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Utilização de sensores e transdutores óticos
Princípios de Funcionamento – Tipos e Aplicações
Universidade de Caxias do Sul - UCSValner Brusamarello
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Contextualização
O que são sensores óticos?Importância de sensores óticos inseridos no contexto da atualidadeImportância de Sensores óticos dentro da IndústriaImportância de sensores óticos dentro da instrumentação
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Generalidades
Principal característica: Ausência de cabos metálicos entre transmissão e recepção de sinalAplicações: contagem de peças, medição de velocidade, medição de deslocamento, sistemas de segurança, comunicação de dados entre muitos outros
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Aspectos HistóricosSensores e Transdutores Óticos__________________________________
Há pelo menos 5 milhões de anos a humanidade utiliza sinais visuais para comunicaçãoSéculo II AC – Polibio propôs um sistema de transmissão do alfabeto grego por meio de sinais de fogoSéculo XVII – Descobertas no campo da ótica com Snell, Huygens, entre outrosSéculo XX – Explosão tecnológica com surgimento da era moderna e utilização dos semicondutores
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Princípios Gerais de Funcionamento de Dispositivos
Baseados em Sensores Óticos
Interrupção de feixe de luzReflexão de feixe de luzMedição de Intensidade de LuzUtilização de Arranjos para medição de intensidade de Luz
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Interrupção de feixe de luz
Fonte Emissora de Luz
Anteparo Elemento Sensor
Fonte Emissora de Luz
Elemento Sensor
1)
2)
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Reflexão de feixe de luz
Fonte Emissora de Luz
Anteparo
Elemento Sensor
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Medição de Intensidade de Luz
I1
I2
Sinal 1
Sinal 2
Sensor 1
Sensor 2
V1
V2
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Utilização de Arranjos para medição de intensidade de Luz
Elementos Sensores
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Tipos de Sensores
LDRsFotodiodosFototransistoresCCDs
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Resistor Dependente de Luz - LDR (Light
Dependent Resistor)
LDR é um dispositivo semicondutor de dois terminais, cuja resistência varia com a intensidade de luz incidenteMateriais freqüentemente utilizados:sulfeto de cádmio (CdS) e o seleneto de cádmio (CdSe).LDRs aumentam sua condutividade quando expostos a Luz.Variação de Resistência típica : cerca de 300 Ω para luz ambiente e 10 MΩ para o escuroResposta lenta (cerca de 200K Ω por segundo)
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Fotodiodo
Diodo de junção construído de forma a possibilitar a utilização da luz como fator de controle para a correnteFunciona polarizado inversamenteTem resposta rápida em relação a variação do sinal luminosoCorrente de saída baixa
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Fototransistores
Princípio de funcionamento similar ao fotodiodo, entretanto associado ao efeito do transistorMaior sensibilidade devido a amplificaçãoResposta mais lenta
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Sensor Acoplador de Cargas (Charge Coupled Device -CCD)
Arranjo de sensores que transformam uma informação luminosa pontual (pixel) num sinal elétrico A luz num determinado ponto sensor
provoca a liberação de cargas que geram uma diferença de potencialUm arranjo na forma de matriz permite então que seja feita uma varredura de sinais elétricos ocasionados pela luminosidade numa superfície
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Encoders
DefiniçãoTipos de Encoders:− Encoders que utilizam um
disco perfurado simples− Encoders Incrementais− Encoders Absolutos
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Aplicações - Medição de Nível
Sensores Detectam quando o líquido nagarrafa alcança o seu limite superior
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Aplicações - Medição de Temperatura
Pirômetros de radiação implementados com sensores óticos
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Aplicações - Termógrafo
Imagem térmica de um corpo
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Aplicações - Medição de Temperatura
Pirômetro de radiação implementado com sensores óticos
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Aplicações - Visão Artificial
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Aplicações - Diversos
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Aplicações - Termocâmeras
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Aplicações - Leitura de CD
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Transdutores FotoelétricosFotodiodos
Princípio de FuncionamentoOs fótons ao colidirem com elétrons na banda de valência cedem energia a eles e, assim, os elétrons são promovidos para a banda de condução. Se esta colisão ocorrer na região de deplexão, o campo elétrico existente ali desloca os elétrons criando uma fotocorrente.
D1
Ânodo
Cátodo
-e Ip
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Transdutores FotoelétricosFotodiodos
Princípio de FuncionamentoFotodiodo sob polarização reversa
aumenta a região de deplexão
D1
Ânodo
Cátodo
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Transdutores FotoelétricosFotodiodos
Princípio de Funcionamento
Absorção Geração do par Elétron-Lacuna
Recombinação
Geração de Corrente Elétrica
(fotocorrente Ip)
Ip
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Transdutores FotoelétricosFotodiodos
Função de Transferência - Responsividade
(A/Watt) PIR
L
P=
eheP NeeNI η==η é a eficiência de absorçãoNeh= número de pares eletron-lacunagerados por segundo
Energia de 1 Photon de compr. de onda λ
(Joules) chEf λ= então se Ef > Eg = Ec-Ev
ehfWatts NE P =
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Transdutores FotoelétricosFotodiodos
Função de Transferência - Responsividade
(A/Watt) PIR
L
P=
eheP NeeNI η==
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
<
≥==
Egch se 0
Egch se (A/Watt) hc
eEe
R f
λ
λληη
ehfWatts NE P =
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Transdutores FotoelétricosFotodiodos
Modos de OperaçãoFotovoltaicoFotocondutivo
PkTeV
o I1eII −⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
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Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Função de Transferência
Operando no Modo Fotovoltaico (fotocélula)
PkTeV
o
Ld
I1eII
IRVd
−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
−=I
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Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Função de Transferência
Operando no Modo Fotovoltaico (fotocélula)Id
I
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Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Função de Transferência
Operando no Modo Fotocondutivo
+ -
I
PkTeV
o
LBd
I1eII
IRVVd
−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
−=+
Neste caso Vd é negativo logo I≅-Io-Ip, ou seja, a corrente no diodo e a tensão em RL são lineares em relação a potência luminosa incidente.
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Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Função de Transferência
Operando no Modo Fotocondutivo
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Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Função de Transferência
Modelo MatemáticoPossui ruído térmico (Rs e Rj) e ruído quântico (devido a corrente no diodo).
Quanto maior a polarização reversa menor é Cj.
Quanto maior a polarização reversa maior é a corrente de ruído
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Transdutores FotoelétricosFotodiodos
Condicionamento
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Transdutores FotoelétricosFotodiodos
Condicionamento
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Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Exemplo de Aplicação
Sensores de ProximidadeSão constituidos de uma fonte de luz (LED) e um fotodetector (fototransistor)Normalmente procede-se a modulação do sinal para diminuir a influência da luz ambienteSaída TTL 5V, relé de estado sólido, etc...
AmplificadorDemodulator
Modulator Fonte de Sinal
Saída
Fonte de Alimentação
Sinal Modulado Carga
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Transdutores Fotoelétricos
Sensores de Proximidade Fotoelétricos
Alguns Modelos
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Transdutores Fotoelétricos
Sensores de Proximidade Fotoelétricos
Modos de OperaçãoFeixe de luz passante
Longas distâncias (20m)Alinhamento é crítico
Retro-reflexãoDistâncias de 1 a 3mPopular e barato
Reflexão difusaDistância de 12 a 300mmBarato e fácil de usar
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Transdutores Fotoelétricos
Sensores de Proximidade Fotoelétricos
Admitem extensão com fibra ótica
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Transdutores Fotoelétricos
Sensores de Proximidade Fotoelétricos
Exemplos de Aplicação
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Transdutores Fotoelétricos
Sensores de Proximidade Fotoelétricos
Exemplos de Aplicação
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Transdutores Fotoelétricos
Sensores de Proximidade Fotoelétricos
Exemplos de Aplicação
Cortina de luz(segurança)
Detector de Colisão
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Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Exemplo de Aplicação
Codificador ÓticoSão sensores de posiçãoConsiste de uma lâmina de plástico ou vidro que se movimenta entre uma fonte de luz (LED) e um conjunto de fotodiodosA lâmina é codificada (reticulada) com setores transparentes e opacos alternados, de modo que pulsos de luz são produzidos com o movimento da lâmina.
Rotativos
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Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Exemplo de Aplicação
Codificador ÓticoSão sensores de posiçãoConsiste de uma lâmina de plástico ou vidro que se movimenta entre uma fonte de luz (LED) e um conjunto de fotodiodosA lâmina é codificada (reticulada) com setores transparentes e opacos alternados, de modo que pulsos de luz são produzidos com o movimento da lâmina.
LinearesExpostos Selados
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Transdutores Fotoelétricos
Codificador Ótico Rotativo
Características
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Transdutores Fotoelétricos
Codificador Ótico Linear
Características
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Funcionamento do Encoder Simples
Um emissor e um receptor acoplados a umaroda com rasgosque permitem a luz passar
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Funcionamento do Encoder Incremental
Permite saber o sentido do movimento dodisco em relaçãoaos sensores
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Sensores e Transdutores Óticos__________________________________
Funcionamento do Encoder Absoluto
Geração de códigobinário correspondentea posição do disco emrelação aos sensores e emissores
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Transdutores FotoelétricosCodificadores Óticos
Estrutura Interna
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Transdutores FotoelétricosCodificadores Óticos Incrementais
Modo de Operação
• Os pulsos de luz são contados para determinar a posição
• São usados dois fotodetectores em quadratura para determinar a direção do movimento
• Um pulso de índice é utilizado para determinar a posição inicial
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Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Incremental
Linear
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Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Incremental
Rotativo
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Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Incremental Rotativo
Exemplo de Discos
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Transdutores FotoelétricosCodificadores Óticos Incremental Rotativo
Detalhes Construtivos
Fonte Luminosa
LenteMáscara
Disco com EscalaFotosensores
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Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Incremental
Sinais de Saída
Quase Senoidais
Permite Interpolação
Digitais
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
A2
B2ppp I
Iarctg360l
lNP
Interpolação - Explora a característica quase senoidal dos sinais de saída
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Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Incremental
Sinais de SaídaPorque Quase Senoidais ?
Máscara
po
Feixe deLuzParalelo
Escala impressa
Fotosensor
p
I (p)I (p, )
TS θ
sobre o disco
A
A
Escala
Área efetiva de passagen de luzMáscara
prθ
po
L
Corte A-A
S( )θ
θ2nπ
KsAL
p
Imx
10
Gd(p)
Imx
I (p)s
p
p
pθr
I (p)T
Esse é o sinal ideal da fotocorrente em função do movimento da escala
Intensidade luminosa ideal sobre a escala
Escala Móvel
Intens. luminosa no Fotodiodo
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Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Incremental
Sinais de Saída
Porque Quase Senoidais ?
FonteLuminosa
LenteConvergente
Máscara Escala
Fotosensor
Frente de onda
Difração
Interferência
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
p
I (p)T
Mas ocorre a difração da luz no retículo da máscaraPasso ≅ 4 µm ou menor
Intensidade luminosa real sobre a escala
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Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Absoluto
Modo de Operação• Fornecem um código digital
único para cada posição
• O código geralmente é no formato Gray
• Os codificadores óticos absolutos são mais complexos e caros que os incrementais
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Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Absoluto
Linear
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Transdutores FotoelétricosCodificaor Ótico Absoluto
Rotativo
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Transdutores FotoelétricosCodificadores Óticos Absolutos Rotativos
Exemplos de Discos
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Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico
Exemplo de Aplicação
Sistema de Posicionamento de
Telescópio
Mecanismo de alimentação para
máquina perfuratriz