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Índice
- 6 - POSIÇÃO / DESLOCAMENTO: ______________________________________
- 6.1 - SENSOR DE PROXIMIDADE INDUTIVO ______________________________
- 6.1.3 - Precauções_______________________________________________________________
- 6.1.4 - Características Gerais ______________________________________________________
- 6.1.5 - Aplicação _______________________________________________________________
- 6.2 - SENSORES DE PROXIMIDADE CAPACITIVO _________________________
- 6.2.1 - Utilização _______________________________________________________________
- 6.2.2 - Aplicações_______________________________________________________________
- 6.3 – SENSORES DE CAMPO MAGNÉTICO ________________________________
- 6.4 - TRANSFORMADOR E_______________________________________________
- 6.5 - SYNCRO ___________________________________________________________
- 6.6 - SENSOR POTENCIOMÉTRICO ______________________________________
- Se o potenciômetro é linear e r é proporcional a R, então: _______________________
- 6.7 - ENCODERS_________________________________________________________
- 6.7.1 Sensor Incremental Angular __________________________________________________
- 6.7.2 - Sensor Incremental linear __________________________________________________
- 6.7.3 - Sensor Incremental linear magnético __________________________________________
- 6.7.4 - Encoder absoluto__________________________________________________________
- 6.7.5 Encoder absoluto multirevolução ______________________________________________
- 6.7.6 Aplicações ________________________________________________________________
- 6.8 ULTRASSÔNICO _____________________________________________________
- 6.8 EXERCÍCIOS ________________________________________________________
Capítulo 06
6 - POSIÇÃO / DESLOCAMENTO:
6.1 - SENSOR DE PROXIMIDADE INDUTIVO
O princípio de funcionamento baseia-se na geração de um campo
eletromagnético de alta freqüência, que é desenvolvido por uma bobina
ressonante instalada na face sensora.
Figura 6.1- Princípio de funcionamento
A bobina faz parte de um circuito oscilador que em condição normal
(desacionada) gera um sinal senoidal. Quando um metal aproxima-se do
campo surgem correntes de superfície (Foulcault) que absorvem a energia do
campo, diminuindo a amplitude do sinal gerado no oscilador.
Figura 6.2 - Diagrama de blocos do circuito
acionamento pois depende de fatores como temperatura e o material a ser
detectado.
Figura 6.3 - Distancia sensora Figura 6.4 - Freqüência de comutação
6.1.3 - Precauções
Efeitos de metais e influência mútua: Quando o sensor for instalado num
painel metálico ou quando instalar duas ou mais unidades do mesmo sensor
frente a frente ou lado a lado, deixar distância mínima, como mostrado no
quadro abaixo, para que o sensor seja acionado somente pelo objeto a ser
detectado.
Figura 6.5 - Influência mútua
6.1.4 - Características Gerais
∠ Não possuem peças móveis e atuam sem contato físico;
∠ São totalmente vedados com resina epoxi, tornando possível o uso em
água óleo, poeira, etc.;
∠ Tem grande precisão na repetição do ponto de comutação (repetibilidade);
∠ Substituem com vantagens as chaves fim-de-curso e micro-chaves.
6.1.5 - Aplicação
Os detetores de proximidade são concebidos para efetuar:
- controle de presença ou ausência, fim de curso.
- detecção de passagem, de posicionamento.
- contagem de peças.
Sua utilização é particularmente recomendada quando:
- velocidade de ataque e funcionamento são elevadas.
- condições ambientais severas, presença de poeira, óleo de corte, agentes
químicos, umidade, vapores, choques e vibrações.
- peças a detectar são de pequenas dimensões ou frágeis.
- associados a um automatismo estático.
Os detetores de proximidade são freqüentemente utilizados em:
- máquinas de montagem, máquinas operatrizes, sistemas de usinagem e
prensas.
- máquinas de embalagem, transporte e armazenagem
Figura 6.6 - Aplicações
6.2 - SENSORES DE PROXIMIDADE CAPACITIVO
Os sensores capacitivos foram desenvolvidos para atuarem com a
aproximação de materiais orgânicos, plásticos, pós, madeiras, vidros, líquidos,
papéis, além de metais etc.
Seu funcionamento baseia-se na variação
do dielétrico do meio em que a região de
sensibilidade está atuando, sendo assim, a
distância sensora varia de acordo com a massa e
o tipo de material a ser detectado. Devido a esta
característica, há modelos com trimpot externo que
permite também para regular a sensibilidade de
modos a detectar certos materiais através de
outros. Os modelos fixos são totalmente vedados,
ideais para operar em locais com líquidos, e
possuem a distância sensora especificada para
água. Para outros dielétricos temos que considerar
o fator de redução; Figura 6.7 – Sensor Indutivo
Folhas de dados (Data-Sheet) :
OMRON
SENSOR DE PROXIMIDADE CAPACITIVO E2K-X
Sensor de proximidade capacitivo cilíndrico
∠ Detecção de quase todos os tipos de objetos metálicos e não metálicos,
incluindo vidro, madeira, água, óleo e plástico.
∠ Disponíveis em três modelos cilíndricos rosqueados (M12, M18 e M30 que
facilitam a instalação).
∠ Todos os modelos dispõem de indicador de operação (Led que facilitam o
controle).
∠ Distância de detecção fixa (M12...4mm, M18...8mm, M30...15mm) não
necessitando de ajuste de sensibilidade.
Modelo
E2K-
X4ME(F)
E2K-
X8ME(F)
E2K-
X15ME(F)
E2K-
X4MY_
E2K-
X8MY_
E2K-
X15MY_
Tensão nominal
10 a 30 VDC, Ripple (p-p): +/- 20% máx. 90 a 250 VAC, 50/60 Hz
Consumo
8mA a 12 VDC, 15mA a 24 VDC 22mA a 200 VAC
Objeto detectável Condutores e dielétricos
Distância de detecção (Sr) Sn +/- 10%
Sensibilidade fixa
Histerese 4 a 20% da distância de detecção
Freqüência máx. de operação
100Hz 10Hz
Indicadores Operação (Led vermelho)
Proteção no circuito
Contra inversão de polaridade
Grau de
IEC 144 IP
Proteção
NEMA 1,3,4x,
Material do corpo Plástico
Temperatura de operação -25 a 70ºC -10 a 55ºC -25 a 70ºC
-10 a 55ºC
Diagrama do circuito de saída
NPN (E2K-X
ME
) PNP (E2K-X
MF
) Tipo AC (E2K-X
MY
6.3 – SENSORES DE CAMPO MAGNÉTICO
Estes dispositivos se baseiam no uso de campos magnéticos e
convertem esse campo em um sinal elétrico. Estes sensores podem ser:
Eletrônicos e a Ampola Reed.
Sensores de campo magnético (MFS), a partir de uma chave Reed e um
ímã permanente são relativamente simples e podem ser facilmente fabricados.
O ímã pode ser parte do objeto a ser detectado ou fazer parte do dispositivo do
sensor. O dispositivo é projetado de modo que a presença do objeto na região
do sensor complete o circuito magnético e ative a chave.
Os sensores eletrônicos se baseiam no efeito Hall (Efeito
galvamagnético). Os sensores de Hall são dispositivos semicondutores cujo
comportamento elétrico pode ser influenciado por um campo magnético.
Nos sensores de efeito Hall se observa que, quando um condutor plano
atravessado por uma corrente elétrica é colocado em um campo magnético
cuja linhas de fluxo estão perpendicular a superfície do condutor , os elétrons
da corrente elétrica são deslocados lateralmente (lei de Lorentz) fazendo um
angulo reto em relação a direção da corrente.
Figura 6.9 - Efeito HallFigura Figura 6.10 - Sensor eletrônico de efeito Hall
A diferença de potencial [chamada de tensão de Hall (Uh) que esse
efeito produz é diretamente proporcional à intensidade do campo (B), à
corrente elétrica (I) e a relação entre o coeficiente de Hall (Rh) e a espessura
(d). A tensão de Hall é dada por:
Uh = (Rh/d). I. B
Figura 6.13 - Detalhes de fabricação um LVDT comercial
Como características principais do LVDT são: Linearidade e
sensibilidade que é dada em Volts/mm (em torno de 50mV/mm).
6.5 - SYNCRO
O termo Syncro está associado ao fato destes transdutores serem
construtivamente semelhantes às maquinas síncronas. Os syncros pertencem
a uma categoria de componentes eletromagnéticos, cujo o objetivo principal é
de transmitir, receber ou converter dados angulares. O syncro se comporta tal
um motor (ou gerador) síncrono, ou seja, um transformador rotativo onde o
primário é o rotor (dotado da bobina de excitação), e o secundário é o estator
(dotado de três bobinas interligadas em Y defasadas de 120 graus).
Figura 6.14 – Componentes de um motor síncrono
Variando a posição angular do rotor em relação ao estator, varia o
acoplamento magnético entre os enrolamentos do estator e do rotor, logo as
tensões induzida em cada fase varia junto. Desta forma é transformado a
variação de uma posição angular, em uma variação de uma grandeza elétrica,
ou seja a tensão no secundário.
A aplicação mais encontrada para o syncro é o par transmissor/receptor
que é mostrado na figura 6.14. Nesta caso, o receptor terá seu secundário
alimentado por uma tensões induzidas no secundário do transmissor, com
valores proporcionais a posição do rotor, logo a posição do receptor seguirá
aquela determinada pelo transmissor. Esse tipo de aplicação é utilizada em
indicadores de posição do vento e indicadores de posição da pinça de
guindastes portuários.
Figura 6.15 - Esquema de funcionamento de um par syncro
6.6 - SENSOR POTENCIOMÉTRICO
Os potenciômetros são constituídos de um elemento resistivo do qual se
movimenta um cursor onde vem aplicada uma tensão de entrada Vi; a tensão
de saída Vu é determinada pela distância do cursor à outra extremidade do
cursor. Este ao ser atravessado por uma corrente do circuito, implica em uma
queda de tensão dada pela fórmula:
Vu = r ×× Vi /R
Se o potenciômetro é linear e r é proporcional a R, então:
R = k × L r = k × X => Vu = X × Vi/L
Se o potenciômetro é do tipo angular, o ângulo θθ corresponde a posição
do cursor e o ângulo φφ corresponde ao valor total do cursor. Logo a queda de
tensão é determinada pela fórmula:
r = K ×× θθ
R = K
×× φφ
=> Vu = θθ ××
Vi/ φφ
Figura 6.17 - Potenciômetros angulares típicos
Uma das formas de se implementar um sensor de posição/deslocamento
utilizando potenciômetros angulares, é construindo um circuito em ponte
usando um par de potenciômetros como na figura abaixo:
Figura 6.18 Aplicação do sensor potênciometrico
O funcionamento deste arranjo acontece da seguinte forma: em dos
cursores(P1) é estabelecida a posição desejada do sistema(set-point), o outro
cursor(P2) é acoplado mecanicamente a parte do sistema onde se deseja ter a
posição controlada (por exemplo um rotor de motor), desta forma a diferença
entre as posições dos dois cursores é convertida em uma tensão de erro, cujo
valor é a diferença entre as tensões estabelecidas pelos cursores de cada
potenciômetro.
Abaixo temos o exemplo de um servomecanismo utilizando este sensor.
Seu objetivo é manter a carga numa posição fixa pré-determinada, obtida
através do cursor de Referência (P1), caso a posição da carga for alterada é
gerada uma tensão de erro(através do acoplamento mecânico no cursor de
erro-P2), que é amplificada e enviada ao motor, que moverá conforme valor e
polaridade da tensão de erro, até que a carga alcance a posição desejada.
Figura 6.19 - Aplicação do sensor potenciométrico
Figura 6.20 Detalhes construtivos do sensor potenciométrico angular
6.7 - ENCODERS
O deslocamento é uma das poucas grandezas que podem ser
transduzidas em saída digital com facilidade sem o uso de um conversor
analógico digital. Encoders são dispositivos eletromecânicos que convertem um
deslocamento angular em um trem de pulsos, ou seja, em uma palavra de n-
bits.
Há dois tipos de encoders: o tipo incremental e o tipo absoluto. Os
sensores incrementais medem o deslocamento somente em relação ao ponto
inicial de partida. Já os encoders absolutos medem o deslocamento em relação
a um ponto de referência interno fixo. Esse tipo de sensor representa o
deslocamento em incrementos codificados discretamente.
A maior desvantagem do encoder incremental de contato é que o
desgaste mecânico dos contatos limita o tempo de vida do encoder.
Num encoder incremental óptico figura (b) as aberturas ou buracos no
disco substituem as strips e a unidade sensitiva consiste em um LED
(combinação fototransístor ). Com a rotação do disco a luz do LED é detectada
pelo fototransístor quando a abertura é alinhada com o feixe de luz vinda do
LED, fazendo que a saída fique em nível lógico baixo( depende da
configuração do circuito). O resultado é um trem de pulsos.
Obs.: Com um sensor óptico incremental de uma única pista de marca é
impossível distinguir o sentido de rotação à partir dos pulsos fornecidos pelo
sensor. Por não ter contato mecânico o encoder óptico é mais confiável que
o de contato. No entanto, um problema comum aos dois é que se a
alimentação dos mesmos for interrompida, a informação é perdida.
6.7.2 - Sensor Incremental linear
Uma escala de cristal gravada, à prova de ranhuras e líquidos nocivos, ,
é a base de medição do transdutor. A graduação dessa escala é constituída
por um conjunto de traços e espaços de 40 μm de largura cada um com marca
de referência absoluta (marcador de pulsos0. A medição é realizada por uma
varredura de um facho de luz condensado na escala de cristal, que se encontra
alojada em perfil de alumínio, pelo deslocamento sobre a escala graduada de
cristal de um cabeçote sensor. Este possui uma máscara graduada e células
fotoelétricas. Com o movimento da escala em relação do sensor, os
fotoelementos emitem sinais. A luz, transformada pelos fotoelementos em
corrente elétrica (micro amperes), é conduzida através de um cabo flexível
blindado para o indicador digital. A lâmpada, com facho de luz condensado, é
fixada no carro do sensor embutido no perfil. A vida útil dessas lâmpada é de
100.000 horas.
Contando o número de pulsos, é obtido eletronicamente um valor
correspondente ao posicionamento, indicado no display do aparelho digital.
Os indicadores digitais transformam os sinais periódicos em pulsos
contadores.
Figura 6.22 - Sensor Incremental ótico linear
A fixação da escala de cristal ao perfil de alumínio é feita através de cola
elástica especifica. Além de funcionar como suporte da escala de cristal, essa
cola especifica proporciona a compensação das diferentes dilatações entre o
alumínio e o cristal, uma vez que:
- cristal tem como característica básica a baixa dilatação;
- com a elevação da temperatura, a colagem elástica do cristal ao alumínio
proporciona ao sistema de medição o mesmo coeficiente de dilatação
sofrido pelo ferro fundido, que é o material empregado na confecção da
máquina.
Assim, a escala de cristal reflete o mesmo coeficiente de dilatação da máquina.
O cabeçote sensor foi projetado em duas partes, com o objetivo de
facilitar sua montagem e garantir alta precisão em montagens com tolerância
aproximativas.
O captador principal de medição, composto de uma placa com
fotoelementos e máscara de contraste, está localizado num carro pequeno que
se desloca, através de rolamentos, dentro do perfil de alumínio que envolve a
escala de cristal. A ligação ao carro da máquina é feita através de fixação do
sensor. Esse, por sua vez, faz a conexão com o carro fotoelétrico através de
duas molas especiais, que absorvem todas as vibrações.
Tanto a escala de cristal como o cabeçote sensor do transdutor linear
tipo LS são complemente encapsulados (alumínio com vedações de borrachas
especiais e flexíveis na parte inferior), evitando penetrações de cavacos,
poeiras e líquidos.
6.7.3 - Sensor Incremental linear magnético
Figura 6.23 Transdutor Incremental Eletromagnético
número binário 1 e as em branco representam o 0. O LSB(2º) é associado para
trilha exterior e o MSB a trilha interior. Consequentemente, os 5 bits de código
associados com o setor representam todos os valores angulares dentro da
rotação daquele setor. Na ilustração, os 5 bits de código representam todos os
valores angulares dentro de posição de 11.25º. vide tabela.
Figura 6.25 - Exemplo de um encoder absoluto
Outros códigos binários naturais também ser usados para o disco de
encoder. Alguns dos códigos de 4 bits mais comumente utilizados são os
códigos 8421, o 2421, o código excesso de 3, o código Gray, entre outros.
saída. e x= 10
m
para m décadas do código BCD.
6.7.5 Encoder absoluto multirevolução
Os encoders multirevolução não detectam somente a sua posição, mas
também em que volta ele está. A posição dentro de uma revolução é obtida do
mesmo jeito que no encoder normal. Para distinguir o número de revoluções
são colocados imãs permanentes no disco, e a detecção é feita através de um
sensor hall.
Figura 6.26 - Exemplo de um encoder absoluto multirevolução
6.7.6 Aplicações
Os encoders tem uma linha de aplicações práticas: controle numérico de
máquinas operatrizes, impressoras, plotters X-Y, controle de posições de disco
de computador, servomecanismos, displays digitais, controle de posições
remotas, controle de posições de radar, etc..
6.8 ULTRASSÔNICO
O princípio de funcionamento baseia-se no envio e recepção de uma
onda ultrassônica. A principal aplicação é em objetos transparentes, nos quais
não se aplica o uso de sensores óticos.
