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Introdução

O presente trabalho foi elaborado com a meta de mostrar os tipos de sensores, que facilitam o dia-a-dia. Detalhando suas utilidades, funcionalidades e exemplos de aplicações. Assim como os atuadores, seu uso e caracteristicas. Serão abordados os sensores e atuadores mais comentados e utilizados na sala de aula. Um trabalho com o propósito de auxiliar no compreendimento de tais componentes complementando os estudos já oferecidos na sala de aula.

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Sensores

São dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza física podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza.

Tipos de Sensores

sensores de luz; sensores de som;

sensores de temperatura;

sensores de calor;

sensores de radiação;

sensores de corrente elétrica;

sensores de tensão elétrica;

sensores magnéticos;

sensores de pressão;

sensores de fluxo;

sensores de movimento;

sensores mecânicos;

sensores de proximidade;

sensores de distância ;

Sensores de Temperatura

Saber quando um tanque está quente demais, frio demais, se o refrigerador doméstico está com a temperatura acima da necessária. Isso só se dá graças aos sensores de temperatura. São usados em processos industriais ou comerciais. Existem vários tipos, são eles:

termômetros termopares termístores termostatos

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Termístores

são resistores termicamente sensíveis, cujas características exibem grandes

mudanças na resistência com uma pequena mudança da temperatura do corpo,

devido à alteração na concentração de portadores de carga. Esta mudança da

resistência com a

temperatura pode

resultar em um

coeficiente negativo da

resistência, onde a

resistência diminui

com um aumento na

temperatura (termistor NTC ).

Quando a resistência aumenta com um aumento na temperatura, o resultado é

um coeficiente positivo da temperatura (termistor PTC). A maioria dos metais têm um

coeficiente positivo de temperatura.

Tipos de termistores

NTC:

O NTC (Negative Temperature Coefficient, Coeficiente Negativo de

Temperatura), tem resistência inversamente proporcional à

temperatura. Ele é feito de compostos semicondutores, como os óxidos

de ferro, magnésio e cromo. Quando submetidos à tratamento de

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envelhecimento adequado, possuem boa estabilidade.

O tempo e resposta podem variar desde uma

fração de segundos até minutos, dependendo do

tamanho da massa detectora e da capacidade

térmica do termistor. O limite superior de

temperatura de funcionamento depende das

mudanças físicas do material ou soldas usados

para ligar as conexões elétricas é geralmente de

400º C, o limite inferior de temperatura é de –269º C,

porém industrialmente são utilizados –60º C.

PTC:

O PTC (Positive Temperature Coeffient) tem resistência proporcional a temperatura, e

atua numa faixa restrita, em virtude da falta de linearidade. A variação

da resistência é maior que a de um NTC, na mesma faixa. Seu uso é

mais freqüente como sensor de sobretemperatura, em sistemas de

proteção, por exemplo, de motores.

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Termopares

O termopar gera uma tensão elétrica que tem relação com a diferença de

temperaturas entre junções de metais diferentes.

Sensores de Luz

Além de seu uso em fotometria (incluindo analisadores de radiações e químicos), é a parte de sistemas de controle de luminosidade, como os relés fotoelétricos de iluminação pública e sensores indireto de outras grandezas, como velocidade e posição (fim de curso).

FOTODIODO

Sensor do tipo fotodetector, é uma junção de PN designada a responder para uma entrada ótica. Possui uma parte sensivel a luz que a medida que a luz incide envia um sinal. Podem detectar raios ultravioletas ou raios-x. Podem ser usados tanto na polarização reversa quanto na polarização direta. Na polarização direta, a luz que incide sobre o fotodiodo faz a corrente transcorrer através do dispositivo, levando-a a ir para o sentido frontal. Isso é conhecido como o efeito fotoelétrico, e é a base das células de captação de energia solar - aliás, uma célula de captação de energia solar é apenas um monte de grandes, e baratos, fotodiodos. Diodos geralmente possuem uma altíssima resistência quando a polaridade é revertida. Essa

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resistência é reduzida quando a luz, em uma apropriada freqüência, brilha na junção. De fato, um diodo de polaridade reversa pode ser usado como um detector, monitorando a corrente que passa por ele. Circuitos baseados nesse efeito são mais sensíveis à luz que outros baseados no efeito fotovoltáico. O tempo das subidas e descidas são da ordem de nanossegundos. Tem como caracteristicas funcionar como célula fotovoltaica ou fotocondutiva.

Fotovoltaica = Incidência gera tensão.

Fotocondutiva = Incidência gera corrente.

O fotodiodo ser aplicado no foco automático de filmadora, na unidade ótica do CD Player e em sistema contador de pulso. Outra aplicação muito usada na rede de iluminação pública é o sensor crepuscular.

FOTOTRANSISTOR

Mais um dispositivo a base da fotocondutividade. Pode, ao mesmo tempo, detectar presença de luz e fornecer um ganho. Como o transistor convencional, o fototransistor é uma combinação de dois diodos de junção, porém, associado ao efeito transistor aparece o efeito fotoelétrico. Em geral, possui apenas dois

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terminais acessíveis, o coletor e o emissor, sendo a base incluída apenas para eventual polarização ou controle elétrico.

Como nas outras células fotocondutivas, a incidência deluz (fótons) provoca o surgimento de lacunas na vizinhança da junção base-coletor. Esta tensão conduzirá as lacunas para o emissor, enquanto os elétrons passam do emissorpara a base. Isso provocará um aumento da corrente de base,o que por conseqüência implicará numa

variação da corrente de coletor beta vezes maior (lembrando que, para Ib sendo acorrente da base e Ic a do coletor, temos a relação Ic = â.Ib, onde â é o ganho do transistor (fornecido pelo fabricante),sendo essa variação proporcional à intensidade da luz incidente. Como a base está

normalmente desconectada, a corrente que circula por ela dependerá apenas do fluxo luminoso incidente. Assim, na ausência de luz, a corrente de base será zero e o fototransistor estará cortado, resultando na tensão do coletor igual à tensão de polarização Vcc. Quando há luz incidindo, a tensão no coletor irá diminuir devido ao aumento da corrente.

O fototransistor possui diversas aplicações, sendo mais encontrado em aplicações on-off, onde a não linearidade do transistor não é um problema. A aplicação mais usual é a de um interruptor. Enquanto não á luz incidindo no fototransistor, não haverá uma corrente no emissor, e a tensão de saída será zero, estando ele em corte. Com a incidência de luz, teremos uma corrente no emissor, provocando uma tensão igual a IeRe. Umas das principais utilidades do fototransistor é o acoplador óptico. Os acopladores ópticos são componentes muito simples, porém de grande importância para a eletrônica. Estes componentes são capazes de isolar com total segurança dois circuitos eletrônicos, mantendo uma comunicação ou controle entre ambos. Os Acopladores Ópticos possuem diversas vantagens sobre outros tipos de acopladores: alta velocidade de comutação, nenhuma parte mecânica, baixo consumo e isolamento total.

Abaixo, duas imagens, um fotodiodo e um fototransistor:

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LDR

LDR (Light Dependent Resistor – Resistor Dependente de Luz) um componente onde uma variação na luminosidade que incide sobre ele resulta numa variação na sua resistência.

A aplicação mais conhecida do LDR é, sem dúvida, na iluminação pública, onde ele é utilizado para que, de acordo com a claridade do ambiente, sejam acionadas ou desligadas as lâmpadas automaticamente, sem que haja a necessidade de alguém para controlá-las. Os LDRs são também utilizados em câmeras para medir o nível de luz do ambiente, permitindo assim o controle do tempo de exposição para a captura de uma boa imagem. Utilizações menos usuais desses componentes foram em mísseis que seguem o calor emanado pelos aviões e em detectores de radiação infravermelha para pesquisas astronômicas.

O LDR não tem pinagem, ou seja, podemos ligar seus terminais de qualquer forma.

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Num ambiente escuro, sua resistência será alta, podendo chegar a valores altos, próximos ou até superiores a 1 MΩ. Mas se aumentarmos gradativamente a intensidade da luz que incide sobre ele, podemos verificar que sua resistência cairá, podendo chegar a valores próximos de 1 kΩ. Esses valores, no entanto, dependem de vários fatores, como o componente utilizado, a quantidade de luz no ambiente e o próprio multímetro.

Para se usar o LDR fica mais prático se usarmos o divisor de tensão:

Substituindo o R2 pelo LDR temos um circuito cuja tensão aumenta de acordo com a luminosidade do ambiente. Quando a quantidade de luz que incide sobre o LDR cresce, sua resistência cai, fazendo com que o valor de Vr aumente:

É possível também trocar a posição do LDR, colocando-o no lugar do R1. Nesse caso, teremos um circuito cujo funcionamento é contrário ao mostrado acima:

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A tensão presente no ponto entre o LDR e o resistor pode servir de referência para um outro circuito, como um Amplificador Operacional montado na configuração de comparador ou um oscilador 555. Podemos criar um circuito de iluminação automática, utilizando um LDR e um Amplificador Operacional comparador. Um AmpOp ligado dessa forma compara a tensão das duas entradas, positiva e negativa. Quando a tensão da entrada positiva for superior à da entrada negativa, encontraremos na saída do AmpOp a tensão de alimentação do circuito. Se a tensão da entrada negativa for superior à da entrada positiva, acontecerá o contrário, ou seja, na saída do AmpOp encontraremos uma tensão de 0 V. É interessante notar que qualquer AmpOp pode ser utilizado com essa finalidade.

Assim sendo, ligando o LDR ao AMPOP enquanto na outra entrada é ligado um Pot, quando a luminosidade sobre o LDR diminuir, sua resistência aumenta e, deste modo, a tensão na entrada negativa do AmpOp também aumenta. Caso essa tensão seja maior do que apresente na entrada negativa, que é definida através do potenciômetro, a saída do AmpOp será igual a tensão negativa da alimentação, que no circuito abaixo é 0 V, o que acenderá um LED.

No caso de um relé, pode usar um diodo para descarregar a força eletromagnetica.

Sensores de VelocidadeSensores de Velocidade

Empregam-se nos controles e medidores de velocidade de motores dentro de máquinas industriais, eletrodomésticos como videocassete e CD, unidades de disquetes e Winchesters de computadores, na geração de eletricidade (garantindo a freqüência da CA), entre outros.

Tacogerador

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O tacogerador nada mais é do que um gerador DC de ímã permanente acoplado mecanicamente no eixo em que se deseja medir a velocidade. Embora seja mais utilizado para medir a velocidade angular em máquinas rotativas, pode-se utilizá-lo para medir a velocidade linear de máquinas como automóveis, locomotivas entre outras, sendo que para esse tipo de aplicação é necessário saber o diâmetro da roda em questão.Este gerador DC gera uma tensão de saída que é proporcional a velocidade do seu eixo, e é dada por

Onde:E = F.e.m. gerada na armadura (Volts)p = Número de pólosØ = Fluxo magnético por pólo (Maxwell)Z = Número de condutores na armaduram = Número de percursos na armadura entre os terminaisN = Velocidade (RPM)

Observa-se na expressão acima, que mantendo todas as outras variáveis (p, Ø, Z, m) fixas, se consegue estabelecer uma relação linear entre velocidade e tensão. É importante lembrar que para altas velocidades esta linearidade é distorcida devido ao efeito de saturação.

Algumas exigências são necessárias para que um motor DC funcione como um tacogerador. São elas: Tensão de saída deve ser estabilizada na faixa operacional e a saída deve ser estável a variações de temperatura. Os tacogeradores industriais geralmente incorporam compensação de temperatura através de termistores e fazem uso de comutador e escovas de prata para melhorar confiabilidade de comutação a baixas velocidades e a baixas correntes que são típicos desta aplicação.

Encoder

O encoder gera um pulso para um determinado incremento de rotação do eixo (encoder rotativo), ou um pulso para uma determinada distância linear percorrida (encoder linear). Embora seja mais utilizado

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no controle de posição, o encoder também é utilizado para medir velocidade, uma vez que medindo a distância total percorrida (através da contagem dos pulsos na saída do encoder) e o tempo necessário para esta distância ser percorrida, consegue-se calcular a velocidade. Há vários tipos em uso: magnético, contacto, resistivo, e óptico. Porém, o sistema mais preciso é o encoder óptico.

Sensor Óptico Eletrônico de Velocidade

O sensor de velocidade desenvolvido é composto por um sensor óptico do tipo reflexivo e um circuito eletrônico digital. Constitui o sensor reflexivo, um emissor infravermelho formado por um foto-diodo e um receptor infravermelho constituído por um foto-transistor. O emissor e o receptor são encapsulados em um mesmo conjunto. O circuito eletrônico tem como objetivo isolar galvanicamente o sensor óptico do circuito do controlador, evitando eventuais danos. Outra função deste circuito é converter o nível de tensão do sensor (normalmente 5V) em um nível industrial padrão (12V ou 24V).

A maioria dos sensores ópticos do tipo reflexivo existente no mercado, quando alimentados com uma tensão continua, fornece em sua saída um sinal digital que pode ser ou VCC ou GND. O que difere em alguns modelos é a lógica de saída que pode ser DARK ON ou LIGHT ON. Na lógica DARK ON, a saída fornece um sinal lógico “1” (Vcc) quando nenhum feixe de infravermelho chega no receptor e gera um sinal lógico “0” (Gnd) quando algum anteparo reflete o feixe fazendo com que este chegue ate o receptor. Já na lógica LIGHT ON, o processo se inverte. Visando uma maior flexibilidade de funcionamento projetou-se o circuito para atender os dois tipos de lógica de saída.

Sensores de Pressão

Pressão: força por unidade de área que um material exerce sobre o outro. Sensores são compostos por duas partes: Conversão de pressão numa força ou deslocamento. Conversão de força ou deslocamento em sinal elétrico.

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Tipos de medida de pressão: Gauge pressure - diferença entre a pressão de interesse e a

presão ambiente. Pressão diferencial - diferença de pressão entre dois pontos distintos

no circuito. Pressão absoluta - medida por um sensor de pressão diferencial com

um dos lados em 0 psi (aproximadamente vácuo).

Sensores de Distância

Um sensor de distância mede a distância entre um ponto de referência (normalmente outro sensor) e os objectos no campo de actuação do sensor. Este tipo de sensores são usados na navegação dos robots e no desvio de obstáculos, onde a sua utilização consiste no estimar das distâncias para os objectos mais próximos, em aplicações onde a localização e a forma desses objectos é necessária. Existem várias técnicas para efectuar os cálculos para determinar essa distância: o método da triangulação, a abordagem da luz estruturada e a técnica dos ultrasons.

O primeiro método é um dos mais simples para calcular distâncias. Consiste basicamente na iluminação, através de um raio de luz, de um objecto. As deflecções da luz atingem um detector que pertence ao robot e permitem calcular através de uma fórmula baseada na concentração do raio de luz reflectido a distância pretendida.

O segundo método consiste em projectar um padrão de luz para um conjunto de objectos e usar a distorção desse padrão para obter a distância. O padrão de luz mais utilizado é o do plano de luz("sheet of light"). A intersecção deste plano com os vários objectos atingidos, caracteriza-se por uma linha que será visionada, na maioria dos casos, por uma camara de TV situada a uma determinada distância da fonte luz. O padrão da linha obtida é fácilmente analizado por um computador para obter a distância pretendida.

O último método analizado, contrariamente aos métodos anteriores, é baseado nos ultrasons. A ideia básica desta estratégia, consiste em enviar durante um curto período de tempo um sinal ultrasónico. Sabendo que a velocidade do som é conhecida, é apenas necessário um simples cálculo envolvendo o intervalo de tempo desde o envio do sinal até ao seu retorno para determinar a distância para a superfície que refletiu o sinal. Este método foi desenvolvido através da observação dos morcegos e a sua área de aplicação vai nos sonares dos submarinos.

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Sensores de Proximidade

Os sensores de proximidade têm geralmente uma saída binária que indica a presença de um objecto a uma distância pré-definida. Vamos agora definir de uma maneira bastante sumária os diversos tipos de sensores de proximidade e as suas áreas de aplicação.

Os sensores indutivos baseiam-se na variação da indutância devido à persença de materiais metálicos e estão entre os mais utilizados nos sensores de proximidade industriais. O sensores de meio-efeito("half-effect") baseiam-se na relação entre a voltagem entre dois pontos de um material condutor ou semicondutor e o campo magnético existente nesse material. Quando actuam isolados estes sensores apenas podem detectar objectos magnetizados.

Os sensores capacitivos são potencialmente capazes de detectar todos os materiais sólidos e líquidos. Como o nome indica, estes sensores são baseados na mudança de capacitância induzida das superfícies que se aproximam do sensor.

O sensor ultrasónico é em tudo semelhante ao dos sensores de distância.

Os sensores de proximidade ópticos. O seu modo de funcionamento é semelhante ao anterior na medida em que também eles detectam a proximidade dos objectos através da propagação de uma onda desde o transmissor até ao receptor. Neste caso, à semelhança do que acontece no método da triangulação, é emitido um

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raio de luz por um emissor sendo esse raio reflectido pelo objecto até ao receptor. A comparação entre os cones de luz formados no emissor e receptor permite depois determinar a existência ou não de um objecto próximo do sensor.

Sensores de Toque 

Os sensores de toque são usados para obter informação relativa ao contacto entre o(s) braço(s) do robot e os objectos do meio que o(s) circunda(m). A informação de toque pode ser usada, por exemplo, para a localização e reconhecimento de objectos, bem como para controlar a força exercida pelo(s) braço(s) num determinado objecto. Os sensores de toque podem ser divididos em fundamentalmente duas categorias: binários e analógicos.

Os sensores binários, são aparelhos de contacto que funcionam como micro-interruptores. Este tipo de sensores é muito útil para determinar se entre os dedos do robots existe algum objecto. Para permitir a recolha de uma maior e mais completa de informação deverá ser incluído um maior número de sensores. Os sensores analógicos, pelo seu lado, são aparelhos cuja informação de saída é proporcional com a força local aplicada. A informação fornecida é pois mais completa permitindo uma melhor adequação do robot ao mundo em que opera.

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Atuadores

É um elemento que produz movimento, atendendo a comandos que podem ser manuais ou automáticos. Como exemplo, pode-se citar atuadores de movimento induzido por cilindros pneumáticos (pneumática) ou cilindros hidráulicos (Hidráulica) e motores (dispositivos rotativos com acionamento de diversas naturezas).

Tipos de atuadores lineares

Cilindro

Transforma trabalho hidráulico ou pneumático em deslocamento mecânico linear. Um cilindro consiste de uma camisa de cilindro, de um pistão móvel e de uma haste ligada ao pistão. Os cabeçotes são presos ao cilindro por meio de roscas, prendedores, tirantes ou solda. Conforme a haste se move para dentro ou para fora, ela é guiada por embuchamentos removíveis chamados de guarnições. O lado para o qual a haste opera é chamado de lado dianteiro ou "cabeça do cilindro". O lado oposto sem haste é o lado traseiro.

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Tipos de atuadores rotativos

Transformam a força hidráulica ou pneumática em força mecânica rotacional, em escala de giro contínuo tipo motor, bem como de giro em uma escala limitada de graus, como os osciladores ou em operações onde não é necessária rotação completa do componente em que a força esta sendo aplicada.

Osciladores de cremalheira e pinhão

Convertem energia hidráulica em movimento rotativo, sob um determinado número de graus.

Esse tipo de atuador rotativo fornece um torque uniforme em ambas as direções e através de todo o campo de rotação. Nesse mecanismo, a pressão do fluido acionará um pistão que está ligado à cremalheira que gira o pinhão. Unidades de cremalheira e pinhão do tipo standard podem ser encontradas em rotações de 90, 180, 360 graus ou mais. As variações dos

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atuadores de cremalheira e pinhão podem produzir unidades com saídas de torque de até 60 x 104 kgf.m.

Figura ilustrativa (Fonte: Parker Tecnologia Hidráulica industrial)

Osciladores de palheta (simples ou dupla)

Estes modelos são providos de máximo valor de saída de torque para um tamanho reduzido. Utilizados para uma grande variedade de aplicações industriais, são disponíveis em modelo de palheta simples, onde possui um ângulo de rotação máxima de 280°. A unidade de palheta dupla produz em dobro o torque de saída para uma mesma dimensão de carcaça e tem um giro máximo limitado a 100°.

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Oscilador de palheta (Fonte: Parker Tecnologia Hidráulica industrial)

Relé

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Um relé é um interruptor acionado

eletricamente. A movimentação

física deste "interruptor" ocorre quando a

corrente elétrica percorre

as espiras da bobina do relé, criando

assim um campo magnético que por sua vez atrai a alavanca

responsável pela mudança do estado dos contatos. O relé é um dispositivo eletromecânico ou não, com inúmeras aplicações possíveis em comutação de contatos elétricos. Servindo para ligar ou desligar dispositivos. É normal o relé estar ligado a dois circuitos elétricos. No caso do Relé eletromecânico, a comutação é realizada alimentando-se a bobina do mesmo. Quando uma corrente originada no primeiro circuito passa pela bobina, um campo eletromagnético é gerado, acionando o relé e possibilitando o funcionamento do segundo circuito. Sendo assim, uma das aplicabilidades do relé é utilizar-se de baixas correntes para o comando no primeiro circuito, protegendo o operador das possíveis altas correntes que irão circular no segundo circuito (contatos).

A mudança de estado dos contatos de um relé ocorre apenas quando há presença de tensão na bobina que leva os contatos a movimentarem-se para a posição normal fechado (NF) ou normal abertos (NA) quando esta tensão é retirada - este princípio aplica-se para relés tudo ou nada. Em diversos países a nomenclatura NA e NF são encontradas como NO (Normal Open) ou NC (Normal Closed).

Conclusão

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Por fim, isuma-se que todos os componentes dados aqui são de grande utilidade para indústria e comércio. Todos trabalham em conjunto para o perfeito e harminioso funcionamento das máquinas. Materiais de grande e pequeno porte, que fazem a diferença.

BIBLIOGRÁFICA

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Apostila Eletrônica Analógica e Digital – SENAI WDS - CE.

http://www2.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/ ProfMarceloWendling/4---sensores-v2.0.pdf

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Instrumentação Eletrônica

NOME: Edson Teixeira MotaCURSO: Técnico em EletrotécnicaSEMESTRE: S4ASSUNTO: Sensores e AtuadoresPROFº: Vagner