Utilização de sensores e transdutores óticos

Princípios de Funcionamento – Tipos e Aplicações

Universidade de Caxias do Sul - UCSValner Brusamarello

Sensores e Transdutores Óticos__________________________________

Contextualização

O que são sensores óticos?Importância de sensores óticos inseridos no contexto da atualidadeImportância de Sensores óticos dentro da IndústriaImportância de sensores óticos dentro da instrumentação

Sensores e Transdutores Óticos__________________________________

Generalidades

Principal característica: Ausência de cabos metálicos entre transmissão e recepção de sinalAplicações: contagem de peças, medição de velocidade, medição de deslocamento, sistemas de segurança, comunicação de dados entre muitos outros

Aspectos HistóricosSensores e Transdutores Óticos__________________________________

Há pelo menos 5 milhões de anos a humanidade utiliza sinais visuais para comunicaçãoSéculo II AC – Polibio propôs um sistema de transmissão do alfabeto grego por meio de sinais de fogoSéculo XVII – Descobertas no campo da ótica com Snell, Huygens, entre outrosSéculo XX – Explosão tecnológica com surgimento da era moderna e utilização dos semicondutores

Sensores e Transdutores Óticos__________________________________

Princípios Gerais de Funcionamento de Dispositivos

Baseados em Sensores Óticos

Interrupção de feixe de luzReflexão de feixe de luzMedição de Intensidade de LuzUtilização de Arranjos para medição de intensidade de Luz

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Interrupção de feixe de luz

Fonte Emissora de Luz

Anteparo Elemento Sensor

Fonte Emissora de Luz

Elemento Sensor

1)

2)

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Reflexão de feixe de luz

Fonte Emissora de Luz

Anteparo

Elemento Sensor

Sensores e Transdutores Óticos__________________________________

Medição de Intensidade de Luz

I1

I2

Sinal 1

Sinal 2

Sensor 1

Sensor 2

V1

V2

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Utilização de Arranjos para medição de intensidade de Luz

Elementos Sensores

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Tipos de Sensores

LDRsFotodiodosFototransistoresCCDs

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Resistor Dependente de Luz - LDR (Light

Dependent Resistor)

LDR é um dispositivo semicondutor de dois terminais, cuja resistência varia com a intensidade de luz incidenteMateriais freqüentemente utilizados:sulfeto de cádmio (CdS) e o seleneto de cádmio (CdSe).LDRs aumentam sua condutividade quando expostos a Luz.Variação de Resistência típica : cerca de 300 Ω para luz ambiente e 10 MΩ para o escuroResposta lenta (cerca de 200K Ω por segundo)

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Fotodiodo

Diodo de junção construído de forma a possibilitar a utilização da luz como fator de controle para a correnteFunciona polarizado inversamenteTem resposta rápida em relação a variação do sinal luminosoCorrente de saída baixa

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Fototransistores

Princípio de funcionamento similar ao fotodiodo, entretanto associado ao efeito do transistorMaior sensibilidade devido a amplificaçãoResposta mais lenta

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Sensor Acoplador de Cargas (Charge Coupled Device -CCD)

Arranjo de sensores que transformam uma informação luminosa pontual (pixel) num sinal elétrico A luz num determinado ponto sensor

provoca a liberação de cargas que geram uma diferença de potencialUm arranjo na forma de matriz permite então que seja feita uma varredura de sinais elétricos ocasionados pela luminosidade numa superfície

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Encoders

DefiniçãoTipos de Encoders:− Encoders que utilizam um

disco perfurado simples− Encoders Incrementais− Encoders Absolutos

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Aplicações - Medição de Nível

Sensores Detectam quando o líquido nagarrafa alcança o seu limite superior

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Aplicações - Medição de Temperatura

Pirômetros de radiação implementados com sensores óticos

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Aplicações - Termógrafo

Imagem térmica de um corpo

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Aplicações - Medição de Temperatura

Pirômetro de radiação implementado com sensores óticos

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Aplicações - Visão Artificial

Sensores e Transdutores Óticos__________________________________

Aplicações - Diversos

Sensores e Transdutores Óticos__________________________________

Aplicações - Termocâmeras

Sensores e Transdutores Óticos__________________________________

Aplicações - Leitura de CD

Transdutores FotoelétricosFotodiodos

Princípio de FuncionamentoOs fótons ao colidirem com elétrons na banda de valência cedem energia a eles e, assim, os elétrons são promovidos para a banda de condução. Se esta colisão ocorrer na região de deplexão, o campo elétrico existente ali desloca os elétrons criando uma fotocorrente.

D1

Ânodo

Cátodo

-e Ip

Transdutores FotoelétricosFotodiodos

Princípio de FuncionamentoFotodiodo sob polarização reversa

aumenta a região de deplexão

D1

Ânodo

Cátodo

Transdutores FotoelétricosFotodiodos

Princípio de Funcionamento

Absorção Geração do par Elétron-Lacuna

Recombinação

Geração de Corrente Elétrica

(fotocorrente Ip)

Ip

Transdutores FotoelétricosFotodiodos

Função de Transferência - Responsividade

(A/Watt) PIR

L

P=

eheP NeeNI η==η é a eficiência de absorçãoNeh= número de pares eletron-lacunagerados por segundo

Energia de 1 Photon de compr. de onda λ

(Joules) chEf λ= então se Ef > Eg = Ec-Ev

ehfWatts NE P =

Transdutores FotoelétricosFotodiodos

Função de Transferência - Responsividade

(A/Watt) PIR

L

P=

eheP NeeNI η==

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

<

≥==

Egch se 0

Egch se (A/Watt) hc

eEe

R f

λ

λληη

ehfWatts NE P =

Transdutores FotoelétricosFotodiodos

Modos de OperaçãoFotovoltaicoFotocondutivo

PkTeV

o I1eII −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Função de Transferência

Operando no Modo Fotovoltaico (fotocélula)

PkTeV

o

Ld

I1eII

IRVd

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−=I

Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Função de Transferência

Operando no Modo Fotovoltaico (fotocélula)Id

I

Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Função de Transferência

Operando no Modo Fotocondutivo

+ -

I

PkTeV

o

LBd

I1eII

IRVVd

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−=+

Neste caso Vd é negativo logo I≅-Io-Ip, ou seja, a corrente no diodo e a tensão em RL são lineares em relação a potência luminosa incidente.

Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Função de Transferência

Operando no Modo Fotocondutivo

Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Função de Transferência

Modelo MatemáticoPossui ruído térmico (Rs e Rj) e ruído quântico (devido a corrente no diodo).

Quanto maior a polarização reversa menor é Cj.

Quanto maior a polarização reversa maior é a corrente de ruído

Transdutores FotoelétricosFotodiodos

Condicionamento

Transdutores FotoelétricosFotodiodos

Condicionamento

Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Exemplo de Aplicação

Sensores de ProximidadeSão constituidos de uma fonte de luz (LED) e um fotodetector (fototransistor)Normalmente procede-se a modulação do sinal para diminuir a influência da luz ambienteSaída TTL 5V, relé de estado sólido, etc...

AmplificadorDemodulator

Modulator Fonte de Sinal

Saída

Fonte de Alimentação

Sinal Modulado Carga

Transdutores Fotoelétricos

Sensores de Proximidade Fotoelétricos

Alguns Modelos

Transdutores Fotoelétricos

Sensores de Proximidade Fotoelétricos

Modos de OperaçãoFeixe de luz passante

Longas distâncias (20m)Alinhamento é crítico

Retro-reflexãoDistâncias de 1 a 3mPopular e barato

Reflexão difusaDistância de 12 a 300mmBarato e fácil de usar

Transdutores Fotoelétricos

Sensores de Proximidade Fotoelétricos

Admitem extensão com fibra ótica

Transdutores Fotoelétricos

Sensores de Proximidade Fotoelétricos

Exemplos de Aplicação

Transdutores Fotoelétricos

Sensores de Proximidade Fotoelétricos

Exemplos de Aplicação

Transdutores Fotoelétricos

Sensores de Proximidade Fotoelétricos

Exemplos de Aplicação

Cortina de luz(segurança)

Detector de Colisão

Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Exemplo de Aplicação

Codificador ÓticoSão sensores de posiçãoConsiste de uma lâmina de plástico ou vidro que se movimenta entre uma fonte de luz (LED) e um conjunto de fotodiodosA lâmina é codificada (reticulada) com setores transparentes e opacos alternados, de modo que pulsos de luz são produzidos com o movimento da lâmina.

Rotativos

Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Exemplo de Aplicação

Codificador ÓticoSão sensores de posiçãoConsiste de uma lâmina de plástico ou vidro que se movimenta entre uma fonte de luz (LED) e um conjunto de fotodiodosA lâmina é codificada (reticulada) com setores transparentes e opacos alternados, de modo que pulsos de luz são produzidos com o movimento da lâmina.

LinearesExpostos Selados

Transdutores Fotoelétricos

Codificador Ótico Rotativo

Características

Transdutores Fotoelétricos

Codificador Ótico Linear

Características

Sensores e Transdutores Óticos__________________________________

Funcionamento do Encoder Simples

Um emissor e um receptor acoplados a umaroda com rasgosque permitem a luz passar

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Funcionamento do Encoder Incremental

Permite saber o sentido do movimento dodisco em relaçãoaos sensores

Sensores e Transdutores Óticos__________________________________

Funcionamento do Encoder Absoluto

Geração de códigobinário correspondentea posição do disco emrelação aos sensores e emissores

Transdutores FotoelétricosCodificadores Óticos

Estrutura Interna

Transdutores FotoelétricosCodificadores Óticos Incrementais

Modo de Operação

• Os pulsos de luz são contados para determinar a posição

• São usados dois fotodetectores em quadratura para determinar a direção do movimento

• Um pulso de índice é utilizado para determinar a posição inicial

Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Incremental

Linear

Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Incremental

Rotativo

Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Incremental Rotativo

Exemplo de Discos

Transdutores FotoelétricosCodificadores Óticos Incremental Rotativo

Detalhes Construtivos

Fonte Luminosa

LenteMáscara

Disco com EscalaFotosensores

Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Incremental

Sinais de Saída

Quase Senoidais

Permite Interpolação

Digitais

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

A2

B2ppp I

Iarctg360l

lNP

Interpolação - Explora a característica quase senoidal dos sinais de saída

Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Incremental

Sinais de SaídaPorque Quase Senoidais ?

Máscara

po

Feixe deLuzParalelo

Escala impressa

Fotosensor

p

I (p)I (p, )

TS θ

sobre o disco

A

A

Escala

Área efetiva de passagen de luzMáscara

prθ

po

L

Corte A-A

S( )θ

θ2nπ

KsAL

p

Imx

10

Gd(p)

Imx

I (p)s

p

p

pθr

I (p)T

Esse é o sinal ideal da fotocorrente em função do movimento da escala

Intensidade luminosa ideal sobre a escala

Escala Móvel

Intens. luminosa no Fotodiodo

Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Incremental

Sinais de Saída

Porque Quase Senoidais ?

FonteLuminosa

LenteConvergente

Máscara Escala

Fotosensor

Frente de onda

Difração

Interferência

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

p

I (p)T

Mas ocorre a difração da luz no retículo da máscaraPasso ≅ 4 µm ou menor

Intensidade luminosa real sobre a escala

Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Absoluto

Modo de Operação• Fornecem um código digital

único para cada posição

• O código geralmente é no formato Gray

• Os codificadores óticos absolutos são mais complexos e caros que os incrementais

Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Absoluto

Linear

Transdutores FotoelétricosCodificaor Ótico Absoluto

Rotativo

Transdutores FotoelétricosCodificadores Óticos Absolutos Rotativos

Exemplos de Discos

Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico

Exemplo de Aplicação

Sistema de Posicionamento de

Telescópio

Mecanismo de alimentação para

máquina perfuratriz