Sensores e transdutores
Transdutor Dispositivo que converte uma forma de energia ou quantidade física noutra. Sensor Fornece informação de entrada no nosso sistema a partir do mundo externo. Por exemplo, um sensor fotoeléctrico pode ser tanto um transdutor quanto um sensor propriamente dito. Dizemos que um sensor fotoeléctrico é um transdutor quando ele converte energia luminosa em energia eléctrica. É o caso das células fotovoltaicas que convertem directamente luz em energia eléctrica. Por outro lado, temos sensores propriamente ditos que convertem luz numa variação de uma grandeza eléctrica qualquer como corrente ou resistência. Esse é o caso das LDR e dos fotodíodos.
Sensores e transdutores 2012 Lucínio Preza de Araújo Tipos de sensores Os sensores são classificados de várias maneiras; uma classificação comum é: sensores com contato ou sem contato. Se o dispositivo precisa contactar uma peça para a detectar, o dispositivo é um sensor do contato. Um interruptor de fim de curso numa correia transportadora é um exemplo. Quando a peça move uma alavanca no interruptor, o interruptor muda de estado. O contato da peça e do interruptor cria uma mudança no estado que o PLC pode monitorar. Interrutores de Fim de Curso O fim de curso é um interrutor de posição que se utiliza na abertura automática de portas, como elemento de segurança, para inverter o sentido de rotação de um motor ou para pará-lo.
Símbolo
Cabeça de acionamento
Como se pode observar, o fim de curso é composto por um contacto normalmente fechado e outro normalmente aberto. Quando se pressiona sobre a cabeça de acionamento, os contactos mudam de posição, fechando o aberto e abrindo o fechado. Terminal de entrada
Contacto NA Contacto NF (Normalmente (Normalmente Fechado) Aberto)
• • • •
O fim-de-curso mecânico é um sensor digital. São normalmente utilizados como sensores de proximidade. Existem numa grande variedade de formas para uma diversidade de aplicações. Os sensores digitais são indicados para operações do tipo “liga/desliga”.
•
As principais características dos sensores mecânicos são: Fáceis de integrar em máquinas de qualquer tipo;
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Sensores e transdutores Requerem contato; Robustos.
Os sensores sem contato podem detectar uma peça sem tocar nela fisicamente, o que evita o atraso ou a interferência no processo. Os sensores sem contato (eletrónicos) não operam mecanicamente (isto é, não têm nenhuma peça móvel) e são mais confiáveis e menos sujeitos a falhas do que sensores mecânicos. Os dispositivos eletrónicos são também muito mais rápidos do que dispositivos mecânicos, assim, os dispositivos sem contato podem trabalhar com índices muito elevados de produção. Exemplos de sensores sem contato: sensores indutivos, sensores capacitivos, sensores fotoelétricos, sensores ultra-sónicos, sensores de proximidade magnéticos. Tipos de sensores Os sensores podem ser classificados de acordo a saída do sinal, podendo esta ser analógica ou digital.
Digitais ou discretos Assume apenas dois valores de saída ao longo do tempo, que podem ser interpretados como 0 e 1.
Um sensor digital tem dois estados: ligado ou desligado. A maioria das aplicações envolve detetar a presença/ausência de peças e procedimentos de contagem, o que um sensor digital faz de maneira perfeita e barata. Os sensores digitais são mais simples e mais fáceis de usar do que os analógicos, o que é um fator para seu largo uso.
Analógicos ou proporcionais São informações em forma de um sinal eléctrico proporcional à grandeza medida.
Sensores analógicos, também chamados de sensores de saída linear, são mais complexos do que os digitais, mas podem fornecer muito mais informação sobre um processo. Imagine um sensor usado para medir temperatura. Uma temperatura é uma informação analógica. Um sensor analógico detecta a temperatura e emite uma corrente ao PLC. Quanto mais elevada a temperatura, mais elevada a saída do sensor. O sensor pode, por exemplo, apresentar na saída entre 4 e 20 miliampéres dependendo da temperatura real, embora haja um ilimitado número de temperaturas (e de correntes elétricas). Lembre-se que a saída de um sensor digital está ou ligada ou desligada. Por outro lado, a saída de um sensor analógico pode ser qualquer valor dentro da escala. http://www.prof2000.pt/users/lpa
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Sensores e transdutores Assim, o PLC pode monitorar a temperatura muito precisamente e controlar o processo. Sensores óticos Fotorresistência LDR (Resistência Dependente da Luz)
O seu valor óhmico varia segundo a luminosidade que incide nela. Na obscuridade apresenta grande resistência e com luz pequena resistência.
As resistências LDR são à base de sulfureto de cádmio (CdS), selénio, etc.
São utilizadas nos fotómetros das máquinas fotográficas, na detecção de incêndios, controlo automático de luzes, etc.
A LDR não tem polaridade. A sua resistência diminui quando a luz aumenta e aumenta a sua resistência quando a luz diminui. As LDR com uma superfície maior tem mais sensibilidade e também uma capacidade maior de dissipar calor logo, consegue controlar correntes mais intensas. A LDR é um dispositivo lento. Enquanto outros tipos de sensores como os fotodíodos e os fototransístores podem perceber variações muito rápidas de luz, em frequências que chegam a dezenas ou mesmo centenas de megahertz, a LDR tem um tempo de resposta muito longo. Fotodíodo O fotodíodo é um díodo semicondutor no qual a corrente inversa varia com a iluminação que incide sobre a sua junção PN. K
+
A
O fotodíodo é polarizado inversamente aproveitando a variação da corrente inversa que se verifica quando a luz incide nele.
A energia luminosa incidente sobre a lente do fotodíodo concentra-se na junção PN e cria pares lacuna – electrão, dando origem a uma corrente, na presença de uma tensão.
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Sensores e transdutores NOTA: O nível de corrente gerada pela luz incidente sobre um fotodíodo não é suficiente para que ele possa ser usado num controle directo, sendo necessário para isso que haja uma etapa de amplificação.
Curva característica típica de um fotodíodo. (Corrente inversa)
Para uma mesma tensão inversa de polarização, a corrente inversa aumenta de valor ao aumentar o fluxo luminoso incidente. Quando incide luz no fotodíodo, a corrente inversa varia quase linearmente com o fluxo luminoso.
(Tensão inversa de polarização)
Fototransístor São em tudo semelhantes aos transístores bipolares convencionais, excepto pelo facto dos fototransístores possuírem uma abertura ou janela para a incidência da luz e poderem ter ou não o terminal de base. Alguns modelos dispõem de terminal de base, + VCC o que permite um melhor controlo do dispositivo. Rc
O fototransístor polariza-se da mesma forma que um transístor bipolar convencional, embora agora a corrente de colector não seja controlada pela corrente de base, mas sim, pela intensidade de luz C incidente na junção base – colector, polarizada inversamente. Um fototransístor nada mais é do que um transístor bipolar comum com as suas junções semicondutoras PNP ou NPN, porém com uma janela ou abertura no invólucro, de modo a facilitar a entrada de luz E sobre a pastilha de silício. A luz vai agir sobre as junções internas do transístor, exactamente como se fosse uma corrente de base, incrementado a condução entre o colector e o emissor na razão directa da intensidade da luz. Isso quer dizer que, no seu percurso colector/emissor, um fototransístor mantido na escuridão é como um transístor bipolar comum não polarizado. Por outro lado, com o fototransístor sob luz forte ele age como um transístor comum com a base fortemente polarizada. Para além do processo de geração de portadores de carga eléctrica através da incidência de luz, no fototransístor aproveitam-se as propriedades de amplificação de um transístor (assim, os fototransístores apresentam uma grande sensibilidade em comparação com os fotodíodos). Fototirístor Também é designado por SCR controlado por luz ou LASCR (Light Activation SCR). http://www.prof2000.pt/users/lpa
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Sensores e transdutores Trata-se de um SCR cujo disparo é realizado mediante uma radiação luminosa. Se expusermos a junção PN central à luz, através de uma janela e lente, esta se comportará como um fotodíodo, disparando o SCR. Sensores de temperatura Termístores ou termistências
NTC (Coeficiente de Temperatur a Negativo)
O seu valor óhmico diminui à medida que a temperatura aumenta.
As resistências NTC são fabricadas à base de óxidos semicondutores .
PTC (Coeficiente de Temperatur a Positivo)
O seu valor óhmico aumenta à medida que a temperatura aumenta.
As resistências PTC são fabricadas à base de titanatos de bário e de estrôncio.
Têm aplicações na medição de temperaturas, protecção de circuitos, estabilização da tensão, etc. Têm aplicações como limitadoras da intensidade da corrente em circuitos e máquinas eléctricas, na protecção destes mesmos circuitos, e em particular de motores, contra temperaturas exageradas.
Termopares Elemento de medida de temperatura constituído por dois fios de materiais diferentes ligados um ao outro.
Quando dois condutores metálicos A e B de diferentes naturezas são acoplados mediante um gradiente de temperatura, os eletrões de um metal tendem a migrar de um condutor para o outro, gerando uma diferença de potencial elétrico (E A – EB).
eletrões
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Sensores de presença Sensor infravermelho passivo Detectam a radiação infravermelha (calor) emitido por animais de sangue quente e, portanto, por seres humanos. Na realidade são sensíveis a uma variação de temperatura no seu campo de acção, o que lhes permite detectar, com uma precisão muito boa, a aproximação de qualquer pessoa. Estes detectores são normalmente para uso interno e não devem ser montados perto de fontes de calor, ventoinhas, aparelhos de ar condicionado, janelas expostas ao sol ou locais com variações bruscas de temperatura. Estes detectores, porque possuem apenas receptor de IV, designamse de passivos, sendo vulgarmente conhecidos como PIR (Passive Infrared). O elemento sensor deste tipo de detectores é pirotérmico (termopilha) ∗. Sensor infravermelho ativo Barreira de infravermelhos
Os detetores por infravermelhos ativos (IVA) são formados por um emissor (led infravermelho) e um recetor de IV (fototransístor). Nestes, a deteção acontece quando um feixe de IV é interrompido.
Emissor
Recetor
Utilizados em aplicações e segurança, como: alarmes, iluminação automática, portas de garagem e outras.
A termopilha é formada por vários termopares ligados em série. Ela é composta pela junção de metais diferentes que produzem tensão quando um lado da junção tem temperatura diferente do outro lado da junção. A junção fria é mantida à temperatura ambiente numa massa de temperatura estável, A junção quente é exposta à radiação incidente. Ligando vários termopares em série, é obtida uma tensão maior de saída. http://www.prof2000.pt/users/lpa Página 7 de 16
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Existem vários tipos e modelos de sensores que variam conforme o objeto alvo de sensoreamento -
Indutivos – São sensores que trabalham com um campo electromagnético, portanto detectam apenas materiais ferromagnéticos. Capacitivos – São sensores que trabalham com o princípio da capacidade, detectam todos os tipos de materiais. Fotoeléctricos – São sensores que trabalham com emissão e recepção de luz, detectam todos os tipos de materiais. Ultra-sónicos – São sensores que operam com a emissão e reflexão de um feixe de ondas acústicas. A saída comuta quando este feixe é reflectido ou interrompido pelo material a ser detectado.
Terminologia Face sensora: A face sensora é o lado sensor que detecta o objecte.
do
Distância sensora: É a distância entre face sensora e o objecto a ser detectado. Com este parâmetro podemos definir a maior distância a que podemos deixar o sensor do objecto a ser detectado.
a
Histerese: A histerese pode ser traduzida como um atraso que tem como objectivo evitar falsas comutações na saída, este efeito propícia ao sensor uma banda de segurança entre o ligar (ON point) e o desligar (OFF point). As ilustrações abaixo são para um sensor com as seguintes características: distância sensora (SN) de 10 mm e histerese (H) de ± 20%.
Assim, se o objecto estiver a mover-se em direcção ao sensor, deve mover-se para o ponto mais próximo para ligá-lo. Uma vez ligado (ON point), permanece ligado até que o objecto se mova para o ponto mais distante (OFF point). http://www.prof2000.pt/users/lpa
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Sensores de proximidade indutivos Tem como elemento sensor uma bobina que gera um campo electromagnético de alta-frequência. A indutância varia com a proximidade de materiais ferromagnéticos. Vantagens da detecção indutiva: -
Muito boa resistência aos ambientes industriais. Não possui contacto físico com o objecto. Aparelhos estáticos: sem peças em movimento no seu interior. Maior vida útil, independente do número de manobras. Velocidade elevada.
Princípios de funcionamento
O oscilador fornece energia à bobina que produz um campo electromagnético. Este campo perderá força (amplitude) quando um objecto metálico se aproximar da face sensora, reduzindo a amplitude da oscilação, esta queda de amplitude dá-se devido a indução de correntes parasitas no objecto metálico. O circuito de disparo detecta as mudanças na amplitude da oscilação. Quando uma mudança considerável é detectada o circuito de saída fornece um sinal para, por exemplo, um PLC (Controlador Lógico Programável). Aplicações A principal aplicação é a detecção de objectos metálicos, pois o campo emitido é electromagnético.
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Sensores de proximidade capacitivos São sensores capazes de detectar a aproximação de objectos sem a necessidade de contanto físico, tal qual os sensores indutivos, porém com principio de funcionamento baseado na variação da capacidade. Neste caso o elemento sensor é um condensador cuja capacidade varia com a aproximação de qualquer material. Princípio de funcionamento
Utiliza como princípio de funcionamento a variação do dielétrico. O oscilador alimenta um condensador formado por duas placas na sua face sensora, que é a parte sensível do aparelho. Quando algum material entra nesta região, provoca uma variação da capacidade alterando a oscilação do oscilador que é detectada pelo circuito de disparo do sensor capacitivo que atua na carga ligada ao circuito de saída. A capacidade do circuito é determinada pelo tamanho do alvo, a sua constante dieléctrica e a distância até à face sensora. Quanto maior o tamanho e a constante dieléctrica de um alvo, mais este aumenta a capacidade. Quanto menor a distância entre a face sensora e o alvo, maior a capacidade. Aplicações Os sensores capacitivos podem detectar objectos metálicos e não metálicos assim como produtos dentro de recipientes não metálicos. NOTA: O sensor capacitivo não consegue detectar produtos dentro de recipientes (frascos) se a constante dielétrica do produto for menor que a do recipiente. Alguns sensores capacitivos possuem um ajuste de sensibilidade, o que possibilita a detecção de produtos dentro de recipientes.
Estes sensores são usados geralmente na indústria de alimento e para verificar os níveis de fluidos e sólidos dentro de tanques. http://www.prof2000.pt/users/lpa
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Sensores ultra-sónicos Os sensores ultra-sónico trabalham emitindo e recebendo sinais sonoros de altafrequência e, portanto inaudíveis ao homem. Os transdutores ultra-sónicos têm cristais Piezoelétricos que têm uma ressonância a uma frequência desejada e convertem a energia eléctrica em energia acústica e viceversa. Funcionamento O princípio de funcionamento dos sensores ultra-sônicos está baseado na emissão de uma onda sonora de alta-frequência, e na medição do tempo levado para a recepção do eco produzido quando esta onda choca com um objecto capaz de reflectir o som. Eles emitem pulsos ultra-sônicos ciclicamente. Quando um objecto reflecte estes pulsos, o eco resultante é recebido e convertido num sinal eléctrico .
A detecção do eco incidente, depende de sua intensidade e esta da distância entre o objecto e o sensor ultra-sónico. Os sensores ultra-sónicos funcionam medindo o tempo de propagação do eco. Isto é, o intervalo de tempo medido entre o impulso sonoro emitido e o eco do mesmo. Algumas vantagens e desvantagens dos sensores ultra-sónicos -
Existe uma zona morta próxima da face sensora. Alguns materiais como espumas, tecidos, borrachas são difíceis de detectar, pois absorvem o som. Possui um custo mais elevado que os sensores referidos anteriormente.
Aplicações Os sensores ultra-sónicos podem ser utilizados para os mais diversos fins, incluído: medidas de diâmetro de rolos, detecção de quebra de fios, presença de pessoas, medição de densidades, etc.
Sensor ultra-sónico para medição de tamanho
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Sensor ultra-sónico para medição de diâmetro
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Sensores e transdutores Sensores fotoelétricos Os sensores fotoeléctricos são constituídos por dois circuitos electrónicos sendo o transmissor, responsável pela emissão/ modulação da luz e o receptor, responsável pela recepção desta mesma luz. Detectam a mudança da quantidade de luz que é reflectida ou bloqueada pelo objecto a ser detectado.
A composição básica do sensor fotoeléctrico: -
Fonte de luz (Em geral são leds infravermelho).
-
Sensor de luz (São componentes electrónicos que alteram a intensidade da corrente que conduzem conforme a quantidade de luz recebida).
-
Lentes (Os leds e os fotossensores emitem e captam luz numa grande área. As lentes são utilizadas para estreitar essa área, isso faz com que o alcance da detecção seja maior).
-
Saída (Se o nível de luz detectado for suficiente então o sensor liga ou desliga a saída).
Tipos de sensores fotoelétricos: •
Sensor ótico por barreira de luz
•
Sensor ótico por retrorreflexão
•
Sensor ótico por reflexão difusa
Sensor de barreira
E
R
Sensor por retrorreflexão
E R
Refletor
Sensor por E reflexão difusa R
.
Objecto a detectar
E – Emissor R – Receptor
Os sensores ópticos podem ser sensíveis à luz ou ao escuro. Vejamos: Light – On: A saída fica ligada (ON) quando o sensor recebe o feixe de luz modulada e, portanto, fica desligada (OFF) quando a luz é interrompida. Dark – On: A saída fica ligada (ON) quando o sensor não recebe o feixe de luz e, portanto, fica desligada (OFF) se a receber. Dark – On e Light – On: Alguns sensores disponibilizam aos seus utilizadores as duas opções, ou seja, fica ao critério do projetista.
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Sensores e transdutores Alguns sensores ópticos possuem supressores de background, ou seja, serão insensíveis ao fundo brilhante, outros não e, portanto, se houver um fundo brilhante pode confundir a detecção do objeto, mesmo que este fundo esteja fora da distância sensora máxima.
Sensores de proximidade magnéticos Estes detectores são constituídos por duas lâminas magnéticas com contactos nas extremidades, sendo o conjunto encerrado num invólucro cilíndrico de vidro (reed) cheio de gás inerte.
Estes detectores são normalmente utilizados em portas e janelas, o invólucro que contém o reed é fixado na moldura da porta e o invólucro que contém o íman é fixado na própria porta, de modo que, com esta fechada, fiquem defronte um do outro. Assim, com a porta fechada, o contacto do reed está fechado e com a porta ligeiramente aberta, o contacto está aberto e sinaliza alarme.
Íman
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Considerações para a instalação de sensores A consideração principal na instalação eléctrica de sensores é o limite da corrente eléctrica aplicável. A corrente de saída (carga) deve ser limitada para a maioria dos sensores a uma corrente de saída bastante pequena. O limite da saída fica geralmente entre 50 e 200 miliamperes. É crucial que a corrente esteja limitada a um nível que o sensor possa suportar. Os módulos de entrada do PLC (Controlador Lógico Programável) limitam a corrente a níveis aceitáveis. Por sua vez, sensores com saídas de relé podem suportar correntes mais elevadas (tipicamente 3 amperes). Alimentação dos sensores Um sensor, como qualquer outro dispositivo electrónico, requer cuidado com a alimentação, pois se for feita de forma inadequada, poderá causar danos irreparáveis ao sensor. Os fabricantes disponibilizam sensores capazes de trabalhar com tensões de 12 a 250 V alternada ou contínua. Saídas dos sensores Os sensores com saídas discretas possuem saídas com transístores, e estes podem ser NPN ou PNP. Sensores com saída NPN – São utilizados para comutar a carga ao potencial positivo.
Sensores com saída PNP – São utilizados para comutar a carga ao potencial negativo.
Nos sensores com saída a relé as saídas não são electrónicas mas sim mecânicas. O relê possui contratos, normalmente abertos (NA) e normalmente fechados (NF), o que http://www.prof2000.pt/users/lpa
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Sensores e transdutores nos disponibiliza uma independência quanto à tensão da carga. A principal vantagem sobre os electrónicos está em poder trabalhar com correntes mais altas. Ligação eléctrica dos sensores Observar os esquemas de ligação eléctrica, identificando as cores dos fios antes de instalar o sensor, evitando principalmente que a saída do sensor seja ligada à rede eléctrica, o que causaria a destruição do sensor. Não se devem utilizar lâmpadas de incandescência com os sensores pois a resistência do filamento frio provoca uma corrente de pico que pode danificar o sensor. As cargas indutivas, tais como contactores, relés devem ser bem especificadas porque a corrente de ligação ou de corte podem danificar o sensor. Conforme as recomendações das normas técnicas, deve-se evitar que os cabos dos sensores utilizem os mesmos tubos dos circuitos de potência. As tensões induzidas podem possuir energia suficiente para danificar os sensores.
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