ME2Tel Transdutores 2017

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Transdutores

Medidas Eléctricas II

Prof. Ricardo Queirós

Licenciatura em Engenharia Electrotécnica: Electrónica e Telecomunicações Universidade Agostinho Neto

2014

Prof. Ricardo Queirós (UAN 2014) Medidas Eléctricas II 1 / 18

Conteúdo

1 Introdução 2 Transdutores de Temperatura 3 Transdutores Capacitivos 4 Transdutores Piezoeléctricos 5 Transdutores Indutivos

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Introdução

Transdutores

Um transdutor é um dispositivo capaz de converter uma forma de energia noutra, fazendo corresponder, segundo uma determinada relação, uma grandeza de saída a uma grandeza de entrada. Por outro lado, um sensor inclui um transdutor e alguma forma de condicionamento de sinal (ex. amplificação, filtragem, etc.); Os transdutores podem ser classificados considerando a sua aplicação, conversão de energia, etc. A tabela seguinte mostra alguns tipos de transdutores:

Transdutor Parâmetro Aplicações

RTD Resistência Temperatura

Termístor Resistência Temperatura

Capacitivo Capacidade Deslocamento, força

Indutivo Indutância Deslocamento, pressão, força

Piezoeléctrico Tensão Deslocamento, pressão

Célula fotovoltaica Tensão Intensidade luminosa (painel solar)

Transdutores de Temperatura

Detector de Temperatura Resistivo (RTD) (1)

A temperatura é determinada a partir da variação de um elemento resistivo;

Vários materiais (metais) são utilizados como elemento resistivo (ex. Níquel, Platina, Cobre, etc.).

A variação da resistência com a temperatura é aproximadamente:

R = R0 + ↵R0(T T0)

R = ↵R0 T

Onde ↵ é o coeficiente de temperatura da resistência do material,

R e R0 são as resistências do material às temperaturas T e T0

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Detector de Temperatura Resistivo (RTD) (2)

A seguinte tabela mostra o coeficiente de temperatura de alguns materiais: Material ↵ ( C 1) Níquel 0.0067 Tungsténio 0.0048 Alumínio 0.0045 Cobre 0.0043 Prata 0.0041 Ouro 0.004 Platina 0.00392 Sensibilidade de um RTD S = dR dT = ↵R0 A sensibilidade é representada em ⌦/ C.

Coeficiente de Temperatura da Resistência

O coeficiente de temperatura da resistência (↵) pode ser positivo (PTC) ou negativo (NTC);

Nos PTC, um aumento de temperatura causa um aumento de resistência. Já no caso dos NTC, o inverso acontece.

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Termístor (1)

O funcionamento do termístor também se baseia na variação de um elemento resistivo com a temperatura;

O elemento resistivo é fabricado com um material semicondutor (ex. óxido de cobre, de titânio, de níquel, etc.);

A variação da resistência com a temperatura é aproximadamente:

R = R0e

h ⇣

1 T _T01

⌘i

onde é uma constante determinada experimentalmente (em Kelvin).

O termístor é um dispositivo com elevada sensibilidade. Ou seja, a sua resistência varia rapidamente com a temperatura;

A não–linearidade da relação entre a resistência e a temperatura é uma desvantagem.

Termístor (2)

O material semicondutor deteriora-se a altas temperaturas. Por essa razão, os termístores estão limitados a medições até

aproximadamente 300 C. Sensibilidade de um Termístor S = dR dT = R0 ✓ T2 ◆ e h ⇣ 1 T _T01 ⌘i A sensibilidade é representada em ⌦/ C.

Conversão de graus Celsius ( C) para Kelvin (K)

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Transdutores Capacitivos

Transdutores Capacitivos (1)

A capacidade C de um condensador de pratos paralelos com área (sobreposição) A a uma distância d, cujo material entre os pratos tem uma permitividade ✏, é determinada por:

C = ✏A

d

Onde ✏ = ✏0✏r, sendo ✏0 a permitividade do vácuo (espaço livre) e

✏r a permitividade relativa do dieléctrico. Note que

✏0 = 8.854 ⇥ 10 12 F/m.

d Dieléctrico

Área

Transdutores Capacitivos (2)

Exemplo

A área dos pratos de um condensador é de 100 cm2. (a) Determine a

capacidade do condensador quando a distância entre os pratos é de 1 cm e o dieléctrico é o ar. (b) Repita o procedimento se o dieléctrico

for um material com ✏r = 4.

(a) Ar => ✏r = 1 C = 8.854 ⇥ 10 12(1)(0.01) 0.01 ⇡ 8.9 pF (b) C = 8.854 ⇥ 10 12(4)(0.01) 0.01 ⇡ 35.4 pF

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Transdutores Capacitivos (3)

A capacidade do condensador altera-se quando: 1) a distância entre os pratos varia, 2) existe movimento lateral (relativo) dos pratos e 3) existe variação do dieléctrico.

Transdutores Capacitivos (4)

Sensibilidade S = @C @d = ✏A d2 A sensibilidade é representada em F/m. Aplicações

Medição do nível de líquidos Microfones

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Transdutores Piezoeléctricos

Transdutores Piezoeléctricos (1)

Um material piezoeléctrico é um material que se lhe aplicarmos uma pressão, surge aos seus terminais uma diferença de

potencial (efeito piezoeléctrico directo). Por outro lado, a aplicação de uma tensão aos seus terminais leva à sua deformação (efeito piezoeléctrico inverso);

Existem vários materiais piezoeléctricos, por exemplo: quartz e Titano-zirconato de chumbo (PZT).

Transdutores Piezoeléctricos (2)

Piezo. Mat. eléctrodo V P P d

Analisando a figura, temos:

Q = VC e a carga induzida é proporcional à força exercida: Q = SqF

igualando: VC = SqF = SqAP onde: V = SqAP C mas C = ✏A d ) V = Sq✏dP se Sv = S_✏q, entao: V = SvdP

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Transdutores Piezoeléctricos (3)

Exemplo

Um material piezoeléctrico (quartz) com espessura de 2 mm, sensibilidade à tensão de 0.055 Vm/N é sujeito a uma pressão de

1.38 ⇥ 106 _N/m2_{. Determine a tensão aos terminais do material.}

V = SvdP = (0.055)(0.002)(1.38 ⇥ 106) = 151.8 V

Aplicações

1.2. Research Problem 5

Many applications nowadays are based on ultrasonic distance measurements. For exam-ple, in parking-aid systems, thickness measurements, liquid level measurement, mobility aids for the blind [8], camera lens-focusing, imaging [9], flaw detection and ranging, sur-face profiling [10], map-building, and object detection [11], localisation [12] and recog-nition [13]. Figure 1.2 sketches some of these applications. Their success rely on the precision and accuracy of the distance estimation techniques. Thus, there is a need for high resolution ultrasonic distance measuring systems.

Ultrasonic Transducers Liquid Ultrasonic Transducer Ultrasonic Transducer Couplant (a) (b) (c)

Figure 1.2: Schematic diagram demonstrating common applications where distance in-formation is important. (a) Parking-aid systems, (b) Material thickness measurement, and (c) Liquid level measurement.

1.2 Research Problem

Although it is frequent nowadays to measure distances with ultrasonic waves4_{, there}

are many limitations in the traditional methods, such as: short measurable ranges, too high sensitivity to signal-to-noise ratio (SNR), low precision, and the requirement of wide bandwidth5 _{ultrasonic transducers. Thus, traditionally employed techniques are}

not sufficient for some application requirements. More sophisticated ultrasonic ranging techniques are required.

1.3 Research Objectives

The main objectives of this thesis are the following:

Transdutores Indutivos Transformador Diferencial Linear Variável (LVDT)

Transformador Diferencial Linear Variável (1)

Três bobines, um enrolamento primário e dois secundários, são posicionadas de acordo com a figura. As bobines do secundário têm o mesmo número de espiras e são conectadas de tal forma que as tensões induzidas estão em oposição de fase;

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Transformador Diferencial Linear Variável (2)

Um núcleo magnético move-se livremente entre as bobines; É aplicada uma tensão alternada à bobine do primário. A tensão de saída no secundário depende do coeficiente de indução mutua entre as bobines do secundário e a do primário, que por sua vez depende da posição do núcleo.

Quando o núcleo está na posição central (referência), as tensões induzidas nas bobines do secundário são iguais. No entanto, como estão em oposição de fase, a tensão de saída é de 0 V. Quando uma força externa desloca o núcleo para a esquerda, por exemplo, o fluxo magnético será mais elevado entre o primário e a bobine do secundário mais à esquerda. Assim, a magnitude da tensão de saída passa a ser a diferença entre as duas tensões do secundário e está em fase com a tensão da bobine mais à

esquerda.