1 aula sensores

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Instrumentação II

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Sensores

“Sensor é um dispositivo que recebe e

responde à um sinal ou estímulo”.

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Sensores

• Sistema de controle de nível:

– O operador ajusta o nível do fluido no tanque manipulando uma válvula;

– Variações no fluxo de entrada, mudanças de temperatura, e disturbios similares devem ser compensados pelo operador.

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Sensores

• Sistema de controle de nível:

– Sem o controle o fluido pode extrapolar o tanque ou o tanque pode ficar vazio;

– O operador deve obter informações sobre o nível do tanque em tempo hábil.

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Sensores

• Sistema de controle de nível:

– A informação é percebida por um sensor composto por duas partes principais:

• O tubo de visualização no tanque

• O olho do operador que gera uma resposta elétrica no nervo optico.

“A combinação desses dois formam um sensor (detector) que é sensitivo de forma seletiva ao nível do fluido”.

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Sensores

• Sistema de controle de nível:

– Se o diâmetro do tubo é projetado de forma correta, ele irá refletir de forma rápida as variações do nível do fluido – sensor de resposta rápida;

– Se o diâmetro do tubo é muito pequeno, para uma dada viscosidade do fluido, o nivel no tubo pode ficar para trás do nível do tanque.

“O desempenho do sensor deve ser cuidadosamente avaliado”.

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Sensores

• O mundo pode ser dividido em:

– Objetos naturais;

– Objetos feitos pelo homem.

Os sensores naturais (aqueles encontrados em organismos vivos) repondem com sinais que possuem uma característica

eletro-quimica – sua natureza é baseada no transporte de íons;

Nos dispositivos feitos pelo homem a informação é transmitida e processada na forma elétrica, mas através do transporte de

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Sensores

“Um sensor é um dispositivo que recebe um

estímulo e responde com um sinal elétrico”.

• Estímulo (mensurando) é a quantidade, propriedade ou condição que é percebida e convertida em um sinal elétrico;

• A função do sensor é responder a algum tipo de estímulo de entrada e convertê-lo em um sinal elétrico compatível com circuitos eletrônicos; • O sensor é um tradutor de um valor geralmente não elétrico em um valor

elétrico;

• O valor elétrico é um sinal que pode ser direcionado, amplificado e modificado por um dispositivo eletrônico.

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Sensores

• Um sensor tem propriedades de entrada (de qualquer espécie) e propriedades elétricas de saída;

• Formatos do sinal de saída:

– Tensão; – Corrente; – Carga.

• Podem ser descritos em termos de:

– Amplitude; – Frequência; – Fase;

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Sensores

• Qualquer sensor é um conversor de energia.

• O processo de sensoriamento é um caso

particular de transferência de informação.

“Transmissão de informação requer transmissão de energia”.

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Sensores

• Sensor ou transdutor?

– Transdutor é um conversor de um tipo de energia em outro tipo;

– Sensor converte qualquer tipo de energia em sinal elétrico. Sinal elétrico Campo Magnético variável Onda sonora

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Sensores

– Transdutores podem ser usados como atuadores em vários sistemas;

– Atuador é o oposto ao sensor – converte um sinal elétrico em energia geralmente não elétrica.

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Sensores

• Transdutor pode ser parte de um sensor:

• uma substância química

• sensor pode ter uma parte que converte a energia de uma reacção química em calor

– O sensor de uma reação química pode ser comporto por duas etapas:

• Conversão da energia da reação química em calor (transdutor); • Conversão do calor em um sinal elétrico.

– A combinação dos dois torna o sensor de reação químico sensor um dispositivo que produz um sinal elétrico em resposta a uma reação química.

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Sensores

• O sensor é sempre parte de um sistema de

aquisição de dados;

• Algumas vezes tal sistema pode ser parte de um

complexo sistema de controle que inclui varios

mecanismos de realimentação;

• Os sistemas podem ser compostos por:

– Condicionadores de sinal; – Processadores de sinal; – Dispositivos de memória; – Atuadores.

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Sensores

Objeto: carro, avião, animal, humano, líquido, gás, etc. Sensor 1: sensor sem contato Sensores ativos e passivos Sensor 5: monitora

Consições internas do sistema De aquisição de dados

Sensores 1 e 3

necessitam de condicionadores de sinal

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Sensores

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Sensores

• Advanced Safety Vehicle – ASV (Nissan):

– Possui sensor de movimento do globo ocular e da inclinação da cabeça do motorista (medir sonolência);

– Sensores ultrasom e infravermelho atuam nas luzes de freio antes mesmo que o freio seja acionado em uma emergência, avisando o motorista seguinte que deve tomar ações evasivas;

– O sistema de monitoramento detecta pedestres e alerta o condutor quanto a sua presença à noite bem como de corpos em pontos cegos;

– O sistema de controle de pista ajuda no caso em que o sistema detecta e determina que o desvio de pista não é a intenção do motorista.

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Classificação de sensores

• Classificação de sensores podem seguir

diferentes critérios;

– Todos sensores podem ser de dois tipos:

• Ativos – não precisam de fonte adicional de energia para operar (termoacoplador, fotodiodos,

piezoelétrico);

• Passivos – necessitam de uma fonte de excitação. Este sinal é modificado pelo sensor de acordo com o

estímulo aplicado. Sensores paramétricos. Termistor – resistor sensivel à temperatura – não gera diretamente uma corrente ou tensão elétrica.

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Classificação de sensores

• Sensor absoluto:

– Detecta o estimulo tendo como referência uma escala física absoluta, independente das condições da medida; – Termistor: a resistência está relacionada diretamente com

o valor absoluto de temperatura na escala de Kelvin;

• Sensor relativo:

– Produz um sinal relacionado com alguma condição especial;

– Sensor de pressão que produz um sinal relacionado com uma base diferente da pressão zero (vácuo), que pode ser a pressão atmosférica.

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Classificação de sensores

• Considerando todas as suas propriedades:

– O que ele mede (estimulos);

– A qual fenômeno físico ele é sensível;

– Qual mecanismo de conversão é empregado; – De qual material é fabricado;

– Campo de aplicação; – Etc.

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Classificação de sensores

• Especificações: – Sensibilidade; – Estabilidade; – Precisão; – Velocidade de resposta; – Características de sobrecarga; – Histerese; – Vida útil;

– Custo, tamanho e peso; – Faixa de estímulo (span); – Resolução;

– Condições ambientais; – Linearidade;

– Formato de saída; – Etc.

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Classificação de sensores

• Material:

– Inorgânico: • Condutor; • Semicondutor; – Orgânico: • Isolante;

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Classificação de sensores

• Modo de detecção usado nos sensores:

– Biológico; – Químico;

– Elétrico, magnético ou onda eletromagnética; – Calor, temperatura;

– Deslocamento mecânico ou onda mecânica; – Radioatividade, radiação;

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Classificação de sensores

• Fenômeno de conversão: – Físico: • Termoelétrico; • Fotoelétrico; • Fotomagnético; • Eletromagnético; • Termoelástico; • Termooptico; – Quimico: • Transformação química; • Processo eletroquimico; – Biológico: • Transformação bioquímica.

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Classificação de sensores

• Campos de aplicação:

– Agricultura;

– Engenharia civil e construção; – Indústrial; – Militar; – Medições científicas; – Setor automotivo; – Informação, telecomunicações; – Recreação, brinquedos; – Espacial; – Uso doméstico; – Etc.

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Classificação de sensores

• Exemplo: Sensor capacitivo:

– Princípio de funcionamento:

• Variação da capacitância é monitorada e dispara uma determinada ação do sensor.

𝐶 =

𝑘𝐴

𝑑

C – capacitância

K – constante dielétrica A – área entre as placas

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Características de sensores

• Função transferência:

– É a relação entra a saída e o estímulo aplicado na entrada do sensor;

𝑆 = 𝑓(𝑠)

• S é o sinal elétrico de saída e s é o estímulo;

– A função pode ser linear ou não linear (exponencial, logaritmica, etc);

– A relação pode ser unidimensional ou multidimensional.

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Características de sensores

• Função transferência:

– Relação linear e unidimensional:

𝑆 = 𝑎 + 𝑏𝑠,

• a é a interseção (sinal de saída para entrada igual a zero);

• b é a inclinação (sensibilidade);

• S é uma característica do sinal elétrico de saída usada pelo dispositivo de aquisição de dados – pode ser amplitude, frequência ou fase.

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Características de sensores

• Função transferência:

– Para o caso não linear a sensibilidade não é um número fixo (depende do valor do estímulo);

– Em muitos casos sensores não lineares são

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Características de sensores

• Função transferência:

– Mais de uma dimensão:

• Quando a saída do sensor é influenciada por mais de um estímulo;

• Exemplo:

– Função de transferência de um sensor de radiação térmica (infravermelho);

– A função contempla duas temperaturas: » Tb – no objeto sendo medido;

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Características de sensores

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Características de sensores

• Span:

– É a faixa dinâmica do estímulo que pode ser convertida pelo sensor;

– Representa o maior valor possível para a entrada que pode ser aplicada ao sensor sem causar uma imprecisão inaceitavelmente grande;

– Para sensores com uma resposta característica muito ampla e não linear, a faixa dinâmica de valores de estímulos de entrada é muitas vezes expressa em decibéis.

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Características de sensores

• Saída de fundo de escala – Full-Scale Output

(FSO):

– É a diferença algébrica entre o sinal de saída

medido com o estímulo

máximo e o menor estímulo aplicado.

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Características de sensores

• Exatidão:

Entretantox → z → Y x → Z → Y’ Logo erro δ → (x’)

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Características de sensores

• Exatidão:

– Os limites de precisão especificados são geralmente utilizados na análise do pior caso para determinar o pior desempenho possível do sistema;

– Essa tolerância pode ser considerada mais próxima da função de transferência real (vide figura no slide anterior).

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Características de sensores

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Características de sensores

• Histerese:

– Erro de histerese é um desvio da saída do sensor em um ponto específico de sinal de entrada quando o mesmo é aproximado por direções contrárias.

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Características de sensores

• Saturação:

– Todo sensor tem um limite de operação;

– Mesmo sendo considerado linear para alguns níveis de estímulo de entrada, existem níveis de entrada que não produzem a saída desejada.

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Características de sensores

• Repetibilidade:

– Erro de repetibilidade (reprodutibilidade) é causado pela deficiência de um sensor de representar o mesmo valor sob condições idênticas.

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Características de sensores

• Banda morta:

– É a insensibilidade do sensor para uma faixa específica do sinal de entrada.

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Características de sensores

• Resolução:

– É o menor incremento no estímulo que pode ser percebido pelo sensor;

– A resolução de sensores que possuem saídas no formato digital é o número de bits usados para representar cada valor.

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Características de sensores

• Características dinâmicas:

– Quando uma entrada varia, a resposta do sensor geralmente não acompanha perfeitamente;

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Trabalho

• Temperatura - data: 20/04/Alunos:Claudio/Vitor • Massa - data: 20/04 /Alunos:Luiza/Sintia

• Nível - data: 27/04/Alunos:Gustavo/Lucas

• Presença - data: 27/04/Alunos:Wantuil/Leandro • Velocidade angular - data: 04/05/Alunos:

• Aceleração - data: /Alunos:

• Deformação - data:04/05 /Alunos:Marlon/Marcelo • Campo magnético - data:11/05 /Alunos:Gabriel/Laura • Intensidade luminosa - data: 11/05/Alunos:Stefani/Bruno • Pressão - data:18/05 /Alunos:Marco A/Pablo

• Humidade: - data: /Alunos:

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Trabalho

• Instruções:

– Descrever a grandeza;

– Várias formas de se medir / diferentes tipos de sensores empregados / características básicas desses tipos / comparação;

– Definir uma situação/problema em que se deseja medir a grandeza;

– Apresentar o tipo de sensor escolhido (justificativa); – Apresentar o datasheet de um dispositivo comercial,