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INSTRUMENTAÇÃO

AULA XI

Transdutores EletromagnéticosPrincípio de Funcionamento

Lei de Faraday

Um fluxo magnético variável ao atravessar perpendicularmente uma espira de área Aef induz uma tensão elétrica E.

Quando um campo magnético variável passa através de uma bobina induz tensão elétrica entre os terminais da bobina

( )tBAsenABonde

dtdNE

ef ωφ

φ

==

=

+E _

)tcos( dtd ωωαφ

=

( ) tcosNBAE ωω=

Amplitude e freqüência de E dependem da

velocidade de giro ω

Transdutores EletromagnéticosTacogerador

Medida de velocidade angular

Muito ruidoso

São usualmente acoplados aos motores, para controle analógico de de velocidade

Uso diminuído em função de controle digital com transdutores menos ruidosos e mais exatos

Transdutores Eletromagnéticos

Pick-Up Magnético

Codificador IncrementalTransdutores de posição e velocidade

Gera uma tensão quando um dente de material ferro magnético passa próximo ao imã e altera o fluxo magnético

+

_E

imã

v

E

x

A amplitude e freqüência de E dependem de v

Transdutores Eletromagnéticos

Pick-Up Magnético

Transdutores IndutivosInductosyn

Princípio de FuncionamentoExplora a variação do acoplamento magnético entre os condutores do primário e do secundário em função do deslocamento dos condutores do primário em relação aos do secundário.

+V2

_

+V1

V1

V2


Princípio de Funcionamento

V1

V2

V1


Princípio de FuncionamentoV1

V2

V1


Função de Transferência

( )tVpdt p ωπ sen2cos)(V 12 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆=

∆d

p

V1(t)

V2(t)


Função de Transferência (2 sensores)


Aplicação - Sensor de deslocamento Codificador Incremental Linear


Aplicação - Sensor de deslocamento Codificador Rotativo Incrementais ou Absolutos

Incremental Absoluto

Transdutores IndutivosResolver

Princípio de FuncionamentoExplora a variação do acoplamento magnético entre o enrolamento primário e os enrolamentos secundários

θ



( ) ( )tsenVsen)t(V pRS 2413 ωθ= ( ) ( )tsenVcos)t(V pRS 2424 ωθ=

VR24p = 2 a 40VRMS

f = 400Hz a 10kHz

Exatidão de 0,008° a 0,08 °

θ


Detalhes Construtivos Transformador Rotativo para evitar o uso de escovas na excitação do rotor

θ

θ

θ

θ


Detalhes Construtivos

Transdutores IndutivosSynchro

Princípio de FuncionamentoÉ o mesmo princípio do Resolver, contudo as bobinas estão defasadas de 120 graus.

Transdutores IndutivosSynchro


( ) ( )tVt pR ωθ sensen)(V 1212S =

( ) ( )tVt pR ωθ sen120sen)(V 1223S °+=

( ) ( )tVt pR ωθ sen240sen)(V 1231S °+=

Transdutores IndutivosCondicionamento (Medida de Ângulo e Velocidade)

Inductosyn e Resolver

Uma pastilha que implementa diretamente

estas funções é o AD2S90da Analog Devices

Low PassFilter

SynchronousRetifier

Vsin(θ-ϕ)|sinωt|

Ksin(θ-ϕ)Error

UP/DNCk

Transdutores IndutivosPrincipais Aplicações

Medida de Posição para controle em ServomotoresControle de velocidade

Princípios Gerais de Funcionamento de Dispositivos

Baseados em Sensores Óticos

Interrupção de feixe de luzReflexão de feixe de luzMedição de Intensidade de LuzUtilização de Arranjos para medição de intensidade de Luz

Sensores e Transdutores Óticos__________________________________

Interrupção de feixe de luz

Fonte Emissora de Luz

Anteparo Elemento Sensor


Elemento Sensor

1)

2)


Reflexão de feixe de luz


Anteparo

Elemento Sensor


Medição de Intensidade de Luz

I1

I2

Sinal 1

Sinal 2

Sensor 1

Sensor 2

V1

V2


Utilização de Arranjos para medição de intensidade de Luz

Elementos Sensores


Tipos de Sensores

LDRsFotodiodosFototransistoresCCDs


Resistor Dependente de Luz - LDR (Light

Dependent Resistor)

LDR é um dispositivo semicondutor de dois terminais, cuja resistência varia com a intensidade de luz incidenteMateriais freqüentemente utilizados:sulfeto de cádmio (CdS) e o seleneto de cádmio (CdSe).LDRs aumentam sua condutividade quando expostos a Luz.Variação de Resistência típica : cerca de 300 Ω para luz ambiente e 10 MΩ para o escuroResposta lenta (cerca de 200K Ω por segundo)


Fotodiodo

Diodo de junção construído de forma a possibilitar a utilização da luz como fator de controle para a correnteFunciona polarizado inversamenteTem resposta rápida em relação a variação do sinal luminosoCorrente de saída baixa


Fototransistores

Princípio de funcionamento similar ao fotodiodo, entretanto associado ao efeito do transistorMaior sensibilidade devido a amplificaçãoResposta mais lenta


Sensor Acoplador de Cargas (Charge Coupled Device -CCD)

Arranjo de sensores que transformam uma informação luminosa pontual (pixel) num sinal elétrico A luz num determinado ponto sensor

provoca a liberação de cargas que geram uma diferença de potencialUm arranjo na forma de matriz permite então que seja feita uma varredura de sinais elétricos ocasionados pela luminosidade numa superfície


Encoders

DefiniçãoTipos de Encoders:− Encoders Incrementais− Encoders Absolutos


Transdutores FotoelétricosFotodiodos

Princípio de FuncionamentoOs fótons ao colidirem com elétrons na banda de valência cedem energia a eles e, assim, os elétrons são promovidos para a banda de condução. Se esta colisão ocorrer na região de deplexão, o campo elétrico existente ali desloca os elétrons criando uma fotocorrente.

D1

Ânodo

Cátodo

-e

Ip



Fotodiodo sob polarização reversa aumenta a região de deplexão

D1

Ânodo

Cátodo



Absorção Geração do par Elétron-Lacuna

Recombinação

Geração de Corrente Elétrica

(fotocorrente Ip)

Ip


Função de Transferência - Responsividade

(A/Watt) PIR

L

P=

eheP NeeNI η==η é a eficiência de absorçãoNeh= número de pares eletron-lacunagerados por segundo

(Joules) chEf λ=

então se Ef > Eg = Ec-Ev

Energia de 1 Photon de compr. de onda λ

ehfWatts NE P =


Função de Transferência - Responsividade

(A/Watt) PIR

L

P=

eheP NeeNI η==

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

<

≥==

Egch se 0

Egch se (A/Watt) hc

eEe

R f

λ

λληη

ehfWatts NE P =


Modos de OperaçãoFotovoltaicoFotocondutivo

PkTeV

o I1eII −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Função de Transferência

Operando no Modo Fotovoltaico (fotocélula)

PkTeV

o

Ld

I1eII

IRVd

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−=I


Operando no Modo Fotovoltaico (fotocélula)

IdI


Operando no Modo Fotocondutivo

PkTeV

o

LBd

I1eII

IRVVd

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−=+

+ -

I

Neste caso Vd é negativo logo I≅-Io-Ip, ou seja, a corrente no diodo e a tensão em RL são lineares em relação a potência luminosa incidente.


Operando no Modo Fotocondutivo


Modelo MatemáticoPossui ruído térmico (Rs e Rj) e ruído quântico (devido a corrente no diodo).

Quanto maior a polarização reversa maior é a corrente de ruído

Quanto maior a polarização reversa menor é Cj.


Condicionamento

Transdutores FotoelétricosFotodiodos - Exemplo de Aplicação

Sensores de ProximidadeSão constituidos de uma fonte de luz (LED) e um fotodetector (fototransistor)Normalmente procede-se a modulação do sinal para diminuir a influência da luz ambienteSaída TTL 5V, relé de estado sólido, etc...

AmplificadorDemodulator

Modulator Fonte de Sinal

Saída

Sinal Modulado

Fonte de Alimentação

Carga

Transdutores FotoelétricosSensores de Proximidade Fotoelétricos

Alguns Modelos


Modos de OperaçãoFeixe de luz passante

Longas distâncias (20m)Alinhamento é crítico

Retro-reflexãoDistâncias de 1 a 3mPopular e barato

Reflexão difusaDistância de 12 a 300mmBarato e fácil de usar


Admitem extensão com fibra ótica


Exemplos de Aplicação


Exemplos de Aplicação

Cortina de luz(segurança)

Detector de Colisão

Aplicações - Medição de Nível


Sensores Detectam quando o líquido nagarrafa alcança o seu limite superior

Aplicações - Medição de Temperatura


Pirômetros de radiação implementados com sensores óticos

Aplicações - Termógrafo


Imagem térmica de um corpo

Aplicações - Medição de Temperatura


Pirômetro de radiação implementado com sensores óticos

Aplicações - Visão Artificial


Aplicações - Diversos


Aplicações - Termocâmeras


Aplicações - Leitura de CD



Codificador ÓticoSão sensores de posiçãoConsiste de uma lâmina de plástico ou vidro que se movimenta entre uma fonte de luz (LED) e um conjunto de fotodiodosA lâmina é codificada (reticulada) com setores transparentes e opacos alternados, de modo que pulsos de luz são produzidos com o movimento da lâmina.

Rotativos


Codificador ÓticoSão sensores de posiçãoConsiste de uma lâmina de plástico ou vidro que se movimenta entre uma fonte de luz (LED) e um conjunto de fotodiodosA lâmina é codificada (reticulada) com setores transparentes e opacos alternados, de modo que pulsos de luz são produzidos com o movimento da lâmina.

LinearesExpostos Selados

Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Rotativo

Características

Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Linear

Características

Codificadores de Posição

Relativos (Incrementais) e Absolutos

Funcionamento do Encoder Simples


Um emissor e um receptor acoplados a umaroda com rasgosque permitem a luz passar

Funcionamento do Encoder Incremental


Permite saber o sentido do movimento dodisco em relaçãoaos sensores

Funcionamento do Encoder Absoluto


Geração de códigobinário correspondentea posição do disco emrelação aos sensores e emissores

Transdutores FotoelétricosCodificadores Óticos

Estrutura Interna

Transdutores FotoelétricosCodificadores Óticos Incrementais

Modo de Operação

• Os pulsos de luz são contados para determinar a posição

• São usados dois fotodetectores em quadratura para determinar a direção do movimento

• Um pulso de índice é utilizado para determinar a posição inicial

Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Incremental

Linear


Rotativo

Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Incremental Rotativo

Exemplo de Discos

Transdutores FotoelétricosCodificadores Óticos Incremental Rotativo

Detalhes Construtivos

Fonte Luminosa

LenteMáscara

Disco com EscalaFotosensores


Sinais de Saída

Quase Senoidais

Permite Interpolação

Digitais

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

A2

B2ppp I

Iarctg360l

lNP

Interpolação - Explora a característica quase senoidal dos sinais de saída


Sinais de SaídaPorque Quase Senoidais ?

Máscara

po

Feixe deLuzParalelo

Escala impressa

Fotosensor

p

I (p)I (p, )

TS θ

sobre o disco

A

A

Escala

Área efetiva de passagen de luzMáscara

prθ

po

L

Corte A-A

S( )θ

θ2nπ

KsAL

p

Imx

10

Gd(p)

Imx

I (p)s

p

p

pθr

I (p)T

Esse é o sinal ideal da fotocorrente em função do movimento da escala

Intensidade luminosa ideal sobre a escala

Escala Móvel

Intens. luminosa no Fotodiodo


Sinais de SaídaPorque Quase Senoidais ?

FonteLuminosa

LenteConvergente

Máscara Escala

Fotosensor

Frente de onda

Difração

Interferência

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

p

I (p)T

Mas ocorre a difração da luz no retículo da máscaraPasso ≅ 4 µm ou menor

Intensidade luminosa real sobre a escala

Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Absoluto

Modo de Operação• Fornecem um código digital

único para cada posição

• O código geralmente é no formato Gray

• Os codificadores óticos absolutos são mais complexos e caros que os incrementais

Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico Absoluto

Linear

Transdutores FotoelétricosCodificaor Ótico Absoluto

Rotativo

Transdutores FotoelétricosCodificadores Óticos Absolutos Rotativos

Exemplos de Discos

Transdutores FotoelétricosCodificador Ótico

Exemplo de Aplicação

Sistema de Posicionamento de

Telescópio

Mecanismo de alimentação para

máquina perfuratriz

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