Instrumentação Electrónica

Instrumentação

Electrónica

Mestrado em Eng. Física Tecnológica

n

Sistema de Aquisição

n

Transdutor

n

Sistema de Comunicação

Transdutores

Transducer Output Energy

Input Energy

Transdutores e Sensores

n

Transdutores

¨ Dispositivos capazes de transformar uma energia

noutra (Actuadores / Sensores)

¨ Activos – Fonte externa energia

¨ Passivos (self-generating) – Fonte interna

n

Sensor

¨ Geram um sinal elétrico proporcional a uma dada

grandeza física que se pretende medir

¨ Por alteração de uma grandeza característica dum

circuito eléctrico (R; L, C, Q, I, V);

¨ Através da fonte de excitação, produz uma variação

Famílias de Sensores

Fonte energia Exemplo Comentário

Mecânica Flow-meter Pulso por unidade de volume Acústica Microfone Converte som num sinal elétrico

Térmica Termopar Tensão depende diferença duas junções Electromagnética Antena Converte energia eléctrica em

electromagnética Óptica Foto díodo

Magnética Sensor de Hall Tensão derivada do efeito de hall Química Sensor de pH Medida concentração dum ião

Nuclear Camâra de ionização Geração de corrente por ionização do meio

Critério de Seleção de Sensores

n

Escala: Pontos limites (Worst Case)

¨ Equacionar múltiplos sensores

n

Limiar (threshold)

¨ Menor variação detectável

n

Comportamento

Preço!!!

Condicionantes à operação de sensores

Meio ambiente

Sujidade

Poluição

Radiação

Temperaturas extremas

¨

Presença de água e humidade

¨

Corrosão: solventes, ácidos e bases

¨

Protecção ambiental

Condicionantes à operação de sensores

n

Utilização humana e/ou biomédica

¨

Radiação

¨

Corrosão/Manipulação P. Químicos

¨

Imersão

¨

Abrasão/Vibrações

¨

Explosão

¨

Interferência eléctrica (alta impedância,

Operação de sensores

n

Potência

¨

Carga do circuito (fotocélula)

¨

Fonte de excitação (ruído)

n

Condicionamento de sinal

Dimensão Física

Calibração

n Objectivo: Erro de

confrontação com um padrão menor que a resolução do sensor n Tabela de calibração – Curva de calibração ¨ Modelo físico ¨ Calibração estática e dinâmica ¨ Banda passante ¨ Resposta transitórios

Sensores – Princípios de transdução

n

Resistiva

¨ Strain gauges: células de força ¨ Temperatura: RTDs, termistores ¨ Luz: células fotoeléctricas

¨ Deslocamento: divisores potenciométricos

n

Piezo-eléctrica

¨ Produzem uma tensão quando sujeitos a uma força

(V = k Fd/A), k ~2-100 V/N/m

¨ Podem também funcionar

Sensores – Princípios de transdução

Capacitiva

Movimento

Pressão

Sensores – Princípios de transdução

Indutiva

LVDT – Transformador

diferencial

Efeito de Hall

Motores como

geradores

Sensores de temperatura

n Uma termo-junção é formada por dois metais

diferentes soldados criando uma diferença de potencial quando aquecida (Seebeck effect).

¨ E=a t + b T2 ¨ “Cold” Junction:

Tipos:

¨ Type K (chromel —alumel) Gen. Purpose

¨ Type E (chromel–constantan) Suited to cryogenic use. ¨ J, N , Platinum types (B, R, and S), T, C , M ….

n RTD, platinum “PRTD “ -> 100Ohm @ 0ºC ¨ Semicondutores: R_t = R_n (1 + αT) , NTC, PTC

n Termistors 1/T = a + b (ln(R)) + c (ln(R))3 n Semicondutores, Integrados (LM135)

Fotosensores (Luz)

n

Fotodetectores

¨ Fotomultiplicadores (fotocátodo) ¨ Fotodíodos e fototransistores

n Junção directa e inversamente polarizadas

¨

Imagem: CCD, CMOS

Charge Coupled-Device

Complementary metal–oxide–semiconductor

Foto-diode

Sondas para vácuo

n

Pirani

¨

10

a 1 mBar

n

Sonda de Ionização

Microelectromechanical Systems (MEMS)

n Feitos de componentes de tamanho de 1 a 100 μm n Componentes elétricos e mecânicos no mesmo chip

(Nanotecnologia)

n Actuadores/ Sensores

¨ Acelerómetros, “Touchscreens”

n Dispositivos Electrónica de Consumo

¨ game controllers (Nintendo Wii), “smart” phones (iPhone, Android)

n Airbags, Proteção de discos duros

n “Billions” de dispositivos pelo mundo fora, JÁ LIGADOS À

INTERNET! ¨ Gyroscópios ¨ Sensores de pressão ¨ Temperatura ¨ e-Bussolas ¨ Módulos Inerciais

¨ Sensores Médicos descartáveis