Sensores e o esporte

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Sensores e o esporte
Prof. Jefferson Santana Martins
https://www.google.com/url?q=https://www.flickr.com/photos/plusea/40219710934&sa=D&source=editors&ust=1686440071761155&usg=AOvVaw21djHtiDGl1C0V-Gb2nRsO
Sensores e esportes 
- Introdução
Os sensores fornecem um método de 
monitoramento de parâmetros fisiológicos e 
de movimento em tempo real durante o 
treinamento e esportes competitivos. Esses 
parâmetros podem ser usados para detectar 
padrões específicos de posição em 
movimento, projetar programas de 
treinamento específicos para esportes mais 
eficientes para otimizar o desempenho e 
rastrear possíveis causas de lesão. Avanços 
mais recentes em sensores de movimento 
melhoraram a precisão na detecção de 
movimentos de alta aceleração durante 
esportes competitivos.
Introdução- Por que medir?
No caso da indústria mecânica 
que fabrica peças com medidas 
exatas. Como conseguir essas 
peças sem um instrumento de 
medida?
Introdução - Por que medir?
• Como construir prédios e pontes sem 
utilizar instrumentos de medida?
Introdução-Por que medir?
Nenhuma civilização pode escapar da 
necessidade de um sistema de medição. 
Os antigos viam necessidade de medir o 
tempo; distâncias; quantidades. O homem 
também precisou comparar as massas…
Com a evolução, perceberam que a 
medida era inerente aos diversos ramos 
da ciência: astronomia, medicina, física…
A arte de medir bem refletia, de certo 
modo, o avanço cultural de cada povo
3500 aC, foram usados os primeiros relógios de 
sol.
Introdução-Por que 
medir?
“Se você não pode medir algo, não 
pode melhorá-lo!” Lorde Kelvin
ÁREAS DE 
UTILIZAÇÃO DE 
SENSORES
Automação industrial – identificação de peças , verificação de posição, 
medição de força, deslocamento, ... 
Automação bancária ou escritório – leitura de código de barras, tarja 
magnética, identificação de impressão digital, ... 
Automação veicular – sensores de composição de gases de escapamento, 
sensores de temperatura, sensores de velocidade, de posição, ... 
Automação residencial (domótica) – sistemas de alarme, sensores para 
controle de temperatura ambiente, sensores de controle de luminosidade, 
sensores de detecção de vazamento de gás, sensores de presença para 
acendimento automático de lâmpadas, etc..
Esportes - Sensores possibilitam que atletas amadores e profissionais 
acompanhem, em tempo real, diversos parâmetros fisiológicos de forma não 
invasiva − temperatura corporal, índice de massa corpórea (IMC), frequência 
cardíaca etc. 
SENSORES VS TRANSDUTORES
O termo sensor é utilizado para o elemento que usa um 
fenômeno natural para sentir a variável que está sendo 
medida. 
O termo transdutor é utilizado para o elemento que 
converte a informação sentida pelo sensor em um sinal 
detectável – que pode ser elétrico, mecânico, óptico… 
Transdutor engloba o sensor tornando possível a 
medição de determinada grandeza.
Sensores resistivos
A resistência elétrica R de um dispositivo está relacionada com a resistividade ρ 
de um material por: 
Onde: ρ é a resistividade elétrica (em ohm metros, Ωm); R é a resistência elétrica 
de uma amostra uniforme do material(Ω); l é o comprimento da amostra (em 
metros); A é a área da seção da amostra (m²).Esta relação não é geral e vale 
apenas para materiais uniformes e isotrópicos, com seções transversais também 
uniformes. 
Sensores resistivos
Variam a sua resistência elétrica em resposta 
a um estímulo externo:
● Potenciômetros
● Extensômetros
● Termorresistores
● Fotocondutores
https://www.google.com/url?q=https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b5/Potentiometer.jpg/512px-Potentiometer.jpg&sa=D&source=editors&ust=1686440073557559&usg=AOvVaw3YutMipbs7v_XveZqSW6tc
https://www.google.com/url?q=https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0a/Unmounted_strain_gauge.jpg&sa=D&source=editors&ust=1686440073557879&usg=AOvVaw2PFiu7pNAQBmQFZ1Bph20W
Sensores resistivos – 
Extensômetros
Extensômetros são dispositivos 
resistivos cuja resistência varia 
com a sua deformação.
https://www.google.com/url?q=https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0a/Unmounted_strain_gauge.jpg&sa=D&source=editors&ust=1686440073730803&usg=AOvVaw3JpOAB-BZRO-kN6dlfGDeu
Force Sensing 
Resistor
Um resistor de detecção de força FSR é um 
resistor variável, construído de várias 
camadas finas e flexíveis, que varia em 
resistência à medida que a pressão é 
aplicada e liberada. À medida que a 
pressão é aplicada, a resistência diminui e 
depois retorna ao seu valor original à 
medida que a pressão é removida. O 
principal objetivo de um FSR é medir a 
força aplicada a uma área específica e, em 
seguida, transmitir essa informação por 
meio de eletrônicos de saída selecionados. 
Force Sensing 
Resistor
https://www.google.com/url?q=http://www.youtube.com/watch?v%3DrTO3U-0Njtw&sa=D&source=editors&ust=1686440074056057&usg=AOvVaw1eGeCBM5zPYoVOSdIaYVCD
Force Sensing 
Resistor
Uma das aplicações de detecção 
de força é em roupas esportivas, 
como palmilhas de sapatos. Uma 
palmilha de sapato com sensor 
de força detecta onde a pressão 
do seu pé é maior. Essas 
informações podem ser usadas 
para projetar melhores tênis de 
corrida.
Force Sensing Resistor
Quando aderido à face de um taco, um resistor 
de detecção de força pode detectar detalhes 
finos, como a força com que você está 
batendo na bola. Ao rastrear esses dados, 
você pode começar a aperfeiçoar suas 
tacadas.
Resistores sensíveis à 
temperatura - Termistores
● Um resistor sensível à temperatura é chamado de 
termistor.
● Na maioria dos tipos comuns de termistores a 
resistência diminui à medida que a temperatura 
aumenta.
● Eles são denominados termistores de coeficiente 
negativo de temperatura e indicados como NTC.
● Existem ainda os PTC, termistores onde a resistência 
aumenta com o aumento da temperatura.
Resistores sensíveis à temperatura - Termistores
Transdutores termoelétricos - Termopar
Seebeck (1823): se dois metais diferentes são conectados em um circuito com as 
junções em temperaturas diferentes, uma corrente flui no mesmo
Absorção de calor pela junta fria (T1) e liberação de calor pela junta quente (T2). A 
diferença de temperatura entre as duas junções é proporcional à força eletromotriz 
de Seebeck, responsável pela corrente que circula entre as juntas
Transdutores 
termoelétricos - 
Termopar - 
Funcionamento
https://www.tec-science.com/wp-content/uploads/2019/03/en-temperature-measurem
ent-thermocouple-seebeck-effect.mp4
https://www.google.com/url?q=https://www.tec-science.com/wp-content/uploads/2019/03/en-temperature-measurement-thermocouple-seebeck-effect.mp4&sa=D&source=editors&ust=1686440075590572&usg=AOvVaw08k3pnVMo3ib8W0sIxu374
https://www.google.com/url?q=https://www.tec-science.com/wp-content/uploads/2019/03/en-temperature-measurement-thermocouple-seebeck-effect.mp4&sa=D&source=editors&ust=1686440075590832&usg=AOvVaw3Vxn0P5_6gW3IKkHCunl8R
Transdutores termoelétricos - Termopar - Funcionamento
Um gradiente de 
temperatura entre a junção 
de medição e as 
extremidades dos 
respectivos fios resulta em 
um efeito termoelétrico, 
com o aparecimento de 
uma tensão elétrica. 
Como esses metais são diferentes, o efeito termoelétrico tem intensidade diferente em 
cada fio.. Por exemplo, comparado ao cobre, o ferro tem uma tensão termoelétrica em 
torno de 6 vezes mais alta. Isso significa que para cada temperatura uma tensão elétrica 
diferente se estabelece nas extremidades do fio.
Sensores de 
temperatura - 
Esportes
A temperatura corporal central (CORE) é um dos 
quatro principais sinais vitais do nosso corpo. A 
temperatura corporal central refere-se à temperatura 
dos órgãos do corpo. Ele flutua seguindo processos 
fisiológicos, como ciclos circadianos, menstruação, 
doença ou atividade física. Portanto, pode permitir 
obter mais informações sobre os parâmetros internos 
ou externos que afetam esses mecanismos naturais. 
Muitos atletas, treinadores e cientistas esportivos 
empregam o CORE para obterinformações valiosas 
para melhorar aclimatação ao calor, estabelecer 
estratégias de resfriamento corporal e procedimentos 
durante corridas.
Transdutores de luz - LDR 
(Light Dependent Resistor) 
O LDR possui a interessante característica de 
ser um componente eletrônico cuja resistência 
elétrica diminui quando sobre ele incide 
energia luminosa. Isto possibilita a utilização 
deste componente para desenvolver um 
sensor que é ativado (ou desativado) quando 
sobre ele incidir energia luminosa. 
Transdutores de luz - LDR(Light Dependent Resistor) 
 A resistência do LDR varia de forma inversamente proporcional à quantidade de 
luz incidente sobre ele, isto é, enquanto o feixe de luz estiver incidindo, o LDR 
oferece uma resistência muito baixa. Quando este feixe é cortado, sua resistência 
aumenta.
Aplicações:
● medidores de luz;
● detetores de incêndio ou de fumaça;
● controladores de iluminação. 
Transdutores de luz- Fotodiodo
• O fotodiodo é um diodo de junção 
construído de forma especial, de modo a 
possibilitar a utilização da luz como fator 
determinante no controle da corrente 
elétrica. É um dispositivo de junção pn 
semicondutor cuja região de operação 
limitada pela região de polarização reversa e 
caracteriza-se por ser sensível à luz. 
https://www.google.com/url?q=https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2b/Photodiode_symbol.svg/1280px-Photodiode_symbol.svg.png&sa=D&source=editors&ust=1686440076579269&usg=AOvVaw2Az9h5O9-kgCko4uIrvAER
Transdutores de luz - 
Fotodiodo
A maneira mais fácil de pensar no fotodiodo é 
como uma fonte de corrente, onde a 
intensidade da corrente é uma função linear 
da potência óptica incidente no fotodiodo.
Funcionamento do fotodiodoResposta do fotodiodo 
a várias formas de 
onda de sinal
https://www.google.com/url?q=http://www.youtube.com/watch?v%3D3OPpFWco4A8&sa=D&source=editors&ust=1686440076895534&usg=AOvVaw3N24dQVY4QknNDNM9RN1sh
https://www.google.com/url?q=http://www.youtube.com/watch?v%3D6L2N3ba4W2Y&sa=D&source=editors&ust=1686440076895888&usg=AOvVaw2mYXiOozU4p8q3qTHtpK-5
Transdutores de luz 
- Fototransistor
Um fototransistor é um transistor bipolar 
encapado em uma capa transparente 
que permite que luz possa atingir a base 
coletora da junção. O fototransistor 
funciona de maneira similar a um 
fotodiodo, apresentando uma 
sensitividade muito maior à luz, pois os 
elétrons gerados pelos fótons na junção 
da base-coletora são aplicados na base 
do transistor, e sua corrente é então 
amplificada pela operação do transistor. 
O fototransistor apresenta um tempo de 
resposta maior do que o fotodiodo.
Sensor de proximidade sonoro- LDR
http://tinyurl.com/ybfdfcjb
https://www.google.com/url?q=http://tinyurl.com/ybfdfcjb&sa=D&source=editors&ust=1686440077544267&usg=AOvVaw1UFuCYT73DuYoOS_BcBVXw
https://www.google.com/url?q=http://www.youtube.com/watch?v%3DwdDbvb3Vf9s&sa=D&source=editors&ust=1686440077544684&usg=AOvVaw0vi6nJ5N2NboL6P5jlOcQn
Sensor de 
proximidade
O sensor de proximidade 
simplesmente informa ao 
dispositivo que você está 
próximo ao dispositivo e 
deseja usá-lo. Se você não 
estiver usando o rastreador 
de fitness, este sensor 
permite que o dispositivo 
durma e economize bateria 
quando não estiver em 
uso.
Sensores capacitivos
● Dispositivo elétrico que tem por função 
armazenar cargas elétricas e, como 
conseqüência, energia potencial elétrica.
● É um componente constituído por dois 
condutores separados por um isolante: os 
condutores são chamados armaduras (ou 
placas) do capacitor e o isolante é o 
dielétrico do capacitor.
● O dielétrico pode ser um isolante qualquer 
como o vidro, a parafina, o papel e muitas 
vezes é o próprio ar.
Sensores capacitivos
Fornecem uma alteração da capacitância em resposta ao estímulo
Alteração da distância, 
área ou dielétrico das 
placas
Capacitor Alteração da capacitância.
Sensores capacitivos
Placas paralelas
Sensores capacitivos
A capacitância de um capacitor é uma constante característica do 
componente, assim, ela vai depender de certos fatores próprios do capacitor.
A área das armaduras, por exemplo, influi na capacitância, que é tanto maior 
quanto maior for o valor desta área.
A espessura do dielétrico é um outro fator que influi na capacitância. 
Verifica-se que quanto menor for a distância d entre as armaduras maior será 
a capacitância C do componente.
Sensor capacitivo de toque: funcionamento
Quando nada está 
tocando a superfície, a 
capacitância do sensor é 
igual a C0.Quando algo 
toca a superfície a 
capacitância C1 é 
adicionada ao sensor, 
modificando sua 
capacitância total.
Sensor capacitivo de nível: funcionamento
https://www.youtube.com/watch?v=0
du-QU1Q0T4
https://www.google.com/url?q=https://docs.google.com/file/d/12moz_p52DTS14z4jDWdZVjxuWIIucz0P/preview&sa=D&source=editors&ust=1686440079277712&usg=AOvVaw0GXII085VvYOPGnLNE4cPz
https://www.google.com/url?q=https://www.youtube.com/watch?v%3D0du-QU1Q0T4&sa=D&source=editors&ust=1686440079279388&usg=AOvVaw3GYesd4GzWmPBHpUZ2asNK
https://www.google.com/url?q=https://www.youtube.com/watch?v%3D0du-QU1Q0T4&sa=D&source=editors&ust=1686440079279526&usg=AOvVaw2GFYMTJiO0c_-i-YVyLj3w
Sensor capacitivo de nível: Aplicação
Development of a capacitive, non-invasive and coplanar-electrode 
transducer for measuring iron ore moisture
Sensor capacitivo de nível: Aplicação
Design of capacitive sensor for water 
level measurement
Sensores capacitivos - Aplicação nos esportes
A tensão muscular excessiva é 
implicitamente causada pela inatividade 
ou tensão nas atividades diárias, e resulta 
em aumento da rigidez e vibração das 
articulações e, portanto, desempenho 
ruim, falha e lesão nos esportes.É 
possível usar um cinto baseado em 
sensor capacitivo para prever a tensão 
muscular. 
MURAI, Akihiko et al. DATSURYOKU Sensor—A Capacitive-Sensor-Based 
Belt for Predicting Muscle Tension: Preliminary Results. Sensors, v. 21, n. 
19, p. 6669, 2021.
Sensores capacitivos - Aplicações nos esportes
Capacitive Pressure Sensing Unit for Racket Sports
https://www.youtube.com/watch?v=LT_coQ6d6QE
https://www.google.com/url?q=https://www.youtube.com/watch?v%3DLT_coQ6d6QE&sa=D&source=editors&ust=1686440080631613&usg=AOvVaw315r_flLF545wzjtHbI3Yr
Sensores ultrassons -Efeito piezoelétrico
O efeito piezoelétrico é a capacidade de alguns 
cristais ”gerarem” tensão elétrica por resposta a 
uma pressão mecânica. 
https://www.google.com/url?q=http://www.youtube.com/watch?v%3DpRkDRZe2OpY&sa=D&source=editors&ust=1686440081096881&usg=AOvVaw2QwiKy3N9OGM8fWxNq9WaP
Sensores ultrassons -Efeito 
piezoelétrico
● Uma das propriedades mais importantes dos 
materiais piezoelétricos, que os torna indispensáveis 
em ultrassons, é a sua habilidade de oscilar a uma 
fixa e precisa frequência como frequência de 
ressonância.
● O efeito piezoelétrico que a pressão provoca, deve-se 
a uma deformação da retícula cristalina que dá lugar, 
por sua vez, a um deslocamento das cargas 
eléctricas moleculares, o que faz que apareçam 
diferenças de potencial entre as faces do material. A 
polaridade desta diferença de potencial inverte-se 
quando se inverte o sentido da pressão, que pode ser 
de tracção ou de compressão.
Sensores 
ultrassons - 
Efeito 
piezoelétrico
Para produzir ultrassons são usados cristais de titanato 
zirconato de chumbo (PZT). Este processo também funciona 
ao contrário. O cristal piezoelétrico atua como receptor de 
ultrassons, convertendo as ondas sonoras em tensões 
alternadas e como transmissor, convertendo voltagens 
alternadas em ondas sonoras.
Sensores ultrassons - Piezoelétricos
Transdutores piezoelétricos
Um cristal ou cerâmica é usada pelo sensor como um 
transdutor. Estes materiais possuem o efeito piezoeléctrico, 
que é a capacidade de produzir carga eléctrica quando 
comprimido. Os impulsos ultrassônicos são criados e 
medidos usando o efeito piezoeléctrico. Para usar cristais 
ou cerâmica como transdutores, eles são ligados a uma 
caixa ou um cone que é feitode metal. A cerâmica ou o 
cristal tem que ser estimulado por um sinal para causar a 
emissão do impulso. Quando isso acontece, são emitidos 
impulsos ultrassónicos.
Aplicação - Ultrassom
Sensores piezoelétricos - Outras aplicações
Sensores de colisão: 
Produz tensão devido à força da colisão.
O sensor detecta a colisão é aciona o 
inflador que enche o airbag com gás 
nitrogênio.
Sensores de injeção de combustível: -
● Funciona mais rápido que os injetores 
convencionais.
● Consome menos quantidade de eletricidade.
● Control Fornece controle preciso sobre o fluxo de 
combustível.
Sensores piezoelétricos - Outras aplicações
Sensor de colisão no motor: 
● Controle de colisão para motores de combustão 
interna.
Sensores de captação de energia: 
● O PZT pode ser usado como coletor de 
energia em pneus de carros, aumentando 
o alcance da bateria de carros.
● Mas ainda em fase experimental.
Sensores piezoelétricos - Outras aplicações
Detecção de 
desgaste das 
rodas do trem
Sensores piezoelétricos - Outras aplicações
Aeronaves:
● Sensores piezoelétricos são utilizados 
para o diagnóstico de danos nas asas 
dos aviões.
● Pode detectar em um estágio muito 
inicial.
● Usa o conceito de padrão de ruído 
para detectar danos.
● Ainda em fase experimental e 
aplicações limitadas na vida real.
Sensores piezoelétricos - 
Esportes
Tecidos piezoelétricos com biossensores 
autoalimentados para monitoramento 
fisiológico e análise de movimento de 
tempo de esportes individuais estão sendo 
desenvolvidos. Depois de encaixar o 
dispositivo de forma adequada ao atleta, o 
dispositivo pode monitorar em tempo real a 
velocidade de movimento, a frequência, o 
ângulo da articulação e a concentração de 
lactato no suor do atleta. Todo o processo 
de monitoramento/análise é livre de 
bateria. 
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/a
rticles/PMC6696300/
https://www.google.com/url?q=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6696300/&sa=D&source=editors&ust=1686440083917280&usg=AOvVaw1jTi4cOb6-cFXRTyuk1XFZ
https://www.google.com/url?q=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6696300/&sa=D&source=editors&ust=1686440083917460&usg=AOvVaw1SR2aaqOM8XLkm5kNgSmAj
Bibliografia
DOEBELIN, E., Measurement Systems - Application and Design, Ed. McGraw Hill 
4th Edition, 1992.
BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J.; Instrumentação e fundamentos de 
medidas, volume 1 e 2, 2010.
HOLMAN, J. P.; Experimental Methods for Engineers; McGraw. McGraw Hill, Inc