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UNIVERSIDADE DE SO PAULO ESCOLA POLITCNICA

Departamento de Engenharia Mecatrnica e Sistemas MecnicosGrupo de Mecnica dos Slidos e Impacto em Estruturas

Sensores e transdutoresSensores e transdutores

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Profs. Nunes - Marclio - Larissa

Grupo de Mecnica dos Slidos e Impacto em Estruturas

Transdutor: definido como sendo um dispositivo que recebe energiade um sistema e a transforma, geralmente numa forma diferente.

fsico (luz, temperatura, impedncia eltrica etc...) e transmite um sinal paraum dispositivo de medio ou controle.

Como exemplo um transdutor de presso no inclui apenas um sensor depresso, mas a rede de compensao requerida para agrupar o sensor ecompatibiliz-lo com outros tipos de transdutores.

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Sensores e transdutoresSensores e transdutoresSensor um aparelho que adquire um parmetro fsico etransforma em um sinal que pode ser processado por um sistema.

Condicionamentode sinal

MENSURANDO

p.ex., deformao, TRANSDUTOR

, .

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SENSORPs-processamentopresso,temperatura,etc...

Sensores e transdutoresSensores e transdutoresUmtransdutor um aparelho que converte um sinal de umaforma fsica para outra correspondente. Em um transdutor, uma

.tpicos de entrada pode ser eltrico, mecnico, trmico ou ptico.

Sistemas de controle e monitoramento requerem sensores paramedir quantidades fsicas como presso, deslocamento, posio,temperatura, fora, deformao, vibrao, acelerao.

Projeto de sensores e transdutores sempre

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envolvem a aplica o de alguma lei (Ampere,Coulomb, Newton) ou princpio da fsica que

relaciona a quantidade de interesse com algumevento mensurvel.

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SensoresSensoresMedidor = SENSOR + TRANSDUTOR

SENSOR detecta uma varivel fsica deinteresse, por exemplo:- presso, temperatura, fora

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TRANSDUTOR transforma essa varivel emoutra fcil de ser medida

TransdutorPrimrio (sensor)

Transdutorsecundrio

Termo-par Clula de carga

Temperatura voltagemFora

deformao

voltagem

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(1 estgio) (2 estgios)

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Caracterizao dos SensoresCaracterizao dos Sensores

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Classificao dos SensoresClassificao dos Sensoresz Passivos x Ativos

entrada sada

Ativos: Estes produzem um sinal eltrico de sada sem a necessidadede alimentao externa. Um termopar um exemplo deste tipo de

ensor

Energia Auxiliar

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.

Passivos: Estes requerem entrada de energia para poder-se obter umsinal de sada. Um exemplo uma termo resistncia, a qualrequer uma entrada de energia para excitar o resistor.

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Classificao dos SensoresClassificao dos Sensoresz Analgicos x Digitais

z Potencimetro (analgico);z Encoder (digital).

z Absolutos x Incrementaisz Potencimetro (absoluto);z Encoder (incremental).

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z Sensores Contnuos x Sensores Discretosz Resistor Varivel (contnuo);z Chaves (discreto).

Caractersticas EstticasCaractersticas Estticasz Linearidade

mudana reflete linearz Sensibilidade

V(v)

relao entre o estmulo de entrada e osinal de sada, ou seja, a funo detransferncia do transdutor;

z Faixa de atuao (Range) representa todos os nveis de amplitudedo sinal de entrada nos quais se supe

que o transdutor opere, ou seja,intervalo de valores da grandeza em quese pode ser usado o transdutor, semdestruio ou impreciso; y

)(rad

V/rad5,0=s

max

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capacidade de um instrumento medir omesmo valor incrementando-se oudecrementando-se na escala.

x

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Caractersticas EstticasCaractersticas Estticasz Resoluo

o menor V(v)

3incremento do sinalde entrada que sensvel ou quepode ser medido oinstrumento;

)(rad 2 4 6 8

12 Res=2 rad

V(v)

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z Limiar ponto de partida )(rad 10

Caractersticas DinmicasCaractersticas Dinmicasz Dinmica

T(graus) Temperatura Real

Filtro

t(s)

ensor,

1

|)(||)(|

X Y

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f(hz) /1

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Classificao de SensoresClassificao de Sensoresz Mecnicosz Eltricosz Magnticosz pticosz Acsticos

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z Biolgicos

Transdutores mecnicosTransdutores mecnicos

Deslocamento (medidor de torque)Movimento (pndulo)Presso (tubo de Venturi)

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Transdutores mecnicos dimensionaisTransdutores mecnicos dimensionais

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Transdutores mecnicos de movimento eTransdutores mecnicos de movimento edireodireo

VelocmetroOdmetro

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Giroscpio

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Transdutores mecnicos de pressoTransdutores mecnicos de pressoBourdon gauge: Eugne Bourdon em 1849O medidor contem um tubo em forma de C, fechado emuma exrem a e. uan o a press o en ro o u oaumenta, o tubo se desenrola levemente causando umpequeno movimento em sua extremidade fechada. Umsistema de alavancas e engrenagens magnfica estemovimento e mexe um ponteiro, que indica a pressonuma escala circular. As medidas de Bourdonfreqentemente so usadas em cilindros de gscomprimido de indstria e hospitais.

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Medidor de vazo (tubo de Venturi)Medidor de vazo (tubo de Venturi)

2

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p p 212 = 1

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Transdutores mecnicos de massaTransdutores mecnicos de massa

Balan a analticaBalana pendular Balana torsional(de Cavendish)

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Transdutor mecnico de temperaturaTransdutor mecnico de temperatura

Lmina bimetlica

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Sensores eltricosSensores eltricos

Mensurando transformado em VOLTAGEM devidovar a o e:

Resistncia eltricaCapacitnciaIndutncia

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PassivosResistivosIndutivosCapacitivos

AtivosTermoeltrico

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PiezoeltricoFotoeltrico

Sensor ResistivoSensor Resistivo A resistncia eltrica varia com a quantidade medida.

A R =

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Consiste de umresistor e de

PotencimetroPotencimetro

Tenso nos extremos de potencimetrolinear: tenso entre o extremo inferiore o centro (eixo) proporcional

um contatodeslizante.

A posio docontato setransforma

27posio resistncia

deslizante) ou angular (rotativo).

numaresistncia.

ExtensmetrosExtensmetrosO tensionamento fsico transformado numa

variao de resistncia.

R R

F G

Al

R

=

=

..1

28tenso resistncia

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Clulas de carga comClulas de carga comextensmetrosextensmetros

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Transdutor de presso com extensmetrosTransdutor de presso com extensmetros

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TermistoresTermistoresTermmetros RTD (Resistance Temperature Detectors)z So xidos metlicos

semicondutores, cuja resistnciaeltrica varia com a altera o da temperatura.

z Positivos (PTC) - Elevao dovalor da resistncia com oaumento da temperatura(platina).

z Negativos (NTC) - Diminuio daresistncia eltrica com o

[ ]) /1 /1(exp)( 00 T T R T R =

2000 )()(1)( T T B T T A R T R ++=

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(cermica).

Sensores capacitivosSensores capacitivosVariao da capacidade por alterao no posicionamento

dos eletrodos ou por alterao do dieltrico.

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Posio por sensor capacitivoPosio por sensor capacitivoz A capacitncia depende da rea das placas A, da

constante dieltrica do meio, K, e da distnciaentre as placas, d:

d kA

C =

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z ar a o na capac nc a conver a em esv ona freqncia de um oscilador, ou em desvio detenso numa ponte.

O microfone de eletreto constitui uma das aplicaes mais comuns dos sensorescapacitivos de presso (transdutores de som). Os microfones deste tipo so basicamenteconstitudos por um diafragma que vibra em funo da freqncia e da amplitude dasondas sonoras incidentes (constituindo um dos eletrodo do condensador), uma pelcula

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fina de um material permanentemente polarizado (de elevada constante dieltrica), e umsegundo eletrodo metlico e fixo. A vibrao do diafragma induz uma variao nacapacidade do condensador, que posteriormente processado e amplificadoeletronicamente.

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Sensor capacitivo de deslocamento: os dois eletrodos sofixos e esto separados por uma pelcula fina de um material

cuja constante dieltrica superior unidade (

r >1), que sepode deslocar lateralmente em conjunto com o objeto cujomovimento se pretende medir.

O deslocamento da pelcula altera a proporo entre as partesdos eletrodos separadas por ar e pela pelcula de materialdieltrico ue se traduz numa varia o linear da constante dieltrica do conjunto e, em conseqncia, da capacidade docondensador. Na prtica existem diversas variantes desteprincpio bsico.

Sensor capacitivo de umidade: (designado sensor higromtrico), o qual basicamente explora a dependnciada constante dieltrica de alguns materiais com o teor de

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gua no ar am en e. e r co nes e caso cons u opor uma pelcula fina de um material simultaneamenteisolador e higroscpico o qual, dada a natureza porosa deum dos dieltricos, se encontra em contacto com oambiente cuja umidade relativa se pretende medir.

Sensor indutivoSensor indutivoO sensor indutivo funciona seguindo os conceitos de

funcionamento do indutor. O indutor um componentee e r n co compos o por um n c eo com uma o na em suavolta. Quando uma corrente percorre esta bobina um campo

magntico formado.

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Variao da auto-induo de uma bobina por variao externa do fluxo ou variao do ncleo.

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L.V.D.T.L.V.D.T. As letras LVDT so um acrnimo para Transformador Linear de TensoDiferencial Varivel, um tipo comum de transdutor eletromecnico quepode converter o movimento retilneo de um objeto ao qual ele estaco lado mecanicamente em uma res osta eltrica corres ondente.

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N o nmero de espiras e V a voltagem.

A frmula bsica diz que a voltagem proporcional aonmero de espiras,

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Quando o centro de ao desliza dentro do cilindro, umcerto nmero de espiras afetado pela sua

proximidade e gera uma nica voltagem de sada.

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RVDTRVDTO RVDT (Rotational Variable Differential Transformer ) usadopara medir ngulos de rotao e usa o mesmo princpio do sensor

. ,um centro rotativo ferromagntico.

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Sensores ativos termoeltricosSensores ativos termoeltricosTermopares (TCTermopares (TC -- thermocouple)thermocouple)

z Efeito deSeebeck : se doiscondutores metlicos A e B(metais puros ou ligas) formam

Conjunto de dois fios demetais ou ligas metlicas

diferentes, unidos em uma

duas junes AB, apareceruma fora eletromotriztermoeltrica e uma correntepercorrer o circuito se cadauma das junes estiver atemperaturas T1 e T2 distintas.

as ex rem a es.O ponto de unio dos fios

denominado junta demedida

ou junta quente. A outraextremidade chamada junta de referncia ou

junta fria.

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detectvel por ummilivoltmetro ligado junta dereferncia.

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Tipos deTermoparesT E J K

Caractersticas individuais para os termopares industriais

1- Termopar t ipo T cobre (+) x constantan ( - )

Estes termopares so resistentes corroso em atmosferas midas e indicados em tambm para medio detemperaturas a baixo de zero. Seu limite superior 370C, pode ser utilizado em atmosfera oxidantes redutoras ouinertes.2- Termopar t ipo J fer ro (+) x contantan ( - )

So apropriados para medio em vcuo e atmosfera, oxidantes, redutores e inertes em temperaturas que chegam at160 C.A taxa de oxidao do ferro alta a partir de 560C. No recomendado o uso deste termopar com elementosNS em atmosferas acima de 540C. Em algumas ocasies este termopar utilizado para medir temperaturas abaixo dezero, porm a possibilidade do aparecimento de oxidao de ferro, faz com que seja menos indicado do que o tipo T.

S, R, B3- Termopar tipo K cromel (+ ) x Alumel (-)

So recomendados para uso contnuo em atmosferas inertes ou oxidantes, em temperaturas at 1300C. Podem serutilizados para medies de at-250 C., No podem ser utilizados no vcuo, exceto por curtos perodos pois ocorrevariao do cromo, alterando a calibrao do termopar.1- Termopar tipo E- Cromel (+) x (-)

So recomendados para faixa de -200C 1000C, em atmosfera inertes ou oxidantes.2- Termopares Nobres

So os termopares de tipo S, R e B. So considerados nobres, pois so compostos de platina, cujo custo bastanteelevado.Tipos:S: platina-rhodium 10% (+) x platina (-)

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R: platina-rhodium 13% (+) x platina (-)So recomendados para uso contnuo em atmosferas oxidantes ou inertes, a temperaturas que chegam a t 1400C,altas causa um excessivo desgaste que pode romper o termopar.TipoB platina- rhodium 30% (+) platina-rhodium 6% (-)So utilizados em atmosferas inertes ou oxidantes temperatura limite de 1704C, so recomendados para trabalhar novcuo at a temperatura limite.

Sensores ativos piezoeltricos: gerao deSensores ativos piezoeltricos: gerao decarga eltricacarga eltrica

Piezoeltricos

Acelerao aplicada (a)

Massa (m)

Alguns cristaisdesenvolvem em sua redecristalina, cargas eltricas

quando submetidos a umesforo mecnico.

V=Gh h=espessura

Acumulao de partculas carregadas no cristal.

Material piezoeltrico

Carcaa

+Sinal

-Terra

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= ens o G=0.055Vm/N (quartzo)G=0.22Vm/N (polivinilideno fluordico)

O sinal eltrico de sada proporcional (Sensibilidade) acelerao aplicada

a++

A carga gerada tem valor muito baixo, necessitando de um circuito deamplificao e condicionamento do sinal.

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Medidores de movimentoMedidores de movimento(vibrmetros e acelermetros)(vibrmetros e acelermetros)

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Sensores ativos fotoeltricosSensores ativos fotoeltricosEfeito foto-voltaico: gerao de voltagem de sada em resposta incidncia de luz (Convertem energia luminosa em eltrica painissolares).

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Mensurando transformado em:Sensores magnticosSensores magnticos

campo magntico

um sensor que acionado quando entra em contato som umcampo magntico.Geralmente, constitudo de um material denominado ferro-

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magntico, ou seja, Ferro, Nquel e etc..

O efeito HallO efeito Hallz Quando uma corrente em um

condutor inserida em um campomagntico uma fora atua sobreos portadores de cargamo i ican o a sua istri ui odentro do condutor.

z Esta mudana de distribuio decargas no condutor cria umadiferena de potencial entre assuperfcies do mesmo.

A medida desta

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erena epotencial

proporcional aocampo magntico

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Sensor ptico de proximidadeSensor ptico de proximidadez Detectam a proximidade de um objeto

obstculo ela sua influncia na ro a a o de um sinal ptico.

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Amplitude do sinal recebido diminui com a distnciaentre o sensor e o obstculo (de forma quadrtica)Distncias mensurveis: 5-100 cm

Mensurando transformado em:

Sensores acsticosSensores acsticos

Freqncia (ressonncia) Amplitude (emisso acstica)

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Mensurando transformado em:Sensores qumicosSensores qumicos

alterao da condutividade eltrica

Exemplo: detector de COz CO interage com O2 do sensor

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2

z que se impregnam no filme sensor aumentando

sua condutividade e diminuindo sua resistncia

Mensurando transformado em:

Sensores biolgicosSensores biolgicos

nvel de atividade metablica

Luciferese: enzimas em certosorganismos luminosos so usadas

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para detectar nveis (bem baixos)de metablicos