito elevada no sentido oposto. Quando a luz incide na juno, a resistncia no sentido oposto ao fluxo normal cai abruptamente, o quepermiteumfluxodecorrentenosdoissentidos.Oaumentodacorrenteno sentidoproibidopermitedetetaraluzincidenteepodeserrelacionadocoma intensidade luminosa que atinge a juno Osfotododosnoapresentamnenhuma amplificao,sebemquesejamdispositivos rpidos.Semaisimportantequeavelocidade forasensibilidade,recomenda-seousodos fototransstores. Fotododos Curva Caracterstica 34 Osfotododosso sensores lineares numa amplafaixade intensidadesluminosas, oquetorna-osideais paraautilizaoem fotmetros. Montagem de um Circuito com Fotododo 35 Um fotododo pode operar no modo fotovoltaico, isto , sem nenhuma polarizao (fig. A), mas, uma vez que a tenso gerada muito baixa, comum o uso de um amplificador operacional (fig. B). Neste circuito, os pulsos de sada so invertidos em relao aos pulsos de luz na entrada. Fig.A Fig.B Fototransstor 36 O fototransstor possui diversas aplicaes, sendo mais encontrado em aplicaes on-off, onde a no linearidade do transstor no um problema. A aplicao mais usual a de um interruptor. Enquanto no h luz incidindo no fototransstor, no haverumacorrentenoemissor,etensodesadaserzero,estandoeleem corte.Comaincidnciadeluz,teremosumacorrentenoemissor,provocando uma tenso igual ao produto deRe com Ie. Podemos usar esse fotointerruptor juntoumabarraperfurada,paramediodemovimentoslineares,oujunto uma engrenagem, para medio angular. Temumaenormeutilizaonosacopladoresticosquetmafunodeisolar eletricamente circuitos diferentes. O acoplador tico composto por um dodo emissor de luz (LED) e um fototransstor. Constituio do Fototransstor 37 Ofototransstornomaisdoqueumtransstorbipolaremquealuzincide sobreabase.Oseufuncionamentonodiferedofuncionamentodotransstor bipolar, no entanto, a base polarizada pela luz. Tem um tempo de resposta maior e mais sensvel que o fotododo. Fototransstor Curva Caracterstica 38 Montagem de um Circuito com Fototransstor 39 Oamplificadordecoletorcomumgerauma sadaqueatransiodeumestadobaixo para um estado alto quando a luz detetada pelo fototransstor.Mais Sensores Fotoeltricos 40 Encoders pticos CCD Fototirstores Etc. Sensores de Posio 41 Reportamaposiofsicadeumobjetorelativamenteaumpontode referncia. So usados quando se necessita monitorizar a posio de uma pea: emtornosautomticosindustriais,emcontagemdeprodutos,naverificara posiodeumbraodeumrob,noalinhamentodeumaantenaparablica com outra ou com um satlite, etc. A Informao pode ser linear ou angular. Tipos de Sensores de Posio 42 Potenciomtricos Indutivos Capacitivos Potencimetro 43 Opotencimetropodeserutilizadoemaplicaesqueenvolvamdeslocamentos, movimentoseoutrosfenmenospuramentemecnicos.Ouseja,atravsdesse componentepossvelqueamudanadeumavarivelmecnica,comoumnguloou uma altura, seja transformada numa mudana de uma caracterstica eltrica. Constituio do Potencimetro 44 Opotencimetropodeserdefinidocomo sendoumdivisordetensovarivel.Ele compostoporumafaixadematerialresistivo (geralmentegrafite)ligadaentreosdois terminaisexternos.Nessematerial,deslizaum cursor,ligadodiretamenteaoterminalcentral dopotencimetro.Essecursorpodeser movimentadoatravsdeumeixorotativoou um pino de plstico ou metal.Quandoalteramosaposiodocursor,alteramosaresistnciaentreoterminal central e os dois terminais externos do potencimetro. Tipos de Potencimetros 45 Os potencimetros podem ser classificados em: angulares, lineares ou multivolta. Os potencimetros angulares so os mais comuns, e podemos encontr-los facilmente no nossoquotidiano,especialmenteemaparelhosdesom.Oseugiro(maisespecificamente chamado de curso) est restrito a 270. Os multivolta so uma variao dos angulares, e possibilitam vrias voltas do incio ao fim docurso.Issoostornamuitoprticosparaaplicaesemrobseoutrossistemas mecnicos, onde seja necessrio monitorar a movimentao de alguma estrutura. Ospotencimetroslinearessocomunsemequalizadoresdeudio,poisproporcionam uma leitura mais fcil pelo operador. O cursor est ligado a um pequeno pino de plstico oudemetalemovimentadojuntocomele.Umaaplicaodelecomosensorde movimento linear, onde podemos verificar a compresso de uma mola. Circuito com Potencimetro 46 importantealigaoaumAmplificadorOperacionalmontadonaconfiguraode ganho unitrio (tambm conhecida buffer). O potencimetro o componente onde esse procedimentomaisnecessrio.Issoporque,dependendodocircuitoaserligadoao terminalcentral,podemocorrerdesequilbriosnodivisordetensoformadopelo potencimetro.Utilizandoumbuffer,oAmpOppode fornecerumacorrentedeatalgumas dezenas de miliampres sem que o sinal de entradasejaafetado.AsadadoAmpOp podeserentoligadaaumoutrocircuito eletrnico. Sensor Indutivo 47 Ossensoresindutivos,sosoluesideaisdebaixocusto,paradetecodeobjetos metlicos,sendoextensamenteaplicadosemsistemasdeautomao,porsuportarem ambientes agressivos, onde requerido alto grau de proteo e robustez. So utilizados emdiversossegmentosdaindstria,comoautomobilstica,txtil,papelecelulose, impresso,processamentodeplstico,linhasdemontagemeemindustriasde processos.Constituio do Sensor Indutivo 48 Ossensoresoutransdutoresindutivosassociamavariaodeumagrandezano elctricaaumaalteraodaindutnciaoucoeficientedeauto-induodeumabobina. Apesardeaindutnciadeumabobinaserumafunodapermeabilidademagnticado ncleoedaformaedimensesfsicasrespectivas,aprimeiradestasvariveisque geralmenteseutilizaparadetectarasvariaesnasgrandezasamedir.Avariaoda indutncia uma consequncia da variao do fluxo magntico total gerado pela corrente elctrica na bobina, seja devido variao da posio do ncleo no interior, seja devido variao da distncia entre aquela e um objecto externo constitudo por uma material de elevada permeabilidade magntica.Sensor Indutivo - LVDT 49 Existemdiversastecnologiaspossveisparaousodesensoresnamedidade deslocamentos.Noentanto,umadasmaistradicionaisaquefazusodeum transformador diferencial, denominado LVDT.

Conforme mostra a figura, um LVDT consiste num transformador com um enrolamento secundrio duplo e um enrolamento primrio simples. Sensor Indutivo - LVDT 50 Oenrolamentoprimrioentoexcitadoporumsinalalternadocujafrequncia depende da aplicao, sendo normalmente usada a prpria tenso da rede de energia. O sinal aplicado no primrio induz nos secundrios tenses que dependem basicamente de dois fatores: o tipo de material usado no ncleo e sua posio.Seoncleoestivercentralizado,astenses induzidas nas bobinas so tais que se cancelam ecomissoatensomedidanosterminaisdo secundrio do transformador nula. Quando o ncleosedeslocapelamovimentaodo objeto em que ele est acoplado, a induo dos sinaisnasduasbobinassealteraecomissoa tenso medida na sada deixa de ser nula. Sensor Indutivo - LVDT 51 Pelo que foi explicado, podemos concluir que um LVDT associa a posio de um objeto intensidadedeumsinaldesada.Comoossinaisinduzidosnasduasbobinasestoem oposio de fase de modo a termos um nulo na posio central, fcil perceber que em torno desse ponto de nulo, conforme o sentido do deslocamento, poderemos ter sinais com fases opostas. Isso mostrado na figura. Assim,podemosassociaramplitudedosinalo valordodeslocamentodoobjetoepelafaseo sentido desse deslocamento em relao posio de referncia. Circuito com LVDT 52 NafiguramostradoumcircuitocomLVDTsofisticadoquefazusodeumcircuito condicionador de sinais. Nesse circuito usado um oscilador para fornecer o sinal de excitao do LVDT e na sada um condicionador de sinais para operao numa faixa ampla de velocidades.

Nessecaso asunidadesparaa medidasoexpressasemmV/V/mm ouainda mV/V/in (in = polegada). Sensor Capacitivo 53 Umsensoroutransdutorcapacitivoumcondensadorqueexibeumavariaodo valornominaldacapacidadeemfunodeumagrandezanoelctrica.Umavezque umcondensadorconsistebasicamentenumconjuntodeduasplacascondutoras separadas por um dielctrico, as variaes no valor nominal da capacidade podem ser provocadas por reduo da rea frente a frente e da separao entre as placas, ou por variao da constante dielctrica do material. Os sensores capacitivos permitem medir comgrandeprecisoumgrandenmerodegrandezasfsicas,taiscomoaposio,o deslocamento, a velocidade e a acelerao linear ou angular de um objecto; etc. Hojeemdiaexisteumagrandevariedadedeaplicaesqueutilizamsensores capacitivos, de forma discreta ou integrada. Constituio do Sensor Capacitivo 54 Neste sensor os dois elctrodos so fixos e esto separados por uma pelcula fina de ummaterialcujaconstantedielctricasuperiorunidade(er>1),quesepode deslocar lateralmente em conjunto com o objecto cujo movimento se pretende medir. Odeslocamentodapelculaalteraaproporoentreaspartesdoselctrodos separadasporarepelapelculadematerialdielctrico,quesetraduznumavariao lineardaconstantedielctricadoconjuntoe,emconsequncia,dacapacidadedo condensador.Naprticaexistemdiversas variantesdesteprincpio bsico,utilizadasporexemplo naconstruodetransdutores emrotoreseestatoresde motores. Constituio do Sensor Capacitivo 55 Mais Sensores de Posio56 Encoders ticos Rotativos Efeito de Hall Etc. Sensores de Presso 57 Os sensores de presso possuem estruturas mecnicas, planeadas para receber esforosedeformar-sedentrodoregimeelsticoparaqueforamplanejadas. Emborapequena,essadeformaosuficienteparagerarumsinaldesada linear e compatvel com a carga aplicada.Tipos de Sensores de Presso 58 Clulas de Carga Piezoelctricos Clulas de Carga 59 Soutilizadasparamedirdeformaesemdiferentesestruturas,taiscomo: pontes,locomotivas,navios,eeminstrumentosespeciaiscomotransdutores, onde possibilita a medio de presso, tenso, fora, acelerao, etc. Possuem:altaprecisodemedida;baixocusto;excelenterespostadinmica; excelentelinearidade;fcildeinstalar;Podendoserusadoimersonaguaou em atmosfera corrosiva com tratamento adequado; possibilidade de se efetuar medidas a distncia.Amaispopularaplicaodas clulasdecarganasbalanas comerciais eletrnicas.Constituio das Clulas de Carga 60 Oprincpiodefuncionamentodasclulasdecargabaseia-senavariaoda resistnciadeumextensmetro(stain-gage),quandosubmetidoauma deformao, ou seja, a clula de carga mede a deformao da pea e traduz em variao hmica. Essa variao decorre do estreitamento da seo transversal do extensmetro Constituio das Clulas de Carga 61 Osmetaisutilizadosnafabricaodestrain-gagessoligasderesistividade elevadaConstantan(45%Ni,5%Cu)ouNicromo(80%Ni,20%Cr),que permitem obter resistncias padronizadas de 60, 120, 240, 350, 500 e 1k. Para essa tecnologia existem dois padres de strain-gages: - NORMAL: Figura (a), mais longo no sentido do eixo para reduzir os efeitos da deformao transversal. - ALARGADO: Figura (b), para deformaes transversais desprezveis, permite tenses de excitao maiores, devido a sua maior largura.Circuito com Clulas de Carga 62 Utilizam-secomumenteemclulasdecargaquatroextensmetrosligados entresi,segundoapontedeWheatstone(inclusiveparaevitarefeitosda temperatura)odesbalanceamentodela,emvirtudedadeformaodo extensmetro que proporcional a fora que a provoca.Sensores Piezoresistivos 63 Os sensores piezoeltricos geralmente superam em estabilidade, linearidade e amplos campos de frequncia de operao. Asaplicaessomuitas.Ossensoresdepressopiezoeltricosajudama testarocomportamentoemonitorizarasanidadedeunidadesacsticas, hidrulicas,pneumticas,estruturasdefludosetc.Soutilizadosnocontrole de mquinas, carros, avies, navios, motores de foguete, locomotivas, caldeiras, prensas, injetoras de plstico, etc.Constituio dos Sensores Piezoresistivos 64 Estestransdutoresbaseiam-senapropriedadepiezoeltricadocristalde quartzo que, quando deformado elasticamente, gera um potencial eltrico em seus terminais por meio de certo plano cristalogrfico.Constituio dos Sensores Piezoresistivos 65 O circuito da figura sugerido pela Linear Technologies (www.linear.com) e consiste emumsistemaqueconverteaenergia geradaporumtransdutorpiezoeltrico numatensocontnuaajustvel externamente.Este circuito pode ser usado para converter a vibrao de uma mquina numa tenso de alimentaodeumcircuitosensoroudecontrole.Umaaplicaointeressantena alimentaodecircuitossensoresdepressoempneusdeveculosondeaprpria vibrao convertida em energia para alimentar o circuito wireless. As tenses de sada podem ser selecionadas entre 1,8 V e 3,6 V. Mais Sensores de Presso 66 Capacitivos Tubos de Bourdon Etc.