INTERFACACEAMENTO UNIDADE 2

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<p>Integração de Sistemas</p><p>Responsável pelo Conteúdo:</p><p>Prof. Esp. Márcio Belloni</p><p>Revisão Textual:</p><p>Prof.ª Dr.ª Luciene Oliveira da Costa Granadeiro</p><p>Sensores Aplicados à Integração de Sistemas</p><p>Sensores Aplicados à</p><p>Integração de Sistemas</p><p>• Estudar os sensores existentes e sua aplicação em sistemas eletrônicos e sua integração.</p><p>OBJETIVO DE APRENDIZADO</p><p>• Introdução aos Sensores;</p><p>• Tipos de Sensores;</p><p>• Construção de Sensores;</p><p>• Conexão de Sensores aos Sistemas de Transdução.</p><p>UNIDADE Sensores Aplicados à Integração de Sistemas</p><p>Introdução aos Sensores</p><p>Quando acorda, mesmo antes de abrir os olhos, você é consciente de suas</p><p>extremidades, e não precisa olhar para o braço ou perna para saber sua posição.</p><p>Instantaneamente, encontra-se ciente da temperatura do quarto, luminosidade, nível</p><p>de ruído e possui exata percepção de sensações mais internas, como sobre se ainda</p><p>se encontra sonolento.</p><p>Os sensores são os meios com os quais os sistemas tornam-se conscientes do</p><p>ambiente que os cerca, ou seja, imita os sentidos humanos e vão além, integrando-se</p><p>aos sistemas de detecção e, por sua vez, ao sistema de processamento, para informar</p><p>as condições exatas do ambiente.</p><p>Nesse contexto, o sistema de sensoriamento integrando-se ao sistema de proces-</p><p>samento possibilita aquisição de dados sobre o meio ambiente que é de interesse do</p><p>sistema, formando um banco de dados valioso para viabilizar a interação e integração</p><p>entre sistemas. E o leitor já percebe a importância da correta escolha do sistema de</p><p>sensoriamento, devendo considerar, nesta seleção, as seguintes características:</p><p>• Custo: relacionar custos é importante no projeto, e os custos dos sensores são</p><p>parte desta relação. Sensores muito caros podem ser substituídos por opções</p><p>mais econômicas dependendo da finalidade para a qual se destina. Por exem-</p><p>plo, em domótica, sensores de alta definição não precisam ser utilizados, pois</p><p>as grandezas a se considerarem, na sua maior parte, são temperatura, posi-</p><p>cionamento e luminosidade, podendo ser utilizados sensores menos precisos.</p><p>Contudo, sensores de alarmes contra incêndio, detetores de fumaça ou sensores</p><p>de presença para alarmes devem possuir considerável precisão devido ao uso</p><p>ao qual se destinam;</p><p>• Tamanho: o tamanho do sensor deve ser condizente com o tamanho do local</p><p>em que será instalado e do equipamento que será controlado. Em domótica,</p><p>prefere-se que os sensores sejam imperceptíveis, devido à estética, à arquitetura,</p><p>ao design de interiores e mesmo ao fato de que o usuário, em domótica, não</p><p>deve perceber a presença de sensores e atuadores, propiciando uma imersão</p><p>muito maior e a noção de que a residência realmente assemelha-se ao humano;</p><p>• Peso: o sistema de sensoriamento deve possuir o peso correto, não dificultando</p><p>o sistema num todo de executar suas funções. Por exemplo, em um drone, o</p><p>sensor não deve impossibilitá-lo de voar;</p><p>• Saída analógica ou digital: os sensores podem possuir uma saída analógica ou</p><p>digital dependendo das grandezas e definições desejadas. Os sistemas formados</p><p>pelos processadores ATMega podem tratar as duas formas de saídas, sendo</p><p>que as formas analógicas utilizarão entradas especiais. No total, acabam sendo</p><p>tratados pelo microprocessador como se fossem digitais;</p><p>• Interface: a saída do sensor geralmente não possui condições suficientes para</p><p>ser lido pelo sistema de processamento, como no caso de valor máximo de</p><p>8</p><p>9</p><p>tensão. Então, o detetor irá adequar esses sinais criando uma interface entre o</p><p>sensor e o microprocessador. Geralmente, utiliza-se um sistema amplificador</p><p>para aumentar a amplitude do sinal ;</p><p>• Resolução: trata-se do tamanho do passo mínimo dentro do intervalo de medi-</p><p>ção. É a quantificação do valor mínimo possível no sensoriamento. Para dispo-</p><p>sitivos digitais:</p><p>Resolução</p><p>2n</p><p>AlcanceTotal</p><p>=</p><p>Por exemplo: um sensor de movimento consegue detectar o movimento em</p><p>um arco de 180°. Sendo o sinal formado por um binário de 4 bits, a resolução</p><p>será de 11,25°.</p><p>4</p><p>180ºResolução 11,25º</p><p>2</p><p>= =</p><p>Para os dispositivos analógicos, consideram-se os valores das grandezas físicas</p><p>em questão. Por exemplo, em um potenciômetro, a resolução é a própria resis-</p><p>tência do mesmo ;</p><p>• Sensibilidade: o sensor sempre vai transformar uma grandeza física em outra</p><p>(para o uso em dómotica, uma grandeza elétrica), e assim a sensibilidade é a</p><p>relação entre a entrada e a saída do sensor;</p><p>SaídaSensibilidade</p><p>Entrada</p><p>=</p><p>Um sensor de posição para verificar o quanto de uma persiana está aberta, que</p><p>considera de 0cm até 100cm esta abertura, deverá indicar de 0V a 5V na saída.</p><p>Sua sensibilidade será de 0,05 V/cm:</p><p>5 0,05</p><p>100</p><p>V VSensibilidade</p><p>cm cm</p><p>= =</p><p>• Linearidade: o sinal do sensor deve ser o mais linear possível, podendo, assim,</p><p>ser traduzido com uma expressão que se aproxima de seu sinal real de saída.</p><p>Esta expressão é linear. Por exemplo, um sensor que define em sua saída uma</p><p>reta de tensão (U) segundo um movimento de uma boia em um reservatório (L),</p><p>poderá ser representado por uma expressão US = 2L + 3 [V], sendo que o reser-</p><p>vatório nunca fica totalmente cheio (mantendo sempre 3 Litros no seu interior</p><p>quando considerado vazio pelo sensor). Veja, então, que é possível ajustar a</p><p>expressão de linearização ao caso real. Também se sabe que nenhum sensor é</p><p>completamente linear, devendo-se observar os métodos de linearização, como</p><p>cálculos numéricos, por exemplo, elevando o valor ao quadrado para forçar</p><p>uma expressão de segunda ordem para o sinal. Essa linearização pode ser pro-</p><p>videnciada na programação do microcontrolado;</p><p>9</p><p>UNIDADE Sensores Aplicados à Integração de Sistemas</p><p>• Gama: é a diferença entre menor e maior valor que o sensor poderá oferecer</p><p>como saída. Assim, está ligado diretamente à sensibilidade, mas o micropro-</p><p>cessador trabalhará com valores discretos. Assim, esses valores também estão</p><p>relacionados com a capacidade de tratar os dados pelo microprocessador;</p><p>• Tempo de resposta: o sensor, verificando uma alteração no ambiente irá ofere-</p><p>cer um sinal condizente com a alteração. Mas a relação entre essa alteração de</p><p>grandeza física no ambiente e a resposta no sinal do sensor pode variar depen-</p><p>dendo das características construtivas do sensor (material utilizado, geometria</p><p>do sensor e forma de interagir com o meio ambiente).</p><p>Por exemplo, se comparar um termômetro convencional com um potenciômetro</p><p>para sensoriamento de deslocamento, o termômetro possui um tempo de resposta</p><p>lento, enquanto o potenciômetro possui um tempo de resposta instantânea;</p><p>• Resposta de frequência: um sensor tem sua resposta também relacionada aos</p><p>valores de ciclos por segundo, ou seja, um sensor que verifica a oscilação de</p><p>temperatura pode possuir uma resposta de frequência mais baixa, como, por</p><p>exemplo, o sensoriamento de abertura e fechamento do portão de entrada da</p><p>residência. Isso ocorre em intervalos de minutos ou horas, e mesmo que se dese-</p><p>ja abrir e fechar o portão rapidamente, existem os limites postos pelo rolamento</p><p>do portão e pelo peso deste, além da capacidade humana de abri-lo e fechá-lo</p><p>em relação ao momento existente no engaste do portão. Assim, um sensor</p><p>com resposta de 1 ciclo por segundo (1MHz) irá ser mais que perfeito para esse</p><p>uso. Contudo, um sensor que busca analisar a corrente e tensão, ou até o fator</p><p>de potência da energia elétrica que abastece a residência, deve possuir uma</p><p>resposta mais rápida, de pelo menos 60MHz (Frequência da rede elétrica no</p><p>Brasil), para não deixar passar picos de tensão despercebidos;</p><p>• Confiabilidade: como foi dito, a escolha do sensor ideal para a aplicação de-</p><p>pende de fatores relacionados à grandeza a ser medida. Assim, em alguns mo-</p><p>mentos, pode-se aceitar a falha do sensor, mas, em outros, não. Isso pode ser</p><p>verificado relacionando-se a quantidade de vezes em que o sistema opera cor-</p><p>retamente, pela quantidade que esse sistema é utilizado. Assim, um sistema de</p><p>sensoriamento que nunca falha possui confiabilidade de 100%.</p><p>Em domótica, deve-se optar por</p><p>sensores de alta confiabilidade, pois, se um</p><p>sensor que acusa o fechamento da porta da garagem, por exemplo, falhar, pode</p><p>permitir a abertura acidental da porta da garagem, deixando a mesma despro-</p><p>tegida na ausência dos moradores;</p><p>• Precisão: é o quanto o sinal de saída está do valor esperado. Por exemplo,</p><p>um sensor de temperatura, ao nível do mar, mergulhado em água pura, deverá</p><p>apresentar na interface do usuário exatos 100°C;</p><p>• Repetibilidade: até pelas características do método científico, sabe-se que os</p><p>sensores devem manter um padrão de saída. A repetibilidade é o quão variado</p><p>são as saídas para uma mesma entrada. Quanto mais próximos os valores do</p><p>sensor para uma mesma entrada, melhor é a repetibilidade.</p><p>10</p><p>11</p><p>Tipos de Sensores</p><p>Sensores de Posição</p><p>• Potenciômetro: Geralmente é utilizado como reostato ou como divisores de</p><p>tensão ajustáveis. Possuem a vantagem de serem baratos e simples. Um poten-</p><p>ciômetro transforma uma informação de posição em uma tensão variável por</p><p>resistor. À medida que o contato se desloca devido à variação de posição, a resis-</p><p>tência varia, alterando a tensão. Embora seja confiável, robusto e preciso, o sinal</p><p>de tensão ainda deve ser convertido para o seno do ângulo. O ideal é um sensor</p><p>que faça isso diretamente como o resolvedor ;</p><p>Figura 1 – Potenciômetro</p><p>Fonte: Wikimedia Commons</p><p>• Resolvedores: Semelhante a um TDVL, um resolvedor também é um transfor-</p><p>mador, no qual uma bobina primária conectada a um rotor transporta uma cor-</p><p>rente alternada, fazendo o papel do núcleo. Duas bobinas secundárias estão de-</p><p>fasadas em 90° uma da outra. Quando o rotor gira, uma bobina desenvolve uma</p><p>tensão proporcional ao seno, e a outra, ao cosseno do ângulo medido, eliminando</p><p>a necessidade de calcular esses valores mais tarde. Além disso, o resolvedor é</p><p>confiável, robusto e preciso, tornando-o a melhor alternativa para essa aplicação ;</p><p>• Chave de fim de curso ou limitadora: As chaves de fim de curso possuem uma</p><p>haste de contato onde o objeto, ao entrar em contato, movimenta-a fisicamente</p><p>para acionar um sistema de contatos elétricos que entram em contato ou desligam</p><p>esse contato, podendo inclusive ser utilizado para contagem. Esses dispositivos são</p><p>dotados de contatos elétricos, bastante simples e de baixo custo. Existem diversas</p><p>variedades e tamanhos que permitem ser aplicados a diversas opções de projetos ;</p><p>Figura 2 – Chave de fi m de curso ou limitadora</p><p>Fonte: Wikimedia Commons</p><p>11</p><p>UNIDADE Sensores Aplicados à Integração de Sistemas</p><p>• Sensor de ultrassom: É utilizado para detectar o posicionamento de objetos.</p><p>Costuma ser bastante preciso. Com a excitação de um sistema acústico, emite-</p><p>-se som na faixa de ultrassom. O ultrassom possui a vantagem de ecoar quando</p><p>tocar em objetos sólidos, retornando à origem, podendo ser percebido por um</p><p>sensor. Dessa forma, o tempo de ida e retorno do ultrassom é bastante conhecido</p><p>e, assim, sabe-se a distância e posição do objeto refletor;</p><p>Funcionamento do sensor de posição por ultrassom: https://bit.ly/3d7xHJw</p><p>• Sensor de efeito hall: O efeito hall é uma propriedade que se manifesta em</p><p>um condutor quando um campo magnético perpendicular ao fluxo de corrente</p><p>é aplicado sobre ele. Quando isso ocorre, uma diferença de potencial no con-</p><p>dutor é gerada, chamada de Tensão de Hall. Ao ser inserido em um campo</p><p>magnético, o sensor hall responderá com uma tensão elétrica que varia de</p><p>acordo com a intensidade do campo magnético. Esse sensor pode ser utilizado</p><p>como sensor de proximidade. Neste sensor, a tensão de saída de um condutor</p><p>que transporta uma corrente varia na presença de um campo magnético, por</p><p>efeito hall. Logo, quando um imã (ou uma bobina) está perto do sensor, a tensão</p><p>de saída varia. Há a necessidade posterior de conversão da tensão no seno do</p><p>ângulo caso queira-se trabalhar com esse sensor de forma trigonométrica.</p><p>Corrente</p><p>Semicondutor</p><p>V</p><p>A</p><p>+</p><p>V ≠ 0</p><p>i</p><p>Campo</p><p>N</p><p>Portadores de</p><p>carga desviados</p><p>Corrente</p><p>menor</p><p>Figura 3 – Funcionamento do sensor Hall</p><p>Fonte: Adaptado de Wikimedia Commons</p><p>Sensores de Velocidade</p><p>• Codificadores:</p><p>» Codificador incremental: possui o funcionamento basicamente de um sensor</p><p>ótico. Uma régua ou disco é dividido de forma que setores opacos e transpa-</p><p>rentes podem bloquear ou permitir a passagem da luz. De um lado do disco, é</p><p>posicionada uma fonte luminosa e, do outro lado, um sensor ótico. Com o giro</p><p>do disco, dois estados serão verificados, como sensor iluminado e não iluminado.</p><p>Assim, o circuito detetor receberá um sinal digital. Pela posição dos espaços do</p><p>disco e pelos pulsos gerados, pode-se localizar a posição do disco. Além disso,</p><p>é possível obter a velocidade do giro. Uma desvantagem é a necessidade de um</p><p>circuito ou microcontrolador para analisar o ângulo do giro e contar os pulsos;</p><p>12</p><p>13</p><p>Figura 4 – Codifi cador incremental</p><p>Fonte: Wikimedia Commons</p><p>Figura 5 – Disco do codifi cador incremental</p><p>Fonte: Wikimedia Commons</p><p>• Transformadores diferenciais variáveis lineares (TDVL): Um transformador</p><p>linear variável (ou transdutor) é na verdade um transformador cujo núcleo se</p><p>move com a distância medida e que gera uma tensão variável analógica como</p><p>resultado desse deslocamento. Em função de sua construção, deve ser utilizado</p><p>para medir posições lineares.</p><p>Sensores de Força e Pressão</p><p>• Sensor Piezoelétrico: Os materiais piezoelétricos, quando sujeitos a uma pres-</p><p>são mecânica, respondem com uma polarização. Esse efeito direto consiste na</p><p>conversão de energia mecânica em energia elétrica, por isso são chamados de</p><p>transdutores. O efeito reverso, aparecimento de uma deformação, quando um</p><p>campo elétrico é aplicado, também ocorre.</p><p>Em geral, os materiais piezoelétricos não conduzem eletricidade, e podem ser</p><p>divididos em cristais e cerâmicas. O cristal piezoelétrico mais conhecido é o quartzo</p><p>que é um cristal de sílica com estrutura cristalina hexagonal. A cerâmica mais co-</p><p>nhecida é o Titanato de Bário; no caso das cerâmicas, é preciso fazer um tratamento</p><p>térmico para que a propriedade piezoelétrica seja ativada.</p><p>Quando aplicamos uma pressão, tensão ou vibração sobre o material piezoelétrico,</p><p>ele é deformado elasticamente e os átomos ou íons sofrem pequenos deslocamentos</p><p>que resultam em uma separação de cargas com distribuição não uniforme. Devemos</p><p>notar que, se o material estava inicialmente neutro, ele permanecerá neutro após a</p><p>aplicação da tensão, respeitando a conservação de carga. As cargas separadas são</p><p>chamadas de cargas de polarização ou cargas ligadas. A distribuição não uniforme</p><p>de cargas é uma polarização dielétrica. As cargas ligadas são as fontes de um campo</p><p>elétrico que se forma dentro do material. A polarização é uma grandeza vetorial e</p><p>tem a mesma direção da deformação sofrida. Ao invés de trabalhar com o campo</p><p>elétrico, podemos trabalhar com outra grandeza chamada deslocamento elétrico.</p><p>Sensores de Torque</p><p>Um sensor de torque mede a quantidade de força rotacional em componentes</p><p>mecânicos. As medições são transmitidas aos operadores ou sistemas de controle</p><p>para que as máquinas possam funcionar corretamente, de acordo com o bom fun-</p><p>cionamento dos motores.</p><p>13</p><p>UNIDADE Sensores Aplicados à Integração de Sistemas</p><p>No sensor, uma mola de metal está ligada a um medidor de tensão, que é afetado</p><p>pelo sensor de torque que é exposto na aplicação. A tensão é gerada com base na</p><p>quantidade de torque que existe. Um transdutor de torque é normalmente classificado</p><p>como um sensor de rotação ou de reação, e suas funções são dependentes de quanto</p><p>torque ele pode manipular, do tipo de carga e das unidades, sendo que ele é cons-</p><p>truído para tolerar altas cargas quando uma máquina ou motor inicia sua operação.</p><p>Sensores de Temperatura</p><p>Dos sensores de temperatura, o mais conhecido certamente é o termômetro.</p><p>Contudo, para automação, os sensores devem ter uma saída elétrica para que este</p><p>sinal possa ser trabalhado pelo sistema de processamento.</p><p>• Termopar: Termopares são sensores de temperatura simples, robustos e de baixo</p><p>custo, sendo amplamente utilizados nos mais variados processos de medição de</p><p>temperatura. Um termopar é constituído de dois metais distintos unidos em uma</p><p>das extremidades. Quando há uma diferença de temperatura entre a extremidade</p><p>unida e as extremidades livres, verifica-se o surgimento de uma diferença de</p><p>potencial que pode ser medida por um voltímetro. Diferentes tipos de termopares</p><p>possuem diferentes tipos de curva diferença de potencial versus temperatura;</p><p>• Termistor: Existem basicamente dois tipos de termistores:</p><p>» NTC (do inglês, Negative Temperature Coefficient): termistores cujo coe-</p><p>ficiente de variação de resistência com a temperatura é negativo: a resistência</p><p>diminui com o aumento da temperatura;</p><p>» PTC (do inglês Positive Temperature Coefficient): termistores cujo coefi-</p><p>ciente de variação de resistência com a temperatura é positivo: a resistência</p><p>aumenta com o aumento da temperatura.</p><p>Conforme a curva característica do termistor, o seu valor de resistência pode dimi-</p><p>nuir ou aumentar em maior ou menor grau em uma determinada faixa de temperatura.</p><p>Assim, alguns podem servir de proteção contra sobreaquecimento, limitando a</p><p>corrente eléctrica quando determinada temperatura é ultrapassada. Outra aplicação</p><p>corrente, no caso, em nível industrial, é a medição de temperatura (em motores,</p><p>por exemplo), pois podemos, com o termistor, obter uma variação de uma grandeza</p><p>eléctrica em função da temperatura a que este se encontra;</p><p>• Termostato: O termostato é utilizado para manter constante uma temperatura no</p><p>ambiente. Assim, pode-se utilizar diversas grandezas físicas e fenômenos térmicos;</p><p>» Termóstatos Mecânicos: nesta categoria, estão os termóstatos que utilizam</p><p>elementos de sensor bimetálicos e o princípio de gás de expansão;</p><p>» Termóstatos Digitais: operam da mesma maneira, porém, utilizam um disposi-</p><p>tivo chamado termistor, uma espécie de resistor que varia a resistência conforme</p><p>a elevação da temperatura; essa variação é interpretada pelo circuito electrônico</p><p>que pode ser configurado para tomar alguma ação, como, por exemplo, acionar</p><p>um relé. Termostatos Digitais apresentam uma ligeira vantagem em relação aos</p><p>14</p><p>15</p><p>mecânicos por oferecerem suporte à programação e a temporização de ações,</p><p>além de terem durabilidade e fiabilidade maiores ;</p><p>» Termóstatos Pneumáticos: é um termóstato que controla um sistema de</p><p>aquecimento ou de arrefecimento através de uma série de tubos de controle</p><p>contendo ar. Esse sistema de “air control” responde às mudanças de pressão</p><p>(devido à temperatura) no tubo de controle para ativar o aquecimento ou res-</p><p>friamento quando necessário.</p><p>Sensores de Umidade</p><p>A medida da umidade relativa de um meio não pode ser feita de maneira direta, mas</p><p>a variação da concentração de vapor de água no meio provoca, em alguns materiais,</p><p>efeitos como mudanças nas suas propriedades elétricas, deformação mecânica, dentre</p><p>outras. E, através desses efeitos, podem-se relacionar os valores da umidade relativa.</p><p>As cerâmicas porosas como as de Al2O3, TiO2 e MgCr2O4 têm sido estudadas como</p><p>sensores de umidade, visto que apresentam uma alta resistência mecânica e operam em</p><p>uma ampla faixa de temperatura. A cerâmica CaCu3Ti4O12, por exemplo, possui o valor</p><p>da sua permissividade dielétrica inalterável na faixa entre 100 K a 400 K sob a mesma</p><p>umidade. Porém, a exposição prolongada de sensores cerâmicos em ambientes úmidos</p><p>leva à adesão de íons OH- na sua superfície, o que pode causar uma variação perma-</p><p>nente no valor da sua resistência elétrica. Além disso, sensores de umidade são normal-</p><p>mente expostos a atmosferas que contêm uma série de impurezas, tais como poeira,</p><p>óleo, fumo, álcool e solventes. A adesão ou adsorção desses compostos na superfície da</p><p>cerâmica pode causar mudanças irreversíveis na resposta do sensor.</p><p>A alteração dos parâmetros elétricos dos sensores cerâmicos com a variação da</p><p>umidade relativa ocorre devido aos processos de absorção física e química da água e</p><p>também por causa da natureza do material. Vários tipos de polímeros, como nanofi-</p><p>bras de polianilina, poliestireno sulfonado de sódio, polipirrol com nanopartículas de</p><p>TiO2, policarbonato sulfonado e polisulfona sulfonada também têm sido empregados</p><p>como sensores de umidade.</p><p>Os sensores de umidade poliméricos e cerâmicos podem ser classificados como</p><p>resistivos ou capacitivos de acordo com as variações das suas propriedades elétricas</p><p>com a umidade relativa.</p><p>Os sensores de umidade capacitivos são baseados na variação da permissividade die-</p><p>létrica do filme higroscópico com a umidade relativa do meio. As características desses</p><p>sensores são determinadas pelo tipo de material higroscópico, como, por exemplo, um</p><p>polímero com características hidrofílicas, e pela geometria dos contatos interdigitados.</p><p>0 r AC</p><p>d</p><p>ε ε</p><p>=</p><p>O sensor de umidade do tipo resistivo é constituído de um material higroscópico</p><p>cuja resistência (R) varia com a umidade relativa. A resistência de um sensor de umi-</p><p>dade do tipo resistivo depende de alguns parâmetros, como:</p><p>15</p><p>UNIDADE Sensores Aplicados à Integração de Sistemas</p><p>• Comprimento (d) e área da secção transversal (A) do sensor;</p><p>• Número de portadores (n) de carga (e ~ 1,6x10-19 C) dentro do filme higroscópico;</p><p>• Mobilidade (μ), que é uma grandeza que quantifica a capacidade dos portadores</p><p>de carga do material em responderem a uma excitação proveniente de um cam-</p><p>po elétrico aplicado.</p><p>dR</p><p>Aneµ</p><p>=</p><p>Sensores de Presença</p><p>• Sensores Ópticos Retrorreflexivos: Um dos sensores que oferece o nível mais</p><p>elevado de confiabilidade é o retrorreflexivo. Neste sensor, o emissor e o recep-</p><p>tor de luz são montados num único corpo. A luz transmitida pelo emissor deve</p><p>refletir no material retrorrefletor a ser detectado e retornar no receptor o qual</p><p>emitirá o sinal elétrico de saída;</p><p>• Sensores Capacitivos: Os sensores de proximidade capacitivos são dispositivos</p><p>capazes de identificar a presença de objetos como papel, madeira, plástico, vidro</p><p>e até líquidos e materiais que interferem na capacitância do sensor. Diferente-</p><p>mente dos demais sensores, seu princípio de funcionamento é baseado na mu-</p><p>dança da capacitância do sistema que ocorre quando existe variação na distância</p><p>entre o objeto e a placa, fazendo o oscilador emitir um sinal para o mecanismo;</p><p>• Sensores Indutivos: Sensores de proximidade desse tipo usam campos magné-</p><p>ticos para detectarem a presença de objetos. Quando um objeto perturba esse</p><p>campo, ocorre a mudança da corrente e o circuito é aberto ou fechado, depen-</p><p>dendo de como foi ajustado.</p><p>Sensores de Fumaça</p><p>• Detector fotoelétrico: um LED emissor de infravermelho é posicionado em um</p><p>labirinto e, no final deste labirinto, é colocado um fotodiodo, que é posicionado</p><p>para que, em condições normais, não receba a incidência da luz infravermelha</p><p>do LED. Contudo, em um ambiente com fumaça, a luz do LED vai sofrer o</p><p>fenômeno da dispersão de luz, incidindo no fotodiodo e acionando o alarme por</p><p>meio de um circuito detetor;</p><p>• Detector termovelocimétrico: este sensor não detecta a fumaça propriamente</p><p>dita, mas sim a alteração de temperatura causada pela presença do incêndio.</p><p>Mesmo a fumaça, proveniente de incêndio, possuirá alta temperatura, acio-</p><p>nando o sensor. Dois termopares são colocados em contato com ambientes</p><p>diversos. Um com um ambiente interno do compartimento do senhor e outro</p><p>em contato com o ambiente externo. O ambiente interno se estabilizará, em</p><p>condições normais, com o ambiente externo. Mas, em caso de alteração brusca</p><p>de temperatura por causa do incêndio, haverá diferença de temperatura entre</p><p>16</p><p>17</p><p>o ambiente interno e externo. Trata-se assim de um sensor diferenciador de</p><p>temperatura, que, por sua própria condição, consegue detectar a fumaça prove-</p><p>niente de incêndio. Contudo, outra fumaça não será percebida ;</p><p>• Detector Iônico: são os mais utilizados em alarmes de incêndio. A exemplo</p><p>do sensor termovelocimétrico, o sensor iônico possui também duas câmeras.</p><p>A diferença entre as câmaras é o que denuncia</p><p>a presença de fumaça. Nele,</p><p>uma lâmina de Americium 241 ioniza o nitrogênio e o oxigênio presentes no ar,</p><p>permitindo a passagem de uma pequena corrente elétrica. A presença de fuma-</p><p>ça ou gases inerentes à formação do incêndio acaba por bloquear a passagem</p><p>dessa corrente elétrica. Recomenda-se a instalação de 1 sensor iônico a cada</p><p>36 m², em caso de tetos planos e locais sem ventilação. Em caso de tetos com</p><p>alteração de superfície ou locais ventilados, essa área diminuirá.</p><p>Sensores de Gás</p><p>Este sistema de sensoriamento é constituído de granulados de dióxido de estanho</p><p>(SnO2) em torno de um filamento metálico que acaba funcionando como um diodo.</p><p>Este dióxido de estanho é adicionado ao filamento por meio de sintetização de me-</p><p>tais, onde se aquece o material alterando suas características físicas. Da mesma</p><p>forma, existirá uma barreira de potencial que, na presença de oxigênio, permitirá a</p><p>passagem de uma fraca corrente elétrica. Quando a fumaça diminui a presença do</p><p>oxigênio, a barreira de potencial diminui e a corrente no filamento aumenta, poden-</p><p>do ser percebida pelo circuito detetor.</p><p>Os gases possuem faixas de concentração em que pode ou não ocorrer explosão.</p><p>Os sensores normalmente atuam quando a concentração é um pouco superior ao</p><p>nível de explosão baixo.</p><p>Tabela 1 – Faixa de atuação</p><p>Níveis de concentração dos gases Atuação do Sensor Efeito</p><p>LEL – Low Explosion Level</p><p>(Nível de explosão Baixo) Inoperante</p><p>Nesse ponto, o gás não tem concen-</p><p>tração suficiente para explodir nem</p><p>ser detectado.</p><p>Faixa intermediária Geralmente ativado entre 1% e 10%</p><p>Nessa faixa, o gás pode explodir ou</p><p>não. Normalmente os sensores são ati-</p><p>vados entre 1% e 10%.</p><p>MEL – Maximum Explosion</p><p>Level (Nível de Explosão Máximo) Ativado</p><p>A partir desse momento, o gás tem</p><p>concentração mais do que suficiente</p><p>para explodir.</p><p>Sensores de Luminosidade</p><p>LDR (do inglês Light Dependent Resistor ou Resistor Variável Conforme Inci-</p><p>dência De Luz) é um tipo de resistor cuja resistência varia conforme a intensidade de</p><p>radiação eletromagnética do espectro visível que incide sobre ele.</p><p>17</p><p>UNIDADE Sensores Aplicados à Integração de Sistemas</p><p>Sensores para Energia Elétrica</p><p>• Transformador de corrente: Um transformador de corrente pode ser utilizado</p><p>como sensor em domótica para analisar a corrente em determinado circuito na</p><p>residência e assim optar por soluções em eficiência energética.</p><p>Construção de Sensores</p><p>Neste momento, veremos como se pode utilizar de artifícios para criar sensores.</p><p>O profissional moderno, que atua em tecnologias, deve ser mais que um aplicador</p><p>de tecnologia. O profissional da indústria 4.0 é, acima de tudo, um inovador. E, as-</p><p>sim, vamos apresentar alguns artifícios para solução de problemas com a criação de</p><p>sensores de forma prática e de baixo custo.</p><p>Sensores Óticos</p><p>Utilizando-se dos efeitos fotossensíveis, pode-se criar sensores óticos simples e</p><p>bastante eficazes. Um circuito simples formado com um fotorresistor ou um fototran-</p><p>sistor (o qual se prefere por funcionar diretamente como uma chave) pode solucionar</p><p>problemas e gerar grandes resultados. Inclusive com os fototransistores, pode-se</p><p>captar a frequência de um sinal emitido via LASER.</p><p>Uma pequena placa fotovoltaica pode funcionar como um sensor de dia e noite,</p><p>indicando, segundo a corrente gerada, o período do dia.</p><p>Sensor de Velocidade</p><p>Utilizando um componente chamado reedswitch, que fechará seus contatos sem-</p><p>pre que estiver na presença de um campo magnético, e um imã preso a um eixo</p><p>rotacional, medindo-se quantas vezes o ímã passa em frente ao reedswitch, e alimen-</p><p>tando-o com uma corrente contínua, poderão ser medidas quantas voltas completas</p><p>o eixo dará, indicando, assim, a velocidade angular (ω), que, com um cálculo básico,</p><p>poderá ser convertido para velocidade linear (V).</p><p>Reedswitch: https://bit.ly/3fpuJ4D</p><p>18</p><p>19</p><p>Conexão de Sensores aos</p><p>Sistemas de Transdução</p><p>Sabe-se que, a partir dos valores de velocidade, pode-se chegar aos valores de</p><p>deslocamento. Assim, com um artifício simples, todo sensor de velocidade pode</p><p>entregar os valores de deslocamento: o uso de um amplificador operacional configu-</p><p>rado como integrador.</p><p>1</p><p>o iV V dt</p><p>RC</p><p>= − ∫</p><p>Figura 6 – Amplifi cador Operacional Integrador</p><p>Fonte: Wikimedia Commons</p><p>Da mesma forma, com um sensor que forneça posição, pode-se usar um amplifi-</p><p>cador operacional configurado como diferenciador para encontrar a velocidade.</p><p>i</p><p>o</p><p>dVV RC</p><p>dt</p><p>= −</p><p>–</p><p>+ Vout</p><p>Vin</p><p>C</p><p>R</p><p>Figura 7 – Amplifi cador Operacional Integrador</p><p>Fonte: Wikimedia Commons</p><p>Da mesma forma, pode-se chegar à aceleração por meio dessas configurações</p><p>com os amplificadores operacionais.</p><p>19</p><p>UNIDADE Sensores Aplicados à Integração de Sistemas</p><p>Sensoriamento remoto (português brasileiro) ou deteção remota (português europeu) é o</p><p>conjunto de técnicas que possibilita a obtenção de informações sobre alvos na superfície</p><p>terrestre (objetos, áreas, fenômenos), através do registro da interação da radiação eletro-</p><p>magnética com a superfície, realizado por sensores distantes, ou remotos. Geralmente esses</p><p>sensores estão presentes em plataformas orbitais ou satélites, aviões e em nível de campo.</p><p>A NASA é uma das maiores captadoras de imagens recebidas por seus satélites. No Brasil,</p><p>o principal órgão que atua nessa área é o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais.</p><p>Figura 8 – Imagem obtida com satélite e sensoriamento</p><p>remoto da superfície do planeta (Estreio de Denver)</p><p>Fonte: Wikimedia Commons</p><p>20</p><p>21</p><p>Material Complementar</p><p>Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade:</p><p>Sites</p><p>Arduino</p><p>https://bit.ly/2YyHh2Q</p><p>Vídeos</p><p>O que é software Scada?</p><p>https://youtu.be/K6g2hzqSrDg</p><p>SMARTIF – Sistema de Domótica</p><p>https://youtu.be/pNteqS4RA-I</p><p>Leitura</p><p>Arduino</p><p>https://bit.ly/2UHUi91</p><p>Como funciona o Reed Switch (ART373)</p><p>https://bit.ly/30JhTKD</p><p>21</p><p>UNIDADE Sensores Aplicados à Integração de Sistemas</p><p>Referências</p><p>BOLTON, W. Mecatrônica: uma abordagem multidisciplinar. 4. ed. Porto Alegre:</p><p>Bookman, 2010.</p><p>DUNN, W. C. Fundamentos de instrumentação industrial e controle de processos.</p><p>Porto Alegre: Bookman, 2013.</p><p>LAMB, F. Automação industrial na prática. Porto Alegre: AMGH, 2015. (Série Tekne).</p><p>WENDLING, M. Sensores. Universidade Estadual Paulista. Documento eletrônico.</p><p>Disponível em: <https://www.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/ProfMarcelo-</p><p>Wendling/4---sensores-v2.0.pdf>. Acesso em 15/02/2020.</p><p>22</p>