Todos os tipos de sensores

Todos os tipos de sensores

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Todos os tipos de sensores

Uma infinidade de equipamentos eletrônicos depende de um interfaceamento com o mundo exterior para funcionar. Neste especial, faremos uma análise bastante resumida dos principais tipos de sensores que encontramos, analisando o seu funcionamento e uso.

Newton C. Braga

Existem diversos tipos de sensores utilizados em equipamentos eletrônicos. Podemos usar simples chaves ou dispositivos de acionamento momentâneo do tipo mecânico, até transdutores especiais que convertem alguma grandeza física numa grandeza elétrica como, por exemplo, uma tensão. Esses sensores servem para informar um circuito eletrônico a respeito um evento que ocorra externamente, sobre o qual ele deva atuar, ou a partir do qual ele deva comandar uma determinada ação.

Equipamentos mais simples podem usar apenas um sensor, mas um robô, uma máquina industrial ou um equipamento médico complexo podem empregar muitos sensores e de tipos diferentes.

A seguir, vamos relacionar os principais tipos de sensores que encontramos nas aplicações eletrônicas, com suas características e aplicações. Seria impossível, pela quantidade, abordar todos os sensores existentes, o que poderá ser assunto para artigos futuros, com maior detalhamento.

a)Sensores Mecânicos

Denominamos sensores mecânicos aqueles que sensoriam movimentos, posições ou presença usando recursos mecânicos como, por exemplo, chaves (switches).

Nessa categoria incluimos os micro-switches e chaves de fim de curso, como os exibidos na figura 1.

Figura 1

Esses sensores, como o nome sugere, são interruptores ou mesmo chaves comutadoras que atuam sobre um circuito no modo liga/desliga quando uma ação mecânica acontece no seu elemento atuador.

É possível usar esses sensores de diversas formas, como para detectar a abertura ou fechamento de uma porta, a presença de um objeto em um determinado local, ou ainda quando uma parte mecânica de uma máquina está numa certa posição, veja a figura 2.

Figura 2

Uma variação desse tipo de sensor é o sensor de “fim-de-curso” que, conforme o nome indica, detecta quando uma parte mecânica de um dispositivo atinge seu deslocamento máximo.

A finalidade da chave de fim-de-curso é evitar que o motor do sistema, por exemplo, continue atuando mesmo depois que a peça que ele movimenta chega ao seu ponto máximo. Isso poderia forçar o mecanismo ou ainda causar uma sobrecarga do motor ou do próprio circuito de acionamento.

Na figura 3 apresentamos um exemplo de aplicação em um portão automático em que a chave de fim-de-curso desliga o motor quando ele está totalmente aberto ou totalmente fechado.

Figura 3

Na foto A temos exemplares de microswitches da Honeywell que podem ser incluídas nessa linha de sensores.

Foto A

A seguir, na foto B, exemplos de chaves de fim-de-curso, também da Honeywell.

Foto B b)Sensores tipo Reed-Switch

Esses sensores podem ser usados para detectar a posição de uma peça ou de uma parte de um mecanismo pela posição de um pequeno ímã que é preso a ela. Poderíamos classificar esses sensores também como sensores magnéticos, uma vez que eles atuam com a ação de um campo, mas como são interruptores acionados por campos, será melhor separá-los em uma outra categoria, dentro de uma classificação de atuação mais simples.

Na figura 4 temos o princípio de atuação desse tipo de sensor que tanto pode ser usado para detectar a simples aproximação de uma peça quanto gerar pulsos de controle a cada passagem de uma peça móvel.

Figura 4

Na figura 5 vemos algumas aplicações desse tipo de sensor que se caracteriza pela sua velocidade de ação limitada e também pela pequena capacidade de corrente que os tipos comuns apresentam.

Figura 5

Nessas aplicações destacamos, por exemplo, sua utilização como sensor de fim-de-curso, para detectar quando uma peça atinge seu deslocamento máximo, atuando sobre o sensor pela ação de um pequeno ímã.

Outra aplicação é mostrada na figura 5, onde usamos o sensor para produzir pulsos tacométricos que permitem controlar a velocidade de um motor ou registrá-la em umdisplay.

Nas aplicações mais modernas e que exigem maior velocidade de resposta, em lugar do reed-swich podem ser usados sensores de estado sólido como os sensores de efeito Hall, ou ainda sensores indutivos, conforme veremos mais adiante.

Na foto C, a seguir, temos alguns exemplo de sensores tipo reed para uso industrial.

Foto C c)Sensores Fotoelétricos

Os sensores mecânicos têm por principal desvantagem o fato de terem peças móveis sujeitas a quebra e desgaste, além da inércia natural que limita sua velocidade de ação. Outro problema está no repique que pode falsear o sinal enviado quando são acionados.

Por outro lado, sensores que trabalham com a luz são muito mais rápidos, não apresentando praticamente inércia e não têm peças móveis que quebram ou desgastam. Os sensores fotoelétricos podem ser de diversos tipos, sendo empregados numa infinidade de aplicações na indústria e em outros campos.

O tipo mais simples de sensor consiste em um elemento foto-sensível que tem a luz incidente interceptada quando a parte móvel de um dispositivo passa diante dele, veja afigura 6.

Figura 6

Existem diversos dispositivos sensores que podem ser utilizados como sensores de luz, e sua escolha vai depender basicamente de suas características. Damos a seguir alguns exemplos de sensores:

Foto-resistores (LDRs)

De acordo com a figura 7, os LDRs possuem uma superfície de Sulfeto de Cádmio (CdS) que tem sua resistência elétrica dependente da quantidade de luz incidente.

Figura 7

A curva característica desses sensores nos mostra que a resistência cai enormemente à medida que a intensidade da luz incidente aumenta. Na figura 8 exibimos um exemplo de curva de resposta de um LDR comum.

Figura 8

A grande vantagem no uso dos LDRs como sensores fotoelétricos está no fato de que eles podem trabalhar com correntes relativamente elevadas, sendo muito sensíveis, o que simplifica o projeto de seus circuitos. No entanto, a desvantagem está na sua velocidade de resposta.

Os LDRs são sensores lentos, não operando em velocidades maiores do que algumas dezenas de quilohertz.

Devemos, ainda, destacar a curva de resposta dos LDRs que se aproxima bastante da curva de resposta do olho humano, o que permite sua operação com fontes convencionais de luz, como a luz ambiente, lâmpadas incandescentes, fluorescentes, eletrônicas e de LEDs comuns de diversas cores.

Na figura 9 mostramos uma aplicação típica desse sensor num detector de passagem.

Figura 9

Nas aplicações industriais, sensores com base em LDRs apresentam um encapsulamento que vai depender justamente de sua aplicação. Assim, os desenvolvedores de equipamentos que fazem uso desses sensores podem encontrar nos catálogos das grande empresas de sensores uma infinidade de variações de formatos para esses componentes, já destinados à aplicações específicas.

Fotocélulas

As Fotocélulas ou Células Fotoelétricas são dispositivos que geram uma pequena tensão elétrica quando são iluminados. As fotocélulas podem ser usadas para gerar energia elétrica a partir da luz solar, ou também como sensores, em diversos tipos de aplicações.

Na figura 10 temos o símbolo adotado para esse tipo de sensor e os aspectos mais comuns com que podemos encontrá-las.

Figura 10

Diferentemente dos LDRs, as fotocélulas são sensíveis e rápidas, podendo ser utilizadas numa faixa de aplicações mais ampla do que os próprios LDRs. Sua curva característica é vistas na figura 1, o que nos mostra que elas podem inclusive operar com boa sensibilidade na região infravermelha do espectro.

Figura 1

Os circuitos sensores para as fotocélulas, entretanto, são diferentes dos circuitos usados com LDRs, pois elas atuam como geradores, fornecendo uma tensão de saída. Transistores, amplificadores operacionais em configurações como a exemplificada nafigura 12 são as soluções mais comuns empregadas em projetos práticos que fazem uso desse tipo de sensor.

Figura 12 Fotodiodos

Os fotodiodos operam segundo o princípio de que fótons incidindo numa junção semicondutora liberam portadores de cargas. Esses portadores tanto pode fazer com que apareça uma tensão entre os terminais do diodo quanto também afetar sua resistência à passagem da corrente.

Na figura 13 vemos os aspectos mais comuns desses sensores.

Figura 13 - Fotodiodos da Hamatsu

Os fotodiodos não são muito sensíveis, exigindo bons circuitos de amplificação mas, em compensação, são extremamente rápidos podendo detectar pulsos de luz em taxas que chegam a dezenas ou mesmo centenas de megahertz.

A curva de resposta, no entanto é a mesma das fotocélulas, uma vez que os dois dispositivos são feitos do mesmo material semicondutor: o silício.

Existem duas formas de se utilizar os fotodiodos em sensores, as quais são ilustradas na figura 14.

Figura 14

No primeiro caso, o fotodiodo é usado no modo gerador, gerando uma pequena tensão, da ordem de 0,6 V quando iluminado. No segundo caso, o diodo é empregado no modo resistivo, tendo a corrente no sentido inverso alterada quando a junção é iluminada. Nesse modo de operação é utilizada uma fonte de polarização.

Pela sua velocidade de resposta esses sensores são utilizados em aplicações que exigem operação com sinais rápidos como, por exemplo, leitores de códigos de barra, sensores de máquinas muito rápidos, etc.

Fototransistores

Os fototransistores operam segundo o mesmo princípio dos fotodiodos: liberação de cargas nas junções com a incidência de luz. A diferença está no fato de que os fototransistores podem amplificar as correntes que são geradas nesse processo.

Na figura 15 temos os símbolos e aspectos dos fototransistores comuns, observando-se a existência de tipos de grande amplificação que são os Darlingtons.

Figura 15

Os transistores têm a mesma curva de resposta dos fotodiodos e fotocélulas podendo ser usados nas mesmas aplicações, se bem que sejam um pouco mais lentos.

Os fototransistores podem ser tanto usados no modo fotodiodo em que o terminal de base permanece desligado, quanto no modo fototransistor em que a base é polarizada ou para aumentar a sensibilidade ou para aumentar a velocidade, observe a figura 16.

Figura 16

A grande vantagem no uso dos fotodiodos, fototransistores e sensores à base de silício está no fato de que sua curva tem grande sensibilidade no ponto de emissão de fontes comuns, principalmente LEDs infravermelhos.

Fotodisparadores

Existem ainda dispositivos semicondutores à base de silício que podem ser usados como sensores foto-sensíveis. Na figura 17 apresentamos alguns desses sensores.

Figura 17

Podemos ter opto DIACs, opto-TRIACs e até opto-SCRs, de acordo com a mesma figura. No entanto, esses componentes são usados apenas em casos mais raros, por exemplo em chaves ópticas, conforme as que veremos a seguir.

Os fotosensores podem ser empregados em diversas configurações, conforme demonstra a figura 18.

Figura 18

No caso mais simples ele opera do modo direto, ou refletivo com uma fonte de luz comum, detectando a interrupção da luz ou ainda a reflexão ou passagem do objeto por zonas escuras. Isso faz com que pulsos elétricos sejam gerados para o processamento de um circuito.

Em alguns casos a fonte emissora, normalmente um LED visível ou infravermelho é integrado ao mesmo invólucro do sensor, para aplicação no modo refletivo.

Temos também nesse caso as chaves ópticas que têm a configuração exibida na figura 19.

Figura 19

O que temos então é um emissor de luz (normalmente um LED) e um sensor que pode ser um fotodiodo, um fototransistor ou mesmo um circuito fotodisparador.

No percurso da luz para o sensor há uma fenda por onde pode passar um objeto cuja presença desejamos detectar. Uma roda denteada, por exemplo permite a detecção de seu movimento. Com sensores duplos, observe a figura 20, pode-se também detectar o sentido do movimento do objeto que passa pelo sensor.

Figura 20

Um exemplo de circuito que permite detectar o sentido de rotação ou do movimento de um objeto usando um sensor duplo, ou ainda dois sensores, é apresentado na figura 21.

Figura 21

Recursos como lentes, tubos opacos e outros, conforme ilustra a figura 2, permitem aumentar a sensibilidade e diretividade dos sensores ópticos, podendo esses recursos ter as mais diversas configurações.

Figura 2

Note que o elemento sensor não é montado exatamente no foco de uma lente, mas sim em um ponto em que a imagem da fonte de luz se espalhe por toda a superfície sensível do dispositivo usado como sensor.

Na foto D temos exemplos de sensores fotoelétricos da Omron.

Figura D d)Encoders Ópticos

Os encoders ou codificadores ópticos podem ser enquadrados na categoria dos sensores fotoelétricos, mas como têm uma aplicação um pouco diferente, estamos separando-os para análise nesse artigo.

Os encoders ópticos podem ser lineares ou rotatórios e ainda incrementais ou absolutos. O tipo básico rotatório incremental consiste em um disco com faixas claras e escuras que tanto pode operar no modo refletivo quanto por transparência usando uma chave óptica, conforme veja a figura 23.

Figura 23

O movimento do disco com as faixas é sensoriado pelo sensor óptico, sendo produzidos pulsos que permitem determinar tanto a posição do disco quanto sua velocidade. Com o uso de dois sensores em lugar de um apenas, é possível também estabelecer seu sentido de rotação, como já vimos no caso das chaves ópticas.

No caso de um sensor linear em lugar de um disco com faixas, temos uma linha ou tira com faixas que também pode operar no modo refletivo ou por transparência, veja afigura 24.

Figura 24

O encoder absoluto fornece informações sobre a posição real do disco com as barras ou regiões claras e escuras gravadas, na forma de um sinal digital.

Assim, de acordo com a figura 25, se um disco tiver 4 faixas de claros e escuros, para serem lidas por 4 sensores teremos 16 combinações possíveis de saídas, fornecendo sinais de 4 bits com uma resolução de 360/16 = 2,5 graus. Evidentemente, com 8 faixas teremos 256 combinações de valores, e com isso uma resolução de 1,40 graus.

Figura 25

Para um encoder incremental linear, as regiões de claros e escuros são gravadas numa tira, observe a figura 26.

Figura 26

O número de faixas vai determinar a resolução do encoder e, portanto, a precisão na determinação da posição do objeto que está sendo sensoriado.

e)Sensores de Imagem

Uma outra categoria de sensores que opera com luz e semicondutores sensíveis a ela é a dos sensores de imagem. Podemos dizer que se trata de um sensor que, na realidade, é formado por uma matriz de uma boa quantidade de sensores fotoelétricos individuais.

Nessa categoria incluímos os sensores CCD (Charged Coupled Devices), que são usados no sensoriamento de imagens em micro-câmeras e mesmo em câmeras de vídeo convencionais, conforme mostra a figura 27.

Figura 27

Acoplados a circuitos inteligentes, ou seja, microcontroladores e microprocessadores, esses sensores possibilitam a análise do formato, cor e outras características de um objeto, favorecendo assim um controle de uma linha de montagem com a separação de produtos que tenham determinadas características, conforme ilustra a figura 28.

Figura 28

Evidentemente, esses sensores exigem tanto um circuito complexo para o processamento de seus sinais bem como software apropriado que permita a programação das características dos objetos que devem ser sensoriados.

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