ESTUDO E APLICAÇÃO DA AUTORRESSONÂNCIA EM
MICROSSENSORES INDUTIVOS
Vinicius Albanas Marcis1 [Bolsista CNPq/ PIBIC], Sergio Francisco Pichorim2 [Orientador]
1
DAELT, Engenharia Elétrica com ênfase em Automação 2
DAELN, CPGEI Campus Curitiba
Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Endereço do campus onde o trabalho foi realizado
vinicius.marcis@gmail.com, pichorim@utfpr.edu.br
Resumo - Este artigo apresenta um novo modelo de sensor para medição de umidade. Sensor tipo passivo, sem
fio e ressonante, constituído de uma bobina (indutor) com enrolamento bifilar. O objetivo é reduzir as dimensões do sensor ou aumentar a sensibilidade e o alcance comparados ao sensor apresentado na literatura. Inicialmente foram feitos testes com areia e terra, contudo o sensor poderá ser utilizado para medição de umidade em outros ambientes ou para outras aplicações.
Palavras-chave: Sensor, passivo, ressonante, sem fio, umidade.
Abstract - This paper shows a new model of moisture measurement sensor (passive, wireless and resonant). It
has a coil (inductor) with bifilar winding. The main point in this work is reduce the sensor dimensions or improve the sensibility and the range when compared with other sensor described in this article. Initially tests to measurement of soil (sand and clay) humidity will be realized, in addition, others uses of this sensor could be done.
Keywords: Sensor, Passive, resonant, wireless, moisture.
INTRODUÇÃO
Sensores passivos não utilizam baterias e geralmente são simples, pequenos e baratos, utilizam comunicação sem fio e são ressonantes, usando capacitivos e indutivos. Existem diversas aplicações para os sensores PWR (passivo, wireless e ressonante), por exemplo, medição de pressão, umidade, concentração de gases, pH, elasticidade, radiação e qualidade de certos tipos de alimentos [1]-[6]. A frequência de ressonância modulada pode ser medida remotamente por um sistema de leitura [7]–[8].
Sensores de umidade PWR são utilizados para detectar água, podendo ser usado nos setores de engenharia civil para analisar o padrão de secagem da areia, concreto ou solo [9]. Um sensor ressonante capacitivo e indutivo também pode ser utilizado para determinar a salinidade do meio, contudo este não utiliza a tecnologia sem fio [10].
Estudar a umidade do solo também é importante para os estuários e ecossistemas da costa, onde existem quantidades significativas de areia e água. Essas regiões são caracterizadas pelos altos níveis de nutrientes, alterações de temperatura, salinidade e outros fatores físico-químicos que são de suma importância para a criação e alimentação das espécies residentes desses locais [11].
Ong et al. desenvolveram um sensor PWR para medir o teor de umidade (teor de água) na areia e concreto [9]. Este trabalho foi essencial para o desenvolvimento do novo sensor.
Assim, ele vai ser descrito com mais detalhes e os seus resultados vão ser comparados com o sensor proposto. O sensor (figura 1a) é fabricado em uma placa de circuito impresso face simples com as bobinas em formato de quadrado, com 7 voltas (interior com 25mm e exterior com 40mm). As trilhas tem espessura de 0,5 mm assim como os espaçamentos entre trilhas. Este sensor apresentou uma frequência de ressonância de 22,5 MHz para a areia seca e aproximadamente 20 MHz para a areia com 21,4 % de massa de água por areia [9].
METODOLOGIA
Uma nova técnica para construção de sensores PWR de umidade foi desenvolvida. Esse sensor emprega espiras bifilares, onde os indutores são enrolados com duas trilhas paralelas (i.e. bobina bifilar) e são interligados através de um jumper, assim capacitâncias elevadas são obtidas [12]. Um sensor PWR com enrolamentos bifilares é mostrado na figura 1(b), essa característica de enrolamento produz efeitos capacitivos e indutivos simultaneamente. Esse arranjo bifilar reduz o número de componentes do sensor e aumenta a área útil quando comparado com a área do sensor de capacitor interdigital (figura 1(a)), melhorando assim a sensibilidade do sensor. Por exemplo, a figura 1(a) e 1(c) mostram o sensor convencional e sua área útil para o sensor capacitivo (interdigital) na área R (rosa). A área V (verde na figura 1(d)) é a área capacitiva do sensor PWR bifilar. A diferença da área indutiva vista em azul (sensor convencional) e verde (sensor bifilar) é significativa e caracteriza a distância que o sensor entra em operação, quanto maior essa área, ou seja, maior quantidade de espiras, mais distante o sinal poderá ser coletado.
Figura 1 Sensor PWR convencional (a) e o sensor PWR com enrolamentos bifilares (b). Em (a), o sistema contém um indutor espiral quadrado, um capacitor interdigital e um jumper (vermelho) para fazer o paralelismo entre LC [9]. Em (b), o sistema é composto por indutores espirais bifilares e um jumper (vermelho) completando a espira bifilar. É feita uma comparação das áreas úteis em (c) e (d), em rosa (R). Podemos ver o elemento capacitivo e em azul (A) o elemento indutivo do sensor convencional, em verde (V) vemos a área tanto indutiva quanto capacitiva do sensor bifilar.
Modelo elétrico do sensor PWR
A capacitância entre as trilhas da bobina bifilar é utilizada como um sensor capacitivo, a capacitância total do sensor (figura 2) é composta por um tipo de substrato (permissividade ), o meio em teste (com permissividade e condutância ) e uma fina camada de esmalte
de poliéster ou poliamida (permissividade com cerca de 4 ). A camada de esmalte serve para proteger as trilhas de cobre contra oxidação provocada pelo meio.
Figura 2 Campo elétrico entre duas trilhas (a), atravessando o meio de estudo (b), o substrato (c) e a camada de esmalte (d) (Fonte: Artigo submetido ao CLABIO [15]).
A admitância do meio ( é capacitiva e pode ser calculado por:
, (1)
onde K é a constante que representa a geometria do sensor, e é a permissividade complexa do meio. A permissividade elétrica é um numero complexo devido aos efeitos dispersivos causados pela condutividade , que pode ser representada como:
. (2)
Aplicando a equação (2) em (1), resulta em:
. (3)
Definindo e como a capacitância e resistência total, respectivamente, as quais podem ser representadas:
e ⁄ , (4)
admitância do meio é:
. (5)
Assim, reescrevendo a equação (5) como a impedância do meio ( ), uma associação em paralelo da resistência e da reatância capacitiva , pode ser deduzida e
resulta na equação:
, (6)
onde é possível ver que a impedância do meio resultante, entre o campo elétrico entre duas trilhas, depende da capacitância e da resistência do meio. Como pode ser observado na figura 2, o campo elétrico e que atravessam o substrato e a camada de esmalte, respectivamente, e resultam em uma capacitância constante (denominado de ), o qual é independente do meio. O campo elétrico que atravessa o meio também atravessa a camada esmaltada. A influência dessa camada é representada por uma capacitância .
Uma representação de um circuito elétrico equivalente para o sensor é mostrado na figura 3. Neste circuito a capacitância total ( ) do sensor PWR pode ser determinada por
. (7)
Figura 3 Circuito elétrico do sensor PWR.
Como a camada de esmalte é muito fina, a capacitância é muito maior que , mas isso não pode ser omitido em uma analise elétrica. A umidade aumenta a capacitância devido a alta permissividade relativa da água (cerca de 80) em comparação com o ar e a areia seca (cerca de 4) [9]. Quando o sensor PWR é inserido em solo arenoso, sua capacitância cresce aproximadamente 6,25 vezes, desde que a areia seca e molhada tenham permissividade relativa de 4 e 25, respectivamente [14]. Um ponto importante nessa analise é que as capacitâncias do sensor ( e de acordo com a equação 7) reduzem a variação resultante da capacitância . Assim, a mudança da umidade do solo modula a capacitância e , onde isso pode ser medido como uma função da frequência de ressonância ( ) pela equação clássica:
√ (8)
Como pode ser observada na figura 3, a condutividade da água no solo pode modificar e a resposta do sensor PWR. Entretanto, água pura é muito mais condutiva (alcança alguns ) [14] do que água deionizada e a resistência é alta suficiente para que possa ser retirada da analise do sensor ( . Contudo, a presença da água do mar, a qual tem alta condutividade (alguns ) causada pela sua salinidade, reduz drasticamente a resistência e consequentemente reduz a qualidade do fator ressonante do sensor. Esse efeito causa a redução da amplitude do sinal, trazendo maior dificuldade para ler remotamente a . Para valores pequenos de a sensibilidade de também é reduzida.
Construção do sensor
O sensor bifilar PWR foi feito em uma placa de face simples de circuito impresso (PCB) com 9 pares de espiras com espaçamento de 0,5 mm entre as trilhas. A figura 4 mostra o sensor com suas dimensões de 37,5 40 mm². As dimensões externas, espessura das trilhas, e a separações das trilhas foram feitas de acordo com o trabalho anterior [9] para que fosse possível a comparação entre eles. Para completar a bobina bifilar, os pontos 1 e 2 são interligados por um jumper, resultando em um enrolamento de 18 voltas.
Figura 4 Sensor bifilar PWR com 9 pares de espiras, os pontos 1 e 2 são interligados por um jumper. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A frequência de ressonância pode ser detectada remotamente usando um dip-meter, o qual absorve um sinal oscilatório RF e é medido por um ponteiro que sofre uma deflexão quando um circuito ressonante LC é coloca perto da antena. Neste experimento, um Leader LDM-815 dip-meter foi utilizado. Entretanto, o valor de é mostrado em um medidor analógico com baixa precisão e resolução. Assim, uma segunda bobina (loop coil na figura 5) é conectada em um osciloscópio digital (Agilent modelo MSO 6034A) para ter mais precisão.
Os testes de medição de umidade do sensor PWR foram feitos inserindo o sensor em uma amostra de areia. A areia foi coletada em na praia de Pontal do Paraná, onde foram constatados 82% de areia fina, aproximadamente 10% de areia média, cerca de 7% de areia muito fina e 1% de sedimentos (lodo e argila). Incialmente 300 g de areia foram aquecidas a 200°C por duas horas e após isso a massa foi aferida (balança iPlena com resolução de 1 g). A massa de areia seca foi denominada de . Após a etapa de secagem, a areia foi saturada com água límpida e assim foi registrada a massa molhada, denominada de . O processo de evaporação da água dessa amostra foi feita naturalmente e periodicamente foi feita a aferição da , assim como a pesagem atualizada da amostra, ou seja, da nova massa . Esse processo foi repetido até que a massa molhada ficasse igual à massa seca determinada no começo do processo. A medição de umidade ficou como uma relação de água para areia ( ), calculada por:
(9)
Figura 5 Configuração do experimento (Fonte: Artigo submetido ao CLABIO [15]).
Na figura 6 é mostrado o gráfico que relaciona a frequência de ressonância e massa de água-para-areia (umidade da amostra). Frequências de 19 MHz e 14 MHz foram medidas para areia seca e molhada (pontualmente), respectivamente. Uma reta de regressão linear foi traçada,
conforme os pontos adquiridos, apresentando um declive de 190,9 kHz por cada percentual de água-areia, determinando assim um coeficiente de correlação igual a 0,7195.
Quando o sensor foi retirado do solo, sua e auto-indutância foram medidas por um analisador de impedância (Agilent 4292A). Usando as medidas do analisador de impedância, o modelo elétrico do sensor pode ser resolvido pela equação 7, resultando nas capacitâncias
, e , apresentados na tabela 1.
Figura 6 Frequência de ressonância do sensor PWR bifilar em relação a massa de água por areia e a curva linear aproximada dos pontos medidos.
Tabela 1 Valores medidos do sensor PWR bifilar e as capacitâncias calculadas do modelo elétrico obtidas através da equação 7.
Parâmetros Situação Valor
Ar 19,6 MHz Areia seca 18,94 MHz Areia molhada 13,9 MHz L A 1 MHz 6,8 µH Sensibilidade 252 kHz/% 8,6 pF 62 pF Areia seca 2,2 pF Areia molhada 13,7 pF
Foram feitos testes para relacionar a frequência de ressonância da terra em relação a sua umidade. A amostra de terra foi retirada de uma área preservada e a 2 metros de profundidade. Para determinar a massa seca, a terra foi deixada 48 horas em uma estufa com temperatura regulada de 30 ºC, e para determinar a massa molhada foi feito o mesmo procedimento dos testes com areia. Como a terra é mais porosa que a areia, foi necessário mais massa de água para sua saturação.
A figura 7 mostra os resultados obtidos com a terra, observa-se que a reta tem correlação angular maior que os ensaios com areia (R²=0,8525).
Figura 7 Frequência de ressonância do sensor PWR bifilar em relação à massa de água por massa de terra e a curva linear aproximada dos pontos medidos.
CONCLUSÕES
Neste trabalho foi apresentado o desenvolvimento e o estudo de um sensor PWR bifilar para monitoração da umidade do solo. O desenvolvimento do sensor emprega uma bobina bifilar caracterizada por sua alta capacitância, que muda em função do meio, e assim é determinada a umidade. A principal vantagem desse sensor é sua bobina bifilar que reduz o número de componentes e aumenta a área útil em contato com a umidade quando comparado com o sensor PWR com o capacitor interdigital. Além disso, aumenta a área útil do indutor, melhorando assim a conexão sem fio com o circuito de medição. Nesse trabalho foi obtido um acréscimo de 123% na indutância (6,58 µH em relação a 2.95 µH [9]) quando comparado com o sensor PWR com capacitor interdigital.
O modelo teórico mostra que a capacitância do sensor apresenta uma impedância que depende da capacitância e da resistência do meio. Neste trabalho, um circuito ressonante foi utilizado para detectar a variação da capacitância em função da umidade do meio. Sendo assim, foi necessário ter a certeza que o meio apresentasse baixa condutividade resultante da resistência entre as trilhas da PCB, na resposta do capacitor.
Com 300 g de areia fina, o resultado dos testes foi satisfatório, mostrando uma correlação linear entre a frequência de ressonância e a porcentagem de água. Analisando a figura 6, os pontos abaixo de 17% de massa de água apresentam melhor correlação linear (R²=0,8548) e uma sensibilidade de 90 kHz/%. Contudo, incluindo os pontos acima de 21% , a sensibilidade aumenta para 190,9 kHz, mas a correlação linear diminui (R²=0,7195). Essa sensibilidade é maior que a obtida por Ong. et al. (114 kHz por cada ponto de massa)[9]. O problema com a não linearidade pode estar relacionado com o processo de secagem da areia. Enquanto ocorria esse processo, foi observado que algumas regiões da amostra estavam mais secas que outras. Isso significa que alguns pontos de umidade podem estar locados diretamente no sensor ou não, ficando difícil de definir uma massa exata de areia seca ou molhada. Para reduzir a ocorrência desse tipo de problema seria ideal fazer os testes com grandes quantidades de areia. Quando a areia se encontra totalmente seca e saturada temos resultados mais precisos, pois não há esse tipo de problema. Traçando uma linha entre esses dois pontos obtém-se uma sensibilidade de 252 kHz/%.
Os resultados obtidos com a terra não foram satisfatórios pelo fato de haver divergência em um ponto do gráfico, isso ocorreu pela imprecisão dos equipamentos, visto que o valor da frequência de ressonância para 50% de massa por terra teve que ser aproximado.
y = -9E+06x + 2E+07 R² = 0.8525 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% R e sson an t fr e q u e n cy ( M H z)
O modelo elétrico desenvolvido pela equação 7 e pela figura 3 pode descrever o comportamento da capacitância total do sensor com a influencia da umidade do meio, e poderia ser utilizado para prevenção , com boa precisão, o a frequência de ressonância do sensor PWR.
Trabalhos futuros podem ser focados na melhoria da resposta do sensor (linearidade e sensibilidade). Além disso, outros modelos de sensores podem ser estudados, com diferentes dimensões e frequências. Apesar do resultado satisfatório do modelo teórico, é preciso melhoramento para definir precisamente a influencia do meio. Especialmente em meios com alta condutividade.
Finalmente, o sensor pode se apresentar útil em outras áreas, como medição da umidade do solo para a agricultura, construção civil, criação de animais, e outras possíveis aplicações. AGRADECIMENTOS
Agradeço ao CNPq e a CAPES pelo apoio financeiro e ao meu orientador, os quais ajudaram no desenvolvimento desse trabalho.
REFERÊNCIAS
[1] Ong K G Zeng K e Grimes C A, 2002, A wireless, passive carbon nanotube-based gas sensor IEEE Sensors Journal, 2, 82-88.
[2] Harpster T J Stark B e Najafi K, 2002, A passive wireless integrated humidity sensor Sens. Actuators A, Phys, 95, 100-107.
[3] Pichorim S F e Abatti P J, 2006, Biotelemetric passive sensor injected within tendon for strain and elasticity measurement IEEE trans. Biomedical Engineering, 53, 921-925.
[4] Baldi A Choi W e Ziaie B, 2003, A self-resonant frequency-modulated micromachined passive pressure transensor IEEE Sensors Journal, 3, 728-733.
[5] Son C e Ziaie B, 2008, A wireless implantable passive microdosimeter for radiation oncology IEEE Trans. on Biomedical Engineering, 55, 1772-1775.
[6] Tan E L Ng W N Shao R Pereles B D e Ong K G, 2007, A wireless, passive sensor for quantifying packaged food quality Sensors, 7, 1747-1756.
[7] Pichorim S F e Destefani F A, 2010, Estudo de bobina bifilar de Tesla como sensor para engenharia biomédica XXII Congr. Bras. de Eng. Biomédica, 359-362.
[8] Pichorim S F e Abatti P J, 2008, A novel method to read remotely resonant passive sensors in biotelemetric systems, IEEE Sensors Journal, 8, 6-11.
[9] Ong J B, You Z, Mills-Beale J, Tan E L, Pereles B D e Ong K G, 2008, A wireless, passive embedded sensor for real-time monitoring of water content in civil engineering materials IEEE Sensors Journal, 8, 2053-2058.
[10] Evgueni S e Tonkin M, 2010, A sensor using a bifilar coil Patent Coop. Treaty WO, 015025/2010.
[11] Lana P Bianchini, A Ribeiro, C Niencheski, L Filmann G e Santos C, 2006, Avaliação ambiental de estuários brasileiros: diretrizes metodológicas Série Livros 22 (Rio de Janeiro: Museu Nacional).
[12] Tesla N, 1894, Coil for electro-magnets US patent office 512.340.
[13] Miranda C M e Pichorim S F, 2012, Equacionamento e modelagem da bobina bifilar de Tesla Revista Uniandrade (manuscrito submetido).
[14] Liu L e Li Y, 2001, Identification of liquefaction and deformation features using ground penetrating radar in the New Madrid seismic zone, USA Journal of Applied Geophysics, 47, 199-215.
[15] Pichorim S F, Laskoski G T e Marcis V A, 2012, Humidity in sandy soil measured by passive, wireless, and resonant sensor with bifilar coil, (artigo submetido)
