Definição de um sensor: classificação

Um sensor pode definir-se como um sistema projectado e construído para manter relações funcionais com propriedades de determinadas variáveis físicas, e que inclui meios e formas de comunicação com o exterior. O estabelecimento e conservação dessas relações funcionais estão fundamentalmente associados com o comportamento constante do sensor. De um modo geral podemos dizer que qualquer sensor é composto por um ou vários dos elementos funcionais esquematizados no diagrama de blocos da Fig. 3.1 [Jones77].

Os elementos de entrada são constituídos pelos elementos (ou grupos de elementos) que reagem à propriedade física ou ao estado da variável a medir e realizam assim a primeira operação da medida, fornecendo informações aos elementos intermédios.

Os elementos intermédios ou condicionadores de sinal recebem a saída dos elementos de entrada e “preparam” o sinal de forma conveniente de modo a “ser

entendido” pelos instrumentos de registo (saída) utilizados. Os elementos de saída

constituem os meios de registo dos dados recebidos dos elementos intermédios. Pode definir-se um sensor ou transdutor como sendo, todo o dispositivo ou equipamento que transforma uma forma de energia noutra forma de energia [Jones77]. Ou em instrumentação eléctrica/electrónica, todo o dispositivo ou equipamento que converte qualquer grandeza física não eléctrica (temperatura, calor, pressão, por exemplo), numa grandeza eléctrica como tensão, corrente, resistência, bobine ou um condensador. Estes parâmetros podem ser depois descritos em termos de amplitude, frequência, e fase.

Existem várias abordagens na classificação de sensores. Podem ser classificados com base no princípio eléctrico de funcionamento, na grandeza física a medir ou na propriedade que é medida, ou em função da aplicação a que se destinam.

No que diz respeito à sua aplicação, eles podem ser de três tipos: de observação e vigilância de processos e operações, de controlo de processos ou de análise experimental em ciência e engenharia [Jones77].

Os sensores de observação e vigilância de processos e operações, são utilizados essencialmente para observação. Por exemplo, os termómetros, os barómetros, os anemómetros, são utilizados pelos meteorologistas para observarem as condições ambientais (temperatura, pressão, velocidade do vento), não sendo as suas leituras utilizadas em qualquer função de controlo (no sentido usual, de alteração voluntária dessas condições ambientais).

No segundo tipo, de controlo de processos, o sensor é um componente de um sistema de controlo, em geral automático. Por exemplo, no caso de um sistema de aquecimento central, ele deve incluir necessariamente um sensor capaz de medir a temperatura (para ser possível o seu controlo), e caso se pretenda efectuar um controlo de um processo mais complexo deve dispor-se de várias medidas de outros parâmetros tais como, a pressão, a temperatura, a velocidade, as corrente ou

tensão eléctricas, entre outras, para que por intermédio das suas leituras se obtenha uma ideia do estado actual do processo e desta forma definir a estratégia de acção para que ele evolua de forma desejada.

Nos de terceiro tipo, análise experimental em ciência e engenharia, o trabalho de investigação científica e tecnológica requer frequentemente uma grande quantidade trabalho experimental a fim de testar hipóteses científicas, formular relações empíricas, analisar a composição de materiais, etc. Os sensores usados com essa finalidade devem ser de elevada precisão e de excelentes características de funcionamento.

Outro processo de classificação de acordo com o IEEE (Institute of Electrical

Electronics Engineers) [IEEE05], consiste na divisão em dois grandes grupos:

• Passivos: geram directamente sinais eléctricos em resposta a um estímulo externo, ou seja a energia do estímulo de entrada é convertida pelo sensor numa energia de saída sem necessidades de potências adicionais, como exemplo termoeléctricos, piroeléctrico, piezoeléctrico.

• Activos:: auto-alimentados, necessitam de uma fonte externa para operarem que normalmente se designa por sinal de excitação. Designam-se por vezes por paramétricos, pois as suas propriedades modificam-se em resposta a efeitos externos e essas propriedades podem ser depois convertidas em sinais eléctricos. Como exemplo para estes sensores temos o termistor que é uma resistência sensível à temperatura. Este sensor não gera qualquer sinal mas fazendo passar através dele uma corrente eléctrica (sinal de excitação) pode medir-se a resistência em ohms e directamente relacionar-se com a temperatura. O mecanismo associado à interpretação duma grandeza a medir por um sensor é sumariado com mais detalhe através dos diagramas de blocos da Fig. 3.2:

Fig. 3.2 Diagrama de blocos da estrutura de um sensor.

Interface com o ambiente: “Sente” a presença de um fenómeno externo

representado de uma forma geral por uma característica física, (não se excluem propriedades químicas ou biológicas): Detecção.

Selecção: Selecciona e mede uma propriedade do estímulo externo.

Processamento de Sinal: Transforma o sinal de entrada no sinal correspondente

de saída que expresso na forma analógica, digital ou modelado. Algum

condicionamento de sinal (interpretação e modificação) pode ser necessário

(Ex: linearização, conversão A/D, filtragem, limitação, entre outros)

Interface de saída: passa o sinal directamente a um sistema de controlo, a um

sistema de armazenamento ou a um utilizador capaz de o processar: Comunicação

Os custos de um sistema de medida, desde a compra à utilização são fortemente afectados pela precisão requerida, pela complexidade do equipamento, pelos custos de manutenção, pela facilidade de teste e pelos tempos médios de não utilização devido a avarias. Podem fazer-se importantes economias pela apreciação cuidadosa da precisão requerida na prática. Neste sentido, definem-se de seguida algumas propriedades que permitem interpretar as especificações de um sensor, permitindo a sua correcta utilização.