Introdução a Sensores e Atuadores Industriais

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AULA 1 
INTRODUÇÃO AOS SENSORES E 
ATUADORES INDUSTRIAIS 
Prof. Edson Roberto Ferreira Bueno 
 
 
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CONVERSA INICIAL 
 Nesta aula serão abordados os conceitos e as características dos principais 
elementos utilizados em um sistema de sensoriamento industrial. 
CONTEXTUALIZANDO 
Fazem parte do nosso dia a dia atividades simples como passar por uma 
porta automática, abrir e fechar um portão eletrônico utilizando um controle remoto, 
acionar o pedal do freio porque um veículo imediatamente à nossa frente acendeu 
uma luz vermelha, ou até mesmo quando temos que seguir imediatamente para o 
posto de combustível mais próximo porque o painel do veículo está indicando a 
necessidade de abastecimento já há algum tempo. 
Normalmente não percebemos que, para realizar essas e muitas outras 
atividades comuns, fazemos uso de dispositivos e equipamentos providos de 
sensores que recebem e enviam sinais de comando para a realização de uma 
determinada sequência de tarefas programadas. 
Analisando esses exemplos, pode-se observar que para cada situação há 
um modelo diferente de funcionamento e, por consequência, há uma seleção 
diferenciada de sensor de acordo com a função a realizar, a localização e 
principalmente questões técnicas relacionadas à funcionalidade. 
 Há um número quase infinito de situações em que os sensores podem ser 
aplicados, sendo sempre importante considerar a sua correta especificação, 
características técnicas, tolerâncias, necessidades de manutenção e custos 
envolvidos. 
TEMA 1 – SENSORES, TRANSDUTORES E ATUADORES 
Todos os projetos que envolvem partes mecânicas e movimentos 
controlados por circuitos eletrônicos precisam de um interfaceamento apropriado 
realizado por sensores, transdutores e atuadores. 
Os sensores e transdutores determinam o posicionamento das partes 
mecânicas, do próprio equipamento ou do acionamento de elementos externos 
como os atuadores, que informam aos circuitos de comando, os quais, por sua 
vez, tomam as decisões apropriadas ao funcionamento do sistema. 
 
 
03 
As máquinas e equipamentos podem usar diversos tipos de sensores, 
transdutores e atuadores para fazer o interfaceamento com os circuitos 
eletrônicos. 
No exemplo demonstrado pela figura 1, o controle de nível é realizado por 
um controlador que recebe sinais dos sensores de nível máximo e nível mínimo, 
e, em seguida, comanda um atuador, denominado válvula solenoide, que abre ou 
fecha a passagem do fluxo. Nota-se que os sensores estão devidamente 
ajustados e localizados no taque. 
Figura 1 – Controle de nível 
 
1.1 Sensores 
São dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma 
grandeza física, podendo fornecer direta ou indiretamente um sinal que indica 
essa grandeza. 
O sinal de um sensor pode ser usado para detectar e corrigir desvios em 
sistemas de controle e nos instrumentos de medição, que frequentemente estão 
associados aos sistemas de controle de malha aberta (não automáticos), 
orientando o usuário. 
1.2 Transdutores 
São dispositivos eletroeletrônicos que convertem uma forma de energia em 
outra, para efeitos de medição e transferência de informação. 
A figura 2 demonstra um bloco genérico de um transdutor que funciona 
mediante a entrada de uma determinada grandeza física, que é processada, 
 
 
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gerando proporcionalmente uma grandeza elétrica na saída, a qual pode ser um 
valor de tensão, corrente, resistência etc. 
Observa-se também que, para o funcionamento do transdutor, há a 
necessidade de uma alimentação auxiliar de energia. 
Figura 2 – Esquema genérico de um transdutor 
 
 
 
 
De forma geral, os termos sensor e transdutor são reconhecidos e usados 
indistintamente, porém, o transdutor é um dispositivo completo que reúne, além 
do próprio sensor, todos os circuitos de interfaces capazes de serem utilizados 
numa aplicação. 
1.3 Atuadores 
São dispositivos que modificam uma variável controlada, ou seja, realizam 
a conversão da energia elétrica, hidráulica ou pneumática em energia mecânica. 
A atividade realizada por um atuador depende geralmente do comando 
recebido de um controlador ou do sinal de sensor, e sua função normalmente está 
vinculada à realização de um trabalho mediante deslocamentos, podendo atuar 
numa trajetória linear, rotativa ou combinada. 
Existem muitas classificações para os atuadores, e a sua correta 
especificação está relacionada a diversas variáveis, como força, velocidade, 
dimensões, forma de energia, entre outras. 
Os atuadores podem ser classificados inicialmente da seguinte forma: 
 Energia de saída: mecânica, elétrica, térmica, óptica, etc.; 
 Princípio de funcionamento: mecânico, pneumático, hidráulico, 
eletromagnético, piezoelétrico, químico etc.; 
 Tipo de movimento: linear, rotativo ou combinado. 
TRANSDUTOR 
GRANDEZA 
ELÉTRICA GRANDEZA FÍSICA 
ENERGIA AUXILIAR 
 
 
05 
 Especialmente em relação aos atuadores eletromagnéticos, podemos 
encontrar facilmente exemplos de relés e contadores, bobinas solenoides, 
motores e outros. 
Além do modelo convencional do motor elétrico ligado em corrente contínua 
ou corrente alternada, o motor de passo e o servomotor também são muito 
utilizados como atuadores. 
Devido à grande evolução do controle de variáveis dos motores elétricos 
ultimamente, percebe-se que tanto os motores de corrente contínua (CC), quanto 
os de corrente alternada (CA) têm uma infinidade de aplicações. 
Para os motores CC existem três fatores principais que devem ser 
considerados no momento da seleção: velocidade, torque e tensão. Esses 
motores geralmente são compactos e mantêm o valor de torque numa faixa 
constante para grandes variações de velocidade, sendo muito comum encontrar 
configurações com sensores de posição angular (encoder) ou de velocidade 
(tacômetro) utilizados para o controle de posição ou velocidade. 
Outra alternativa mais simples e de baixo custo consiste em usar motores 
de passo que podem funcionar em controle de malha aberta de posição e 
velocidade. A única observação para esse tipo de motor é que a curva de torque 
decresce com o aumento da velocidade e, em baixas velocidades, pode gerar 
vibrações mecânicas. 
 Entre as tantas vantagens e desvantagens na aplicação dos motores CC e 
CA, percebe-se que, devido aos avanços nos acionamentos dos motores CA (soft- 
starter e inversores de frequência) e a viabilidade econômica, vem ocorrendo a 
susbtituição dos motores CC. Porém, quando se necessita manter o torque, 
mesmo com variação da carga e da velocidade do motor, os motores CC são mais 
vantajosos, como nas extrusoras, prensas, elevadores, máquinas de impressoras, 
máquinas de papel, bobinadeiras e desbobinadeiras, laminadores etc. 
TEMA 2 – GRANDEZAS FÍSICAS 
Analisemos o funcionamento de um termômetro. Ele indica a temperatura 
do nosso corpo através do mercúrio (ou, também, o cristal líquido ou o álcool), 
substância que se expande com o aumento da temperatura. Podemos dizer, 
então, que o mercúrio é o sensor de temperatura do corpo, e o termômetro é um 
dispositivo sensor para o corpo humano. 
 
 
06 
Outro exemplo é quando subimos numa balança “de ponteiro”, analógica, 
e medimos nosso peso. Esse é um processo que faz uso de sensor. O ponteiro 
da balança indica o peso porque um dispositivo mecânico provido de uma mola 
sofre deformação mecânica proporcional à força aplicada sobre ele. A deformação 
da mola é que faz girar o ponteiro da balança. 
2.1 Grandezas de entrada 
Os exemplos de funcionamento do termômetro e da balança demonstram 
que um sistema pode trabalhar em função da sensibilidade do dispositivo a 
alguma forma deenergia, como o aumento de volume em função do aumento da 
temperatura, ou a deformação temporária de uma mola em função de uma 
pressão exercida sobre ela etc. 
Conforme indica a figura 3, um sensor emite um sinal de saída, 
relacionando informações de uma grandeza recepcionada na entrada. 
As grandezas de entrada são as que definem o tipo do sensor utilizado na 
aplicação e geralmente estão relacionadas ao tipo de energia: mecânica, química, 
luminosa, térmica, elétrica, entre outras. 
Figura 3 – Grandezas de entrada de um sensor 
EN
TR
A
D
A
S 
LUZ 
 
SENSOR 
 
 
TEMPERATURA 
 
SOM 
 
PRESSÃO SINAL DE SAÍDA 
DISTÂNCIA 
 
FORÇA 
 
VELOCIDADE 
 
2.2 Grandezas de saída 
O sinal de saída direto do sensor nem sempre reúne as características 
técnicas necessárias para utilização na aplicação, e, por isso, normalmente deve 
ser manipulado antes da sua leitura no sistema de controle. 
 A manipulação do sinal de saída é realizada por um circuito eletrônico que 
faz uma conversão para que as informações possam ser lidas pelo elemento 
controlador e processadas conforme o evento programado. 
 
 
 
07 
TEMA 3 – SINAIS 
“Um sinal é a representação de informações, realizada através de um valor 
ou de uma curva de valores de uma grandeza física” (DIN 19.226). 
Os sensores, de modo geral, podem ser classificados de acordo com o sinal 
de saída deles, podendo ser sinais analógicos, digitais e binários. 
3.1 Sinal analógico 
É um sinal contínuo que representa a evolução de uma grandeza, de uma 
variável, e que apresenta infinitos valores, mesmo que eles estejam em uma faixa 
determinada. “É um sinal ao qual pertencem, ponto por ponto, diferentes 
informações dentro de uma faixa contínua de valores” (DIN 19.226). O conteúdo 
de informações lp (parâmetro de informações) desses sinais, conforme indicado 
na figura 4, pode admitir qualquer valor entre os determinados limites. 
Por exemplo, se observarmos uma tensão elétrica compreendida entre 0 e 
8 V (volts), poderão surgir valores intermediários, que são exatamente 
determinados. 
Figura 4 – Sinal analógico 
 
Outros exemplos de indicadores com sinais analógicos: 
 Evolução da temperatura nos termômetros; 
 Indicação das horas num relógio de ponteiros; 
 Tacômetros de veículos automotores; 
 Manômetros indicadores de pressão etc. 
 
 
 
 
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3.2 Sinal discreto 
É o sinal cujo parâmetro de informações Ip pode admitir somente uma 
quantidade finita de valores. Estes valores não estão relacionados entre si e cada 
um pertence a uma determinada informação. 
 A figura 5 mostra um gráfico de sinal discreto que poderia indicar, por 
exemplo, a densidade do trafego de veículos em relação às horas do dia em uma 
via qualquer. 
Figura 5 – Sinal discreto 
 
3.3 Sinal digital 
Esse tipo de sinal possui o parâmetro Ip definido. A cada um corresponde 
uma informação bem definida, com a diferença de que os valores são múltiplos 
de um número inteiro da unidade de base E, conforme indicado no gráfico da 
figura 6. 
Figura 6 – Sinal digital 
 
 
 
 
 
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3.4 Sinal binário 
É um sinal digital com apenas dois valores do parâmetro de informações 
lp, conforme indica a figura 7, pois se trata de um sinal com duas informações, por 
exemplo: partida – parada; ligado – desligado; sim – não; 0 – 1. 
Figura 7 – Sinal binário 
 
3.5 Aplicação de sinais 
Enquanto os sinais analógicos são muito utilizados em técnicas de 
regulagem, os sinais digitais são usados mais frequentemente em situações de 
comando, sendo que, os sinais binários, devido à facilidade de representação, são 
predominantes no processamento de informações (por exemplo, em interruptores 
e computadores). 
Na prática é absolutamente necessário, no caso de sinais binários, atribuir 
de forma precisa faixas de valores em relação ao sinal. Para evitar interferência, 
deve existir em todos os níveis lógicos e na zona de segurança uma faixa com 
valores de segurança suficientemente grande, como no exemplo indicado na 
figura 8: sinal “0”, de 0 a 5 V, e sinal “1”, de 10 a 20V. 
Figura 8 – Faixas de tensão elétrica 
 
 
 
010 
Dentro dos limites do nível lógico superior de valores, o sinal poderia variar 
entre 10 a 20 V, que mesmo assim será reconhecido como “1”. O mesmo ocorre 
com o nível lógico inferior de valores, que, variando entre 0 a 5 V, será 
reconhecido como “0”. Dessa maneira, obtém-se certa segurança contra 
interferências. A ampliação destes níveis lógicos e da zona de segurança está 
sujeita a limites tecnológicos. Para os componentes, são mencionados nas folhas 
de catálogos de especificações os valores do nível lógico para sinal “1”, bem como 
para o sinal “0” e da zona de segurança. 
A zona de segurança localizada entre os níveis de acionamento lógico “0” 
e “1” é dimensionada em função da aplicação e serve também para absorver 
pequenas flutuações na grandeza (tensão, corrente, pressão etc.) evitando que o 
sensor seja comutado por variações não significativas. 
TEMA 4 – CONVERSORES DE SINAIS 
A física trabalha em função da manipulação de grandezas como 
temperatura, pressão, intensidade luminosa, sinais de áudio, posição, velocidade, 
etc. A maioria dessas grandezas são transformadas e manipuladas utilizando 
sinais analógicos. 
Como converter uma grandeza analógica, como a tensão obtida na saída 
do sensor de uma máquina industrial ou num dispositivo de controle, com 
informação digital que possa ser processada por um circuito lógico, como de um 
microprocessador ou computador? 
 A resolução desse tipo de problema é fundamental ao projeto de interfaces 
para aquisição de dados e controle por computadores envolvendo um dispositivo 
de extrema importância para a eletrônica moderna: o conversor analógico/digital, 
ADC (Analog to Digital Converter) ou conversor A/D. 
4.1 Definição 
O conversor de sinais é um instrumento cuja função é receber uma 
informação na forma de sinal, alterá-la e, então, emiti-la como sinal de saída 
proporcional ao de entrada. Baseando-se nessas informações, o esquema de um 
microfone indicado na figura 9 pode ser considerado um exemplo de conversor de 
sinais. 
 
 
 
011 
Figura 9 – Exemplo de conversor 
 
Segundo Ynoguti (2017), os conversores processam as informações da 
seguinte forma: 
 Conversão do sinal analógico para a forma digital (conversão A/D); 
 Processamento do sinal digitalmente; 
 Conversão do sinal digital processado de volta à forma analógica 
(conversão D/A). 
4.2 Funcionamento 
De acordo com Braga (2017), os microcontroladores, controles industriais, 
computadores e muitos circuitos que processam dados obtidos a partir de 
sensores operam exclusivamente com sinais digitais. Assim, se na saída de um 
sensor tivermos um sinal analógico e precisarmos transferir este sinal para um 
circuito digital, como o de um computador, será preciso "convertê-lo". 
Para converter um sinal da forma analógica para a forma digital, usamos 
os conversores analógico/digital. Estes são largamente usados em placas de 
aquisição de dados e controle que realizam a interface dos computadores com 
dispositivos de medida. 
Nos laboratórios, por exemplo, é possível usar um conversor desse tipo 
num sistema de aquisição de dados para converter as indicações de um sensor 
de temperatura na forma digital que o computador possa processar, e tomar 
decisões no sentido de ativar outros atuadores em outros circuitos externos, ou 
simplesmente armazenar as temperaturas em horários programados na memória, 
conforme sugere a figura 10. 
 
 
 
012 
Figura 10 – Conversão de sinaisQuando ocorre uma conversão de sinais, parte do sinal é perdida e podem 
existir pequenas distorções na grandeza realmente medida, como indicado na 
figura 11, em que ocorre um comparativo entre sinais analógicos e digitais 
sobrepostos. 
Figura 11 – Linearização e digitalização de sinais 
 
 
As distorções normalmente são geradas devido a diversos fatores, como a 
localização e proteção do sensor em relação ao ambiente e outros equipamentos 
próximos, regulagens dos dispositivos do circuito, interferências externas, 
características técnicas de qualidade etc. 
Num ambiente industrial, por se tratar muitas vezes de ambiente hostil para 
operação dos equipamentos com perturbações eletromagnéticas, elevadas 
temperaturas, sujeira, áreas de segurança intrínseca etc., existem diversas 
variáveis que contribuem para a existência de valores falsos da grandeza física 
convertida. Por isso, faz-se necessária uma análise criteriosa da aplicação antes 
da correta escolha do tipo de dispositivo, a fim de que ele atenda a todos os 
requisitos de segurança, qualidade e funcionalidade. 
 
 
SENSOR DE 
TEMPERATURA 
 
PLACA DE AQUISIÇÃO 
CONVERSOR 
ANALÓGICO/DIGITAL 
 
 
PC 
 
ATUADORES 
EXTERNOS 
SINAL DIGITAL SINAL ANALÓGICO 
 
 
013 
TEMA 5 – TRANSMISSORES 
É muito comum no ambiente industrial, principalmente para quem trabalha 
com instrumentação, referir-se ao transmissor de sinais como transdutor, e vice-
versa. Partindo do princípio de que o conceito do transdutor já foi abordado e 
assimilado, prosseguiremos com o conceito e as principais características do 
transmissor. 
5.1 Conceito 
O transmissor é um equipamento que consegue ler uma variável de um 
processo e fornecer um sinal de saída padronizado. É concebido para trabalhar 
com diversas grandezas, como pressão, corrente, tensão, entre outras. Pode 
também estar inserido no mesmo dispositivo do sensor e do transdutor. 
5.2 Características 
Normalmente, para a transmissão de sinais analógicos, o transdutor 
funciona numa faixa de valores de grandeza, por exemplo, 3 a 15 PSI, 4 a 20 mA, 
0 a 20 mA, 0 a 10 V, e essa faixa também é conhecida como range. 
Quando a transmissão é digital, o transmissor utiliza protocolos de 
comunicação para redes industriais (fieldbus). Os protocolos mais utilizados pelos 
transmissores e atuadores são Profibus-PA, Fieldbus Fundation, HART e ASi. 
 Os protocolos de comunicação industrial foram desenvolvidos com intuito 
de interligar diversos tipos de dispositivos aplicados na automação industrial, 
como sensores, atuadores, módulos de I/O (input/output), controladores lógicos, 
entre outros dispositivos de supervisão. 
 Conforme indicado no esquema da figura 12, o conceito inicial da 
padronização dos protocolos foi criar um ambiente que pudesse ser organizado, 
mais seguro e compartilhado, agregando flexibilidade e distribuição de 
processamento nos dispositivos no parque fabril. 
 
 
 
 
 
 
 
 
014 
Figura 12 – Padronização de comunicação 
 
Existem muitos protocolos projetados em função da aplicação para vários 
ambientes específicos, como para a transmissão de dados em instrumentos de 
campo, e processos de melhoria tecnológica nas áreas automotiva, aviação e 
naval. 
Os protocolos de comunicação abertos mais conhecidos são Modbus, 
Profibus-DP, Fieldbus Fundation, CAN, London Works, Interbus-S e Industrial 
Ethernet. Os padrões de comunicação serial, mais utilizados na camada física 
desses protocolos, são RS-232, RS-422 e, principalmente, o RS-485. 
A partir dos anos 1990, a imposição de protocolos proprietários sem larga 
escala não encontrava espaço no mercado, fato que deu início à abertura para a 
utilização dos protocolos proprietários promovida por grandes empresas 
internacionais. 
Nessa ocasião foram estabelecidas, conforme Eriksson, Coester e 
Henning, “associações independentes como ODVA (Open Device Net Vendor 
Association), Fieldbus Foundation, entre outros; apesar da reorganização com 
consequente redução de opções de barramento de campo, a diversidade 
tecnológica dos protocolos e a incompatibilidade permaneceram”. 
A tabela demonstrada pela figura 13 apresenta os principais fabricantes e 
as respectivas tecnologias proprietárias (protocolos dedicados). 
 
 
 
 
015 
Figura 13 – Relação entre fabricantes e as tecnologias proprietárias 
Fabricante original Protocolo de comunicação 
Siemens Profibus / MPI 
Rockwell DeviceNet / ControllNet / DH+ 
Schneider / Modicon Modbus / ModbusPlus / WorldFIP 
Mitsubishi CC Link 
NA PRÁTICA 
Assista ao filme 2012, e visualize e analise os tipos de sensores ambientais 
utilizados pelos cientistas. 
Direção: Roland Emmerich. EUA: Sony Pictures, 2009. 158 min. 
FINALIZANDO 
No início desta aula foram analisados os conceitos e as principais 
diferenças entre sensores, transdutores e atuadores utilizados no dia a dia por 
máquinas equipamentos, empresas e pessoas. 
Foram abordadas as principais grandezas físicas do processo de 
sensoriamento de um equipamento, seguida da explanação sobre os tipos de 
sinais de entrada e saída inerentes a um sensor ou transdutor, sendo 
estabelecidas, principalmente, as diferenças técnicas entre sinais analógicos e 
sinais digitais. 
Em seguida, foram observados os conceitos que envolvem a conversão do 
sinal analógico para o sinal digital, e vice-versa. 
Finalizamos com a análise do elemento transmissor e sua importância no 
processo de comunicação de um sistema de sensoriamento. 
 
 
 
016 
REFERÊNCIAS 
BRAGA, N. C. Eletrônica básica para mecatrônica. 1. ed. São Paulo: Saber, 
2005. 
_____. Como funcionam os conversores A/D – parte 1 (ART224). Disponível 
em:<http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/1508-
conversores-ad>. Acesso em: 25 set. 2017. 
ERIKSSON, J.; COESTER, M.; HENNING, C. H. Redes industriais: panorama 
histórico e novas tendências, controle & instrumentação, v. 1, n. 119, ago. 2006, 
p. 86-89. 
THOMAZI, D. Sensores industriais: fundamentos e aplicações. 8. ed. São Paulo: 
Érica, 2001. 
TRANSMISSOR ou transdutor? Disponível em: 
<http://kleberautomation.blogspot.com.br/2011/02/transmissor-ou-
transdutor.html>. Acesso em: 25 set. 2017 
YNOGUTI, C. A. Conversor A/D e D/A. Disponível em: 
<www.inatel.br/docentes/ynoguti/downloads/dsp...1/16-digitalizacao-s177672-1>. 
Acesso em: 25 set. 2017.