Quando um elemento condutor de corrente é colocado num campo magnético surge uma tensão perpendicular tanto à corrente como ao campo magnético. Este princípio é conhecido como efeito de Hall, e é baseado nele que os sensores electromagnéticos registam a posição do elemento magnético, [Honeywell, 2005].
A Figura 5.1 ilustra o princípio de funcionamento do efeito de Hall. Considerando, um fino filme de material semicondutor (elemento Hall) por onde passa corrente, na ausência de um campo magnético a distribuição da corrente é uniforme e não existe qualquer diferença de potencial. Pelo contrário, na presença de um campo magnético, uma força Lorentz é exercida na corrente perturbando a distribuição desta e criando uma diferença de potencial (tensão VH) aos terminais
proporcional à intensidade do campo magnético em questão.
a) b)
Figura 5.1: Efeito de Hall: a) sem campo magnético; b) com campo magnético (imagens de [Honeywell, 2005]).
Actualmente, os sensores electromagnéticos baseados no efeito de Hall são utilizados nas mais variadas aplicações devido ao seu tamanho reduzido, consumo diminuto, longo período de vida, elevada velocidade de operação, alta repetibilidade e baixo custo; o facto de não ter peças móveis também representa uma grande vantagem em muitos casos de aplicação. Contudo, nesta aplicação os sensores do tipo GMR, “Giant Magneto Resistive”, são preferíveis por terem uma maior sensibilidade e o sinal de saída ser de valor superior.
A Figura 5.2 ilustra o efeito GMR. Nesta figura, A representa uma camada não magnética condutora, B duas camadas magnéticas, C a corrente eléctrica e D um campo magnético. Na ausência de um campo magnético, Figura 5.2a), o momento
magnético provocado pelas camadas B oferece uma grande resistência à passagem da corrente; o mesmo não acontece quando se aplica um campo magnético, nessa altura o momento criado pelas camadas B é vencido e a resistência eléctrica diminui consideravelmente, Figura 5.2b).
a) b)
Figura 5.2: Efeito GMR, “Giant Magneto Resistive”: A – Camada condutora; B – Camadas magnéticas; C – Corrente eléctrica; D – Campo magnético (imagens adaptadas de [NVE, 2005]).
Apesar de no mercado existirem elementos sensores electromagnéticos que por si só registam a posição 3D (isto é, com três eixos de sensibilidade), foram utilizados sensores com apenas um eixo de sensibilidade. Neste trabalho, os referidos sensores 3D teriam sido preferíveis pois, ao contrário da utilização de três sensores individuais, permitiriam conceber um suporte mais simples e facilitariam o tratamento dos resultados obtidos. No entanto, não foi possível encontrar no mercado unidades deste tipo de sensores para efectuar ensaios experimentais em tempo útil.
Os sensores seleccionados para este trabalho foram os da NVE Corporation (USA) com a referência AA002-02, Figura 5.3, cujas características estão resumidas na Tabela 5.1, [NVE, 2002]. Os referidos sensores apresentam-se sob a forma de integrados de montagem superficial, e são caracterizados pela sua elevada sensibilidade a campos magnéticos, excelente estabilidade térmica, baixo consumo (cerca de 5 mA) e tamanho reduzido (dimensões: 5,99 x 4,90 x 1,55 mm). Apresentam o mesmo valor da saída tanto na direcção positiva como na negativa do eixo de sensibilidade (output omnipolar) e a saída é analógica. A gama de operação
linear é alargada e funcionam com tensões reduzidas. Os testes experimentais por nós realizados mostraram que são insensíveis a interferências electrónicas.
a) b)
Figura 5.3: a) Sensores AA002-02 da NVE Corporation (USA) usados; b) Esquema do sensor (imagem de [NVE, 2002]).
Tabela 5.1: Características dos sensores AA002-02 da NVE Corporation (dados de [NVE, 2002]).
Propriedade Mínimo Máximo Unidade
Tensão de entrada < 1 ± 25 Volts Frequência de operação DC > 1 MHz Temperatura de funcionamento -50 125 ºC
Offset da ponte eléctrica - 4 + 4 mV/V
Não – linearidade 2 % (unipolar)
Histerese 4 % (unipolar)
Ao afirmar que estes sensores possuem apenas um eixo de sensibilidade pretende-se dizer que são sensíveis apenas numa dada direcção no plano do circuito impresso. Deste modo, para se proceder à aquisição tridimensional da trajectória da mandíbula é necessário utilizar três sensores montados perpendicularmente entre si. A Figura 5.4 ilustra duas das configurações íman/sensor possíveis para registar a posição linear.
Como já foi referido, como os sensores considerados neste trabalho são de dimensões muito reduzidas, para facilitar as suas ligações eléctricas, o seu manuseamento e montagem no suporte dedicado foram desenvolvidas placas de circuito impresso específicas. Assim, foram usadas duas placas para ser possível alinhar e dispor os três sensores perpendicularmente entre si. Os sensores foram posicionados de modo a ficarem o mais perto possível do ponto incisivo durante o movimento a registar, Figura 5.5.
Figura 5.4: Configurações possíveis do íman/sensor usado (imagens adaptadas de [Honeywell, 2005]).
Figura 5.5: Modelação 3D da montagem dos sensores usados e das placas de circuito impresso desenvolvidas.
5.2: Íman
A variação do campo magnético é provocada, neste trabalho, por um pequeno íman colado na mandíbula do paciente junto ao ponto incisivo. Para colar o íman pode-se utilizar silicone de mordida ou cimentos de endurecimento rápido; deixa- se ao cuidado do operador a escolha da melhor solução.
Durante os testes efectuados aos sensores verificou-se que a intensidade e a orientação do campo magnético influenciavam os resultados obtidos; assim sendo, para evitar que ocorressem erros durante a medição, ao seleccionar o íman teve-se o cuidado de escolher um que fosse fácil de colar sempre com a mesma orientação.
A Figura 5.6 mostra o íman utilizado; trata-se de um cilindro com 5 mm de altura e 5 mm de diâmetro, que deverá ser colado nas gengivas do paciente com a
base do cilindro paralela aos dentes. O campo magnético gerado pelo referido íman é de 760 Gauss.
Figura 5.6: Íman usado na aquisição do movimento mandibular.
O aspecto do magnete seleccionado não é muito atractivo devido à sua cor e textura rugosa, teria sido preferível utilizar um íman como o da Figura 5.7, que é revestido a teflon mas tal não aconteceu porque o campo magnético deste é de apenas 120 Gauss.
Figura 5.7: Íman revestido a teflon (diâmetro: 5 mm; altura: 11 mm).