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São dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza física,
podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza. Quando
operam diretamente, convertendo uma forma de energia neutra, são chamados transdutores.
Os de operação indireta alteram suas propriedades, como a resistência, a capacitância ou a
indutância, sob ação de uma grandeza, de forma mais ou menos proporcional.
O sinal de um sensor pode ser usado para detectar e corrigir desvios em
sistemas de controle, e nos instrumentos de medição, que freqüentemente estão associados
aos SC de malha aberta (não automáticos), orientando o usuário.
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- LLiinneeaarriiddaaddee:: É o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física.
Quanto maior, mais fiel é a resposta do sensor ao estímulo. Os sensores mais usados são
os mais lineares, conferindo mais precisão ao SC. Os sensores não lineares são usados
em faixas limitadas, em que os desvios são aceitáveis, ou com adaptadores especiais, que
corrigem o sinal.
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: É o intervalo de valores da grandeza em que pode ser usado o sensor,
sem destruição ou imprecisão.
11 .. SSeennssoorreess ddee TTeemmppeerraattuurraa
O controle de temperatura é necessário em processos industriais ou comerciais,
como a refrigeração de alimentos e compostos químicos, fornos de fusão (produção de
metais e ligas, destilação fracionada (produção de bebidas e derivados de petróleo), usinas
nucleares e aquecedores e refrigeradores domésticos (fornos elétricos e microondas,
freezers e geladeiras).
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São resistores dependentes de temperatura.
O NTC (Negative Temperature Coeficient, Coeficiente Negativo de Temperatura),
tem resistência inversamente proporcional à temperatura. Ele é feito de compostos
semicondutores, como os óxidos de ferro, magnésio e cromo. Segue a equação abaixo:
R = A e B/T
A e B são coeficientes que variam com a composição química e "e" é o número de
Neper, 2.718.T é a temperatura, em graus Kelvin (some 273 à temperatura em Celsius, para
conversão).
Sua curva característica é, então, exponencial decrescente.
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Devido a seu comportamento não linear, o NTC é utilizado numa faixa pequena de
temperaturas, em que a curva é próxima de uma reta, ou com uma rede de linearização,
como abaixo.
Rede se linearização, Símbolo do NTC
O NTC é empregado em temperaturas de até uns 150º C.
O PTC (Positive Temperature Coeficient) tem resistência proporcional à
temperatura, e atua numa faixa restrita. A variação da resistência é maior que a de um NTC,
na mesma faixa. Seu uso é mais freqüente como sensor de sobretemperatura, em sistemas
de proteção, por exemplo, de motores.
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O diodo comum de silício, polarizado diretamente com corrente de 1mA, tem queda
de tensão próxima de 0.62V, a 25oC. Esta tensão cai aproximadamente 2mV para cada ºC
de aumento na temperatura, e pode ser estimada pela equação:
Vd = A - BT
A e B variam um pouco conforme o diodo. Esta equação é de uma reta, e vale até
uns 125 ºC, limite para o silício.
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O diodo é encontrado em controles e termômetros de baixo custo e razoável
precisão, até uns 100 ºC.
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Quando dois metais encostados são submetidos a uma temperatura, surge nos
extremos deles uma tensão proporcional à temperatura. Este é o efeito Seebeck.
V=KT
K é uma constante para cada par de metais, que é utilizável até seu limite térmico.
Metal Temperatura Máxima Constante K
Cobre-constantán 375ºC 0.1mV/ ºC
Ferro-constantán 750ºC 0.0514mV/ ºC
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É um transistor cuja junção coletor-base fica exposta à luz e atua como um
foto-diodo. O transistor amplifica a corrente, e fornece alguns mA com alta luminosidade.
Sua velocidade é menor que a do foto-diodo.
Suas aplicações são as do foto-diodo, exceto sistemas de fibra-óptica, pela operação
em alta freqüência.
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São dispositivos que convertem energia luminosa em elétrica.
O diodo iluminado intensamente na junção pode reverter a barreira de potencial em
fonte de elétrons, produzindo energia. A eficiência do processo é baixa devido a pouca
transparência da junção (somente as camadas superficiais são iluminadas), apenas alguns
Seu uso principal está nos painéis solares.
Outro dispositivo é a foto-célula de selênio (um semicondutor), de operação similar.
Usa-se em medidores de luminosidade e aparelhos de análise química (como
fotocolorímetros).
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Empregam-se nos controles e medidores de velocidade de motores dentro de
máquinas industriais, eletrodomésticos como videocassete e CD, unidades de disquetes e
Winchesters de computadores, na geração de eletricidade (garantindo a freqüência da CA),
entre outros.
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É um pequeno gerador elétrico de CC, com campo fornecido por imã. A tensão
gerada, pela Lei de Faraday é proporcional à velocidade com que o fluxo magnético é
cortado pelo enrolamento do rotor. Assim, o Tacogerador é um transdutor mecânico elétrico
linear.
V = K n
K é uma constante que depende do campo do imã, do número de espiras e pólos e
das dimensões do rotor; n é a rotação do eixo (por minuto, rpm, ou segundo, rps).
A polaridade da tensão gerada depende do sentido de rotação.
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Conhecido como reed-switch (em inglês), compõe-se de duas lâminas de ferro
próximas, dentro de um pequeno envoltório de vidro. Ao se aproximar um imã ou solenóide
as duas lâminas se encostam, fechando os contatos externos.
Instalando-se um imã na periferia de uma roda, que gira poucos mm em frente ao
interruptor de lâminas, este fechará os contatos a cada volta. Se este for ligado a uma tensão
contínua, gerará pulsações numa freqüência proporcional à rotação da roda.
Além de seu uso como sensor de velocidade, é encontrado em alarmes, indicando
porta ou janela fechada (um imã é instalado nesta, e o reeds-witch no batente), e em
sensores de fim-de-curso, em máquinas industriais, gavetas de toca-discos CD e
videocassete, etc.
- • SSeennssoorreess ÓÓppttiiccooss::
Empregam foto-diodos ou foto-transistor e uma fonte luminosa, lâmpada, LED ou
laser. Há dois tipos básicos:
- Sensor de reflexão
- Interrupção de luz.
NNoo sseennssoorr ddee rreefflleexxããoo um feixe luminoso atinge um disco com um furo ou marca
de cor contrastante, que gira. O sensor recebe o feixe refletido, mas na passagem do furo a
reflexão é interrompida (ou no caso de marca de cor clara a reflexão é maior), e é gerado
um pulso pelo sensor.
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z usa também um disco com furo, e a fonte de luz e
o sensor ficam em lados opostos. Na passagem pelo furo, o feixe atinge o sensor, gerando
um pulso.
A freqüência destes pulsos é igual à velocidade, em rps, nos dois tipos.
As vantagens destes sensores são o menor tamanho e custo, a maior durabilidade e a
leitura à distância. É usado em sistemas de controle e tacômetros portáteis.
Os sensores se dividem em posição linear ou angular. Também se dividem entre
sensores de passagem, que indicam que foi atingida uma posição no movimento, os
detetores de fim-de-curso e contadores, e sensores de posição que indicam a posição atual
de uma peça, usados em medição e posicionamento.
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São interruptores que são acionados pela própria peça monitorada. Há diversos tipos
e tamanhos, conforme a aplicação.
Ex.: Nas gavetas de toca-discos laser e videocassetes há chaves fim-de-curso que
indicam que a gaveta está fechada, ou há fita. Estas informações são necessárias ao
microprocessador, para o acionamento dos motores (e do LED laser).
Também se usam com motores, na limitação do movimento, como no caso de um
plotter ou impressora, ou abertura / fechamento de um registro.
- • SSeennssoorreess ffiimm--ddee--ccuurrssoo mmaaggnnééttiiccoo::
Quando se aplica um campo magnético num condutor, as cargas elétricas se
distribuem de modo que as positivas ficam de um lado e as negativas do lado oposto da
borda do condutor. No caso de um semicondutor o efeito é mais pronunciado. Surge então
uma pequena tensão nas bordas do material. É o Efeito Hall.
Ele é a base do sensor magnético Hall. Atualmente são construídos sensores em
circuito integrado na forma de um transistor.
Este pode ser usado como sensor de posição se usado junto a um pequeno imã,
colocado na peça. Quando esta é aproximada, o sensor atua, saturando o transistor Hall,
fazendo a tensão entre coletor e emissor próxima de 0V.
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Como o anterior, mas usando este interruptor acionado pelo imã.
Obs.: Os dois últimos também se usam como sensores de posição angular. Uma
aplicação interessante é o motor C.C. sem escovas ("brush-less"), onde a comutação é
eletrônica, feita quando o rotor, com imãs, passa por um sensor Hall, que envia um sinal ao
C.I. controlador, invertendo os pólos do motor. É usado em videocassetes, CDP’s e
unidades de disco de computadores, pela grande precisão e facilidade de controle da
velocidade.
- • SSeennssoorreess óóppttiiccooss::
Há duas formas básicas de usar estes: S. por reflexão, que detectam a posição pela
luz que retorna a um fotosensor (fotodiodo ou f. transistor, LDR ), emitida por um LED ou
lâmpada e refletida pela peça, e S. por interrupção, no qual a luz emitida é captada por um
fotosensor alinhado, que percebe a presença da peça quando esta intercepta o feixe.
Este sensor é usado para contagem de peças, numa linha de produção, além das
aplicações como fim-de-curso.
SSeennssoorreess ddee ppoossiiççããoo eessppeeccííffiiccaa
Como vimos, estes indicam a posição atual da peça, num sistema posicionado, esta
pode ser linear ou angular.
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Quando se aplica uma tensão nos extremos de um potenciômetro linear, a tensão
entre o extremo inferior e o centro (eixo) é proporcional à posição linear (potenciômetro
deslizante) ou angular (rotativo).
Nos sistemas de controle usam-se potenciômetros especiais, de alta linearidade e
dimensões adequadas, de fio metálico em geral, com menor desgaste.
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A capacitância depende da área das placas A, da constante dielétrica do meio, K, e
da distância entre as placas, d:
C = K A / d
Nos sensores Capacitivos podemos variar qualquer destes fatores, sendo mais
prático alterar a distância entre uma placa fixa e uma móvel, ou a área, fazendo uma placa
móvel cilíndrica ou em semicírculo (ou várias paralelas, como no capacitor variável de
sintonia) se mover em direção à outra fixa.
A variação na capacitância pode ser convertida num desvio na freqüência de um
oscilador, ou num desvio do equilíbrio (tensão) numa Ponte feita com dois capacitores e
dois resistores, alimentada com C.A.. O desvio de tensão será inversamente proporcional ao
desvio na capacitância, neste caso, e usando um sensor por distância entre as placas, será
proporcional ao deslocamento entre as placas.
Este método é usado em sensores de posição, força e pressão, havendo uma mola ou
diafragma circular suspenso por borda elástica (como o cone de um alto-falante),
suportando a placa móvel.
Há também o sensor por diferença de capacitância, que é um capacitor duplo, com
duas placas fixas e uma móvel no centro. Também é usada a Ponte para converter a
diferença de capacitância em tensão.
- • SSeennssoorreess iinndduuttiivvooss::
Num indutor, a indutância depende do número de espiras, da largura do
enrolamento, ou área da espira, do comprimento do enrolamento e da permeabilidade do
núcleo.
L = m N2 A / l
