Sensor de Impacto Selectivo Baseado no Efeito Piezoeléctricointranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/29284.pdf · baseado no efeito piezoeléctrico com aplicação específica

Paulo Jorge Queirós da Silva Araújo

Sensor de Impacto Selectivo Baseado no Efeito Piezoeléctrico

Universidade do Minho – Escola de Engenharia Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores

Outubro 2008


Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores – Universidade do Minho II

Agradecimentos Aos meus orientadores, Professor Gerardo Rocha e professor Senentxu Lanceros-Mendez, expresso um profundo agradecimento por toda a disponibilidade e apoio, bem como pela experiência e conhecimentos que me transmitiram ao longo do trabalho. Aos técnicos dos laboratórios do Departamento de Engenharia Electrónica, assim como aos meus colegas que trabalham no departamento de Física do campus de Azurém, quero agradecer a ajuda e tempo disponível que tiveram comigo. Aos meus amigos e à minha cunhadinha que directa ou indirectamente me ajudaram tanto na elaboração deste trabalho como no dia-a-dia da vida académica, um muito obrigado. Por último, um agradecimento muito especial aos meus pais, por tudo o que fizeram por mim e continuam a fazer e à minha namorada por quem passados tantos anos continuo apaixonado, pela compreensão, sacrifício e ajuda que sempre me tem dado.


Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores – Universidade do Minho III

Resumo

O granizo é um dos grandes problemas meteorológicos que afectam a população social e economicamente, atingindo várias áreas desde automóveis, habitações, agricultura, equipamentos industriais, aviação e até a própria NASA com o lançamento de space shuttles. O grau do dano causado está relacionado com o tamanho do granizo, a densidade, a duração e a velocidade da queda. Este problema tem sido caso de estudo na área científica, tendo sido já realizados diversos trabalhos de forma a quantificar e medir a queda do granizo. Assim sendo existem já meios para esse efeito, como por exemplo sensores capazes de quantificar essas grandezas. Por outro lado a oferta destes equipamentos no mercado é pequena e não é direccionada para este problema em concreto. Baseado neste problema, este trabalho tem como fundamento o desenvolvimento e o estudo da medição e quantificação da queda de granizo. Para este efeito foi feito um estudo dos sistemas existentes e foi avaliada posteriormente a potencialidade do efeito piezoelectrico para esta aplicação particular. Uma vez analisado que um protótipo baseado nestes materiais era viável, fez-se uma análise de materiais piezoeléctricos e o aproveitamento do efeito piezoeléctico para o desenvolvimento de sensores de impacto. Posteriormente foi implementado um protótipo tendo em consideração a optimização tanto do material, como da geometria, assim como da electrónica de controlo e leitura. Finalmente foram realizados diversos testes de desempenho do protótipo, o que leva a concluir que efectivamente a tecnologia desenvolvida é viável para o desenvolvimento de sensores de impacto selectivo baseado no efeito piezoeléctrico com aplicação específica para sensores de granizo.


Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores – Universidade do Minho IV

Abstract

Hail is one of the main weather problems affecting the population socially and economically. It affects many areas from automobiles, housing, agriculture, industrial equipment, aviation and even NASA is concern about this issue as it affects the launch of space shuttles. The degree of damage is related to the size of hail, density, length and falling speed. This problem has been case study in the scientific area and several works in order to quantify and measure the fall of hail have been performed. In this sense, there are already resources for this purpose, such as sensors able to quantify these magnitudes. On the other hand, the supply these types of equipment on the market is small and it is not directed to this problem in concrete. Based on this issue, this work is related to the development and study of a sensor system able to measure and quantify the fall of hail. To that end, it was conducted a study of existing systems and was subsequently assessed the potential of the piezoelectric effect for this particular application. Once decided that a prototype based on piezoelectric materials was possible, an analysis of materials and the use of piezoelectric effect for the development of sensors for impact was performed. It was subsequently implemented a prototype taking into account the optimization of both materials and geometry as well as the read out and control electronics. Finally performance tests were conducted in the prototype, which lead to the conclusion that the developed the technology is viable for the development of selective impact sensors based on piezoelectric materials for application in hail detection and quantification.


Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores – Universidade do Minho V

Índice Geral 1.Introdução ............................................................................................................................................ 1

1.1 Piezoelectricidade........................................................................................................................ 1

1.2 Efeito Piezoeléctrico .................................................................................................................... 5

1.3 Materiais Piezoeléctricos............................................................................................................. 7

1.4 Sensores e Transdutores ............................................................................................................ 8

1.5 Queda de Granizo ....................................................................................................................... 9

2.Estado da Arte ................................................................................................................................... 12

2.1 Mercado Actual .......................................................................................................................... 12

2.2 Trabalhos de Investigação ........................................................................................................ 13

3.Procedimento Experimental .............................................................................................................. 15

3.1 Materiais Utilizados ................................................................................................................... 15

3.1.1 Materiais que simularam o granizo ................................................................................... 15

3.1.2 Materiais usados para efectuar os testes ......................................................................... 16

3.2 Elaboração dos Protótipos ........................................................................................................ 18

3.3 Cálculos Efectuados .................................................................................................................. 26

4. Resultados dos Testes Realizados ................................................................................................. 31

4.1 Resultado do estudo da resposta de cada sensor................................................................... 31

4.2 Resultado do estudo do comportamento dos sensores em conjunto ..................................... 40

4.3 Resultados do estudo da pirâmide inclinada ........................................................................... 45

4.4 Resultado do estudo de comparação da queda de granizo e chuva ...................................... 59

5.Conclusões ........................................................................................................................................ 62

6. Bibliografia ........................................................................................................................................ 63

7.Anexos ............................................................................................................................................... 65

Anexo I – Medições das características das pedras usadas para simular o granizo ...................... i


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Índice de Figuras

Figura 1 – Modelo molecular simples; a) Molécula estável, b) Reacção de uma molécula quando exposta a uma força externa, c) Polarização na superfície do material. ............................................. 5 Figura 2 – Efeito piezoeléctrico; a) Corrente de neutralização através do curto-circuito das superfícies do material sujeito a uma força externa; b) Ausência de corrente sem a aplicação de uma força externa. ................................................................................................................................. 6 Figura 3 – a) Representação esquemática dos dipolos eléctricos de um material piezoeléctrico; b) Efeito piezoeléctrico directo; c) Efeito piezoeléctrico inverso. ............................................................. 7 Figura 4 – Exemplos de Piezoelécticos em PVDF. .............................................................................. 8 Figura 5 – Esquema de sensor Piezoeléctrico. .................................................................................... 8 Figura 6 – Ciclo da formação de chuva, granizo e neve. ................................................................... 10 Figura 7 – Exemplos de pedras de granizo. ....................................................................................... 10 Figura 8 – RAINCAP® Sensor............................................................................................................. 12 Figura 9 – Modelo HS-MU25 ............................................................................................................... 13 Figura 10 – Esquema do transdutor realizado por J. Lane et al. (A parte branca é um piezoeléctrico cerâmico montado sobre um substrato de latão). .............................................................................. 13 Figura 11 – Dispositivo que gera e faz cair gotas sobre a membrana piezoeléctrica. ..................... 14 Figura 12 – Pedras utilizadas para simular o granizo. ....................................................................... 15 Figura 13 – Média do peso das pedras usadas para simular o granizo. ........................................... 16 Figura 14 – Média do diâmetro das pedras usadas para simular o granizo. .................................... 16 Figura 15 – Sensores piezoeléctricos aplicados sobre o acrílico. ..................................................... 17 Figura 16 – Sensores piezoeléctricos aplicados sobre a cortiça. ...................................................... 17 Figura 17 – Sensores piezoeléctricos aplicados sobre a espuma de poliuretano (Tapete de rato).18 Figura 18 – Filtro passa banda e a respectiva resposta em frequência ............................................ 18 Figura 19 – Primeira montagem electrónica, ligada à Digital Lab IDL-800 DIGITAL LAB. .............. 20 Figura 20 – Osciloscópio Lecroy 9310 Dual 300 MHz. ...................................................................... 20 Figura 21 – Circuito electrónico da montagem na plataforma Eagle Layout Editor. ......................... 21 Figura 22 – Aspecto da placa em PCB da montagem na plataforma Eagle Layout Editor. ............. 21

Figura 23 – Montagem final dos circuitos electrónicos para os quatro sensores. ............................ 22 Figura 24 – Aspecto do painel frontal do programa em LabVIEW. ................................................... 23


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Figura 25 – Placa de aquisição de dados da Texas Instruments USB-6009 .................................... 24 Figura 26 – Primeiro protótipo experimental (Caixa). ......................................................................... 24 Figura 27 – Protótipo (caixa) com pelicula de esponja de poliuretano sobre a tampa. .................... 25 Figura 28 – Protótipo final (Pirâmide). a)Vista lateral, b) Vista de topo, c)Vista do interior. ............ 26 Figura 29 – Representação esquemática da queda de granizo sobre a pirâmide onde se pode ver as componentes que influenciam a quantidade de movimento. ........................................................ 28 Figura 30 – Sinal de saída provocado por: a) Granizo, b) Gotas de chuva. ..................................... 30 Figura 31 – Aspecto da Pirâmide vista de topo com os respectivos sensores nas suas posições. 32 Figura 32 – Representação gráfica quando o sensor 1 recebe o impacto das pedras.Graf.1)

Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. ...................................................... 32 Figura 33 – Tensão gerada pelos sensores no instante de tempo em que o sensor 1 tem tensão máxima (Umáx.). .................................................................................................................................. 34 Figura 34 – Representação gráfica quando o sensor 2 recebe o impacto das pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Gaf.4) Sensor 4. ....................................................... 34 Figura 35 – Tensão gerada pelos sensores no instante de tempo em que o sensor 2 tem tensão máxima (Umáx.). .................................................................................................................................. 36 Figura 36 – Representação gráfica quando o sensor 3 recebe o impacto das pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. ...................................................... 36 Figura 37 – Tensão gerada pelos sensores no instante de tempo em que o sensor 3 tem tensão máxima (Umáx.). .................................................................................................................................. 37 Figura 38 – Representação gráfica quando o sensor 4 recebe o impacto das pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. ...................................................... 38 Figura 39 – Tensão gerada pelos sensores no instante de tempo em que o sensor 4 tem tensão máxima (Umáx.). .................................................................................................................................. 39 Figura 40 – Representação gráfica do ensaio nº1 quando as pedras são lançadas sobre a pirâmide atingindo os quatro sensores.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3,

Graf.4) Sensor 4. .................................................................................................................................. 40 Figura 41 – Representação gráfica do ensaio nº2 quando as pedras são lançadas sobre a pirâmide atingindo os quatro sensores.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. .................................................................................................................................. 41


Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores – Universidade do Minho VIII

Figura 42 – Representação gráfica do ensaio nº3 quando as pedras são lançadas sobre a pirâmide atingindo os quatro sensores.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. .................................................................................................................................. 41 Figura 43 – Representação gráfica do ensaio nº4 quando as pedras são lançadas sobre a pirâmide atingindo os quatro sensores.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. .................................................................................................................................. 42 Figura 44 – Representação gráfica do ensaio nº5 quando as pedras são lançadas sobre a pirâmide atingindo os quatro sensores.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. .................................................................................................................................. 42

Figura 45 – Representação gráfica do ensaio nº6 quando as pedras são lançadas sobre a pirâmide atingindo os quatro sensores.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. .................................................................................................................................. 43 Figura 46 – Tensões geradas pelos quatro sensores, quando estes submetidos a ensaio em simultâneo. ........................................................................................................................................... 44 Figura 47 – Média e desvio padrão da tensão gerada pelos quatro sensores, quando estes submetidos a ensaio em simultâneo. .................................................................................................. 44 Figura 48 – Pirâmide vista de topo com inclinação mostrando o sensor 4 mais exposto como exemplo. ............................................................................................................................................... 45 Figura 49 – Pirâmide vista de topo com inclinação mostrando o sensor 1. ...................................... 46 Figura 50 – Representação gráfica do ensaio quando o sensor 1 se encontra mais exposto à queda das pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. .......... 46 Figura 51 – Número de impactos que cada sensor sofre com a face 1 mais exposta. .................... 47 Figura 52 – Pirâmide vista de topo com inclinação mostrando o sensor 2. ...................................... 47 Figura 53 – Representação gráfica do ensaio quando o sensor 2 se encontra mais exposto à queda das pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. .......... 48 Figura 54 – Número de impactos que cada sensor sofre com a face 2 mais exposta. .................... 48

Figura 55 – Pirâmide vista de topo com inclinação mostrando o sensor 3. ...................................... 49 Figura 56 – Representação gráfica do ensaio quando o sensor 3 se encontra mais exposto à queda das pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. .......... 49 Figura 57 – Número de impactos que cada sensor sofre com a face 3 mais exposta. .................... 50 Figura 58 – Pirâmide vista de topo com inclinação mostrando o sensor 4. ...................................... 50


Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores – Universidade do Minho IX

Figura 59 – Representação gráfica do ensaio quando o sensor 4 se encontra mais exposto à queda das pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. .......... 51 Figura 60 – Número de impactos que cada sensor sofre com a face 4 mais exposta. .................... 51 Figura 61 – Pirâmide vista de topo com inclinação mostrando o sensor 2 e o sensor 4 mais expostos como exemplo. ..................................................................................................................... 52 Figura 62 – Pirâmide vista de topo com inclinação mostrando o sensor 1 e o sensor 2 mais expostos................................................................................................................................................ 53 Figura 63 – Representação gráfica do ensaio quando o sensor 1 e sensor 2 se encontram mais expostos à queda das pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor

4. ........................................................................................................................................................... 53 Figura 64 – Número de impactos que cada sensor sofre com os sensores 1e 2 mais expostos. ... 54 Figura 65 – Pirâmide vista de topo com inclinação mostrando o sensor 2 e o sensor 4 mais expostos................................................................................................................................................ 54 Figura 66 – Representação gráfica do ensaio quando o sensor 2 e o sensor 4 se encontram mais expostos à queda das pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. ........................................................................................................................................................... 55 Figura 67 – Número de impactos que cada sensor sofre com os sensores 2 e 4 mais expostos. .. 55 Figura 68 – Pirâmide vista de topo com inclinação mostrando o sensor 1 e o sensor 3 mais expostos................................................................................................................................................ 56 Figura 69 – Representação gráfica do ensaio quando o sensor 1 e o sensor 3 se encontram mais expostos à queda das pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. ........................................................................................................................................................... 56 Figura 70 – Número de impactos que cada sensor sofre com os sensores 1 e 3 mais expostos. .. 57 Figura 71 – Pirâmide vista de topo com inclinação mostrando o sensor 3 e o sensor 4 mais expostos................................................................................................................................................ 57 Figura 72 – Representação gráfica do ensaio quando o sensor 3 e o sensor 4 se encontram mais

expostos à queda das pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. ........................................................................................................................................................... 58 Figura 73 – Número de impactos que cada sensor sofre com os sensores 3 e 4 mais expostos. .. 58 Figura 74 – Representação gráfica do teste quando o sensor é atingido por uma pedra................ 60 Figura 75 – Representação gráfica do teste quando o sensor é atingido por uma gota de água. .. 60


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Índice de Tabelas Tabela 1 – Tensão máxima atingida por cada sensor e o instante de tempo respectivo, quando o sensor 1 recebe o impacto das pedras. .............................................................................................. 33

Tabela 2 – Tensão de cada sensor no instante de tempo em que o sensor 1 atingiu o valor da tensão máxima (t=10,2s). .................................................................................................................... 33

Tabela 3 – Tensão máxima atingida por cada sensor e o instante de tempo respectivo, quando o

sensor 2 recebe o impacto das pedras. .............................................................................................. 35


Tabela 5 – Tensão máxima atingida por cada sensor e o instante de tempo respectivo, quando o sensor 3 recebe o impacto das pedras. .............................................................................................. 37


Tabela 7 – Tensão máxima atingida por cada sensor e o instante de tempo respectivo, quando o sensor 4 recebe o impacto das pedras. .............................................................................................. 38


Tabela 9 – Resultados obtidos dos ensaios realizados quando as pedras são lançadas sobre toda pirâmide. ............................................................................................................................................... 43

Tabela 10 – Resultados obtidos de todos os ensaios realizados quando se inclinaram as faces da pirâmide, expondo os sensores, um de cada vez. ............................................................................. 52

Tabela 11 – Resultados obtidos de todos os ensaios realizados quando se inclinaram as faces da pirâmide, expondo dois dos sensores, de cada vez. .......................................................................... 59


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Lista de Símbolos

∆P – Variação da quantidade de movimento de um corpo C – Condensador cm – Centímetros dB – Decibel Ec – Energia cinética Em – Energia mecânica Ep – Energia potencial Eq – Equação f – Frequência g – Gravidade h – Altura Hz – Hertz KHz – Kilohertz KS/s – Mil amostras por segundo m – Massa Mas/sec – Milhão de amostras por segundo MHz – Megahertz mm – Milímetros NS – Newton segundo P – Quantidade de movimento PP – Polipropileno PS – Poliestireno PVDF – Polifluoreto de Vinilideno PZT – Titanato Zirconato de Chumbo R – Resistência S1 – Sensor 1 S2 – Sensor 2

S3 – Sensor 3 S4 – Sensor 4


Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores – Universidade do Minho XII

U (t) – Tensão em função do tempo U max. – Tensão máxima V – Velocidade VI – Instrumento virtual Z – Impedância


Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores – Universidade do Minho 1

1. Introdução

1.1 Piezoelectricidade

A palavra Piezo advém do dialecto Grego “piezen” que significa pressionar, pressão. Desta forma Piezoelectricidade é a “electricidade obtida pela pressão”, que se define pela capacidade de alguns materiais se tornarem electricamente polarizados quando sujeitos a algum tipo de stress. Este foi o nome proposto por Hankel em 1881 para baptizar o fenómeno descoberto no ano anterior pelos irmãos Curie. [1] A primeira demonstração experimental do fenómeno Piezoeléctrico remonta ao ano de 1880 realizado pelos físicos franceses Pierre Curie e seu irmão Paul Jacques Curie. A sua experiência consistia em medir cargas eléctricas que surgiam na superfície de alguns cristais, tais como o quartzo, turmalina, topázio, etc., quando sujeitos a uma pressão mecânica. É referido na biografia de Pierre Curie, que a descoberta não tinha sido um acidente mas sim um resultado de uma ampla pesquisa teórica e experimental. Esta descoberta foi considerada de grande importância pela comunidade científica, tendo sido apelidada de Piezoelectricidade. [2] Depois das primeiras experiências, os irmãos Curie verificaram também a presença de uma correspondência directa do efeito eléctrico obtido pela variação da temperatura e pela pressão mecânica quando aplicada a um determinado cristal, mas não conseguiram demonstrar que os cristais que apresentavam o efeito piezoeléctrico directo também poderiam apresentar o efeito piezoeléctrico inverso. Esse efeito é a deformação mecânica que se observa quando o cristal é submetido a um campo eléctrico. No entanto esta propriedade foi descoberta por Gabriel Lippmann em 1881 através dos princípios fundamentais da termodinâmica, que foi mais tarde foi confirmada pelos próprios irmãos Curie. [2],[3] Após a descoberta e as primeiras experiências, a comunidade científica começou a explorar a piezoelectricidade onde o principal objectivo era a identificação de cristais piezoeléctricos, tendo como base a assimetria da estrutura do cristal e a troca reversiva entre energia eléctrica e energia mecânica.



Até 1910 a nova ciência tornou-se mais completa e versátil conseguindo definir vinte classes diferentes de cristais com propriedades piezoeléctricas e cerca de dezoito coeficientes piezoeléctricos macroscópicos. Mas mesmo assim durante esse tempo, a piezoelectricidade era vista como uma ciência pouco atractiva, onde não se via grandes aplicações, comparada com outras que na época imperavam como o electromagnetismo que produzia resultados vistosos. Com a 1ª Guerra mundial surgiu a necessidade de novas tecnologias para poder superar os inimigos, daí a aparecerem as primeiras aplicações usando dispositivos piezoeléctricos. P. Langevin em 1917 começou a construção de um detector de submarinos ultra sónico. O transdutor era composto por cristais de quartzo orientados em mosaicos e colados entre duas placas de

metal, montado numa câmara estanque para poder submergir. Com o fim da guerra, P. Langevin e a sua equipa de trabalho alcançaram o seu objectivo que se baseava em emitir uma frequência subaquática e a partir daí era calculada matematicamente a profundidade a que se encontrava, o submarino com o tempo de retorno do eco. A importância estratégico-militar que o Sonar demonstrou, despertou o interesse por parte dos países mais desenvolvidos, que começaram a desenvolver aplicações relacionadas, não só para fins militares como também para a indústria. [2] O Sonar, com o seu grande sucesso originou o desenvolvimento de dispositivos piezoeléctricos, ressonantes e não – ressonantes:

- Osciladores de quartzo na ordem dos megahertz foram desenvolvidos com o objectivo de serem usados como estabilizadores de frequência; - Novos métodos para testar de materiais utilizando a propagação de ondas ultra sónicas, onde pela primeira vez as propriedades elásticas e viscosas dos líquidos e dos gases eram susceptíveis de serem determinadas com alguma facilidade; - Novos sensores (transdutores) que permitem a medição de pressões, o que facilitou o estudo de explosivos, motores de combustão interna, vibrações, acelerações e impactos que até então eram estudos pouco relevantes e escassos. [2]

No período que se seguiu após o fim da 1ª Guerra Mundial, grande parte de aplicações clássicas usando materiais piezoeléctricos que hoje em dia são coisas simples (microfones, osciladores para relógio, acelerómetros, transdutores ultrasónicos, etc.), foram concebidas e colocadas em prática.



Com a 2ª Guerra Mundial, os Estados Unidos, Japão e a União Soviética, criaram grupos de pesquisa os quais encontraram materiais cerâmicos que apresentavam constantes dieléctricas cem vezes superiores aos dos cristais comuns. Este conjunto de materiais, apelidado de Ferroeléctricos, foi criado de forma a exibir propriedades piezoeléctricas melhoradas. O aparecimento destes novos materiais cerâmicos, com excelentes propriedades piezoeléctricas, deu um novo alento à investigação nesta área e levou ao desenvolvimento de novos dispositivos. Este novo desenvolvimento teve reflexos a nível mundial, onde os principais dominadores desta área eram os grupos de investigação dos Estados Unidos que alcançavam vantagem em relação aos concorrentes recorrendo às patentes.

Devido à sua envolvência na 2ª Guerra mundial, os Estados Unidos da América, consideravam quaisquer desenvolvimentos, tanto de dispositivos como de materiais piezoelectricos, como secretos, o que levava as empresas a serem individuais sem haver comunicação, nem troca de conhecimentos entre elas. [2] Ao contrário do secretismo praticado pelos Estados Unidos, empresas Japonesas arquitectaram uma associação de cooperação designada por “Barium Titanate Application Research Comittee”. Com esta cooperação conseguiram determinar precedentes a nível organizacional que conseguiram ultrapassar desafios técnicos, obstáculos no fabrico e estender-se a áreas de mercado distintas. Após 1965, as empresas Japonesas começaram a recolher os frutos das áreas de desenvolvimento que começaram a apostar em 1951. Devido a este investimento, o Japão tornou-se a nível mundial como o país com novas teorias sobre o desenvolvimento do conhecimento, novos processos de fabrico, novas aplicações e extensão a novos mercados. [2] O uso de equipamentos baseados na ciência da piezoelectricidade, levou a uma constante procura de novos materiais, onde foi criado uma nova família de piezoeléctricos cerâmicos

competitivos como o Titanato Zirconato de Chumbo (PZT), mas sem a restrição de patentes o que levou a que todos pudessem utilizar e desenvolver. Desta forma, os fabricantes desenvolveram diferentes tipos de filtros de sinal piezocerâmicos, que eram destinados às necessidades emergentes que surgiram como a televisão, rádio e o mercado



das comunicações. A par destes foram também desenvolvidos isqueiros piezocerâmicos a serem usados para a ignição de gás natural/butano. [2] Já quase na década de setenta, a investigação encontrou a presença do efeito piezoeléctrico em ossos e tendões. Com esta descoberta, os cientistas, encontraram um novo caminho para continuar a sua pesquisa, esse caminho era estudar materiais orgânicos que exibissem o efeito piezoeléctrico. Kawai, em 1969 descobriu um efeito piezoeléctrico com bons resultados no polímero PVDF,

Polifluoreto de Vinilideno. Foram descobertos outros materiais como o nylon e o PVC com boas propriedades piezoelectricas, mas como o PVDF e os seus copolímeros era os que apresentavam melhores resultados, estes começaram a ser utilizados em várias aplicações. [4] Estes materiais poliméricos têm inúmeras vantagens relativamente aos materiais inorgânicos:

-Leves, robustos e flexíveis; -A sua elaboração surge em forma de filmes finos, fibras ou como cristais líquidos; -Facilmente moldável e adaptável para a configuração desejada; -Grande parte deltes tem a particularidade de ser biocompatíveis.

O mercado para este tipo de produtos ao longo do tempo cresceu e com muita procura o que levou ao desenvolvimento de novos produtos, destacando-se os transdutores ultrasónicos, alarmes de fumo, filtros SAW (Surface Acoustic Wave), etc. O sucesso comercial com este tipo de produtos tornou o Japão como exemplo para as indústrias de outros países do mundo. Este êxito comercial concedeu uma nova dinâmica no desenvolvimento de produtos piezoeléctricos. Hoje em dia, o elevado número de patentes nacionais e internacionais, como também o ritmo de

publicações de artigos relacionados com materiais/aplicações piezoeléctricos, demonstram a adopção desta tecnologia para produtos domésticos, hospitalares, militares, industriais, etc. Desta forma pode-se dizer que esta tecnologia está infiltrada no dia-a-dia das pessoas.



1.2 Efeito Piezoeléctrico

O efeito piezoeléctrico é descrito como o fenómeno de criar uma carga eléctrica num determinado material, quando este é sujeito a uma tensão mecânica e o inverso, uma deformação quando submetido a um campo eléctrico. A figura 1a) mostra um modelo molecular simples onde se pode ver a polarização eléctrica como resultado de uma força sobre o material. Até um material ser exposto a uma força exterior, o centro de gravidade das cargas positivas e negativas, de cada uma das moléculas é o mesmo, o que faz com que o efeito das cargas positivas e negativas se anulem mutuamente, levando a ter como resultado uma molécula eléctrica neutra. Quando o material é sujeito a uma pressão exterior, há deformação nas moléculas, o que provoca o afastamento dos centros de gravidade das cargas positivas e negativas criando pequenos dipolos como se pode ver na figura 1b). Os

pólos que ficam no interior, anulam-se e é criada uma distribuição de cargas à superfície do material, como está representado na figura 1c), onde o material fica polarizado.[1]

a) b) c) Figura 1 – Modelo molecular simples; a) Molécula estável, b) Reacção de uma molécula quando exposta a uma força

externa, c) Polarização na superfície do material. [1] A figura 2a) mostra o material piezoeléctrico sujeito a uma pressão, onde duas placas de metal são colocadas sobre a superfície sendo utilizadas como eléctrodos. Para verificar o efeito, pde-se



fazer um curto-circuito em ambos os eléctrodos através de um amperímetro. Efectuando uma pressão sobre o material piezoeléctrico, é criada uma densidade de cargas na superfície do material onde existe contacto com os eléctrodos. Esta polarização cria um campo eléctrico que gera uma corrente das cargas eléctricas livres existentes no condutor. Estas correntes de cargas livres vão manter-se até a polarização se neutralizar. Ao deixar de exercer a pressão sobre o material, a polarização vai desaparecendo e a corrente de cargas livres é invertida, voltando à sua posição de repouso como estava inicialmente, como se pode ver na figura 2b). [1]

a) b) Figura 2 – Efeito piezoeléctrico; a) Corrente de neutralização através do curto-circuito das superfícies do material

sujeito a uma força externa; b) Ausência de corrente sem a aplicação de uma força externa. [1]

Na figura 3a) pode-se observar que um material piezoeléctrico quando não está sujeito a uma força externa ou a um campo eléctrico, os seus dipolos encontram-se sem uma orientação específica. Mas quando o material piezoeléctrico fica sujeito a uma diferença de potencial, esses dipolos ficam com uma orientação dessa diferença de potencial, como se pode observar na figura 3a). Os materiais piezoeléctricos caracterizam-se não apenas por uma polarização proporcional à pressão aplicada, isto é, o material piezoelectrico sofre uma compressão ou tracção, a que se chama de efeito piezoeléctrico directo como se pode observar na figura 3b), mas também por converterem ou terem o efeito de desenvolver uma tensão directamente proporcional ao campo eléctrico aplicado, o que provoca uma deformação do material. A isto dá-se o nome de efeito piezoeléctrico inverso que se pode observar na figura 3c).



a)

b) c) Figura 3 – a) Representação esquemática dos dipolos eléctricos de um material piezoeléctrico; b) Efeito piezoeléctrico

directo; c) Efeito piezoeléctrico inverso. [5]

1.3 Materiais Piezoeléctricos

Embora as primeiras aplicações de materiais piezoeléctricos tenham sido realizadas utilizando cristais, especialmente o quartzo, o maior crescimento do número de aplicações ocorreu a partir da descoberta de piezoelétricos cerâmicos baseados no titanato zirconato de chumbo (PZT). Desde então os piezocerâmicos são utilizados em inúmeras aplicações. A escolha de um material piezoeléctrico para aplicações tecnológicas procura em geral, conhecer as suas propriedades dielétricas, elásticas e piezoeléctricas, que determinam a sua eficiência como elemento piezoeléctrico. Procurando reforçar algumas dessas propriedades, para optimizar o desempenho do material piezoeléctrico numa determinada aplicação, tem-se construido materiais piezoeléctricos na forma de filmes finos. Assim nas últimas décadas, os materiais poliméricos têm substituído os materiais tradicionais em diversas aplicações. Daí surgiu o polifluoreto de vinilideno (polyvinylidene fluoride), também conhecido como PVDF, que é dos polímeros que tem despertado mais atenção. O interesse por este polímero iniciou-se, quando as suas propriedades piezoeléctricas começaram a ser estudadas, verificando-se que o PVDF se tornava altamente piezoeléctrico, depois de ter sido mecânicamente tracionado e sujeito à acção de um campo eléctrico. [6]



Figura 4 – Exemplos de Piezoelécticos em PVDF.

O PVDF (figura 4) é um material de peculiar interesse científico e tecnológico, pois consegue conjugar as características de um plástico com as de um elemento piezoelétrico, além de apresentar uma excelente combinação de processamento, resistência mecânica, resistência a agentes químicos, leveza, maleabilidade, baixo custo de produção e de ser quimicamente inerte. Todas essas propriedades fazem com que a sua produção seja em larga escala, conferindo-lhe algumas vantagens sobre os transdutores cerâmicos convencionais. [6]

1.4 Sensores e Transdutores Sensor é um equipamento que responde a um estímulo físico e transmite o impulso resultante como é ilustrado na figura 5.O flutuador de um aparelho de medição de nível, o termopar de um termómetro e os elementos piezoeléctricos são exemplos utilizados para medir deslocamentos dinâmicos, como a passagem de um veículo, o deslocamento de fluidos, gravar e detectar sons como por exemplo os do coração.

Figura 5 – Esquema de sensor Piezoeléctrico. [7]



Os sensores podem ser classificados com diferentes critérios, sendo o caso mais comum de sensores activos e sensores passivos. Os sensores activos são os sensores que geram energia:

-Sensor piezoeléctrico (membrana de microfone), gera uma tensão eléctrica quando deformada; -Termopares, geram uma tensão eléctrica quando as junções estão a temperaturas diferentes.

Os sensores passivos não geram energia eléctrica, sendo necessária uma fonte de energia auxiliar para se extrair o sinal:

-Sensores resistivos, variação da resistência com a grandeza física (Extensómetros, Termístores, RTD`s, LDR`s). [7] [8]

Desta forma os sensores interagem com o ambiente possibilitando a medição de algo variável através da alteração sofrida enquanto um transdutor recebe um tipo de entrada, transformando-a noutra. A parte do sensor que sofre alteração transforma-a noutra forma de energia, que é o que acontece com certos materiais, quando pressionados, produzem cargas eléctricas nas suas superfícies:

-Materiais cristalinos assimétricos naturais: quartzo, sais de rochelle; -Cristais sintéticos: sulfato de lítio; -Materiais cerâmicos: bário/titânio; -Polímeros: poliestireno – PS, poliprolineno – PP, poli (fluoreto de vinilideno) – PVDF.[9]

1.5 Queda de Granizo Queda de granizo é a precipitação sólida de grãos de gelo, translúcidos ou transparentes, normalmente de forma esférica, de diâmetro à volta dos 5mm. O granizo é formado nas nuvens do tipo cúmulos-nimbos, que são nuvens densas e fortes de grande extensão vertical, assemelhando-se a montanhas de vértice entre 3000 a 7000 metros de altura. No seu interior, (figura 6) ocorrem intensas correntes ascendentes e descendentes, as gotas de chuva resultantes do vapor de água condensado no interior, ao ascenderem sob o efeito das correntes verticais, congelam ao alcançar as regiões mais altas.



Figura 6 – Ciclo da formação de chuva, granizo e neve. [11]

Os grãos de gelo ao caírem por seu próprio peso, absorvem mais humidade nas camadas inferiores, até que, são arrastados outra vez para altitudes mais elevadas, onde são novamente congeladas. O processo repete-se, até que o peso da pedra de gelo ultrapasse a força ascensional, provocando a sua precipitação. Quando o granizo atinge o solo, o núcleo de gelo cria uma pressão interna, intensa e provoca pequenas detonações. [10] O granizo, como se pode ver na figura 7, também é conhecido por saraivada e pode subdividir-se em dois tipos principais:

- As gotas de chuva congeladas ou flocos de neve quase totalmente fundidos e congelados; - Grãos de neve envolvidos por uma camada fina de gelo.

Figura 7 – Exemplos de pedras de granizo. [12]



Os meteorologistas designam as pedras de gelo com diâmetros acima de 5mm de saraiva. As saraivadas são compostas por diversas camadas de gelo que podem ser claras e ou opacas, com a forma de uma casca de cebola, unidas em torno de um núcleo central, o qual pode ser constituído por um grão de gelo, ar comprimido, poeira, pólen ou sementes. [10]



2. Estado da Arte Neste capítulo do estado da arte foi feita uma pesquisa acerca do mercado actual em termos de comercialização de sensores de impacto para medição e quantificação da queda de granizo ou aplicações similares. Também foram analisados alguns trabalhos de investigação que estão a ser realizados ou que já foram feitos, nesta área.

2.1 Mercado Actual A figura 8 mostra um sensor piezoeléctrico fabricado pela empresa Vaisala Oyj que se situa na Finlândia. Este aparelho denominado por Vaisala RAINCAP® Sensor, detecta a quantidade de precipitação acumulada, a intensidade e a duração, em tempo real. O sensor capta o sinal do impacto das gotas de chuva, assim como consegue distinguir as gotas de chuva do granizo, isto é devido ao facto de que o impacto do granizo provocar uma colisão elástica enquanto o impacto da chuva provoca uma colisão não elástica. [13]

Figura 8 – RAINCAP® Sensor. [13]

Outro exemplo é a Unidade Metereologica fabricada pela High Security Electronic & Security System. A figura 9 mostra que é uma combinação de sensores instalados sobre um conjunto de pratos metálicos e cuja função é monitorizar as condições ambientais como a chuva, o granizo e o vento, para que não hajam falsos alarmes. [14]



Figura 9 – Modelo HS-MU25. [14]

2.2 Trabalhos de Investigação Um dos trabalhos que aborda este tema, foi elaborado por J.Lane et al [15]. Eles desenvolveram um transdutor activo de impacto (figura 10) o qual testaram com o objectivo de monitorizar a queda de granizo na rampa de lançamento do Space Shuttle. Um dos resultados deste projecto foi a oportunidade de utilizar a análise de frequências para distinguir o sinal áudio gerado pelo impacto da chuva e o sinal áudio gerado pelo impacto do granizo. O som do impacto do granizo numa chapa metálica é ténue mas distintamente diferente do som do impacto da chuva. Esta

característica permite a aplicação de processamento de sinais usando a algoritmia, estes sinais são inerentemente mais fortes do que as técnicas de análise individual das amplitudes. Concluíram que existe uma diferença significativa entre a medição de sólidos (granizo) e líquidos (chuva), ignorar a dureza do granizo pode levar a erros na distribuição dos tamanhos e consequentemente nos resultados. [15]

Figura 10 – Esquema do transdutor realizado por J. Lane et al. (A parte branca é um piezoeléctrico cerâmico montado

sobre um substrato de latão). [15]



Um outro trabalho realizado nesta área, foi elaborado por Chaillout et al [16]. Desenvolveram uma nova técnica a qual consiste na conversão da força do impacto criado por gotas de chuva em energia eléctrica. Assim criaram sensores produzidos com materiais piezoeléctricos, que geram uma tensão eléctrica a partir da força mecânica, para converter o impacto das gotas em quantidades pequenas de energia (figura 11). A partir dos resultados, os cientistas fizeram simulações para observar de que forma as gotas caem sobre determinadas superfícies com a finalidade de determinar o tamanho do sensor a ser construído para converter a energia do impacto. Segundo o estudo, o sensor de 25 micrómetros, é feito de polivinilideno polifluoreto (PVDF), o qual é resistente à temperatura ambiente.

O estudo indica também que o sensor foi capaz de gerar 1 micro watt de energia por gota de chuva. Segundo os autores “…apesar da energia ser pequena comparada à solar, a energia pluvial tem a vantagem de funcionar no escuro e pode ser usada para complementar dispositivos de energia solar…”. [16] [17]

Figura 11 – Dispositivo que gera e faz cair gotas sobre a membrana piezoeléctrica. [16]



3. Procedimento Experimental O procedimento experimental desta tese será explicado em três etapas, na primeira serão descritos os materiais utilizados neste trabalho, na segunda fase será descrita a elaboração dos protótipos e na terceira fase são enumerados os cálculos efectuados.

3.1 Materiais Utilizados

3.1.1 Materiais que simularam o granizo Para simular a queda de granizo foram escolhidas as pedras representadas na figura 12. Foram recolhidas 16 pedras aleatoriamente.

Figura 12 – Pedras utilizadas para simular o granizo.

Estas pedras foram pesadas, uma a uma e foi feita uma média do seu peso, para cálculos posteriores. O peso médio das pedras é de 2,033 gramas, com um desvio padrão de 0,84, como se pode observar na figura 13.



Média do peso das pedras que simularam o granizo

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

Peso médio

Peso

(gra

mas

)

Figura 13 – Média do peso das pedras usadas para simular o granizo.

Também foi calculado o diâmetro médio de cada pedra que é 1,325 cm, com um desvio padrão de 0,15, que se pode observar na figura 14.

Média do diâmetro das pedras que simularam o granizo

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

Diâmetro Médio

Diâ

met

ro (c

m)

Figura 14 – Média do diâmetro das pedras usadas para simular o granizo.

3.1.2 Materiais usados para efectuar os testes Inicialmente os testes foram feitos num protótipo piloto inicial que está descrito mais à frente, esse protótipo foi melhorado resultando no protótipo final do trabalho. Entretanto na fase inicial, os testes foram realizados sobre diferentes materiais, os quais são enumerados e ilustrados de seguida.



O primeiro protótipo, que se denominou de “Caixa” (figura 15), foi feito de acrílico. Nele foram colocados quatro piezoeléctricos sobre a tampa, distanciados entre si alguns centímetros. Com esta experiência verificou-se, que quando um sensor sofria um impacto os outros sensores também reagiam a esse impacto, o que levou a ter de experimentar novos tipos de superfícies para colocar os sensores piezoléctricos.

Figura 15 – Sensores piezoeléctricos aplicados sobre o acrílico.

Este teste foi realizado sobre uma placa de cortiça, que se pode ver na figura 16, onde foram colocados dois sensores piezoeléctricos sobre a superfície, para verificar o comportamento dos sensores quando sujeitos a um impacto. Este teste no entanto demonstrou que para este tipo de material os piezoelectricos não apresentavam os resultados desejados.

Figura 16 – Sensores piezoeléctricos aplicados sobre a cortiça.

Outro teste realizado foi sobre uma placa “mousepad” de espuma de poliuretano (figura 17), onde foram colocados novamente dois sensores para verificar o efeito dos impactos sobre estes. Com este teste verificou-se uma certa melhoria, em relação aos testes anteriores, no que diz respeito



ao impacto que um sensor sofria enquanto o outro sensor colocado na mesma superfície não reagia a esse impacto.

Figura 17 – Sensores piezoeléctricos aplicados sobre a espuma de poliuretano (Tapete de rato).

3.2 Elaboração dos Protótipos Na elaboração do protótipo foi essencial começar por estudar a electrónica necessária para este

trabalho. A primeira parte a ser estudada foi o desenvolvimento do filtro passa banda (figura 18).

Figura 18 – Filtro passa banda e a respectiva resposta em frequência. [17]

A impedância de entrada Z1= R1+1/ (jwC1) forma a parte do passa alto, com a frequência f1 = 1/

(2R1C1), enquanto a impedância Z2 =R2// [1/ (jwC2)], forma a parte do passa baixo com a

frequência f2= 1/ (2R2C2).

Especificando f1 e f2 de modo que f1 <f2, então as frequências de entrada estão dentro da banda f1 ≤ f ≤ f2, o que quer dizer que o circuito funcionará com as frequências dentro da banda, rejeitando as frequências que estão fora desta. [18] A função de transferência é determinada por H = - Z2 /Z1. Desenvolvendo Z1 e Z2 matematicamente obtém-se:



21

10

11ffj

ffj

ffj

HH Eq. 1

onde:

1

20 R

RH Eq. 2

11

1 21

CRf

Eq. 3

22

2 21

CRf

Eq. 4

Para este circuito e com um ganho aproximado de 35 dB, a frequência de corte inferior vai ser f1=50Hz e a frequência de corte superior f2=10kHz. Na construção desta montagem foi escolhido o TLC2652CN que é um amplificador operacional de alta precisão, devido a ter um único circuito de estabilização chopper em que o desempenho dos amplificadores operacionais é semelhante ou superior a dispositivos idênticos existentes no mercado. As técnicas de estabilização chopper têm a propriedade de compensar dinamicamente erros DC ou de baixa frequência. A sua elevada precisão e alta impedância faz com que seja uma boa escolha para processos que utilizam extensómetros, termopares e outros tipos de transdutores amplificadores como é o caso deste trabalho onde se usou piezoeléctricos. [19] Depois de se calcular e dimensionar a electrónica, procedeu-se à primeira montagem electrónica numa placa breadbord (figura 19), com apenas um sensor piezoeléctico, para testar a resposta do



circuito electrónico. Ao longo deste teste foram realizados alguns ajustes nomeadamente na eliminação de ruídos, com a introdução de alguns componentes. A montagem foi ligada, a uma digital lab IDL-800,como se pode ver na figura 19, onde se retirava a tensão dos terminais ajustáveis de -8 volts e +8 volts.

Figura 19 – Primeira montagem electrónica, ligada à Digital Lab IDL-800 DIGITAL LAB.

Os testes foram realizados com a ajuda de um osciloscópio (figura 20) com a largura de banda a 300MHz e uma taxa de amostragem até100,0MSa/sec. Nele eram observados onde se verificavam os picos de tensão de cada vez que ocorria um impacto sobre os sensores piezoeléctricos.

Figura 20 – Osciloscópio Lecroy 9310 Dual 300 MHz.

Após verificada a operacionalidade da montagem electrónica, procedeu-se à elaboração da montagem electrónica numa placa de circuito impresso. Para realizar o desenho do circuito (figura 21) electrónico foi necessário recorrer ao programa Eagle. Através das bibliotecas de



componentes que o programa oferece, construiu-se o esquema eléctrico da montagem, como se pode ver na figura 21, o qual foi necessário mais tarde, como base na elaboração da placa.

Figura 21 – Circuito electrónico da montagem na plataforma Eagle Layout Editor.

Logo após a elaboração do esquema, procedeu-se à criação da placa de circuito impresso, através do rascunho que é fornecido pelo programa (figura 22). Esse rascunho foi alterado para adequar e posicionar os componentes sobre a placa, de modo a facilitar a passagem das pistas, fixações mecânicas entre outros.

Figura 22 – Aspecto da placa em PCB da montagem na plataforma Eagle Layout Editor.



Depois da placa de circuito impresso concluída, realizou-se a soldadura dos componentes sobre a placa. Na figura 23 encontra-se a placa de circuito impresso, o qual contém quatro montagens, todas iguais, que correspondem, uma montagem para cada sensor. Desta forma, as quatro montagens ligadas sobre a mesma plataforma, minimizam o risco de captar ruídos, assim como fica mais robusta fisicamente.

Figura 23 – Montagem final dos circuitos electrónicos para os quatro sensores.

Depois de todo o hardware pronto e a funcionar, seguiu-se para a concepção do software. O

software utilizado neste trabalho foi o LabVIEW, que é uma linguagem de programação gráfica que utiliza ícones em vez de linhas de código com o objectivo de criar aplicações. Nas linguagens de programação que tem por base texto, as instruções determinam a execução do programa enquanto no LabVIEW utiliza a programação por fluxo de dados em que estes vão determinar a execução. A interface de operador está organizada por um conjunto de ferramentas e objectos sendo conhecida como o painel frontal (figura 24). Para poder controlar os objectos existentes no painel frontal é necessário adicionar códigos, esses códigos são representações gráficas de funções. Desta forma o código fica definido através de um diagrama de blocos que se assemelha a um fluxograma.



Programas em LabVIEW são denominados por instrumentos virtuais ou VI’s, devido ao seu aspecto e operação. Estes programas reproduzem instrumentos físicos como por exemplo multímetros, osciloscópios entre outros. Cada um dos VI´s utiliza funções que manipulam as entradas da interface e mostra essa informação ou transforma-a para outros blocos. Cada um dos VI’s é composto por:

- Painel frontal, que é a interface para o utilizador fixar os parâmetros de entrada e visualizar os valores de saída do diagrama de blocos; - Diagrama de blocos, que abrange o código gráfico o qual estabelece a funcionalidade do

próprio VI; - Ícone/conector, permite tornar um VI num objecto (Sub VI), o qual pode ser utilizado como uma subrotina num diagrama de blocos de outro VI. [20]

Figura 24 – Aspecto do painel frontal do programa em LabVIEW.

Para fazer a leitura dos dados a enviar para o LabVIEW utilizou-se o modulo USB – 6009 (figura 25) de baixo custo da National Instruments. Este módulo tem várias entradas, sendo 8 analógicas com uma resolução de 14 bits a uma taxa de 48 kS/s no máximo, com um intervalo de tesão máxima de -10 a +10 volts. [19]



Figura 25 – Placa de aquisição de dados da Texas Instruments USB-6009. [19]

Na elaboração do primeiro protótipo, foi utilizada uma caixa de acrílico (figura 26). Na parte superior foram colados os sensores piezoeléctricos, com uma certa curvatura, afim de precaver a hipótese de quando uma pedra de granizo caísse sobre o sensor, essa pedra não ficasse no local de impacto, influenciando as leituras no caso de outra pedra de granizo cair em cima da pedra que se encontrava sobre esse sensor. Após vários testes, verificaram-se alguns problemas nomeadamente a resposta dos sensores piezoeléctricos quando sujeitos a um impacto. Quando um sensor recebia um impacto da pedra, os outros sensores apresentavam uma resposta que não era a sua, mas sim a da vibração transmitida pela própria caixa.

Deste ponto verificou-se que da maneira como o protótipo estava construído não permitia retirar resultados fidedignos dos sensores. Com este problema houve a necessidade de fazer modificações no protótipo.

Figura 26 – Primeiro protótipo experimental (Caixa).



Com o mesmo protótipo, avançou-se para a colocação de uma esponja de poliuretano colada sobre a superfície acrílica da caixa como se pode ver na figura 27. Esta colocação da esponja tinha como objectivo isolar os sensores entre si, das vibrações da caixa, na ocorrência de impactos das pedras sobre a sua superfície. Depois de realizados alguns testes sobre esta nova implementação, verificou-se que a esponja não conseguia eliminar as vibrações geradas pelos impactos.

Figura 27 – Protótipo (caixa) com pelicula de esponja de poliuretano sobre a tampa.

Após várias tentativas sobre o mesmo protótipo, com diferentes materiais na superfície chegou-se á conclusão que os sensores deveriam ser isolados uns dos outros para minimizar as interferências entre eles. Assim sendo, procedeu-se á elaboração de um novo protótipo, designado de Pirâmide devido ao seu formato (figura 28 a)). Este formato de pirâmide permitiu resolver o problema de que quando uma pedra de granizo caísse sobre o sensor, essa pedra não ficasse no local de impacto, influenciando as leituras no caso de outra pedra de granizo cair em cima da pedra que se

encontrava sobre o sensor piezoeléctrico. Este problema já era resolvido pelo anterior protótipo, mas com a pirâmide é resolvido de uma forma mais eficiente. A diferença deste protótipo para o anterior consiste, na posição em que os sensores piezoeléctricos são colocados (figura 28 b)). Os sensores piezoeléctricos foram colocados em cada uma das faces da pirâmide, onde estas estão isoladas, não permitindo a transferência de vibrações entre si.



Para conseguir esse isolamento foi necessário utilizar a esponja de poliuretano e uma esponja de poliéster, os quais foram coladas tipo sandwich e posteriormente coladas a cada uma das faces com silicone como se pode ver na figura 27 c), que mostra o interior da pirâmide. Com este novo protótipo e a utilização de novos materiais poliméricos na sua construção, atingiram-se melhores resultados que no protótipo anterior conseguindo-se eliminar a maioria das interferências inferidas nos sensores piezoeléctricos.

a)

b) c) Figura 28 – Protótipo final (Pirâmide). a)Vista lateral, b) Vista de topo, c)Vista do interior.

3.3 Cálculos Efectuados

A energia é a capacidade, actual ou potencial, de produzir qualquer trabalho e esta pode ser transformada de uma espécie para outra. A energia não se perde, nem se cria, apenas se transforma noutro tipo de energia. Assim pode dizer-se que um corpo tem energia cinética e/ou potencial conforme o momento em que encontra.



A energia cinética é a resultante de um corpo se encontrar em movimento. A expressão que dá a energia cinética de um corpo é:

2.

21 vmEc Eq. 5

em que m é a massa e v a velocidade do corpo. A energia potencial é a energia que esta armazenada num sistema físico em equilíbrio.

hgmE p .. Eq. 6

em que g é a aceleração da gravidade e h a altura a que o corpo se encontra. É comum designar-se por energia mecânica (Em), a parcela de energia que um sistema possui sob a forma de energia cinética e/ou energia potencial.

pcm EEE Eq. 7

Desta forma pode afirmar-se que a energia total de um corpo é a soma das suas energias potencial e cinética e é constante para um sistema isolado. Um corpo em queda, antes de iniciar o seu movimento, tem energia potencial máxima e energia cinética nula. Durante a queda, a energia potencial vai diminuindo e a cinética aumentando, até ao instante de choque com o solo, em que a energia cinética é máxima e a energia potencial é nula:

ffii EpEcEpEc Eq. 8

ffii EpEcEpEc Eq.9

2

21

fi mvmgh Eq.10

ghv f 2 Eq.11

0 0



Considerando a gravidade igual a 9,8 N e a altura em que as pedras são largadas sobre a pirâmide de 50 cm, a velocidade final será de 3,13 m/s. O impulso é uma grandeza física que motiva a acção de uma força. É a medida da força necessária para manter o corpo em movimento ou em repouso. A unidade no Sistema Internacional de Unidades para o impulso vem em N.s (newton segundo). Só há transferência de impulso para um corpo se a quantidade de movimento deste corpo variar, mas se a quantidade de movimento do corpo permanecer constante, ou conservada, não haverá impulso.

PI Eq. 12 O impulso I vai ser igual à variação da quantidade de movimento ∆P, em que a quantidade de

movimento é uma grandeza física que relaciona a massa e a velocidade (figura 29).

mvP Eq. 13

Figura 29 – Representação esquemática da queda de granizo sobre a pirâmide onde se pode ver as componentes

que influenciam a quantidade de movimento.

P = m.v

Pirâmide

Pedras Granizo

Sensor piezoeléctrico



Assim a variação de quantidade de movimento pode ser obtida através do cálculo da massa e da variação da velocidade.

if mVmVP Eq. 14

VmP Eq.15 Considerando o peso médio das pedras lançadas sobre a pirâmide de 2,033 gramas, já determinado anteriormente e a velocidade final de 3,13 m/s calculada através da equação 11 para uma altura de lançamento de 50 cm obtém-se, com a equação 15, uma quantidade de movimento ou impulso de valor igual a 6,363 N.s. A queda de granizo gera ondas elásticas que o sensor piezoelcétrico recebe, criando uma tensão devido à deformação do próprio piezoeléctico. Essa tensão pode ser escrita da seguinte forma:

dttdpctU )()( Eq. 16

Onde, c é uma constante que depende das propriedades do material piezoeléctrico e da geometria da própria pirâmide e dp (t)/dt é a medida de impacto em função do tempo. Um dado importante que se pode tirar destas deduções, é que é possível distinguir granizo de gotas de chuva, pois enquanto uma pedra de granizo provoca uma colisão elástica como se pode ver na figura 27a), as gotas de chuva provocam uma colisão inelástica (figura 27b).



a) b) Figura 30 – Sinal de saída provocado por: a) Granizo, b) Gotas de chuva.



4. Resultados dos Testes Realizados

Um objecto em queda livre, durante a sua trajectória sofre uma força contrária, essa força é a resistência do ar. A resistência do ar sobre um corpo em queda é directamente proporcional à velocidade que esse corpo atinge. Nos testes realizados neste trabalho, a resistência do ar sobre as pedras é considerado desprezável, porque a altura (50 cm) em que as pedras são largadas e a velocidade máxima a que atingem a Pirâmide (3,13 m/s) são valores relativamente pequenos.

Como já foi referenciado anteriormente foram recolhidas 16 pedras aleatoriamente. Todas elas foram laçadas ao mesmo tempo, não sendo garantido que todas fossem detectadas nos sensores, pois poderiam cair fora das faces onde o sensor piezoeléctico estava colocado, nomeadamente nas arestas da pirâmide onde se fez a junção das faces com as esponjas de poliuretano e poliéster. Os gráficos obtidos do LabVIEW e que são apresentados em seguida mostram uns picos de tensão negativa. Isto é devido ao efeito piezoeléctrico do sensor, onde este, após sofrer uma compressão tende a voltar à sua forma normal. Esse retorno à forma antes do impacto faz com que surjam esses picos negativos de tensão. Essa oscilação vai-se minimizando ao longo do tempo, alguns milissegundos, até que o sensor em causa fique com a forma inicial e estabilize.

4.1 Resultado do estudo da resposta de cada sensor Os primeiros testes realizados foram feitos de forma a estudar a resposta de cada sensor. Para esse efeito lançaram-se as pedras de forma a caírem em apenas um sensor de cada vez. Desta forma pode-se analisar o comportamento dos outros sensores quando apenas um dos sensores sofria impactos. Na figura 31 pode-se ver a posição da pirâmide e a colocação dos sensores em cada uma das suas faces.



Figura 31 – Aspecto da Pirâmide vista de topo com os respectivos sensores nas suas posições.

O teste seguinte é relativo ao sensor 1 quando este recebe as pedras em exclusivo. Na figura 32 pode-se observar a resposta dos quatro sensores quando o sensor 1 recebe o impacto das pedras em exclusivo. O aspecto gráfico destas figuras foi retirado da plataforma LabVIEW, o qual em simultâneo fornece a informação relativa dos quatro sensores.

Figura 32 – Representação gráfica quando o sensor 1 recebe o impacto das pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor

2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4.

Sensor 4

Sensor 1

Sensor 3

Sensor 2



Na tabela 1 são apresentados os valores obtidos dos gráficos anteriores. São descritos para cada sensor a tensão máxima e o respectivo instante de tempo em que esses valores foram registados. Enquanto o sensor 1 atinge o máximo de 8,05 volts, os outros sensores atingem uma tensão média de 0,57 volts.

Tabela 1 – Tensão máxima atingida por cada sensor e o instante de tempo respectivo, quando o sensor 1 recebe o impacto das pedras.

Umax. atingida (Volt)

Instante de tempo da Umax. (Segundos)

Sensor 1 8,05 10,2 Sensor 2 0,46 4,1 Sensor 3 0,86 4,2 Sensor 4 0,38 3,1

Os valores obtidos para os restantes sensores no instante de tempo em que S1 atinge a tensão máxima, estão representados na tabela 2. Esses valores são apresentados graficamente mais à frente.

Tabela 2 – Tensão de cada sensor no instante de tempo em que o sensor 1 atingiu o valor da tensão máxima (t=10,2s).

U (Volt) Sensor 1 8,05 Sensor 2 0,33 Sensor 3 0,56 Sensor 4 0,37

A figura 33 mostra a tensão gerada pelos sensores no instante de tempo em que o S1 tem a tensão máxima. Como se pode verificar o S1 apresenta um valor de 8,05 volt que é um valor substancialmente maior (cerca de 95%) comparativamente com os outros sensores, em que estes apresentam valores abaixo de um volt.



Tensão no instante em que S1 tem Umáx

01

234567

89

Sensores

U m

áx (v

olt)

S1

S2

S3

S4

Figura 33 – Tensão gerada pelos sensores no instante de tempo em que o sensor 1 tem tensão máxima (Umáx.).

O teste seguinte é relativo ao sensor 2 quando este recebe as pedras em exclusivo. Como se pode observar na figura 34 tem-se a resposta dos quatro sensores quando o sensor 2 recebe o impacto das pedras em exclusivo. O aspecto gráfico destas figuras foi retirado da plataforma LabVIEW, como no caso anterior.


2, Graf.3) Sensor 3, Gaf.4) Sensor 4.



Os valores obtidos dos gráficos anteriores estão apresentados na tabela 3. São descritos para cada sensor a tensão máxima e o respectivo instante de tempo em que esses valores foram registados. Quando o sensor 2 atinge 8,16 volts de tensão máxima, os outros atingem apenas uma média de 0,82 volts.


Umax. Atingida (Volt)



Na tabela 4 estão representados os valores obtidos para os sensores no instante de tempo em que S2 atinge a tensão máxima.



A tensão gerada pelos sensores no instante de tempo em que o S2 tem a tensão máxima pode ser observada na figura 35. Pode-se verificar que o S2 apresenta um valor de 8,16 volt, cerca de 98% mais comparativamente com os outros sensores, os quais apresentam valores muito próximos de zero.




0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Sensores

U m

áx (v

olt)

S1

S2

S3

S4


O teste seguinte é relativo ao sensor 3 quando este recebe as pedras em exclusivo. A resposta dos quatro sensores quando o sensor 3 recebe o impacto das pedras em exclusivo pode ser observada na figura 36. O aspecto gráfico destas figuras foi retirado da plataforma LabVIEW.


2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4.



Na tabela 5 são apresentados os valores obtidos dos gráficos anteriores. São descritos para cada sensor a tensão máxima e o respectivo instante de tempo em que esses valores foram registados. O sensor 3 apresenta tensão máxima de 8,17 volts e os restantes uma média de 0,67 volts.





A tabela 6 apresenta os valores obtidos para os sensores no instante de tempo em que S 3 atinge a tensão máxima.



A tensão gerada pelos sensores no instante de tempo em que o S3 tem a tensão máxima, pode ser observada na figura 37.O S3 como se pode verificar apresenta um valor de 8,17 volts, 97,5% maior do que os outros sensores, sendo que esses apresentam valores próximos de zero.


0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Sensores

U m

áx (v

olt)

S1

S2

S3

S4




O teste seguinte é relativo ao sensor 4 quando este recebe as pedras em exclusivo. Pode-se observar a resposta dos quatro sensores na figura 38, quando o sensor 4 recebe o impacto das pedras em exclusivo. O aspecto gráfico destas figuras foi retirado da plataforma LabVIEW.


2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. Os valores obtidos dos gráficos anteriores estão apresentados na tabela 7. São descritos para cada sensor a tensão máxima e o respectivo instante de tempo em que esses valores foram registados. Assim enquanto S4 regista 8,17 volts de tensão máxima, os outros sensores apresentam uma média de 0,41 volts.







Pode-se observar na tabela 8 os valores obtidos para os sensores no instante de tempo em que S4 atinge a tensão máxima.



A figura 39 apresenta a tensão gerada pelos sensores no instante de tempo em que o S4 tem a tensão máxima. Observa-se que S4 apresenta um valor de 8,17 volts, 98% maior que os outros sensores, em que estes apresentam valores muito próximos de zero.


0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Sensores

U m

áx (v

olt)

S1

S2

S3

S4


No estudo da resposta de cada sensor, pode-se concluir que os sensores piezoeléctricos geram uma tensão eléctrica quando estes sofrem um impacto originado pelas pedras. Em cada teste verifica-se a reacção de cada sensor aos impactos em que o que recebe a queda das pedras é o que gera mais energia (na ordem dos 8 volts), enquanto os outros sensores piezoeléctricos apresentam uma tensão muito baixa cerca de 98% menor, o que se torna um valor insignificante.



4.2 Resultado do estudo do comportamento dos sensores em conjunto Nos segundos testes analisou-se o comportamento dos quatro sensores piezoeléctricos em conjunto. Para isso foram efectuados seis ensaios, nos quais se lançaram as pedras sobre a pirâmide de forma a atingir todos os sensores. As figuras 40 a 45 representam a resposta dos quatro sensores quando as pedras são lançadas sobre a pirâmide atingindo todos os sensores. Mais uma vez a apresentação gráfica destas figuras foi retirada do programa realizado na plataforma LabVIEW, o qual em simultâneo fornece a informação relativa dos quatro sensores. O resultado do primeiro ensaio está representado na figura 40.

Figura 40 – Representação gráfica do ensaio nº1 quando as pedras são lançadas sobre a pirâmide atingindo os

quatro sensores.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4.



A figura 41 apresenta a resposta dos quatro sensores quando se realizou o segundo ensaio.


quatro sensores.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. Os resultados obtidos no terceiro ensaio estão representados na figura 42.





Pode-se observar na figura 43 a resposta dos quatro sensores quando as pedras são lançadas sobre a pirâmide atingindo os quatro sensores, aquando do quarto ensaio.


quatro sensores.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. Através da figura 44 observa-se a resposta dos quatro sensores obtida no quinto ensaio.





Por ultimo o resultado do sexto ensaio pode ser observado na figura 45.



Os valores obtidos dos gráficos anteriores relativamente a cada ensaio estão apresentados na tabela 9. São descritos para cada ensaio e para cada sensor a tensão máxima e o respectivo instante de tempo em que esses valores foram registados e o número de impactos que cada sensor sofreu no respectivo ensaio. Tabela 9 – Resultados obtidos dos ensaios realizados quando as pedras são lançadas sobre toda pirâmide.

S1 S2 S3 S4

Ensaio Umax

(V) t(s) Nº de

Impactos Umax

(V) t(s) Nº de

Impactos Umax

(V) t(s) Nº de

Impactos Umax

(V) t(s) Nº de

Impactos 1 1,82 11,3 4 4,45 7,9 3 3,34 4,2 3 7,89 3,6 6 2 4,95 11,5 4 6,05 5,5 1 4,56 3,9 4 8,05 2,9 4 3 2,53 5,9 3 8,13 4,5 2 4,77 8,7 3 6,36 5,3 3 4 8,10 9,3 2 6,28 7,4 2 8,05 10,5 6 6,15 11,5 4 5 1,45 14,4 3 8,20 17,1 4 6,85 4,4 6 6,17 5,3 3 6 2,10 6,1 3 5,70 4,3 6 8,45 2,4 4 3,13 12,1 3

Os resultados apresentados na tabela anterior são representados na figura 46. Pode-se observar que o ensaio quarto foi o que apresentou valores mais elevados dos sensores. Também se verifica que o S1 é o que apresenta valores mais baixos comparativamente aos outros sensores.



Tensão obtida em 6 ensaios

0123456789

1 2 3 4 5 6

Ensaios

U m

áx (v

olts

)

S1S2S3S4

Figura 46 – Tensões geradas pelos quatro sensores, quando estes submetidos a ensaio em simultâneo.

Na figura 47 está representada a média e o desvio padrão da tensão gerada dos quatro sensores piezoeléctricos, nos seis ensaios efectuados. A média do sensor 1 apresenta um valor de 3,49 volt e um desvio padrão de 2,58, no sensor 2 têm-se uma média de 6,49 volt com um desvio padrão de 1,46. O sensor 3 apresenta a média de 6,00 volt e com um desvio padrão de 2,08, no sensor 4 a média tem o valor de 6,29 volt e com um desvio padrão de 1,77.

Média da tensão gerada pelos sensores

0123456789

Sensores

U m

áx (v

olt) S1

S2S3S4

Figura 47 – Média e desvio padrão da tensão gerada pelos quatro sensores, quando estes submetidos a ensaio em

simultâneo.

No estudo do comportamento dos sensores em conjunto, pode-se concluir que os quatro sensores

da pirâmide reagem individualmente, criando uma tensão quando as pedras são lançadas sobre toda a pirâmide. Através da média das tensões máximas atingidas de cada um dos sensores



pode-se concluir que esse valor é muito idêntico. No entanto o sensor 1 apresenta o valor de 3,49 volt, afastando-se da média dos outros sensores, isto pode ser devido a problemas técnicos originados pela queda das pedras durante os testes. Mas verificando o desvio padrão relativo ao sensor 1 pode-se concluir que o valor da tensão máxima poderá atingir os valores médios que os outros sensores apresentam.

4.3 Resultados do estudo da pirâmide inclinada Os terceiros testes consistiram na inclinação das faces da pirâmide como se pode ver na figura 48. Em cada ensaio a pirâmide era inclinada para que um dos sensores ficasse mais exposto aos impactos. Isto não impedia que os outros sensores recebessem impactos, dado que também estavam expostos mas com uma área reduzida. Estes testes foram realizados com intuito de provar que com a pirâmide, devido à sua forma geométrica pode-se mostrar de que direcção as pedras de granizo provém. Assim com o lançamento das pedras sempre na vertical, inclinou-se a pirâmide de forma a simular que as pedras atingissem a pirâmide de lado. Desta forma, conforme a reacção dos sensores ao número de impactos determina-se a orientação das pedras que atingem a pirâmide.

Figura 48 – Pirâmide vista de topo com inclinação mostrando o sensor 4 mais exposto como exemplo.

Nestes testes foram realizados quatro ensaios, onde cada ensaio corresponde à exposição de cada um dos sensores.

Sensor 4

Sensor 2

Sensor 1

Sensor 3



A figura 49 é a representação esquemática do ensaio 1 que é relativo à pirâmide inclinada ficando o sensor 1 mais exposto.

Figura 49 – Pirâmide vista de topo com inclinação mostrando o sensor 1.

Através da figura 50 observa-se a resposta dos sensores após a realização do ensaio 1. Os gráficos representados nesta figura foram retiradas do programa realizado na plataforma LabVIEW.

Figura 50 – Representação gráfica do ensaio quando o sensor 1 se encontra mais exposto à queda das

pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4.

A figura 51 demonstra o número de impactos quando o sensor 1 se encontra mais exposto. Pode-se observar que este recebe o maior número de impactos com um total de 7. Os sensores 2 e 3

Sensor 4

Sensor 2

Sensor 1

Sensor 3



são os sensores que de seguida registam mais impactos, 3 e 4 respectivamente. Isto deve-se ao facto de estarem mais expostos aos impactos a seguir ao sensor 1. Os valores são muito próximos devido aos dois sensores em causa terem a mesma área exposta aos impactos das pedras. Pode-se observar que o sensor 4 regista um impacto, devido sua à área ser menos exposta entre os quatro sensores que estão sujeitos à queda das pedras.

Numero de impactos com S1 mais exposto

012345678

Sensores

Nº

de im

pact

os S1S2S3S4

Figura 51 – Número de impactos que cada sensor sofre com a face 1 mais exposta.

Na figura 52 pode-se observar a representação esquemática do ensaio 2 que é relativo à pirâmide inclinada ficando o sensor 2 mais exposto.


Sensor 4

Sensor 2

Sensor 1

Sensor 3



Os resultados do ensaio 2 são apresentados na figura 53.


pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. Na figura 54 observa-se o número de impactos quando o sensor 2 se encontra mais exposto. Verifica-se que este recebe o maior número de impactos com um total de 7. Os sensores 1 e 4 são os sensores que de seguida registam mais impactos, 4 e 3 respectivamente, devido ao facto de estarem mais expostos aos impactos, a seguir ao sensor 2. Pode-se observar que o sensor 3 é o que regista o menor número de impactos, devido sua à área ser menos exposta entre os quatro

sensores que estão sujeitos à queda das pedras, neste ensaio.


012345678

Sensores

Nº d

e im

pact

os S1S2S3S4




A figura 55 é a representação esquemática do ensaio 3 que é relativo à pirâmide inclinada ficando o sensor 3 mais exposto


A resposta dos sensores aquando do ensaio 3 pode ser observada na figura 56.



Sensor 4

Sensor 2

Sensor 1

Sensor 3



O número de impactos quando o sensor 3 se encontra mais exposto pode ser observado na figura 57. Observa-se que este recebe o maior número de impactos com um total de 7. Neste caso os sensores 1, 2 e 4 detectam todos dois impactos.


012345678

Sensores

Nº d

e im

pact

os S1S2S3S4


A figura 58 é a representação esquemática do ensaio 4 que é relativo à pirâmide inclinada ficando o sensor 4 mais exposto.


Os resultados do ensaio quatro podem ser observados na figura 59 que mostra a resposta dos sensores quando as pedras são lançadas sobre a pirâmide atingindo os quatro sensores.

Sensor 4

Sensor 2

Sensor 1

Sensor 3




pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. A figura 60 demonstra o número de impactos quando o sensor 4 se encontra mais exposto. Observando pode-se ver que este recebe o maior número de impactos com um total de 5. Os sensores 2 e 3 são os sensores que em seguida registam mais impactos, 4 e 3 respectivamente. O sensor 1 é o que regista o menor número de impactos, como se pode verificar na figura 56, devido sua à área ser a mais reduzida entre os quatro sensores que estão sujeitos à queda das pedras.


0

1

2

3

4

5

6

Sensores

Nº d

e im

pact

os S1S2S3S4




Na tabela 10 pode-se observar os valores que dizem respeito ao teste anterior onde, foram realizados quatro ensaios e onde em cada ensaio a pirâmide era inclinada para que um dos sensores ficasse mais exposto aos impactos. A tabela 10 apresenta não só o número de impactos registados por cada um dos sensores para cada ensaio, como também a respectiva tensão máxima gerada e o instante de tempo em que ocorreu esse impacto. Tabela 10 – Resultados obtidos de todos os ensaios realizados quando se inclinaram as faces da pirâmide, expondo

os sensores, um de cada vez. S1 S2 S3 S4

Ensaio Umax

(V) t(s) Nº de

Impactos Umax

(V) t(s) Nº de

Impactos Umax

(V) t(s) Nº de

Impactos Umax

(V) t(s) Nº de

Impactos 1 7,89 9,7 7 8,05 9,3 3 5,88 12,7 4 2,80 14,8 1 2 8,05 7,8 4 8,10 6,9 7 0,51 2,8 2 8.05 4,4 3 3 1,49 8,6 2 4,85 12,7 2 8,10 5.9 7 8,05 14,2 2 4 0,48 2,7 1 7,9 7,6 4 8,19 4,1 3 7,98 6,8 5

Após a realização deste estudo pensou-se em fazer testes com o mesmo objectivo mas desta vez com diferença na inclinação das faces da pirâmide como se pode ver na figura 61. Em cada ensaio inclinou-se a pirâmide de forma a colocar dois sensores em simultâneo, mais expostos e com a mesma área, à ocorrência dos impactos. Isto não impedia que os outros sensores recebessem impactos, dado que também estavam expostos mas com uma área reduzida. Assim foram realizados quatro ensaios, onde cada ensaio diz respeito à exposição de dois dos sensores da cada vez.

Figura 61 – Pirâmide vista de topo com inclinação mostrando o sensor 2 e o sensor 4 mais expostos como exemplo.

Sensor 4

Sensor 1

Sensor 2

Sensor 3



A figura 62 é a representação esquemática do ensaio 1 que é relativo à pirâmide inclinada ficando o sensor 1 e o sensor 2 mais expostos.

Figura 62 – Pirâmide vista de topo com inclinação mostrando o sensor 1 e o sensor 2 mais expostos.

Na figura 63 observa-se a resposta dos sensores quando as pedras são lançadas sobre a pirâmide inclinada. Os gráficos da figura foram retirados do programa realizado na plataforma LabVIEW, o qual em simultâneo fornece a informação relativa dos quatro sensores.

Figura 63 – Representação gráfica do ensaio quando o sensor 1 e sensor 2 se encontram mais expostos à queda das


Sensor 4

Sensor 1

Sensor 2

Sensor 3



A figura 64 mostra o número de impactos quando o sensor 1 e o sensor 2 se encontram mais expostos. Pode-se observar que estes recebem o maior número de impactos com um total de 5 no sensor 1 e 6 no sensor 2. Os sensores 3 e 4 registam memos impactos com um total de dois impactos cada um. Isto deve-se ao facto de estarem menos expostos aos impactos.

Numero de impactos com S1 e S2 mais expostos

0

1

2

3

4

5

6

7

Sensores

Nº d

e im

pact

os S1S2S3S4

Figura 64 – Número de impactos que cada sensor sofre com os sensores 1e 2 mais expostos.



Sensor 4

Sensor 1

Sensor 2

Sensor 3



A resposta dos sensores aquando o ensaio 2 pode ser observada na figura 66.

Figura 66 – Representação gráfica do ensaio quando o sensor 2 e o sensor 4 se encontram mais expostos à queda

das pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4.

Através da figura 67 pode-se observar o número de impactos quando o sensor 2 e o sensor 4 têm uma maior exposição relativamente aos outros dois sensores. Verifica-se que estes recebem o maior número de impactos com um total de 7 no sensor 2 e no sensor 4, um total de 5. Os sensores 1 e 3 registam memos impactos com um total de dois impactos cada um. Isto é devido ao facto de estarem menos expostos aos impactos.


012

3456

78

Sensores

Nº d

e im

pact

os S1S2S3S4

Figura 67 – Número de impactos que cada sensor sofre com os sensores 2 e 4 mais expostos.





Os resultados obtidos no ensaio 3 são apresentados na figura 69.


das pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4.

Sensor 4

Sensor 1

Sensor 2

Sensor 3



Com a figura 70 pode-se verificar o número de impactos quando o sensor 1 e o sensor 3 se encontram mais expostos. Observa-se que estes recebem o maior número de impactos com um total de 5 no sensor 1 e 7 no sensor 3. Os sensores 2 e 4 registam memos impactos com um total de dois impactos cada um, devido ao facto de estarem menos expostos.


01234

5678

Sensores

Nº d

e im

pact

os S1S2S3S4




Observa-se na figura 72 a resposta dos sensores quando as pedras são lançadas sobre a pirâmide atingindo os quatro sensores.

Sensor 4

Sensor 1

Sensor 2

Sensor 3




das pedras.Graf.1) Sensor 1, Graf.2) Sensor 2, Graf.3) Sensor 3, Graf.4) Sensor 4. Na figura 73 pode-se observar o número de impactos quando o sensor 3 e o sensor 4 têm uma maior exposição relativamente aos outros dois sensores. Verifica-se que estes recebem o maior número de impactos com um total de 6 em cada um. Os sensores 1 e 2 registam memos impactos com um total de dois impactos cada um.


0

1

2

3

4

5

6

7

Sensores

Nº d

e im

pact

os S1S2S3S4




Pode-se observar na tabela 11 os valores obtidos no teste anterior onde foram realizados quatro ensaios e que em cada ensaio, a pirâmide estava inclinada para que dois dos sensores ficassem mais exposto aos impactos. A tabela 11 mostra o número de impactos registados por cada um dos sensores para cada ensaio, como também a respectiva tensão máxima gerada e o instante de tempo em que ocorreu esse impacto.

Tabela 11 – Resultados obtidos de todos os ensaios realizados quando se inclinaram as faces da pirâmide, expondo

dois dos sensores, de cada vez. S1 S2 S3 S4

Ensaio Umax

(V) t(s) Nº de

Impactos Umax

(V) t(s) Nº de

Impactos Umax

(V) t(s) Nº de

Impactos Umax

(V) t(s) Nº de

Impactos 1 8,12 17,7 5 7,78 9,7 2 8,16 15,1 7 7,89 3,9 2 2 7,78 13,4 2 7,95 4,4 7 2,78 6,1 2 3,55 3,4 5 3 7,89 13,7 5 8,07 6,3 6 2,47 16,7 2 7,59 3,8 2 4 8,01 7,7 2 7.80 9,7 2 8,16 15,1 6 8,17 8,9 6

Em termos de conclusão, no estudo da pirâmide inclinada, pode-se provar que com a pirâmide de sensores piezoeléctricos numa situação real, consegue-se demonstrar de que orientação advém o granizo, qual a tensão eléctrica gerada pelos impactos e matematicamente poderá ser determinada a velocidade de impacto. Com os testes efectuados, tanto no caso de um só sensor como de dois sensores mais expostos à queda das pedras, estes apresentam sempre valores de impacto superiores em relação aos sensores, que com a inclinação ficam com área de impacto

substancialmente reduzida.

4.4 Resultado do estudo de comparação da queda de granizo e chuva Os quartos e últimos testes consistiram em demonstrar a resposta entre um impacto de uma pedra e uma gota de água, ou seja, identificar entre uma pedra de granizo e uma gota de chuva. Para verificar essa diferença teve que se observar as colisões da pedra e da gota de água sobre o

sensor. O teste ilustrado na figura 74 realizou-se com um lançamento de uma única pedra sobre um sensor piezoeléctrico com o intuito de verificar a sua resposta ao impacto ao longo do tempo.



No impacto ocorrido verificou-se uma colisão elástica, em que o sensor demorou cerca de 43,47 milissegundos a atingir novamente a forma inicial quando estava em repouso.

Figura 74 – Representação gráfica do teste quando o sensor é atingido por uma pedra.

Na figura 75 observa-se o teste onde se efectuou um lançamento de uma porção de água, equivalente a uma gota de chuva, sobre um sensor piezoeléctrico para verificar a sua resposta ao

impacto ao longo do tempo. No impacto observado verificou-se uma colisão inelástica, isto devido à gota de água, a qual após o impacto com o sensor, ficou sobre este provocando uma pressão. Esta ia diminuindo ao logo do tempo à medida que a água se ia afastando. Neste teste as oscilações não se verificam como no caso anterior e o sensor piezoeléctrico demorou cerca de 23,07 milissegundos a atingir a forma inicial de quando estava em repouso.

Figura 75 – Representação gráfica do teste quando o sensor é atingido por uma gota de água.



Nestes últimos testes, em que se estudou a comparação da queda de granizo e de chuva, pode-se concluir que se consegue diferenciar pedras de granizo das gotas de chuva pela diferença dos impactos que cada um provoca. Essa diferença é notada pelo tipo de colisões que provocam ao embater nos sensores. No caso de uma pedra, existe uma colisão elástica em que a deformação do sensor piezoeléctrico é mais notória tendo oscilações significativas. O sensor atinge uma tensão máxima acima de 8 volts e o tempo que o sensor piezoeléctrico demora a atingir a forma inicial de repouso é cerca de 43,47 milissegundos. No caso da gota de água, o seu impacto provoca uma colisão inelástica quando embate no sensor. As oscilações são pouco notórias em relação ao impacto de uma pedra dado que quando,

é atingido o sensor sofre uma deformação mas o seu retorno à forma inicial de repouso é mais suave e com oscilações menos significativas. O sensor atinge cerca de 2,9 volts de tensão máxima e demora cerca de 23,07 milissegundos a estabilizar.



5.Conclusões

Este trabalho realizou-se com o fundamento do desenvolvimento e o estudo da medição e quantificação de impactos. Elaborou-se um protótipo onde se implementaram materiais piezoeléctricos previamente analisados e a electrónica de instrumentação. O sucesso e a viabilidade deste trabalho devem-se em parte ao formato geométrico do dispositivo, onde se realizaram os testes. Desta forma podemos concluir que:

Relativo à selectividade de cada sensor aos impactos, o sensor que recebe o impacto é o que gera mais energia (na ordem dos 8 volts), enquanto os outros sensores piezoeléctricos apresentam uma tensão muito baixa cerca de 98% menor. Foi desenvolvido um dispositivo em forma piramidal com quatro sensores que reagem individualmente, criando uma tensão diferencial, identificando os impactos que atingem toda a área da pirâmide.

Com a pirâmide de sensores piezoeléctricos numa situação real, consegue-se identificar de que orientação advém os impactos, isto é, granizo, água, etc., qual a tensão eléctrica gerada pelos impactos e matematicamente poderá ser determinada a velocidade de impacto

Consegue-se igualmente diferenciar pedras de granizo das gotas de chuva pela diferença no tipo de impactos (elásticos vs. inelásticos), que cada um provoca, identificado através do sinal V (t) originado por cada um dos sensores.

Esta tecnologia desenvolvida é viável pois demonstrou conseguir medir e quantificar o impacto e o seu potencial para inúmeras aplicações entre elas o sensor de granizo



6. Bibliografia [1] A. Arnau, D. Soares, “Piezoelectric Transducers and Applications”, Springer, pp. 1-3, 2004

[2] www.piezo.com/tech4hitory.html, consulta em Janeiro 2008

[3] G. Gautschi, “Piezoeléctric Sensorics: Force, Strain, Pressure, Acceleration and Acoustic Emission Sensors, Materials and Amplifiers”, Springer, pp. 245-254, 2002

[4] Measurement Specialties Inc.,”Piezo Film Sensors Technical Manual, Measurements Specialties”, USA, 1999

[5] http://www.keramverband.de/, consulta em Setembro 2008

[6] Viktor O. Cárdenas-Concha e João Sinézio C. Campos, “Protótipo de conversão de energia eléctrica utilizando o polímero PVDF-β”, Congresso conamet/sam 2004

[7]http://ltodi.est.ips.pt/joseper/IM/Medida%20de%20Grandezas%20N%C3%A3o-El%C3%A9ctricas.PDF

[8] Apontamentos da Unidade Curricular Instrumentação e Sensores

[9] Filipe Moreira, “Introdução aos sistemas de instrumentação”, Electrónica e Instrumentação, IPB, 2003

[10] António Luiz Coimbra de Castro, “Manual de Desastres Naturais - Desastres Naturais”, Vol I, pp. 35-36, Brasília, 2003

[11] http://solegelo.blogspot.com/2007_06_01_archive.html

[12]http://wwwdeolhonotempo.blogspot.com/2007/09/chuva-vento-raio-e-granizo-atingem-mais.html

[13] www.vaisala.com, consulta em Outubro 2007

[14] www.hgsecurity.com, consulta em Outubro 2007

[15] John E. Lane, Robert C. Youngquist, William D. Haskell and Robert B. Cox, “A hail size distribution impact transducer”, JASA Express Letters, 2006

[16] Revista “Les défis du CEA”, nº 120, pág.8, 2006/2007

[17] Revista “New Scientist”, Janeiro, 2008

[18] Franco S., “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits”, McGraw-Hill, 1988

http://www.piezo.com/tech4hitory.html,

http://www.keramverband.de/,

http://ltodi.est.ips.pt/joseper/IM/Medida%20de%20Grandezas%20N%C3%A3o-

http://solegelo.blogspot.com/2007_06_01_archive.html

http://wwwdeolhonotempo.blogspot.com/2007/09/chuva-vento-raio-e-granizo-atingem-

http://www.vaisala.com,

http://www.hgsecurity.com,



[19] Datasheets, TLC2652, TLC2652A, TLC2652Y Advanced LinCMOS Precision chopper – stabilized operational amplifiers, 2001

[20] www.ni.com

http://www.ni.com



7.Anexos


Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores – Universidade do Minho i

Anexo I – Medições das características das pedras usadas para simular o granizo

Peso das pedras que simularam o granizo

0

1

2

3

4

5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Pedras Utilizadas

Pes

o (g

ram

as)

Medição do peso das pedras usadas para simular o granizo.

Diâmetro das pedras que simularam o granizo

00,20,40,60,8

11,21,41,61,8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Pedras Utilizadas

Diâ

met

ro (c

m)

Medição do diâmetro das pedras usadas para simular o granizo.

Documents

Sensor de Impacto Selectivo Baseado no Efeito Piezoeléctricointranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/29284.pdf · baseado no efeito piezoeléctrico com aplicação específica