Instrumentação Industrial - Tudo Sensores

Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia

InstrumentaçãInstrumentaçã

oo

IndustrialIndustrialCarlos Rodrigues Carlos Rodrigues MartinsMartins


Sistemas de Aquisição Sistemas de Aquisição dede

SinalSinalTRANSDUTORES ELECTRÓNICOSTRANSDUTORES ELECTRÓNICOS

TransdutoresTransdutores – – Convertem grandezas Convertem grandezas físicas em sinais eléctricosfísicas em sinais eléctricos

TransdutoresTransdutores LinearesLineares Não lineares – linearização Não lineares – linearização através de curva de calibraçãoatravés de curva de calibração


Circuito de Excitação e Acondicionamento do Sinal


Sistema de Medida Sistema de Medida DigitalDigital

S & H – Circuito de Amostragem e S & H – Circuito de Amostragem e RetençãoRetenção

(Sample and Hold) (Sample and Hold)

A/D – Conversor Analógico-DigitalA/D – Conversor Analógico-Digital

D/A – Conversor Digital-AnalógicoD/A – Conversor Digital-Analógico


SENSORES DE SENSORES DE TEMPERATURATEMPERATURA

Sensores de ContactoSensores de Contacto Interruptores TérmicosInterruptores Térmicos

BimetálicosBimetálicos MercúrioMercúrio

Termogeradores Termogeradores Passivos – termoparPassivos – termopar Activos – junção pn; fonte de Activos – junção pn; fonte de

corrente corrente


TermoresistênciasTermoresistências Metálicas – Platina; Cobre ...Metálicas – Platina; Cobre ... Semicondutoras – Silício; CerâmicasSemicondutoras – Silício; Cerâmicas

Sensores de Radiação TérmicaSensores de Radiação Térmica

Interruptores TérmicosInterruptores TérmicosInterruptor Bimetálico – Utiliza uma Interruptor Bimetálico – Utiliza uma lâmina dupla (dois metais com lâmina dupla (dois metais com diferentes coeficientes de dilatação)diferentes coeficientes de dilatação)


Interruptor Bimetálico Interruptor Bimetálico SimplicidadeSimplicidade Gama de temperaturas até 300ºCGama de temperaturas até 300ºC Tc (temp. de comutação) pode ser Tc (temp. de comutação) pode ser

ajustada mecanicamente ajustada mecanicamente Corrente comutada até 15ACorrente comutada até 15A Apresenta histereseApresenta histerese Inércia térmica elevadaInércia térmica elevada

Interruptor de Mercúrio – Utiliza a Interruptor de Mercúrio – Utiliza a expansão térmica de uma coluna de expansão térmica de uma coluna de mercúriomercúrio


Interruptor de MercúrioInterruptor de Mercúrio

Precisão e estabilidade elevadas Precisão e estabilidade elevadas (0,01ºC)(0,01ºC)

Ausência de histerese (muito baixa)Ausência de histerese (muito baixa)

Correntes comutadas da ordem de Correntes comutadas da ordem de mAmA

Constante de tempo de 1 a 5sConstante de tempo de 1 a 5s


Termitências Metálicas (RTD’s - Termitências Metálicas (RTD’s -

Resistance Temperature Detectors)Resistance Temperature Detectors)

Constituídas por fio metálico ou Constituídas por fio metálico ou

filme filme metálico (deposição sobre um metálico (deposição sobre um

substrato substrato isolante)isolante)

Coeficiente de temperaturaCoeficiente de temperatura

T = 1R

dR

dT T0


T T <0 – resistências NTC (Negative Temp. <0 – resistências NTC (Negative Temp.

Coef.) Coef.) T T >0 – resistências PTC (Positive Temp. >0 – resistências PTC (Positive Temp.

Coef.)Coef.)

Coeficientes de TemperaturaCoeficientes de Temperatura MetalMetal Gama de T Gama de T ºCºC

T T (T=25ºC) (T=25ºC)

% ºC % ºC 11

PlatinaPlatina 200 a 850200 a 850 0,39 (1)0,39 (1)

NíquelNíquel 80 a 32080 a 320 0,670,67

CobreCobre 200 a 260200 a 260 0,38 (2)0,38 (2)

(1) Precisão: 0,001ºC((2) Resistividade muito baixa (pouco usado)


Padrão de Medida de TemperaturaPadrão de Medida de Temperatura

Resistência de Platina de 100 Resistência de Platina de 100 (T=25ºC) (T=25ºC)

Características da PlatinaCaracterísticas da Platina

Pode ser altamente refinada (99,999%)Pode ser altamente refinada (99,999%)

Não contaminávelNão contaminável

Mecanicamente e electricamente Mecanicamente e electricamente estávelestável

Baixa sensibilidade (Baixa sensibilidade (TT))

A resistividade de condutores segue a leiA resistividade de condutores segue a lei

(T) = (T) = (T(T00) [ 1 + a (T) [ 1 + a (TTT00)+ b (T)+ b (TTT00))2 + ...2 + ...]]


Termitências de SilícioTermitências de Silício Resistências de 10Resistências de 10 a 10k a 10k Tolerâncias de 1% a 20%Tolerâncias de 1% a 20%

T T 0,7 % ºC0,7 % ºC11

Linearidade - Linearidade - 0,5% ( 0,5% (65ºC a 200ºC)65ºC a 200ºC)

Termistências de Cerâmicas Termistências de Cerâmicas SemicondutorasSemicondutorasCerâmicas NTC Cerâmicas NTC

Obtidas a partir de óxidos de Fe, Ni, Cr, Obtidas a partir de óxidos de Fe, Ni, Cr, Mn ou Co (óxidos de elevada Mn ou Co (óxidos de elevada

resistividade)resistividade) Tornam-se semicondutoras pela adição de Tornam-se semicondutoras pela adição de

impurezas (iões) com valência diferenteimpurezas (iões) com valência diferente


Cerâmicas NTCCerâmicas NTC Elevada sensibilidade e estabilidadeElevada sensibilidade e estabilidade

T T = 5 % ºC= 5 % ºC1 1 contra contra T T = 0,39 % ºC= 0,39 % ºC1 1

para a platinapara a platina

Condutividade das cerâmicas Condutividade das cerâmicas semicondutorassemicondutoras

= = q q - concentração de cargas- concentração de cargas

- mobilidade das cargas- mobilidade das cargas

q - carga do electrãoq - carga do electrão


Resistência das Resistência das NTCNTC

R = A eBT; R = A (T=)

T em ºK

B>0 para T>TcB>0 para T>Tc

R = R(T0) eB

1T

1T0

R R ((TT00)) medida com potência dissipada medida com potência dissipada nulanula

B depende da cerâmica B depende da cerâmica ((3000º3000ºKK a a 5000º5000ºK)K)

ouou


Termistências NTC lineares, de Termistências NTC lineares, de precisãoprecisão

R1=3200R1=3200 0,1%0,1% R2=6250 R2=6250 0,1%0,1% V0=(0,0053483T+0,13493) VAV0=(0,0053483T+0,13493) VA

Linearidade = Linearidade = 0,22 ºC (0ºC a 0,22 ºC (0ºC a 100ºC)100ºC)

V0=(0,0056846T+0,194142) VAV0=(0,0056846T+0,194142) VA

Linearidade = Linearidade = 0,22 ºC 0,22 ºC

(-2ºC a 45ºC)(-2ºC a 45ºC)


Termistências NTC lineares, de Termistências NTC lineares, de precisãoprecisão

Sensor diferencial de Temperatura Sensor diferencial de Temperatura ((0 ºC a 100 ºC 0 ºC a 100 ºC ))Sensibilidade: 10mV /ºC Sensibilidade: 10mV /ºC

VV00 = 0,0053483 V = 0,0053483 VAA (T1 – T2) (T1 – T2)


Aplicações das NTC’sAplicações das NTC’s

Oscilador de WienOscilador de WienLimitação da Limitação da

amplitude do sinal amplitude do sinal de saídade saída

CAGCAGCircuito Circuito

amplificador com amplificador com controlo controlo

automático de automático de ganhoganho



Medidor de caudal de fluidosMedidor de caudal de fluidosT é proporcional à velocidade do fluxoT é proporcional à velocidade do fluxo

R resistência de aquecimento ou NTC1 e NTC2 em regime deR resistência de aquecimento ou NTC1 e NTC2 em regime deauto-aquecimento (dispensa-se R). As NTC’s podem ser auto-aquecimento (dispensa-se R). As NTC’s podem ser Inseridas numa ponte de Wheatstone permitindo grande Inseridas numa ponte de Wheatstone permitindo grande

precisãoprecisão



Controlador de Controlador de nível de líquidosnível de líquidos

CompensaçCompensação de Rão de RLL(T)(T)


Acima da temperatura de Curie as termistências Acima da temperatura de Curie as termistências de cerâmica podem comportar-se como PTC’sde cerâmica podem comportar-se como PTC’s

Característica Característica R(T) de um R(T) de um interruptor interruptor

térmico ideal e térmico ideal e de uma PTCde uma PTC

AplicaçõesAplicaçõesProtecção de circuitos electrónicos – Protecção de circuitos electrónicos – corrente, sobre-tensãocorrente, sobre-tensão

Limitações Limitações – Características menos – Características menos estáveis que as NTC’s estáveis que as NTC’s


Termogeradores Termogeradores ActivosActivos

Para I = cte.Para I = cte.dVd/dT dVd/dT const. const.

Vd variaVd variaquase linearmentequase linearmente

com Tcom T

Circuito Circuito integrado integrado monolítico monolítico

AD590AD590

T de T de –55–55ºC a ºC a 150150ºCºC

Vcc de 4V a 30VVcc de 4V a 30V

Linearidade Linearidade

erro erro < 0,3ºC< 0,3ºC


Circuito para Medida Circuito para Medida de Temperatura em de Temperatura em

ºCºC

O C.I. LM385 gera O C.I. LM385 gera uma tensão de uma tensão de

referência referência ajustada através ajustada através

de RV. Esta tensão de RV. Esta tensão é subtraída à é subtraída à tensão em R1 tensão em R1

permitindo obter permitindo obter uma escala de uma escala de

temperaturas em temperaturas em ºC ºC


Termogeradores Termogeradores PassivosPassivos

Quantidade de fluxo de calor por Quantidade de fluxo de calor por unidadeunidade

de volumede volume

Q = i Q = i 2 2 R – i R – i ((dT/dxdT/dx))

- coeficiente de Thomson; - coeficiente de Thomson; E =E = dT/dxdT/dx

Efeito de ThomsonEfeito de Thomson

(Lord Kelvin)(Lord Kelvin)Absorção ou Absorção ou libertação de calor libertação de calor por parte de um por parte de um condutorcondutor

Aplicações:Aplicações: Termopares, bombas de Termopares, bombas de calorcalor



I no sentido contrário do campo eléctricoI no sentido contrário do campo eléctrico

interno Einterno ELibertação interna de calor - Libertação interna de calor -

AquecimentoAquecimento

I no mesmo sentido do campo eléctrico EI no mesmo sentido do campo eléctrico EArrefecimento do materialArrefecimento do material

AplicaçãoAplicação – Refrigerador termoeléctrico – Refrigerador termoeléctrico baseado em junções PNbaseado em junções PN


PP12 12 == 1212 I I

PP1212 - - potência térmica na junçãopotência térmica na junção

1212 - Coeficiente de Peltier- Coeficiente de PeltierSó recentemente apareceram aplicações práticas Só recentemente apareceram aplicações práticas deste efeito (dispositivos baseados em junções deste efeito (dispositivos baseados em junções semicondutoras)semicondutoras)


Efeito de PeltierEfeito de PeltierArrefecimento de uma Arrefecimento de uma junção metálica ao ser junção metálica ao ser atravessada por corrente no atravessada por corrente no sentido da f.e.m. de Peltier, sentido da f.e.m. de Peltier, EE12P12P. Aquecimento se se . Aquecimento se se inverter Iinverter I



Efeito de SeebekEfeito de SeebekNum circuito fechado comNum circuito fechado com

duas junções metálicas aduas junções metálicas a

temperaturas diferentestemperaturas diferentes

aparece uma correnteaparece uma corrente

devido ao efeito de devido ao efeito de Seebek.Seebek.

EEAB2 AB2 ;; EEAB1 AB1 – forças electromotrizes de – forças electromotrizes de PeltierPeltier

EETA TA ;; EETB TB – forças electromotrizes de – forças electromotrizes de ThomsonThomson

EEABAB = E= EAB2AB2 – E– EAB1AB1 = = ABAB (T2 –T1)(T2 –T1)


Células de Células de PeltierPeltier

A corrente I arrefece as junções NP e transfereA corrente I arrefece as junções NP e transferecalor para as junções PN. A corrente I dá origem a perdas calor para as junções PN. A corrente I dá origem a perdas por efeito de Joule nas resistências das células N e P. Aspor efeito de Joule nas resistências das células N e P. Asquedas de tensão nas junções NP dão origem ao seuquedas de tensão nas junções NP dão origem ao seuarrefecimento.arrefecimento.

Usam-se materiais Usam-se materiais semicondutores como semicondutores como

o Selenieto de o Selenieto de Bismuto e o Telurieto Bismuto e o Telurieto

de Bismuto de Bismuto

Dopam-se com Dopam-se com impurezas impurezas

aceitadoras (P) e aceitadoras (P) e dadoras (N)dadoras (N)


Células de Células de PeltierPeltier

Eficiências termoeléctricas da ordem de 6%Eficiências termoeléctricas da ordem de 6%

Dimensões reduzidasDimensões reduzidas

Ausência de ruído acústicoAusência de ruído acústico

AplicaçõesAplicaçõesRefrigeração de líquidosRefrigeração de líquidos

Mini-baresMini-bares

Diminuição do ruído térmico em Diminuição do ruído térmico em dispositivosdispositivos

electrónicos – Sensores de vídeo (CCD’s), electrónicos – Sensores de vídeo (CCD’s),

detectores de radiação PIRdetectores de radiação PIR


TermoparesTermoparesAplicação: medição de temperaturas baseada noAplicação: medição de temperaturas baseada no

efeito de Seebek (I=0).efeito de Seebek (I=0).

F.E.M. de SeebekF.E.M. de Seebek

EEABAB == aaABAB ((T–TT–T00) + ½ ) + ½ bb ( (TT22–T–T0022))

aaAB AB ABAB

Lei dos Condutores IntermédiosLei dos Condutores IntermédiosA inserção do condutor B entre A e C, desde queA inserção do condutor B entre A e C, desde que

à mesma temperatura T2 à mesma temperatura T2 (i.e. (i.e. em B grad T=em B grad T=0)0), , não modifica a FEM de Seebek, Enão modifica a FEM de Seebek, EABAB. .


TermoparesTermopares

AC AC == AA--C C == A A - - B B + + B B --CC

= = AB AB - - CBCB

Metal ((VºCVºC-1-1)) b(V ºC-

2)Cobre 2,71 0,0079

Constantan

-38,1 -0,0888

Ferro 16,7 -0,0279

Níquel -19,1 -3,02

e e bb definidos definidos relativamente ao relativamente ao

elemento de elemento de referência, o chumboreferência, o chumbo((PbPb muito pequeno)muito pequeno)

CoeficientesCoeficientes e e b b de de metais e ligasmetais e ligas



Para aumentar a sensibilidade, em geral procura-Para aumentar a sensibilidade, em geral procura-sese que que aaAB AB seja elevadoseja elevado ( (aaA A >>a>>aBB). Para b). Para bABAB muito pequeno a resposta é quase linear.muito pequeno a resposta é quase linear.

F.E.M. de SeebekF.E.M. de Seebek

EEABAB == a aABAB ((T–TT–T00)+½ )+½ bbABAB ( (TT22––TT00

22) )

aaAB AB ABAB

TiTi,, T Tmm e T e Tjj determinam a determinam a

gama de utilização do gama de utilização do termopartermopar



Compensação da junçãoCompensação da junção

fria com gelo fundentefria com gelo fundente

Medida da Medida da temperatura T1 temperatura T1

com um com um voltímetro (Ivoltímetro (I0)0)


TermoparTermopareses

Erro em função de Erro em função de T(ºC)T(ºC)

Tipos mais Tipos mais usuaisusuais

K – Cromel-AlumelK – Cromel-Alumel

J – Ferro-ConstantanJ – Ferro-Constantan

E – Cromel-E – Cromel-ConstantanConstantan

T – Cobre-T – Cobre-ConstantanConstantan


TermopareTermoparess

Compensação da junçãoCompensação da junção

fria com tensão de errofria com tensão de erro

obtida a partir de umobtida a partir de um

sensor de temperaturasensor de temperatura

baseado no C.I. AD590baseado no C.I. AD590



Compensação Compensação da junção friada junção friaobtida a partir de obtida a partir de

umum

sensor de sensor de temperaturatemperatura

de precisão -de precisão -LT1025LT1025

Este circuito Este circuito dispõe saídas para dispõe saídas para

a compensação a compensação dos termopares dos termopares

mais usuaismais usuais


Amplificadores de InstrumentaçãoAmplificadores de Instrumentação

Circuito para calcular Circuito para calcular os ganhos diferencial os ganhos diferencial e de modo comume de modo comum

v1a = (1+ R4R3 ) v1 -

R4R3 v2 + vcm

v2a = (1+ R5R3 ) v2 -

R5R3 v1 + vcm

A tensão de entrada A tensão de entrada

(v1a-v2a), do (v1a-v2a), do amplificador amplificador

diferencial, não diferencial, não depende de vcmdepende de vcm


Amplificadores de Amplificadores de InstrumentaçãoInstrumentação

VV00 = K = K1212 [[AAvdvd (v (v11aa-v-v22aa)) + + ½½ A Avcvc (v (v11aa+v+v22aa)])]

Avd = R8

R7+R8 R6+R9

R6 + R9R6

Avc = R8

R7+R8 R6+R9

R6 - R9R6

AAvd vd – ganho diferencial, A– ganho diferencial, Avc vc – ganho de modo – ganho de modo comumcomum

KK12 12 -- ganho da montagem A1 /A2 ganho da montagem A1 /A2



O desempenho é optimizado paraO desempenho é optimizado paraR9 = R8R9 = R8

R7 = R6R7 = R6 Avc = 0 Avc = 0

RMC (Rejeição de Modo Comum) RMC (Rejeição de Modo Comum) Avd/Avc = Avd/Avc =

Desvios nestas resistências provocam o Desvios nestas resistências provocam o aumento deaumento de

Avc, e a degradação de RMC. Para Avc, e a degradação de RMC. Para R8=R9=100kR8=R9=100k1%, e R6=R7=1k 1%, e R6=R7=1k 1%, 1%,

obtém-se obtém-se RMCRMCdBdB (mín)(mín)= 74 dB= 74 dB

O ajuste de R7 ou R8 permite anular Avc (nosO ajuste de R7 ou R8 permite anular Avc (nos C.I.’s específicos o ajuste é feito por laser)C.I.’s específicos o ajuste é feito por laser)



eenn – – tensão de ruídotensão de ruído; i; inn – corrente de ruído– corrente de ruído

etetn n – tensão de ruído térmico– tensão de ruído térmico, Rg, Rgeqeq – resistência– resistência

equivalente na entrada equivalente na entrada

k=k=1,38066 x 101,38066 x 10--2323 J/ºKJ/ºK

Para T=Para T=298º298ºK K (25º(25ºC), C),

eennttoottaall == [[eenn22++((RRggeeqqiinn))22++eettnn22]]11// 22

Ruído total na entrada de um Ruído total na entrada de um AMPOPAMPOP

etetnn==0,130,13 x x ((RgRgeqeq))1/21/2 nV/ nV/ ((HzHz)) 1/21/2

etetn n = (= (44 k T Rg k T Rgeqeq f) f) 1/21/2


Ruído na entrada de um Ruído na entrada de um AMPOPAMPOP(NE5534)(NE5534)


Ruído na entrada de um Ruído na entrada de um AMPOPAMPOP

LT1115 LT1115 @ 1kHz, T=25ºC @ 1kHz, T=25ºC

eenn = 0,85 nV/(Hz) = 0,85 nV/(Hz) 1/21/2

iinn = 1 pA /(Hz) = 1 pA /(Hz) 1/21/2

LTC274LTC274@ 1kHz, T=25ºC @ 1kHz, T=25ºC

eenn = 9 nV/(Hz) = 9 nV/(Hz) 1/21/2

iinn = 0,6 fA /(Hz) = 0,6 fA /(Hz) 1/21/2

LT1115:LT1115: eenn total total = 6,13 nV= 6,13 nV/(Hz) /(Hz) 1/21/2

LTC274: eLTC274: en totaln total = 10,67 nV= 10,67 nV/(Hz) /(Hz) 1/21/2

Para R1= R3 = 10k, ePara R1= R3 = 10k, en totaln total aumenta cerca de 4,5 aumenta cerca de 4,5 vezes (LT1115) e apenas 2 vezes no 2º caso vezes (LT1115) e apenas 2 vezes no 2º caso


Transdutores Opto-Transdutores Opto-ElectrónicosElectrónicos

AplicaçõesAplicaçõesSensoresSensores

• • Fotometria Fotometria • • Contagem de objectosContagem de objectos• • Medida de variações de luz espacial Medida de variações de luz espacial

(câmaras (câmaras de vídeo) de vídeo)• • Transmissão em fibra ópticaTransmissão em fibra óptica

GeradoresGeradores• • Geradores foto-voltaicos baseados Geradores foto-voltaicos baseados

emem junções PN de Sijunções PN de Si

• • Geradores de luz – LED e LASER Geradores de luz – LED e LASER (Light(Light Amplification Stimulated Emitted RadiationAmplification Stimulated Emitted Radiation))



• • Efeito fotocondutorEfeito fotocondutor

A condutividade é modificada pelaA condutividade é modificada pela

absorção de fotões incidentesabsorção de fotões incidentes

Dispositivos de tipo Dispositivos de tipo quânticoquântico

Energia de um fotãoEnergia de um fotão

EEff == hh == hh cc

h – const. de h – const. de PlanckPlanck - frequência- frequência- comprimento - comprimento dede onda onda c – velocidade dec – velocidade de propag. da luzpropag. da luz



• • Efeito fotovoltaicoEfeito fotovoltaico

Fotões absorvidos na zona de carga espacial Fotões absorvidos na zona de carga espacial de de uma junção PN resultam numa tensão uma junção PN resultam numa tensão eléctricaeléctrica

• • Efeito fotoemissorEfeito fotoemissorNos materiais semicondutores com ENos materiais semicondutores com EGG muito muito

baixa, os fotões arrancam electrões do baixa, os fotões arrancam electrões do materialmaterial

que podem ser captados por um eléctrodo que podem ser captados por um eléctrodo positivo. A corrente eléctrica é proporcional positivo. A corrente eléctrica é proporcional

à à intensidade luminosa (fotomultiplicadores) intensidade luminosa (fotomultiplicadores)

MaterialMaterial EEG G (eV)(eV) ccmaxmax ( (m)m)

S CdS Cd 2,402,40 0,520,52

SiSi 1,121,12 1,101,10

GeGe 0,670,67 1,851,85

As InAs In 0,350,35 3,543,54

Se PbSe Pb 0,270,27 4,584,58

cc hh cc

EEGG ==

11,,2244 EEGG

((mm))

Acima de Acima de ccmax max

não há efeito não há efeito fotoeléctrico fotoeléctrico

Largura das bandas Largura das bandas proibidas e comprimentos proibidas e comprimentos

de onda de cortede onda de corte




A banda de frequências de funcionamento é A banda de frequências de funcionamento é limitada limitada

Pela taxa de recombinação electrão-lacuna Pela taxa de recombinação electrão-lacuna

Pela baixa energia dos fotões incidentes Pela baixa energia dos fotões incidentes ((<E<EGG))

Comportamento Comportamento tipo passa-banda tipo passa-banda

de um sensor de um sensor ópticoóptico

Faixa de frequências Faixa de frequências de poucas oitavas.de poucas oitavas.

Comprimentos de Comprimentos de onda de onda de 0,390,39 m a m a 44

mm


Transdutores Opto-ElectrónicosTransdutores Opto-Electrónicos

Características de um Características de um fotodetectorfotodetector

• Resposta espectralResposta espectral

IIPP(())P0P0

• Eficiência quânticaEficiência quântica

RRSS = I = IPP /P /PA0A0(())• Sensibilidade fotoeléctricaSensibilidade fotoeléctrica

• Potência equivalente ao ruído Potência equivalente ao ruído (NEP)(NEP)

• Tempos de respostaTempos de resposta

ttRR e t e tF F – tempos de subida e de – tempos de subida e de descida da descida da

corrente corrente IIPP



PA0 – potência incidentePA0 – potência incidenten – número de fotõesn – número de fotões incidentesincidentes

II PP == qqee

hh PPAA00 ((11 ee ww)) ((11 rr))

LL == ddnn ddtt

== PPAA00hh

Eficiência quânticaEficiência quântica A iluminação L é expressa A iluminação L é expressa porpor

Para uma percentagem r de fotões Para uma percentagem r de fotões reflectidos, a corrente fotoeléctrica à reflectidos, a corrente fotoeléctrica à profundidade w é,profundidade w é,

(()) - constante de - constante de atenuação do materialatenuação do material



varia entre 0,35 e 0,95varia entre 0,35 e 0,95 Depende de Depende de pois pois é função é função do comprimento de onda do comprimento de onda

== II PP// qqee

PPAA00// hh

RRSS == II PP

PPAA00 = qqee

hh

Rendimento quânticoRendimento quântico

razão por unidade de tempo, razão por unidade de tempo, entre o entre o nº de pares electrão-nº de pares electrão-lacuna gerados lacuna gerados e o nº de fotões e o nº de fotões incidentesincidentes

A sensibilidade A sensibilidade (responsitivity) de um (responsitivity) de um fotodetector é definida fotodetector é definida pela razão entre a pela razão entre a corrente e a potência corrente e a potência incidente incidente


Transdutores Opto-ElectrónicosTransdutores Opto-ElectrónicosFotodíodosFotodíodos

• • De junção PNDe junção PN• • De junção PINDe junção PIN• • Tipo Schottky (semicondutor/ metal, Tipo Schottky (semicondutor/ metal,

p. ex.alumínio) p. ex.alumínio) • • De avalancheDe avalanche

Nos fotodíodos a variação da corrente com aNos fotodíodos a variação da corrente com apotência é extremamente linear. Para uma áreapotência é extremamente linear. Para uma área

da ordem de alguns mmda ordem de alguns mm22, I, IP P varia linearmentevaria linearmente

com Pcom P0 0 na gama de 10 na gama de 10 1212 W a 10 W a 10 22 W. W.

PP0min 0min depende de NEP e Pdepende de NEP e P0max 0max do limite em que do limite em que IIPP(P(P00))

atinge a saturação.atinge a saturação.



Modelo incremental doModelo incremental dofotodíodofotodíodo

CCDD – capacidade de difusão – capacidade de difusão

CCJJ – capacidade de depleção – capacidade de depleção


Transdutores Opto-Transdutores Opto-Electrónicos Electrónicos

FotodíodosFotodíodos

Circuitos deCircuitos de

acondicionamentoacondicionamento

típicostípicos

((a)a) (b)(b)

II == IISS ((ee vv

VVTT 11)) IIPP

Corrente no Corrente no fotodíodofotodíodo

(a)(a) Como v = 0, I= -IComo v = 0, I= -IPP

(b)(b) Para -VPara -VRR <<<<VVTT, I , I -I -IS S -I-IPP

ou I ou I -I -IPP

Em ambos os casos vEm ambos os casos v00 = R I = R IPP

Vantagem de (b) – CVantagem de (b) – CJ J muito muito pequenopequeno



A potência máxima que se pode extrair de umaA potência máxima que se pode extrair de uma

célula fotovoltaica écélula fotovoltaica é

IICCCC – corrente de curto-circuito – corrente de curto-circuito

VVDV DV – tensão em vazio– tensão em vazio IImm I ICC CC – V– VTT/R/Rmm

RRm m -- RRL L óptimaóptima

Células Foto-Células Foto-VoltaicasVoltaicas

Convertem a energia solar Convertem a energia solar em energia eléctricaem energia eléctrica

A tensão obtida sob a A tensão obtida sob a acção da luz é acção da luz é 0,6V a 1V 0,6V a 1V

PPmm = I = Imm V Vmm 0,8 I 0,8 ICCCC VVDD



TipoTipoEficiênciaEficiência

típica (%)típica (%) * Eficiência* Eficiência

máxima (%)máxima (%)SilícioSilício

MonocristMonocristalal

12-1512-15 24,724,7

SilícioSilício

PolicristaliPolicristalinono

11-1411-14 19,819,8

SilícioSilício

amorfoamorfo5-75-7 12,712,7

Eficiência Eficiência típica de típica de células células

fotovoltaicasfotovoltaicas

* obtida em * obtida em laboratóriolaboratório

Central solar Central solar baseadabaseadaem célula em célula

fotovoltaicas fotovoltaicas (Singleton, Austrália)(Singleton, Austrália)

Células Foto-Células Foto-VoltaicasVoltaicas


Transdutores Opto-Electrónicos Transdutores Opto-Electrónicos

VantagemVantagem – sensibilidade elevada, em relação aos fotodíodos – sensibilidade elevada, em relação aos fotodíodosDesvantagens Desvantagens – tempo de resposta mais elevado devido a C– tempo de resposta mais elevado devido a C (da (daordem de ordem de s enquanto que nos fotodíodos é da ordem de ns),s enquanto que nos fotodíodos é da ordem de ns),resposta não linearresposta não linear

FototransístoresFototransístoresA junção colectora é submetida à radiação da A junção colectora é submetida à radiação da

luz. A corrente de base passa a ser I’luz. A corrente de base passa a ser I’B B = = IIP P ++ IIB B sendosendo

IICC FF (I (IBB + I + IPP) com I) com IPP = = L L

Modelo Modelo incremental incremental

do do fototransístfototransíst

oror



Para aumentar a sensibilidade interessaPara aumentar a sensibilidade interessa

obter d/l elevado. Utiliza-se sulfureto de obter d/l elevado. Utiliza-se sulfureto de cádmio na construção das LDR’scádmio na construção das LDR’s

Resistências LDR – Light Dependent Resistências LDR – Light Dependent ResistorsResistors

RR == aa LL

aa == dd

hh qqee vv ll

depende do material depende do material utilizado, varia entre 0,7 a utilizado, varia entre 0,7 a

0,90,9

L é a iluminação em luxL é a iluminação em lux

d e l são respectivamenmte d e l são respectivamenmte a largura e o comprimento a largura e o comprimento

do condutordo condutor

Valores típicos de RValores típicos de RNo escuro – 10MNo escuro – 10M10 lux – 9k10 lux – 9k



As LDR’s são dispositivos opto-electrónicosAs LDR’s são dispositivos opto-electrónicos

muito sensíveis. O valor da resistência diminuimuito sensíveis. O valor da resistência diminui

muito mais rapidamente com o aumento damuito mais rapidamente com o aumento da

iluminação do que o inverso (recombinação iluminação do que o inverso (recombinação electrão-electrão-

-lacuna muito lenta): -lacuna muito lenta):

10M10M/s /s quando a iluminação diminuiquando a iluminação diminui 200k200k/s /s quando a iluminação quando a iluminação

aumentaaumenta

Resistências LDR – Light Dependent Resistências LDR – Light Dependent ResistorsResistors



LasersLasersO laser ao oscilar gera uma onda O laser ao oscilar gera uma onda estacionária de radiação visível estacionária de radiação visível (ou não visível) que consiste num (ou não visível) que consiste num modo longitudinal e dois modos modo longitudinal e dois modos transversais transversais

Hitachi série HL Hitachi série HL (até 50mW)(até 50mW)



LasersLasersExemplo de circuito para operação e Exemplo de circuito para operação e

controlo de potência de lasers de baixa controlo de potência de lasers de baixa potência potência



Lasers. AplicaçõesLasers. Aplicações

Leitura-Leitura-gravaçãogravação

Sistemas de Sistemas de posicionameposicioname

ntonto

Leitor de Leitor de códigos de códigos de

barrasbarras

ApontadoreApontadoress

Sistemas de medida de Sistemas de medida de distânciadistância

Impressoras laserImpressoras laser

FotocopiadorasFotocopiadoras


Transdutores de ForçaTransdutores de ForçaAplicaçõesAplicações

DinamómetrosDinamómetrosExtensómetrosExtensómetros

RRR === lllSSS

Variação da resistência de Variação da resistência de um condutor ou um condutor ou semicondutor, quando estes semicondutor, quando estes são submetidos a um esforço são submetidos a um esforço mecânico, devido à variação mecânico, devido à variação da concentração de cargas.da concentração de cargas.

Efeito Efeito PiezoresistivoPiezoresistivo

dR = R

d+ Rl

dl + R S dS

= lS d+

S dl

1S2 l dS

Variação de R devido às Variação de R devido às variações de l, de S e variações de l, de S e

de de


Transdutores de ForçaTransdutores de ForçadddRRRRRR ===

ddd +++

ddd llllll

ddd SSSSSS

= FS = Y; =

ll

Variação relativa de Variação relativa de RR

Lei de Hook – Zona Lei de Hook – Zona elástica de deformaçãoelástica de deformação

-tensão mecânica-tensão mecânica- deformação - deformação unitáriaunitáriaY – módulo de Young Y – módulo de Young


Transdutores de ForçaTransdutores de Força

--coeficiente de coeficiente de PoissonPoisson

Varia entre 0 e 0,5Varia entre 0 e 0,5

ddd SSSSSS=== 222

ddddddddd === 222

llllll ;;;

dddddd ===

llllll

Lei de PoissonLei de PoissonRelaciona as variações de l e Relaciona as variações de l e

de d devido ao esforço de d devido ao esforço mecânicomecânico

Nos metais a Nos metais a variação relativa variação relativa de resistividade de resistividade

devido ao esforço devido ao esforço mecânico é mecânico é

proporcional à proporcional à variação de variação de

volumevolume

=== CCCBBB

dddVVVVVV

CCBB – constante de Bridgman – constante de Bridgman


A constante CA constante CBB pode variar entre 1,13 e 1,15 para pode variar entre 1,13 e 1,15 para as ligas mais comuns (constantan e nicrómio) e é as ligas mais comuns (constantan e nicrómio) e é de 4,4 para a platinade 4,4 para a platina

Variação da ResistividadeVariação da Resistividade

VVV === lll ddd 222

444 dVV =

dl l

+ 2 dd

d = d ll (1 2 )


dddRRRRRR ===

ddd +++

ddd llllll

ddd SSSSSS

=== ddd llllll [[[111 +++ 222 +++ CCCBBB (((111 222 )))]]]

MetaisMetais



K é a sensibilidade do extensómetroK é a sensibilidade do extensómetroKK 22 para as ligas mais comuns para as ligas mais comunsKK 66 para a platina para a platina

dddRRRRRR === KKK

dddllllll === KKK ;;; KKK === [[[111 +++ 222 +++ CCCBBB (((111 222 )))]]]

SemicondutoresSemicondutoresPredomina o efeito Predomina o efeito

piezoresistivopiezoresistivodR/R = dR/R = 119,5 119,5 + + 4 4 2 2 (tipo P)(tipo P)

dR/R = dR/R = -110,0 -110,0 + + 10 10 2 2 (tipo N)(tipo N)Resposta Resposta não linearnão linear



AplicaçõesAplicações Medida de força, pressão, Medida de força, pressão, vibraçãovibração

Sensores tácteis (robots)Sensores tácteis (robots) Áudio profissional (teclados paraÁudio profissional (teclados para

modular a amplitude do sinal)modular a amplitude do sinal) ElectromedicinaElectromedicina

Extensómetros Extensómetros (Strain Gauge)(Strain Gauge)

Servem para medir Servem para medir esforços mecânicosesforços mecânicos

A sensibilidade A sensibilidade pode ser pode ser

aumentada aumentada utilizando um utilizando um

número elevado número elevado de espiras sobre de espiras sobre

substrato substrato flexívelflexível



Num extensómetro é Num extensómetro é R = K RR = K RG G em que R em que RGG é o é o

valor nominal da sua resistência.valor nominal da sua resistência.

Para R1 = R2= R; RPara R1 = R2= R; Rxx= R= RG G ++ R e R3 = RR e R3 = RGG,,

Condicionamento do Condicionamento do SinalSinal

Usa-se uma Usa-se uma configuração em ponte configuração em ponte

de Wheatstonede Wheatstone

V0 = VI

R1

R1 + R2 R3

R3 + Rx

VV00 == VVII KK

44 ((11 ++ 11// 22 KK )) VVII

KK

44



A utilização de um sensorA utilização de um sensorpassivo permite compensar opassivo permite compensar o

erro devido à variação da erro devido à variação da resistência dos condutores resistência dos condutores

com a temperaturacom a temperatura

A utilização de dois A utilização de dois sensores activos sensores activos

permite duplicar a permite duplicar a sensibilidadesensibilidade

V0 = VI K 2



Em relação à ponte simples na ponte comEm relação à ponte simples na ponte comAMPOP a resposta é linear e a sensibilidadeAMPOP a resposta é linear e a sensibilidadeé duplicadaé duplicada

Muito usado em Muito usado em áudio - pedais e áudio - pedais e teclados para teclados para modulação do modulação do

sinalsinal

FSRFSR (Force Sensitive (Force Sensitive Resistor)Resistor)

V0 = VI K 2

Ponte com Ponte com AMPOPAMPOP


Transdutores de Transdutores de ForçaForça

Compensação do erro devido a Compensação do erro devido a variações de Vvariações de VII

A discretização A discretização de Vde V00 permite permite eliminar o erro eliminar o erro

devido a devido a variações de Vvariações de VII

VD = KAD

V0

Vref

V0 = VI K 4 = Vref

K 4

VD = KAD K 4



Exemplo de utilização de FSR’s numExemplo de utilização de FSR’s num

apontador XYapontador XY


Sensores PiezoeléctricosSensores Piezoeléctricos

Materiais PiezoeléctricosMateriais PiezoeléctricosNaturaisNaturais QuartzoQuartzo

TurmalinaTurmalina

SintéticosSintéticos Cerâmicas (monocristalinas)Cerâmicas (monocristalinas)

Descoberto em 1880-81 pelos irmãos Curie.Descoberto em 1880-81 pelos irmãos Curie.

Aparecimento de uma polarização eléctrica Aparecimento de uma polarização eléctrica num material ao deformar-se por efeito num material ao deformar-se por efeito

mecânico. mecânico. O efeito é O efeito é reversívelreversível

Ao aplicar uma Ao aplicar uma diferença de diferença de

potencial entre as potencial entre as faces do material, faces do material,

aparece uma aparece uma deformação. deformação. As cerâmicas são submetidas a campos eléctricos da As cerâmicas são submetidas a campos eléctricos da ordem de 10kV/cm, a temperaturas ligeiramente ordem de 10kV/cm, a temperaturas ligeiramente superiores à temperatura de Curie. Este processo serve superiores à temperatura de Curie. Este processo serve para orientar os monoscristais.para orientar os monoscristais.Adquirem polarização permanente e passam a ser Adquirem polarização permanente e passam a ser anisotrópicas.anisotrópicas.



AplicaçõesAplicações Sensores de força, pressão, vibração e aceleraçãoSensores de força, pressão, vibração e aceleração Geradores de ultrasons (sondas marítimas, ecografia,...)Geradores de ultrasons (sondas marítimas, ecografia,...) MicrofonesMicrofones Circuitos ressonantes com factor de qualidade (Q) muito Circuitos ressonantes com factor de qualidade (Q) muito elevadoelevado Besouros e altifalantes cerâmicos (planos)Besouros e altifalantes cerâmicos (planos)

Materiais mais usuaisMateriais mais usuaisCerâmicasCerâmicas

Titanato-zirconato de chumbo Titanato-zirconato de chumbo (PZT)(PZT)

Titanato de bárioTitanato de bário

PolímerosPolímeros

Fluoreto de polivinilo (PVDF ou Fluoreto de polivinilo (PVDF ou Kynar)Kynar)


As direcções 4, 5 e 6 indicam As direcções 4, 5 e 6 indicam esforços de torção em torno dos esforços de torção em torno dos eixos 1, 2 e 3eixos 1, 2 e 3

FFSS == YY

llll

Y é o Y é o módulo de módulo de

YoungYoung

A dilatação das A dilatação das cerâmicas cerâmicas

piezoeléctricas segue a piezoeléctricas segue a lei de Hooklei de Hook


Convenção para os índices Convenção para os índices indicativos das direcções num indicativos das direcções num

material piezoeléctricomaterial piezoeléctrico



Si = j

Yij + dik Ek

De = lm Em + dln n

i, k, l, m = 1, 2, 3

j , n = 1, ..., 6

Equações Equações PiezoeléctricasPiezoeléctricas

SSii – deformação – deformação

jj – esforço; – esforço; YYijij – módulo de – módulo de YoungYoung

EEkk– campo eléctrico– campo eléctrico

ddikik, d, dlnln – coeficientes – coeficientes piezoeléctricospiezoeléctricos

DDee – deslocamento eléctrico – deslocamento eléctrico

lm lm – constante dieléctrica– constante dieléctrica

Relação entre a energia Relação entre a energia disponível e a armazenadadisponível e a armazenada

kk22iijj ==

ddiijj

SSEE

kkij ij – – coef. de acoplamento coef. de acoplamento electromecânicoelectromecânico

SSEE – complacência (“compliance”) – complacência (“compliance”)


Sensores PiezoeléctricosSensores Piezoeléctricosdq = dS ddq = dS dijij F F

i – direcção do campo i – direcção do campo eléctricoeléctrico

j - direcção da forçaj - direcção da força

S – áreaS – áreaF – força aplicadaF – força aplicada

ddijij – coeficiente piezoeléctrico – coeficiente piezoeléctrico de cargade carga

(a(a))

(b)(b)

Fig. (a) - dq = dS dFig. (a) - dq = dS d3333 F F

Fig. (b) - dq = dS dFig. (b) - dq = dS d3232 F FRelação entre campo Relação entre campo

eléctrico e força eléctrico e força aplicada aplicada

EEi i = F= Fj j ggij ij /S = /S = jj g gijij

ggijij – coeficiente – coeficiente piezoeléctrico de tensãopiezoeléctrico de tensão


Sensores PiezoeléctricosSensores PiezoeléctricosModos de FuncionamentoModos de Funcionamento

Funcionamento motor – Ao aplicar uma Funcionamento motor – Ao aplicar uma tensão as dimensões são alteradastensão as dimensões são alteradas

Funcionamento como gerador – Uma Funcionamento como gerador – Uma deformação dá origem a uma tensão deformação dá origem a uma tensão eléctricaeléctrica

Alongamento Alongamento transversaltransversal

AplicaçõesAplicações – sonar, – sonar, hidrofones,hidrofones,

microfones, microfones, “pacemakers”“pacemakers”

Modo de corte (shear)Modo de corte (shear)AplicaçõesAplicações – transdutores ultrasónicos – transdutores ultrasónicos

acelerómetros, linhas de atraso acelerómetros, linhas de atraso


Sensores PiezoeléctricosSensores PiezoeléctricosExemplo Exemplo

Para o titanato de chumbo tem-se Para o titanato de chumbo tem-se

dd3333 =-44=-44 pC/N, pC/N, =600=60000 ((00 == 8,8498,8491010-12-12 F/mF/m))

Num paralelepípedo com l=w=5mm e t=2mm Num paralelepípedo com l=w=5mm e t=2mm obtém-se, para uma força F=1000 Newton, obtém-se, para uma força F=1000 Newton, aplicada segunda a direcção 3,aplicada segunda a direcção 3,

E = -dE = -d3333 F/(S F/(S ); ); EE = 3,315 = 3,315 10105 5 V/mV/m

A tensão V, obtida entre as faces às quais se A tensão V, obtida entre as faces às quais se aplica a força éaplica a força é

V V == E t; V E t; V = 663 Volt= 663 Volt



Rs – Rs – resistência de perdasresistência de perdas

Rp – Rp – resistência de perdas doresistência de perdas do dieléctrico. Pode ser obtidadieléctrico. Pode ser obtida a partir de a partir de tg tg (tangente (tangente de perdas)de perdas)

RRpp = = (( C Cpp tg tg ))-1-1

AplicaçõesAplicações1. Osciladores e filtros com elevado 1. Osciladores e filtros com elevado

factor de qualidadefactor de qualidade



Admitância do Admitância do sensor para Rs =0 e sensor para Rs =0 e

Rp = Rp = s =

1

L Cs

p = 1

L

Cs Cp

Cs + Cp

Frequências de Frequências de RessonânciaRessonância

Y(s) = sCp s2 +

Cp + CsCs Cp L

s2 + 1

sLC

Como CpComo Cp>>>>Cs, Cs, pp ss

AplicaçõesAplicações1.1. Osciladores e filtros com elevado Osciladores e filtros com elevado


Em geral existem outros modos Em geral existem outros modos ressonantes em frequências superioresressonantes em frequências superiores



Exemplo:Exemplo: L=0,52 H; Cs = 0,012pF; Cp = 4 pF L=0,52 H; Cs = 0,012pF; Cp = 4 pF

Rs = 5 Rs = 5 ; tg ; tg = 0,05 (@10kHz) = 0,05 (@10kHz)

ffss = 2,0148 MHz; f = 2,0148 MHz; fpp = 2,0178 MHz = 2,0178 MHz

KK22ijij = 1- = 1- ((ffss / /ffpp))22;; KKij ij == 0,05450,0545

Q = Q = s s L / Rs; Q = 1,32 L / Rs; Q = 1,32 101066; Rp = 79,6 M ; Rp = 79,6 M

AplicaçõesAplicações1.1. Osciladores e filtros com elevado Osciladores e filtros com elevado


Oscilador controlado por cristalOscilador controlado por cristalC1 ajusta a frequência de ressonânciaC1 ajusta a frequência de ressonância

R2 C2 filtram os modos de ressonância R2 C2 filtram os modos de ressonância superioressuperiores



O elevado factor de qualidade (Q>100 para as cerâmicas eO elevado factor de qualidade (Q>100 para as cerâmicas e

QQ101066 para o quartzo) e grande estabilidade com a para o quartzo) e grande estabilidade com a

temperatura das frequências de ressonância dos temperatura das frequências de ressonância dos dispositivosdispositivos

piezoeléctricos permite realizar osciladores e filtros depiezoeléctricos permite realizar osciladores e filtros de

banda estreita de elevado desempenhobanda estreita de elevado desempenho

AplicaçõesAplicações

2.2. AcelerómetrosAcelerómetrosO sensor possui uma massa m que ao ser O sensor possui uma massa m que ao ser submetida a uma aceleração j, fica sujeito à submetida a uma aceleração j, fica sujeito à força F força F

1.1. Osciladores e filtros com elevado Osciladores e filtros com elevado factor de qualidadefactor de qualidade


Sensores Sensores PiezoeléctricosPiezoeléctricos

AplicaçõesAplicações2.2. Acelerómetros Acelerómetros

vvv === EEEiii ttt eee EEEiii

jjj === gggiiijjj

vvv === jjj gggiiijjj ttt eee FFF === mmm jjj

vvv === mmm jjjlll www ttt gggiiijjj

Para um sensor de dimensões l Para um sensor de dimensões l t t w, w, obtém-se obtém-se

P – elementos P – elementos piezoeléctricospiezoeléctricos

M – massaM – massa

B - baseB - base


AplicaçõeAplicaçõess


2.2. Acelerómetros AcelerómetrosEstes transdutores apresentam uma impedância Estes transdutores apresentam uma impedância capacitiva. Nos circuitos de condicionamento capacitiva. Nos circuitos de condicionamento usam-se amplificadores de carga. A tensão de usam-se amplificadores de carga. A tensão de saída é proporcional à carga e praticamente saída é proporcional à carga e praticamente independente da capacidade do cabo de ligaçãoindependente da capacidade do cabo de ligação

Amplificador de Amplificador de CargaCarga



AplicaçõesAplicações3. Actuadores piezoeléctricos (smart materials)3. Actuadores piezoeléctricos (smart materials)

• Resolução extremamente elevada (nanometros)Resolução extremamente elevada (nanometros)

• Rapidez de respostaRapidez de resposta• Baixo custoBaixo custo

Aeroespacial – válvulas de propulsão em pequenos Aeroespacial – válvulas de propulsão em pequenos satélites, flaps activos aplicados em hélices de satélites, flaps activos aplicados em hélices de helicóptroshelicóptros

Segmento Segmento de um flap de um flap

de um de um helicópetrhelicópetr

oo


Sensores PiezoeléctricosSensores PiezoeléctricosAplicaçõesAplicações

Actuadores piezoeléctricos permitem

o controlo rápido de ferramentas de precisão no fabrico de lentes de

contacto

3. Actuadores piezoeléctricos (“smart materials”)3. Actuadores piezoeléctricos (“smart materials”)

Injectores em motores Injectores em motores diesel com rampa diesel com rampa

comum (patente FIAT)comum (patente FIAT)Controlo mais precisoControlo mais preciso

Maior rapidez Maior rapidez




Deslocamento até 200 Deslocamento até 200 m (L=15cm;V=1000V) m (L=15cm;V=1000V)

3. Actuadores piezoeléctricos (“smart materials”)3. Actuadores piezoeléctricos (“smart materials”)Piezomotores (actuadores)Piezomotores (actuadores)


Sensores Sensores PiezoeléctricosPiezoeléctricos


Válvula Válvula com com

controlo controlo proporcioproporcio

nalnal

3. Actuadores piezoeléctricos (“smart materials”)3. Actuadores piezoeléctricos (“smart materials”)

Relação entre o fluxo Relação entre o fluxo e a tensão de e a tensão de

controlo do actuador controlo do actuador da válvulada válvula



f f ((TT) = ) = ff00 [1 + [1 + aa ( (TT--TT00) + b () + b (TT--TT00))22 + c ( + c (TT--TT00))33] ]

No sistema da HP, a função f No sistema da HP, a função f ((TT) ) é determinada é determinada em 40 pontos da gama de medida. A partir destes em 40 pontos da gama de medida. A partir destes define-se uma curva de regressão linear. Estes define-se uma curva de regressão linear. Estes valores são armazenados na memória ROM.valores são armazenados na memória ROM.

Sensibilidade Sensibilidade

1000 Hz/ºC1000 Hz/ºC

Precisão: Precisão: 0,075ºC0,075ºC

Gama de Gama de temperaturastemperaturas

-80ºC a 250ºC-80ºC a 250ºC

Resolução: Resolução: 0,00001ºC0,00001ºC

AplicaçõesAplicações4. Sensor de temperatura com cristal de 4. Sensor de temperatura com cristal de

quartzoquartzo

Hewlett Packard HP2804AHewlett Packard HP2804A


Sensores de Efeito de Sensores de Efeito de HallHall

Materiais usadosMateriais usados Arsenieto de Gálio - Ga AsArsenieto de Gálio - Ga As Antimonieto de Indio - In SbAntimonieto de Indio - In Sb

Tensão gerada transversalmente à Tensão gerada transversalmente à corrente num condutor a que é aplicado corrente num condutor a que é aplicado um campo magnético perpendicular um campo magnético perpendicular Tensão de HallTensão de Hall

vvHH = K = KH H IIHH B BB - fluxo magnéticoB - fluxo magnético

KKH H - sensibilidadesensibilidade

O efeito de Hall é pouco O efeito de Hall é pouco significativo nos metais significativo nos metais pois nestes a mobilidade pois nestes a mobilidade dos electrões é baixa. O dos electrões é baixa. O efeito é bastante efeito é bastante pronunciado nos pronunciado nos semicondutoressemicondutores


Sensores de Efeito de HallSensores de Efeito de HallInterruptoresInterruptores de Hallde Hall

São realizados em circuito São realizados em circuito integrado. Dispõem de um integrado. Dispõem de um comparador e um circuito comparador e um circuito

lógico. Respondem ao campo lógico. Respondem ao campo magnético perpendicular ao magnético perpendicular ao

dispositivo.dispositivo.

Para B> BPara B> BONON o transístor de o transístor de saída saturasaída satura

Para B< BPara B< BOFFOFF o transístor de o transístor de saída cortasaída corta

BBHYSHYS - histeresis - histeresis magnéticamagnética

Sensores de Hall DiferenciaisSensores de Hall DiferenciaisSão usados dois sensores São usados dois sensores

colocados lado a ladocolocados lado a lado

É medida a diferença B = BÉ medida a diferença B = B22 - - BB11



TT - coeficiente de temperatura - coeficiente de temperaturaB = B = H – fluxo magnéticoH – fluxo magnético

KKH H - sensibilidadesensibilidade

IIH H – corrente de excitação– corrente de excitação

vvHH = K = KH H IIHH B B

VVT T = = TT TT

VVosos -tensão de desvio-tensão de desvio

Modelo de um sensor de HallModelo de um sensor de Hall


Sensores de Efeito de HallSensores de Efeito de Hall

BB == 00 II

22 RR

vvHH == KKHH II HH BB == KKHH II HH

00 II

22 RR


Sensor de Sensor de proximidadproximidad

ee

Sensor de correnteSensor de corrente

Sinal de saídaSinal de saída




Sensor de Sensor de velocidadevelocidade

Circuito integrado com Circuito integrado com sensor de Hall para sensor de Hall para

detectores magnéticos detectores magnéticos (Micronas HAL 50x)(Micronas HAL 50x)


Magneto-ResistênciasMagneto-Resistências

Vantagens relativamente aos sensores de HallVantagens relativamente aos sensores de Hall Maior sensibilidadeMaior sensibilidade

MaiorMaior gama de temperaturas de funcionamentogama de temperaturas de funcionamento

Gama de frequências desde DC até alguns MHzGama de frequências desde DC até alguns MHz

(até 25 kHz nos sensores de Hall)(até 25 kHz nos sensores de Hall)

Num condutor atravessado por corrente Num condutor atravessado por corrente eléctrica, submetido a um campo magnético, eléctrica, submetido a um campo magnético, parte dos electrões são desviados por este parte dos electrões são desviados por este

Aumenta a resistência Aumenta a resistência eléctricaeléctrica

O efeito é mais pronunciado nos materiais O efeito é mais pronunciado nos materiais ferromagnéticosferromagnéticos


Magneto-ResistênciasMagneto-ResistênciasMateriais UsadosMateriais Usados

Permalloy (20% Fe + 80% Ni); NiFeCo; Permalloy (20% Fe + 80% Ni); NiFeCo; NiFeMoNiFeMo


Medida de campo magnéticoMedida de campo magnético

Leitores de cartões tipo multi-bancoLeitores de cartões tipo multi-banco

Medida de deslocamentos lineares e Medida de deslocamentos lineares e angulares angulares

Controlo de tráfegoControlo de tráfego

Compassos magnéticos para sistemas Compassos magnéticos para sistemas dede

navegaçãonavegação



Magneto-Magneto-Resistências da Resistências da

Philips da série KMZPhilips da série KMZ

KMZ10KMZ10

Estrutura internaEstrutura interna

Configuração em Configuração em ponteponte



Efeito magnetoresistivo Efeito magnetoresistivo no permalloy. no permalloy. RR00 = 3% = 3%

A relação entre R e H é A relação entre R e H é quadrática quadrática

necessidade de necessidade de linearizaçãolinearização

RR == RR00 ++ RR00

11 HH

HH 2200

ppaarraa HH HH00

Série KMZSérie KMZ

Característica Característica

VV00(H), da (H), da magnetoresistêmagnetoresistê

nciancia


Magneto-Magneto-ResistênciasResistências

Circuito de aplicação com compensação Circuito de aplicação com compensação de temperatura através de sensor PTC de temperatura através de sensor PTC

(KTY82-210)(KTY82-210)


Magneto-Magneto-ResistênciasResistências

Exemplo de Aplicação no Controlo de Exemplo de Aplicação no Controlo de TráfegoTráfego

Espectro dos sinais Espectro dos sinais durante a passagem durante a passagem

de um veículode um veículo

O método é eficaz O método é eficaz mesmo no caso de mesmo no caso de

veículos com motor e veículos com motor e chassis de alumíniochassis de alumínio


Transdutores Indutivos de Transdutores Indutivos de PosiçãoPosição

Transformadores de Relutância VariávelTransformadores de Relutância Variável

Transformador Linear Diferencial -Transformador Linear Diferencial - LVDT LVDT (Linear(Linear

Variable Differential Transformer)Variable Differential Transformer)Transformadores de Relutância Transformadores de Relutância VariávelVariável

Nos transdutores indutivos faz-se variar a Nos transdutores indutivos faz-se variar a relutância magnética Rrelutância magnética RMM, através do , através do

deslocamento do núcleo. A indutância L édeslocamento do núcleo. A indutância L é LL == NN

dd

dd ii ==

NN ii

RRMM LL ==

NN 22

RRMM

N – N – número de número de

espirasespiras



RRMM ll

rr 00 AA Para um comprimento da Para um comprimento da

bobine, l bobine, l >>>>d (diâmetro) éd (diâmetro) é

Deslocando o núcleo faz-se variar RDeslocando o núcleo faz-se variar RM M por por

efeito da variação de efeito da variação de rr ((A é a área da secção A é a área da secção

transversaltransversal))LimitaçõesLimitações Campos magnéticos parasitas (necessidade deCampos magnéticos parasitas (necessidade de

blindagem magnéticablindagem magnética

O campo não é uniforme nos extremos da bobine O campo não é uniforme nos extremos da bobine (comportamento não linear)(comportamento não linear)

Nos materiais ferromagnéticos Nos materiais ferromagnéticos rr varia com a varia com a frequênciafrequência

Com alimentação com corrente alterna é Com alimentação com corrente alterna é necessário um necessário um detector de fasedetector de fase

Temperatura de funcionamento limitada à temp. Temperatura de funcionamento limitada à temp. de Curiede Curie



VantagensVantagens

Elevada resistência à humidade Elevada resistência à humidade

Os transformadores diferenciais são Os transformadores diferenciais são insensíveis a insensíveis a campos magnéticos externos, campos magnéticos externos, variações de variações de temperatura e da tensão temperatura e da tensão de alimentaçãode alimentação

Duração muito elevada (MTBF Duração muito elevada (MTBF 22101066 horas !!!)horas !!!)

Resolução muito elevada Resolução muito elevada (0,1%),(0,1%), gama de gama de medida medida desde desde 100100m até m até 2525cmcm

Como as perdas aumentam com a frequência, para Como as perdas aumentam com a frequência, para

frequências elevadas (acima das dezenas de kHz) frequências elevadas (acima das dezenas de kHz)

utilizam-se núcleos de ar utilizam-se núcleos de ar menor variação de L menor variação de L



Transformadores diferenciais Transformadores diferenciais LVDTLVDT


Detectores de zero em servo-sistemas de posição Detectores de zero em servo-sistemas de posição (aviões(aviões

e submarinos)e submarinos)

Medida da espessura de chapas metálicas Medida da espessura de chapas metálicas

(0.025 mm a 2,5 mm)(0.025 mm a 2,5 mm)

Medida de aceleraçãoMedida de aceleração

Detectores de proximidade e deslocamentoDetectores de proximidade e deslocamento

Controlo de tráfego - contagem e medida deControlo de tráfego - contagem e medida de

velocidade de veículos (bobines colocadas debaixo velocidade de veículos (bobines colocadas debaixo dodo

pavimento)pavimento)



Transformadores diferenciais LVDTTransformadores diferenciais LVDT

VV11 == II 11 ((RRgg ++ ssLL11)) ++ II 22 ((ssLLMM22 ssLLMM11)) 00 == II 11 ((ssLLMM22 ssLLMM11)) ++ II 22 ((RRCC++22ssLL22 ssLLMM33))

Primário:Primário:

Secundário:Secundário:

LLM1M1, L, LM2M2 e L e LM3M3

representam representam respectivamente as respectivamente as indutâncias mútuas indutâncias mútuas entre o primário e o entre o primário e o secundário (superior), secundário (superior), entre primário e o entre primário e o secundário (inferior) e secundário (inferior) e entre os dois entre os dois secundários, obtém-sesecundários, obtém-se


Transdutores Indutivos de PosiçãoTransdutores Indutivos de Posição

II 22 == VV11 ss ((LLMM 11 LLMM 22))

ss22 LL11 ((22LL22 22LLMM 33)) ((LLMM 22 LLMM 11))22 ++ ss RRCC LL11++RRgg ((22LL22 22LLMM33 )) ++ RRggRRCC

VV22 == II 22 RRCC == VV11 ss ((LLMM 11 LLMM 22)) RRCC

ss22 22LL11LL22 ++ ss ((RRCC LL11 ++ 22RRgg LL22 )) ++ RRgg RRCC

Como em geral LComo em geral L22>>>>LLMM33 e 2L e 2L11LL22 >>>>(L(LMM22 LLMM11) ) 22,,

donde resultadonde resulta

A resposta é do tipo passa-banda A resposta é do tipo passa-banda pelo que a sensibilidade do pelo que a sensibilidade do dispositivo é máxima na frequência dispositivo é máxima na frequência central, central, 00

00== RRgg RRCC

22LL11LL22



Nos LVDT a tensão de saída, correspondente Nos LVDT a tensão de saída, correspondente à posição central do núcleo, não é nula, à posição central do núcleo, não é nula, atingindo sim um dado valor mínimo. Isso atingindo sim um dado valor mínimo. Isso deve-se às capacidades parasitas entre deve-se às capacidades parasitas entre primário e secundário e à simetria imperfeita primário e secundário e à simetria imperfeita do dispositivo.do dispositivo.A tensão de saída apresenta distorção A tensão de saída apresenta distorção harmónica devida à saturação do núcleo, em harmónica devida à saturação do núcleo, em especial a 3ª harmónica. Este problema pode especial a 3ª harmónica. Este problema pode ser resolvido utilizando um filtro passa-baixo. ser resolvido utilizando um filtro passa-baixo.

Alguns modelos incorporam os circuitos Alguns modelos incorporam os circuitos electrónicos de acondicionamento e também o electrónicos de acondicionamento e também o oscilador que gera a tensão primária. São, por oscilador que gera a tensão primária. São, por isso, alimentados em DC. isso, alimentados em DC.



vv11((tt)) == AA11 ccooss((11tt ++ 11))

vv22((tt)) == AA22 ccooss((22tt ++ 22))

vv11((tt)) vv22((tt))

== 1122 AA11AA22 {{ccooss[[((11 ++ 22))tt ++11++22]] ++ ccooss[[((22 11))tt 11 22]]}}

Detector de Detector de FaseFase

Considerem-se as tensões sinusoidais vConsiderem-se as tensões sinusoidais v11(t) (t)

e ve v22(t), em que (t), em que 11 e e 2 2 , são as respectivas , são as respectivas

fases,fases,

O produto de O produto de vv11(t) por v(t) por v22(t) (t) éé



vvvooouuuttt(((ttt))) === 111222 AAA111 AAA222 cccooosss (((111+++ 222)))

Utilizando um filtro passa-baixo para eliminar a Utilizando um filtro passa-baixo para eliminar a componente de frequência componente de frequência 11++22, obtém-se a , obtém-se a

componente diferença. No caso de ser componente diferença. No caso de ser == 1 1 = = 22, tal como acontece em muitos , tal como acontece em muitos

transdutores, é transdutores, é

A tensão de saída, é função da fase tal como se A tensão de saída, é função da fase tal como se pretendia. Os detectores de fase utilizam, em pretendia. Os detectores de fase utilizam, em geral, circuitos multiplicadores analógicos. geral, circuitos multiplicadores analógicos. Convertendo as tensões a multiplicar, através de Convertendo as tensões a multiplicar, através de circuitos limitadores, em tensões com forma de circuitos limitadores, em tensões com forma de onda rectangular, podem utilizar-se circuitos onda rectangular, podem utilizar-se circuitos digitais para realizar a multiplicação. digitais para realizar a multiplicação.


Multiplicador AnalógicoMultiplicador Analógico

III ccc111 III SSS (((eeeVVVbbbeee111///VVVTTT 111))) III SSS eeeVVVbbbeee111///VVVTTT

III ccc222 III SSS (((eeeVVVbbbeee222///VVVTTT 111))) III SSS eeeVVVbbbeee222///VVVTTT

Multiplicador Multiplicador analógico analógico

baseado num baseado num amplificador amplificador diferencialdiferencial

A corrente IA corrente I00 é é controlada por controlada por

uma das tensões uma das tensões de entrada do de entrada do

multiplicador multiplicador ((VV22))

As correntes de As correntes de colector de T1/T2 colector de T1/T2

sãosão



III ccc111 === III ccc222 eee(((VVVbbbeee111 VVVbbbeee222)))///VVVTTT

Somando a ambos membros ISomando a ambos membros Ic2c2, vem, vem

III ccc111 +++ III ccc222 === III 000 === III ccc222 [[[eee(((VVVbbbeee111 VVVbbbeee222)))///VVVTTT +++ 111]]]

III ccc222 ===

III 000

eee(((VVVbbbeee111 VVVbbbeee222)))///VVVTTT +++ 111

VVV000ddd

VVVbbbeee111VVVbbbeee222 ===

VVV000ddd

VVVddd === gggmmmddd RRRCCC

A razão entre as duas equações éA razão entre as duas equações é

resultanresultandodo

O ganho do O ganho do amplificador amplificador diferencial édiferencial é



gggmmmddd === III ccc222

(((VVVbbbeee111VVVbbbeee222))) ===

111VVVTTT

III 000 eee

(((VVVbbbeee111VVVbbbeee222)))///VVVTTT

[[[111 +++ eee(((VVVbbbeee111VVVbbbeee222)))///VVVTTT ]]]222

gggmmmddd ===

III 000

444 VVVTTT

A transcondutância do par diferencial é definida, para A transcondutância do par diferencial é definida, para VVbebe22=V=Vbebe11,,

por por

resultandoresultando

Como IComo I00 = K = Kii V V22, sendo, sendo KKii a constante de ganho, a constante de ganho, vemvem

VVV000ddd === KKKiii VVV111VVV222 RRRCCC

444 VVVTTT

A tensão de saída é uma A tensão de saída é uma função do produto função do produto

vv11(t) (t) vv22(t)(t)


Detectores PiroeléctricosDetectores Piroeléctricos

PiroelectricidadePiroelectricidade - baseia-se, tal como a - baseia-se, tal como apiezoelectricidade, na anisotropia dos cristais. Boapiezoelectricidade, na anisotropia dos cristais. Boaparte dos materiais piezoeléctricos são tambémparte dos materiais piezoeléctricos são tambémpiroeléctricos. piroeléctricos.

HH22OOA uma variação A uma variação T corresponde T corresponde

uma variação de carga uma variação de carga eléctrica eléctrica qq

As moléculas destes, As moléculas destes, assimétricasassimétricascomo as da água, quando como as da água, quando sujeitas a aquecimentosujeitas a aquecimentomantém a orientação dos mantém a orientação dos dipolos. No entanto, a água não dipolos. No entanto, a água não exibe estas propriedades.exibe estas propriedades.



LinearesLineares – – não é possível não é possível

mudar a polarização através mudar a polarização através dada

inversão do campo eléctricoinversão do campo eléctrico

Ex.:turmalina, sulfato de Ex.:turmalina, sulfato de lítiolítio

Ferroeléctricos – Ferroeléctricos – Ex.:Ex.: tantalato de lítio, tantalato de lítio, kynar(PVDF)kynar(PVDF)

Materiais Materiais piroeléctricospiroeléctricos

As propriedades piroeléctricas desaparecem As propriedades piroeléctricas desaparecem para temperaturas superiores à temperatura para temperaturas superiores à temperatura

de Curiede Curie

Os sensores piroeléctricos apresentam em geral, Os sensores piroeléctricos apresentam em geral, elevada sensibilidade e baixo ruídoelevada sensibilidade e baixo ruído


Detectores Detectores PiroeléctricosPiroeléctricos

RRVV == pp

AA CCEE ((11 ++ 22 22))11// 22

Quando a radiação incidente é pulsatória, com Quando a radiação incidente é pulsatória, com potência Ppotência Pii

a tensão gerada pelo sensor é Va tensão gerada pelo sensor é V00 = R = RVV P Pii, sendo R, sendo RVV a a

sensibilidadesensibilidade AA – área do sensor – área do sensor - coeficiente de- coeficiente de absorção de absorção de energiaenergia - constante de - constante de tempotempo térmicatérmica- frequência - frequência angularangularpp – coeficiente – coeficiente piroeléctricopiroeléctricoCCEE – calor específico – calor específico

È desejável que p seja elevado e que CÈ desejável que p seja elevado e que CEE e e sejam sejam baixosbaixos



MaterialMaterial

CoeficientCoeficiente e

piroeléctripiroeléctrico (p)co (p)

nC/cmnC/cm22 K K

Constante Constante dieléctrica dieléctrica

relativarelativa

(())

Calor Calor específico específico

((CCEE))

J/cmJ/cm33 K K

Sulfato de Sulfato de triglicerinatriglicerina

Tantalato de lítioTantalato de lítio

Niobato de Niobato de estrôncio e bárioestrôncio e bário

Kynar Kynar (PVDF)(PVDF)

4040

1919

6060

33

3535

4646

400400

1111

2,502,50

3,193,19

2,342,34

2,402,40

Parâmetros dos Materiais Piroeléctricos mais Parâmetros dos Materiais Piroeléctricos mais UsuaisUsuais


Detectores PiroeléctricosDetectores PiroeléctricosOs circuitos de acondicionamento do sinal para Os circuitos de acondicionamento do sinal para sensores piroeléctricos utilizam amplificadores sensores piroeléctricos utilizam amplificadores de tensão de elevada impedância de entrada. de tensão de elevada impedância de entrada. Utilizam-se transístores JFET na configuração Utilizam-se transístores JFET na configuração seguidor de fonte. seguidor de fonte.

Pré-amplificador com dois canais Pré-amplificador com dois canais utilizado num detector de infra-utilizado num detector de infra-

vermelhosvermelhos

O detector inclui transístores JFET O detector inclui transístores JFET de baixo ruído de baixo ruído

Resposta na frequênciaResposta na frequência



AplicaçõesAplicações Detecção de radiação térmica à temperatura Detecção de radiação térmica à temperatura ambienteambiente Medida de temperatura à distância, por ex., medida Medida de temperatura à distância, por ex., medida dada

temperatura da superfície terrestre feita a partir detemperatura da superfície terrestre feita a partir de aviõesaviões Analisadores de infra-vermelhos Analisadores de infra-vermelhos Detecção de intrusosDetecção de intrusos Termómetros de alta resolução Termómetros de alta resolução (10(10-6-6 ºC) ºC) Obtenção de imagens através de varrimento daObtenção de imagens através de varrimento da

superfície a detectarsuperfície a detectar

Modulando a radiação incidente é possível Modulando a radiação incidente é possível aumentar o desempenho do detector – anula-se o aumentar o desempenho do detector – anula-se o efeito das cargas parasitas que podem neutralizar efeito das cargas parasitas que podem neutralizar as cargas induzidasas cargas induzidas


BibliografiaBibliografia

S. M. Sze, S. M. Sze, Semiconductor Devices, Physics and Semiconductor Devices, Physics and Technology,Technology,

J. Wiley & Sons, New York, 1985.J. Wiley & Sons, New York, 1985.

Ramón Pallás Areny, Ramón Pallás Areny, Transductores y Transductores y Acondicionadores deAcondicionadores de

Señal, Señal, Marcombo Boixareu Editores, Barcelona, 1989.Marcombo Boixareu Editores, Barcelona, 1989.

Moisés PiedadeMoisés Piedade,, Aquisição e Processamento de Aquisição e Processamento de Sinais, Sinais, IST,IST,

Lisboa, 1996.Lisboa, 1996.

Instrumentação Industrial - Tudo Sensores

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