1088_Capitulo_4_Transdutores

8/3/2019 1088_Capitulo_4_Transdutores

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1088 - INSTRUMENTAOINDUSTRIAL

Cpia das transparncias sobre:

TRANSDUTORES DE POSIO

Prof. Demarchi


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Captulo 4 TRANSDUTORES DE POSIO

4.1 Potencimetros Resistivos

A resistncia de um condutor eltrico varia de acordo coma relao:

A

LR =

onde: R = resistncia eltrica = resistividade do materialL = comprimento do condutorA = rea da seo transversal do condutor

Um transdutor resistivo de contato deslizante(potencimetro) converte deslocamento mecnico(translao ou rotao) em um sinal eltrico, atravs da

variao do comprimento L da relao acima.Consiste de uma resistncia com um contato mvel. Oelemento resistivo alimentado com uma tenso dc ouac e a tenso de sada idealmente uma funo linear dodeslocamento.


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+

=

Xt

Xi

Rm

Rp

Xt

Xi

Eex

Eo

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1

.

Para o caso ideal, com um medidor com alta impedncia deentrada:

Rm e 0Rm

RpAssim: Xt

Xi

Eex

Eo=

.

Na prtica, entretanto, Rm e o desvio de linearidade mostrado abaixo:

Boa linearidade obtida para potencimetro de baixaresistncia em relao a Rm. Esta condio conflita com ointeresse de alta sensibilidade, pois Eo diretamenteproporcional a Eex. , que est limitada pela mximapotncia que pode ser dissipada na forma de calor:


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PRpEex =. Assim, baixo Rp baixo Eex. baixa sensibilidade.

4.2 Transdutores Indutivos

4.2.1 Transformadores Lineares Diferenciais Variveis(LVDT)

Baseiam-se no princpio de variao de indutncia efornecem um sinal eltrico de sada proporcional posiode um ncleo no interior de bobinas. O LVDT (LinearVariable Differential Transformer) consiste de trs bobinasdispostas simetricamente, no interior das quais se moveuma barra magntica que gera uma trajetria para o fluxomagntico entre as bobinas. A posio da barra ou ncleocontrola a indutncia mtua entre a bobina primria e asduas bobinas secundrias.


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Quando uma excitao ac aplicada bobina primria,tenses so induzidas nas duas bobinas secundrias, queso instaladas em srie e opostas. Quando o ncleo estexatamente entre as duas bobinas secundrias, as tensesinduzidas so iguais e opostas, conseqentemente, atenso de sada nula. Quando o ncleo se move daposio central, ocorre um desbalanceamento dasindutncias mtuas entre as bobinas primria esecundrias e aparece uma tenso de sada. Esta tensovaria linearmente com o deslocamento do ncleo e osentido do movimento pode ser determinado pelo sinal datenso de sada.

A freqncia associada tenso de entrada na bobinaprimria pode variar entre 50 e 25000Hz. Se o LVDT forutilizado para medidas dinmicas, a freqncia deexcitao deve ser 10 vezes maior que a mais altacomponente de freqncia do sinal dinmico. A tenso deentrada varia de 5 a 15V. A potncia requerida normalmente inferior a 1W e a sensibilidade pode variar de0,02 a 0,2 V/mm de deslocamento para cada Volt da

tenso de alimentao da bobina primria.


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As maiores sensibilidades esto associadas a ncleoscurtos, que operam na faixa de 2mm, enquanto que asmenores sensibilidades esto associadas a ncleos maislongos que operam na faixa de 150mm.

Uma vez que o LVDT um sensor passivo, requerendouma excitao ac, a uma tenso e freqncia nemsempre disponveis, circuitos condicionadores de sinaisdevem ser utilizados em sua operao. Um circuito tpicopara o condicionamento do sinal de um LVDT mostrado aseguir, onde o demodulador converte o sinal de sada doLVDT de ac para dc.

Vantagens: Excelentes preciso, sensibilidade e linearidade; Resoluo; Baixo atrito; Eliminao de movimentos transversais; Resistncia mecnica; Boa isolao eltrica e ambiental.

Desvantagens: Tamanho; Massa (inrcia); Susceptveis a interferncias magnticas.


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4.2.2 Sensor de Proximidade

So sensores que alteram sua indutncia devido aproximao de materiais magnticos ou condutivos.Basicamente consistem de uma bobina excitada por umatenso ac de alta freqncia, geralmente da ordem de400 kHz.

O campo magntico gerado por esta bobina induzcorrentes parasitas (correntes de Foucault) nos materiaismagnticos ou condutores que se aproximam da bobina.Isto faz com que o campo magntico seja alterado e estealtera a amplitude da tenso de excitao. O sinal deexcitao, assim, fica modulado em amplitude pelaaproximao dos materiais magnticos ou condutores. A

tenso de excitao gerada por um circuito que tambmfunciona como demulador do sinal, fornecendo um sinaldc proporcional distncia do ncleo da bobina at omaterial cuja distncia deseja-se medir. Para a obteno deum valor numrico para esta distncia, feita a calibraodo instrumento com lminas de espessuras conhecidas.

A principal desvantagem a pequena distncia necessria

entre o objeto de interesse e a extremidade da bobina, daordem de 0,5 a 5mm. Sua faixa linear da ordem de 1 a2mm.

Possuem sensibilidade da ordem de 200mV/milsimo depolegada. Dentro de sua faixa linear, apresentam excelenteresoluo, podendo chegar a 0,1m. A principal vantagem a curva de resposta em freqncia, que totalmente

plana desde 0 at aprox. 100 kHz.


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4.2.3 Tacmetros de Pulso

So transdutores de proximidade que geram um ou maispulsos eltricos a cada giro de um eixo. Baseiam-se emtrs princpios relacionados a campos magnticos:

a) Relutncia varivel ( VR Variable Reluctance)b) Efeito Hall (HE Hall Effect)c) Magnetoresistncia (MR Magnetoresistance)

4.2.3.1 Sensores de Relutncia Varivel

Relutncia est para campo magntico assim como aresistncia est para corrente eltrica.

Geram uma pequena tenso eltrica quando sofremvariaes no campo magntico.

O gap (vazio) entre os dentes da roda dentada(engrenagem) no conduz o campo magntico to bemquanto o material metlico do dente (o ar tem umarelutncia maior que o metal). A passagem de dentes egaps, ou a variao da relutncia altera a densidade do


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campo magntico atravs da bobina do sensor, gerandoum sinal:

dt

dnV

= onde: V tenso do sinal gerado

n n de voltas da bobinad/dt razo de variao do fluxomagntico com o tempo

O sinal de sada senoidal (tenso) com a amplitudeproporcional velocidade de rotao e a freqncia igual

ao nmero de dentes que passam em frente ao sensor porsegundo.

Desempenho do sensor depende: das dimenses do ncleo e bobina; das dimenses dos dentes e gaps; da distncia entre o sensor e os dentes.

Para melhor desempenho, deve-se ter: dimenso do ncleo dimenso do dente; gap entre dentes 2 a 3 vezes a dimenso do dente; distncia do sensor ao dente < 1mm.

Vantagens: Baixo custoNo necessitam de alimentao eltrica

Desvantagens: Sinal muito baixo para rotaes baixasRelao sinal / rudo baixa

Alm de rodas dentadas (engrenagens), podem ser usadoseixos com descontinuidades em sua superfcie (furos,rasgos, etc.). Rodas dentadas so mais utilizadas porfornecerem uma quantidade maior de pulsos por rotao doeixo (melhor qualidade do sinal e melhor resoluo).


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4.2.3.2 Sensores de Efeito Hall

Possuem melhor repetibilidade e exatido que osanteriores. Consistem de um elemento plano de materialsemicondutor atravs do qual se passa uma correnteeltrica (3 a 10 mA). Um m permanente colocado sobreeste elemento, de tal modo que se tenha um campomagntico perpendicular superfcie.

Surge ento uma tenso eltrica na superfcie do elementoHall perpendicular corrente e esta tenso eltrica detectada como o sinal de sada do sensor.

A tenso de sada no elemento Hall proporcional densidade do campo magntico atravs do elemento.Valores tpicos de tenso: 100 a 500mV para um campomagntico na faixa de 250 a 800 Gauss.

De forma semelhante aos sensores de relutncia varivel,a passagem dos dentes de uma roda dentada provoca a

variao na densidade do fluxo magntico atravs dosensor Hall, resultando em variaes no sinal de sada.


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Outra configurao de sensor utiliza dois sensores deEfeito Hall e compara a diferena de sinais entre eles.Tambm conhecido como comparador magnticodiferencial.

O espaamento entre os sensores e entre os dentes talque quando um dos sensores se aproxima de um dente, ooutro se aproxima de um gap. Permite a deteco deposio com velocidade zero. Problemas: requer menorestolerncias de desalinhamento, distncia entre o sensor e o

dente, espaamento entre os sensores e o balanceamentoentre os campos magnticos nos dois sensores (deve serigual para os dois).

4.2.3.3 Sensores Magnetoresistivos

Nestes sensores, sua resistncia eltrica proporcional densidade do campo magntico a que esto sujeitos. Ligas

de ndio-antimnio apresentam esta caracterstica.


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Construo similar dos sensores Efeito Hall, porm sopassivos, requerendo circuitos para detectar a variao deresistncia.

Maiores variaes de resistncia na faixa de 2000 a 3000Gauss: 500/1000 Gauss.

Possuem elevados sinais de sada, o que proporcionamelhor exatido na determinao de posio angular.

Comparao entre os sensores magnticos

Tipo Relutnciavarivel

EfeitoHall

Efeito HallDiferencial

Magneto-resistivo

Mxima distnciasensor ao dente

< 1mm 1mm 1mm 3mm

Exatido 2 2 1 0.5Preciso 0.1 0.1 0.05 0.025Relaosinal/rudo

Baixa Mdia Alta Muito alta

Tolerncia dealinhamento

Baixa Baixa Baixa Alta

Campo tpico(Gauss)

2000 a4000

250 a800

250 a4000

2000 a4000


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4.3 Transdutores Capacitivos

Um movimento de translao ou rotao pode ser utilizadode vrias formas para alterar a capacitncia de umcapacitor. Esta variao de capacitncia pode serconvertida em um sinal eltrico por meio de um circuito.

Apresentam facilidade de construo e alta sensibilidadecom pequenos deslocamentos.

X

AKC= onde: C Capacitncia

K Constante dieltrica do meio

entre as placasA rea comum das placasX Distncia entre as placas

Meios de medio: - variao de distncia- variao de rea- variao do meio entre as placas

Sensibilidade para variao da distncia:

2X

KA

dX

dC =

Sensibilidade aumenta quando X diminui. Para pequenasmudanas de X em torno de uma posio neutra, pode-seconsiderar:

X

C

dX

dC =


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Sensibilidade para variao de rea:

Um transdutor capacitivo pode tambm utilizar placasparalelas com distncia h constante e variar suacapacitncia pela rea A, conforme figura:

Neste caso, a sensibilidade constante e pode serexpressa por:

h

kKw

dX

dC=

onde w a largura das placas (constante).

Para medio da variao de capacitncia utiliza-se umaPonte de Wheatstone.

Outra grande vantagem dos transdutores capacitivos queas foras envolvidas no movimento de uma placa emrelao outra so extremamente pequenas.

4.4 Transdutores Ultra-snicos

Um cristal piezoeltrico emite salvas de sinais senoidais emfreqncia ultra-snica (acima de 20 kHz). Esse trem depulsos reflete-se em qualquer objeto e volta ao emissor.Nos intervalos entre as salvas de sinais, o transmissor secomporta como receptor e sensibilizado pela energiarefletida. O sinal assim obtido amplificado e usado paradesabilitar um contador de tempo que foi disparado quando

o sinal do pulso original deixou o transmissor. A distncia


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do transdutor ao objeto igual velocidade do som nomeio vezes a metade do tempo decorrido entre a emissodo pulso e a sua volta. A distncia medida fornecida emforma de corrente ou tenso. A principal desvantagemdeste tipo de transdutor a dependncia da velocidade depropagao do som no meio em funo de fatoresexternos, como por exemplo, a temperatura.

4.5 Transdutores Digitais

O termo digital implica na discretizao do sinal de posio,isto , a resoluo do sistema fica limitada ao mnimo

incremento que o sistema digital permitir:

n

LR

2=

onde: R resoluoL maior dimenso que se deseja medirn nmero de bits utilizado pelo sistema deposicionamento

Exemplo: Posio angular de uma pea: 360Sensor de 8 bitsResoluo = 360 / 256 = 1.4

Estes sensores de posio funcionam atravs do sistemaLED / Fototransistor. Uma pea dentada (cremalheira) ouperfurada pode ser usada para interromper periodicamente

a luz dentro da abertura do sensor. O mesmo efeito obtido com um disco dentado ou perfurado (para mediode posio angular).


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Para que o sistema tenha condies de diferenciar umaposio da outra, necessrio um contador de pulsos. Osistema s monitora a posio de peas com apenas umsentido de movimento.

No caso de movimento em ambos os sentidos, necessrio um contador up/down (incrementa numsentido e decrementa no outro). Utilizam-se dois conjuntosLED/Fototransistor colocados de tal modo que para cadasentido haver uma ordem de excitao. Sempre quehouver uma inverso de sentido, haver duas obstruesde luz consecutivas em um dos sensores. Esta informao

usada para inverter a contagem. Neste caso, a resoluo metade da resoluo obtida com apenas um conjunto(para cada passagem de furo haver dois pulsos, um decada conjunto): 720 pulsos por volta; resoluo de 0.5;palavra de 10 bits para representar todas as posiespossveis.

Resoluo do sistema = distncia / nmero de dentes ou

furos(relacionada com a preciso de usinagem das peas).

Estes tipos de sensores so chamados de encodersincrementais.


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Exemplo:

Movimento da pea p/esquerda

Movimento da pea p/direita

Trilha 1 Trilha 2 Trilha 1 Trilha 2B B B BP B B PP P P PB P P BB B B B

P B B PP P P PB P P B

Para melhorar a resoluo, utilizam-se vrios sensores aolongo da cremalheira de forma que a distncia entre elesseja tal que para um movimento da cremalheira equivalentea um dente, haja uma obstruo de luz em cada um dos

sensores (passagem de um dente gera tantos pulsosquanto o nmero de sensores).

Exemplo: Mquinas ferramenta com controle numrico escala linear de vidro com graduaes gravadas por laser acada 20m 4 sensores resoluo de 5m

Exemplo: idem para rotao escala circular (disco)


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Desvantagem dos encoders incrementais: contagemeletrnica, devido ao posicionamento relativo; perda deenergia provoca perda de informaes e o sistema seperde, necessitando nova regulagem por parte dooperador (zeragem com um padro).

Encoders absolutos: medem a posio de maneiraabsoluta, utilizando vrias trilhas com um sensor em cadauma delas.

Exemplo: 12 trilhas - angular

12 trilhas 12 sensores 212 leituras por rotao resoluo de 0.09

Exemplo: 4 trilhas - angular e linear

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