Definição e Aplicações de Sensores

Definição Sensor pode ser definido como sendo um transdutor que altera a sua característica física interna devido a um fenômeno físico externo presença ou não de luz som gás campo elétrico campo magnético etc Transdutor é todo dispositivo que recebe uma resposta de saída da mesma espécie ou diferente a qual reproduz certas características do sinal de entrada a partir de uma relação definida Aplicação Automação industrial identificação de peças medição verificação de posição etc Automação bancária e de escritório leitura de código de barras tarja magnética identificação de impressão digital Automação veicular sensores de composição de gases do escapamento sensores de temperatura sensores de velocidade 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 Tipos de Sensores Proximidade mecânicos ópticos indutivos e capacitivos Posição e velocidade potenciômetros LVDT encoders absolutos e relativos e tacogeradores Força e pressão células extensométricas strain gauge Temperatura analógicos termopares Vibração e aceleração acelerômetros Variáveis de Medida Sinal analógico é aquele que assume um determinado valor compreendido dentro de uma escala Entre alguns exemplos podemos citar o valor da pressão indicado em um manômetro o valor da tensão indicado em um voltímetro o valor da temperatura indicado em um termômetro Sinal digital é aquele que pode assumir um número finito de valores em uma determinada escala Entre alguns exemplos podemos citar um relógio digital e um contador Sinal binário é um sinal digital que pode assumir somente dois valores na escala 0 ou 1 Controle de Processo Discretos os sensores podem ser utilizados para o controle de variáveis lógicas ou booleanas sinais binários Os mais empregados são os sensores de proximidade utilizados geralmente para detecção de presença de objetos Eles podem ser mecânicos ópticos indutivos e capacitivos Contínuos é considerado uma das grandes áreas da Automação Nesse processo existem diferentes tipos de sensores capazes de medir as principais variáveis de controle que podem ser classificadas como Medidas de Deslocamento Velocidade Pressão Vazão e Temperatura sinais analógicos ou binários Características Linearidade é o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física Quanto maior a linearidade mais fiel é a resposta do sensor ao estímulo Faixa de atuação é o intervalo de valores da grandeza em que pode ser utilizado o sensor sem causar sua destruição ou imprecisão na leitura Características Acurácia razão entre o valor real e o valor medido pelo sensor Resolução grandeza relacionada ao grau de precisão de leitura do sensor Repetibilidade variação dos valores lidos quando uma mesma quantidade é medida várias vezes Faixa de operação limites superior e inferior da variável a ser lida pelo sensor Sensibilidade e linearidade índice associado a acurácia resolução repetibilidade e range Especificação de Sensores Especificação de sensores para utilização em processos automatizados baseia se dos graus e classes de proteção estabelecidos nas Normas de Proteção Internacional Classes de proteção indicadas por um símbolo composto a duas letras IP International Protection b dois dígitos que definem o grau de proteção Sensores usados como Transdutores Elementos de comando e sinalização no contexto da automação são considerados como sensores por exemplo entradas dos controladores programáveis industriais Elementos de comando Botão chaves mecânicas Botão inversor ou comutador Interruptor com trava Chaves de fim de curso ou limit switch Elementos de sinalização Lâmpada Buzina Cigarra Sensores de Proximidade Normalmente digitais onoff Largamente utilizados em processos automatizados para detecção da presença ou ausência de um objeto Sensores mais empregados na automação de máquinas e equipamentos industriais são do tipo chaves mecânicas de final de curso capacitivos indutivos ópticos magnéticos e ultrasônicos Sensores de Proximidade Chave fim de curso As chaves de fim de curso como o próprio nome sugere são aplicadas para detectar o fim do movimento de um mecanismo como por exemplo uma junta robótica Sensores de Proximidade Sensores Ópticos Não requerem contato mecânico para sensoriamento Não apresentam partes móveis Apresentam pequenas dimensões Apresentam chaveamento seguro São insensíveis a vibrações e choques Apresentam muitas configurações disponíveis Requerem sempre alinhamento Podem ser blindados para serem usados em ambientes com alto grau de luminosidade setores de soldagem por exemplo Normalmente exigem limpeza e isolamento de pó e umidade Sensores de Proximidade Sensores Ópticos Capazes de detectar diferentes tipos de objetos Existem três formas de um sensor ótico operar 1 Reflexão a luz é refletida no objeto e o sensor é acionado Neste caso os objetos devem ser transparentes ou escuros 2 Barreira o objeto bloqueia a passagem da luz e a saída do sensor é comutada 3 Emissorreceptor nesse modo o emissor e o receptor estão montados separadamente e quando o raio de luz é interrompido por um objeto colocado entre os dois cessando a propagação da luz entre eles o sinal de saída do sensor é comutado e enviado ao circuito elétrico de comando Sensores de Proximidade Sensores Ópticos Exemplo de aplicação Sensores de Proximidade Sensores Ópticos Exemplo de aplicação Sensores de Proximidade Sensores Ópticos Exemplo de aplicação Sensores de Proximidade Sensores Ultrassônicos Princípio de funcionamento semelhante ao princípio de funcionamento de um sonar utilizado em navios Um sinal sonoro é emitido em uma determinada direção na água as ondas sonoras caminham pela água até encontrar um obstáculo este obstáculo reflete as ondas sonoras quando os sensores do navio recebem o eco do sinal que foi transmitido medese o tempo gasto entre a emissão e o retorno Funciona a partir da emissão de som em alta frequência inaudível ao ser humano O tempo de propagação é diretamente proporcional à distância do obstáculo a ser identificado Sensores de Proximidade Sensores Ultrassônicos Sensores de Proximidade Sensores Ultrassônicos Geralmente utilizados como sensores de proximidade Utilizam pulsos sonoros no sensoriamento Medem amplitude e tempo do deslocamento do pulso sonoro de um obstáculo até o receptor em um determinado meio Trabalham na faixa de frequência entre 40 KHz e 2 MHz podendo fornecer diretamente uma grande faixa de informações Podem apresentar problemas de funcionamento em ambientes que contenham altos índices de ruídos Entretanto podem ser utilizados em ambientes que apresentam umidade e pó Existem sensores ultrassônicos digitais ou analógicos que emitem sinal em função da distância do objeto São capazes de detectar qualquer tipo de material com exceção daqueles que absorvem o som Sensores de Proximidade Sensores Indutivos Apresentam o princípio de funcionamento semelhante ao de um indutor Quando o campo magnético é Mais fraco o núcleo não está totalmente dentro do indutor a impedância resistência do indutor é menor portanto a tensão no resistor é maior Mais forte o núcleo está dentro do indutor a impedância resistência do indutor é maior consequentemente a tensão no resistor é menor Num sensor indutivo o material dielétrico é o arvácuo cuja constante é igual a 1 Portanto o valor da capacitância é considerado muito baixo O núcleo do sensor indutivo é aberto denominado entreferro Princípio de funcionamento o campo magnético tem que passar pelo ar Ao ligarmos o indutor a um circuito RL trabalhando em corrente alternada CA poderemos verificar a variação de tensão do resistor de acordo com a distância da peça Sensores de Proximidade Sensores Indutivos Aplicações Exemplo de aplicação Detecção de funções aberturafechamento Detecção de um atuador semirotativo Detecção de pallets num esteira Detecção de fim de curso de cilindros Detecção da presença de objetivos sem o contato Range 3mm 10 Sensores de Proximidade Sensores Capacitivos Baseados na medida da variação da capacitância Usados para detectar presença medir distância aceleração umidade etc Sensores de Proximidade Sensores Capacitivos Sensores de Proximidade Sensores Capacitivos Aplicações São utilizados para monitorar a presença de corpos não magnéticos Aplicações industriais verificação da presença de peças detecção do fluído de um reservatório contagem de peças etc Sensores para Medida de Posição e Velocidade Requeridos em sistemas de controle realimentados de posição e velocidade Podem ser classificados como Sensores para medida de posição potenciômetros LVDT encoders Sensores para medida de velocidade tacômetros Sensores para Medida de Posição Potenciômetros de precisão Fornecem um sinal analógico para controle Fornecem uma informação de posição absoluta Apresentam baixo custo Podem apresentar alterações de temperatura e variação no uso Não podem ser utilizados em ambientes com umidade ou poeira Sensores para Medida de Posição Potenciômetros de precisão Tipos Wirewound rolo de arame composto por um contato que desliza ao longo de rolo de arame de nicromo Apresenta como vantagem o baixo custo e como desvantagem possíveis falhas de leitura e sensibilidade excessiva a variações de temperatura Cermet cerâmica condutiva composto por um contato que desliza sobre trilha de cerâmica condutiva apresentando vantagens em relação aos wirewound Filme de plástico apresenta alta resolução longa vida e boa estabilidade de temperatura Sensores para Medida de Posição Sensor de deslocamento linear LVDT Os mais utilizados são transformadores lineares transformadores rotativos potenciômetros indutivos e transdutores conhecidos como microsyn Principal utilização giroscópios de aviões e navios acelerômetros e transdutores diversos especialmente os transdutores de pressão Consiste de um núcleo magnético que se move no interior de um cilindro A carcaça do cilindro contém um núcleo primário que pode se mover em função de um sinal de frequência tensão elétrica A carcaça contém dois cilindros secundários que detectam a frequência na tensão com uma magnitude igual ao deslocamento tornando esse tipo de sensor muito preciso LVDT produz uma saída elétrica proporcional ao deslocamento linear de um núcleo Sensores para Medida de Posição Sensor de deslocamento linear LVDT Sensores para Medida de Posição Transformadores Rotativos São transdutores que operam obedecendo o mesmo princípio de atuação dos transformadores lineares com características de funcionamento semelhantes em que apenas a variável de entrada é um deslocamento angular Principal utilização sistemas em que se tenha necessidade de medição de pequenos deslocamentos angulares tais como lemes de direção em navios e aviões válvulas hidráulicas e radares em que a rotação do eixo da antena é limitada Principal vantagem sobre os potenciômetros de precisão não existência de atritos ou ruídos elétricos provocados pelo cursor do potenciômetro Sensores para Medida de Posição Encoders Ópticos São sensores digitais comumente utilizados para fornecer a realimentação de posição em atuadores São compostos por discos de vidro ou plástico que giram entre uma fonte de luz LED e um par de fotodetectores Assim o disco é codificado com setores alternados de transparência e opacidade gerando pulsos de luz e escuridão quando na rotação do disco Podem ser classificados como incrementais e absolutos Sensores para Medida de Velocidade Tacômetros Conhecidos como tacogeradores Convertem rotação mecânica de um eixo em tensão elétrica ou seja é um gerador com tensão de saída proporcional à velocidade angular da entrada Podem ser utilizados como detector de erro a partir da comparação da tensão gerada com uma tensão de referência Sensores para Medida de Velocidade Tacômetros Esses dispositivos operam como um elemento diferenciador pois a sua saída tensão elétrica é igual à derivada no tempo da entrada variação angular Normalmente são utilizados nas seguintes aplicações a elemento de controle eou medida de velocidade angular b diferenciador ou integrador c elemento estabilizador de posição numa realimentação denominada tacométrica Com o baixo custo atual dos encoders incrementais que fornecem informações digitais os sensores tacométricos são cada vez menos utilizados em aplicações industriais sendo indicados ainda a devido à facilidade de serem utilizados diretamente em malha de controle analógica utilizando amplificadores operacionais baixo custo b pelo fato de poderem ser incorporados diretamente no eixo do motor obedecendo ao mesmo principio de funcionamento de um motor girando em reverso Sensores para Medida de Força e Pressão Normalmente a medição industrial de grandezas de força e pressão é realizada de modo indireto a partir do desenvolvimento de um mecanismo de medida da deflexão de uma superfície Dentre eles podemos citar 1 arranjo físico para utilização de LVDT 2 utilização de ponte de extensômetros em superfície metálica que altere a resistência quando deformada 3 utilização de materiais piezoelétricos que geram variação de corrente quando deformados Sensores para Medida de Força e Pressão Células para medição de Força e Pressão Sensores para Medida de Força Pontes extensométricas Strain Gauge O strain gauge é um transdutor de força que converte a força aplicada de tensão ou torção em valores de resistência elétrica dados em ohm Princípio de funcionamento variação da resistência elétrica causada pela variação de seu comprimento o que causa um aumento ou diminuição de sua área de maneira que esta afeta a estrutura metálica do componente e faz com que haja uma variação proporcional em sua resistência elétrica Sensor destinado a medir micro deformações em materiais sólidos em geral tais como metais plásticos vidros cerâmicas concretos etc O strain gauge é um transdutor que converte força em resistência elétrica Sensores para Medida de Pressão A variável de pressão pode ser medida por meio de um tubo de Pitot deformação de uma membrana fixa medida da deformação utilizando métodos semelhantes ao da medida de força mola manômetro distorção do cristal piezo pressão extensômetros strain gauges Sensores para Medida de Aceleração A variável de aceleração normalmente é medida pela força exercida por uma massa sísmica mediante distorção do cristal piezo pressão movimento de uma viga deformação de uma massa acelerômetros para a medida de vibração Sensores de Orientação e Posicionamento Para definir completamente a posição de um corpo rígido que se movimenta há a necessidade de um sistema de coordenadas como é o caso do sistema de controle de um avião em que se necessita de a velocidade longitudinal b rotação em torno de um eixo longitudinal roll eixo x c rotação em torno de um eixo de arfagem pitch eixo y d rotação em torno de um eixo de guinada yaw eixo z Sensores de Orientação e Posicionamento