Sensores de Medição

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Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica – DAELT
Medidas Elétricas – ET75F
Engenharia Elétrica
CLASSIFICAÇÃO E TIPOS DE SENSORES (2.8-2.12)
Guilherme Henrique Dias Silva– S21
Curitiba
Dezembro/2014
GUILHERME HENRIQUE DIAS SILVA
CLASSIFICAÇÃO E TIPOS DE SENSORES
Trabalho obrigatório apresentado como requisito à obtenção de nota parcial na matéria de Medidas Elétricas, do Curso Superior de Engenharia Elétrica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Professor: Prof. Eloi Rufato Junior
CURITIBA
2014
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO TEÓRICA
Um sensor é geralmente definido como um dispositivo que recebe e responde a um estímulo ou um sinal. Porém, os sensores são aqueles que respondem com sinal elétrico a um estímulo ou um sinal. Muitas vezes um sensor é composto de um transdutor e uma parte que converte a energia resultando em um sinal elétrico. Podem ser de indicação direta ou em par com um indicador de modo que o valor detectado se torne legível ao homem. 
Os sensores medem uma grandeza física e entregam um sinal elétrico como saída. Se esse sinal puder tomar qualquer valor dentro de certos limites ao longo do tempo, esse sensor é chamado de analógico. Se esse sinal elétrico só puder tomar dois valores ao longo do tempo, sejam estes sinais de qualquer amplitude, o sensor é chamado de digital.
Existem vários tipos de sensores no mercado, que abrangem diversas áreas, desde a indústria eletrônica até a indústria militar. Nesse trabalho serão aprofundados sensores especificados no livro base do Sabrie Soloman, Sensores e sistemas de controle na indústria, 2ª parte do capítulo 2 (2.8-2.12).
2.8 - INTERRUPTORES DE LIMITE
Um interruptor de limite é construído de forma semelhante a um interruptor ordinário de luz usado em casa. Tem as mesmas características de liga/desliga. Geralmente tem um braço sensível à pressão mecânica. Quando um objeto aplica pressão sobre o braço mecânico, o circuito chave é energizado. Um objeto pode ter um imã que faz um contato subir e fechar quando o objeto passa sobre o braço.
Interruptores de limite podem ter contatos normalmente aberto (NA) e normalmente fechados (NF) e podem ter múltiplos pólos. Um interruptor normalmente aberto tem continuidade quando a pressão é aplicada e é feito um contato, enquanto o normalmente fechado abre-se quando a pressão é aplicada e um contato é separado. Um interruptor de pólo único permite que um circuito seja aberto ou fechado por um contato, enquanto um interruptor de múltiplos pólos permite que vários circuitos sejam abertos ou fechados.
Figura 3: Interruptor de limite
Os interruptores de limite são dispositivos mecânicos e podem estar sujeitos a uma falha mecânica, seu tempo médio entre falhas é baixo e a velocidade de operação é relativamente lenta.
2.9– Sensores Indutivos e Capacitivos
2.– Relés
Um relé de circuito de saída é um interruptor mecânico disponível em uma variedade de configurações de contato. Os relés podem lidar com correntes de carga em alta tensão, permitindo ao sensor interagir diretamente com motores, solenóides de grande porte, e outras cargas indutivas. Eles podem comutar cargas CA e CC. A vida do contato depende de corrente de carga e da freqüência de operação. Relés estão sujeitos a desgaste dos contatos com acúmulo de resistência.
O funcionamento dos relés basicamente se dá quando uma correte circula pela bobina, esta cria um campo magnético que atrai um ou uma série de contatos fechando ou abrindo os circuitos. Ao cessar a corrente da bobina, o campo magnético também cessa, fazendo com que os contatos voltem as posições originais.
Relés são familiares ao pessoal da manufatura. Eles são freqüentemente usados com sensores de proximidade indutivos e capacitivos, uma vez que possuem múltiplos contatos. As boas e más características dos relés são sumarizadas na tabela 1, a seguir:
	VANTAGENS DOS RELÉS
	DESVANTAGENS DOS RELÉS
	Comutam correntes / cargas elevadas
	Tempo de resposta lento
	Múltipolos contatos
	Desgaste mecânico
	Comutam tensões CA ou CC
	Salto nos contatos
	Toleram corrente de retorno
	Afetados por choques e vibrações
2 Tabela 1: Vantagens/desvantagens dos relés
2.9.2 – Dispositivos Triac
TRIAC - ("Triode Alternating Courrent" ou  Triodo de Corrente Alternada) 
É um dispositivo que atua nos dois sentidos de condução da corrente elétrica (bidirecional), o pulso de disparo pode ser positivo ou negativo. O TRIAC tem as mesmas características básicas de comutação que o SCR, porém, exibe estas características em ambas as direções, Isto proporciona aos TRIACs maior simplicidade mantendo eficiência, na elaboração de circuitos controladores de potência em onda completa.
Funcionamento - Os TRIACs assim como os SCRs, não são construídos para operar com tensão de avalanche direta, são projetados para fechar por meio de disparo e abrir por meio de baixa corrente. Porém, exibe as mesmas características de corrente e tensão nas duas direções. O dispositivo é ativado quando submetido a uma corrente de gate suficientemente alta e é desativado pela simples redução de sua corrente anódica abaixo do valor de manutenção (IH).
Figura 07 - Símbolo, estrutura e circuito teste do TRIAC.
Curva Característica do TRIAC
Curva característica - A curva característica mostra a corrente através do TRIAC, resultado da avalanche quando uma tensão de ruptura (VBO) é aplicada entre os terminais anodo 1 e anodo 2. A avalanche ocorre quando a tensão entre os terminais A1 e A2 eleva-se a ponto de desenvolver uma corrente interna suficiente alta para provocar a condução do dispositivo.
Figura 08 - Curva característica do TRIAC.
Circuito básico e formas de ondas - A figura seguinte mostra um controlador de potência e o circuito de disparo representado em bloco. Do lado esquerdo estão representadas as formas de ondas: da corrente alternada que alimenta o circuito, dos pulsos de disparo do TRIAC e da carga.
Figura 09 - Circuito com TRIAC e formas de ondas de entrada, de disparo e na carga.
	VANTAGENS DOS TRIAC
	DESVANTAGENS DOS TRIAC
	Tempo de resposta rápido (8,33ms)
	Pode ser acionado falsamente por uma grande corrente indutiva
	Tolera grandes correntes de retorno
	O amortecedor contribui para a corrente residual no estado DESLIGADO
	Pode ser ligado diretamente a controladores programáveis
	Pode ser destruído por curtos -circuitos
	Vida infinita quando operado dentro dos limites especificados de tensão/corrente
	
3 Tabela 1: Vantagens/desvantagens dos triac
2.9.3 – Chaves Transistorizadas em CC
Transistores são dispositivos de comutação de CC em estado sólido. Eles são mais comunmente usados com sensores indutivos e capacitivos alimentados por baixa tensão CC como comutadores de saída. Dois tipos são utilizados, dependendo da função.
Em um transistor NPN, a fonte de corrente fornece um fechamento de contato para o ramo CC positivo. A corrente de dreno do NPN fornece um contato para o ramo CC comum. O transistor pode ser pensado como um comutador de pólo único que deve ser operado dentro de sua tensão e corrente máximas específicadas
Qualquer curto traz o circuito na carga imediantamente destruirá o transistor que não esteja protegido contra curto circuito. A comutação de cargas indutivas cria picos de tensão que ultrapassam muitas vezes as especificações máximas do transistor. Grampeadores de pico de tensão, como diodo zener ou transorbes, são utilizados para proteger o dispositivo de saída. As saídas do transistor são normalmente específicadas para comutar cargas de 250 mA a 30 V CC no máximo
Tipos de utilização de transistores
Chave transistorizada e Grampeador de tensão
	VANTAGENS DO TRANSISTOR
	DESVANTAGENS DO TRANSISTOR
	Resposta praticamente instantânea
	Baixa capacidade de manipulação de corrente
	Baixa corrente de fuga e queda de tensão quando DESLIGADO
	Não pode manipular corrente de retorno, a não ser que esteja grampeado
	Pode ser destruído por curto-circuitose não estiver protegido
	Não afetado por choque ou vibração
	Vida infinita quando operado dentro dos limites especificados de tensão/corrente
	
4 Tabela 1: Vantagens/desvantagens dos transistores
2.9.4 – Circuitos de Controle/Saída Indutivos e Capacitivos
Um sensor com uma única saída tem um configuração NO ou NC e não pode ser mudado para outra configuração. 
Um sensor de saída programável tem uma saída NO ou NC, dependendo de como a saída é ligada quando o dispositivo é instalado. Esses sensores são exclusivamente de 2 fios CA ou CC.
Um sensor de saída complementar tem 2 saídas, uma NO e uma NC. Ambas as saídas mudam de estado simultaneamente quando o alvo entra ou sai do campo de detecção. Esses sensores são exclusivamente de 3 fios CA ou CC
A escolha do circuito de controle e a lógica de saída exerce um papel importante na determinação da contabilidade da coleta de dados. A escolha do circuito de controle e da lógica de saída depende dos seguintes parâmetros:
- Tensão de controle
- Requisitos de corrente do circuito de controle
- Requisitos de aplicativos de saída 
Saída única, saída programável e saída complementar respectivamente.
2.9.5 – Acessórios para Circuitos Sensores
 Os circuitos sensores e suas configurações de saída devem ter vários tipos de indicadores e dispositivos de proteção, tais como:
· Indicadores de Led: Fornecem informações de diagnóstico sobre o estado dos sensores, o que é essencial na fabricação integrada por computador
· Proteção de Curto-Circuito: Se destina a proteger o circuito interruptor de corrente excessiva causada por curto-circuito, picos de linha de alimentação devidos a altos retornos da fonte, ou raios.
· Proteção contra Polaridade Reversa: Proteção contra polaridade reversa é um circuito especial que previne danos em um dispositivos de três fios em CC com fonte PNP ou dreno NPN quando é ligado ao circuito de controle de forma incorreta
· Terminais de Fio: São comuns em sensores de fim de curso do tipo invólucro. As designações dos terminais são numeradas e correspondem ao esquema de ligações do dispositivo.
Conectores de Pinos: Sensores de terminais de pinos apresentam um receptáculo conector de pino macho no interruptor ou na extremidade de fio.
2.9.6 – Lógica de Comutação Indutiva e Capacitiva
As saídas de dois ou mais sensores de proximidade indutivos ou capacitivos podem ser interligadas em série ou em paralelo para executar funções lógicas. A função do interruptor ligada, pode ser uma função de saída normalmente aberta ou fechada, dependendo da lógica de controle desejada. Todo o cuidado é necessário quando os sensores são integrados com várias funções, os seguintes fatores afetam o desempenho dos mesmos:
· Excesso de corrente de fuga em dispositivos alimentados pela carga conectados em paralelo
· Queda de tensão excessiva nos dispositivos conectados em série
Realimentação indutiva em sensores alimentados pela linha com conexões paralelas
2.9.6.1 – Função Lógica OU por Conexão em Paralelo
A lógica ou a binária indica que o circuito de saída está ligado, se um ou mais dos sensores na conexão em paralelo estiver ligado.
2.9.6.2 – Função Lógica E por Conexão em Série
A figura mostra a função lógica e indicando que os dispositivos conectados em série devem estar ligados(1) para que o circuito conectado em série esteja ligado
A ligação em série é geralmente aplicada a dispositivos de dois fios, especialmente CA de dois fios. Dispositivos de dois fios de 10 a 30 V CC não são normalmente práticos para conexão em série por causa da queda de tesão por dispositivo e da tensão mínima de operação. 
2.9.7 – Tempo de Resposta de Sensores Indutivos e Capacitivos
Quando o sensor recebe a alimentação inicial na ativação do sistema, o sensor não pode funcionar. O sensor só funciona após um período de tempo de retardo chamado: tempo de retardo antes da disponibilidade
2.9.7.1 – Tempo de Resposta e de Retomada
Um alvo entrando no campo de detecção de qualquer sensor indutivo ou capacitivo fará com que o circuito de detecção mude de estado e dê inicio a uma saída. Esse processo leva um certo tempo, chamado “ tempo de resposta”.
2.9.7.2 - 
2.10 - SENSORIAMENTO POR MICROONDAS
Os sensores de microondas são ferramentas valiosas no ambiente industrial para medir movimento, a velocidade, a direção dos movimentos, e a distância. São dispositivos robustos capazes de operar em ambientes hostis, e são intrinsecamente seguros, não tem peças móveis e exigem baixo consumo de energia.
A tecnologia de microondas tem sido um método eficaz de medição dos parâmetros de movimento e presença. As aplicações variam de simples alarmes de intrusão, que indicam se um objeto entrou no seu campo de visão, te sistemas complexos de radares militares que definem a existência, a localização e a direção do movimento em manobras militares.
A energia registrada pelo sensor não se refere a um determinado objeto, mas sim a um arranjo de objetos. Alguns podem ser identificados individualmente por sua configuração, neste nível podem ser obtidos fotos em preto e branco.
Figura 4: Sensor de microondas
A tecnologia de sensoriamento por microondas pode ser classificada em cinco categorias: sensor de movimento, que serve para detecção de um objeto em movimento em um domínio definido; Detecção de presença com utilidade para detecção da existência de um objeto em um domínio definido em um dado momento; Detecção de velocidade serve para detecção de velocidade linear de um objeto em uma direção específica; Detecção de direção de movimento, para determinação de que um alvo está se afastando ou se aproximando do dispositivo sensor de microondas; Detecção de distância serve para medição da distância do sensor a um objeto de interesse.
As características gerais dos sensores de micro ondas importantes em aplicações industriais e comerciais basicamente: a operação sem contato com objeto; são resistentes, pois não tem partes móveis e provaram sua confiabilidade em uso militar extensivo; operam de forma confiável em ambientes hostis e inóspitos, podem operar desde -55º até 125º; podem ser operados em uma atmosfera explosiva; capazes de detectar objetos a uma distância de 25 a 45000 milímetros ou mais; são maiores do que os sensores indutivos, capacitivos e interruptores de limite.
2.11 - SENSORES DE MICROSCOPIA CONFOCAL
	
Sensores com Microscopia Confocal são utilizados atualmente para verificar os pontos de prova e também é projetado para trabalhar com alta taxa de transferência. Essa tecnológica possui eficiente revisão de defeitos e tem a característica de fazer sua análise através de causa raiz, onde necessitam de ferramentas flexíveis e interativas, que meçam tanto as laterais como a altura e pode descrever totalmente as características nas áreas de interesse, e que possam produzir para os engenheiros e projetistas dados precisos para que possa ser corrigido os problemas.
2.11.1 - SISTEMAS CONFOCAIS DE CARACTERIZAÇÃO DE PERFIS
Nos dias de hoje, as estações convencionais de revisão óptica e de microscopia por varredura eletrônica têm servido a essa finalidade, dando aos engenheiros boas medidas laterais e fotografias do objeto em análise, mas fornecendo apenas uma impressão aproximada da sua extensão volumétrica. Boas medidas de profundidade por esses métodos requerem seccionamento hábil para ver a parte mais profunda das características, um processo que geralmente atrasa os resultados por longos períodos, muitas vezes por dias, com obras em andamento paralisadas
Ao longo de apenas alguns segundos, os sistemas avançados de perfis confocais nos fornecem as mesmas informações de altura disponível a partir da mais cuidadosa medição da secção transversal por microscópio de varredura eletrônica. O seccionamento é realizado nos dados em vez de na amostra, portanto, a pastilha intocada pode ser retornada ao processo, ilesa, imediatamente após a determinação da disposição. A análise pode ser realizada sob controle automatizado por protocolo, de forma interativa sob a orientaçãodo protocolo, ou manualmente, permitindo que o engenheiro chegue á causa raiz.
Imagens geradas pelos sistemas avançados de perfis confocais da Hyphenated System fornecem a mesma informação de altura disponível com as medidas de secção transversal por microscópio de varredura eletrônica.
O ponto de prova é relativamente raso, com a porção mais profunda inferior a 500 mm abaixo do nível da peça.
Figura 1 – Perfilamento focal avançado fornecendo alturas altamente precisas.
Figura 2 – Imagens (geradas por Hyphenated System).
2.11.2 REQUISITOS DE INSPEÇÃO DE PASSAGEM
A tecnologia mais predominante na interconexão para pacotes multichips é as aplicações atuais. Assim que os fabricantes foram ganhando experiência com pacote multichips, eles perceberam que a importância da integridade peça ponta. O contato entre a peça e a ponta de prova elétrica é a principal causa de falha em interligações por solda de fio. As falhas do processo inclui a marcação excessiva, que passa a interferir na fiabilidade das ligações; perfuração, que diminuem a confiabilidade do sistema das ligações e passa a expor circuitos subjacentes ao processo de soldagem; e também defeitos na gravação, em que a posição sobrejacente não fica completamente livre do bloco de ligação.
Outra questão de importância crescente é a responsabilidade do fornecedor. Muitos dispositivos incorporam chips de diferentes fornecedores. Os integrados não querem ser responsabilizados por falhas que ocorram a montante da cadeia de abastecimento, e muitos são implementados inspeção de recebimentos de pontos de prova ou imposição de requisitos para inspeção de saída dos seus fornecedores, ou ambos.
A microscopia pode fornecer para a análise detalhada a caracterização dos pontos de prova. Neste exemplo, o ponto tem boa resolução em três dimensões, e uma previsão para as camadas subjacentes é claramente mostrada.
A tecnologia avançada de nodos (65nm ou menos) também está aumentando a necessidade de inspeção por pontos de prova. Esta vulnerabilidade é agravada peloso esforços incansáveis para colocar mais circuitos em menores pastilhas e pela tendência resultante de localizar circuitos ativos sob blocos de ligação.
Outro Criminoso na categoria de novos materiais é a utilização de cobre em blocos de ligação. O cobre é um material altamente corrosivo. As partículas de cobre criadas durante a sondagem podem facilmente danificar o circuito, conforme ilustrado na figura 3.
Figura 3 – Dano causado pelo contato entre a peça e a ponto de prova elétrica.
Desenvolvimentos recentes na tecnologia de testes também estão contribuindo para a procura por inspeção por pontos de prova. Há um incentivo importante para reduzir os riscos de danos ao circuitos testados que podem ser causados por partículas contaminantes no bloco teste. Um bom número de fabricantes têm implementado inspeções pré-teste para minimizar este risco. As sondas se desgastam durante o uso normal, mas podem ser recondicionadas ou reparadas até certo ponto. Uma análise cuidadosa dos pontos de prova pode fornecer informações que sinalizam a necessidade de recondicionamento da sonda.
2.11.3 REQUISITOS DE INSPEÇÃO POR MARCAS DE PROVA
O processo de inspeção por pontos de prova deve ser capaz de avaliar uma série de características quantitativas e qualitativas. As medidas quantitativas incluem o tamanhão a localização dentro do bloco, a proximidade com a borda do bloco, a orientação em relação ao centro do bloco e as tendências de orientação em toda a pastilha. Os indicadores qualitativos incluem mais sobre e sub gravação, furos, corrosão, rugosidade e perfurações. A classificação automática avançada de defeitos, que faz o uso eficiente de todas as entradas disponíveis para fornecer a classificação rápida e precisa, é um requisito prático para a inspeção por pontos de prova em um ambiente de produção.
2.11.4 CONJUNTOS MULTICHIP
O uso de pacotes multichip é crescente, impulsionado principalmente pela demanda do consumidor por maior quantidade de memória, dispositivos multifuncionais portáteis e aumento da capacidade dos equipamentos eletrônicos nos automóveis. O nível primário de tecnologia de interconexão de pacotes multichip é a soldagem dos fios. Os pontos de prova criados por meio de teste elétricos são a principal causa de falha na soldagem de fios. A inspeção por pontos de prova está desempenhando um papel cada vez mais importante na manutenção da produtividade e confiabilidade da fiação.
2.12 - SENSORES LASER
2.12.1 – Propriedades da Luz Laser
Duas teorias sobre a natureza da velocidade da luz são reconhecidas. A teoria das partículas foi apresentada primeira para explicar os fenômenos observados sobre a luz. Segundo esta teoria a luz é uma partícula com massa, produzindo feixes refletidos. 
A segunda teoria considerou que a luz era uma onda, viajando com características semelhantes às de ondas na água. 
Laser significa amplificação da luz por emissão estimulada de radiação. A luz laser é monocromática, enquanto a luz branca padrão consiste em todas as cores do espectro e é separada em suas cores componentes quando passa por um prisma de vidro padrão.
2.12.2- Componentes Laser Essenciais
O sistema laser consiste em quatro componentes essenciais: o meio ativo, o mecanismo de excitação, o mecanismo de realimentação e o acoplador de saída.
O meio ativo é o conjunto de átomos, íons ou moléculas, no qual a radiação estimulada. É nesse meio que a luz laser é produzida. O meio ativo pode ser um material sólido, líquido, gás ou semicondutor. O meio ativo é a substância que realmente produz laser.
O mecanismo de excitação é o dispositivo usado para enviar energia ao meio ativo, existem três tipos de mecanismos de excitação: óptico, elétrico e químico. Todos os três fornecem a energia necessária para elevar o estado de energia do átomo em uma molécula do meio ativo a um estado excitado. 
Espelhos em cada extremidade do meio ativo são usados como um mecanismo de realimentação. Os espelhos refletem a luz produzida no meio ativo de volta ao meio ao longo de um eixo longitudinal. Com efeito, os espelhos aumentam a distância percorrida pela luz através do meio ativo.
O mecanismo de realimentação mantém a luz dentro da cavidade laser. A fim de produzir um feixe de saída, deve-se permitir que uma parte da luz no interior da cavidade escape. A quantidade de refletância varia com o tipo do laser. Um laser de alta potência pode refletir somente 35 por cento, sendo o restante 65 por cento transmitidos através do espelho para se tornar o feixe de laser de saída. 
Figura 5: Sensor a laser
2.12.3 - SENSORES LASER SEMICONDUTORES POR DESLOCAMENTO
	Os sensores laser semicondutores por deslocamento consistem em um elemento de medição de luz a um detector sensível de posição(PSD) e detectam alvos usando triangulação. Um diodo emissor de luz ou laser semicondutor é usado como fonte de luz. Um feixe de laser semicondutor é focado no alvo pela lente. O alvo reflete o feixe, que é então direcionado para o PSD, formando um ponto. O ponto se move no PSD quando o alvo se move. O deslocamento da peça pode então ser determinado através da detecção do movimento ponto.
2.12.4 – Aplicações Industriais de Sensores Laser
Em geral as aplicações de sensores laser se dão nas indústrias elétricas e eletrônicas para, por exemplo, empenamento e inclinação de terminais de CI; medição de movimentação da cabeça do disco; posicionamento de braço robótico, entre outros. 
CONCLUSÃO
Avaliando todos os sensores de medição presentes nesse trabalho, desde como são constituídos, como se dá seu funcionamento e quais suas principais características, podemos perceber que a tecnologia de sensores está muito evoluída hoje em dia, quando se pensa em indústria, por exemplo, vemos que todos os tipos de sensores são utilizados.
Sabe-se que muito ainda tem para evoluir, mas nos últimos anos, o sensoriamento por microondas vem ganhando muita força em várias áreas, desde a indústria automobilística, com sensores de presença e direção automática, até a indústriamilitar, para interceptação de mísseis ou navios.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
THOMAZINI, Daniel Antônio. Sensores Industriais – Fundamentos e Aplicações. 2011. 8º Ed. 
WEG – Sensores Industriais. Acesso em: 2 de agosto de 2014. Disponível em http://www.weg.net/br/Produtos-e-Servicos/Controls/Sensores-Industriais