4. Sensores Ativos - Eletrônica e automação! ?· ... a utilização de materiais semicondutores introduz…

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    11-Nov-2018

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<ul><li><p>SENAI CFPOC/POUSO ALEGRE </p><p>1 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP </p><p>4. Sensores Ativos Como j foi dito anteriormente, os sensores ativos comportam-se como </p><p>geradores. Estes produzem um sinal eltrico a partir do fenmeno fsico sem requererem fontes externas de alimentao. Contudo, nem sempre a energia que produzem suficiente para, por si s, excitar o elemento da cadeia de medida que se segue. Assim, frequentemente, os sensores ativos necessitam, tal como os passivos, de fontes de energia auxiliares. </p><p>Uma particularidade deste tipo de sensor a possibilidade de possurem dois regimes de funcionamento; por exemplo, o efeito que rege o seu funcionamento normalmente reversvel. Assim, alguns dos tipos de dispositivos que sero abordados nesta seco podero ser usados tanto na vertente de sensoriamento como de atuao. </p><p>Nesta seco sero objeto de estudo alguns dos tipos mais comuns de sensores ativos tanto na perspectiva da sua aplicao como do seu princpio fsico. </p><p>4.1. Sensores Eletromagnticos Para sensores baseados neste princpio, a variao de uma determinada </p><p>varivel fsica reflete-se numa variao do campo magntico sem que seja implicada, de uma forma direta, qualquer variao da indutncia do sensor [1]. </p><p>A maior parte dos sensores eletromagnticos existentes baseia-se sobre a lei de Faraday; por exemplo, quando se verifica um movimento relativo entre um condutor e um campo magntico surge uma f.e.m. no condutor. Para o caso de um indutor de n espiras, a f.e.m. induzida dada por: </p><p> Onde se refere ao fluxo magntico que atravessa a bobina. Este fluxo pode ser </p><p>intrinsecamente varivel como aquele que produzido; por exemplo, devido a uma corrente varivel no tempo. De forma alternativa, a posio do circuito pode ser varivel em relao a um fluxo magntico constante. </p><p>4.1.1. Resolvers e Synchros Um resolver um tipo de transformador eltrico giratrio usado para medir </p><p>graus de rotao. Relativamente sua arquitetura, um resolver semelhante a um motor eltrico possuindo, tal como ele, um estator (parte fixa) e um rotor que pode girar livremente no interior do primeiro. Estes dispositivos so sensores de posio angular eletro-mecnicos que, atravs de princpios eletromagnticos, fornecem um sinal eltrico que funo da sua posio rotrica (o contrrio tambm vlido). Mais concretamente convertem a posio de um eixo numa diferena de fase de uma tenso alternada em relao a outra tomada como referncia. </p></li><li><p>SENAI CFPOC/POUSO ALEGRE </p><p>2 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP </p><p>4.1.2. Sensores Eletromagnticos de Fluxo (vazo) Para o caso de um condutor retilneo de comprimento l deslocando-se a uma </p><p>velocidade v transversal ente a um campo magntico B, a tenso induzida nesse condutor dada, em mdulo, por [1]: </p><p> esta expresso mantm-se independentemente do tipo de material que </p><p>compe o condutor servindo de base a um grande nmero de sensores eletromagnticos como, por exemplo, microfones, acelermetros e sensores de velocidade linear [1]. </p><p> tambm neste princpio que se baseia o medidor de vazo eletromagntico usado para quantificar a velocidade mdia (vazo) de um fludo condutor. O seu princpio de funcionamento resulta da aplicao directa de (5.9) em que o comprimento l substitudo pelo dimetro d do condutor por onde circula o fludo. A sua filosofia de funcionamento ilustrada na figura seguinte. </p></li><li><p>SENAI CFPOC/POUSO ALEGRE </p><p>3 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP </p><p>Um fluido desloca-se ao longo de um tubo no metlico e no magntico (de forma a no haver distores do campo magntico) com uma velocidade v no interior de um campo magntico B criado por duas bobinas externas. Do movimento do lquido perpendicularmente ao campo magntico gerado resulta uma fora eletromotriz induzida detectada por dois eletrodos colocados transversalmente em relao ao campo magntico e direo do movimento do lquido. </p><p>Para este tipo de sensor, o campo magntico deve ser constante podendo ser gerado tanto por uma corrente contnua como alternada. Normalmente uma corrente alternada utilizada de forma a minimizar problemas eletroqumicos nos eletrodos e interferncias termoeltricas [1]. A figura a seguir mostra um possvel aspecto de um sensor comercial desta natureza. </p><p> Existem diversos tipos de sensores de fluxo para lquidos apoiados nos mais </p><p>variados princpios fsicos. No entanto, este mtodo em particular permite medir, de uma forma no invasiva, o fluxo de um lquido no necessitando portanto de qualquer contato direto com a quantidade a medir. Assim sendo, este tipo de dispositivos pode ser aplicado (sempre que as condies de funcionamento se reunam) para medir, por exemplo, lquidos corrosivos ou com matria slida em suspenso. </p><p>4.1.4. Sensores de Efeito Hall Estes dispositivos sensores tm por base, no a lei da induo de Faraday, </p><p>mas um outro efeito eletromagntico descoberto em 1879 pelo cientista E. H. Hall. Hall verificou que submetendo um condutor simultaneamente a uma corrente eltrica e a um campo magntico perpendicular direo do fluxo dessa corrente, desenvolvia-se uma tenso no condutor perpendicular a ambas as grandezas. Este fenmeno ocorre devido ao desvio da trajetria das cargas eltricas provocada pela fora de Laplace. Assim criam-se distribuies assimtricas de cargas nas superfcies laterais do condutor dando origem a uma diferena de potencial. Esta ocorrncia ilustrada pela figura que se segue. </p></li><li><p>SENAI CFPOC/POUSO ALEGRE </p><p>4 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP </p><p> Apesar do efeito Hall se verificar em qualquer material condutor, este fenmeno </p><p> bastante mais intenso nos semicondutores. Alm da sua maior sensibilidade ao efeito, a utilizao de materiais semicondutores introduz a vantagem suplementar de ser possvel a integrao, numa mesma pastilha de silcio, do sensor e respectivo circuito de condicionamento de sinal. Desta forma, os sensores de efeito Hall aparecem normalmente sob a forma de circuito integrado com encapsulamento de trs terminais como mostrado na figura 5.8. </p><p>4.2. Sensores Termoeltricos Os sensores termoeltricos tm por princpio de funcionamento dois </p><p>fenmenos trmicos que se verificam sobre condutores. So eles o efeito Thomson e o efeito Seebeck. </p><p>O efeito Thomson refere-se fora electromotriz que se observa num condutor sujeito a um gradiente de temperatura; por exemplo, uma temperatura no homognea ao longo de um condutor origina uma f.e.m. J o efeito Seebeck diz respeito ao fenmeno eltrico (f.e.m) que se verifica quando se mantm as duas junes de um circuito fechado, formado por dois condutores de diferentes metais, a temperaturas distintas. Este ltimo efeito reversvel e possui algumas aplicaes no domnio da atuao (efeito Peltier). </p><p>Uma das aplicaes mais comuns deste ltimo fenmeno trmico em sensores de temperatura designados por termopares. Conceitualmente estes dispositivos so constitudos </p></li><li><p>SENAI CFPOC/POUSO ALEGRE </p><p>5 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP </p><p>apenas por dois metais (ou ligas metlicas) distintos ligados por uma unio de soldadura (figura 5.10). </p><p>Segundo Seebeck, se dois metais (ou ligas metlicas) diferentes A e B so unidos, uma diferena de potencial ocorre atravs da juno de A com B cuja amplitude depende quer do tipo de metais utilizados quer da magnitude da diferena entre a temperatura da juno (T1) e a temperatura da juno de referncia (T2). </p><p> Assim, quando a juno de medida aquecida ou arrefecida relativamente a </p><p>uma segunda juno de referncia, a f.e.m. produzida pode ser caracterizada pela seguinte equao : </p><p> Onde 1 e 2 so constantes e dependem dos materiais usados para a </p><p>construo do termopar. Verifica-se assim uma relao no-linear entre a f.e.m produzida e a temperatura das junes. Por este motivo, a medio da temperatura atravs destes dispositivos efetuada com base em curvas ou tabelas de calibrao fornecidas pelos fabricantes. Para um determinado par especfico de junes, estas tabelas so determinadas com preciso para um conjunto vasto de temperaturas em relao a uma temperatura de referncia de 0C. A tabela a seguir apresenta alguns dos pares de junes mais comuns para a concepo de termopares. </p><p>Adicionalmente apresentam-se tambm as respectivas referncias comerciais e algumas caractersticas metrolgicas [3]. </p><p>Os termopares so estruturas frgeis devendo portanto ser protegidos por um invlucro que os proteja de deformaes mecnicas e qumicas. Assim, e em termos de concepo, o termopar primeiro colocado no interior de um isolador eltrico (normalmente um material cermico) de forma a evitar qualquer contato eltrico com o processo a medir. Posteriormente o conjunto envolto num encapsulamento que lhe fornece robustez mecnica e boa conduo trmica (em regra utiliza-se o ao inoxidvel) [1] [2]. A figura 5.11 mostra o aspecto exterior de um termopar usado em processos industriais. </p></li><li><p>SENAI CFPOC/POUSO ALEGRE </p><p>6 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP </p><p> Nota: Constantan, Cromel, Alumel, Nirosil e Nisil so nomes comerciais de ligas metlicas. </p><p>4.3. Sensores Piezoeltricos Os sensores piezoeltricos, como o seu prprio nome indica, tm por princpio </p><p>fsico de funcionamento um efeito que se verifica em determinados materiais a que se d o nome de efeito piezoeltrico. O efeito piezoeltrico consiste no aparecimento de uma polarizao elctrica (d.d.p.) entre faces opostas de um dado material quando este submetido a uma tenso mecnica entre essas mesmas faces (figura 5.16 a). Adicionalmente, e tal como para o efeito termoeltrico, o fenmeno piezoeltrico tambm reversvel; por exemplo, se for aplicada uma tenso entre faces opostas do material este deforma-se (figura 5.16 b). Assim, o princpio de piezoeletricidade pode ser aplicado tanto em sensores como em atuadores. </p></li><li><p>SENAI CFPOC/POUSO ALEGRE </p><p>7 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP </p><p>A nvel microscpico, a piezoeletricidade de um material est relacionada com a sua distribuio inica, mais propriamente com o fato de, na sua composio, possurem molculas com distribuio assimtrica da carga eltrica. Assim, o efeito piezoeltrico predominante em materiais de estrutura cristalina tais como o quartzo, o sal de Rochelle, alguns tipos de cermicas e polmeros. Adicionalmente, e devido natureza anisotrpica destes materiais, o efeito piezoeltrico depende tambm da orientao relativa em que as deformaes so efectuadas. </p><p>Num nvel prtico, este fenmeno possui um variado leque de aplicaes tanto no domnio do sensoriamento como da atuao. No que se refere ao primeiro domnio, o efeito piezoeltrico usado como base para diversos tipos de sensores entre os quais se destacam, sensores de fora, presso, acelerao, umidade, e ultra-sons (tanto para o receptor como para o emissor). </p><p>4.4. Sensores Piroeltricos Tal como o efeito piezoeltrico, o efeito piroeltrico verificado em materiais </p><p>cristalinos que geram cargas quando sujeitas a uma determinada grandeza fsica. No entanto, e ao contrrio do fenmeno piezoeltrico, no uma deformao mecnica que causa o aparecimento de uma carga eltrica superficial, mas sim a variao da temperatura; por exemplo, radiao eletromagntica de baixo comprimento de onda. </p><p>Estruturalmente, um sensor piroeltrico similar ao sensor piezoeltrico discutido anteriormente. De fato, e como se ilustra na figura 5.22, um sensor piroeltrico consiste num cristal piroeltrico polarizado sobre o qual so depositados dois eletrodos metlicos em faces opostas. Esta estratgia de concepo constitui uma espcie de capacitor que opera como sensor de temperatura. </p></li><li><p>SENAI CFPOC/POUSO ALEGRE </p><p>8 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP </p><p>A aplicao mais comum para o efeito piroeltrico a deteco de radiao trmica temperatura ambiente. Este tipo de dispositivos tem sido aplicado em pirmetros (medio da temperatura sem contato), sistemas de alarme, etc. [1]. Num nvel domstico, este tipo de sensor tem sido cada vez mais utilizado sob a forma de um interruptor piroeltrico. Um possvel aspecto ilustrado na figura a seguir. </p><p> Estes interruptores aparecem no mercado com trs terminais de ligao e com </p><p>ajuste externo de sensibilidade. frente do detector aplicado um elemento de focagem cujo objetivo principal o de direcionar a radiao infravermelha para o sensor servindo tambm como proteo. </p><p>4.5. Sensores Fotovolticos Num material semicondutor do tipo p os portadores majoritrios so as lacunas </p><p>no sentido em que existem mais lacunas disponveis para a conduo do que eltrons. J para o material semicondutor do tipo n verifica-se o contrrio; por exemplo, existem mais eltrons livres do que lacunas para a conduo. No momento em que estes dois tipos de semicondutores so unidos, e devido agitao trmica, d-se na regio de juno um fenmeno de recombinao dos eltrons em excesso do material n com as lacunas em excesso do material p. </p></li><li><p>SENAI CFPOC/POUSO ALEGRE </p><p>9 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP </p><p>Como resultado verifica-se, em ambos os lados da superfcie de contato, uma reduo da concentrao dos portadores de carga livres. Mais ainda verifica-se que, em torno da juno, existe uma regio no material do tipo p em que predominam eltrons e uma regio no material do tipo n em que predominam lacunas. Os ons positivos na regio n e os ons negativos na regio p produzem um campo eltrico que se ope difuso de cargas adicionais atravs dessa barreira de potencial. Desta forma obtm-se um equilbrio entre a corrente de difuso e a corrente induzida por esse campo eltrico no se verificando, em regime esttico, a passagem de portadores de carga de um material para outro. </p><p> O efeito fotovoltico consiste no aparecimento de um potencial eltrico numa </p><p>juno p-n quando radiao eletromagntica de comprimento de onda adequada (designadamente na regio referente luz visvel) ioniza a regio de depleo. </p><p>A incidncia de radiao eletromagntica na juno com energia superior da barreira de potencial cria pares adicionais de eltrons/lacunas traduzindo-se, em ltima anlise, numa diferena de potencial que pode ser avaliada aos terminais do dispositivo. Essa tenso em circuito aberto, ou alternativamente a corrente de curto circuito, aumenta com o aumento da intensidade da radiao at um ponto de saturao determinado pela energia da juno. </p><p>Assim, os sensores fotovolticos so usados em aplicaes onde se pretende...</p></li></ul>