Instrumentação Electrónica

Mestrado em Eng. Física Tecnológica

Aula 9 –Transdutores e Sensores

Instrumentação Electrónica

n Sistema de Aquisição

n Transdutorn Sistema de Comunicação

Transdutores

TransducerOutput EnergyInput Energy

(Signal)

Instrumentação Electrónica

Exemplo - radiofonia

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Instrumentação Electrónica

Transdutores e Sensoresn Transdutores

¨ Dispositivos capazes de transformar uma energia noutra (Actuadores / Sensores)

¨ Activos – Fonte externa energia¨ Passivos (self-generating) – Fonte interna

n Sensor¨ Geram um sinal elétrico proporcional a uma dada

grandeza física que se pretende medir¨ Por alteração de uma grandeza característica dum

circuito eléctrico (R; L, C, Q, I, V);¨ Através da fonte de excitação, produz uma variação

proporcional ao estímulo

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Famílias de SensoresFonte energia Exemplo Comentário

Mecânica Flow-meter Pulso por unidade de volume

Acústica Microfone Converte som num sinal elétrico

Térmica Termopar Tensão depende diferença duas junções

Electromagnética Antena Converte energia eléctrica em electromagnética

Óptica Foto díodo

Magnética Sensor de Hall Tensão derivada do efeito de hall

Química Sensor de pH Medida concentração dum ião

Nuclear Camâra de ionização Geração de corrente por ionização do meio

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Critério de Seleção de Sensoresn Escala: Pontos limites (Worst Case)

¨ Equacionar múltiplos sensoresn Limiar (threshold)

¨ Menor variação detectáveln Comportamento

¨ Resposta temporal¨ Resposta dinâmica ¨ Exactidão e resolução¨ Fadiga (consistência)¨ Reprodutibilidade e histerese

n Preço!!!

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Condicionantes à operação de sensoresn Meio ambiente

¨Sujidade¨Poluição¨Radiação¨Temperaturas extremas¨Presença de água e humidade¨Corrosão: solventes, ácidos e bases¨Protecção ambiental¨Susceptibilidade eléctrica/explosão/choque

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Condicionantes à operação de sensores

n Utilização humana e/ou biomédica¨Radiação¨Corrosão/Manipulação P. Químicos¨Imersão¨Abrasão/Vibrações¨Explosão¨Interferência eléctrica (alta impedância,

baixas correntes)

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Operação de sensores

n Potência¨Carga do circuito (fotocélula)¨Fonte de excitação (ruído)

n Condicionamento de sinaln Dimensão Física

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Calibração

n Objectivo: Erro de confrontação com um padrão menor que a resolução do sensor

n Tabela de calibração –Curva de calibração¨ Modelo físico¨ Calibração estática e

dinâmica¨ Banda passante¨ Resposta transitórios

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Sensores – Princípios de transduçãon Resistiva

¨ Strain gauges: células de força ¨ Temperatura: RTDs, termistores¨ Luz: células fotoeléctricas¨ Deslocamento: divisores potenciométricos

n Piezo-eléctrica¨ Produzem uma tensão quando sujeitos a uma força

(V = k Fd/A), k ~2-100 V/N/m¨ Podem também funcionar

como actuador

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Sensores – Princípios de transdução

n Capacitiva¨Movimento

n Constantes dieléctricas

n Forma geométrica¨Pressão

n Deformação do dielétrico

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Sensores – Princípios de transdução

n Indutiva¨LVDT – Transformador

diferencial¨Efeito de Hall¨Motores como

geradores

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Sensores de temperaturan Uma termo-junção é formada por dois metais

diferentes soldados criando uma diferença de potencial quando aquecida (Seebeck effect).

¨ E=a t + b T2

¨ “Cold” Junction:

Tipos:¨ Type K (chromel —alumel) Gen. Purpose¨ Type E (chromel–constantan) Suited to cryogenic use.¨ J, N , Platinum types (B, R, and S), T, C , M ….

n RTD, platinum “PRTD “ -> 100Ohm @ 0ºC¨ Semicondutores: Rt = Rn (1 + αT) , NTC, PTC

n Termistors 1/T = a + b (ln(R)) + c (ln(R))3

n Semicondutores, Integrados (LM135)

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Fotosensores (Luz)n Fotodetectores

¨ Fotomultiplicadores (fotocátodo)¨ Fotodíodos e fototransistores

n Junção directa e inversamente polarizadas

¨ Imagem: CCD, CMOS

Charge Coupled-Device

Complementary metal–oxide–semiconductor

active-pixel sensor (APS)

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Foto-diode

Solar PanelRegion

Reverse bias

Spectral Response of a silicon photo diode

-5V

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Sondas para vácuon Pirani

¨10-5 a 1 mBarn Sonda de Ionização

n 10-13 a 10-3 mBar

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Microelectromechanical Systems (MEMS)n Feitos de componentes de tamanho de 1 a 100 μm n Componentes elétricos e mecânicos no mesmo chip

(Nanotecnologia)n Actuadores/ Sensores

¨ Acelerómetros, “Touchscreens”n Dispositivos Electrónica de Consumo

¨ game controllers (Nintendo Wii), “smart” phones (iPhone, Android) n Airbags, Proteção de discos durosn “Billions” de dispositivos pelo mundo fora, JÁ LIGADOS À

INTERNET!¨ Gyroscópios¨ Sensores de pressão¨ Temperatura¨ e-Bussolas¨ Módulos Inerciais¨ Sensores Médicos descartáveis

n Mercado enorme à vista!!!