Como funcionam os sensores ultrassônicos (ART691)

Um tipo de sensor bastante usado em aplicações industriais é o que faz uso de ultrassons. Esses sensores podem ser usados para detectar a passagem de objetos numa linha de montagem, detectar a presença de pessoas ou ainda de substâncias em diversos estados num reservatório permitindo a medida de seu nível. Veja nesse artigo como funcionam esses sensores, quais os tipos disponíveis e como são utilizados. Se bem que os conceitos deste artigo não tenham mudado desde sua publicação, fizemos alterações principalmente nas figuras nesta revisão de 2012. Também temos a acrescentar que existem muitos artigos novos sobre o assunto no nosso site.

Os sensores que fazem uso de ultrassons encontram uma grande gama de utilizações na indústria e mesmo em outros campos de atividades.

Esses sensores se caracterizam por operar por um tipo de radiação não sujeita a interferência eletromagnética e totalmente limpa, o que pode ser muito importante para determinados tipos de aplicações.

Podendo operar de modo eficiente detectando objetos em distâncias que variam entre milímetros até vários metros, eles podem ser usados para detectar os mais variados tipos de objetos e substâncias.

 

Como Funciona

O princípio de operação desses sensores é exatamente o mesmo do sonar, usado pelo morcego para detectar objetos e presas em seu vôo cego.

Conforme mostra a figura 1, o pequeno comprimento de onda das vibrações ultrassônicas faz com que elas reflitam em pequenos objetos, podendo ser captadas por um sensor colocado em posição apropriada.

 

Figura 1
Figura 1

 

O comprimento de onda usado e portanto a freqüência são muito importantes nesse tipo de sensor, pois ele determina as dimensões mínimas do objeto que pode ser detectado.

De fato, conforme mostra a figura 2, só ocorre reflexão em intensidade suficiente para se obter um bom sinal, quando o objeto tem dimensões que se aproximam do comprimento de onda do sinal, ou seja, maior.

 

Figura 2
Figura 2

 

Os sinais passam através de objetos cujas dimensões sejam muito menores do que o comprimento de onda. Por esse motivo é que sons comuns não podem ser usados nesse tipo de detector.

Um sinal de 1000 Hz, por exemplo, teria 34 cm de comprimento de onda, sendo teoricamente esse o tamanho do menor objeto que poderia ser detectado por essa freqüência, considerando-se uma velocidade aproximada do som de 340 m/s.

Na prática um sensor ultrassônico é formado por um emissor e um receptor, tanto fixados num mesmo conjunto como separados, dependendo do posicionamento relativo desejado, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3
Figura 3

 

O emissor pode ser tanto do tipo magnetostritivo como piezoelétrico, conforme mostra a figura 4.

 

Figura 4
Figura 4

 

No primeiro caso um diafragma de metal vibra a partir do campo magnético alternado produzido por um circuito oscilador. No segundo caso, temos uma cerâmica do piezoelétrico (titanato de bário, por exemplo) que vibra por deformação quando uma alta tensão alternada lhe é aplicada.

É interessante observar que, por efeito Doppler, o movimento do objeto detectado pode também ser determinado por precisão. Conforme mostra a figura 5, o comprimento de onda de um sinal refletido num objeto em movimento se altera com o esse movimento.

 

Figura 5
Figura 5

 

Temos uma alteração no sentido de aumentar o comprimento de onda e, portanto diminuir a freqüência se o objeto se afasta da fonte emissora. Por outro lado, o comprimento de onda diminui e portanto temos uma freqüência maior para o sinal refletido, se o objeto se aproxima da fonte emissora.

Levando-se em conta a velocidade do som, pode-se determinar com precisão a velocidade de aproximação ou afastamento do objeto pela medida da alteração de sua freqüência, com um circuito mostrado em blocos como o da figura 6.

 

Figura 6
Figura 6

 

O leitor deve ter percebido que o princípio de funcionamento é o mesmo dos radares usados nas rodovias, mas que naquele caso utilizam micro-ondas.

Como os ultrassons passam através de materiais sólidos, sofrendo alterações de velocidade com a mudança das características do meio, eles podem ser usados de forma muito eficiente para detectar falhas internas de materiais como rachaduras e bolhas, conforme mostra a figura 7.

 

Figura 7
Figura 7

 

Nesse artigo trataremos basicamente dos sensores usados na detecção de objetos deixando esse seguindo tipo para uma abordagem mais profunda em outra oportunidade.

 

Tipos de Sensores

O tipo de sensor usado depende do que se deseja detectar. Assim, os objetos podem ser classificados em três categorias, conforme a reflexão dos ultrassons que proporcionam:

a) Superfícies planas como fluídos, caixas, folhas ou placas de plástico ou papel, vidros, etc.

b) Objetos cilíndricos como latas, garrafas, canos e o corpo humano.

c) Pós e grãos como minerais, cereais, areia, plásticos em pó, etc.

 

A figura 8 mostra os três casos.

 

Figura 8
Figura 8

 

É importante saber exatamente qual é formato do que vai ser detectado, pois esse formato influi na capacidade de reflexão dos ultrassons e portanto na distância máxima em que os sensores podem ser usados.

 

Cuidados no Uso

Como qualquer tipo de sensor, o posicionamento correto e a observação de eventuais fontes capazes de interferir no funcionamento são fundamentais para se obter o bom desempenho de um sistema. A seguir algumas indicações importantes para o leitor que vai trabalhar com esse tipo de sensor.

 

a) Reflexões indevidas

Dependendo da natureza do material a ser detectado, o ultrassom pode tanto penetrar como passar por reflexões múltiplas. Essas reflexões, conforme mostra a figura 9, podem falsear as indicações por um efeito de interferência destrutiva.

 

Figura 9
Figura 9

 

b) Região limite

Conforme mostra a figura 10, é preciso definir a faixa de distância de detecção do sensor para que problemas de sinal não ocorram.

 

Figura 10
Figura 10

 

A distância mínima que o objeto vai passar diante do sensor e a distância máxima, delimitam a região limite.

O que ocorre é que entra o sensor e o objeto em sua posição de detecção mais próxima, existe uma zona de incerteza em que efeitos de reverberação podem prejudicar o funcionamento do sistema.

 

c) Características direcionais

Numa aplicação em que se utilizem elementos que irradiam sinais de qualquer tipo deve-se considerar a diretividade tanto do sensor como do emissor.

Para os sensores ultrassônicas a característica de diretividade normalmente varia entre 8 e 30 graus conforme uma curva característica semelhante à mostrada na figura 11.

 

Figura 11
Figura 11

 

Isso significa que tanto o objeto que vai ser detectado deve passar pela região de maior intensidade de sinal como o sensor deve apontar para ela.

É comum nas especificações dos sensores ser indicado o "ângulo de meia pressão sonora". Trata-se do ângulo em relação à normal para a qual aponta o sensor em que a intensidade do ultrassom cai à metade.

Também deve ser observado pela figura, que existem normalmente lóbos laterais de irradiação e de recepção nas características dos sensores. A presença desses lóbos é importante, pois significa a possibilidade de se detectar objetos que estejam na sua direção de forma indevida.

 

d) Utilização de cornetas

Para concentrar mais os sinais numa determinada direção é possível fazer uso de cornetas como a mostrada na figura 12.

 

Figura 12
Figura 12

 

Com essa concentração aumenta-se o alcance e obtém-se uma resolução maior para o sensor, evitando-se a eventual detecção de objetos de forma indevida.

 

e) O fenômeno da Reverberação

Quando um pulso ultrassônico é aplicado a um objeto ele consiste numa forma de energia que será parte absorvida e parte refletida por esse objeto.

O que ocorre é que a energia absorvida pode levar o objeto a vibrar na mesma freqüência por alguns instantes.

O resultado é que o pulso refletido pode ter uma duração maior do que a do pulso transmitido por esse efeito de "prolongamento" ou reverberação, conforme mostra a figura 13.

 

Figura 13
Figura 13

 

 

Uso Correto

A orientação correta do sensor é fundamental para se obter um bom desempenho do sistema. Nesse caso, especial atenção deve ser tomada com os ângulos para que o objeto passe pela região de maior intensidade do sinal e a reflexão ocorra na direção em que está o sensor.

Conforme mostra a figura 14, deve-se ainda tomar cuidado com a eventual presença de objetos que estejam na proximidade e que possam causar reflexões indevidas do sinal.

 

Figura 14
Figura 14

 

Outro problema que deve ser considerado, alertado pela OMRON (www.omron.com) está na possibilidade de perturbações do ar afetarem a propagação dos ultrassons, fornecendo indicações errôneas.

Conforme mostra a figura 15, os ultrassons utilizam o ar para se propagar e são extremamente sensíveis à variações de pressão e à própria movimentação do ar.

 

Figura 15
Figura 15

 

Assim, a presença de uma corrente de ar no local em que é feita a detecção pode causar detecções erradas ou funcionamento indevido do sistema.

 

Conclusão

Os sensores ultrassônicos consistem numa excelente alternativa para determinados tipos de aplicações na indústria e mesmo em outros campos.

No entanto, conforme vimos nesse artigo existem algumas considerações de ordem prática que devem ser levadas em conta quando da sua escolha, instalação e uso.

Empresas como A OMRON possuem uma vasta linha de sensores desse tipo que possuem características que se adaptam às mais variadas aplicações.


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