SENSORES CURSO 10

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28/11/2013
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Tópicos Especiais em Engenharia II
SENSORES
&
ATUADORES
Prof. Mário L. Botega Jr.
Cap. 10
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Ementa
1. Conceitos de Instrumentação
2. Efeitos Físicos Aplicados em Sensores
3. Medidas de Grandezas Elétricas
4. Medição de Temperatura
5. Medição de Força e Deslocamento
6. Medição de Velocidade e Aceleração
7. Medição de Vibração
8. Medição de Nível e Pressão
9. Sensores Ópticos
10. Atuadores
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Capítulo 10
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Atuadores
Atuadores
Roteiro
• Definição e Classificação de Atuadores
• Atuadores Eletromecânicos
• Atuadores Hidráulicos
• Atuadores Pneumáticos
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Atuadores
Roteiro
• Definição e Classificação de Atuadores
• Atuadores Eletromecânicos
• Atuadores Hidráulicos
• Atuadores Pneumáticos
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Por que estudar Sensores
e Atuadores?
CONTROLADOR ATUADOR PROCESSO
SENSOR
Ref. Saída
ATUADORES – São dispositivos de saída, 
que convertem um sinal elétrico 
(comando) em uma “variável mecânica”.
Var. Elétrica Var. Mecânica
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Definição de Atuador
• O atuador é definido como o elemento capaz de atuar sobre 
grandezas físicas do sistema no qual está inserido, em reposta 
a um comando manual ou automático. 
• Modificam o ambiente com AÇÕES, geralmente na forma de 
movimento.
• Esse processo envolve a conversão entre diferentes tipos de 
energia e executa a função INVERSA dos sensores.
7Músculos Motores Lâmpadas Aquecedores
Classificação dos Atuadores
• Os atuadores podem ser classificados quanto:
• Energia de saída:
– mecânica, térmica, óptica, etc.
• Princípio de funcionamento:
– mecânico, pneumático, hidráulico, 
eletromagnético, piezoelétrico, etc.
• Tipo de movimento: 
– linear ou rotativo.
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Tipos de Atuadores
• Atuadores podem ser:
– Eletromecânicos
– Hidráulicos
– Pneumáticos
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Dispositivos compostos de uma 
bobina e um elemento mecânico de 
acionamento que produz um 
movimento de translação ou rotação.
Dispositivos mecânicos capazes de converter 
energia hidráulica em energia mecânica com 
o intuito de gerar um movimento linear ou 
rotativo. O fluido hidráulico (óleo) é a fonte 
principal de energia em um atuador 
hidráulico.
Dispositivos mecânicos muito
semelhantes aos hidráulicos, com a 
diferença de que o fluido utilizado 
não é líquido, mas ar comprimido. 
Possuem capacidade de gerar 
movimentos lineares ou rotativos.
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Atuadores
Roteiro
• Definição e Classificação de Atuadores
• Atuadores Eletromecânicos
• Atuadores Hidráulicos
• Atuadores Pneumáticos
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Atuadores Eletromecânicos
• Estes atuadores baseiam-se em sistemas de 
conversão eletromecânica de energia, que 
transforma energia elétrica em mecânica 
(movimento).
11Conversor eletromecânico de excitação simples (movimento linear)
Atuadores Eletromecânicos
• Este tipo de sistema acopla uma equação elétrica e 
uma mecânica.
• A equação elétrica que descreve o comportamento da 
bobina é óbvia:
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• A equação mecânica também pode ser obtida 
facilmente a partir da lei de Newton.
• Considerando que a massa da parte móvel do 
conversor seja “M”, tem-se:
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Atuadores Eletromecânicos
• A força resultante (fR) será composta por todas 
as forças que atuam na parte móvel do 
conversor:
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• No equilíbrio a força elétrica (fe) é igual à força 
mecânica:
Atuadores Eletromecânicos
• A conversão 
eletromecânica de 
energia pode gerar 
movimentos de 
rotação.
• Para isso utilizam-se 
sistemam de 
conversão com dupla 
excitação em 
rotação.
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Conversor eletromecânico de excitação 
dupla (movimento de rotação)
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• Determinar o comportamento elétrico e 
mecânico do conversor consiste em resolver 
as equações diferenciais elétricas e mecânicas 
• A equação elétrica matricial é dada por:
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Atuadores Eletromecânicos
ou
• Desprezando o efeito do atrito, a equação 
mecânica, pode ser escrita como:
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Atuadores Eletromecânicos
• Onde o conjugado elétrico (torque 
eletromagnético) é dado por:
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Atuadores Eletromecânicos
• Relés
• Contatores
• Solenóides
• Atuadores lineares
• Motores
• Eletroválvulas
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Relés Eletromecânicos
• Normalmente são constituídos por uma mola, 
uma armadura móvel, eletro-imã, um contato 
móvel e um fixo.
• A mola mantém os contatos separados até 
que o eletro-imã seja energizado e a força 
magnética atraia a armadura, fechando o 
contato.
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Moveable Armature
Moveable Contact
ElectromagnetSpring
Stationary Contact
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• Proporcionam separação entre circuitos AC e CC.
• Interface entre circuitos eletrônicos de controle e 
circuitos de potência.
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Relés Eletromecânicos
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• Contatos podem comutar tensão AC ou CC.
• Baixa queda de tensão nos contatos, portanto
não requerem dissipador de calor.
• Alta resitência com contato aberto (suportam
altos transientes de tensão).
• Não há corrente de fuga com os contatos
abertos.
Vantagens dos Relés 
Eletromecânicos
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• Os contatos se desgastam e portanto possuem
vida limitada dependendo da carga.
• Não são adequados para chaveamento rápido
e altas cargas.
• Baixo desempenho quando comutam altas
correntes de inrush (transientes).
• Normalmente são grandes.
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Desantagens dos Relés 
Eletromecânicos
• Definir a tensão da bobina e tipo (CA / CC).
• Definir a corrente que os contatos irão
comutar.
• Definir tipo de montagem (painel / PCI) e 
conexão.
• Definir o número e tipo do(s) contato(s)
– Normalmente aberto
– Normalmente fechado
– Reversível
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Como Especificar Relés 
Eletromecânicos
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Relé de Estado Sólido
• O termo relé de estado sólido é a tradução da 
expressão em inglês Solid State Relay (SSR) e refere-
se a dispositivos semicondutores capazes de 
desempenhar as mesmas funções dos relés 
eletromecânicos, porém seu sistema de 
funcionamento é completamente diferente.
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Relé de Estado Sólido
• Não possuem partes mecânicas, operam por meio de 
transistores, SCR ou TRIAC que comutam quando 
uma determinada corrente passa por eles.
• A utilização destes dispositivos elimina a necessidade 
de contatos no interior do relé o que aumenta 
exponencialmente a sua vida útil.
• A isolação entre controle e potência é feita com foto 
acopladores.
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Relé de Estado Sólido
Circuitos Típicos
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Foto Acopladores
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Chave Estática com SSR
• Elemento chaveador é um SSR, incorpora dissipador, 
ventilador, proteção de sobreaquecimento, fixação e 
conexões adequadas a corrente nominal. 
• O acionamento no zero-crossing reduz drasticamente 
o ruído elétrico de chaveamento.
• Comando com pulso elétrico de 4 até 32 V.
• Tensão de carga até 480 Vac. 
• Nas correntes de 80 até 300 A.
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Vantagens dos SSR
• Vida mais longa que um relé eletromecânico 
(não possui partes móveis, nem erosão de 
contatos).
• Maior capacidade de suportar transientes de 
corrente.
• Maior frequência de operação.
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Desvantagens dos SSR
• Queda de tensão na chave.
• Necessita de dissipador para altas potências.
• Versões diferentes para circuitos CC a CA.
• Apresentam corrente de fuga.
• Maior custo.
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Contatores
• Desempenham as mesmas funções dos relês 
eletromecânicos, porém são de maior 
potência.
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Contatores para Alta Corrente
Solenóides
• Dispositivo composto de uma bobina e um elemento 
mecânico de acionamento, que produz um 
movimento de translação.
• Tipos:
• Movimento discreto
• Movimento contínuo32
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Atuadores Lineares
• Dispositivos 
eletromecânicos que 
permitem movimentos 
lineares precisos.
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Motores Elétricos
• Motor é um transdutor que converte energia elétrica 
em energia mecânica de rotação.
• Em um motor elétrico distinguem-se essencialmente 
duas peças: o estator, conjunto de elementos fixados 
à carcaça da máquina e o rotor, conjunto de 
elementos fixados em torno do eixo, internamente 
ao estator. 
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Classificação Motores Elétricos
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Comparação entre Alguns Motores
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Motor de Indução
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Motor de Indução
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Do Micro ao Macro
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Micro motor de imã 
permanente, 8000 rpm, 
1,3V, uso: vibrador de 
celular 
Motor de indução trifásico, 
13.800 V, 4-12 polos, 12.500 cv
Motor para Vibra-Call
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Controle de Velocidade
Inversor de Frequência
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� =
���∙�
�
[rpm]
Motor CC
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Modelo do Motor CC
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Controle de Motor CC por Ponte-H
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Eletroválvulas (Válvulas Solenoide)
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Água quente GLP
Gasolina
Água (irrigação) DieselÁgua (eletrodomésticos)
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Atuadores
Roteiro
• Definição e Classificação de Atuadores
• Atuadores Eletromecânicos
• Atuadores Hidráulicos
• Atuadores Pneumáticos
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Atuadores Hidráulicos
• Têm como objetivo gerar movimento baseado na introdução de 
um líquido (tipicamente um óleo) em alta pressão, em um 
recipiente selado, onde se localiza uma haste.
• Os atuadores hidráulicos podem gerar deslocamento linear 
(pistão hidráulico), ou rotativo (motor hidráulico).
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Atuadores Hidráulicos na Aviação
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Atuadores Hidráulicos Automotivos
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Atuadores Hidráulicos Automotivos
Princípio de Funcionamento do Pistão 
Hidráulico
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• Sistemas multiplicadores de força são baseados no 
Princípio de Pascal, que estabelece que a alteração 
de pressão produzida num fluido em equilíbrio 
transmite-se integralmente a todos os pontos do 
líquido e às paredes do recipiente.
Como A2 > A1 , temos F2 > F1 , ou seja, a 
intensidade da força é diretamente 
proporcional à área do tubo.
Sendo ∆P1 = ∆P2 e lembrando que ∆P = F/A:
	�
�
=
	�
�
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Pistão Hidráulico
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Atuador Linear de Duplo Efeito
• Os pistões 
hidráulicos têm um 
diafragma rígido 
com uma haste 
solidária dentro de 
um cilindro.
• Por um orifício é 
introduzido um 
fluído a alta pressão 
proveniente de uma 
bomba hidráulica. 
Este fluido, então, 
empurra ou puxa a 
haste com uma 
determinada força.
• Os pistões podem 
ser de dois tipos: de 
efeito simples ou de 
efeito duplo.
Válvula Direcional Hidráulica
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Válvula Direcional Hidráulica
com Acionamento Direto
(em repouso) Válvula Direcional Hidráulica
com Acionamento Direto
(acionada)
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Bomba Hidráulica
• Mesmo sendo dispositivos que utilizam fluído 
hidráulico, ainda há a dependência da energia 
elétrica para acionar a bomba que pressuriza 
o fluído.
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Tanque de óleo
Sistema de Controle de Posição do 
Pistão em MF
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Aplicações de Pistões
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Prensa hidráulica
Guilhotina hidráulica
Motor Hidráulico
• São dispositivos que geram um movimento de 
rotação em um eixo, provocado pela circulação de 
um fluido pressurizado.
• Este tipo de motor gera um torque muito maior que 
os apresentados pelos motores elétricos de 
tamanhos similares.
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Esteira de trator: utiliza um 
motor hidráulico conectado a 
uma roda dentada.
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Atuadores Pneumáticos
• Os atuadores pneumáticos são muito 
semelhantes aos hidráulicos, com a diferença 
de que o fluido utilizado não é líquido, mas ar 
comprimido.
• Existem tanto pistões quanto motores para 
gerar movimento linear ou rotativo.
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Cilindros Pneumáticos
• Possuem dois tipo de ação: Simples e dupla
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Cilindros de simples ação
Cilindros de dupla ação
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Cilindro de Simples Ação
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Cilindro de Dupla Ação
Não possui mola para retorno do pistão.
O recuo é feito injetando-se ar comprimido na segunda 
câmara.
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Outros Atuadores Pneumáticos
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Atuador rotativo
Válvula 
borboleta
Válvula
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Outros Atuadores Pneumáticos
Ferramentas
Motor
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Atuadores Pneumáticos
• Vantagem:
– Componentes de menor custo quando comparado 
com hidráulicos e fluido utilizado para gerar o 
movimento disponível na atmosfera.
• Desvantagem: 
– O controle de posição utilizando esses dispositivos de 
atuação se torna mais difícil devido à alta 
compressibilidade do ar, de forma que um aumento 
de carga, por exemplo, pode gerar movimento da 
haste mesmo sem alteração na quantidade de ar no 
pistão.
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