Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
InstrumentaçãInstrumentaçã
oo
IndustrialIndustrialCarlos Rodrigues Carlos Rodrigues MartinsMartins
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sistemas de Aquisição Sistemas de Aquisição dede
SinalSinalTRANSDUTORES ELECTRÓNICOSTRANSDUTORES ELECTRÓNICOS
TransdutoresTransdutores – – Convertem grandezas Convertem grandezas físicas em sinais eléctricosfísicas em sinais eléctricos
TransdutoresTransdutores LinearesLineares Não lineares – linearização Não lineares – linearização através de curva de calibraçãoatravés de curva de calibração
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Circuito de Excitação e Acondicionamento do Sinal
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sistema de Medida Sistema de Medida DigitalDigital
S & H – Circuito de Amostragem e S & H – Circuito de Amostragem e RetençãoRetenção
(Sample and Hold) (Sample and Hold)
A/D – Conversor Analógico-DigitalA/D – Conversor Analógico-Digital
D/A – Conversor Digital-AnalógicoD/A – Conversor Digital-Analógico
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
SENSORES DE SENSORES DE TEMPERATURATEMPERATURA
Sensores de ContactoSensores de Contacto Interruptores TérmicosInterruptores Térmicos
BimetálicosBimetálicos MercúrioMercúrio
Termogeradores Termogeradores Passivos – termoparPassivos – termopar Activos – junção pn; fonte de Activos – junção pn; fonte de
corrente corrente
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
TermoresistênciasTermoresistências Metálicas – Platina; Cobre ...Metálicas – Platina; Cobre ... Semicondutoras – Silício; CerâmicasSemicondutoras – Silício; Cerâmicas
Sensores de Radiação TérmicaSensores de Radiação Térmica
Interruptores TérmicosInterruptores TérmicosInterruptor Bimetálico – Utiliza uma Interruptor Bimetálico – Utiliza uma lâmina dupla (dois metais com lâmina dupla (dois metais com diferentes coeficientes de dilatação)diferentes coeficientes de dilatação)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Interruptor Bimetálico Interruptor Bimetálico SimplicidadeSimplicidade Gama de temperaturas até 300ºCGama de temperaturas até 300ºC Tc (temp. de comutação) pode ser Tc (temp. de comutação) pode ser
ajustada mecanicamente ajustada mecanicamente Corrente comutada até 15ACorrente comutada até 15A Apresenta histereseApresenta histerese Inércia térmica elevadaInércia térmica elevada
Interruptor de Mercúrio – Utiliza a Interruptor de Mercúrio – Utiliza a expansão térmica de uma coluna de expansão térmica de uma coluna de mercúriomercúrio
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Interruptor de MercúrioInterruptor de Mercúrio
Precisão e estabilidade elevadas Precisão e estabilidade elevadas (0,01ºC)(0,01ºC)
Ausência de histerese (muito baixa)Ausência de histerese (muito baixa)
Correntes comutadas da ordem de Correntes comutadas da ordem de mAmA
Constante de tempo de 1 a 5sConstante de tempo de 1 a 5s
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Termitências Metálicas (RTD’s - Termitências Metálicas (RTD’s -
Resistance Temperature Detectors)Resistance Temperature Detectors)
Constituídas por fio metálico ou Constituídas por fio metálico ou
filme filme metálico (deposição sobre um metálico (deposição sobre um
substrato substrato isolante)isolante)
Coeficiente de temperaturaCoeficiente de temperatura
T = 1R
dR
dT T0
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
T T <0 – resistências NTC (Negative Temp. <0 – resistências NTC (Negative Temp.
Coef.) Coef.) T T >0 – resistências PTC (Positive Temp. >0 – resistências PTC (Positive Temp.
Coef.)Coef.)
Coeficientes de TemperaturaCoeficientes de Temperatura MetalMetal Gama de T Gama de T ºCºC
T T (T=25ºC) (T=25ºC)
% ºC % ºC 11
PlatinaPlatina 200 a 850200 a 850 0,39 (1)0,39 (1)
NíquelNíquel 80 a 32080 a 320 0,670,67
CobreCobre 200 a 260200 a 260 0,38 (2)0,38 (2)
(1) Precisão: 0,001ºC((2) Resistividade muito baixa (pouco usado)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Padrão de Medida de TemperaturaPadrão de Medida de Temperatura
Resistência de Platina de 100 Resistência de Platina de 100 (T=25ºC) (T=25ºC)
Características da PlatinaCaracterísticas da Platina
Pode ser altamente refinada (99,999%)Pode ser altamente refinada (99,999%)
Não contaminávelNão contaminável
Mecanicamente e electricamente Mecanicamente e electricamente estávelestável
Baixa sensibilidade (Baixa sensibilidade (TT))
A resistividade de condutores segue a leiA resistividade de condutores segue a lei
(T) = (T) = (T(T00) [ 1 + a (T) [ 1 + a (TTT00)+ b (T)+ b (TTT00))2 + ...2 + ...]]
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Termitências de SilícioTermitências de Silício Resistências de 10Resistências de 10 a 10k a 10k Tolerâncias de 1% a 20%Tolerâncias de 1% a 20%
T T 0,7 % ºC0,7 % ºC11
Linearidade - Linearidade - 0,5% ( 0,5% (65ºC a 200ºC)65ºC a 200ºC)
Termistências de Cerâmicas Termistências de Cerâmicas SemicondutorasSemicondutorasCerâmicas NTC Cerâmicas NTC
Obtidas a partir de óxidos de Fe, Ni, Cr, Obtidas a partir de óxidos de Fe, Ni, Cr, Mn ou Co (óxidos de elevada Mn ou Co (óxidos de elevada
resistividade)resistividade) Tornam-se semicondutoras pela adição de Tornam-se semicondutoras pela adição de
impurezas (iões) com valência diferenteimpurezas (iões) com valência diferente
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Cerâmicas NTCCerâmicas NTC Elevada sensibilidade e estabilidadeElevada sensibilidade e estabilidade
T T = 5 % ºC= 5 % ºC1 1 contra contra T T = 0,39 % ºC= 0,39 % ºC1 1
para a platinapara a platina
Condutividade das cerâmicas Condutividade das cerâmicas semicondutorassemicondutoras
= = q q - concentração de cargas- concentração de cargas
- mobilidade das cargas- mobilidade das cargas
q - carga do electrãoq - carga do electrão
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Resistência das Resistência das NTCNTC
R = A eBT; R = A (T=)
T em ºK
B>0 para T>TcB>0 para T>Tc
R = R(T0) eB
1T
1T0
R R ((TT00)) medida com potência dissipada medida com potência dissipada nulanula
B depende da cerâmica B depende da cerâmica ((3000º3000ºKK a a 5000º5000ºK)K)
ouou
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Termistências NTC lineares, de Termistências NTC lineares, de precisãoprecisão
R1=3200R1=3200 0,1%0,1% R2=6250 R2=6250 0,1%0,1% V0=(0,0053483T+0,13493) VAV0=(0,0053483T+0,13493) VA
Linearidade = Linearidade = 0,22 ºC (0ºC a 0,22 ºC (0ºC a 100ºC)100ºC)
V0=(0,0056846T+0,194142) VAV0=(0,0056846T+0,194142) VA
Linearidade = Linearidade = 0,22 ºC 0,22 ºC
(-2ºC a 45ºC)(-2ºC a 45ºC)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Termistências NTC lineares, de Termistências NTC lineares, de precisãoprecisão
Sensor diferencial de Temperatura Sensor diferencial de Temperatura ((0 ºC a 100 ºC 0 ºC a 100 ºC ))Sensibilidade: 10mV /ºC Sensibilidade: 10mV /ºC
VV00 = 0,0053483 V = 0,0053483 VAA (T1 – T2) (T1 – T2)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Aplicações das NTC’sAplicações das NTC’s
Oscilador de WienOscilador de WienLimitação da Limitação da
amplitude do sinal amplitude do sinal de saídade saída
CAGCAGCircuito Circuito
amplificador com amplificador com controlo controlo
automático de automático de ganhoganho
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Aplicações das NTC’sAplicações das NTC’s
Medidor de caudal de fluidosMedidor de caudal de fluidosT é proporcional à velocidade do fluxoT é proporcional à velocidade do fluxo
R resistência de aquecimento ou NTC1 e NTC2 em regime deR resistência de aquecimento ou NTC1 e NTC2 em regime deauto-aquecimento (dispensa-se R). As NTC’s podem ser auto-aquecimento (dispensa-se R). As NTC’s podem ser Inseridas numa ponte de Wheatstone permitindo grande Inseridas numa ponte de Wheatstone permitindo grande
precisãoprecisão
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Aplicações das NTC’sAplicações das NTC’s
Controlador de Controlador de nível de líquidosnível de líquidos
CompensaçCompensação de Rão de RLL(T)(T)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Acima da temperatura de Curie as termistências Acima da temperatura de Curie as termistências de cerâmica podem comportar-se como PTC’sde cerâmica podem comportar-se como PTC’s
Característica Característica R(T) de um R(T) de um interruptor interruptor
térmico ideal e térmico ideal e de uma PTCde uma PTC
AplicaçõesAplicaçõesProtecção de circuitos electrónicos – Protecção de circuitos electrónicos – corrente, sobre-tensãocorrente, sobre-tensão
Limitações Limitações – Características menos – Características menos estáveis que as NTC’s estáveis que as NTC’s
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Termogeradores Termogeradores ActivosActivos
Para I = cte.Para I = cte.dVd/dT dVd/dT const. const.
Vd variaVd variaquase linearmentequase linearmente
com Tcom T
Circuito Circuito integrado integrado monolítico monolítico
AD590AD590
T de T de –55–55ºC a ºC a 150150ºCºC
Vcc de 4V a 30VVcc de 4V a 30V
Linearidade Linearidade
erro erro < 0,3ºC< 0,3ºC
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Circuito para Medida Circuito para Medida de Temperatura em de Temperatura em
ºCºC
O C.I. LM385 gera O C.I. LM385 gera uma tensão de uma tensão de
referência referência ajustada através ajustada através
de RV. Esta tensão de RV. Esta tensão é subtraída à é subtraída à tensão em R1 tensão em R1
permitindo obter permitindo obter uma escala de uma escala de
temperaturas em temperaturas em ºC ºC
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Termogeradores Termogeradores PassivosPassivos
Quantidade de fluxo de calor por Quantidade de fluxo de calor por unidadeunidade
de volumede volume
Q = i Q = i 2 2 R – i R – i ((dT/dxdT/dx))
- coeficiente de Thomson; - coeficiente de Thomson; E =E = dT/dxdT/dx
Efeito de ThomsonEfeito de Thomson
(Lord Kelvin)(Lord Kelvin)Absorção ou Absorção ou libertação de calor libertação de calor por parte de um por parte de um condutorcondutor
Aplicações:Aplicações: Termopares, bombas de Termopares, bombas de calorcalor
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Termogeradores Termogeradores PassivosPassivos
I no sentido contrário do campo eléctricoI no sentido contrário do campo eléctrico
interno Einterno ELibertação interna de calor - Libertação interna de calor -
AquecimentoAquecimento
I no mesmo sentido do campo eléctrico EI no mesmo sentido do campo eléctrico EArrefecimento do materialArrefecimento do material
AplicaçãoAplicação – Refrigerador termoeléctrico – Refrigerador termoeléctrico baseado em junções PNbaseado em junções PN
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
PP12 12 == 1212 I I
PP1212 - - potência térmica na junçãopotência térmica na junção
1212 - Coeficiente de Peltier- Coeficiente de PeltierSó recentemente apareceram aplicações práticas Só recentemente apareceram aplicações práticas deste efeito (dispositivos baseados em junções deste efeito (dispositivos baseados em junções semicondutoras)semicondutoras)
Termogeradores Termogeradores PassivosPassivos
Efeito de PeltierEfeito de PeltierArrefecimento de uma Arrefecimento de uma junção metálica ao ser junção metálica ao ser atravessada por corrente no atravessada por corrente no sentido da f.e.m. de Peltier, sentido da f.e.m. de Peltier, EE12P12P. Aquecimento se se . Aquecimento se se inverter Iinverter I
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Termogeradores Termogeradores PassivosPassivos
Efeito de SeebekEfeito de SeebekNum circuito fechado comNum circuito fechado com
duas junções metálicas aduas junções metálicas a
temperaturas diferentestemperaturas diferentes
aparece uma correnteaparece uma corrente
devido ao efeito de devido ao efeito de Seebek.Seebek.
EEAB2 AB2 ;; EEAB1 AB1 – forças electromotrizes de – forças electromotrizes de PeltierPeltier
EETA TA ;; EETB TB – forças electromotrizes de – forças electromotrizes de ThomsonThomson
EEABAB = E= EAB2AB2 – E– EAB1AB1 = = ABAB (T2 –T1)(T2 –T1)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Células de Células de PeltierPeltier
A corrente I arrefece as junções NP e transfereA corrente I arrefece as junções NP e transferecalor para as junções PN. A corrente I dá origem a perdas calor para as junções PN. A corrente I dá origem a perdas por efeito de Joule nas resistências das células N e P. Aspor efeito de Joule nas resistências das células N e P. Asquedas de tensão nas junções NP dão origem ao seuquedas de tensão nas junções NP dão origem ao seuarrefecimento.arrefecimento.
Usam-se materiais Usam-se materiais semicondutores como semicondutores como
o Selenieto de o Selenieto de Bismuto e o Telurieto Bismuto e o Telurieto
de Bismuto de Bismuto
Dopam-se com Dopam-se com impurezas impurezas
aceitadoras (P) e aceitadoras (P) e dadoras (N)dadoras (N)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Células de Células de PeltierPeltier
Eficiências termoeléctricas da ordem de 6%Eficiências termoeléctricas da ordem de 6%
Dimensões reduzidasDimensões reduzidas
Ausência de ruído acústicoAusência de ruído acústico
AplicaçõesAplicaçõesRefrigeração de líquidosRefrigeração de líquidos
Mini-baresMini-bares
Diminuição do ruído térmico em Diminuição do ruído térmico em dispositivosdispositivos
electrónicos – Sensores de vídeo (CCD’s), electrónicos – Sensores de vídeo (CCD’s),
detectores de radiação PIRdetectores de radiação PIR
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
TermoparesTermoparesAplicação: medição de temperaturas baseada noAplicação: medição de temperaturas baseada no
efeito de Seebek (I=0).efeito de Seebek (I=0).
F.E.M. de SeebekF.E.M. de Seebek
EEABAB == aaABAB ((T–TT–T00) + ½ ) + ½ bb ( (TT22–T–T0022))
aaAB AB ABAB
Lei dos Condutores IntermédiosLei dos Condutores IntermédiosA inserção do condutor B entre A e C, desde queA inserção do condutor B entre A e C, desde que
à mesma temperatura T2 à mesma temperatura T2 (i.e. (i.e. em B grad T=em B grad T=0)0), , não modifica a FEM de Seebek, Enão modifica a FEM de Seebek, EABAB. .
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
TermoparesTermopares
AC AC == AA--C C == A A - - B B + + B B --CC
= = AB AB - - CBCB
Metal ((VºCVºC-1-1)) b(V ºC-
2)Cobre 2,71 0,0079
Constantan
-38,1 -0,0888
Ferro 16,7 -0,0279
Níquel -19,1 -3,02
e e bb definidos definidos relativamente ao relativamente ao
elemento de elemento de referência, o chumboreferência, o chumbo((PbPb muito pequeno)muito pequeno)
CoeficientesCoeficientes e e b b de de metais e ligasmetais e ligas
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
TermoparesTermopares
Para aumentar a sensibilidade, em geral procura-Para aumentar a sensibilidade, em geral procura-sese que que aaAB AB seja elevadoseja elevado ( (aaA A >>a>>aBB). Para b). Para bABAB muito pequeno a resposta é quase linear.muito pequeno a resposta é quase linear.
F.E.M. de SeebekF.E.M. de Seebek
EEABAB == a aABAB ((T–TT–T00)+½ )+½ bbABAB ( (TT22––TT00
22) )
aaAB AB ABAB
TiTi,, T Tmm e T e Tjj determinam a determinam a
gama de utilização do gama de utilização do termopartermopar
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
TermoparesTermopares
Compensação da junçãoCompensação da junção
fria com gelo fundentefria com gelo fundente
Medida da Medida da temperatura T1 temperatura T1
com um com um voltímetro (Ivoltímetro (I0)0)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
TermoparTermopareses
Erro em função de Erro em função de T(ºC)T(ºC)
Tipos mais Tipos mais usuaisusuais
K – Cromel-AlumelK – Cromel-Alumel
J – Ferro-ConstantanJ – Ferro-Constantan
E – Cromel-E – Cromel-ConstantanConstantan
T – Cobre-T – Cobre-ConstantanConstantan
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
TermopareTermoparess
Compensação da junçãoCompensação da junção
fria com tensão de errofria com tensão de erro
obtida a partir de umobtida a partir de um
sensor de temperaturasensor de temperatura
baseado no C.I. AD590baseado no C.I. AD590
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
TermoparesTermopares
Compensação Compensação da junção friada junção friaobtida a partir de obtida a partir de
umum
sensor de sensor de temperaturatemperatura
de precisão -de precisão -LT1025LT1025
Este circuito Este circuito dispõe saídas para dispõe saídas para
a compensação a compensação dos termopares dos termopares
mais usuaismais usuais
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Amplificadores de InstrumentaçãoAmplificadores de Instrumentação
Circuito para calcular Circuito para calcular os ganhos diferencial os ganhos diferencial e de modo comume de modo comum
v1a = (1+ R4R3 ) v1 -
R4R3 v2 + vcm
v2a = (1+ R5R3 ) v2 -
R5R3 v1 + vcm
A tensão de entrada A tensão de entrada
(v1a-v2a), do (v1a-v2a), do amplificador amplificador
diferencial, não diferencial, não depende de vcmdepende de vcm
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Amplificadores de Amplificadores de InstrumentaçãoInstrumentação
VV00 = K = K1212 [[AAvdvd (v (v11aa-v-v22aa)) + + ½½ A Avcvc (v (v11aa+v+v22aa)])]
Avd = R8
R7+R8 R6+R9
R6 + R9R6
Avc = R8
R7+R8 R6+R9
R6 - R9R6
AAvd vd – ganho diferencial, A– ganho diferencial, Avc vc – ganho de modo – ganho de modo comumcomum
KK12 12 -- ganho da montagem A1 /A2 ganho da montagem A1 /A2
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Amplificadores de Amplificadores de InstrumentaçãoInstrumentação
O desempenho é optimizado paraO desempenho é optimizado paraR9 = R8R9 = R8
R7 = R6R7 = R6 Avc = 0 Avc = 0
RMC (Rejeição de Modo Comum) RMC (Rejeição de Modo Comum) Avd/Avc = Avd/Avc =
Desvios nestas resistências provocam o Desvios nestas resistências provocam o aumento deaumento de
Avc, e a degradação de RMC. Para Avc, e a degradação de RMC. Para R8=R9=100kR8=R9=100k1%, e R6=R7=1k 1%, e R6=R7=1k 1%, 1%,
obtém-se obtém-se RMCRMCdBdB (mín)(mín)= 74 dB= 74 dB
O ajuste de R7 ou R8 permite anular Avc (nosO ajuste de R7 ou R8 permite anular Avc (nos C.I.’s específicos o ajuste é feito por laser)C.I.’s específicos o ajuste é feito por laser)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Amplificadores de Amplificadores de InstrumentaçãoInstrumentação
eenn – – tensão de ruídotensão de ruído; i; inn – corrente de ruído– corrente de ruído
etetn n – tensão de ruído térmico– tensão de ruído térmico, Rg, Rgeqeq – resistência– resistência
equivalente na entrada equivalente na entrada
k=k=1,38066 x 101,38066 x 10--2323 J/ºKJ/ºK
Para T=Para T=298º298ºK K (25º(25ºC), C),
eennttoottaall == [[eenn22++((RRggeeqqiinn))22++eettnn22]]11// 22
Ruído total na entrada de um Ruído total na entrada de um AMPOPAMPOP
etetnn==0,130,13 x x ((RgRgeqeq))1/21/2 nV/ nV/ ((HzHz)) 1/21/2
etetn n = (= (44 k T Rg k T Rgeqeq f) f) 1/21/2
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Ruído na entrada de um Ruído na entrada de um AMPOPAMPOP(NE5534)(NE5534)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Ruído na entrada de um Ruído na entrada de um AMPOPAMPOP
LT1115 LT1115 @ 1kHz, T=25ºC @ 1kHz, T=25ºC
eenn = 0,85 nV/(Hz) = 0,85 nV/(Hz) 1/21/2
iinn = 1 pA /(Hz) = 1 pA /(Hz) 1/21/2
LTC274LTC274@ 1kHz, T=25ºC @ 1kHz, T=25ºC
eenn = 9 nV/(Hz) = 9 nV/(Hz) 1/21/2
iinn = 0,6 fA /(Hz) = 0,6 fA /(Hz) 1/21/2
LT1115:LT1115: eenn total total = 6,13 nV= 6,13 nV/(Hz) /(Hz) 1/21/2
LTC274: eLTC274: en totaln total = 10,67 nV= 10,67 nV/(Hz) /(Hz) 1/21/2
Para R1= R3 = 10k, ePara R1= R3 = 10k, en totaln total aumenta cerca de 4,5 aumenta cerca de 4,5 vezes (LT1115) e apenas 2 vezes no 2º caso vezes (LT1115) e apenas 2 vezes no 2º caso
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-Transdutores Opto-ElectrónicosElectrónicos
AplicaçõesAplicaçõesSensoresSensores
• • Fotometria Fotometria • • Contagem de objectosContagem de objectos• • Medida de variações de luz espacial Medida de variações de luz espacial
(câmaras (câmaras de vídeo) de vídeo)• • Transmissão em fibra ópticaTransmissão em fibra óptica
GeradoresGeradores• • Geradores foto-voltaicos baseados Geradores foto-voltaicos baseados
emem junções PN de Sijunções PN de Si
• • Geradores de luz – LED e LASER Geradores de luz – LED e LASER (Light(Light Amplification Stimulated Emitted RadiationAmplification Stimulated Emitted Radiation))
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-Transdutores Opto-ElectrónicosElectrónicos
• • Efeito fotocondutorEfeito fotocondutor
A condutividade é modificada pelaA condutividade é modificada pela
absorção de fotões incidentesabsorção de fotões incidentes
Dispositivos de tipo Dispositivos de tipo quânticoquântico
Energia de um fotãoEnergia de um fotão
EEff == hh == hh cc
h – const. de h – const. de PlanckPlanck - frequência- frequência- comprimento - comprimento dede onda onda c – velocidade dec – velocidade de propag. da luzpropag. da luz
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-Transdutores Opto-ElectrónicosElectrónicos
• • Efeito fotovoltaicoEfeito fotovoltaico
Fotões absorvidos na zona de carga espacial Fotões absorvidos na zona de carga espacial de de uma junção PN resultam numa tensão uma junção PN resultam numa tensão eléctricaeléctrica
• • Efeito fotoemissorEfeito fotoemissorNos materiais semicondutores com ENos materiais semicondutores com EGG muito muito
baixa, os fotões arrancam electrões do baixa, os fotões arrancam electrões do materialmaterial
que podem ser captados por um eléctrodo que podem ser captados por um eléctrodo positivo. A corrente eléctrica é proporcional positivo. A corrente eléctrica é proporcional
à à intensidade luminosa (fotomultiplicadores) intensidade luminosa (fotomultiplicadores)
MaterialMaterial EEG G (eV)(eV) ccmaxmax ( (m)m)
S CdS Cd 2,402,40 0,520,52
SiSi 1,121,12 1,101,10
GeGe 0,670,67 1,851,85
As InAs In 0,350,35 3,543,54
Se PbSe Pb 0,270,27 4,584,58
cc hh cc
EEGG ==
11,,2244 EEGG
((mm))
Acima de Acima de ccmax max
não há efeito não há efeito fotoeléctrico fotoeléctrico
Largura das bandas Largura das bandas proibidas e comprimentos proibidas e comprimentos
de onda de cortede onda de corte
Transdutores Opto-Transdutores Opto-ElectrónicosElectrónicos
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-Transdutores Opto-ElectrónicosElectrónicos
A banda de frequências de funcionamento é A banda de frequências de funcionamento é limitada limitada
Pela taxa de recombinação electrão-lacuna Pela taxa de recombinação electrão-lacuna
Pela baixa energia dos fotões incidentes Pela baixa energia dos fotões incidentes ((<E<EGG))
Comportamento Comportamento tipo passa-banda tipo passa-banda
de um sensor de um sensor ópticoóptico
Faixa de frequências Faixa de frequências de poucas oitavas.de poucas oitavas.
Comprimentos de Comprimentos de onda de onda de 0,390,39 m a m a 44
mm
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-ElectrónicosTransdutores Opto-Electrónicos
Características de um Características de um fotodetectorfotodetector
• Resposta espectralResposta espectral
IIPP(())P0P0
• Eficiência quânticaEficiência quântica
RRSS = I = IPP /P /PA0A0(())• Sensibilidade fotoeléctricaSensibilidade fotoeléctrica
• Potência equivalente ao ruído Potência equivalente ao ruído (NEP)(NEP)
• Tempos de respostaTempos de resposta
ttRR e t e tF F – tempos de subida e de – tempos de subida e de descida da descida da
corrente corrente IIPP
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-ElectrónicosTransdutores Opto-Electrónicos
PA0 – potência incidentePA0 – potência incidenten – número de fotõesn – número de fotões incidentesincidentes
II PP == qqee
hh PPAA00 ((11 ee ww)) ((11 rr))
LL == ddnn ddtt
== PPAA00hh
Eficiência quânticaEficiência quântica A iluminação L é expressa A iluminação L é expressa porpor
Para uma percentagem r de fotões Para uma percentagem r de fotões reflectidos, a corrente fotoeléctrica à reflectidos, a corrente fotoeléctrica à profundidade w é,profundidade w é,
(()) - constante de - constante de atenuação do materialatenuação do material
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-Transdutores Opto-ElectrónicosElectrónicos
varia entre 0,35 e 0,95varia entre 0,35 e 0,95 Depende de Depende de pois pois é função é função do comprimento de onda do comprimento de onda
== II PP// qqee
PPAA00// hh
RRSS == II PP
PPAA00 = qqee
hh
Rendimento quânticoRendimento quântico
razão por unidade de tempo, razão por unidade de tempo, entre o entre o nº de pares electrão-nº de pares electrão-lacuna gerados lacuna gerados e o nº de fotões e o nº de fotões incidentesincidentes
A sensibilidade A sensibilidade (responsitivity) de um (responsitivity) de um fotodetector é definida fotodetector é definida pela razão entre a pela razão entre a corrente e a potência corrente e a potência incidente incidente
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-ElectrónicosTransdutores Opto-ElectrónicosFotodíodosFotodíodos
• • De junção PNDe junção PN• • De junção PINDe junção PIN• • Tipo Schottky (semicondutor/ metal, Tipo Schottky (semicondutor/ metal,
p. ex.alumínio) p. ex.alumínio) • • De avalancheDe avalanche
Nos fotodíodos a variação da corrente com aNos fotodíodos a variação da corrente com apotência é extremamente linear. Para uma áreapotência é extremamente linear. Para uma área
da ordem de alguns mmda ordem de alguns mm22, I, IP P varia linearmentevaria linearmente
com Pcom P0 0 na gama de 10 na gama de 10 1212 W a 10 W a 10 22 W. W.
PP0min 0min depende de NEP e Pdepende de NEP e P0max 0max do limite em que do limite em que IIPP(P(P00))
atinge a saturação.atinge a saturação.
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-ElectrónicosTransdutores Opto-Electrónicos
Modelo incremental doModelo incremental dofotodíodofotodíodo
CCDD – capacidade de difusão – capacidade de difusão
CCJJ – capacidade de depleção – capacidade de depleção
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-Transdutores Opto-Electrónicos Electrónicos
FotodíodosFotodíodos
Circuitos deCircuitos de
acondicionamentoacondicionamento
típicostípicos
((a)a) (b)(b)
II == IISS ((ee vv
VVTT 11)) IIPP
Corrente no Corrente no fotodíodofotodíodo
(a)(a) Como v = 0, I= -IComo v = 0, I= -IPP
(b)(b) Para -VPara -VRR <<<<VVTT, I , I -I -IS S -I-IPP
ou I ou I -I -IPP
Em ambos os casos vEm ambos os casos v00 = R I = R IPP
Vantagem de (b) – CVantagem de (b) – CJ J muito muito pequenopequeno
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-Transdutores Opto-Electrónicos Electrónicos
A potência máxima que se pode extrair de umaA potência máxima que se pode extrair de uma
célula fotovoltaica écélula fotovoltaica é
IICCCC – corrente de curto-circuito – corrente de curto-circuito
VVDV DV – tensão em vazio– tensão em vazio IImm I ICC CC – V– VTT/R/Rmm
RRm m -- RRL L óptimaóptima
Células Foto-Células Foto-VoltaicasVoltaicas
Convertem a energia solar Convertem a energia solar em energia eléctricaem energia eléctrica
A tensão obtida sob a A tensão obtida sob a acção da luz é acção da luz é 0,6V a 1V 0,6V a 1V
PPmm = I = Imm V Vmm 0,8 I 0,8 ICCCC VVDD
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-Transdutores Opto-ElectrónicosElectrónicos
TipoTipoEficiênciaEficiência
típica (%)típica (%) * Eficiência* Eficiência
máxima (%)máxima (%)SilícioSilício
MonocristMonocristalal
12-1512-15 24,724,7
SilícioSilício
PolicristaliPolicristalinono
11-1411-14 19,819,8
SilícioSilício
amorfoamorfo5-75-7 12,712,7
Eficiência Eficiência típica de típica de células células
fotovoltaicasfotovoltaicas
* obtida em * obtida em laboratóriolaboratório
Central solar Central solar baseadabaseadaem célula em célula
fotovoltaicas fotovoltaicas (Singleton, Austrália)(Singleton, Austrália)
Células Foto-Células Foto-VoltaicasVoltaicas
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-Electrónicos Transdutores Opto-Electrónicos
VantagemVantagem – sensibilidade elevada, em relação aos fotodíodos – sensibilidade elevada, em relação aos fotodíodosDesvantagens Desvantagens – tempo de resposta mais elevado devido a C– tempo de resposta mais elevado devido a C (da (daordem de ordem de s enquanto que nos fotodíodos é da ordem de ns),s enquanto que nos fotodíodos é da ordem de ns),resposta não linearresposta não linear
FototransístoresFototransístoresA junção colectora é submetida à radiação da A junção colectora é submetida à radiação da
luz. A corrente de base passa a ser I’luz. A corrente de base passa a ser I’B B = = IIP P ++ IIB B sendosendo
IICC FF (I (IBB + I + IPP) com I) com IPP = = L L
Modelo Modelo incremental incremental
do do fototransístfototransíst
oror
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-Transdutores Opto-Electrónicos Electrónicos
Para aumentar a sensibilidade interessaPara aumentar a sensibilidade interessa
obter d/l elevado. Utiliza-se sulfureto de obter d/l elevado. Utiliza-se sulfureto de cádmio na construção das LDR’scádmio na construção das LDR’s
Resistências LDR – Light Dependent Resistências LDR – Light Dependent ResistorsResistors
RR == aa LL
aa == dd
hh qqee vv ll
depende do material depende do material utilizado, varia entre 0,7 a utilizado, varia entre 0,7 a
0,90,9
L é a iluminação em luxL é a iluminação em lux
d e l são respectivamenmte d e l são respectivamenmte a largura e o comprimento a largura e o comprimento
do condutordo condutor
Valores típicos de RValores típicos de RNo escuro – 10MNo escuro – 10M10 lux – 9k10 lux – 9k
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-Transdutores Opto-ElectrónicosElectrónicos
As LDR’s são dispositivos opto-electrónicosAs LDR’s são dispositivos opto-electrónicos
muito sensíveis. O valor da resistência diminuimuito sensíveis. O valor da resistência diminui
muito mais rapidamente com o aumento damuito mais rapidamente com o aumento da
iluminação do que o inverso (recombinação iluminação do que o inverso (recombinação electrão-electrão-
-lacuna muito lenta): -lacuna muito lenta):
10M10M/s /s quando a iluminação diminuiquando a iluminação diminui 200k200k/s /s quando a iluminação quando a iluminação
aumentaaumenta
Resistências LDR – Light Dependent Resistências LDR – Light Dependent ResistorsResistors
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-Transdutores Opto-ElectrónicosElectrónicos
LasersLasersO laser ao oscilar gera uma onda O laser ao oscilar gera uma onda estacionária de radiação visível estacionária de radiação visível (ou não visível) que consiste num (ou não visível) que consiste num modo longitudinal e dois modos modo longitudinal e dois modos transversais transversais
Hitachi série HL Hitachi série HL (até 50mW)(até 50mW)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-Transdutores Opto-ElectrónicosElectrónicos
LasersLasersExemplo de circuito para operação e Exemplo de circuito para operação e
controlo de potência de lasers de baixa controlo de potência de lasers de baixa potência potência
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Opto-Transdutores Opto-ElectrónicosElectrónicos
Lasers. AplicaçõesLasers. Aplicações
Leitura-Leitura-gravaçãogravação
Sistemas de Sistemas de posicionameposicioname
ntonto
Leitor de Leitor de códigos de códigos de
barrasbarras
ApontadoreApontadoress
Sistemas de medida de Sistemas de medida de distânciadistância
Impressoras laserImpressoras laser
FotocopiadorasFotocopiadoras
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores de ForçaTransdutores de ForçaAplicaçõesAplicações
DinamómetrosDinamómetrosExtensómetrosExtensómetros
RRR === lllSSS
Variação da resistência de Variação da resistência de um condutor ou um condutor ou semicondutor, quando estes semicondutor, quando estes são submetidos a um esforço são submetidos a um esforço mecânico, devido à variação mecânico, devido à variação da concentração de cargas.da concentração de cargas.
Efeito Efeito PiezoresistivoPiezoresistivo
dR = R
d+ Rl
dl + R S dS
= lS d+
S dl
1S2 l dS
Variação de R devido às Variação de R devido às variações de l, de S e variações de l, de S e
de de
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores de ForçaTransdutores de ForçadddRRRRRR ===
ddd +++
ddd llllll
ddd SSSSSS
= FS = Y; =
ll
Variação relativa de Variação relativa de RR
Lei de Hook – Zona Lei de Hook – Zona elástica de deformaçãoelástica de deformação
-tensão mecânica-tensão mecânica- deformação - deformação unitáriaunitáriaY – módulo de Young Y – módulo de Young
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores de ForçaTransdutores de Força
--coeficiente de coeficiente de PoissonPoisson
Varia entre 0 e 0,5Varia entre 0 e 0,5
ddd SSSSSS=== 222
ddddddddd === 222
llllll ;;;
dddddd ===
llllll
Lei de PoissonLei de PoissonRelaciona as variações de l e Relaciona as variações de l e
de d devido ao esforço de d devido ao esforço mecânicomecânico
Nos metais a Nos metais a variação relativa variação relativa de resistividade de resistividade
devido ao esforço devido ao esforço mecânico é mecânico é
proporcional à proporcional à variação de variação de
volumevolume
=== CCCBBB
dddVVVVVV
CCBB – constante de Bridgman – constante de Bridgman
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
A constante CA constante CBB pode variar entre 1,13 e 1,15 para pode variar entre 1,13 e 1,15 para as ligas mais comuns (constantan e nicrómio) e é as ligas mais comuns (constantan e nicrómio) e é de 4,4 para a platinade 4,4 para a platina
Variação da ResistividadeVariação da Resistividade
VVV === lll ddd 222
444 dVV =
dl l
+ 2 dd
d = d ll (1 2 )
Transdutores de ForçaTransdutores de Força
dddRRRRRR ===
ddd +++
ddd llllll
ddd SSSSSS
=== ddd llllll [[[111 +++ 222 +++ CCCBBB (((111 222 )))]]]
MetaisMetais
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores de ForçaTransdutores de Força
K é a sensibilidade do extensómetroK é a sensibilidade do extensómetroKK 22 para as ligas mais comuns para as ligas mais comunsKK 66 para a platina para a platina
dddRRRRRR === KKK
dddllllll === KKK ;;; KKK === [[[111 +++ 222 +++ CCCBBB (((111 222 )))]]]
SemicondutoresSemicondutoresPredomina o efeito Predomina o efeito
piezoresistivopiezoresistivodR/R = dR/R = 119,5 119,5 + + 4 4 2 2 (tipo P)(tipo P)
dR/R = dR/R = -110,0 -110,0 + + 10 10 2 2 (tipo N)(tipo N)Resposta Resposta não linearnão linear
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores de ForçaTransdutores de Força
AplicaçõesAplicações Medida de força, pressão, Medida de força, pressão, vibraçãovibração
Sensores tácteis (robots)Sensores tácteis (robots) Áudio profissional (teclados paraÁudio profissional (teclados para
modular a amplitude do sinal)modular a amplitude do sinal) ElectromedicinaElectromedicina
Extensómetros Extensómetros (Strain Gauge)(Strain Gauge)
Servem para medir Servem para medir esforços mecânicosesforços mecânicos
A sensibilidade A sensibilidade pode ser pode ser
aumentada aumentada utilizando um utilizando um
número elevado número elevado de espiras sobre de espiras sobre
substrato substrato flexívelflexível
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores de ForçaTransdutores de Força
Num extensómetro é Num extensómetro é R = K RR = K RG G em que R em que RGG é o é o
valor nominal da sua resistência.valor nominal da sua resistência.
Para R1 = R2= R; RPara R1 = R2= R; Rxx= R= RG G ++ R e R3 = RR e R3 = RGG,,
Condicionamento do Condicionamento do SinalSinal
Usa-se uma Usa-se uma configuração em ponte configuração em ponte
de Wheatstonede Wheatstone
V0 = VI
R1
R1 + R2 R3
R3 + Rx
VV00 == VVII KK
44 ((11 ++ 11// 22 KK )) VVII
KK
44
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores de ForçaTransdutores de Força
A utilização de um sensorA utilização de um sensorpassivo permite compensar opassivo permite compensar o
erro devido à variação da erro devido à variação da resistência dos condutores resistência dos condutores
com a temperaturacom a temperatura
A utilização de dois A utilização de dois sensores activos sensores activos
permite duplicar a permite duplicar a sensibilidadesensibilidade
V0 = VI K 2
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores de ForçaTransdutores de Força
Em relação à ponte simples na ponte comEm relação à ponte simples na ponte comAMPOP a resposta é linear e a sensibilidadeAMPOP a resposta é linear e a sensibilidadeé duplicadaé duplicada
Muito usado em Muito usado em áudio - pedais e áudio - pedais e teclados para teclados para modulação do modulação do
sinalsinal
FSRFSR (Force Sensitive (Force Sensitive Resistor)Resistor)
V0 = VI K 2
Ponte com Ponte com AMPOPAMPOP
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores de Transdutores de ForçaForça
Compensação do erro devido a Compensação do erro devido a variações de Vvariações de VII
A discretização A discretização de Vde V00 permite permite eliminar o erro eliminar o erro
devido a devido a variações de Vvariações de VII
VD = KAD
V0
Vref
V0 = VI K 4 = Vref
K 4
VD = KAD K 4
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores de ForçaTransdutores de Força
Exemplo de utilização de FSR’s numExemplo de utilização de FSR’s num
apontador XYapontador XY
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores PiezoeléctricosSensores Piezoeléctricos
Materiais PiezoeléctricosMateriais PiezoeléctricosNaturaisNaturais QuartzoQuartzo
TurmalinaTurmalina
SintéticosSintéticos Cerâmicas (monocristalinas)Cerâmicas (monocristalinas)
Descoberto em 1880-81 pelos irmãos Curie.Descoberto em 1880-81 pelos irmãos Curie.
Aparecimento de uma polarização eléctrica Aparecimento de uma polarização eléctrica num material ao deformar-se por efeito num material ao deformar-se por efeito
mecânico. mecânico. O efeito é O efeito é reversívelreversível
Ao aplicar uma Ao aplicar uma diferença de diferença de
potencial entre as potencial entre as faces do material, faces do material,
aparece uma aparece uma deformação. deformação. As cerâmicas são submetidas a campos eléctricos da As cerâmicas são submetidas a campos eléctricos da ordem de 10kV/cm, a temperaturas ligeiramente ordem de 10kV/cm, a temperaturas ligeiramente superiores à temperatura de Curie. Este processo serve superiores à temperatura de Curie. Este processo serve para orientar os monoscristais.para orientar os monoscristais.Adquirem polarização permanente e passam a ser Adquirem polarização permanente e passam a ser anisotrópicas.anisotrópicas.
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores PiezoeléctricosSensores Piezoeléctricos
AplicaçõesAplicações Sensores de força, pressão, vibração e aceleraçãoSensores de força, pressão, vibração e aceleração Geradores de ultrasons (sondas marítimas, ecografia,...)Geradores de ultrasons (sondas marítimas, ecografia,...) MicrofonesMicrofones Circuitos ressonantes com factor de qualidade (Q) muito Circuitos ressonantes com factor de qualidade (Q) muito elevadoelevado Besouros e altifalantes cerâmicos (planos)Besouros e altifalantes cerâmicos (planos)
Materiais mais usuaisMateriais mais usuaisCerâmicasCerâmicas
Titanato-zirconato de chumbo Titanato-zirconato de chumbo (PZT)(PZT)
Titanato de bárioTitanato de bário
PolímerosPolímeros
Fluoreto de polivinilo (PVDF ou Fluoreto de polivinilo (PVDF ou Kynar)Kynar)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
As direcções 4, 5 e 6 indicam As direcções 4, 5 e 6 indicam esforços de torção em torno dos esforços de torção em torno dos eixos 1, 2 e 3eixos 1, 2 e 3
FFSS == YY
llll
Y é o Y é o módulo de módulo de
YoungYoung
A dilatação das A dilatação das cerâmicas cerâmicas
piezoeléctricas segue a piezoeléctricas segue a lei de Hooklei de Hook
Sensores PiezoeléctricosSensores Piezoeléctricos
Convenção para os índices Convenção para os índices indicativos das direcções num indicativos das direcções num
material piezoeléctricomaterial piezoeléctrico
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores PiezoeléctricosSensores Piezoeléctricos
Si = j
Yij + dik Ek
De = lm Em + dln n
i, k, l, m = 1, 2, 3
j , n = 1, ..., 6
Equações Equações PiezoeléctricasPiezoeléctricas
SSii – deformação – deformação
jj – esforço; – esforço; YYijij – módulo de – módulo de YoungYoung
EEkk– campo eléctrico– campo eléctrico
ddikik, d, dlnln – coeficientes – coeficientes piezoeléctricospiezoeléctricos
DDee – deslocamento eléctrico – deslocamento eléctrico
lm lm – constante dieléctrica– constante dieléctrica
Relação entre a energia Relação entre a energia disponível e a armazenadadisponível e a armazenada
kk22iijj ==
ddiijj
SSEE
kkij ij – – coef. de acoplamento coef. de acoplamento electromecânicoelectromecânico
SSEE – complacência (“compliance”) – complacência (“compliance”)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores PiezoeléctricosSensores Piezoeléctricosdq = dS ddq = dS dijij F F
i – direcção do campo i – direcção do campo eléctricoeléctrico
j - direcção da forçaj - direcção da força
S – áreaS – áreaF – força aplicadaF – força aplicada
ddijij – coeficiente piezoeléctrico – coeficiente piezoeléctrico de cargade carga
(a(a))
(b)(b)
Fig. (a) - dq = dS dFig. (a) - dq = dS d3333 F F
Fig. (b) - dq = dS dFig. (b) - dq = dS d3232 F FRelação entre campo Relação entre campo
eléctrico e força eléctrico e força aplicada aplicada
EEi i = F= Fj j ggij ij /S = /S = jj g gijij
ggijij – coeficiente – coeficiente piezoeléctrico de tensãopiezoeléctrico de tensão
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores PiezoeléctricosSensores PiezoeléctricosModos de FuncionamentoModos de Funcionamento
Funcionamento motor – Ao aplicar uma Funcionamento motor – Ao aplicar uma tensão as dimensões são alteradastensão as dimensões são alteradas
Funcionamento como gerador – Uma Funcionamento como gerador – Uma deformação dá origem a uma tensão deformação dá origem a uma tensão eléctricaeléctrica
Alongamento Alongamento transversaltransversal
AplicaçõesAplicações – sonar, – sonar, hidrofones,hidrofones,
microfones, microfones, “pacemakers”“pacemakers”
Modo de corte (shear)Modo de corte (shear)AplicaçõesAplicações – transdutores ultrasónicos – transdutores ultrasónicos
acelerómetros, linhas de atraso acelerómetros, linhas de atraso
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores PiezoeléctricosSensores PiezoeléctricosExemplo Exemplo
Para o titanato de chumbo tem-se Para o titanato de chumbo tem-se
dd3333 =-44=-44 pC/N, pC/N, =600=60000 ((00 == 8,8498,8491010-12-12 F/mF/m))
Num paralelepípedo com l=w=5mm e t=2mm Num paralelepípedo com l=w=5mm e t=2mm obtém-se, para uma força F=1000 Newton, obtém-se, para uma força F=1000 Newton, aplicada segunda a direcção 3,aplicada segunda a direcção 3,
E = -dE = -d3333 F/(S F/(S ); ); EE = 3,315 = 3,315 10105 5 V/mV/m
A tensão V, obtida entre as faces às quais se A tensão V, obtida entre as faces às quais se aplica a força éaplica a força é
V V == E t; V E t; V = 663 Volt= 663 Volt
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores PiezoeléctricosSensores Piezoeléctricos
Rs – Rs – resistência de perdasresistência de perdas
Rp – Rp – resistência de perdas doresistência de perdas do dieléctrico. Pode ser obtidadieléctrico. Pode ser obtida a partir de a partir de tg tg (tangente (tangente de perdas)de perdas)
RRpp = = (( C Cpp tg tg ))-1-1
AplicaçõesAplicações1. Osciladores e filtros com elevado 1. Osciladores e filtros com elevado
factor de qualidadefactor de qualidade
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores PiezoeléctricosSensores Piezoeléctricos
Admitância do Admitância do sensor para Rs =0 e sensor para Rs =0 e
Rp = Rp = s =
1
L Cs
p = 1
L
Cs Cp
Cs + Cp
Frequências de Frequências de RessonânciaRessonância
Y(s) = sCp s2 +
Cp + CsCs Cp L
s2 + 1
sLC
Como CpComo Cp>>>>Cs, Cs, pp ss
AplicaçõesAplicações1.1. Osciladores e filtros com elevado Osciladores e filtros com elevado
factor de qualidadefactor de qualidade
Em geral existem outros modos Em geral existem outros modos ressonantes em frequências superioresressonantes em frequências superiores
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores PiezoeléctricosSensores Piezoeléctricos
Exemplo:Exemplo: L=0,52 H; Cs = 0,012pF; Cp = 4 pF L=0,52 H; Cs = 0,012pF; Cp = 4 pF
Rs = 5 Rs = 5 ; tg ; tg = 0,05 (@10kHz) = 0,05 (@10kHz)
ffss = 2,0148 MHz; f = 2,0148 MHz; fpp = 2,0178 MHz = 2,0178 MHz
KK22ijij = 1- = 1- ((ffss / /ffpp))22;; KKij ij == 0,05450,0545
Q = Q = s s L / Rs; Q = 1,32 L / Rs; Q = 1,32 101066; Rp = 79,6 M ; Rp = 79,6 M
AplicaçõesAplicações1.1. Osciladores e filtros com elevado Osciladores e filtros com elevado
factor de qualidadefactor de qualidade
Oscilador controlado por cristalOscilador controlado por cristalC1 ajusta a frequência de ressonânciaC1 ajusta a frequência de ressonância
R2 C2 filtram os modos de ressonância R2 C2 filtram os modos de ressonância superioressuperiores
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores PiezoeléctricosSensores Piezoeléctricos
O elevado factor de qualidade (Q>100 para as cerâmicas eO elevado factor de qualidade (Q>100 para as cerâmicas e
QQ101066 para o quartzo) e grande estabilidade com a para o quartzo) e grande estabilidade com a
temperatura das frequências de ressonância dos temperatura das frequências de ressonância dos dispositivosdispositivos
piezoeléctricos permite realizar osciladores e filtros depiezoeléctricos permite realizar osciladores e filtros de
banda estreita de elevado desempenhobanda estreita de elevado desempenho
AplicaçõesAplicações
2.2. AcelerómetrosAcelerómetrosO sensor possui uma massa m que ao ser O sensor possui uma massa m que ao ser submetida a uma aceleração j, fica sujeito à submetida a uma aceleração j, fica sujeito à força F força F
1.1. Osciladores e filtros com elevado Osciladores e filtros com elevado factor de qualidadefactor de qualidade
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores Sensores PiezoeléctricosPiezoeléctricos
AplicaçõesAplicações2.2. Acelerómetros Acelerómetros
vvv === EEEiii ttt eee EEEiii
jjj === gggiiijjj
vvv === jjj gggiiijjj ttt eee FFF === mmm jjj
vvv === mmm jjjlll www ttt gggiiijjj
Para um sensor de dimensões l Para um sensor de dimensões l t t w, w, obtém-se obtém-se
P – elementos P – elementos piezoeléctricospiezoeléctricos
M – massaM – massa
B - baseB - base
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
AplicaçõeAplicaçõess
Sensores PiezoeléctricosSensores Piezoeléctricos
2.2. Acelerómetros AcelerómetrosEstes transdutores apresentam uma impedância Estes transdutores apresentam uma impedância capacitiva. Nos circuitos de condicionamento capacitiva. Nos circuitos de condicionamento usam-se amplificadores de carga. A tensão de usam-se amplificadores de carga. A tensão de saída é proporcional à carga e praticamente saída é proporcional à carga e praticamente independente da capacidade do cabo de ligaçãoindependente da capacidade do cabo de ligação
Amplificador de Amplificador de CargaCarga
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores PiezoeléctricosSensores Piezoeléctricos
AplicaçõesAplicações3. Actuadores piezoeléctricos (smart materials)3. Actuadores piezoeléctricos (smart materials)
• Resolução extremamente elevada (nanometros)Resolução extremamente elevada (nanometros)
• Rapidez de respostaRapidez de resposta• Baixo custoBaixo custo
Aeroespacial – válvulas de propulsão em pequenos Aeroespacial – válvulas de propulsão em pequenos satélites, flaps activos aplicados em hélices de satélites, flaps activos aplicados em hélices de helicóptroshelicóptros
Segmento Segmento de um flap de um flap
de um de um helicópetrhelicópetr
oo
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores PiezoeléctricosSensores PiezoeléctricosAplicaçõesAplicações
Actuadores piezoeléctricos permitem
o controlo rápido de ferramentas de precisão no fabrico de lentes de
contacto
3. Actuadores piezoeléctricos (“smart materials”)3. Actuadores piezoeléctricos (“smart materials”)
Injectores em motores Injectores em motores diesel com rampa diesel com rampa
comum (patente FIAT)comum (patente FIAT)Controlo mais precisoControlo mais preciso
Maior rapidez Maior rapidez
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores PiezoeléctricosSensores Piezoeléctricos
AplicaçõesAplicações
Deslocamento até 200 Deslocamento até 200 m (L=15cm;V=1000V) m (L=15cm;V=1000V)
3. Actuadores piezoeléctricos (“smart materials”)3. Actuadores piezoeléctricos (“smart materials”)Piezomotores (actuadores)Piezomotores (actuadores)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores Sensores PiezoeléctricosPiezoeléctricos
AplicaçõesAplicações
Válvula Válvula com com
controlo controlo proporcioproporcio
nalnal
3. Actuadores piezoeléctricos (“smart materials”)3. Actuadores piezoeléctricos (“smart materials”)
Relação entre o fluxo Relação entre o fluxo e a tensão de e a tensão de
controlo do actuador controlo do actuador da válvulada válvula
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores PiezoeléctricosSensores Piezoeléctricos
f f ((TT) = ) = ff00 [1 + [1 + aa ( (TT--TT00) + b () + b (TT--TT00))22 + c ( + c (TT--TT00))33] ]
No sistema da HP, a função f No sistema da HP, a função f ((TT) ) é determinada é determinada em 40 pontos da gama de medida. A partir destes em 40 pontos da gama de medida. A partir destes define-se uma curva de regressão linear. Estes define-se uma curva de regressão linear. Estes valores são armazenados na memória ROM.valores são armazenados na memória ROM.
Sensibilidade Sensibilidade
1000 Hz/ºC1000 Hz/ºC
Precisão: Precisão: 0,075ºC0,075ºC
Gama de Gama de temperaturastemperaturas
-80ºC a 250ºC-80ºC a 250ºC
Resolução: Resolução: 0,00001ºC0,00001ºC
AplicaçõesAplicações4. Sensor de temperatura com cristal de 4. Sensor de temperatura com cristal de
quartzoquartzo
Hewlett Packard HP2804AHewlett Packard HP2804A
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores de Efeito de Sensores de Efeito de HallHall
Materiais usadosMateriais usados Arsenieto de Gálio - Ga AsArsenieto de Gálio - Ga As Antimonieto de Indio - In SbAntimonieto de Indio - In Sb
Tensão gerada transversalmente à Tensão gerada transversalmente à corrente num condutor a que é aplicado corrente num condutor a que é aplicado um campo magnético perpendicular um campo magnético perpendicular Tensão de HallTensão de Hall
vvHH = K = KH H IIHH B BB - fluxo magnéticoB - fluxo magnético
KKH H - sensibilidade- sensibilidade
O efeito de Hall é pouco O efeito de Hall é pouco significativo nos metais significativo nos metais pois nestes a mobilidade pois nestes a mobilidade dos electrões é baixa. O dos electrões é baixa. O efeito é bastante efeito é bastante pronunciado nos pronunciado nos semicondutoressemicondutores
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores de Efeito de HallSensores de Efeito de HallInterruptoresInterruptores de Hallde Hall
São realizados em circuito São realizados em circuito integrado. Dispõem de um integrado. Dispõem de um comparador e um circuito comparador e um circuito
lógico. Respondem ao campo lógico. Respondem ao campo magnético perpendicular ao magnético perpendicular ao
dispositivo.dispositivo.
Para B> BPara B> BONON o transístor de o transístor de saída saturasaída satura
Para B< BPara B< BOFFOFF o transístor de o transístor de saída cortasaída corta
BBHYSHYS - histeresis - histeresis magnéticamagnética
Sensores de Hall DiferenciaisSensores de Hall DiferenciaisSão usados dois sensores São usados dois sensores
colocados lado a ladocolocados lado a lado
É medida a diferença B = BÉ medida a diferença B = B22 - - BB11
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores de Efeito de Sensores de Efeito de HallHall
TT - coeficiente de temperatura - coeficiente de temperaturaB = B = H – fluxo magnéticoH – fluxo magnético
KKH H - sensibilidade- sensibilidade
IIH H – corrente de excitação– corrente de excitação
vvHH = K = KH H IIHH B B
VVT T = = TT TT
VVosos -tensão de desvio-tensão de desvio
Modelo de um sensor de HallModelo de um sensor de Hall
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores de Efeito de HallSensores de Efeito de Hall
BB == 00 II
22 RR
vvHH == KKHH II HH BB == KKHH II HH
00 II
22 RR
AplicaçõesAplicações
Sensor de Sensor de proximidadproximidad
ee
Sensor de correnteSensor de corrente
Sinal de saídaSinal de saída
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Sensores de Efeito de Sensores de Efeito de HallHall
AplicaçõesAplicações
Sensor de Sensor de velocidadevelocidade
Circuito integrado com Circuito integrado com sensor de Hall para sensor de Hall para
detectores magnéticos detectores magnéticos (Micronas HAL 50x)(Micronas HAL 50x)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Magneto-ResistênciasMagneto-Resistências
Vantagens relativamente aos sensores de HallVantagens relativamente aos sensores de Hall Maior sensibilidadeMaior sensibilidade
MaiorMaior gama de temperaturas de funcionamentogama de temperaturas de funcionamento
Gama de frequências desde DC até alguns MHzGama de frequências desde DC até alguns MHz
(até 25 kHz nos sensores de Hall)(até 25 kHz nos sensores de Hall)
Num condutor atravessado por corrente Num condutor atravessado por corrente eléctrica, submetido a um campo magnético, eléctrica, submetido a um campo magnético, parte dos electrões são desviados por este parte dos electrões são desviados por este
Aumenta a resistência Aumenta a resistência eléctricaeléctrica
O efeito é mais pronunciado nos materiais O efeito é mais pronunciado nos materiais ferromagnéticosferromagnéticos
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Magneto-ResistênciasMagneto-ResistênciasMateriais UsadosMateriais Usados
Permalloy (20% Fe + 80% Ni); NiFeCo; Permalloy (20% Fe + 80% Ni); NiFeCo; NiFeMoNiFeMo
AplicaçõesAplicações
Medida de campo magnéticoMedida de campo magnético
Leitores de cartões tipo multi-bancoLeitores de cartões tipo multi-banco
Medida de deslocamentos lineares e Medida de deslocamentos lineares e angulares angulares
Controlo de tráfegoControlo de tráfego
Compassos magnéticos para sistemas Compassos magnéticos para sistemas dede
navegaçãonavegação
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Magneto-ResistênciasMagneto-Resistências
Magneto-Magneto-Resistências da Resistências da
Philips da série KMZPhilips da série KMZ
KMZ10KMZ10
Estrutura internaEstrutura interna
Configuração em Configuração em ponteponte
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Magneto-ResistênciasMagneto-Resistências
Efeito magnetoresistivo Efeito magnetoresistivo no permalloy. no permalloy. RR00 = 3% = 3%
A relação entre R e H é A relação entre R e H é quadrática quadrática
necessidade de necessidade de linearizaçãolinearização
RR == RR00 ++ RR00
11 HH
HH 2200
ppaarraa HH HH00
Série KMZSérie KMZ
Característica Característica
VV00(H), da (H), da magnetoresistêmagnetoresistê
nciancia
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Magneto-Magneto-ResistênciasResistências
Circuito de aplicação com compensação Circuito de aplicação com compensação de temperatura através de sensor PTC de temperatura através de sensor PTC
(KTY82-210)(KTY82-210)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Magneto-Magneto-ResistênciasResistências
Exemplo de Aplicação no Controlo de Exemplo de Aplicação no Controlo de TráfegoTráfego
Espectro dos sinais Espectro dos sinais durante a passagem durante a passagem
de um veículode um veículo
O método é eficaz O método é eficaz mesmo no caso de mesmo no caso de
veículos com motor e veículos com motor e chassis de alumíniochassis de alumínio
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Indutivos de Transdutores Indutivos de PosiçãoPosição
Transformadores de Relutância VariávelTransformadores de Relutância Variável
Transformador Linear Diferencial -Transformador Linear Diferencial - LVDT LVDT (Linear(Linear
Variable Differential Transformer)Variable Differential Transformer)Transformadores de Relutância Transformadores de Relutância VariávelVariável
Nos transdutores indutivos faz-se variar a Nos transdutores indutivos faz-se variar a relutância magnética Rrelutância magnética RMM, através do , através do
deslocamento do núcleo. A indutância L édeslocamento do núcleo. A indutância L é LL == NN
dd
dd ii ==
NN ii
RRMM LL ==
NN 22
RRMM
N – N – número de número de
espirasespiras
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Indutivos de Transdutores Indutivos de PosiçãoPosição
RRMM ll
rr 00 AA Para um comprimento da Para um comprimento da
bobine, l bobine, l >>>>d (diâmetro) éd (diâmetro) é
Deslocando o núcleo faz-se variar RDeslocando o núcleo faz-se variar RM M por por
efeito da variação de efeito da variação de rr ((A é a área da secção A é a área da secção
transversaltransversal))LimitaçõesLimitações Campos magnéticos parasitas (necessidade deCampos magnéticos parasitas (necessidade de
blindagem magnéticablindagem magnética
O campo não é uniforme nos extremos da bobine O campo não é uniforme nos extremos da bobine (comportamento não linear)(comportamento não linear)
Nos materiais ferromagnéticos Nos materiais ferromagnéticos rr varia com a varia com a frequênciafrequência
Com alimentação com corrente alterna é Com alimentação com corrente alterna é necessário um necessário um detector de fasedetector de fase
Temperatura de funcionamento limitada à temp. Temperatura de funcionamento limitada à temp. de Curiede Curie
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Indutivos de Transdutores Indutivos de PosiçãoPosição
VantagensVantagens
Elevada resistência à humidade Elevada resistência à humidade
Os transformadores diferenciais são Os transformadores diferenciais são insensíveis a insensíveis a campos magnéticos externos, campos magnéticos externos, variações de variações de temperatura e da tensão temperatura e da tensão de alimentaçãode alimentação
Duração muito elevada (MTBF Duração muito elevada (MTBF 22101066 horas !!!)horas !!!)
Resolução muito elevada Resolução muito elevada (0,1%),(0,1%), gama de gama de medida medida desde desde 100100m até m até 2525cmcm
Como as perdas aumentam com a frequência, para Como as perdas aumentam com a frequência, para
frequências elevadas (acima das dezenas de kHz) frequências elevadas (acima das dezenas de kHz)
utilizam-se núcleos de ar utilizam-se núcleos de ar menor variação de L menor variação de L
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Indutivos de Transdutores Indutivos de PosiçãoPosição
Transformadores diferenciais Transformadores diferenciais LVDTLVDT
AplicaçõesAplicações
Detectores de zero em servo-sistemas de posição Detectores de zero em servo-sistemas de posição (aviões(aviões
e submarinos)e submarinos)
Medida da espessura de chapas metálicas Medida da espessura de chapas metálicas
(0.025 mm a 2,5 mm)(0.025 mm a 2,5 mm)
Medida de aceleraçãoMedida de aceleração
Detectores de proximidade e deslocamentoDetectores de proximidade e deslocamento
Controlo de tráfego - contagem e medida deControlo de tráfego - contagem e medida de
velocidade de veículos (bobines colocadas debaixo velocidade de veículos (bobines colocadas debaixo dodo
pavimento)pavimento)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Indutivos de Transdutores Indutivos de PosiçãoPosição
Transformadores diferenciais LVDTTransformadores diferenciais LVDT
VV11 == II 11 ((RRgg ++ ssLL11)) ++ II 22 ((ssLLMM22 ssLLMM11)) 00 == II 11 ((ssLLMM22 ssLLMM11)) ++ II 22 ((RRCC++22ssLL22 ssLLMM33))
Primário:Primário:
Secundário:Secundário:
LLM1M1, L, LM2M2 e L e LM3M3
representam representam respectivamente as respectivamente as indutâncias mútuas indutâncias mútuas entre o primário e o entre o primário e o secundário (superior), secundário (superior), entre primário e o entre primário e o secundário (inferior) e secundário (inferior) e entre os dois entre os dois secundários, obtém-sesecundários, obtém-se
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Indutivos de PosiçãoTransdutores Indutivos de Posição
II 22 == VV11 ss ((LLMM 11 LLMM 22))
ss22 LL11 ((22LL22 22LLMM 33)) ((LLMM 22 LLMM 11))22 ++ ss RRCC LL11++RRgg ((22LL22 22LLMM33 )) ++ RRggRRCC
VV22 == II 22 RRCC == VV11 ss ((LLMM 11 LLMM 22)) RRCC
ss22 22LL11LL22 ++ ss ((RRCC LL11 ++ 22RRgg LL22 )) ++ RRgg RRCC
Como em geral LComo em geral L22>>>>LLMM33 e 2L e 2L11LL22 >>>>(L(LMM22 LLMM11) ) 22,,
donde resultadonde resulta
A resposta é do tipo passa-banda A resposta é do tipo passa-banda pelo que a sensibilidade do pelo que a sensibilidade do dispositivo é máxima na frequência dispositivo é máxima na frequência central, central, 00
00== RRgg RRCC
22LL11LL22
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Indutivos de Transdutores Indutivos de PosiçãoPosição
Nos LVDT a tensão de saída, correspondente Nos LVDT a tensão de saída, correspondente à posição central do núcleo, não é nula, à posição central do núcleo, não é nula, atingindo sim um dado valor mínimo. Isso atingindo sim um dado valor mínimo. Isso deve-se às capacidades parasitas entre deve-se às capacidades parasitas entre primário e secundário e à simetria imperfeita primário e secundário e à simetria imperfeita do dispositivo.do dispositivo.A tensão de saída apresenta distorção A tensão de saída apresenta distorção harmónica devida à saturação do núcleo, em harmónica devida à saturação do núcleo, em especial a 3ª harmónica. Este problema pode especial a 3ª harmónica. Este problema pode ser resolvido utilizando um filtro passa-baixo. ser resolvido utilizando um filtro passa-baixo.
Alguns modelos incorporam os circuitos Alguns modelos incorporam os circuitos electrónicos de acondicionamento e também o electrónicos de acondicionamento e também o oscilador que gera a tensão primária. São, por oscilador que gera a tensão primária. São, por isso, alimentados em DC. isso, alimentados em DC.
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Indutivos de Transdutores Indutivos de PosiçãoPosição
vv11((tt)) == AA11 ccooss((11tt ++ 11))
vv22((tt)) == AA22 ccooss((22tt ++ 22))
vv11((tt)) vv22((tt))
== 1122 AA11AA22 {{ccooss[[((11 ++ 22))tt ++11++22]] ++ ccooss[[((22 11))tt 11 22]]}}
Detector de Detector de FaseFase
Considerem-se as tensões sinusoidais vConsiderem-se as tensões sinusoidais v11(t) (t)
e ve v22(t), em que (t), em que 11 e e 2 2 , são as respectivas , são as respectivas
fases,fases,
O produto de O produto de vv11(t) por v(t) por v22(t) (t) éé
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Transdutores Indutivos de Transdutores Indutivos de PosiçãoPosição
vvvooouuuttt(((ttt))) === 111222 AAA111 AAA222 cccooosss (((111+++ 222)))
Utilizando um filtro passa-baixo para eliminar a Utilizando um filtro passa-baixo para eliminar a componente de frequência componente de frequência 11++22, obtém-se a , obtém-se a
componente diferença. No caso de ser componente diferença. No caso de ser == 1 1 = = 22, tal como acontece em muitos , tal como acontece em muitos
transdutores, é transdutores, é
A tensão de saída, é função da fase tal como se A tensão de saída, é função da fase tal como se pretendia. Os detectores de fase utilizam, em pretendia. Os detectores de fase utilizam, em geral, circuitos multiplicadores analógicos. geral, circuitos multiplicadores analógicos. Convertendo as tensões a multiplicar, através de Convertendo as tensões a multiplicar, através de circuitos limitadores, em tensões com forma de circuitos limitadores, em tensões com forma de onda rectangular, podem utilizar-se circuitos onda rectangular, podem utilizar-se circuitos digitais para realizar a multiplicação. digitais para realizar a multiplicação.
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Multiplicador AnalógicoMultiplicador Analógico
III ccc111 III SSS (((eeeVVVbbbeee111///VVVTTT 111))) III SSS eeeVVVbbbeee111///VVVTTT
III ccc222 III SSS (((eeeVVVbbbeee222///VVVTTT 111))) III SSS eeeVVVbbbeee222///VVVTTT
Multiplicador Multiplicador analógico analógico
baseado num baseado num amplificador amplificador diferencialdiferencial
A corrente IA corrente I00 é é controlada por controlada por
uma das tensões uma das tensões de entrada do de entrada do
multiplicador multiplicador ((VV22))
As correntes de As correntes de colector de T1/T2 colector de T1/T2
sãosão
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Multiplicador AnalógicoMultiplicador Analógico
III ccc111 === III ccc222 eee(((VVVbbbeee111 VVVbbbeee222)))///VVVTTT
Somando a ambos membros ISomando a ambos membros Ic2c2, vem, vem
III ccc111 +++ III ccc222 === III 000 === III ccc222 [[[eee(((VVVbbbeee111 VVVbbbeee222)))///VVVTTT +++ 111]]]
III ccc222 ===
III 000
eee(((VVVbbbeee111 VVVbbbeee222)))///VVVTTT +++ 111
VVV000ddd
VVVbbbeee111VVVbbbeee222 ===
VVV000ddd
VVVddd === gggmmmddd RRRCCC
A razão entre as duas equações éA razão entre as duas equações é
resultanresultandodo
O ganho do O ganho do amplificador amplificador diferencial édiferencial é
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Multiplicador AnalógicoMultiplicador Analógico
gggmmmddd === III ccc222
(((VVVbbbeee111VVVbbbeee222))) ===
111VVVTTT
III 000 eee
(((VVVbbbeee111VVVbbbeee222)))///VVVTTT
[[[111 +++ eee(((VVVbbbeee111VVVbbbeee222)))///VVVTTT ]]]222
gggmmmddd ===
III 000
444 VVVTTT
A transcondutância do par diferencial é definida, para A transcondutância do par diferencial é definida, para VVbebe22=V=Vbebe11,,
por por
resultandoresultando
Como IComo I00 = K = Kii V V22, sendo, sendo KKii a constante de ganho, a constante de ganho, vemvem
VVV000ddd === KKKiii VVV111VVV222 RRRCCC
444 VVVTTT
A tensão de saída é uma A tensão de saída é uma função do produto função do produto
vv11(t) (t) vv22(t)(t)
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Detectores PiroeléctricosDetectores Piroeléctricos
PiroelectricidadePiroelectricidade - baseia-se, tal como a - baseia-se, tal como apiezoelectricidade, na anisotropia dos cristais. Boapiezoelectricidade, na anisotropia dos cristais. Boaparte dos materiais piezoeléctricos são tambémparte dos materiais piezoeléctricos são tambémpiroeléctricos. piroeléctricos.
HH22OOA uma variação A uma variação T corresponde T corresponde
uma variação de carga uma variação de carga eléctrica eléctrica qq
As moléculas destes, As moléculas destes, assimétricasassimétricascomo as da água, quando como as da água, quando sujeitas a aquecimentosujeitas a aquecimentomantém a orientação dos mantém a orientação dos dipolos. No entanto, a água não dipolos. No entanto, a água não exibe estas propriedades.exibe estas propriedades.
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Detectores PiroeléctricosDetectores Piroeléctricos
LinearesLineares – – não é possível não é possível
mudar a polarização através mudar a polarização através dada
inversão do campo eléctricoinversão do campo eléctrico
Ex.:turmalina, sulfato de Ex.:turmalina, sulfato de lítiolítio
Ferroeléctricos – Ferroeléctricos – Ex.:Ex.: tantalato de lítio, tantalato de lítio, kynar(PVDF)kynar(PVDF)
Materiais Materiais piroeléctricospiroeléctricos
As propriedades piroeléctricas desaparecem As propriedades piroeléctricas desaparecem para temperaturas superiores à temperatura para temperaturas superiores à temperatura
de Curiede Curie
Os sensores piroeléctricos apresentam em geral, Os sensores piroeléctricos apresentam em geral, elevada sensibilidade e baixo ruídoelevada sensibilidade e baixo ruído
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Detectores Detectores PiroeléctricosPiroeléctricos
RRVV == pp
AA CCEE ((11 ++ 22 22))11// 22
Quando a radiação incidente é pulsatória, com Quando a radiação incidente é pulsatória, com potência Ppotência Pii
a tensão gerada pelo sensor é Va tensão gerada pelo sensor é V00 = R = RVV P Pii, sendo R, sendo RVV a a
sensibilidadesensibilidade AA – área do sensor – área do sensor - coeficiente de- coeficiente de absorção de absorção de energiaenergia - constante de - constante de tempotempo térmicatérmica- frequência - frequência angularangularpp – coeficiente – coeficiente piroeléctricopiroeléctricoCCEE – calor específico – calor específico
È desejável que p seja elevado e que CÈ desejável que p seja elevado e que CEE e e sejam sejam baixosbaixos
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Detectores PiroeléctricosDetectores Piroeléctricos
MaterialMaterial
CoeficientCoeficiente e
piroeléctripiroeléctrico (p)co (p)
nC/cmnC/cm22 K K
Constante Constante dieléctrica dieléctrica
relativarelativa
(())
Calor Calor específico específico
((CCEE))
J/cmJ/cm33 K K
Sulfato de Sulfato de triglicerinatriglicerina
Tantalato de lítioTantalato de lítio
Niobato de Niobato de estrôncio e bárioestrôncio e bário
Kynar Kynar (PVDF)(PVDF)
4040
1919
6060
33
3535
4646
400400
1111
2,502,50
3,193,19
2,342,34
2,402,40
Parâmetros dos Materiais Piroeléctricos mais Parâmetros dos Materiais Piroeléctricos mais UsuaisUsuais
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Detectores PiroeléctricosDetectores PiroeléctricosOs circuitos de acondicionamento do sinal para Os circuitos de acondicionamento do sinal para sensores piroeléctricos utilizam amplificadores sensores piroeléctricos utilizam amplificadores de tensão de elevada impedância de entrada. de tensão de elevada impedância de entrada. Utilizam-se transístores JFET na configuração Utilizam-se transístores JFET na configuração seguidor de fonte. seguidor de fonte.
Pré-amplificador com dois canais Pré-amplificador com dois canais utilizado num detector de infra-utilizado num detector de infra-
vermelhosvermelhos
O detector inclui transístores JFET O detector inclui transístores JFET de baixo ruído de baixo ruído
Resposta na frequênciaResposta na frequência
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
Detectores PiroeléctricosDetectores Piroeléctricos
AplicaçõesAplicações Detecção de radiação térmica à temperatura Detecção de radiação térmica à temperatura ambienteambiente Medida de temperatura à distância, por ex., medida Medida de temperatura à distância, por ex., medida dada
temperatura da superfície terrestre feita a partir detemperatura da superfície terrestre feita a partir de aviõesaviões Analisadores de infra-vermelhos Analisadores de infra-vermelhos Detecção de intrusosDetecção de intrusos Termómetros de alta resolução Termómetros de alta resolução (10(10-6-6 ºC) ºC) Obtenção de imagens através de varrimento daObtenção de imagens através de varrimento da
superfície a detectarsuperfície a detectar
Modulando a radiação incidente é possível Modulando a radiação incidente é possível aumentar o desempenho do detector – anula-se o aumentar o desempenho do detector – anula-se o efeito das cargas parasitas que podem neutralizar efeito das cargas parasitas que podem neutralizar as cargas induzidasas cargas induzidas
Carlos Martins - ENIDH, Departamento de Radiotecnia
BibliografiaBibliografia
S. M. Sze, S. M. Sze, Semiconductor Devices, Physics and Semiconductor Devices, Physics and Technology,Technology,
J. Wiley & Sons, New York, 1985.J. Wiley & Sons, New York, 1985.
Ramón Pallás Areny, Ramón Pallás Areny, Transductores y Transductores y Acondicionadores deAcondicionadores de
Señal, Señal, Marcombo Boixareu Editores, Barcelona, 1989.Marcombo Boixareu Editores, Barcelona, 1989.
Moisés PiedadeMoisés Piedade,, Aquisição e Processamento de Aquisição e Processamento de Sinais, Sinais, IST,IST,
Lisboa, 1996.Lisboa, 1996.