UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

ESCOLA POLITCNICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

SENSORES DE MOVIMENTO EPRESENA

MARCELO MAZZAROPPI

Rio de Janeiro, RJ - Brasil

Novembro de 2007

SENSORES DE MOVIMENTO E PRESENA

MARCELO MAZZAROPPI

PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA ELTRICA DA ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO, COMO PARTE DOS REQUISITOS NECES-

SRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

Aprovado por:

MARCOS VICENTE DE BRITO MOREIRA, D. Sc.(Orientador)

OUMAR DIENE, M.Sc.

SERGIO SAMI HAZAN, Ph.D.

Rio de Janeiro, RJ - Brasil

Novembro de 2007

AGRADECIMENTO

Gostaria de agradecer a Deus por tudo que consegui conquistar em minha vida,

porque nele est a minha fora.

Aos meus pais pela dedicao, amizade e amor que sempre demonstraram ter

por mim, sendo fonte de inspirao e referncia na minha vida. minha me, Lucia,

por ter estado sempre ao meu lado, e me formado o homem que hoje sou. Ao meu pai,

Ricardo, agradeo pelos conselhos sempre dados em boas horas e por ter servido de

referncia para minha vida profissional. Aos meus avs, Ruy e Henrique, homens de

honra e profissionais de destaque em suas reas, pela motivao e responsabilidade

de dar continuidade a uma histria que se iniciou h tanto tempo. Gostaria tambm

de agradecer ao meu irmo, Marcos, pela amizade e dedicao, sempre me apoiando,

sem medir esforos para me ajudar no que precisasse.

Agradeo tambm a todos os meus amigos pelos debates e estudos em grupo

que certamente foram de grande importncia para minha formao profissional.

Por fim, gostaria de agradecer a todos os professores da UFRJ que contriburam

para a minha formao profissional de forma inestimvel. Em especial agradeo ao

professor, orientador e amigo Marcos Vicente de Brito Moreira pelos ensinamentos

passados a mim.

ii

RESUMO

Marcelo Mazzaroppi Projeto de Graduao

UFRJ - DEE Novembro 2007

Sensores de Movimento e Presena

Os sensores tornaram-se parte fundamental dos processos e as indstrias esto

mostrando uma tendncia para a utilizao de equipamentos integrados e controla-

dos por computadores. Atualmente, a utilizao dos computadores industriais est

amplamente difundida para o controle de equipamentos e processos, por atuarem

de forma mais precisa e mais rpida do que os operadores so capazes. As infor-

maes sobre os processos so transmitidas aos computadores por sensores a estes

conectados. Dentre diversos tipos de sensores, existem os sensores de presena e

movimento, sendo estes utilizados nas indstrias para verificar a presena de peas

em uma linha de montagem, para medir o tamanho destas peas e para verificar o

estado dos produtos. A utilizao de sensores na monitorao de processos vital

para o sucesso dos mesmos e para garantir a segurana dos operadores e equipamen-

tos. Os sensores so capazes de executar tarefas simples de deteco de forma mais

precisa e eficiente do que as pessoas, sendo mais rpidos e cometendo menos erros.

Neste trabalho, so apresentados os tipos de sensores de presena e movimento mais

utilizados e uma comparao entre os mesmos feita visando diferentes aplicaes.

iii

Sumrio

AGRADECIMENTO ii

RESUMO iii

LISTA DE FIGURAS vii

LISTA DE TABELAS viii

1 Introduo 1

2 Princpio de funcionamento dos sensores de presena e movimento 4

2.1 Chaves Fim-de-Curso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Sensores indutivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.3 Sensores capacitivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.4 Sensores ultra-snicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.5 Sensores fotoeltricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.5.1 Modo oposto de deteco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.5.2 Modo retrorreflexivo de deteco . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.5.3 Modo difuso de deteco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5.4 Modo divergente de deteco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.5.5 Modo de deteco difuso com supresso de fundo . . . . . . . 20

2.6 Sensores ticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.7 Detectores de movimento por infra-vermelho . . . . . . . . . . . . . . 22

2.8 Sensores de presso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.9 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

iv

3 Caractersticas importantes para a escolha dos sensores de movi-

mento e presena 25

3.1 Tipo de material a ser detectado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2 Funo de sada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3 Distncia sensora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.4 Histerese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.5 Freqncia de Comutao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.6 Impedncia de sada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.7 Excitao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.8 Caractersticas dinmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.9 Fatores ambientais e condies de instalao . . . . . . . . . . . . . . 29

3.10 Confiabilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.11 Objetivo da deteco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.12 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4 Comparao entre os tipos de sensores e aplicaes 33

4.1 Ambiente de instalao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.1.1 Aspectos gerais comuns a todos os sensores . . . . . . . . . . . 33

4.1.2 Sensores Fotoeltricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.1.3 Sensores indutivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.2 Caractersticas do objeto a ser detectado . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.3 Distncia de deteco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.3.1 Clculo da distncia de deteco para sensores fotoeltricos . . 43

4.3.2 Clculo da distncia de deteco para sensores indutivos e

capacitivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.4 Integrao ao sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.5 Objetos de fundo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.6 Velocidade dos objetos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.7 Objetivo da deteco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.8 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

v

5 Concluso 53

Referncias Bibliogrficas 54

vi

Lista de Figuras

2.1 Chave Fim-de-Curso. Fonte: Steck Indstria Eltrica [2] . . . . . . . 5

2.2 Diagrama esquemtico de um sensor indutivo mostrando seus com-

ponentes principais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3 Sensor indutivo no-blindado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.4 Sensor indutivo blindado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.5 Diagrama esquemtico de um sensor capacitivo mostrando seus com-

ponentes principais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.6 Transmisso e reflexo da onda ultra-snica. . . . . . . . . . . . . . . 10

2.7 Barreira ultra-snica de modo oposto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.8 Barreira ultra-snica de modo reflexivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.9 Diagrama esquemtico de um sensor fotoeltrico mostrando seus com-

ponentes principais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.10 Modo oposto de deteco. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.11 Modo de deteco retrorreflexivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.12 Modo de deteco difuso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.13 Modo de deteco divergente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.1 Configurao PNP da sada dos sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.2 Configurao NPN da sada dos sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3 Histerese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.1 Instalao de sensores indutivos blindados ou embutidos. Fonte: Rock-

well Automation. [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.2 Instalao de sensores indutivos no-blindados. Fonte: Rockwell Au-

tomation. [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

vii

4.3 Deteco de garrafas transparentes com sensores fotoeltricos de modo

difuso. Fonte: Ztech Sensores Ltda. [10] . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.4 Deteco de garrafas transparentes com sensores ultrasnicos de modo

oposto. Fonte: Banner Engineering Corp. [8] . . . . . . . . . . . . . . 40

4.5 Deteco de garrafas transparentes com sensores ticos. Fonte: Ban-

ner Engineering Corp. [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.6 Exemplo de utilizao de sensores para deteco a mdias distncias.

Fonte: Banner Engineering Corp. [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.7 Exemplo de utilizao de sensor indutivo para deteco a pequenas

distncias. Fonte: Telemecanique / Schneider Electric SA. [11] . . . . 45

4.8 Curva de ganho em excesso para sensores fotoeltricos de modo oposto.

Fonte: Banner Engineering Corp. [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.9 Curva de ganho em excesso para sensores fotoeltricos de modo retror-

reflexivo. Fonte: Banner Engineering Corp. [8] . . . . . . . . . . . . . 47

4.10 Curva de ganho em excesso para sensores fotoeltricos de modos di-

fuso e divergente. Fonte: Banner Engineering Corp. [8] . . . . . . . . 48

4.11 Fator de correo da distncia sensora assegurada para sensores ca-

pacitivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

viii

Lista de Tabelas

2.1 Principais caractersticas dos sensores apresentados neste captulo. . . 24

4.1 Graus de proteo contra objetos slidos indicados pelo primeiro al-

garismo do cdigo IP. Fonte: IEC 60529 [7] . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.2 Graus de proteo contra gua indicada pelo segundo algarismo do

cdigo IP. Fonte: IEC 60529 [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.3 Ganho em excesso necessrio. Fonte: Banner Engineering Corp. [8] . 37

4.4 Refletividade relativa e ganho em excesso necessrio para sensores

fotoeltricos de modo difuso. Fonte: Banner Engineering Corp. [8] . . 42

4.5 Fatores de reduo da distncia de deteco de sensores indutivos.

Fonte: Rockwell Automation. [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.6 Contantes dieltricas de materiais industriais conhecidos. . . . . . . . 49

4.7 Resumo comparativo entre os sensores apresentados. . . . . . . . . . 52

ix

Captulo 1

Introduo

Em Engenharia de Controle, o emprego de sistemas com realimentao amplamente

utilizado. A principal vantagem que a realimentao proporciona fazer com que

a resposta do sistema seja relativamente insensvel a distrbios e variaes internas

nos parmetros do sistema [1]. Seu princpio a utilizao de qualquer informao

disponvel a respeito do sistema, de forma a ajustar continuamente seu controle.

Esta realimentao de informaes a respeito do sistema feita com a utilizao de

sensores, tornando estes peas fundamentais dos sistemas de controle.

No campo da automao industrial os sensores tornaram-se parte fundamen-

tal dos processos, devido a utilizao de equipamentos integrados e controlados por

computadores. Antigamente os operadores eram indispensveis por exercerem a

funo de crebro dos processos, controlando os equipamentos e alimentando o pro-

cesso com as informaes por ele percebidas. O operador verificava a disponibilidade

das peas, o acabamento das mesmas e se estavam ntegras ou no. Para tanto, o

operador detectava esses problemas utilizando somente os seus sentidos.

Atualmente, a utilizao de computadores industriais est amplamente difun-

dida para o controle de equipamentos e processos. Os computadores industriais

atuam de forma mais precisa e mais rpida do que os operadores so capazes. Um

computador em si no capaz de ver, sentir a vibrao ou escutar os processos por

exemplo. Para tanto, os mesmos utilizam sensores para substituir essas capacidades.

O computador pode utilizar um simples sensor para verificar a presena das

peas em uma linha de montagem, para medir o tamanho das peas ou para ve-

1

rificar se determinado recipiente est cheio ou vazio. A utilizao de sensores na

monitorao de processos vital para o sucesso dos mesmos e para garantir a segu-

rana dos operadores e equipamentos. Os sensores so capazes de executar tarefas

simples de deteco de forma mais precisa e eficiente do que as pessoas, sendo mais

rpidos e cometendo menos erros.

A finalidade de um sensor responder a um estmulo e convert-lo em um sinal

eltrico compatvel com os circuitos a ele acoplados. Podemos pensar no sensor como

transdutor de energia que converte uma forma de energia em energia eltrica. O sinal

de sada do sensor pode ser sob a forma de tenso, corrente ou carga, e pode ser

descrito em termos da amplitude, freqncia, fase, ou cdigo digital. A este conjunto

de caractersticas chamamos de formato do sinal de sada. Conseqentemente, um

sensor possui propriedades de entrada e propriedades eltricas de sada.

Entre os sensores mais utilizados na indstria esto os sensores de presena

e de movimento. Sensores de presena detectam a presena de pessoas ou objetos

em uma rea monitorada. Detectores de movimento respondem somente ao movi-

mento de objetos ou pessoas. A diferena entre os dois que o sensor de presena

produz um sinal se um objeto estiver em sua zona de deteco, sendo este objeto

estacionrio ou no, enquanto que os detectores de movimento so sensveis apenas

a objetos em movimento, podendo ser aplicados em segurana, vigilncia, gerencia-

mento de energia (controle de lmpadas), brinquedos interativos, e etc. Dependendo

da aplicao, a presena de pessoas pode ser detectada por meio de aes ou pro-

priedades do corpo humano. Por exemplo, um detector pode ser sensvel ao peso,

calor, sons ou constante dieltrica do corpo ou objeto.

Atualmente possvel encontrar diversas fontes de literatura tcnica sobre sen-

sores, entretanto encontramos muito pouco enfoque para as aplicaes dos mesmos.

O objetivo deste trabalho apresentar o princpio de funcionamento dos principais

sensores de presena e movimento, bem como suas caractersticas. Alm disso, so

apresentadas as caractersticas mais relevantes para a escolha adequada do sensor, o

que depende em grande parte da aplicao em que deve ser utilizado. Desta forma,

sero apresentados neste trabalho diversos exemplos de aplicaes de sensores de

2

presena e movimento.

Este trabalho est estruturado da seguinte forma: no captulo 2 so apresen-

tados os princpios de funcionamento dos sensores de presena e movimento mais

utilizados na indstria. No captulo 3 so apresentadas as caractersticas mais im-

portantes para a escolha entre os diversos tipos de sensores de movimento e presena,

dependendo da aplicao e das condies de instalao dos mesmos. No captulo 4

apresentada uma comparao entre os diversos tipos de sensores, visando a escolha

do sensor apropriado para atender s necessidades de diferentes tarefas. Finalmente,

no captulo 5 apresentada a concluso.

3

Captulo 2

Princpio de funcionamento dossensores de presena e movimento

Neste captulo sero discutidos os princpios de funcionamento dos seguintes sensores

de movimento e presena, por serem os mais utilizados na indstria:

Chaves Fim-de-Curso.

Indutivos.

Capacitivos.

Detectores por ultrasom.

Fotoeltricos.

ticos.

Detectores de movimento por infra-vermelho.

Sensores de presso.

Todo sensor pode ser classificado como ativo ou passivo. Um sensor passivo

no precisa de fonte de energia adicional, gerando diretamente um sinal eltrico em

resposta a um estmulo externo; isto , a energia de estmulo da entrada convertida

pelo sensor em um sinal de sada. Os sensores ativos exigem uma fonte externa para

sua operao, que chamada de um sinal de excitao. Esse sinal utilizado pelo

sensor para produzir o sinal de sada. No decorrer desta seo, os sensores sero

classificados segundo esta definio.

4

2.1 Chaves Fim-de-Curso

Os sensores Fim-de-Curso so sensores ativos de presena que necessitam de um

contato fsico para que ocorra o seu acionamento. A operao destas chaves al-

canada pela ao de deslizamento da proteo ou de qualquer outro objeto que se

mova, desviando o eixo ou alavanca. A figura 2.1 mostra o modelo mais comumente

encontrado das chaves Fim-de-Curso.

Eixo

Figura 2.1: Chave Fim-de-Curso. Fonte: Steck Indstria Eltrica [2]

Para seu correto funcionamento importante que quando no exista deteco,

a proteo ou outros objetos que se movem no impeam o eixo ou alavanca de

retornar a sua posio original. Caso o eixo seja impedido de retornar a esta posio,

a chave acusar permanentemente a presena do objeto de deteco, estando o

mesmo presente ou no.

Uma vez deslocado seu eixo ou alavanca, a sada deste sensor muda de estado

chaveando assim um sinal eltrico externo.

2.2 Sensores indutivos

Os sensores de proximidade indutivos so sensores ativos de presena e consistem

de um ncleo de ferrite envolvido por uma bobina, um oscilador, um circuito de

disparo de sinais de comando e um circuito de sada, como mostrado na figura 2.2.

O oscilador alimenta a bobina a uma determinada freqncia, e uma corrente de

natureza alternada circula pela mesma. Esta corrente alternada que circula pela

bobina, gera um campo eletromagntico [3]. Uma vez que um objeto metlico entra

5

neste campo, a natureza alternada deste campo induzir correntes neste objeto,

chamadas de correntes de fuga ou correntes parasitas. As correntes de fuga geram

um fluxo magntico no sentido de enfraquecer o campo existente, e desta forma o

circuito de disparo detecta a variao do campo e ocorre o chaveamento do circuito

de sada.

OsciladorCircuito dedisparo

Sada(amplificador)

Facesensora Objeto

Figura 2.2: Diagrama esquemtico de um sensor indutivo mostrando seus compo-nentes principais.

Os sensores indutivos encontram-se nas configuraes blindada e no-blindada.

Estas configuraes so influenciadas pelo local de instalao do sensor. Conforme

pode ser verificado na figura 2.3, o campo eletromagntico de um sensor no-blindado

no est concentrado apenas frente da sua face sensora, mas estende-se at a la-

teral do sensor. Desta forma, sensores no-blindados quando instalados em super-

fcies metlicas, induziro nestas superfcies correntes de fuga, gerando um fluxo

magntico que enfraquecer o campo gerado pelo sensor, que ser detectado pelo

circuito de disparo, causando por fim a comutao da sada do sensor. Por este

motivo, sensores indutivos no-blindados no devem ser instalados em superfcies

metlicas. Para instalao em tais superfcies, so utilizados os sensores indutivos

blindados. Conforme apresentado na figura 2.4, os sensores blindados geram um

campo eletromagntico direcionado para a frente da sua face sensora, desta forma

eliminando o problema da induo de correntes de fuga na superfcie de instalao.

Maiores distncias de deteco podem ser obtidas com a utilizao de sensores no

blindados, devido ao seu campo eletromagntico ser menos concentrado.

6

Figura 2.3: Sensor indutivo no-blindado.

Figura 2.4: Sensor indutivo blindado.

2.3 Sensores capacitivos

Os sensores de proximidade capacitivos so sensores ativos de presena projetados

para operar gerando um campo eletrosttico e detectando mudanas neste campo

causadas quando um objeto se aproxima do sensor. Estes sensores so compostos

de uma ponta capacitiva (tambm chamada de ponta de compensao), um os-

cilador, um retificador de sinal, um circuito de filtragem e um circuito de sada,

como mostrado na figura 2.5.

Na ausncia de um objeto, o oscilador est inativo. Quando um objeto se

7

OsciladorPonta deCompensao

Filtroretificador

Sinal deSada

Figura 2.5: Diagrama esquemtico de um sensor capacitivo mostrando seus compo-nentes principais.

aproxima, ele aumenta a capacitncia do circuito da ponta capacitiva. Uma vez que

a capacitncia atinge um determinado valor, o oscilador ativado, ativando assim

o circuito de sada e fazendo com que seu estado seja comutado.

A capacitncia do circuito da ponta de compensao determinada pelo ta-

manho do objeto, sua constante dieltrica e a distncia at a ponta. Quanto maior

for o tamanho do objeto a ser detectado e sua constante dieltrica, mais este ir con-

tribuir para o aumento da capacitncia. Uma reduo da distncia entre o objeto e

a ponta de compensao tambm ir contribuir para o aumento da capacitncia.

Para melhorar a sensibilidade e reduzir o efeito das bordas, o sensor capaci-

tivo pode ser fornecido com uma blindagem. Tal blindagem posicionada em torno

dos lados inoperantes da ponta capacitiva e alimentada com a tenso igual quela

da ponta. Como a blindagem e as tenses da ponta esto em fase e tm a mesma

amplitude, nenhum campo eltrico existe entre os dois e todos os componentes posi-

cionados atrs da blindagem no influenciam na operao.

Os sensores de proximidade capacitivos blindados so mais indicados para a

deteco de materiais de constantes dieltricas baixas e, portanto, de mais difcil

deteco. O campo eletrosttico concentrado permite detectar objetos que os sen-

sores no blindados ignoram. Por outro lado, isto os torna mais suscetveis falsa

comutao, devido ao acmulo de sujeira ou umidade na face ativa do sensor.

O campo eletrosttico de um sensor no blindado menos concentrado, o

que os torna mais indicados para detectar materiais de constantes dieltricas altas,

8

ou para diferenciar entre materiais de constantes altas e baixas. Para os objetos de

constante dieltrica elevada, os sensores no blindados apresentam um maior alcance

de deteco do que os blindados.

Os sensores no blindados so equipados com uma ponta de compensao que

permite que o sensor ignore nvoa mida, poeira, pequenas quantidades de sujeira

e pequenos respingos de leo ou gua que se acumulem no sensor. A ponta de

compensao tambm torna o sensor resistente a variaes da umidade ambiente.

2.4 Sensores ultra-snicos

As ondas ultra-snicas so ondas acsticas com freqncias alm da capacidade da

audio humana (isto , acima de 20 kHz).

Os sensores ultra-snicas geram ondas ultra-snicas a partir do movimento de

uma superfcie. Este movimento cria a compresso e a expanso de um meio, que

pode ser um gs, lquido ou slido. O tipo mais comum de dispositivo de excitao

que pode gerar o movimento de uma superfcie na escala ultra-snica um transdutor

piezoeltrico [4]. Isto implica que o dispositivo piezoeltrico converte diretamente a

energia eltrica em energia mecnica.

O transdutor piezoeltrico utiliza-se do efeito piezoeltrico, sendo este o efeito

no qual a energia convertida entre as formas mecnica e eltrica. A palavra piezo

deriva do grego piezen, e significa presso. Desta forma, quando uma presso

aplicada a um cristal polarizado, a deformao mecnica resulta em uma carga

eltrica. O efeito piezoeltrico consiste na variao das dimenses fsicas de certos

materiais quando sujeitos a campos eltricos e vice-versa, portanto, um material

piezoeltrico produz carga eltrica quando uma presso mecnica aplicada neste.

Da mesma forma, uma deformao mecnica produzida quando um campo eltrico

aplicado no material piezoeltrico.

As ondas sonoras geradas pelos sensores ultra-snicos so transmitidas na

forma de um cone como mostra a figura 2.6. Ao interceptar um objeto esta onda

refletida de volta ao sensor passando informaes a respeito da distncia do objeto

9

ao sensor e velocidade de deslocamento do mesmo. Estas informaes so extradas

respectivamente do intervalo de tempo entre a emisso e o retorno da onda sonora e

da diferena entre as freqncias das ondas emitida e retornada1. Existem algumas

variveis que podem afetar a propagao e reflexo das ondas sonoras causando dis-

trbios a deteco, sendo estas: ngulo de superfcie do alvo, a aspereza da superfcie

reflexiva ou mudanas na temperatura ou na umidade. O formato do objeto afeta

a quantidade de energia sonora refletida, entretanto mesmo objetos de formatos ir-

regulares ou objetos arredondados refletiro uma parcela da onda ultra-snica de

volta ao sensor.

Sensor

Objeto

Figura 2.6: Transmisso e reflexo da onda ultra-snica.

Desta forma, conclui-se do acima exposto que os sensores ultra-snicos so

sensores ativos de presena e de movimento e apresentam a vantagem de no apenas

detectar a presena dos objetos, mas possibilitam o clculo da distncia dos mesmos

e da velocidade com a qual se deslocam. Outras vantagens destes sensores a possi-

bilidade de deteco de objetos pequenos sobre distncias longas e a resistncia aos

distrbios externos tais como vibrao, radiao infravermelha, rudos ambientais,

e radiao eletromagntica.

A configurao mais encontrada dos sensores ultra-snicos a montagem do

emissor e do receptor no mesmo encapsulamento. Entretanto, os sinais ultra-snicos

podem ser utilizados para a criao de uma barreira ultra-snica. Nesta configurao

o emissor e o receptor esto posicionados de forma oposta e no mais no mesmo1A diferena entre as freqncias das ondas emitida e recebida devida ao efeito Doppler, que

aplica-se propagao de qualquer energia na forma de uma onda. [5]

10

encapsulamento. A deteco do objeto ou pessoa se dar uma vez que o sinal

ultra-snico, que agora acopla o emissor ao receptor, for interrompido [6]. Esta

configurao est representada na figura 2.7.

ReceptorEmissor

Objeto

Figura 2.7: Barreira ultra-snica de modo oposto.

Os sensores ultra-snicos que possuem ambos emissor e receptor no mesmo

encapsulamento possuem os seguintes mtodos de deteco:

Difuso - Detecta um objeto na faixa da distncia de deteco. A onda sonora se

choca com o alvo (objeto ou pessoa) e refletida de volta ao sensor. Esta onda

ento percebida e o sensor comuta sua sada. Esta configurao utilizada nor-

malmente para detectar presena ou contagem de peas. Esta configurao est

representada na figura 2.6.

Reflexivo - Utilizando os objetos de fundo como refletores para as ondas sonoras,

estes sensores emitem e recebem constantemente estas ondas. Quando um alvo (ob-

jeto ou pessoa) entra na rea de deteco deste sensor, entre o sensor e os refletores

de fundo, o feixe sonoro ento interrompido e ocorre a deteco. Esta configurao

utilizada normalmente para a deteco de objetos com superfcies irregulares ou

que absorvem o som. Esta configurao est representada na figura 2.8.

Difuso com supresso de fundo - Este modo semelhante ao difuso diferenciando-

se pela possibilidade de delimitar a distncia de deteco a uma determinada zona

de interesse.

Difuso com supresso de frente - Modo semelhante ao difuso com supresso

11

Refletorde fundo

Sensor

Objeto

Figura 2.8: Barreira ultra-snica de modo reflexivo.

de fundo porm determinando-se a distncia mnima na qual o alvo dever estar

posicionado para que a sada do sensor seja comutada.

Difuso com supresso de frente e de fundo - Este modo rene as caracters-

ticas de operao dos ltimos dois modos. O alvo dever estar posicionado em um

determinado intervalo, entre uma distncia mnima e uma mxima, para que ocorra

a deteco do mesmo e a comutao da sada do sensor.

2.5 Sensores fotoeltricos

Um sensor fotoeltrico um sensor ativo de presena que detecta um feixe de luz

visvel ou invisvel, e responde a uma variao na intensidade de luz recebida. O

diagrama esquemtico de um sensor fotoeltrico apresentado na figura 2.9.

Um sensor fotoeltrico possuiu dois componentes principais: emissor e recep-

tor. O emissor contm a fonte de energia luminosa, que pode ser um diodo emissor

de luz (LED - Light emitting diode) ou um laser, e esta fonte luminosa modulada

por um oscilador. O receptor contm um elemento optoeletrnico, tal como um

fotodiodo ou um fototransistor, que detecta a luz vinda do emissor e converte a

intensidade de luz recebida em uma tenso eltrica. O fotodiodo um diodo semi-

condutor de juno PN construdo de modo a possibilitar a utilizao da luz como

fator determinante no controle da corrente eltrica. O mesmo opera com polarizao

reversa e caracteriza-se por ser sensvel luz e por possuir uma rpida resposta. A

12

ReceptorEmissor

Sincronismo entreemissor e receptor

&

Estgio desada

Analisador defreqncia

Figura 2.9: Diagrama esquemtico de um sensor fotoeltrico mostrando seus com-ponentes principais.

aplicao de luz juno resulta em uma transferncia de energia das ondas lumi-

nosas incidentes (na forma de ftons) para a estrutura atmica, resultando em um

aumento do nmero de portadores minoritrios e um aumento do nvel da corrente

reversa. Em resumo, pode-se dizer que um fotodiodo um dispositivo que converte

luz recebida em corrente eltrica. Um fototransistor tem funcionamento semelhante

ao de um fotodiodo, mas com uma resposta muito maior luminosidade, uma vez

que os eltrons liberados pelos ftons na juno base-coletor so injetados na base,

e esta corrente assim amplificada pela operao do transistor. Os fototransistores

possuem um tempo de resposta mais lento do que os fotodiodos.

A intensidade luminosa convertida em tenso pelo elemento optoeltronico

amplificada e demodulada. O receptor ajustado para a freqncia do seu emissor,

ignorando assim as demais luzes do ambiente, e ir produzir um sinal de sada quando

a luz recebida estiver acima ou abaixo de um valor previamente especificado.

O modo de deteco, que o mtodo com o qual um sensor envia e recebe a

luz, um dos critrios mais importantes na seleo de um sensor fotoeltrico. Sua

escolha adequada agregar confiabilidade deteco dos objetos desejados, rejei-

tando perturbaes decorrentes de fatores ambientais, relacionados s condies nas

quais o sensor encontra-se comissionado.

13

Os modos de deteco so:

Modo oposto

Modo retrorreflexivo

Modo difuso

Modo divergente

Modo difuso com supresso de fundo

Uma caracterstica importante para todos os modos de deteco listados acima

o ganho em excesso. O Ganho em excesso a quantidade de energia luminosa

medida acima ou abaixo da quantidade mnima para comutar a sada do sensor. O

sinal luminoso que emitido pelo sensor projetado para um determinado nvel

de desempenho. Entretanto, impurezas presentes no ambiente de instalao dos

sensores, como poeira, nvoa ou umidade, podem causar a atenuao deste sinal. O

ganho em excesso pode ser considerado como a energia extra disponvel para superar

esta atenuao, e pode ser definido como:

Ganho em excesso =Quantidade de luz incidindo no receptor

Quantidade minima de luz para comutacao

A curva do ganho em excesso parte importante de toda especificao de sen-

sores fotoeltricos.Esta curva mostra o ganho em excesso disponvel para um sensor

em particular como uma funo da distncia, e so desenhadas para a condio ideal

de um ambiente livre de impurezas.

2.5.1 Modo oposto de deteco

Este modo tambm conhecido como sensor de barreira. Por ser o mtodo mais

confivel, este tambm o mais utilizado.

14

No modo oposto de deteco, o emissor e o receptor esto em carcaas sepa-

radas, conforme mostra a figura 2.10. O emissor posicionado de forma oposta ao

receptor, de forma que o feixe de luz liga ambos diretamente e um objeto detectado

quando interrompe o feixe efetivo de luz, que definido como a parte do feixe que

realmente acopla o emissor ao receptor. Esta caracterstica confere o alto grau de

confiabilidade do modo.

ReceptorEmissor

Objeto

Figura 2.10: Modo oposto de deteco.

Devido ao posicionamento do emissor e do receptor o modo oposto de deteco

possui um alto ganho em excesso, bem acima de todos os outros modos de deteco,

o que o faz altamente desejvel para instalao em reas em que a atenuao tica

alta. Este o caso de aplicaes em que a distncia de deteco longa ou

a deteco desejada atravs de um filme, leo ou ambiente com muita poeira,

fumaa ou condensao. Da mesma forma que um alto ganho em excesso desejvel

na deteco de muitos objetos, o mesmo poder resultar na no deteco de materiais

como papel, tecidos ou plsticos, uma vez que o feixe de luz poder atravess-los

com uma intensidade ainda capaz de sensibilizar o receptor. Este problema pode ser

contornado controlando-se a sensibilidade do sensor, ajustando o seu amplificador

de forma a definir as faixas esperadas de intensidade do feixe de luz, ou pode-se

ainda enfraquecer o feixe pela adio de fendas ou causando um desalinhamento

proposital entre o emissor e o receptor.

Para que um objeto seja detectado neste modo, necessrio que o mesmo

atravesse o caminho tico do feixe de luz, passando fisicamente entre o emissor

15

e o receptor. Uma vez interrompido o feixe efetivo de luz, o objeto detectado.

Variveis como a refletividade da superfcie do objeto, cor e acabamento no afetam

este modo de deteco. Objetos transparentes como, por exemplo, garrafas de vidro,

possivelmente no sero detectados por este tipo de sensor, no sendo recomendado

sua aplicao para estes casos.

Por apresentar um feixe efetivo bem definido, este modo de deteco pode

ser utilizado, por exemplo, para contagem de peas, desde que o feixe efetivo no

seja mais espesso do que as peas. Se isto ocorrer, o feixe pode ser moldado pela

utilizao de lentes ou fibra tica de forma a detectar os objetos desejados.

2.5.2 Modo retrorreflexivo de deteco

Depois do modo oposto, o retrorreflexivo o modo que oferece o nvel mais elevado

de confiabilidade e oferecem distncias de deteco relativamente longas. Ao con-

trrio de um sensor oposto, o retrorreflexivo contm os elementos do emissor e do

receptor no mesmo encapsulamento. Seu feixe efetivo estabelecido entre o emis-

sor, o retrorrefletor, e o receptor, conforme mostra a figura 2.11. A deteco ocorre

quando o objeto interrompe tal feixe, desta forma, estes tipos de sensores no so

dependentes da refletividade dos objetos a serem detectados. Objetos transparentes

possivelmente no sero detectados por este mtodo, sendo a utilizao deste tipo

de sensor no recomendada para tal fim.

A maioria dos retrorrefletores so compostos de pequenos prismas de vr-

tice cbico, que possuem trs faces mutuamente perpendiculares. Estes refletores

assemelham-se a refletores de bicicleta, e so moldados utilizando plstico acrlico,

manufaturado em vrios tamanhos, formas, e cores. A tica de retrorrefletores de

boa qualidade projetada para minimizar o efeito de proxing, que acontece quando

uma reflexo no desejada do feixe de luz ocorre diretamente de volta do objeto de

deteco que supostamente deveria interromper o feixe. A eficincia do retrorrefletor

fortemente dependente do material do qual o mesmo composto.

Pela dificuldade de criar um feixe efetivo pequeno com este tipo de sensor,

no aconselhvel a sua utilizao para detectar objetos pequenos ou para controle

16

Retrorrefletor

Receptor

Emissor

Objeto

Figura 2.11: Modo de deteco retrorreflexivo.

preciso de posio.

Dependendo das distncias envolvidas, o tamanho do retrorrefletor torna-se

importante. A largura do padro do feixe para cada sensor serve com uma estimativa

do quanto de rea refletiva dever ser utilizada para retornar a mxima quantidade

de luz. O tamanho do retrorrefletor afeta a distncia de deteco. Quanto menor o

objeto a ser detectado, menor dever ser o feixe efetivo e menor ser a distncia de

deteco.

Comparados com os sensores opostos, os retrorreflexivos perdem o ganho em

excesso duas vezes mais rpido, devido a sujeira acumulada nas lentes do sensor e

do retrorrefletor. Isto ocorre pelo fato do feixe de luz atravessar quatro lentes - do

emissor para o retrorrefletor e de volta do retrorrefletor ao receptor. Outra razo

para estes sensores apresentarem um ganho em excesso menor, se deve ao fato da luz

viajar uma distncia duas vezes maior para atingir o receptor do que nos sensores

de modo oposto.

A maioria dos sensores retrorreflexivos so projetados para uma deteco em

longas distncias, no sendo possvel sua utilizao para a deteco em pequenas

distncias. Isto ocorre uma vez que na rea prxima das lentes do sensor, a energia

luminosa retornada ao emissor e no ao receptor. Esta rea chamada de ponto

17

cego. A curva de ganho em excesso do sensor poder ser verificada para que a

localizao do ponto cego seja conhecida.

2.5.3 Modo difuso de deteco

No modo de deteco difuso, a luz emitida pelo sensor incide na superfcie do objeto

a ser detectado e difundida de volta, enviando uma frao desta ao receptor,

que normalmente encapsulado junto ao emissor, como mostrado na figura 2.12.

A deteco ocorre no mais quando o objeto interrompe o feixe de luz, mas sim

quando estabelece o mesmo.

Receptor

Emissor

Sensor

Luzrecebida

Alvo

Luz emitida

Figura 2.12: Modo de deteco difuso.

A maioria dos sensores difusos utiliza lentes para converter os feixes de luz, que

so emitidos, em feixes paralelos para assim captar mais luz. Estas lentes aumentam

tambm o alcance destes sensores e so chamadas de lentes colimadoras.

Os sensores difusos so extremamente simples com relao a sua instalao,

uma vez que somente necessria a instalao do sensor em si, que possuiu o emissor

e o receptor em uma mesma carcaa. Isto ideal para situaes em que o sensor

pode apenas ser posicionado de um lado, diferente dos sensores de modo oposto.

A resposta neste modo de deteco influenciada pela refletividade da super-

fcie do objeto a ser detectado. Esta refletividade afeta diretamente a distncia na

qual o mesmo pode ser detectado. Estes sensores no so confiveis para contar

18

objetos de vidro, pequenos, de superfcies irregulares, ou partes que se encontram a

distncias variadas do sensor.

A forma do objeto a ser detectado to importante quanto sua refletividade.

Objetos arredondados apresentam-se ao sensor com uma menor superfcie para a

reflexo, e desta forma possuem um sinal de retorno tambm menor.

A utilizao de lentes colimadoras maximiza o alcance dos sensores difusos,

entretanto, quando detectando objetos brilhosos, estas lentes iro afetar o ngulo de

deteco. O sensor dever estar perfeitamente paralelo ao objeto que detectado

de forma a garantir um sinal de retorno de luz adequado.

A distncia dos sensores de modo difuso aos objetos de fundo dever ser tam-

bm considerada na utilizao destes sensores. Alguns fabricantes recomendam que

esta distncia seja pelo menos quatro vezes maior do que a distncia do sensor ao

objeto a ser detectado. Entretanto, se os objetos de fundo forem mais reflexivos

do que os objetos a serem detectados, uma maior distncia ser necessria. Caso

o fundo no possa ser controlado, devero ser utilizados sensores com supresso de

fundo. Tais sensores sero abordados na seo 2.5.5.

Devido ao acmulo de sujeira em suas lentes, os sensores difusos tendem a

perder o seu ganho muito rapidamente. Em alguns casos, a sujeira acumulada nas

lentes pode direcionar o feixe de luz do emissor diretamente ao receptor, de forma

que o sensor ir informar que um objeto est constantemente sua frente.

2.5.4 Modo divergente de deteco

Os sensores de modo divergente produzem um feixe amplo de luz. Este feixe emitido

pelo sensor incide na superfcie do objeto e difundida de volta, enviando uma

pequena quantidade de luz ao receptor, que normalmente est encapsulado junto ao

emissor, conforme mostrado na figura 2.13.

Estes sensores so diferentes dos sensores difusos por no utilizarem lentes

colimadoras. Ao invs de um feixe concentrado, o sensor divergente emite um feixe

amplo de luz. Desta forma, alguma parte do objeto estar sempre perpendicular ao

feixe, o que auxiliar no retorno do feixe de luz ao receptor.

19

Receptor

Emissor

Sensor

Alvo

Figura 2.13: Modo de deteco divergente.

Devido a caracterstica do seu feixe de luz, os sensores divergentes perdem o

ganho em excesso rapidamente com o aumento da distncia. Por este motivo, devem

ser usados apenas para detectar objetos a uma pequena distncia e em ambientes

limpos, sem a presena de poeira, nvoa ou outros fatores ambientais que atrapalhem

a propagao do feixe luminoso.

2.5.5 Modo de deteco difuso com supresso de fundo

Sensores com supresso de fundo so sensores difusos que possuem um limite definido

para o seu alcance de deteco, desta forma ignorando objetos que estejam fora deste

alcance. Existem dois tipos de supresso de fundo: campo fixo e campo ajustvel.

Sensores de campo fixo comparam a quantidade de luz refletida que percebida

por receptores direcionados para pontos distintos. O primeiro receptor servir neste

caso como uma referncia de distncia de deteco, sendo direcionado a um ponto

que esteja no limite da distncia de deteco desejada, enquanto que o segundo

receptor estar direcionado de forma a receber a luz refletida nos objetos a serem de

fato detectados. Se a intensidade da luz que alcana o segundo receptor for igual ou

maior que a intensidade da luz alcanando o primeiro, o objeto ento ser detectado.

Enquanto que nos sensores de campo fixo, feixes luminosos distintos so con-

vertidos em correntes eltricas pelo elemento optoeletrnico (fotodiodo ou fototran-

20

sistor), nos sensores de campo ajustvel apenas uma corrente produzida pelo ele-

mento optoeletrnico e ser relativa ao feixe luminoso refletido pelo objeto a frente

do sensor. Para determinar se o objeto encontra-se dentro da zona de interesse para

a deteco, esta corrente comparada a uma corrente de referncia interna do sen-

sor, podendo esta corrente de referncia ser ajustada por meio de um potencimetro

para corresponder a distncia de deteco desejada.

O ganho em excesso dentro do campo de deteco normalmente alto, per-

mitindo que mesmo objetos de superfcie no reflexiva sejam detectados.

2.6 Sensores ticos

Os sensores ticos so outro tipo muito popular de sensores ativos de presena

utilizados para medir posio e deslocamento. Suas vantagens principais so a sim-

plicidade, possibilidade de utilizao em distncias relativamente longas e no so

sensveis a campos magnticos e interferncias eletrostticas. Um sensor de posio

tico composto de pelo menos trs componentes essenciais: uma fonte luminosa,

um fotodetector, e um dispositivo para a orientao da luz (lentes, espelhos, fibra

ptica, etc.).

Um mtodo de deteco utilizado por sensores de proximidade faz uso da luz

polarizada. Cada fton de luz tem os sentidos dos campos magntico e eltrico

perpendiculares entre si e direo de propagao. A direo do campo eltrico a

direo de polarizao da luz. A maioria das fontes luminosas produzem a luz com os

ftons polarizados de forma aleatria. Para polarizar a luz, a mesma deve atravessar

um polarizador, (isto , um material que transmite a luz polarizada somente em um

sentido e absorve e reflete os ftons com polarizaes erradas).

Quando a luz polarizada incide em um objeto, a luz refletida pode reter sua

polarizao ou o ngulo de polarizao pode mudar. O ltimo tpico para muitos

objetos no metlicos. Sensores ticos que utilizam a luz polarizada para detec-

tar objetos so eficazes em aplicaes aonde o feixe luminoso no interrompido,

mas apenas levemente atenuado, como no caso da deteco de materiais transpa-

21

rentes. Para tornar possvel esta deteco, uma das tcnicas a utilizao de dois

polarizadores com o mesmo sentido de polarizao, localizados respectivamente no

emissor e no receptor do feixe de luz. Ao atravessar materiais transparentes, a luz

polarizada perde parte da sua polarizao, e apenas uma pequena parcela do feixe

luminoso emitido atravessar o segundo polarizador para alcanar o receptor, desta

forma possibilitando a deteco do material.

2.7 Detectores de movimento por infra-vermelho

Os sensores infra-vermelhos so sensores passivos de movimento que operam na faixa

tica da radiao trmica e respondem ao calor irradiado entre o elemento sensor

e o objeto em movimento [4]. O princpio da deteco de movimento por calor

baseado na teoria da emisso de radiao eletromagntica de qualquer objeto cuja

temperatura seja superior ao zero absoluto.

Todos os objetos emitem radiao trmica e a intensidade desta radiao go-

vernada pela lei de Stefan-Boltzmann 2. Para a deteco de movimento necessrio

que a temperatura da superfcie do objeto ou corpo a ser detectado seja diferente da

temperatura dos objetos ao redor, de forma que um contraste trmico possa existir.

A tenso de sada de um sensor infra-vermelho dada pela equao 2.1,

V = G(T 4b T 4s ) (2.1)

aonde Tb a temperatura absoluta do objeto de deteco e Ts a temperatura

absoluta da face do sensor e G uma constante.

Existem trs tipos de elementos sensores que podem ser utilizados neste tipo

de detector: termistores, termopilhas e piroeltricos. Entretanto, devido a sua sim-

plicidade, baixo custo e alta resposta, os piroeltricos so os mais utilizados. Todo

material piroeltrico tambm piezoeltrico e gera uma carga eltrica em resposta2A lei de Stefan-Boltzmann a parbola de quarta ordem

b0 = AT 4

Aonde a constante de Stefan-Boltzmann e vale 5, 67 108W/m2K4, A um fator referentea geometria e a emissividade da superfcie [4].

22

a um fluxo de energia trmica pelo seu corpo uma vez que o calor absorvido causar

a expanso do elemento sensor. A presso trmica induzida leva a gerao de carga

piezoeltrica nos seus eletrodos, resultando assim em uma tenso eltrica.

2.8 Sensores de presso

Um extensmetro (Strain gauge) um elemento sensor com base num condutor

ou semicondutor cuja resistncia varia em funo da deformao a que est sujeito.

Devido ao elevado nmero de parmetros mecnicos que se podem traduzir, direta ou

indiretamente, a partir da deformao dos corpos, este tipo de dispositivo possui uma

variedade de aplicaes, desde medio de deslocamentos e vibraes at medio

de presses ou deteco de presena.

O funcionamento deste tipo de sensor se baseia no fato de que as variaes

das dimenses de um corpo se traduzem na variao de sua resistncia. A esta

variao da resistividade face a uma deformao mecnica dado o nome de efeito

piezoresistivo. O efeito piezoresistivo permite calcular o valor da fora a que o

extensmetro est sujeito, uma vez que existe uma relao entre a deformao sofrida

pelo material e a fora que a originou.

Outra forma de medir a presso com a utilizao de cristais piezoeltricos.

Conforme apresentado na seo 2.4, estes cristais quando submetidos a deformao

mecnica, geram uma tenso eltrica. Esta tenso eltrica ento utilizada para

calcular a fora necessria para causar tal deformao.

Estes sensores so comumentes utilizados no piso, sob tapetes para detectar a

presena de objetos ou pessoas em uma determinada superfcie. Os mesmos no so

utilizados para contagem de peas.

Uma grande diferena entre os extensmetros e os sensores piezoeltricos que

os primeiros no so capazes de gerar por si s o sinal eltrico de sada e necessi-

tam de uma fonte externa para monitorar o valor de sua resistncia. Desta forma,

extensmetros so sensores ativos e os sensores piezoeltricos so passivos.

23

2.9 Concluso

Foi apresentado neste captulo o princpio de funcionamento dos sensores mais uti-

lizados para detectar presena e movimento, assim como suas principais caracters-

ticas e um resumo pode ser encontrado na tabela 2.1. Para escolher entre estas

diferentes tecnologias de sensores necessrio avaliar aspectos da aplicao dese-

jada. No prximo captulo, sero apresentadas caractersticas importantes para a

escolha entre os diferentes modelos de sensores de presena e movimento, tendo em

perspectiva a aplicao dos mesmos.

Tabela 2.1: Principais caractersticas dos sensores apresentados neste captulo.

Ativo / MovimentoSensor passivo / presena

Chaves Fim-de-Curso Ativo Presena

Indutivos Ativo Presena

Capacitivos Ativo Presena

Ultra-snicos Ativo Presena emovimento

Fotoeltricos Ativo Presena

ticos Ativo Presena

Infra-vermelho Passivo Movimento

Presso - Ativo PresenaExtensmetro

Presso - Passivo Presenapiezoeltrico

24

Captulo 3

Caractersticas importantes para aescolha dos sensores de movimento epresena

Neste captulo sero apresentadas caractersticas da aplicao e dos sensores de

movimento e presena que influenciam na escolha dos sensores.

3.1 Tipo de material a ser detectado

Para a escolha do tipo de sensor a ser utilizado, fundamental que conheamos o

material a ser detectado. Conforme apresentado no captulo 2, alguns sensores de-

tectam exclusivamente materiais metlicos, uns apresentam problemas para detectar

materiais transparentes, outros no apresentam bons resultados para a deteco de

materiais com superfcie reflexiva e assim por diante. Dependendo do tipo de mate-

rial, fatores tais como o ganho em excesso para os sensores fotoeltricos, e a distncia

sensora operacional para sensores indutivos, devem ser escolhidos adequadamente.

3.2 Funo de sada

O chaveamento da sada dos sensores realizado por um transistor. Quando no

ocorre a deteco, o sensor no se encontra acionado. Nesta situao, o transistor

localizado na sada do sensor poder encontrar-se em corte ou ter sua sada satu-

rada, neste caso, a sada do sensor dita normalmente aberta (NA) ou normalmente

fechada (NF), respectivamente. Muitos sensores possuem estas duas sadas, possibi-

25

litando a escolha de uma para o uso segundo a lgica de funcionamento do sistema

ao qual o sensor ser integrado.

As sadas dos sensores podem ser classificados como PNP ou NPN, dependendo

do tipo de transistor presente. Na prtica, a sada PNP aquela em que a carga

acoplada ao sensor est conectada entre o terminal negativo e o a sada do sensor,

e est ilustrada na figura 3.1. A sada NPN aquela em que a carga acoplada

ao sensor est conectada entre o terminal positivo e a sada do sensor, conforme

ilustrado na figura 3.2. A carga em ambos casos o computador industrial ou PLC

(Programmable Logic Controller) no qual o sensor ser conectado.

Sada

-

+

Rc

Figura 3.1: Configurao PNP da sada dos sensores.

Sada

-

+Rc

Figura 3.2: Configurao NPN da sada dos sensores.

3.3 Distncia sensora

A distncia sensora nominal a distncia mxima terica na qual um objeto pode

ser detectado.

26

Para sensores indutivos e capacitivos, a distncia sensora determinada atravs

da deteco de um alvo padro, e no considera as variaes causadas por desvios de

fabricao, temperatura e tenso de operao. Esta a distncia na qual os sensores

de proximidade so especificados.

Ainda para sensores indutivos e capacitivos, a distncia sensora assegurada

a distncia em que seguramente pode-se operar, considerando-se todas as variaes

ignoradas pela distncia sensora nominal. Esta distncia sempre menor do que a

distncia sensora nominal, e o seu valor especificado na folha de dados dos sensores.

Para sensores capacitivos, uma reduo da distncia sensora assegurada ocor-

rer em funo do dieltrico do material a ser detectado. Para sensores indutivos, a

distncia sensora especificada para um alvo de ao carbono, devendo ser aplicado

um fator de reduo para esta distncia caso o objeto a ser detectado seja de outro

metal.

3.4 Histerese

Sada

Ponto dedesativao

Ponto deativao

0

1

Figura 3.3: Histerese.

Para sensores de proximidade, a histerese uma caracterstica desejvel, que

27

auxilia no bom funcionamento do mesmo (Fig. 3.3). A histerese, tambm chamada

de curso diferencial, a distncia linear entre os pontos de ativao e de desativao

de um sensor de proximidade. A mesma necessria para ajudar a evitar a oscilao

da sada em seqncia muito rpida, quando o sensor estiver sujeito a choques e

vibrao ou mesmo quando o objeto a ser detectado estiver posicionado exatamente

no ponto de alcance nominal. A amplitude de vibrao deve ser menor que a faixa

de histerese para evitar oscilao.

3.5 Freqncia de Comutao

A freqncia de comutao a mxima velocidade com a qual um sensor pode

entregar pulsos individuais discretos quando o objeto a ser detectado entra e sai

do campo de deteco. Existem normas internacionais que regulamentam como

determinar esta freqncia de comutao, como por exemplo a norma IEC 60947-5-

2.

3.6 Impedncia de sada

importante conhecer a impedncia de sada Zout para melhorar a relao do

sensor com o circuito eletrnico. Esta impedncia conectada em paralelo ou em

srie com a impedncia de entrada Zin do circuito.

3.7 Excitao

A excitao o sinal eltrico necessrio para a operao do sensor ativo. A ex-

citao especificada como um intervalo de tenso e/ou de corrente. Para alguns

sensores, a freqncia do sinal de excitao e sua estabilidade devem ser especifi-

cadas. As variaes na excitao podem alterar a funo de transferncia do sensor

e causar erros de sada.

28

3.8 Caractersticas dinmicas

Quando um estmulo de entrada varia, a resposta do sensor geralmente no segue

com perfeita fidelidade. A razo que o sensor e seu acoplamento com a fonte de

estmulo podem nem sempre responder imediatamente. Ou seja, um sensor pode

ser descrito por uma caracterstica dependente do tempo, que chamada uma

caracterstica dinmica. Se um sensor no responde imediatamente, pode indicar

valores dos estmulos que so diferentes do real; isto , o sensor responde com um

erro dinmico.

O tempo de aquecimento o tempo entre a aplicao do sinal de excitao e

o momento em que o sensor pode operar dentro de sua exatido especificada. Muitos

sensores tm um tempo de aquecimento desprezvel. Entretanto, alguns detectores,

especialmente aqueles que operam em um ambiente termicamente controlado, podem

exigir segundos ou minutos de tempo de aquecimento antes que estejam inteiramente

operacionais dentro dos limites especificados de exatido, como por exemplo, os

sensores infra-vermelho.

3.9 Fatores ambientais e condies de instalao

As condies do ambiente no qual o sensor ser instalado so de extrema importncia

para sua correta escolha. Caso o ambiente seja um ambiente sujo, empoeirado,

sensores fotoeltricos com ganho em excesso baixo no sero eficazes. Dependendo

do grau de poluio, o ganho em excesso necessrio pode se tornar impraticvel,

e a utilizao de sensores ultrasnicos dever ser considerada em detrimento dos

fotoeltricos.

De acordo com o local de instalao do sensor, dever ser verificada a carac-

terstica do envlucro deste, para compatibilizar o grau de proteo (IP - Ingress Pro-

tection) com o ambiente. O grau IP determinado atravs de ensaios definidos em

normas internacionalmente aceitas (IEC 60529) e estabelece a proteo do equipa-

mento contra a penetrao de partculas slidas, poeira e gua.

Caso a atmosfera no local de instalao do sensor contenha gases inflamveis,

29

ser necessrio que o mesmo seja apropriado para a instalao em tal ambiente. Os

sensores prprios para esta utilizao so chamados de sensores de tipo seguro. 1

Fatores como disponibilidade de pontos de fora para a energizao dos sen-

sores devem ser da mesma forma considerada. Este pode ser um fator que decidir

entre a utilizao de um sensor de barreira ou um retrorreflexivo, por exemplo.

Ainda com relao a instalao, dependendo do tipo de sensor escolhido considera-

es especiais devero ser tomadas com relao a superfcie de instalao do mesmo.

Por outro lado, as condies de armazenamento devero ser controladas

para que durante este perodo no ocorram danos que possam alterar o desempenho

dos sensores. Geralmente, as especificaes das condies de armazenamento in-

cluem as mais altas e mais baixas temperaturas de armazenamento e as umidades

relativas mximas nestas temperaturas. Dependendo da natureza do sensor, uma

limitao especfica para o armazenamento pode precisar ser considerada.

A estabilidade outro aspecto importante para os sensores, e pode ser dividida

em estabilidade a curto e longo prazo. A estabilidade a curto prazo manifestada

como mudanas no desempenho do sensor dentro dos minutos, horas, ou mesmo dias.

A estabilidade a longo prazo pode relacionar-se ao envelhecimento dos materiais do

sensor, que uma mudana irreversvel nas propriedades eltricas, mecnicas, qumi-

cas, ou trmicas do material. Acontece sobre um intervalo de tempo relativamente

longo, tal como meses e anos. A estabilidade a longo prazo de suma importn-

cia para os sensores usados em medidas de preciso. O envelhecimento depende

principalmente das condies ambientais do armazenamento e de funcionamento, de

como os componentes do sensor so isolados do ambiente, e de que materiais so

usados para sua fabricao. O fenmeno do envelhecimento tpico para os sensores

que tm componentes orgnicos e, geralmente, no um problema para um sensor

feito somente de materiais inorgnicos. Uma maneira de melhorar a estabilidade a

longo prazo envelhecer o componente em circunstncias extremas. Por exemplo,1reas com atmosferas potencialmente explosivas so conhecidas como reas ou zonas

perigosas/classificadas. As normas IEC 60079-10, IEC 61892-7 e API Recommended practice505 estabelecem os critrios para a classificao dessas reas e as protees que os equipamentoseltricos instalados nestas devero apresentar.

30

um sensor pode periodicamente ser levado do congelamento s altas temperaturas.

Tal envelhecimento acelerado reala no somente a estabilidade das caractersticas

do sensor mas igualmente melhora a confiabilidade, porque o processo de envelheci-

mento revela muitos defeitos escondidos.

Os fatores de temperatura so muito importantes para o desempenho do

sensor; devem ser sabidos e levados em considerao. A faixa de temperatura de

funcionamento o intervalo de temperaturas ambientais dadas por seus extremos

superior e inferior dentro da qual o sensor mantm sua exatido especificada. Con-

sideraes especiais devero ser feitas para a operao de sensores em temperaturas

acima de 70oC.

3.10 Confiabilidade

A confiabilidade a habilidade de um sensor de executar uma mesma funo

sob determinadas condies por um determinado perodo e expressa em termos

estatsticos como uma probabilidade de que o dispositivo funcionar sem falha sobre

um determinado perodo ou ciclos de utilizao. Especifica uma falha, provisria ou

permanente, excedendo os limites de desempenho de um sensor sob circunstncias

de funcionamento normais.

3.11 Objetivo da deteco

Em algumas aplicaes os sensores podem ser utilizados com a finalidade de deteco

e contagem de peas, objetos e pessoas. Podem em outras aplicaes apenas detectar

a presena de pessoas ou objetos com a finalidade de garantir a segurana de pessoas

e equipamentos. Dependendo do objetivo da deteco pode-se escolher entre as

diversas tecnologias de sensores de presena e movimento.

3.12 Concluso

Neste captulo foram apresentadas caractersticas importantes para a escolha entre

os diferentes modelos de sensores de presena e movimento, tendo em vista a apli-

31

cao dos mesmos. No prximo captulo ser apresentada uma comparao entre os

diferentes tipos de sensores e as aplicaes possveis para estes.

32

Captulo 4

Comparao entre os tipos desensores e aplicaes

Conforme apresentado no captulo 2, existem diversas tecnologias disponveis de

sensores. Neste captulo ser discutido como escolher o sensor apropriado para

uma aplicao especfica, baseado nas caractersticas importantes para a escolha do

sensores apresentadas no captulo 3.

A escolha do sensor apropriado comea com a anlise de alguns pontos funda-

mentais.

4.1 Ambiente de instalao

4.1.1 Aspectos gerais comuns a todos os sensores

Independente do tipo de sensor escolhido, ateno deve ser dada ao grau de proteo

do sensor, conforme apresentado na seo 3.9. Caso o grau IP do sensor no esteja

de acordo com o local de instalao, o mesmo apresentar falhas devido a penetrao

de gua e/ou poeira no seu invlucro. As tabelas 4.1 e 4.2 foram extradas da norma

IEC 60529 - Degrees of protection provided by enclosures (IP Code), e apresentam

as protees definidas para diferentes graus de proteo.

Por exemplo, sensores com grau de proteo IP-66 possuem vedao contra

poeira e so protegidos contra jatos dgua fortes, sendo indicados para instalao

em ambientes agressivos. Entretanto, no podem ser instalados em ambientes aonde

exista o risco de imerso em gua.

Quando for necessria uma anlise do grau de proteo frente a um ambiente de

33

Tabela 4.1: Graus de proteo contra objetos slidos indicados pelo primeiro alga-rismo do cdigo IP. Fonte: IEC 60529 [7]

Primeiro Grau de proteoAlgarismo Breve descrio Definio

0 No protegido -

1 Protegido contra objetos slidos Objeto de teste, esfrico dede 50mm ou maiores 50mm , no dever penetrar

2 Protegido contra objetos slidos Objeto de teste, esfrico dede 12,5mm ou maiores 12,5mm , no dever penetrar

3 Protegido contra objetos slidos Objeto de teste, esfrico dede 2,5mm ou maiores 2,5mm , no dever penetrar

4 Protegido contra objetos slidos Objeto de teste, esfrico dede 1,0mm ou maiores 1,0mm , no dever penetrar

5 Proteo contra poeira A entrada de poeira no to-talmente previnida, mas a po-eira no dever penetrar emuma quantidade que interfiracom a operao satisfatriado sensor ou prejudique a se-gurana.

6 Vedao contra poeira No existe entrada de poeira

34

Tabela 4.2: Graus de proteo contra gua indicada pelo segundo algarismo docdigo IP. Fonte: IEC 60529 [7]

Segundo Grau de proteoAlgarismo Breve descrio Definio

0 No protegido -1 Protegido contra gotejamento ver- Gotas caindo na vertical no deve-

tical ro causar danos ao sensor2 Protegido contra gotejamento ver- Gotas caindo na vertical no deve-

tical com o invlucro inclinado ro causar danos ao sensor quando oat 15o invlucro est inclinado at 15o

3 Protegido contra nvoa de gua gua pulverizada em um ngulo deat 60o no dever causar da-nos ao sensor

4 Protegido contra borrifamento de gua borrifada de qualquer direogua contra o invlucro no dever cau-

sar danos ao sensor5 Protegido contra jatos dgua Jatos dgua projetados de qualquer

direo contra o invlucro no de-ver danificar o sensor

6 Protegido contra jatos dgua po- Jatos dgua poderosos projetadosderosos de qualquer direo contra o inv-

lucro no devero causar danos aosensor

7 Protegido contra os efeitos de Entrada de gua em quantidades ca-uma imerso temporria em gua pazes de causar danos ao sensor no

dever ser possvel quando o inv-lucro temporariamente imerso emgua sob condies padronizadas depresso e tempo na IEC-60529

8 Protegido contra os efeitos de Entrada de gua em quantidades ca-uma imerso contnua em gua pazes de causar danos ao sensor no

dever ser possvel quando o inv-lucro continuamente imerso emgua sob condies que devero seracordadas entre o fabricante e ousurio mas que sejam necessria-mente mais severas do que as condi-es para o numeral 7 acima

35

instalao, os dois algarismos devero ser avaliados de forma separada. Por exemplo,

de acordo com um arranjo de localizao de instrumentos, certa localidade necessita

de um sensor com grau IP-56, mas o sensor disponvel possuiu IP-65. Deseja-se,

ento, verificar se tal sensor poder ser instalado nesta localidade. Ao analisar

a proteo contra partculas slidas pode-se verificar que o invlucro (proteo 6)

deste sensor mais rigoroso do que o especificado (proteo 5) e portanto no impede

sua instalao. Entretanto, a proteo contra gua (dgito 5) inferior proteo

especificada (proteo 6). Desta forma, como ambas as protees devem atender ao

local de instalao, este sensor no poder ser instalado nesta localidade.

4.1.2 Sensores Fotoeltricos

Conforme visto na seo 3.9, sensores fotoeltricos instalados em ambientes em-

poeirados, com muita umidade ou nvoa requerem um ganho em excesso alto. Valo-

res de ganho em excesso mnimo dependendo do ambiente de instalao dos sensores

fotoeltricos so apresentados na tabela 4.3. Sensores ultrasnicos, bem como indu-

tivos e capacitivos no apresentam restries para a instalao em ambientes com

grande contaminao, e so uma boa opo quando a poluio impede o correto

funcionamento dos sensores fotoeltricos.

Alm da poluio do ambiente, que pode tanto afetar a deteco dos objetos

quando sensores fotoeltricos esto envolvidos, outro fator importante a tempera-

tura. Quando a temperatura do ambiente de instalao encontra-se acima dos 70oC,

a utilizao de sensores fotoeltricos com fibra tica recomendada. A utilizao da

fibra tica permite a instalao destes sensores em ambientes aonde a temperatura

no to elevada, enquanto que a fibra tica guia o feixe luminoso para a zona de

calor excessivo e de volta ao sensor.

4.1.3 Sensores indutivos

Sensores indutivos a serem instalados em superfcies metlicas devero ser blinda-

dos ou embutidos, para que seu campo no emerja da sua face lateral, conforme

apresentado na seo 2.2. Caso a superfcie de instalao seja no-metlica, os sen-

36

Tabela 4.3: Ganho em excesso necessrio. Fonte: Banner Engineering Corp. [8]

Ganho emexcesso Ambiente de instalao Exemplos demnimo ambientesrequerido

1,5x Ar limpo. Sem acmulo de sujeira Indstria de semi-nas lentes ou refletores condutores e

farmacuticas.

5x Moderadamente sujo. Acmulo Escritrio oumoderado de poeira, sujeira, leo, fbricas limpas.umidade, etc. em lentes ou refle-tores. As lentes so limpas regu-larmente.

10x Sujo. Contaminao visvel das Indstrias pesadas,lentes e refletores, sem a obs- processamento detruo dos mesmos. As lentes so alimentos e inds-limpas ocasionalmente ou quando tria automotiva.necessrio.

50x Muito sujo. Grande contaminao Fundies, operaesdas lentes. Nvoa, poeira e fuma- de minerao, olariasa intensas ou filme de leo. e instalaes aLimpeza mnima das lentes. cu aberto.

37

sores podem ser no-embutidos e ter a possibilidade de detectar objetos metlicos

ao seu redor e no somente sua frente. Os demais tipos de sensores no apresen-

tam restries quanto a instalao em tais superfcies, e nenhum cuidado adicional

necessrio.

Figura 4.1: Instalao de sensores indutivos blindados ou embutidos. Fonte: Rock-well Automation. [9]

Sensores indutivos blindados permitem que o campo eletromagntico fique

concentrado na frente da sua face sensora. Esta construo permite que os sensores

sejam montados embutidos em superfcies metlicas, sem causar uma falsa deteco.

A instalao destes sensores blindados est representada na figura 4.1. Para evitar

a interferncia do campo gerado por um sensor indutivo no sensor adjacente,

recomendado o espaamento entre os sensores de pelo menos uma vez o dimetro

dos mesmos. Objetos metlicos localizados ao fundo no devero ser instalados a

distncias menores do que trs vezes a distncia de deteco especificada para o

sensor.

A instalao de sensores indutivos no-blindados est representada na figura

4.2. Para evitar a interferncia entre sensores adjacentes, espaamentos maiores do

que os requeridos para os sensores blindados so necessrios. recomendado um

espaamento de pelo menos trs vezes o dimetro dos sensores, e os objetos metli-

cos localizados ao fundo devero distar mais de trs vezes a distncia de deteco

38

Figura 4.2: Instalao de sensores indutivos no-blindados. Fonte: Rockwell Au-tomation. [9]

especificada, a exemplo dos sensores blindados.

Ainda com relao do ambiente de instalao, sensores indutivos convencionais,

por possuirem um amplificador de silcio e circuito de deteco dentro do encapsu-

lamento do sensor, no devero ser utilizados em ambientes com altas temperatu-

ras uma vez que os circuitos baseados em silcio no suportam tais temperaturas.

Para tal aplicao, existem sensores indutivos que utilizam amplificadores separa-

dos, desta forma o circuito de deteco e o amplificador podem ser instalados em

uma rea com ambiente controlado.

4.2 Caractersticas do objeto a ser detectado

As caractersticas dos objetos como formato e material podem ser determinantes

na escolha do sensor a ser utilizado. Conforme apresentado na seo 2.2, objetos

metlicos so eficazmente detectados a pequenas distncias por sensores indutivos.

Da mesma forma, foi exposto na seo 2.5.1 que materiais transparentes no so

bons alvos para sensores fotoeltricos que necessitem da interrupo do feixe lumi-

noso, como o caso dos sensores de modos oposto e retrorreflexivo. Por exemplo,

suponha que deseje-se detectar garrafas transparentes. Para tal aplicao, a insta-

lao de sensores fotoeltricos de modo difuso na altura do gargalo destas garrafas

39

uma soluo para o problema anterior, como mostra a figura 4.3. A instalao dos

sensores a esta altura desejvel uma vez que esta regio do gargalo mais reflexiva

do que as demais regies da garrafa. Outras solues para a deteco de objetos

transparentes a utilizao de sensores ultra-snicos, como mostra a figura 4.4, ou

a utilizao de sensores ticos com polarizadores, como mostra a figura 4.5.

Figura 4.3: Deteco de garrafas transparentes com sensores fotoeltricos de mododifuso. Fonte: Ztech Sensores Ltda. [10]

Figura 4.4: Deteco de garrafas transparentes com sensores ultrasnicos de modooposto. Fonte: Banner Engineering Corp. [8]

Cuidado deve ser tomado quanto a capacidade do objeto de deteco de ab-

sorver o som ao se utilizar sensores ultra-snicos. Materiais que absorvem ondas

40

Figura 4.5: Deteco de garrafas transparentes com sensores ticos. Fonte: BannerEngineering Corp. [8]

sonoras no constituem bons alvos para sensores ultra-snicos do tipo difuso, de-

vendo ser utilizados neste caso os tipos ultra-snico reflexivo ou ultra-snico de modo

oposto.

Sensores fotoeltricos do tipo difuso possuem sua distncia de deteco afetada

diretamente pela refletividade do objeto a ser detectado. A tabela 4.4 apresenta a re-

fletividade relativa de diferentes materiais, e na terceira coluna desta, apresentado

o ganho em excesso necessrio para a deteco dos materiais listados, por sensores

fotoeltricos do tipo difuso. Note que o ganho em excesso indicado nesta tabela

relativo somente ao tipo de material a ser detectado, devendo ser multiplicado ainda

pelo ganho em excesso requerido dependendo do ambiente de instalao, conforme

apresentado na seo 4.1. Na seo 4.3.1 ser detalhado como calcular o ganho em

excesso para estes casos.

O formato do objeto a ser detectado to importante quanto a sua refletivi-

dade, quando detectados com sensores fotoeltricos de modo difuso. Por exemplo,

objetos arredondados apresentam ao sensor uma superfcie menor e conseqente-

mente um menor retorno do sinal luminoso. Desta forma, o ganho em excesso calcu-

lado atravs da multiplicao dos ganhos em excesso necessrios devido ao ambiente

de instalao e ao material do objeto, o ganho em excesso mnimo para deteco

41

Tabela 4.4: Refletividade relativa e ganho em excesso necessrio para sensores fo-toeltricos de modo difuso. Fonte: Banner Engineering Corp. [8]

Refletividade Ganho em excessoMaterial relativa requerido

Ao inoxidvel, microfinish 400% 0,2Alumnio natural, inacabado 140% 0,6Ao inoxidvel, escovado 120% 0,8Alumnio preto anodizado, inacabado 115% 0,8Alumnio natural, straightlined 105% 0,9Carto de teste branco Kodak 90% 1Plstico branco opaco 87% 1,0Papel branco 80% 1,1Madeira (pinho, seco, limpo) 75% 1,2Masking tape 75% 1,2Espuma de cerveja 70% 1,3Papel de embalagem, carto 70% 1,3Garrafa de plstico marrom translcido 60% 1,5Jornal (impresso) 55% 1,6Alumnio preto anodizado, straightlined 50% 1,8Papel de tecido (2 dobras) 47% 1,9Garrafa de plstico claro 40% 2,3Papel de tecido (1 dobra) 35% 2,6Rough wood pallet (clean) 20% 4,5Plstico preto opaco (limpo) 20% 6,4Neoprene preto 4% 22,5Espuma preta de revestimento de carpete 2% 45Parede preta de pneu de borracha 1,5% 60

42

destes objetos no ambiente em questo. Para uma segura deteco destes objetos,

importante a escolha de um valor mais elevado de ganho em excesso considerando-se

a possvel atenuao do feixe luminoso refletido pelo objeto, devido ao formato do

mesmo.

4.3 Distncia de deteco

Dependendo de quo prximo o sensor pode ser instalado do objeto de deteco,

podemos optar entre diferentes tecnologias de sensores. Por exemplo, para distn-

cias de deteco limitadas a poucos milmetros, sensores indutivos e capacitivos

apresentam um bom desempenho. Para distncias um pouco maiores, da ordem de

alguns centmetros at 1,5 metros, os sensores fotoeltricos de modos divergente e

difuso so uma boa alternativa. Para deteco em distncias maiores que as ante-

riores, a utilizao de sensores fotoeltricos de modos oposto e retroreflexivo, bem

como de sensores ultra-snicos aconselhvel.

Na figura 4.6, est representada a utilizao de sensores fotoeltricos de modo

oposto e sensores ultra-snicos de modo difuso. Esta uma soluo para inspeo

de engradados oferecida por fabricantes de sensores, aonde as distncias envolvidas

tornam a utilizao de sensores indutivos ou capacitivos invivel.

Um exemplo em que possvel utilizar-se sensores indutivos para deteco de

objetos apresentado na figura 4.7, em que o sensor utilizado para a deteco das

partes movendo-se em uma esteira. Note que a distncia de deteco neste caso

menor.

4.3.1 Clculo da distncia de deteco para sensores fotoeltri-cos

Para calcular a distncia de deteco dos sensores fotoeltricos necessrio a utiliza-

o da curva de ganho em excesso. A relao entre ganho em excesso e distncia de

deteco varia para cada modo de deteco dos sensores fotoeltricos. Desta forma

sero apresentadas diferentes curvas de ganho em excesso nesta seo. impor-

tante o bom entendimento desta curva para que a correta distncia de deteco dos

43

Figura 4.6: Exemplo de utilizao de sensores para deteco a mdias distncias.Fonte: Banner Engineering Corp. [8]

sensores fotoeltricos possa ser calculada.

A seguir sero apresentados exemplos para o clculo da distncia sensora.

Exemplos de utilizao da curva de ganho em excesso de sensores fo-toeltricos de modos oposto e retrorreflexivo.

Na figura 4.8 apresentado a curva de ganho em excesso tpica para sensores fo-

toeltricos de modo oposto. Para a instalao de um sensor fotoeltrico em uma

fbrica de automveis, que possui de acordo com a tabela 4.3 um ambiente sujo,

temos que o ganho em excesso necessrio de 10x. Buscando diretamente na figura

4.8, verifica-se que o emissor e o receptor podem ser montados a uma distncia de

aproximadamente 20 metros de distncia.

Para sensores fotoeltricos de modo retrorreflexivo, a curva de ganho em ex-

cesso tpica apresentada na figura 4.9. Para a mesma aplicao em uma fbrica de

automveis do exemplo acima, pode-se verificar diretamente da curva que a distncia

entre o sensor e o retrorrefletor pode variar de 20cm a 1,2m.

44

Figura 4.7: Exemplo de utilizao de sensor indutivo para deteco a pequenasdistncias. Fonte: Telemecanique / Schneider Electric SA. [11]

Exemplo de utilizao da curva de ganho em excesso de sensores fo-toeltricos de modos difuso e divergente.

O ganho em excesso para os sensores fotoeltricos de modos difuso e divergente

usualmente menor do que nos modos oposto e retrorreflexivo. Uma vez que estes mo-

dos dependem da luz refletida pela superfcie do objeto a ser detectado, o ganho em

excesso influenciado pela refletividade da superfcie de tais objetos. As curvas de

ganho em excesso so traadas utilizando um carto branco de 90% de refletividade

como referncia. Na tabela 4.4 encontramos a refletividade de diversos materiais

comparadas a refletividade do carto.

Consideremos um sensor de modo difuso. Por exemplo, para a deteco de

um plstico preto opaco, temos pela tabela 4.4 que o ganho em excesso requerido

de 6.4x. Para encontrar o ganho em excesso real requerido, devemos multiplicar o

ganho em excesso encontrado na tabela 4.4, pelo ganho em excesso requerido para

o ambiente de instalao, encontrado na tabela 4.3. Para este exemplo, ser consi-

derado a instalao em um ambiente moderadamente sujo, desta forma o mnimo

ganho em excesso ser:

6.4(plstico preto opaco) x 5(moderadamente sujo) = 32x

45

Figura 4.8: Curva de ganho em excesso para sensores fotoeltricos de modo oposto.Fonte: Banner Engineering Corp. [8]

Pode-se verificar na curva de ganho em excesso apresentada na figura 4.10, que

um sensor de modo difuso ir detectar confiavelmente o objeto de plstico preto a

uma distncia de 1,2 a 10cm.

4.3.2 Clculo da distncia de deteco para sensores indu-tivos e capacitivos

Para sensores indutivos e capacitivos necessrio calcular a distncia de deteco

para o material desejado. Conforme apresentado na seo 3.3, a distncia sensora

informada nas folhas de dados dos sensores indutivos calculada considerando-se

um alvo de ao carbono, sendo necessrio aplicar um fator de reduo quando o

material dos objetos a serem detectados diferir deste. O mesmo acontece para

sensores capacitivos, os quais apresentaro uma reduo das distncias sensoras

segundo as constantes dieltricas dos materiais a serem detectados.

Por exemplo um sensor indutivo utilizado para detectar um objeto de co-

bre. Na folha de dados do sensor est indicada uma distncia de deteco de 15

milmetros. A distncia de deteco para o alvo de cobre, considerando os fatores

de reduo apresentados na tabela 4.5, ser:

46

Figura 4.9: Curva de ganho em excesso para sensores fotoeltricos de modo retror-reflexivo. Fonte: Banner Engineering Corp. [8]

Tabela 4.5: Fatores de reduo da distncia de deteco de sensores indutivos. Fonte:Rockwell Automation. [9]

Fator de reduoMaterial aproximado

Ao carbono 1,0Ao inabitvel 0,85

Lato 0,50Alumnio 0,45Cobre 0,40

15mm(folha de dados) x 0,40(Fator de reduo para objeto de cobre) = 6,0mm

Desta forma a distncia de deteco para o sensor deste exemplo de 6,0

milmetros.

O clculo da distncia de deteco de um sensor capacitivo feito de modo

semelhante, entretanto o fator de reduo ser retirado da curva apresentada na

figura 4.11, que relaciona a constante dieltrica r de cada material a um fator de

reduo Sr. Por exemplo, um sensor capacitivo com uma distncia de deteco,

informada em sua folha de dados, de 20 milmetros utilizado para detectar peas

de madeira mida. Pela tabela 4.6, possvel verificar que a constante dieltrica da

47

Figura 4.10: Curva de ganho em excesso para sensores fotoeltricos de modos difusoe divergente. Fonte: Banner Engineering Corp. [8]

madeira mida varia entre 10 e 30, desta forma, tm-se diretamente da figura 4.11

que o fator de reduo estar entre 0,60 e 0,90.

Figura 4.11: Fator de correo da distncia sensora assegurada para sensores capa-citivos

20mm(folha de dados) x 0,60 = 12,0mm

20mm(folha de dados) x 0,90 = 18,0mm

48

Tabela 4.6: Contantes dieltricas de materiais industriais conhecidos.

Material Constante Material ConstanteAcetona 19,5 Placa Prensada 2 - 5Aucar 3,0 Poliacetal 3,6 - 3,7gua 80 Poliamida 5,0lcool 25,8 Polietileno 2,3Amnia 15 - 25 Polipropileno 2,0 - 2,3Anilina 6,9 Poliestireno 3,0Ar 1,000264 Porcelana 4,4 - 7Areia 3 - 5 Resina Acrlica 2,7 - 4,5Baquelite 3,6 Resina de Clorido Polivinil 2,8 - 3,1Benzeno 2,3 Resina de Estireno 2,3 - 3,4Borracha 2,5 - 35 Resina de Fenol 4 - 12Calcrio de Concha 1,2 Resina de Melanina 4,7 - 10,2Celulide 3,0 Resina de Polister 2,8 - 8,1Cereal 3 - 5 Resina de Uria 5 - 8Cimento em P 4,0 Resina Epxi 2,5 - 6Cinza Queimada 1,5 - 1,7 Sal 6,0Cloro Lquido 2,0 Shellac 2,5 - 4,7Dixido de Carbono 1,000985 Solues Aquosas 50 - 80Ebonita 2,7 - 2,9 Sulfa 3,4Etanol 24 Teflon 2,0Etilenoglicol 38,7 Tetraclorido de Carbono 2,2Farinha 1,5 - 1,7 Tolueno 2,3Freon R22 e 502 (lquido) 6,11 Vaselina 2,2 - 2,9Gasolina 2,2 Verniz de Silicone 2,8 - 3,3Glicerina 47 Vidro 3,7 - 10Leite em P 3,5 - 4 Vidro de Quartzo 3,7Madeira Seca 2 - 7Madeira mida 10 - 30Mrmore 8,0 - 8,5Mica 5,7 - 6,7Nitrobenzina 36Nylon 4 - 5leo de Soja 2,9 - 3,5leo de Transformador 2,2leo de Turpentina 2,2Papel 1,6 - 2,6Papel Saturado de leo 4,0Parafina 1,9 - 2,5Perspex 3,2 - 3,5Petrleo 2,0 - 2,2

49

Desta forma, para este sensor capacitivo detectar as peas de madeira mida,

uma distncia variando de 12 a 18 milmetros dever ser respeitada.

4.4 Integrao ao sistema

Conforme apresentado na seo 3.2, os sensores podem ser do tipo NPN ou PNP.

importante a escolha do sensor adequado para fazer o casamento com o dispositivo

que ir receber as informaes do sensor, geralmente um PLC. Sensores do tipo NPN

so conectados a entradas de PLCs que so sadas de corrente. J os sensores do

tipo PNP conectam-se a entradas de PLCs que so entradas de corrente.

4.5 Objetos de fundo

Os objetos de fundo podero atrapalhar o correto funcionamento do sistema de

deteco. Dependendo do sensor escolhido, a deteco de objetos fora da zona de

deteco desejada pode ocorrer, prejudicando a monitorao do processo em questo.

Sensores capacitivos e indutivos possuem uma distncia de deteco limitada,

sendo mais indicados para a deteco de objetos prximos ao sensor, com as dis-

tncias limitadas em mdia a 60 milmetros. Em razo destas pequenas distncias

de deteco, objetos de fundo localizados a mais de 20 centmetros no afetaro a

deteco (ver figuras 4.1 e 4.2).

Em contrapartida os sensores fotoeltricos possuem distncias de deteco

maiores. Existem sensores de modo difuso com distncias de deteco de at 5

metros por exemplo. Para estes sensores muitas vezes interessante a utilizao da

supresso de fundo, evitando assim a deteco de objetos fora da zona de deteco

desejada.

O conhecimento dos objetos de fundo se faz necessrio caso seja desejada a

instalao de sensores ultra-snicos. Os objetos de fundo podem servir como super-

fcies refletoras para as ondas ultra-snicas possibilitando a utilizao de um sensor

de barreira reflexiva deste tipo. Para os sensores ultra-snicos de modo difuso, a

supresso de fundo to importante quanto para os sensores fotoeltricos por limi-

50

tar a rea de interesse aonde ir ocorrer a deteco dos objetos, ignorando possveis

objetos presentes ou em movimento fora desta rea determinada.

4.6 Velocidade dos objetos

A velocidade com a qual os objetos atravessam a zona de deteco, bem como a fre-

qncia com a qual o mesmo ocorre so questes importantes a serem consideradas

na escolha do sensor. Conforme apresentado na seo 3.5, a freqncia de comu-

tao a mxima velocidade com a qual um sensor pode comutar sua sada. Para

sensores indutivos, esta freqncia depende do tamanho do objeto a ser detectado,

da distncia entre o objeto e o sensor, da velocidade do objeto e do tipo de sensor.

Todos estes fatores influenciam no nmero de operaes de comutao por segundo.

Dos sensores abordados neste trabalho, os sensores indutivos e fotoeltricos so ca-

pazes de comutar suas sadas s mais elevadas freqncias (acima de 2.000 Hz). Os

sensores ultra-snicos e capacitivos no so indicados para deteces que requerem

elevada freqncia de comutao da sada, sendo esta freqncia limita a 100Hz ou

menos.

4.7 Objetivo da deteco

Conforme visto no captulo 2, sensores indutivos, capacitivos, ultrasnicos, ticos e

fotoeltricos so solues eficientes para a deteco e contagem de peas, objetos e

pessoas. Entretanto uma soluo de menor custo pode ser alcanada com a utiliza-

o dos sensores de deteco por infra-vermelho e de sensores de presso, quando,

como apresentado na seo 3.11, o objetivo da deteco no envolver contagem.

Exemplos de aplicaes destes sensores so, para operao segura de equipamentos

ou acionamentos de portas automticas, escadas rolantes, luzes e etc.

4.8 Concluso

Neste captulo foi apresentada uma comparao entre os tipos de sensores de pre-

sena e movimento mais utilizados. Frente aos detalhes relativos as aplicaes