Aula 9(Transdutores e sensores) - ULisboa
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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
Instrumentação Electrónica
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
Instrumentação Electrónica
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!!!
Instrumentação Electrónica
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
Instrumentação Electrónica
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)
Instrumentação Electrónica
Operação de sensores
n Potência¨Carga do circuito (fotocélula)¨Fonte de excitação (ruído)
n Condicionamento de sinaln Dimensão Física
Instrumentação Electrónica
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
Instrumentação Electrónica
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
Instrumentação Electrónica
Sensores – Princípios de transdução
n Capacitiva¨Movimento
n Constantes dieléctricas
n Forma geométrica¨Pressão
n Deformação do dielétrico
Instrumentação Electrónica
Sensores – Princípios de transdução
n Indutiva¨LVDT – Transformador
diferencial¨Efeito de Hall¨Motores como
geradores
Instrumentação Electrónica
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)
Instrumentação Electrónica
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)
Instrumentação Electrónica
Foto-diode
Solar PanelRegion
Reverse bias
Spectral Response of a silicon photo diode
-5V
Instrumentação Electrónica
Sondas para vácuon Pirani
¨10-5 a 1 mBarn Sonda de Ionização
n 10-13 a 10-3 mBar
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Instrumentação Electrónica
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!!!