Fonte de alta tensão

No caso de estudo aqui apresentado, a saturação do atuador traduz-se pelo valor da tensão aplicada ao cristal. Segundo a informação presente em [8], este componente especí- fico (PZT PXE-5) apresenta uma tensão de saturação de 300V/mm. Dado que o cristal utilizado tem 0.5mm de espessura, a tensão de saturação será, então, 150V. Este foi, preci- samente, o valor máximo de tensão cedido pela fonte ao atuador. A fonte utilizada é cons- tituída por um transformador 230VAC/230 com ponto central, seguido de uma etapa de retificação e condicionamento através de condensadores eletrolíticos, obtendo-se assim uma fonte de tensão contínua de ±150V. Como a segurança é fundamental, existe um disjuntor diferencial de 30mA ligado logo após a tomada, que protege o resto da montagem contra riscos elétricos.

De seguida mostram-se duas fotografias da montagem experimental. Na Figura 4.5 pode ver-se uma vista geral da bancada de trabalho e na Figura 4.6 mostram-se com mais detalhe alguns dos componentes descritos anteriormente.

Figura 4.5 - Montagem global.

4.3. Implementação da Atuação Pulsada e CGVF

Até agora falou-se acerca dos componentes estruturais considerados como principais (viga, cristais piezoelétricos, laser, Arduino e a fonte de alta tensão). Nesta secção vão ser abordados todos os outros componentes e processos que foram necessários à implementa- ção dos modos de controlo com atuação pulsada e CGVF, a começar pela leitura e proces- samento do sinal proveniente dos sensores.

4.3.1. Processamento e leitura do sinal dos sensores

O deslocamento lateral da estrutura é medido diretamente através de dois sensores distintos: piezoelétrico e laser. Esses sinais servem de base à análise do comportamento da estrutura, pelo que devem ser tratados com todo o cuidado.

4.3.1.1. Laser

O percurso que o sinal analógico do laser percorre desde que é emitido até ser lido pelo controlador pode resumir-se no seguinte:

A tensão da saída do laser varia proporcionalmente com a distância medida, entre 1 e 9V. As entradas analógicas do Arduino não conseguem ler diretamente esta gama de tensões, pois estão limitadas a leituras entre 0 e 3.3V. Optou-se, então, por criar um divisor resisti- vo que permitisse utilizar toda a gama do laser (70 a 120mm) e ainda assim ser possível ler essa informação com o Arduino.

Dada a localização do laser face à posição de equilíbrio da viga (95mm), nessa posi- ção, a saída analógica tem uma tensão de, sensivelmente, 5V. O deslocamento máximo imposto à viga foi de 15mm, que corresponde a uma variação na tensão da saída analógica do laser de, aproximadamente, 2.4V (15mm*0.16 V/mm). Resumindo, a tensão da saída do laser pode variar entre 2.6 e 7.4V. Desta forma, a tensão teve que ser dividida por, pelo menos, 2.3, para que o Arduino a conseguisse medir.

Calculou-se ainda a equação que traduz a posição real da viga em função da tensão real de saída:

𝑝𝑜𝑠𝑖çã𝑜 = (𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 + 10.2) ∗ 6.25 [𝑚𝑚]

Para evitar a interferência do ruído de alta frequência, escolheu-se também imple- mentar um filtro passa-baixo analógico com uma frequência de corte de 30Hz. Para a fre- quência de corte indicada, com um condensador de 2uF, era necessário uma resistência de 2.7kohm.

Para satisfazer estas duas imposições, o esquema adotado foi o que está representado na Figura 4.7.

Figura 4.7 - Esquema do condicionamento do sinal do laser.

Desta forma, consegue-se ter o laser a funcionar sem qualquer limitação, e a entrada analógica do Arduino a ler tensões entre 0 e 3.3V, ao mesmo tempo que se está a filtrar o sinal com uma frequência de corte próxima de 30Hz.

Verificou-se experimentalmente que o sinal do laser lido pelo Arduino estava cerca de 2.1ms atrasado em relação à “verdadeira” posição da viga. Este inconveniente foi resol- vido de maneira diferente para cada tipo de controlador utilizado.

4.3.1.2. Sensor piezoelétrico

Agora aborda-se o sinal proveniente do sensor piezoelétrico, desde que é gerado até ser medido pelo Arduino.

O sinal deste sensor em circuito aberto pode atingir, com alguma facilidade, os 50V (valor verificado experimentalmente com o osciloscópio). Tensões desta ordem de grandeza podem danificar componentes mais sensíveis como, por exemplo, amplificadores operacio- nais e o próprio Arduino. Além disso, o sinal vem com bastante ruído de elevada frequên- cia, pelo que se tornaria difícil utilizá-lo sem tratamento prévio. Estes dois problemas fo- ram resolvidos com uma única solução, que passou pela criação de um outro filtro passa- baixo, que transformou o sinal inicial num outro com tensões aceitáveis e sem muito do ruído que possuía. À semelhança do que foi feito com o sinal do laser, este filtro foi proje- tado para possuir uma frequência de corte de 30Hz. Para um condensador de 1uF, a resis- tência adequada seria de 5.1kohm. Utilizando uma resistência de 5.4kohm e a frequência de corte passou a ser 29.5Hz.

Além dos problemas anteriores, existia ainda mais um: como o Arduino só consegue ler tensões positivas e o sensor produz tensões simétricas (positivas e negativas), foi neces- sário introduzir um offset ao sinal. Para isso, utilizou-se um amplificador MCP609, que

criou um offset de, aproximadamente, metade da tensão de leitura máxima do Arduino (1.65V). Desta forma, o sinal do cristal passou a oscilar em torno desse valor.

O esquema desta parte do circuito encontra-se representado na Figura A.1, no Ane- xo II.

Já se analisou o percurso que os sinais percorrem desde que são emitidos até serem amostrados pelo Arduino com uma resolução de 12bits. Após serem amostrados, são inter- pretados pelo algoritmo implementado no Arduino. Agora detalham-se os diferentes modos de controlo e respetivas variáveis.