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Sensores e transdutoresSensores e transdutores

PMR 2470

Profs. Nunes - Marcílio - Larissa

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO – ESCOLA POLITÉCNICADepartment of Mechatronics and Mechanical Systems Engineering

Group of Solid Mechanics and Structural Impact

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Sensor&transdutor

CondicionamentoDe sinal

Pós-processamento

MENSURANDO

RESPOSTA

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TransdutorPrimário (sensor)

Transdutorsecundário

Termo-par Célula de carga

(1 estágio) (2 estágios)

Temperatura voltagemForça

deformação

voltagem

4

Classificação de TransdutoresClassificação de Transdutores

� Mecânicos� Elétricos� Magnéticos� Ópticos� Acústicos� Químicos� Biológicos

5

Transdutores mecânicosTransdutores mecânicos

� Mensurando é transformado (pelo sensor ou transdutor) em:

Deslocamento (medidor de torque)

Movimento (pêndulo)Pressão (tubo de Venturi)

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Transdutores elétricosTransdutores elétricos

Mensurando é transformado (pelo sensor ou transdutor) em:

VOLTAGEM devido à variação deResistência elétricaCapacitânciaIndutânciaCarga elétrica

7

Transdutores magnéticosTransdutores magnéticos

Mensurando é transformado (pelo sensor ou transdutor) em:

campo magnético

8

Transdutores ópticosTransdutores ópticos

� Mensurando é transformado (pelo sensor ou transdutor) em:

corpadrões

freqüência

9

Transdutores acústicos

Mensurando é transformado (pelo sensor ou transdutor) em:

Freqüência (ressonância)Amplitude (emissão acústica)

10

Transdutores químicosTransdutores químicos

Mensurando é transformado (pelo sensor ou transdutor) em:

alteração da condutividade elétrica

11

Transdutores biológicosTransdutores biológicos

Mensurando é transformado (pelo sensor ou transdutor) em:

nível de atividade metabólica

12

Transdutores mecânicos Transdutores mecânicos

Medidores DimensionaisDe movimento e direçãoDe pressãoDe massa e forçaDe temperatura

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Transdutores mecânicos Transdutores mecânicos dimensionaisdimensionais

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Transdutores mecânicos de Transdutores mecânicos de movimento e direçãomovimento e direção

•Velocímetro•Odômetro•Tubo de Venturi•Giroscópio

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Giroscópio

16

Bernoulli :Bernoulli :

Daniel Bernoulli, 1700 - 1782

E=PVol + 1/2 m v 2 + mgh

Em um fluido:

P v

vP

A energia disponível em um fluido incompressível é igual à soma de sua energia cinética, “a energia de fluxo” (devido à pressão no fluido), e à energia potencial gravitacional. Na ausência de viscosidade, não há perda de energia por fricção, de modo que a energia deve ser constante ao longo do perfil hidrodinâmico.

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v

v

a

PP

18

MedidorMedidor de de vazãovazão ((tubotubo de de VenturiVenturi))

ppkAQ21

22 −=

ρ

12

19

Transdutores mecânicos de pressãoTransdutores mecânicos de pressão•Gravitacionais

•Coluna de líquido•Com pistão ou peso

=P1 = P2=F1

A1 A2

F2

P1 < P2

20

21

22

•Elásticos

Transdutores mecânicos de Transdutores mecânicos de pressãopressão

•tubos•diafragmas

Figura pag 359

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Transdutores mecânicos de massaTransdutores mecânicos de massa

•Balança analítica•Balança pendular•Balança torsional(de Cavendish)

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GravitaçãoGravitação UniversalUniversal

SomenteSomente 100 100 anosanos apósapós Newton Newton terter apresentadoapresentado seusseus trabalhotrabalho, , foifoipossívelpossível verificarverificar experimentalmenteexperimentalmente queque a a gravitaçãogravitação é, é, realmenterealmente, , um um fenômenofenômeno universal. O universal. O físicofísico inglêsinglês, Henri Cavendish, , Henri Cavendish, usandousando umaumabalançabalança de de torçãotorção, , equilibriuequilibriu duasduas pequenaspequenas esferasesferas, de , de massasmassas mm11 e e mm22, , emem umauma barrabarra horizontal. horizontal. AproximandoAproximando destasdestas massasmassas duasduasesferasesferas maioresmaiores, M, M11 e Me M22, Cavendish , Cavendish verificouverificou queque a a barrabarra giravagirava, , provocandoprovocando umauma torçãotorção no no fiofio queque sustentavasustentava..

FoiFoi Cavendish, Cavendish, atravésatravés dada experiênciaexperiência nanabalançabalança de de torçãotorção queque determinoudeterminou o valor o valor 6,67 x 106,67 x 10--1111 parapara o valor o valor dada constanteconstante de de gravitaçãogravitação universal G.universal G.Observe Observe queque o valor de G é o valor de G é muitomuito pequenopequenoe e porpor issoisso a a forçaforça de de atraçãoatraçãogravitacionalgravitacional entreentre doisdois objetosobjetos comunscomunssósó podepode ser ser detectadadetectada porpor experiênciasexperiênciasmuitomuito delicadasdelicadas, , comocomo a a mencionadamencionadaacimaacima..TextoTexto extraídoextraído do do livrolivro CursoCurso de de FísicaFísica, de Beatriz , de Beatriz AlvarengaAlvarenga e e AntônioAntônioMáximoMáximo

Uma pequena curiosidade:

A experiência com a balança de torção, realizado por Henry Cavendish, é a sexta entre os 10 mais belas experiências da física, de acordo com a pesquisarealizada pela revista Physics World.

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Balança pendular

Transdutores mecânicos de massaTransdutores mecânicos de massa

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Transdutores mecânicos de forçaTransdutores mecânicos de força

•Torquímetros•Célula de carga mecânica•Célula de carga com fluido•Dinamômetros

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Célula de carga com fluidoCélula de carga com fluido

Pode medir altas cargas (20MN)Grande precisão (0,5%)

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Transdutores mecânicos de Transdutores mecânicos de temperaturatemperatura

•Termômetro de coluna•Lâmina bimetálica

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Transdutores elétricosTransdutores elétricos

•Deformação •Posição ou distância•Temperatura•Velocidade de fluido

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Transdutores elétricos com Transdutores elétricos com resistência variávelresistência variável

•Deformação (extensômetros)•Posição ou distância (resistência variável)

•Linear•Angular

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ExtensômetrosExtensômetros (strain gauges)(strain gauges)

R

R

FG

A

lR

∆=

=

..

1ε

ρ

32

CélulasCélulas de de cargacarga com com extensômetrosextensômetros

33

34

CélulaCélula de de cargacarga com com extensômetrosextensômetros

35

ModelagemModelagem

o)alinhament do depende (não geométrica constante 2

onde

2

=−=

=−=

−+−=

J

rD

Ak

kFJ

FrD

A

FJ

Fbr

A

F

J

Far

A

F

τ

τ

36

TransdutorTransdutor de de pressãopressão com com extensômetrosextensômetros

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MedidoresMedidores elétricoselétricos de de temperaturatemperaturaTermoparesTermopares (TC (TC -- thermocouple)thermocouple)

� Efeito de Seebeck: se dois condutores metálicos A e B (metais puros ou ligas) formam um circuito fechado e portanto duas junções AB, aparecerá uma força eletromotriz termoelétrica e uma corrente percorrerá o circuito se cada uma das junções estiver a temperaturas T1 e T2 distintas. A este conjunto de dois elementos chama-se Termopar .

� A f.e.m. termoelétrica é função do tipo de metais ou ligas metálicas A e B e das temperaturas T1 e T2

� A seleção de metais para os termopares é normalmente feita com base nas condições de aplicação. Ligas metálicas relativamente baratas (com base em Fe, Ni, Cr, etc.) podem ser usadas a temperaturas moderadas (até cerca de 1000°C), mas para temperaturas muito superiores (1500-1700°C) são necessários termopares à base de ligas ricas em platina.

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Tipos de TermoparesT, E, J, K S, R, B

Características individuais para os termopares industriais

1- Termopar tipo T – cobre (+) x constantan ( - )

Estes termopares são resistentes à corrosão em atmosferas úmidas e indicados em também para medição de temperaturas a baixo de zero. Seu limite superior é 370°C, pode ser utilizado em atmosfera oxidantes redutoras ou inertes.

2- Termopar tipo J – ferro (+) x contantan (-)

São apropriados para medição em vácuo e atmosfera, oxidantes, redutores e inertes em temperaturas que chegam até 160° C.A taxa de oxidação do ferro é alta a partir de 560°C. Não é recomendado o uso deste termopar com elementos NÚS em atmosferas acima de 540°C. Em algumas ocasiões este termopar é utilizado para medir temperaturas abaixo de zero, porém a possibilidade do aparecimento de oxidação de ferro, faz com que seja menos indicado do que o tipo T.

3- Termopar tipo K – cromel (+) x Alumel (-)

São recomendados para uso contínuo em atmosferas inertes ou oxidantes, em temperaturas até 1300°C. Podem ser utilizados para medições de até -250°C., Não podem ser utilizados no vácuo, exceto por curtos períodos pois ocorre variação do cromo, alterando a calibração do termopar.

1- Termopar tipo E- Cromel (+) x (-)

São recomendados para faixa de -200°C à 1000°C, em atmosfera inertes ou oxidantes.

2- Termopares Nobres

São os termopares de tipo S, R e B. São considerados nobres, pois são compostos de platina, cujo custo é bastante elevado.

Tipos:

S: platina-rhodium 10% (+) x platina (-)

R: platina-rhodium 13% (+) x platina (-)

São recomendados para uso contínuo em atmosferas oxidantes ou inertes, a temperaturas que chegam até 1400°C, altas causa um excessivo desgaste que pode romper o termopar.

Tipo B – platina- rhodium 30% (+) platina-rhodium 6% (-)

São utilizados em atmosferas inertes ou oxidantes à temperatura limite de 1704°C, são recomendados para trabalhar no vácuo até a temperatura limite.

39RTD de platina mede com alta precisãoentre -259,35°C e 961,78°C

[ ]2000 )()(1)( TTBTTARTR −+−+=

MedidorMedidor elétricoelétrico de de temperaturatemperaturaporpor variaçãovariação de de resistênciaresistência(condutores)(condutores)

•Termômetros RTD(Resistance Temperature Detectors)http://www.branom.com/literature/rtd.htmlNo mesmo ano em que Seebeck fez sua descoberta sobre a termoeletricidade, Sir Homphrey Dovy descobriuque a resistividade dos metais, apresentava uma dependência física para com a temperatura ( a variação domovimento aleatório dos elétrons livres nos metais, varia a resistividade dos mesmo).Cinqüenta anos depois, Sir William Siemens propôs o uso da platina, como sensor nos termômetros deresistência. Sua escolha mostrou-se bastante apropriada, pois até hoje os resistores de platina são utilizadoscomo elementos primários na medição de temperaturas com alta precisão.Platina é excelente para este propósito, dado que ela pode resistir altas temperaturas mantendo a suaestabilidade.

40

Termistor

Semi-condutor cerâmico:diminui sua resistênciaelétrica com o aumento datemperatura

Bastante sensível

[ ])/1/1(exp)( 00 TTRTR −= β

MedidorMedidor elétricoelétrico de de temperaturatemperatura(semi(semi--condutorcondutor))

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MedidorMedidor elétricoelétrico de de velocidadevelocidadede de fluidofluido ((anemômetroanemômetro))

Fluxo de calor é alterado com a vazãoAnemômetros do tipo hot-wire

fluxo diminui temperatura resistência elétrica diminuiLei de King

VBAe ρ+=0

e0=voltagem de alimentação da ponteA, B = constantesρ = densidade de fluidoV = velocidade

42

Transdutores elétricos de Transdutores elétricos de passagem, posiçãopassagem, posição

43

Transdutores elétricos de Transdutores elétricos de capacitânciacapacitância

•Detectores de distância•Detectores de nível•Detectores de passagem

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d

AC rεε0=

Circuitos atuais podem detectar até 1f F

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Transdutores elétricos de Transdutores elétricos de indutânciaindutância

•Medidores de deslocamento

Fluxo magnético devido a corrente de Eddy se opõe àquele da bobina

Impedância da bobina muda de acordo com distância bobina-alvo

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L.V.D.T.L.V.D.T.

47

Transdutores elétricos de geração Transdutores elétricos de geração de carga elétricade carga elétrica

•Piezoelétricos•Cristal (quartzo)•Cerâmicos•Polímeros

V=Ghσh=espessuraσ=tensãoG=0.055Vm/N (quartzo)G=0.22Vm/N (polivinilidenofluorídico)

O sinal elétrico de saída é proporcional (Sensibilidade) à aceleração aplicada

Acumulação de partículas carregadas no cristal.

aF ∝∝++

�� �

�

Material piezoelétrico

Carcaça

Aceleração aplicada (a)

Massa (m)

+Sinal

-Terra

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MedidoresMedidores de de movimentomovimento((vibrômetrosvibrômetros e e acelerômetrosacelerômetros))

49

AcelerômetrosAcelerômetros com com quartzoquartzo

50

CélulaCélula de de cargacarga com com quartzoquartzo

51

TrandutoresTrandutores MEMSMEMS(Micro electro mechanical (Micro electro mechanical

systems) systems) ouou MST (MST (microsystemsmicrosystemstechnology)technology)

� Acelerômetros capacitivos(mais comuns)

� Piezoresistivos

� Electromagnéticos

� Piezoeléctricos

� Ferroelétricos

� Ópticos

� tunneling

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MicroMicro--acelerômetroacelerômetro capacitivocapacitivo

Massa inercial suspensa por vigas flexíveisMovimento da massa inercial retilíneoMassa inercial é parte de um capacitor variávelDistância entre placas do capacitor de 3,6µm 0,003pF/gAmortecimento com gás resposta em frequència de 11kHz

vigas

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TransdutoresTransdutores magnéticosmagnéticosMagneto-estricção => alguns materiais ferromagnéticos a lteram

sua forma quando expostos a campo magnético

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AplicaçãoAplicação: : sensor de sensor de nívelnível

1. Sinal elétrico é aplicado2. Onda de torção é gerada no ímã3. Onda retorna ao sensor4. Tempo entre sinal elétrico e onda

torsional é medido5. Distância entre ímã (flutuante)

e sensor é igual a tempo medido vezes velocidade daonda torsional na haste

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Efeito de Hall – voltagem transversal em um condutor perpendicular a um campo magnéticoUsado como sensor de proximidade e também como medidor de espessura -ideal para medições precisas em áreas críticas como curvaturas acentuadas e entalhes. Por exemplo, os sopradores de garrafa e m todo o mundo utilizam o MEDIDOR DE ESPESSURAS ATRAVÉS DE EFEITO HALL para medir espessura de parede em garrafas. Outra aplicação é a medição de áreas centrais em lâminas de plástico ou alumínio, onde o micrômetro não é aplicável. Usa-se também em garrafas e potes de vid ro, tubos, bandejas, borracha, compostos, alumínio, titânio e outros mat eriais não ferrosos, materiais também difíceis de cortar para executar m edições com omicrômetro.

56

57

58

BalançaBalança eletroeletro--magnéticamagnéticaMecanismo de RobervalForma de paralelogramaÉ mantida independenteDa posição da carga

10 a 1000 vezes maisacuradas que as com extensômetro

Resoluções de até 50 milhões de dígitos

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Transdutores ópticos de corTransdutores ópticos de corFotoFoto--elasticidadeelasticidade

Birefringência – propriedades ópticas mudamcom a tensão mecânica

defasagem = k (εx – εy)

Filtro polarizador

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FotoelasticidadeFotoelasticidade

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•Holografia

Transdutores ópticos de padrãoTransdutores ópticos de padrão

Os hologramas são imagens em três dimensões, como os coloridos emblemas de segurança nos cartões de crédito e nas embalagens de CD.Tal como a fotografia, a holografia é uma técnica para registrar em filme a informação relativa a um objeto ou cena. Entretanto, os mecanismos básicos utilizados, bem como a natureza das imagens produzidas, diferem bastante de uma para outra. A fotografia comum produz uma representação bidimensional do objeto, na qual a profundidade da cena termina no plano de impressão. A holografia, ao contrário, capta a informação em três dimensões: inclui a profundidade.

http://br.geocities.com/saladefisica

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Transdutores ópticos de padrãoTransdutores ópticos de padrão

•Projetor de perfil

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TermografiaTermografia

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•Laser Döpler

Transdutores ópticos de freqüênciaTransdutores ópticos de freqüência•Partículas dispersam o laser•Intensidade e frequência do laser disperso varia com a passagem da partícula

•fD deve ser medido (contando ou usando FFT)•Volume de controle elíptico (0,1 a 1mm na maior direção)

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Laser Laser DöplerDöpler

partículadavelocidadeV

Dopplerdeefeitofrequênciadaalteraçãof

senVV

f

feixesentreângulo

laserdoondadeocompriment

franjasentreoespaçament

sen

x

D

xxD

==

==

===

=

)(

)2/(2

)2/(2

θλδ

θλδ

θλδ

66

TransdutoresTransdutores ópticosópticos

� Fibra óptica

67

TransdutoresTransdutoresacústicosacústicos

2

0

0

1

20

21

2

1

/20

log20

log10log10

mN

p

pdB

p

p

power

powerdB

p µ=

=

=

=

68

limiar da audibilidade(a 1000 Hz)

10-1202 x 10-5

sussuro bem baixo10-11106,3 x 10-5

sussurro10-10202 x 10-4

biblioteca10-9306,3 x 10-4

escritório quieto10-8402 x 10-3

escritório médio10-7506,3 x 10-3

discurso10-6600,02

motor de carro10-5700,063

escritório ruidoso10-4800,2

trem10-3900,63

arrebitamento0,011002,0

grande orquestra0,11106,3

grande avião a jato1,012020

limiar da percepção1013063,2

Exemplos típicosIntensidade do som10-12 W/m2dBPressão do som

2 x 10-5 N/m2

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MicrofoneMicrofone capacitivo capacitivo ((altaalta fidelidadefidelidade))

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Exemplo: detector de CO� CO interage com O2 do sensor� Libera CO2 e elétrons� que se impregnam no filme sensor

aumentando sua condutividade e diminuindo sua resistência

Transdutores químicosTransdutores químicos

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•Luciferese: enzimas em certosorganismos luminosos são usadaspara detectar níveis (bem baixos)de metabólicos

Transdutores biológicosTransdutores biológicos

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ExercícioExercício emem GrupoGrupo

� Produzir uma apresentação eletrônicadescrevendo um dos sensores seguintes

� Apresentar o item acima aos colegas, napróxima aula (10 minutos)

� Entregar a apresentação e um relatório de 10 páginas, ambas por e-mail

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