Instrument Aula Sensores 20151

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29/07/2015
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Instrumentação EletrônicaInstrumentação Eletrônica
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Juazeiro Jul 28,2015
Prof. José Américo Moura – Eng. Elétrica
SENSORES
Prof. José Américo Moura
Características
Nível : 1 , 2 e 3
Instrumentação EletrônicaInstrumentação Eletrônica
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Nível : 1
• A interface entre o controle do processo
(NIVEL II) e o mundo físico é feita por:
 Sensores  dispositivo de entrada.
 Atuadores  dispositivo de saída.
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Nível 1
• SENSOR é um dispositivo que converte uma
grandeza física, presente em um processo, em
um sinal elétrico ou qualquer outra forma de
interesse.
• ATUADOR é um dispositivo que converte um sinal
elétrico em uma grandeza física de interesse no 
processo.
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Nível 1: sensores
• SENSOR é um dispositivo que converte uma
grandeza física, presente em um processo, em
um sinal elétrico ou qualquer outra forma de
interesse.
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Nível 1: sensores
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Nível 1: sensores
Instrumentação EletrônicaInstrumentação Eletrônica
Nível 1
• Existe uma grande variedade de especificações distintas
para estes dipositivos (atuadores/sensores) de modo a
não existir, na maioriadas vezes, um consenso na sua
padronização.
 O projetista vai encontrar uma grande
variedade de especificações e interpretações dos
parâmetros de desempenho.
Consequência:
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Nível 1
• É importante compreender o papel da FOLHA DE
DADOS (DATA SHEET) destes componentes na hora de
lidar com esta variabilidade.
 evidencia os atributos positivos e enfatiza potenciais
aplicações.
 pode omitir comentários sobre características
negativas.
 em muitos casos o dispositivo foi desenvolvido para
uma aplicação e consumidor específico.
potenciais novos usuários precisam reconhecer isto : 
muitas das folhas de dados faltam informações para
aplicações em casos particulares.
O DATA SHEET é um documento de “marketing”.
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Nível 1: Características dos sensores
 mostra as relação funcional entre a grandeza física de 
entrada e o sinal de saída.
1. função de transferência
 geralmente representanda por um gráfico mostrando
saída x entrada. 
 para sensores com aplicações especiais (caros), estes
são calibrados individualmente e a função de
transferência aprece como certificado de calibração .
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Nível 1: Características dos sensores
1. função de transferência
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Nível 1: Características dos sensores
1. função de transferência
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Nível 1: Características dos sensores
 é também definida em termos da relação entre o sinal de saída e a grandeza
física de entrada.
 é geralmente a resposta do sensor para pequenos sinais.
 é expressa como a derivada da função de transferência com relação à entrada
(sinal físico). 
2. sensibilidade
Unidades típicas:
 volts/kelvin, 
millivolts/kilopascal,
 mV/G.
 e,t.c.. 
Ex: Um termômetro tem “alta sensibilidade” se uma pequena variação
na temperatuta resulta em uma grande mudança na tensão de saída.
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Nível 1: Características dos sensores
 é a faixa do sinal físico de entrada que pode ser convertido no
sinal elétrico de saída.
 sinais de entrada for a desta faixa podem não ser precisos.
 é a diferença entre o mínimo e o máximo da faixa.
3. Alcance (span)
Unidades típicas:
 Kelvin, 
 Pascal,
 Newton.
Volt
 e.t.c
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Nível 1: Características dos sensores
 é o maior erro esperado qdo se faz uma medida (erro absoluto).
 algumas vezes é expresso como erro relativo.
4. Precisão (accuracy)
Unidades típicas:
 Kelvin, 
 Pascal,
 Newton.
Volt
 e.t.c
 % FE (% FS ou % FSO)
 % do span
 % do VL.
 e.t.c
ABSOLUTA
RELATIVA
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Nível 1: Características dos sensores
 alguns sensores apresentam duas saídas para uma mesma
entrada. Em geral isto ocorre em processos cíclicos. A diferença
entre estas duas medidadas é o que chamamos de histerese.
 algumas vezes é expresso como erro absoluto (unidade da
grandeza medida) ou erro relativo (% FSO).
5. Histerese (hysteresis)
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Nível 1: Características dos sensores
 a sensibilidade depende da temperatura e é em geral
especificada em %/Tempetarura (< 0.025%/C), ou
através de curvas.
6. coeficiente de temperatura
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Nível 1: Características dos sensores
6. coeficiente de temperatura
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Nível 1: Características dos sensores
 é a diferença entre a resposta atual do dispositivo e a 
melhor reta que se ajusta a curva dentro da faixa de trabalho
especificada.
 em geral é especificado em < % FSO.
6. linearidade (linearity)
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Nível 1: Características dos sensores
7. ruído (noise)
8. largura de banda(bandwidth)
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Nível 1: Características dos sensores
1. função de transferência
2. sensibilidade
3. Alcance (span)
4. Precisão (accuracy)
5. Histerese (hysteresis)
6. coeficiente de temperatura
7. linearidade (linearity)
8. ruído (noise)
9. largura de banda(bandwidth)
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• Analógica
• Digital ou binário.( sensores discretos )
Nível 1: Características dos sensores
•Além das características já citadas, uma tem um papel
importante na escolha do sensor: TIPO DE SAÍDA.
• de contato mecânico
• de proximidade ( sem contato mecânico)
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• Analógica o transdutor possui uma
saída contínua, isto é, o sinal de saída
acompanha o sinal de entrada de acordo
com sua função de transferência.
Nível 1: Características dos sensores
•TIPO DE SAÍDA.
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• Digital ou binária a saída do
dispositivo é discreta, isto é, só
assume valores lógicos “0” ou “1”.
Nível 1: Características dos sensores
•TIPO DE SAÍDA.
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Nível 1: Características dos sensores
•TIPO DE SAÍDA.
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Nível 1: Características dos sensores
•TIPO DE SAÍDA.
A carga nunca deve ser conectada do 
lado da linha no switch.
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Nível 1: Características dos sensores
•TIPO DE SAÍDA.
Além dos limit switches, temos:
 chaves operadas manualmente
 chaves de nível
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Nível 1: Características dos sensores
•TIPO DE SAÍDA.
Além dos limit switches, temos:
 chaves de pressão
 chaves de temperatura
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
A eletrônica que acompanha o sensor 
tem um papel importante no seu 
desempenho global.
 Se projetada de maneira apropriada 
nos permite extrair boas informações de 
sinal ruidoso.
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Nível1: Eletrônica dos sensores
Muitos dos sensores não produzem 
uma tensão que possa ser usada nas 
entradas de conversão AD. 
 Para utilizá-los devemos polarizá-los 
(“bias”) e o sinal de saída amplificado.
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
 sensores resistivos
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
 sensores resistivos
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
 Limitações dos sensores.
 resistência dos terminais (lead 
resistence).
sol.: técnica das 4 pontas (fios).
 impedância de saída (output 
impedance).
Nível 1: Eletrônica dos sensores
 Limitações dos sensores.
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
 sensores capacitivos
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
 sensores capacitivos
 tensão alternada
 C é relativamente pequeno 
(~100pF).
 correntes parasitas.
 amplificador próximo.
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
 Limitações dos sensores.
 capacitâncias parasitas.
1. Minimizar a distância do sensor 
ao restante do circuito.
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
 sensores indutivos
 XL =2πfL
 técnicas mais elaboradas de 
fabricação.
 são em geral 3D.
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
 FILTROS têm basicamente a função de 
separar o sinal desejado em uma medida do 
ruído.
 passa baixa (low pass).
 passa alta (high pass).
 passa faixa (band pass).
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
 filtro passa baixa
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
 filtro passa alta (HP)
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
 filtro passa faixa (BP)
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
Amplificadores operacionais
 regras de ouro
1. Nenhuma corrente flui através da 
entradas (E+ e E-).
2. Quando em realimentação 
negativa, a saída será tal que as 
tensões das duas entradas sejam 
iguais.
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
Amplificadores operacionais
 seguidor de tensão (G=1)
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
Amplificadores operacionais
 amplificador inversor.
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
Amplificadores operacionais
 amplificador não-inversor.
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Nível 1: Aplicações dos sensores
• São inúmeros os tipos e aplicações dos sensores.
•Variando desde os mais simples, de uso corriqueiro, até
os de uso mais complexos em ambientes sensíveis e
hostis.
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Nível 1: Aplicações dos sensores
•Entre os mais utilizados temos:
1. posição e deslocamento
2. Presença
3. Temperatura
4. Pressão
5. Corrente, tensão e potência
6. ópticos
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Nível 1: Aplicações dos sensores
•Entre os mais utilizados temos:
7. velocidade
8. aceleração
9. nível
10. vazão
11. umidade
12. gases
13. pH
14. e.t.c
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 posição – coordenadas de um objeto em relação a 
determinado sistema de referência.
 deslocamento – movimento de uma posição para
outra por uma distância ou ângulo específico.
 proximidade – distância crítica sinalizada por uma
saída tipo on/off.
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
•Aplicações
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
•Aplicações
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
•Tecnologias utilizadas:
1. resistivos
2. Indutivos
3. capacitivos
4. eletromecânicos
5. piezoelétricos
6. ultrasônicos
7. encoders óptico
8. e.t.c
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 RESISTIVOS
 são geralmente chamados de 
POTENCIÔMETROS ou “POTs”.
 estão disponíveis numa grande variedade com 
aplicações específicas.
medidas de posição requerem potenciômetros
de precisão. Evite trimmers, reostatos, 
atenuadores, controle de volume, etc. 
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 RESISTIVOS
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 RESISTIVOS
para medirmos um delocamento/posição o 
“pot” é, em geral, montado numa configuração de 
divisor de tensão.
A saída do circuito é uma tensão analógica
pronta para o uso ou para digitalização.
A calibração prévia permite converter a 
tensão de saída em unidades de deslocamento.
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 RESISTIVOS
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 RESISTIVOS
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 RESISTIVOS
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 RESISTIVOS
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 RESISTIVOS
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 INDUTIVOS
 são amplamente utilizados na
indústria.
 são robustos e compactos.
sofrem pouco a influência do meio (ex. 
umidade, poeira, e.t.c) em comparação
com o capacitivo.
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 INDUTITIVO – aplicações típicas
 Ideal para detecção sem contato de objetos
metálicos.
 São usados em setores onde componentes
metálicos têm papel importante. Ex.:
a) indústria de motores.
b) Engenharia mecânica
c) Indústria robótica.
d) Sistemas transportadores
e) e.t.c
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 INDUTIVOS – como funciona
 também conhecidos como sensores de 
“corrente parasitas”.
 usam um campo eletromagnético que penetra
no alvo.
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 INDUTIVOS – como funciona
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 INDUTIVOS – como funciona
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 INDUTIVOS – como funciona
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 INDUTIVOS – como funciona
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Nível 1: Sensores de posiçãoe deslocamento
 INDUTIVOS – como funciona
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 INDUTIVOS - alvos
 Sensores indutivos são sensíveis ao material do 
alvo.
 Existem basicamente dois tipos de alvos:
a) ferrosos (magnéticos) : ferro e aços.
b) não-ferrosos (não-magnéticos): 
alumínio, cobre, latão, zinco e outros.
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 INDUTIVOS - alvos
Alguns sensores funcionam com os dois tipos
de alvos.
!! Para uma bom desempenho o sensor deve
ser calibrado para o material do alvo.
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 INDUTIVO – aplicações típicas
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 INDUTIVO – aplicações típicas
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Automação IndustrialAutomação Industrial
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 CAPACITIVOS
 são amplamente utilizados na
indústria e em aplicações científicas
Podem também ser utilizados na
detecção de humidade e misturas.
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 CAPACITIVOS
 detectam materiais condutores e 
não condutores, nas formas: sólida, pó
ou líquida.
Ex.: cerâmicas, plásticos, madeira, óleo, água, 
papelão e papel. 
!! O SENSOR opera quando o material está
a uma distância específica do material.
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 CAPACITIVOS – como funciona
 A face sensível do dispositivo é formada por
duas placas metálicas concêntricas – formando
um capacitor “aberto” .
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 CAPACITIVOS – como funciona
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 CAPACITIVO – aplicações típicas
 controle de nível em containers de plástico ou
vidro.
 monitoração de nível em embalagens
transparentes.
 rompimento de fio ou fita de sinalização.
 contagem de vasilhames ou itens de qualquer 
espécie. 
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 CAPACITIVO – aplicações típicas
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 CAPACITIVO – especificações
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
 CAPACITIVO x INDUTIVO
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
FIM
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