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Sensores de deslocamento (MEC113)

Os sensores de deslocamento pertencem à família dos sensores de movimento amplamente usados em aplicações industriais, automotivas, médicas e militares. Neste artigo analisamos o princípio de funcionamento desses sensores dando exemplos de sua utilização prática e focalizando alguns tipos comerciais. Os tipos comerciais tomados como exemplo são indicados pela Vishay Intertechnology.

Os sensores de deslocamento, conforme o nome sugere, são usados para monitorar o movimento de uma máquina ou outro dispositivos.

Existem diversas formas de se fazer isso e em conseqüência existem diversas tecnologias que levam em conta a precisão da medida ou detecção do objeto em movimento, a sua velocidade e o tipo de objeto cujo movimento deve ser monitorado.

 

Sensores de Deslocamento

Existem vários tipos de sensores de deslocamento, os quais recebem as denominações específicas dadas a seguir:

Potenciométrico - onde o objeto monitorado se comporta como o cursor de um potenciômetro.

Capacitivos - o deslocamento do objeto faz com que as armaduras de um capacitor se aproximem e se afastem. A leitura da capacitância dá a posição do objeto.

Transformador Diferencial Linear Variável ou LVDT (Linear Variable Differential Transformer) onde o objeto cuja posição é monitorada movimenta o núcleo de um transformador de três enrolamentos.

Codificado - onde o objeto se movimenta sobre uma superfície marcada com códigos e um transdutor lê esses códigos indicando sua posição.

Além desses, existem outros mas para efeito de introdução ao assunto com algumas informações importantes nos deteremos apenas neles.

Vamos analisar em pormenores cada um de modo que o leitor possa perceber onde eles são usados com mais vantagens além de outras características que possam ser importantes numa aplicação específica.

 

Potenciométricos

Nesses sensores a posição do objeto num determinado curso é indicada pela posição que um cursor acoplado a este objeto se mantém numa trilha ou elemento resistivo, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1
Figura 1

 

O material resistivo pode ter diversos formatos, conforme o tipo de movimento a ser monitorado.

Assim, nos sensores lineares de movimento, a trilha de material resistivo é uma tira sobre a qual corre o cursor, conforme mostra a figura 2.

 

Figura 2
Figura 2

 

Podemos ter um sensor para movimentos rotativos ou angulares em que a trilha tem a forma de uma bobina ou é circular, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3
Figura 3

 

Observe que esta última construção se assemelha muito a de um potenciômetro comum, mas deve-se ter um mente que um sensor de movimento não é um potenciômetro comum. Suas características de precisão, tipo de movimento a ser detectado fazem deste dispositivo algo bem diferente.

Em alguns casos, podemos ter construções semelhantes a dos potenciômetros multi-voltas caso em que é possível obter maior precisão.

Os sensores potenciômetros tem vantagens e desvantagens que devem ser levadas em conta no seu uso:

 

Vantagens:

* Leitura e processamento do sinal muito fácil

* Resposta linear, ou de qualquer outro tipo bastando configurar a tira resistiva com a curva desejada

* São baratos

 

Desvantagens:

* Exige força para deslizar o cursor o que significa esforço mecânico adicionado ao sistema.

* Tem precisão limitada

* Gasta-se

* Só tem precisão na medida de deslocamentos relativamente grandes.

 

Capacitivo

Não existe um símbolo próprio para se representar esse tipo de sensor e normalmente eles são encontrados em duas configurações: placas móveis e dielétricos móveis, conforme mostra a figura 4.

 

Figura 4
Figura 4

 

Neste tipo de sensor o movimento do objeto faz com que a capacitância do sensor mude. Isso pode ocorre basicamente de 3 formas:

a) O objeto se move numa direção normal ao plano das armaduras do capacitor.

b) O objeto se move paralelamente ao plano das armaduras do capacitor

c) A armadura móvel forma uma meia-lua que giram em relação a armadura circular fixa.

 

As três tecnologias de montagem deste tipo de sensor são mostradas na figura 5.

 

Figura 5
Figura 5

 

Para os sensores em que o dielétrico é que se move temos duas possibilidades mostradas na figura 6.

 

Figura 6
Figura 6

 

No primeiro caso, o dielétrico "escorrega" entre as armaduras, alterando a capacitância conforme sua posição.

No segundo caso, o dielétrico é um fluído que preenche o espaço entre as armaduras. A quantidade de fluido no capacitor determina sua capacitância.

No caso deste tipo de sensor, não temos uma saída de sinal que seja propriamente uma função linear da posição do objeto, o que exige circuitos de processamento relativamente complexos.

Os sensores capacitivos funcionam basicamente com dois tipos de circuitos. Numa primeira configuração eles são ligados de modo a determinar a freqüência de um oscilador. A leitura dessa freqüência dá a posição do objeto, conforme mostra a figura 7.

 

Figura 7
Figura 7

 

Numa outra possibilidade aplica-se uma freqüência fixa ao capacitor e é medida a reatância, conforme mostra a figura 8.

 

Figura 8
Figura 8

 

Da mesma forma que os sensores resistivos, estes possuem vantagens e desvantagens:

 

Vantagens:

* Não há necessidade de contacto físico com o objeto cuja posição é monitorada pois ele pode ser uma das armaduras do capacitor.

* Não há desgaste

* Pode ser usado para detectar pequenos deslocamentos

 

Desvantagens:

* Pode medir apenas pequenos deslocamentos

* Os circuitos de condicionamento do sinal mais críticos

 

LVDT - Linear Variable Differential Transformer

Este tipo de sensor tem o símbolo mostrado na figura 9.

 

Figura 9
Figura 9

 

Nesse sensor temos três enrolamentos que formam um transformador com um núcleo móvel. O enrolamento primário cobre todo o transformador enquanto que cada secundário cobre apenas metade do transformador, conforme mostra a figura 10.

 

Figura 10
Figura 10

 

Os secundários são ligados em série mas em oposição de fase e o objeto que se deseja monitorar a posição é acoplado ao núcleo.

Quando o núcleo está na posição central as tensões induzidas nos dois enrolamentos se igualam e, como eles estão em oposição de fase, se cancelam. A saída é zero.

Quando o núcleo se desloca, dependendo da sua posição, temos indução de maior tensão num enrolamento do que no outro e na saída aparece a diferença. A tensão obtida na saída é uma função linear da posição do núcleo.

As tensões do enrolamento primário usadas neste tipo de sensor variam entre 1 e 10 V e a freqüência do sinal aplicado varia entre 50 Hz e 25 kHz.

 

Também temos vantagens e desvantagens para este tipo de sensor:

 

Vantagens:

* Pequeno desgaste

* Alta velocidade de resposta, pode ser usado para medir a amplitude de vibrações.

* Pode me3dir deslocamentos muito pequenos, da ordem de 0,1 nm.

* Pequenos erros de repetição

 

Desvantagens:

* Os circuitos de condicionamento de sinal não são muito simples

* É caro em relação aos demais

 

Transdutores Codificados (CDT)

Os transdutores codificados podem ser de diversos tipos:

 

a) Relativo

Os transdutores relativos, como os encoders, indicam a mudança de posição e não a posição real.

 

b) Absoluto

Indicam a posição real do objeto.

Os sensores deste tipo podem ser usados para medir tanto deslocamentos lineares como angulares, conforme mostra a figura 11.

 

Figura 11
Figura 11

 

Na figura 12 temos a construção física de um sensor deste tipo.

 

Figura 12
Figura 12

 

Uma tira de material, como o plástico, é montada de modo a ficar sobre um cursor acoplado ao objeto cuja posição deve ser monitorada. Esta tira tem marcas codificadas que indicam as posições.

O transdutor acoplado ao cursor pode então ler as marcas e fornecer ao circuito um sinal identificando a posição. Diversos tipos de transdutores podem ser usados para ler as marcas.

Observe que este tipo de sensor fornece uma leitura digital da posição.

Para a medida da posição angular de um objeto a montagem é feita da forma mostrada na figura 13.

 

Figura 13
Figura 13

 

O disco que é acoplado ao objeto que se move, tem marcas que são lidas por um sensor. Essas marcas indicam a posição angular e da mesma forma, elas podem ser do tipo incremental ou absoluto.

Uma das desvantagens deste tipo de sensor é que na versão incremental torna-se difícil detectar o sentido do movimento.

Assim, uma técnica usada consiste no uso de transdutores de deslocamento codificados mas de dois sentidos, conforme mostra a figura 14.

 

Figura 14
Figura 14

 

Este sistema é usado quando o deslocamento se faz em passos iguais de ângulos nos dois sentidos.

Conforme podemos ver, na fita onde se desloca o sensor temos três tipos de marca que indicam a posição do cursor (sensor), a direção em que ele se move e o index que indica o ponto de partida.

Observa que as marcas de posição e direção estão levemente deslocadas, de modo que o circuito possa detectar isso, dando com precisão o sentido de rotação do sensor.

Na figura 15 mostramos como isso pode ser feito, utilizando-se contadores up-down.

 

Figura 15
Figura 15

 

A codificação dos transdutores de deslocamento absolutos tem a aparência mostrada na figura 16.

 

Figura 16
Figura 16

 

Observe que neste caso temos 6 trilhas e portanto 6 bits, o que permite ler 26 posições diferentes ou uma definição de 64 posições.

Observe que neste tipo de sensor temos marcas de clock. Sua finalidade é muito importante. Sem as marcas de clock, na transição da leitura de posição para outra ocorrem estados intermediários dos níveis lógicos que podem causar erros. Por isso, é importante que a marca de clock diga ao circuito o momento exato em que deve ser feita a leitura.

Na figura 17 temos um transdutor de deslocamento em que a codificação é feita em binário.

 

Figura 17
Figura 17

 

Trata-se de uma forma intuitiva de se fazer a marcação de posições, porém existem alguns problemas a serem considerados na adoção desta forma de numeração das posições.

Para evitar estes problemas muitos transdutores de deslocamento absolutos adotam uma numeração com o código Gray.

No código de Gray, a passagem de um valor numérico para outro sempre se faz com a mudança de valor de um único bit. Isso facilita a leitura.

Por exemplo para passar do 11 decimal para 12 decimal temos duas possibilidades:

Binário: 01011 para 01100

Gray: 01110 para 01010

 

Observe que em binário tivemos 3 bits mudando e no código Gray apenas 1, conforme mostra a figura 18.

 

Figura 18
Figura 18

 

Na figura 19 mostramos duas tiras de sensores de deslocamentos, uma programa em código binário de 8 bits e outra em código Gray de 9 bits.

 

Figura 19
Figura 19

 

Os transdutores de deslocamento codificados também apresentam suas vantagens e desvantagens:

 

Vantagens:

* São lineares ou podem ser programados para qualquer outro tipo de resposta.

* São precisos

* Possuem desgaste muito baixo

* O circuito de condicionamento é simples

 

Desvantagens:

* É preciso ter um acoplamento mecânico com o objeto

 

Tipos Comerciais

A Vishay Interchnology possui uma grande linha de sensores de movimento lineares e rotacionais que operam segundo os princípios que analisamos.

A principal linha de transdutores de deslocamento é composta de componentes que usam a tecnologia do plástico condutivo. Nela, um material plástico forma a trilha onde corre o cursor.

Essa trilha pode ser circular ou reta conforme o tipo de transdutor que se deseja.

Nesse tipo de sensor, a trilha ou elemento resistivo do sensor é ligado a uma fonte estabilizada de baixa corrente e o dispositivo é ligado como um divisor de tensão variável fornecendo uma tensão de saída proporcional ao deslocamento objeto acoplado ao sensor.

As resistência típicas dos elementos resistivos desses sensores de uso profissional variam entre 1 k ? e 10 k ?.

A vida útil de um transdutor de rotação desse tipo é 50 milhões de revoluções tipicamente. A resolução é virtualmente infinita. Os transdutores desta linha podem ser obtidos com funções lineares e não lineares.

Mais informações sobre os transdutores de deslocamento da Vishay Intertechnology podem ser obtidas no site www.vishay.com.

 

Conclusão

A monitoração precisa da posição de uma parte móvel de uma máquina ou de um objeto num determinado percurso pode ser feita com a ajuda de sensores de deslocamento.

Fabricados em diversos formatos, para movimentos circulares e lineares, os sensores podem empregar diversas tecnologias, sendo a mais simples a que faz uso de elementos resistivos (potenciométricos). Neste artigo demos uma breve visão do princípio de funcionamento dos principais tipos de sensores e onde eles são usados.

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