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Todos os tipos de sensores (ART1158)

Uma infinidade de equipamentos eletrônicos depende de um interfaceamento com o mundo exterior para funcionar. Máquinas industriais, eletro-eletrônicos, equipamentos médicos, equipamentos automotivos, equipamentos de eletrônica aeroespacial, instrumentos de pesquisa são alguns exemplos. Nesse especial, faremos uma análise bastante resumida dos principais tipos de sensores que encontramos nas aplicações eletrônicas, analisando seu funcionamento e uso.

Existem diversos tipos de sensores usados 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 sobre um evento que ocorra externamente, sobre o qual ele deve atuar o a partir do qual ele deve comandar uma determinada ação.

Equipamentos mais simples podem usar apenas um sensor, mas um robô, uma máquina industrial ou um equipamento médico complexo podem usar 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 àqueles que sensoriam movimentos, posições ou presença usando recursos mecânicos como, por exemplo, chaves (switches).

Nessa categoria incluímos os micro-switches e chaves de fim de curso, como os mostrados na 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 ocorre no seu elemento atuador.

Podemos 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, conforme mostra a 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 mostramos um exemplo de aplicação num portão automático em que a chave de fim de curso desliga o motor quando ele está totalmente aberto ou totalmente fechado.

 


 

 

Na foto temos um exemplo de microswitches da Honeywell que podem ser incluídas nessa linha de sensores.

  


 

 

A seguir, exemplos de chaves de fim de curso, também da Honeywell.

  


 

 

 

b) Sensores tipo Reed Switches

Esses sensores podem ser usados para detectar a posição de uma peça ou de uma parte de um mecanismo pela posição de um pequeno imã que é preso a ela. Poderíamos classificar esses sensores também como sensores magnéticos, já 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 como gerar pulsos de controle a cada passagem de uma peça móvel.

 


 

 

 

Na figura 5 temos 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.

 


 

 

 

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 imã.

Outra aplicação é mostrada em (b) onde usamos o sensor para produzir pulsos tacométricos que permitem controlar a velocidade de um motor ou registrá-la num display.

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 temos alguns exemplo de sensores tipo reed para uso industrial.

 


 

 

 

c) Sensores Foto-Elétricos

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 foto-elétricos podem ser de diversos tipos, sendo empregados numa infinidade de aplicações na indústria e em outros campos.

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

 


 

 

 

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

 

Foto-resistores (LDRs)

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

 


 

 

 

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

 


 

 

 

A grande vantagem no uso dos LDRs como sensores foto-elétricos 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 temos uma aplicação típica desse sensor num detector de passagem.

 


 

 

 

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 grandes empresas de sensores uma infinidade de variações de formatos para esses componentes, já destinados à aplicações específicas.

 

Foto-Células

As Foto-Células ou Células Fotoelétricas são dispositivos que geram uma pequena tensão elétrica quando são iluminados. As fotocélulas podem ser usadas tanto para gerar energia elétrica a partir da luz solar como 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.

 


 

 

 

Diferentemente dos LDRs as foto-células são sensíveis e rápidas, podendo ser utilizadas numa faixa de aplicações mais ampla do que os próprios LDRs. Sua curva característica é mostrada na figura 11, o que nos mostra que elas podem também operar com boa sensibilidade na região infravermelha do espectro.

 


 

 

 

Os circuitos sensores para as foto-celélulas 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 mostrada na figura 12 são as soluções mais comuns usadas em projetos práticos que fazem uso desse tipo de sensor.

 


 

 

 

Foto-Diodos

Os foto-diodos 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 como também afetar sua resistência à passagem da corrente.

Na figura 13 temos os aspectos mais comuns desses sensores.

 

 

Na foto fotodiodos da Hamamtsu
Na foto fotodiodos da Hamamtsu

 

 

Os foto-diodos não são muito sensíveis, exigindo bons circuitos de amplificação mas, por outro lado, são extremamente rápidos podendo detectar pulsos de luz em taxas que chegam a dezenas ou mesmo centenas de megahertz.

A curva de resposta, por outro lado é a mesma das foto-células, já que os dois dispositivos são feitos do mesmo material semicondutor: o silício.

Existem duas formas de se utilizar os foto-diodos em sensores, as quais são mostradas na figura 14.

 


 

 

 

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

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

 

Foto-Transistores

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

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

 


 

 

 

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

Os foto-transistores podem ser tanto usados no modo foto-diodo em que o terminal de base permanece desligado, como no modo foto-transistor em que a base é polarizada tanto para aumentar a sensibilidade como para aumentar a velocidade, conforme mostra a figura 16.

 


 

 

 

A grande vantagem no uso dos foto-diodos, foto-transistores 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.

 

Foto-Disparadores

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

 


 

 

Podemos ter opto diacs, opto-triacs e até opto-SCRs, conforme mostra 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 foto-sensores podem ser usados em diversas configurações, conforme mostra a 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.

Também temos nesse caso as chaves ópticas que têm a configuração mostrada na figura 19.

 


 

 

 

O que temos então é um emissor de luz (normalmente um LED) e um sensor que pode ser um foto-diodo, um foto-transistor ou mesmo um circuito foto-disparador.

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

 


 

 

 

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 mostrado na figura 21.

 


 

 

 

Recursos como lentes, tubos opacos e outros, conforme mostra a figura 22 permite aumentar a sensibilidade e diretividade dos sensores ópticos, podendo esses recursos ter as mais diversas configurações.

 


 

 

 

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

Na foto temos exemplos de sensores fotoelétricos da Omron (www.omron.com).

  


 

 

 

d) Encoders Ópticos

Os encoders ou codificadores ópticos podem ser enquadrados na categoria dos sensores fotoelétricos, mas como têm uma aplicação um pouco diferentes, 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 num disco com faixas claras e escuras que tanto pode operar no modo refletivo como por transparência usando uma chave óptica, conforme mostra a 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 como sua velocidade. Com o uso de dois sensores em lugar de um apenas, é possível também determinar seu sentido de rotação, conforme 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 tanto no modo refletivo como por transparência, conforme mostra a 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, conforme mostra 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 = 22,5 graus. Evidentemente, com 8 faixas teremos 256 combinações de valores e com isso uma resolução de 1,40 graus.

 


 

 

 

Para um encoder incremental linear, as regiões de claros e escuros são gravadas numa tira, conforme mostra a 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.

Na foto abaixo, exemplos de encoders da

 

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.

 

 


 

 

 

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

 


 

 

 

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

 

f) Sensores Ópticos de Medida

Uma outra categoria de sensores ópticos importante e que faz uso em alguns dos mesmos dispositivos semicondutores que vimos até agora é a que é utilizada na medida de grandezas ópticas como luminância, contraste e cor.

Esses sensores podem ser usados, por exemplo, para determinar a composição da luz emitida por uma fonte ou ainda sua intensidade como em luxômetros, fotômetros, e outros instrumentos semelhantes de uso na indústria, pesquisa, aplicações médicas, etc., conforme mostra a figura 29.

 

 

Na ilustração um sensor de cores que identifica objetos numa linha de montagem pela cor (Globetron Controls)
Na ilustração um sensor de cores que identifica objetos numa linha de montagem pela cor (Globetron Controls)

 

 

Basicamente esses sensores constam de elementos individuais sensores com filtros que permitam selecionar a faixa luminosa que se deseja medir, ou ainda sensores múltiplos com diversos filtros, cada um deixando passar a faixa de freqüências que se deseja analisar.

A diferença básica desses sensores está no fato de fornecerem saídas que são proporcionais à intensidade da grandeza medida, possibilitando assim o seu processamento para a medida.

Na figura 30 temos um CI sensor de cor.

 

 


 

 

 

g) Sensores Térmicos

Da mesma forma que no caso dos sensores fotoelétricos existem diversos tipos de sensores que podem atuar sobre um circuito em função da variação da temperatura do meio em que se encontram.

Temos basicamente os seguintes tipos de sensores térmicos que são usados na maioria das aplicações eletrônicas comuns.

Bimetais

Pares termoelétricos

NTCs e PTCs

Sensores semicondutores

Sensores piroelétricos

 

Analisemos esses sensores separadamente.

 

Bimetais

Esse sensor consiste em duas lâminas feitas de metais que possuem coeficientes de dilatação diferentes. As lâminas são presas juntas de tal modo que, ao se aquecerem o conjunto verga na direção da lâmina de menor coeficiente, conforme mostra a figura 31.

 


 

 

 

Basta então dotar essas lâminas de contactos para que, ao haver o aquecimento, o movimento se encarregue de fechar o circuito, ou ainda abri-lo.

Trata-se de uma solução simples mas pouco precisa para o controle de temperatura (termostatos), sendo empregado em aplicações como controles intermitentes (pisca-piscas), circuitos de proteção contra sobrecorrente, controle de temperatura em estufas, fornos, etc.

 

 

Pares Termoelétricos

Pela sua capacidade de operar com temperaturas muito altas, linearidade e precisão são os sensores mais usados no sensoriamento de temperaturas muito altas, que podem chegar a centenas de graus, como em fornos, por exemplo.

 Na figura 32 mostramos o princípio de funcionamento desse tipo de sensor.

 


 

 

 

Quando dois metais formam uma junção e um deles está numa temperatura diferente do outro, aparece entre eles uma tensão proporcional à diferença de temperatura.

Dessa forma, pode-se usar essa tensão para sensoriar a temperatura de um local, tanto atuando sobre um circuito de controle como sobre um circuito de medida.

Os pares termoelétricos são usados nos casos em que se deseja monitorar temperaturas muito altas.

 

NTCs e PTCs

NTC significa Negative Temperatura Coefficient e PTC significa Positive Temperature Coefficient. São resistores cuja resistência diminui (NTC) ou aumenta (PTC) quando a temperatura aumenta.

Na figura 33 temos o aspecto e o símbolo desses dispositivos que podem ser usados como sensores de temperatura, assim como sua curva característica.

 


 

 

 

Operando numa faixa temperaturas que vai de valores negativos até aproximadamente 125 graus, esses dispositivos são usados como sensores em uma grande quantidade de aplicações, dada a facilidade com que podemos trabalhar com eles e também seu baixo custo.

Circuitos simples podem ser elaborados com esses dispositivos já que as variações de resistência obtidas podem ser facilmente usadas para acionar comparadores de tensão. NTCs termométricos, por outro lado, podem ser usados na medida precisa de temperatura, sendo por isso encontrados em termômetros eletrônicos.

 

Sensores Semicondutores

Baseados no fato de que um aumento de temperatura libera maior quantidade de portadores de carga numa junção semicondutora, podemos usar qualquer dispositivos dotado de junções como um sensor de temperatura com linearidade relativamente boa numa ampla faixa de temperaturas.

 Assim, a possibilidade mais comumente adotada é a de se usar um diodo comum polarizado no sentido inverso, conforme mostra a figura 34.

 


 

 

 

A corrente de fuga do diodo depende da temperatura e isso pode ser usado para acionar os mais diversos tipos de dispositivos em aplicações em que se deseja um controle em função da temperatura.

Diodos especiais podem ser otimizados para apresentar uma curva linear dentro de uma faixa de temperaturas na qual ele pode ser usado para a medida dessa grandeza.

Uma aplicação importante desse tipo de sensor está na sua integração na própria pastilha dos microprocessadores de modo que eles possam sensoriar a temperatura disparando um circuito de proteção externa, cortando a alimentação ou ainda acelerando uma ventoinha em caso de sobreaquecimento.

Outra possibilidade consiste em se integrar esses sensores juntamente com o circuito que processa seus sinais.

Assim, a própria National, conforme mostra a figura 35 possui sensores integrados de temperatura que fornecem uma saída que é numericamente equivalente à temperaturas em graus Celsius ou Farenheit, facilitando enormemente o interfaceamento com conversores A/D e outros dispositivos de controle.

 

 

Sensor de temperatura com o LM335
Sensor de temperatura com o LM335

 

 

 

Sensores Piroelétricos

Esses sensores podem ser encontrados em alarmes de incêndio e de presença, como os que abrem automaticamente as portas de shoppings na presença de pessoas.

Na figura 36 temos um exemplo de sensor desse tipo que apresenta variações usadas em aplicações de todos os tipos.

 

 


 

 

 

Nesse sensor existe uma substância que se polariza na presença de radiação infravermelha, gerando assim uma tensão que pode ser amplificada e usada para efeitos de controle.

Assim, o calor do corpo de uma pessoa é suficiente para produzir uma emissão infravermelha detectável por esse tipo de sensor. Para aumentar sua sensibilidade e dirigir as ondas de infravermelho diretamente para o sensor, são usadas lentes especiais denominadas Lentes de Fresnel que têm o padrão mostrado na figura 37.

 

 


 

 

 

h) Sensores de Presença

Na realidade os tipos mais usados com essa finalidade são os sensores de temperatura piroelétricos que vimos no item anterior.

Esses sensores detectam as pessoas pelo calor de seu corpo, também podendo ser usados em outras aplicações, como sensores de incêndio, desde que filtros apropriados sejam agregados.

O que ocorre nesse caso é que a emissão de calor pelo corpo de uma pessoa é suficiente para acionar o sensor que é sensível à radiação infravermelha.

 

i) Sensores Ultrassônicos

Esse é um tipo de sensor bastante útil na detecção de objetos a uma certa distância, desde que os objetos não sejam muito pequenos e sejam capazes de refletir esse tipo de radiação.

Na figura 38 temos um exemplo de um par sensor desse tipo que também pode ser usado para se medir distâncias, em diversas aplicações práticas importantes.

 

Sensores ultrassônicos da Omron
Sensores ultrassônicos da Omron

 

 

O princípio de funcionamento desse sensor é o seguinte: um transdutor emite ondas ultrassônicas em freqüência normalmente em torno de 42 kHz. O resultado é um comprimento de onda da ordem de alguns centímetros, o que permite detectar objetos relativamente pequenos.

As ondas refletidas pelo objeto são captadas pelo sensor, fornecendo assim um sinal que pode ser processado trazendo informações sobre o objeto no qual ocorreu a reflexão. Veja que o sensor também pode funcionar conforme mostra a figura 39 bloqueando a passagem das vibrações ultrassônicas.

 


 

 

 

Os tipos mais comuns de sensores desse tipo são os que utilizam uma lâmina ressonante de modo que eles funcionam tanto como transdutores emissores como microfones, mas capaz de selecionar por ressonância, uma estreita faixa de freqüências, normalmente em torno de 42 kHz.

O outro tipo de sensor/emissor é o que faz uso de cerâmicas piezoelétricas. Observe que enquanto o primeiro é indutivo de baixa ou média impedância o segundo tem características capacitivas de alta impedância.

Na figura 40 temos os aspectos de alguns desses sensores.

 


 

 

 

Esses sensores são bons para detectar a presença de objetos a curtas distâncias sendo por isso usados em aplicações onde outros meios, mais sujeitos a interferências não funcionam bem. Isso ocorre porque os ultrassons, diferentemente de luz e sinais elétricos não são afetados por interferências elétricas ou mesmo luz ambiente.

 

j) Sensores Capacitivos

O princípio de funcionamento desses sensores é simples de entender se partirmos da figura 41.

 


 

 

 

A capacitância de um capacitor (sensor) depende da distância entre duas placas. Se uma delas for móvel podemos associar à sua posição um valor de capacitância que pode ser usado para processar informações sobre a distância em que ela se encontra.

Assim, um sensor desse tipo pode ser elaborado simplesmente mantendo-se uma armadura fixa e prendendo a armadura móvel ao objeto que se pretende sensoriar.

Também é possível sensoriar o deslocamento desse objeto pela superfície efetiva do capacitor que o sensor representa, conforme mostra a figura 42. Dessa forma é possível sensoriar deslocamentos laterais de uma das armaduras do capacitor.

 


 

 

 

Finalmente temos uma possibilidade interessante que é aproveitada no sensoriamento de líquidos de um reservatório onde o próprio nível do líquido representa a armadura móvel.

Dessa forma, temos um capacitor virtual cuja armadura que se movimenta é o próprio líquido ou meio cuja posição ou nível deve ser sensoriado, conforme mostra a figura 43.

 


 

 

 

Os sensores capacitivos encontram aplicações em alarmes, sensores de posição, sensores de níveis de líquidos em reservatórios, etc.

Na foto, alguns sensores desse tipo.

 

 


 

 

 

k) Sensores de Pressão

Existem várias tecnologias que permitem a elaboração de sensores de pressão para aplicações na indústria, eletrônica de consumo, eletrônica médica, eletrônica embarcada, etc.

Uma tecnologia mais antiga é a que faz uso de uma câmara de vácuo, conforme mostra a figura 44.

 


 

 

 

O ar externo pressiona então o diafragma que vai ter uma posição que depende do valor da pressão externa. A posição do diafragma é então sensoriada por um dispositivo sensor de posição que pode ser uma bobina ou então uma placa, caso em que se usa um sensor capacitivo.

Outra técnica é a que faz uso de materiais piezoelétricos, com a estrutura mostrada na figura 45.

 


 

 

 

Uma deformação do material faz com que apareçam tensões elétricas nas faces do material. Essa tensão pode ser amplificada de modo a fornecer informações sobre a grandeza sensoriada.

Com essa estrutura podem se obtidos sensores que sensoriam a pressão absoluta caso em que numa das faces temos uma câmara de vácuo que serve de referência ou com ar a uma pressão de referência, ou ainda relativos, em que temos duas entradas de pressão, conforme mostra a figura 46.

 

Sensores diferenciais de pressão da Omron
Sensores diferenciais de pressão da Omron

 

 

Nesse caso, o dispositivo sensoria a diferença de pressão entre as duas entradas, podendo assim, indicar uma pressão relativa, por exemplo de uma autoclave ou bomba de ar. Esse tipo de sensor também pode ser usado no sensoriamento do nível de líquidos num reservatório.

Sensores modernos desse tipo também fazem uso de tecnologia magnetorresistiva, onde um imã cria um campo que atua sobre um padrão de linhas que apresenta uma certa resistência, conforme mostra a figura 47.

 


 

 

 

Uma deformação dessa estrutura faz com que a resistência elétrica apresentada se modifique fornecendo assim um sinal de saída a um circuito de monitoramento ou controle.

 

l) Sensores de Gases

Existem diversas tecnologias para o sensoriamento de gases num ambiente, algumas das quais empregadas em sensores de incêndio, sensores de fumaça ou ainda na detecção da presença de substâncias específicas num ambiente.

Um tipo simples de sensor de fumaça que é usado em aplicações industriais é o que vimos ao analisar os sensores fotoelétricos.

Nele, conforme mostra a figura 48, detecta-se a interrupção ou alteração de um feixe de luz sobre um sensor quando em presença de fumaça.

 


 

 

 

Evidentemente, esse sensor não detecta propriamente a presença de gases que se misturam com o ar e que portanto não afetam sua transparência. Esse sensor é usado para detectar as partículas em suspensão que formam a fumaça e que portanto impedem a passagem da luz.

Para detectar gases que se misturam com o ar atmosférico e que, portanto, não afetam sua transparência são usados outros tipos de sensores.

 Um deles é o sensor cujo símbolo e aspecto interno é o mostrado na figura 49.

 


 

 

 

Nesse tipo de sensor existem dois filamentos recobertos como substância que reage facilmente com gases que estejam presentes no meio ambiente exceto o oxigênio e gases inertes.

Um dos filamentos é mantido aquecido. O conjunto forma então uma ponte que se equilibra nas condições em que não existem gases reativos no meio ambiente.

Se um gás reativo entrar em contacto com os filamentos, ao ser absorvido e na presença do calor, ele muda sua resistência o que causa o desequilíbrio da ponte. Com isso, a presença do gás reativo pode ser detectada.

Na figura 50 temos um circuito típico para sensor de gás.

 


 

 

 

Uma aplicação importante desse tipo de sensor é na análise dos gases de escapamento de motores a combustível.

Equivalentes semicondutores, onde a resistência de um semicondutor especial muda com o gás, também podem ser encontrados em diversas aplicações, conforme mostra a figura 51.

 

Estrutura de um sensor de gás por semicondutor Siemens
Estrutura de um sensor de gás por semicondutor Siemens

 

 

m) Sensores Indutivos

Na indústria existe uma infinidade de aplicações para sensores indutivos. Esses sensores basicamente consistem numa bobina em torno de um núcleo, conforme mostra a figura 52.

 


 

 

 

As características da bobina se alteram na presença de objetos que tenham características magnéticas como imãs, materiais ferrosos e mesmo materiais diamagnéticos (que dispersam as linhas de força de um campo magnético).

Assim, esses sensores podem ser usados para detectar a presença de objetos, a proximidade de um objeto, sua passagem e muito mais. Na figura 53 a linha de sensores indutivos de proximidade da Omron.

 

 


 

 

 

n) Sensores de Efeito Hall

Os sensores de efeito Hall se enquadram na categoria dos sensores magnéticos.

Na figura 54 mostramos o princípio de funcionamento desses sensores.

 

 


 

 

 

Quando um campo magnético atua sobre uma placa condutora através da qual passa uma corrente elétrica, essa corrente é desviada. Isso significa que no ponto em que essa corrente é tomada teremos variações de sua intensidade que traduzem a intensidade do campo magnético.

Os sensores Hall tem a vantagem de serem lineares, muito sensíveis, rápidos e além disso poderem ser elaborados com materiais semicondutores adquirindo dimensões reduzidas.

Para utilizar os sensores Hall é preciso empregar circuitos amplificadores de grande ganho, normalmente com amplificadores operacionais.

As aplicações mais comuns para esses sensores são a detecção de movimento de partes mecânicas, tacômetros, controle de motores, etc.

Na figura 55 mostramos uma aplicação em que um sensor Hall é usado para medir a velocidade de uma peça rotativa e fazer o controle de sua velocidade.

 

Exemplo dado de aplicação pela BB Automação (www.bbautomacao.com.br)
Exemplo dado de aplicação pela BB Automação (www.bbautomacao.com.br)

 

 

Os sensores Hall também são encontrados em magnetômetros, que são instrumentos que medem a intensidade de um campo magnético.

As configurações dos sensores normalmente são de tal formam que eles formam uma ponte de Wheatstone. Na presença do campo magnético, essa ponte é desequilibrada, aparecendo assim uma tensão de saída.

 

Conclusão

O que vimos é apenas uma pequena parcela dos tipos de sensores que existem. Conforme explicamos na introdução a quantidade de sensores com que pode contar o projetista de dispositivos que exijam esse tipo de dispositivo é muito grande.

Não incluímos sensores especiais como os de raios X, radiação nuclear, sensores para uso médico e hospitalar, eletrônica aeroespacial

e muitos outros.

Como um pequeno tutorial acreditamos que esse artigo tenha sido de utilidade para os que desejam saber um pouco mais sobre os tipos mais comuns de sensores.

 

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Opinião

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