Elementos de Medicao Sensores
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1Prof. G.A. Borges / ENE-FT-UnB 1
Elementos de medio: sensores
Prof. Geovany A. Borgese-mail: [email protected]
Laboratrio de Robtica e Automao (LARA)Grupo de Robtica, Automao e Viso Computacional (GRAV)Departamento de Eng. Eltrica - Universidade de Braslia (UnB)
Instrumentao de Controle - 167347Departamento de Engenharia Eltrica (ENE)
Universidade de Braslia (UnB)
Instrumentao de Controle Prof. G.A. Borges / ENE-FT-UnB 2
Tpicos
Medidas fsicas Transdutores eletrnicos
Transdutores resistivos Transdutores capacitivos Transdutores indutivos Transdutores termoeltricos Transdutores opto-eletrnicos Transdutores de campo magntico Transdutores piezoeltricos Transdutores qumicos
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Medidas fsicas
Principais grandezas de interesse Tempo Massa, fora, deformao Comprimento, distncia, velocidade, acelerao Intensidade luminosa Tenso eltrica, corrente, potncia Presso, nvel e vazo Umidade Temperatura Campos eltrico e magntico
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Medidas fsicas
Cadeia de medio eletrnica
O processo de medio Medio direta Medio indireta
Princpios fsicos do processo de medio
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Medidas fsicas
Caracterizao da medio Faixa de medio Caracterstica ideal linear No-linearidade Sensibilidade Preciso Repetibilidade Efeitos ambientais Tempo de resposta Histerese
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Trandutores eletrnicos
Emprego
Grandezas eltricas de sada Resistncia Capacitncia Indutncia Tenso Corrente
Grandeza eltrica
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Trandutores resistivos
Potencimetros lineares Deslizantes
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Trandutores resistivos
Potencimetros lineares Rotativos
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Trandutores resistivos
Potencimetros lineares Rotativos (multivoltas)
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Trandutores resistivos
Potencimetros lineares Materiais
Fio enrolado: Possui erro de resoluo diferente de zero Baixo coeficiente trmico
Filme de carbono Sem erro de resoluo Alta variao com a temperatura
Plstico condutivo Baixa no-linearidade devido ao
processo de fabricao a laser Alto coeficiente trmico
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Trandutores resistivos
Potencimetros lineares Caractersticas:
Impedncia de sada varivel Aplicvel para baixas velocidades No-linearidade Potencimetros logartmicos
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Trandutores resistivos
Termmetro resistor (RDT) Relao caracterstica:
Pequena no-linearidade Cobre e nquel (baixo custo) Platina (alto custo, inerte)
Pt100
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Trandutores resistivos
Termmetro resistor (RDT) Materiais:
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Trandutores resistivos
Termmetro resistor (RDT) Exemplo: sondas PT100 LABFACILITY
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Trandutores resistivos
Termmetro resistor (RDT) Exemplo: sondas PT100 LABFACILITY
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Trandutores resistivos
Termistor (PTC e NTC) Relao caracterstica no-linear:
ou ainda
onde geralmente
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Trandutores resistivos
Termistor (PTC e NTC) Exemplo: NTCs da Bosch
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Trandutores resistivos
Termistor (PTC e NTC) Exemplo: NTCs da Bosch
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Trandutores resistivos
Resistor dependente de luz (LDR)
Material foto-condutor
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Trandutores resistivos
Resistor dependente de luz (LDR) Exemplo: Fotoclulas da Silonex
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Trandutores resistivos
Extensmetros Relao caracterstica:
Compresso:
Fator gauge:
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Trandutores resistivos
Extensmetros Propriedades:
Baixa variao da resistncia com a temperatura (ligas metlicas)
Baixo coeficiente linear de dilatao trmica (ligas metlicas)
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Trandutores resistivos
Extensmetros Configuraes:
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Trandutores resistivos
Extensmetros Exemplos: Clula de carga para pequenas presses
(Omega), uso em ponte.
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Trandutores resistivos
Extensmetros Exemplos: Clulas de carga em miniatura (Sensotec)
Model 34
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Trandutores resistivos
Extensmetros Exemplos: Clula de carga simples (Vishay), uso em
ponte.
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Trandutores resistivos
Extensmetros Exemplos: Clula de carga em S (Vishay), uso em
ponte.
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Trandutores capacitivos
Capacitor de placas paralelas Relaes:
: permissividade do vcuo
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Trandutores capacitivos
Configuraes (I)
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Trandutores capacitivos
Configuraes (II)
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Trandutores capacitivos
Configuraes (III)
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Trandutores capacitivos
Configuraes (IV)
Lquidos isolantes Lquidos condutores
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Trandutores capacitivos
Exemplos LV5204 sensor de nvel de lquidos
Preo: US$224.00 (modelo LV5204-Y1-12-Z0comprimento 12, www.omega.com)
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Trandutores capacitivos
Exemplos MMA1250 acelermetro 5g (Freescale), com auto-
teste.
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Trandutores capacitivos
Exemplos MMA1250 acelermetro 5g (Freescale), com auto-
teste.
g
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Trandutores indutivos
Sensores de indutncia/relutncia varivel
Indutncia: Relutncia:
Permeabilidade do espao livre:
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Trandutores indutivos
Sensores de indutncia/relutncia varivel
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Trandutores indutivos
Sensores de indutncia/relutncia varivel
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Trandutores indutivos
Sensores de indutncia/relutncia varivel
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Trandutores indutivos
Sensores de indutncia/relutncia varivel
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Trandutores indutivos
Transformador Diferencial Varivel Linear (LVDT)
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Trandutores indutivos
Transformador Diferencial Varivel Linear (LVDT)
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Trandutores indutivos
Transformador Diferencial Varivel Linear (LVDT)
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Trandutores indutivos
Transformador Diferencial Varivel Linear (LVDT)
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Trandutores indutivos
Transformador Diferencial Varivel Linear (LVDT) Exemplo: Srie PR750 (Macro Sensors)
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Trandutores indutivos
Transformador Diferencial Varivel Linear (LVDT) Exemplo: AD698 Condicionador de sinal para LVDTs
(Analog Devices)
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Trandutores indutivos
Transformador Diferencial Varivel Rotativo (RVDT)
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Trandutores indutivos
Sensores eletromagnticos
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Trandutores termoeltricos
Termopares Efeito Peltier
Temperatura (C)
Dife
ren
a (C
) Tipo JTipo E
Tipo K
Metal A
Metal B
V+
V-
Efeito Peltier: V+ - V- =
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Trandutores termoeltricos
Termopares Conexo direta a um voltmetro (errado)
Metal A
Metal B Voltmetro
Metal C
Metal CTermopar
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Trandutores termoeltricos
Termopares Conexo direta a um voltmetro (correto)
Metal A
Metal B Voltmetro
Metal A Metal B
Termopar
Termopar
Metal C
Metal C
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Trandutores termoeltricos
Termopares Compensao da juno fria ( )
Manter juno fria sob temperatura controlada (conhecida) e somar medio .
Usar um circuito de compensao automtica, que mede a temperatura da juno fria usando outro sensor. Por aproximao, temos que
Ento, um simples amplificador somador e um sensor de temperatura ambiente podem ser usados para compensar
.
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Trandutores termoeltricos
Termopares
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Trandutores termoeltricos
Termopares Exemplo: termopares tipo K (LABFACILITY)
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Trandutores termoeltricos
Termopares Exemplo: LT 1025 circuito de compensao de juno
fria para termopares E, J, K, R, S e T (Linear Technology)
Diagrama de blocosAplicao tpica
US$ 4.28 (www.farnell.com)
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Trandutores termoeltricos
Termopares Exemplo: AD594 (tipo J) e AD595 (tipo K)
amplificadores c/ compensao de juno fria (AnalogDevices)
AD594: US$ 25.82 (www.farnell.com) AD595: US$ 15.24 (www.farnell.com)
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Trandutores termoeltricos
Semicondutores
AD590: LM35CZ:
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Trandutores opto-eletrnicos
Fotodiodo
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Trandutores opto-eletrnicos
Fototransistor
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Trandutores opto-eletrnicos
Opto-acopladores
6N136
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Trandutores opto-eletrnicos
Opto-acopladores
6N138
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Trandutores opto-eletrnicos
Opto-acopladores
MOC3061
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Instrumentao de Controle Prof. G.A. Borges / ENE-FT-UnB 63
Trandutores opto-eletrnicos
Opto-acopladores
IL300
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Trandutores opto-eletrnicos
Chaves pticas
H22A1
OPB704
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Trandutores opto-eletrnicos
Decodificador ptico absoluto
Sensor ptico eDisco codificado
Circuito de condicionamento
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Trandutores opto-eletrnicos
Decodificador ptico absoluto
Disco codificadoem binrio
Disco codificadoem Gray
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Instrumentao de Controle Prof. G.A. Borges / ENE-FT-UnB 67
Trandutores opto-eletrnicos
Decodificador ptico incremental
Sensor ptico e discoCanais A e B, e top zero (Z)
Instrumentao de Controle Prof. G.A. Borges / ENE-FT-UnB 68
Trandutores opto-eletrnicos
Decodificador ptico incremental
ContadorCrescente/Decrescente
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Trandutores de campo magntico
Sensores a efeito Hall
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Trandutores de campo magntico
Sensores a efeito Hall: Exemplos de aplicao
Chave simples
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Trandutores de campo magntico
Sensores a efeito Hall: Exemplos de aplicao
Instrumentao de Controle Prof. G.A. Borges / ENE-FT-UnB 72
Trandutores de campo magntico
Sensores a efeito Hall: A1301
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Instrumentao de Controle Prof. G.A. Borges / ENE-FT-UnB 73
Trandutores de campo magntico
Sensores a efeito Hall: ACS704
Instrumentao de Controle Prof. G.A. Borges / ENE-FT-UnB 74
Trandutores de campo magntico
Sensores a efeito Hall: A3422
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Instrumentao de Controle Prof. G.A. Borges / ENE-FT-UnB 75
Trandutores de campo magntico
Sensores magneto-resistivos Certas ligas ferro-magnticas possuem a propriedade
de variar sua resistncia sob a incidncia de um campo magntico.
Para pequenos campos, a resistncia do material varia com a magnitude e a direo do campo magntico.
Se o campo magntico muito forte, o sensor satura, de modo que a resistncia no mais influenciada pela magnitude, apenas pela direo.
Vantagens da saturao: imunidade ao coeficiente de temperatura do im, insensibilidade ao espao entre o im e o sensor, insensibilidade magnitude do campo.
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Trandutores de campo magntico
Sensores magneto-resistivos: exemplos de aplicao.
Ponte de Wheatstone:- Quatro sensores: reduzida sensibilidade avariao de temperatura.- Resistncias de ajuste de zero calibradas durante a fabricao
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Trandutores de campo magntico
Sensores magneto-resistivos: exemplos de aplicao.
X
Y
Z
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Trandutores de campo magntico
Sensores magneto-resistivos: HCM1022 (Honeywell)
Opera na regio linear (no saturada)
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Trandutores de campo magntico
Sensores magneto-resistivos: KMZ43T (Philips)
Opera na regio de saturao Para medio de ngulo
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Trandutores piezo-eltricos
Propriedades do efeito piezo-eltrico Converso entre energias mecnica e eltrica (nos dois
sentidos) Aplicaes: microfones, cpsulas sonoras (inclusive
ultra-som) Propriedades do efeito piezo-resistivo
Converso entre deformao mecnica e resistncia eltrica
Aplicaes: sensores de micro-fora e de presso.
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Trandutores piezo-eltricos
Elemento piezo-eltrico: MA40B8R/S (Murata)
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Trandutores piezo-resistivos
Elemento piezo-resistivo: MPX10 (Freescale)- Elemento sensor: diafragma de silicone- Configurao em ponte- Sem compensao de temperatura
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Transdutores qumicos
Eletrodos seletivos de ions (IES)
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Transdutores qumicos
Eletrodos seletivos de ions (IES) Exemplos de aplicaes
Meio ambiente: monitorao de poluio de guas Agricultura: NO3, Cl, NH4, K, Ca, I, CN em sementes e
fertilisantes. Alimentao: medio de concentrao de sal em alimentos Indstria: qualidade da gua, S e Cl em pontos de circulao de
gua, pH. Explosivos: F, Cl, NO3 em explosivos e produtos de combusto Biomdica: Ca, K, Cl em fluidos do corpo.