A4 Transdutores

Prévia do material em texto

Aula 4 – Sensores, transdutores e 
atuadores
Prof. Henrique Marin van der Broocke Campos, eng. eletricista e mestre
enghenrique@outlook.com
CCE0428 – Redes Industriais e 
Sistemas Supervisórios
Objetivo da aula
 Apresentar conceitos básicos sobre
sensores, transdutores e atuadores
Compreender a vasta aplicação de
sensores em sistemas de medição e
instrumentação
2
O que vamos aprender
 Sensores em geral
 Sensores de temperatura
 Sensor extensômetro (Strain Gauge)
 Sensores ópticos
 Sensores químicos e biológicos
 Sensores automotivos
 Atuadores
3
Introdução
 Sensor e transdutor são termos que não possuem uma
definição única em toda a literatura. Por vezes seus
significados se misturam
 Sensor: dispositivo que converte uma forma de
energia em outra.
 Exemplo 1: grandeza física/química em grandeza
elétrica. Ex.2: O sensor LM35 converte a temperatura
em tensão elétrica (10 mV/0𝐶)
 Em geral, adota-se o conceito de transdutor como
sendo o dispositivo que converte uma forma de
energia em outra e aceita a reciprocidade na
conversão
 Exemplo: cristais piezoelétricos
 (energia mecânica energia elétrica)
4
Introdução
5
Google images
Introdução
6
Google images
Fontes de erro de medida
 O sensor não é sensível apenas às variações de intensidade
da grandeza de interesse
 Principais grandezas de influência: temperatura; pressões e
vibrações; umidade; campos magnéticos variáveis; campos
magnéticos estáticos; estabilidade da tensão de
alimentação
 Meios de minimizar a influência de interferências: uso de
alguma blindagem (blindagem eletromagnética); método da
realimentação negativa; filtragem de sinais
7
Características de sensores
 Características estáticas
- Acurácia (precisão)
- Distorção
- Histerese
- Mínimo sinal detectável
- Não-linearidade
- Seletividade/especificidade
- Sensibilidade
- Limiar (abaixo do mínimo
sinal detectável)
 Características dinâmicas
- Erro dinâmico (aleatório)
- Histerese
- Instabilidade e deriva
(variações, como: offset,
desbalanceamento)
- Faixa de operação (escala
de amplitude, frequência)
- Repetibilidade
- Resposta a um degrau
8
Classificação de sensores
- Forma de energia de entrada (Ex.: sinal luminoso ou mecânico)
- Princípio de transdução (Ex.: por variação de resistência, por
deslocamento, por tensão, etc)
- Mensurando (Ex.: a variável de entrada, sensor de
temperatura)
- Material constituinte (metálico)
- Aplicação (temperatura)
- Custo
- Acurácia
- Domínio do sinal de saída
9
Classificação de sensores10
Sensor com modulação 
(ex.: aplicação de campo 
magnético para observar a 
variação de resistência de 
um material sujeito a 
passagem de corrente)
Energia 1 Transdutor Energia 3
E
n
e
rg
ia
 2
Energia 1 Transdutor Energia 2
Sensor com autogeração
Anatomia de um sensor
 Sistema sensor:
- Elemento sensor
- Interconexões
- Condicionamento de sinais
- Sistema de calibração
- Interface (Processamento de sinais de saída – PDS)
- Atuadores para calibração
- Encapsulamento
11
Sensores de temperatura
 Sensores de temperatura: mecânicos e elétricos/eletrônicos
 Sensores de temperatura eletrônicos:
- Termômetros por ruído em uma resistência
- Termômetros por variação de resistência (RTD)
- Termistores
- Termopares
- Sensores por semicondutores
- Pirômetros ópticos
12
Sensores de temperatura
 Sensor por ruído em uma resistência
 Princípio de funcionamento baseado na função densidade
de probabilidade que relaciona de forma proporcional o
ruído térmico e a temperatura no resistor
 Termômetro por variação da resistência RTD
 Princípio de funcionamento baseado no aumento da
resistência de metais com a temperatura
𝑅 𝑇 = 𝑅0 25℃ [1 + 𝛼 𝑇 − 25 + 𝛽(𝑇 − 25)
2]
 𝛼 : coeficiente de temperatura linear. 𝜌: resistividade
𝛼 =
𝑑𝑅(𝑇)/𝑑𝑇
𝑅(𝑇)
13
Ref.: E-FÍSICA USP.
Sensores de temperatura
 Termômetro por variação da resistência RTD
 Em geral, a resistência dos metais aumenta com a
temperatura
 Características dos RTDs:
 Condutor metálico (a platina é o metal mais utilizado)
 Possuem boa faixa de comportamento linear
 Possuem alta estabilidade
 Apresentam baixíssima tolerância de fabricação (0,06% a
0,15%)
 A platina é muito usada por apresentar a maior faixa de
linearidade dentre os metais, além de ter ótima repetitividade
14
Ex.: PT-100
Sensores de temperatura
 Termistores
 Baseiam-se na variação da resistência com a temperatura,
porém são empregados semicondutores amorfos, que podem
possuir coeficiente de temperatura negativo (NTC), ou seja, a
resistência diminui com o aumento da temperatura, ou então
coeficiente de temperatura positivo (PTC). O coeficiente de
temperatura é maior que o de RTDs, possibilitando maior
precisão, inclusive na faixa de miligraus.
𝑅 𝑇 = 𝑅0. 𝑒
𝛽(
1
𝑇−
1
𝑇0
)
𝛼 = −𝛽(
1
𝑇2
)
 Aproximação com duas constantes (A e 𝛽)
ln 𝑅𝑇 ≅ 𝐴 +
𝛽
𝑇
A: constante
15
Sensores de temperatura
 Termistores
O modelo de 3 parâmetros aumenta a precisão (erro ±0,01
0
C
em uma faixa de 1000C)
Equação de Steinhart e Hart:
𝑅𝑇 = 𝑒
(𝐴+
𝐵
𝑇+
𝐶
𝑇3
)
ou
1
𝑇
= 𝑎 + 𝑏. ln 𝑅𝑇 + 𝑐. (ln 𝑅𝑇 )
3
Aplicações:
 Limitação do pico de corrente nos capacitores em fontes
chaveadas (conversores CC-CC)
16
Exemplo de termistor
como limitador de
corrente
FONTE: BALBINOT;
BRUSAMARELLO, 2019
Sensores de temperatura
 Termopares
 Baseiam-se em dois efeitos físicos, denominados: efeito
Thomson, que trata do surgimento de uma força eletromotriz
em um condutor sujeito a um gradiente de temperatura;
efeito Seebeck, que remete a força eletromotriz num circuito
fechado, constituído por condutores diferentes unidos por
junções (junções elétricas) a temperaturas diferentes.
17
Sensores de temperatura
 Termopares
 Materiais condutores distintos formam uma junção elétrica.
Resulta em uma tensão dependente da temperatura, de
acordo com o efeito termoelétrico. Deve haver uma
temperatura de referência precisa e conhecida para o
correto funcionamento. Possuem baixo custo. Ex.: tipo J, tipo E
18
Sensores de temperatura: 
Termopar
19
Ref.: Youtube: “Mundo da elétrica” - Termopar, como
funciona?
Sensores de temperatura
 Termômetros por semicondutores
 Baseia-se na dependência da temperatura em função da
corrente numa junção pn.
 Ex.: AD590
20
Sensor piroelétrico
 Tal como o efeito piezoelétrico, o efeito piroelétrico verifica-se
em materiais cristalinos que geram cargas quando sujeitos a
uma determinada grandeza física
 Ao contrário do fenômeno piezoelétrico, não é uma
deformação mecânica que causa o aparecimento de uma
carga elétrica superficial, mas sim a variação da temperatura
 Um sensor piroelétrico consiste num cristal piroelétrico
polarizado sobre o qual são depositados dois eletrodos
metálicos em faces opostas
 Essa estratégia de concepção constitui uma espécie de
capacitor que opera como sensor de temperatura
21
Sensor piroelétrico
22
Sensor piroelétrico
 A corrente gerada por este dispositivo por efeito da
temperatura pode ser medida recorrendo, por exemplo, a um
conversor corrente-tensão
23
Sensor piroelétrico
24
Sensor piroelétrico
25
Extensômetro (Strain gauge - SG)
 Medição de deformação mecânica de um corpo de prova
sujeito a uma força ou pressão. Pode ser utilizado em uma
balança.
 Baseia-se na propriedade física da dependência da
resistência elétricaem relação a geometria do condutor.
 A partir da medida de resistência elétrica, a quantidade de
deformação mecânica induzida pode ser inferida
26
Extensômetro (Strain gauge - SG)
 Gauge Factor (GF)
 A relação entre a deformação mecânica e a variação na
resistência do SG é conhecida como Gauge Factor (GF), que
é constante no material:
 ΔR: mudança na resistência devido à deformação. 𝑅𝐺 :
resistência do SG sem deformação. ε: coeficiente de
deformação
𝜀 =
𝑙
𝑙0
 𝑙 : comprimento final, após a deformação
 𝑙0: comprimento inicial, sem a deformação
27
𝐺𝐹 =
∆𝑅
𝑅𝐺
𝜀
Extensômetro (Strain gauge - SG)
 R1=R2=R3=R28
𝑉0 = 𝑉𝑏𝑎𝑡
𝑅𝐺
𝑅 + 𝑅𝐺
−
𝑅
𝑅 + 𝑅
𝑉0 = 𝑉𝑏𝑎𝑡
𝑅𝐺
𝑅 + 𝑅𝐺
−
1
2
𝑑𝑉0
𝑑𝑅𝐺
=
𝑅
(𝑅 + 𝑅𝐺)2
𝑑𝑉0
𝑑𝑅𝐺
:sensibilidade
Extensômetro (Strain gauge - SG)
 Um extensômetro metálico consiste num padrão formado por
um condutor filiforme (feito à base de ligas de níquel como
por exemplo o constantan) unido a um material de suporte
isolante
 Valores padrão de resistência para extensômetros metálicos
situam-se entre os 100 Ω e os 5 kΩ
29
Extensômetro – erros e compensação
 Coeficiente de temperatura do SG (TCGF): alteração da
sensibilidade do dispositivo com a mudança de temperatura.
Compensado pela colocação de uma resistência fixa no
ramo da ponte com coeficiente de temperatura igual mas
em sentido inverso daquele do GF
 Mudança de zero com a temperatura: se o TCGF não for o
mesmo em cada SG, haverá mudança de zero com a
temperatura
 Linearidade
30
Extensômetro – erros e compensação
 Histerese: erro de retorno a zero após a excursão ampla do
SG
 Repetibilidade
 Indução por interferência eletromagnética (EMI)
 Sobrecarga
 Umidade
 Como estratégia de utilização do SG, em geral: adotam-se
resistências baixas para o SG; utiliza-se isolação adequada
31
Extensômetro – erros e compensação
 ADS1232 – CI utilizado para balanças, sensores de pressão e
controles de processo industrial. Realiza a técnica de
conversão da tensão analógica em frequência, a partir de
um circuito de oscilação com cristal de quartzo, de forma a
reduzir o ruído.
32
Transdutor potenciométrico
33  Apresenta variação da resistência (R) de acordo com à
variação da posição de um cursor, pois a resistência é
diretamente proporcional ao comprimento do condutor (𝑙)
𝑅 =
𝜌
𝐴
𝑥 =
𝜌 × 𝑙
𝐴
× 𝛼
𝜌: resistividade do material; A: área da seção transversal do fio; x:
a distância percorrida pelo botão terminal; 𝑙: o comprimento do
fio; 𝛼: a fração do comprimento do fio
Sensor piezoelétrico
34
Sensor piezoelétrico
35
Sensor piezoelétrico
36
𝑆𝑥𝑡𝑎𝑙: sensibilidade do cristal [C/N]
Sensor piezoelétrico
37
Sensor óptico
 Existem diversos tipos:
 Variam a resistência elétrica em relação a iluminação
(fotocondutores);
 Variam a intensidade de emissão luminosa em função da
corrente elétrica (fotoemissores);
 Variam a corrente elétrica em função da intensidade
luminosa coletada (fotocoletores);
 Variam a polarização da luz em função de propriedades
térmicas, eletromagnéticas e mecânicas;
 Variam a intensidade de emissão em determinado
comprimento de onda em função da excitação em outro
comprimento de onda
38
Sensor óptico
 Fotocondutores
 LDR: variação da resistência elétrica em função da
intensidade luminosa (resistência diminui com o aumento da
intensidade luminosa). Ex.: silício, germânio, sulfeto de cádmio
(CdS), que geram elétrons livres quando há incidência
luminosa
39
Sensor óptico
 Fotocondutores
 LDR
 Como um resistor comum, uma célula fotocondutiva (LDR)
não tem polaridade e pode ser posicionada dentro do
circuito em ambas as direções
40
Ref: BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013
Sensor óptico
 Fotoemissores
 Geram luz com a passagem de corrente elétrica.
 LED (Light Emitting Diode) – Diodo emissor de luz
 LCD (Liquid Crystal Display: Display de Cristal Líquido)
 luz de fundo e um display escuro
 fundo escuro e display claro
 display alfanumérico fica visível conforme uma tensão é aplicada
(2 V a 20 V)
 Displays de cristal líquido de baixa potência necessitam de
menos potência que os displays LED, mas os LEDs têm tempos
de resposta menores e vida mais longa
41
Sensor óptico
 Sensor fotovoltaico
 A célula solar fotovoltaica, ou sensor fotovoltaico, converte
diretamente a radiação solar em corrente elétrica
 A estrutura baseia-se na física de semicondutores do diodo
de junção pn
 Camada n (material n): adição de átomos doadores de
elétrons, por possuírem 5 elétrons na camada de valência. O
elétron é chamado portador majoritário e a lacuna portador
minoritário
 Camada p (material p): adição de átomos receptores de
elétrons, por possuírem 3 elétrons na camada de valência. A
lacuna é chamada portador majoritário e o elétron é o
portador minoritário
42
Sensor óptico
 Sensor fotovoltaico
 A barreira de potencial é formada pela movimentação de
elétrons livres da camada n, que se tornam íons positivos,
para as lacunas da camada p, que se tornam íons negativos.
Cria-se a região de depleção
 A incidência de fótons de luz (radiação eletromagnética),
com comprimentos de onda e energia adequados (espectro
ultra violeta ao infravermelho), fazem com que as ligações
sejam rompidas, e elétrons saltem da camada de valência
para a camada de condução
43
Sensor óptico
 Sensor fotovoltaico44
Sensor óptico
 Sensor fotovoltaico45
Sensor óptico
 Sensor fotovoltaico
 Células solares (fotovoltaicas) produzem uma tensão quando
sujeitas à energia solar
 Quando maior a intensidade da luz, maior a quantidade de
tensão produzida
46
Sensores químicos e biológicos
 As grandezas percebidas são químicas ou biológicas.
 Aplicações:
- Controle de processos industriais
- Monitoramento ambiental
- Análises clínicas
- Indústria de alimentos
- Domésticas
 Ex.: O Detector de Gás / Sensor de Gás MQ-7 Monóxido de
Carbono. O Sensor de Gás tem capacidade de verificar a
concentração de Monóxido de Carbono no ambiente onde
estiver instalado entre 20 a 2000 ppm e demonstrar os dados
junto a um display integrado ao Arduino. De acordo com o
programa implementado, poderá liberar trancas de portas,
emitir sinais sonoros, luminosos, entre outros
47
Sensores químicos e biológicos
48
Aplicação: sensores automotivos
 A área de eletrônica embarcada evoluiu extremamente no
segmento da indústria automobilística
 Alguns tipos de sensores automotivos:
 Posição angular do volante
 Taxa de guinada (yaw rate sensor)
 Velocidade de rotação
 Aceleração
 Pressão
 Temperatura
 Medida de de massa de ar
 Oxigênio
49
Aplicação: sensores automotivos
50
Atuador
 É um dispositivo de hardware que converte um sinal de
comando do controlador em uma mudança em um
parâmetro físico (temperatura, pressão, vazão, nível, etc)
 Como o sinal de comando do controlador costuma ser de
baixo nível, o atuador pode demandar um amplificador que
aumente a amplitude do sinal
 Os atuadores hidráulicos utilizam fluido hidráulico (óleo) para
amplificar o sinal de comando do controlador
 Atuadores pneumáticos utilizam ar comprimido como energia
propulsora
51
Atuador
 Tipos de atuadores
1. Elétricos: motores – servomotores CC; motores CA e motores
de passo. Solenóides. Piezoelétricos.
2. Hidráulicos: utiliza um fluido hidráulico (óleo)
3. Pneumático: utiliza ar-comprimido ou vácuo
4. Térmicos ou magnéticos
52
Atuador
 Motores elétricos
 São normalmenterotativos
53
Atuador
 Motores – servomotores CC
 Usa uma malha de realimentação para o controle da
velocidade
 O estator típico apresenta dois imãs permanentes em lados
opostos
 O rotor, denominado de armadura, é formado por três
conjuntos de fios de cobre enrolados em torno de núcleo de
metal ferroso
 A corrente de entrada chega ao enrolamento por um
comutador
 A interação da corrente de alimentação com o campo
magnético do estator produz o torque que aciona o rotor
 Aplicação: sistemas de posicionamento; linhas de transporte;
robôs; sistemas flexíveis de manufatura
54
Atuador
 Motores – servomotores CC
 Aplicação: sistemas de posicionamento; linhas de transporte;
robôs; sistemas flexíveis de manufatura
 1) Potenciômetro de referência; 2) Rampa de
aceleração/desaceleração; 3) Regulador de velocidade; 4)
Regulador de corrente; 5) Circuito gerador de pulsos; 6) Ponte
retificadora tiristorizada para alimentação da armadura; 7)
Ponte retificadora tiristorizada para alimentação do campo; 8)
Servomotor CC; 9) Enrolamento de campo do motor; 10) Taco
gerador
55
Atuador
 Motores – motores CA
 Os servomotores CA podem ser classificados:
 Motores de indução
 Motores síncronos
 Motores síncronos são mais complexos, pois requerem um
dispositivo chamado excitatriz para iniciar a rotação do rotor
 Ambos os tipos operam com uma velocidade constante,
dependendo da frequência da alimentação do motor
 Inversores de frequência permitem o controle de frequência da
corrente alternada de alimentação do motor, permitindo ajustar
a velocidade de operação
 Aplicação: usinagem de componentes ferrosos e não-ferrosos,
máquinas de embalagem, máquinas de plástico, máquinas de
impressão, automação
56
Atuador
 Motores – motores CA
 Os servomotores CA do tipo máquinas síncronas, podem
possuir: seis pólos no estator, de alimentação trifásica; ímãs
permanentes Terras-Raras, dispostos linearmente sobre a
face do rotor e um sensor analógico chamado resolver para
realimentação de posicionamento e velocidade
57
Atuador
 Motores – motor de passo
 Definição: atuador incremental eletromagnético
 O Motor de Passo converte “pulsos digitais de entrada” em 
movimentos angulares em seu eixo
 A velocidade que o rotor gira é dada pela frequência de
pulsos recebidos. O tamanho do ângulo rotacionado é
diretamente relacionado com o número de pulsos aplicados
 Aplicação: alta precisão como impressoras, scanners, robôs,
câmeras de vídeo, brinquedos, automação industrial, relógio
analógico, etc
58
Atuador – outros tipos
 Solenóides são dispositivos eletromagnéticos que possuem um
pistão móvel dentro de uma bobina estacionária
 A corrente elétrica energizará a bobina que atrairá o pistão.
Sem a corrente o pistão retorna a posição original
 Aplicação: sistema de fluxo de fluido, tais como processos
químicos. Solenóides abrem e fecham válvulas
59
Atuador – outros tipos
 Relés eletromecânicos são similares a interruptores elétricos
liga/desliga, possuindo uma bobina estacionária e um braço
móvel. Pode operar em circuitos com correntes e/ou tensões
mais altas
 Atuadores pneumáticos
 São energizados por fluxos pressurizados de ar comprimido
 Atuadores hidráulicos
 São energizados por fluxos pressurizados de óleo
60
Cilindo de
ação
simples
com mola
de retorno.
Fonte:
Groover,
2011
Cilindo de
ação
dupla.
Fonte:
Groover,
2011
Atuador pneumático
61
Ref.: Youtube: “Master Tecnologia Industrial” - Exemplos de 
automação industrial pneumática
Resumo
 Nesta aula vimos o conceito de sensor e transdutor e
como eles se confundem na literatura, de forma que
sejam considerados como sinônimos na maioria dos
casos
 Vimos o princípio de funcionamento e algumas
aplicações de diferentes tipos de sensores: sensores
de temperatura, sensor piroelétrico, extensômetro,
sensor potenciométrico, sensor piezoelétrico, sensores
ópticos, sensores químicos e biológicos
 Também vimos o princípio de funcionamento e
aplicações de alguns atuadores elétricos: motores
CA, servomotor CC e motor de passo. Além de
vermos o solenóide e o relé eletromecânico.
 Na próxima aula veremos a aplicação de sensores e
demais elementos que relacionam a instrumentação
ao controle de processos na indústria
62
Dúvidas/perguntas63
Referências Bibliográficas
BALBINOT, Alexandre; BRUSAMARELLO, Valner João. Instrumentação e fundamentos de
medidas. 2ª Ed. Vol 1. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2006.
BALBINOT, Alexandre; BRUSAMARELLO, Valner João. Instrumentação e fundamentos de
medidas. 2ª Ed. Vol 2. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2011.
BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11ª
Ed. São Paulo, SP: Pearson Education do Brasil, 2013.
GROOVER, Mikell. Automação Industrial e Sistemas de Manufatura. 3. Ed. São Paulo:
Pearson Prentice Hall, 2011
UNIVESP. Engenharia de Computação – Eletrônica Aplicada. Aula 20 a 28. Disponível em:
<https://www.youtube.com/playlist?list=PLxI8Can9yAHevRkQnSgviIgnzCH3Nss_Y>. 2016.
E-FÍSICA. Centro de Ensino e Pesquisa Aplicada. Variação da resistência com a
temperatura. Disponível em:
<http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/corrente/var_resist_temperatura/>. 2007.
CARADVICE. Canadians get serious stability control. Disponível em:
<http://www.caradvice.com.au/7792/electronic-stabilicy-control-naming-
convention/photos/>.
LIRA, Francisco A. Metrologia na indústria. . 9ª Ed. Editora Érica.
USINAINFO. Detector de gás/sensor de gás MQ-7-Monóxido de carbono. Disponível em:
<https://www.usinainfo.com.br/sensores-para-arduino-474>.
Prof. Edison Luiz Salgado Silva. Conversão de energia 2. Disponível em:
<http://paginapessoal.utfpr.edu.br/edisonsilva/conversao-de-energia-2>.
64