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Sensores e Tipos de Alarmes (ART1906)

As técnicas de proteção do patrimônio tornam-se a cada dia mais sofisticadas com o uso de sensores e circuitos que operam com os mais variados tipos de sinais. Para o instalador de alarmes ou mesmo para o usuário é muito importante conhecer os diversos tipos de sensores que existem e como eles funcionam nos alarmes, isso tanto para fazer uma escolha e instalação correta como também para saber como evitar problemas de disparos indevidos ou de vulnerabilidade da instalação. Neste artigo analisamos os principais tipos de sensores usados nos alarmes e como eles são usados.

 

Obs. Para os que desejam ir além, recomendamos nosso livro “Alarmes – Conceitos e Aplicações”!

 

Basicamente um sistema de alarme consiste numa central processadores de sinais, um conjunto de sensores que fazem a integração do alarme com o meio a ser protegido e um sistema de aviso que realiza algum tipo de operação quando o local protegido é violado, conforme mostra o diagrama de blocos da figura 1.

 

 

Figura 1 – Estrutura de um sistema de alarme
Figura 1 – Estrutura de um sistema de alarme

 

 

Evidentemente, o número de elementos de cada bloco pode variar bastante e em função da sofisticação do sistema podem até ser encontrados blocos adicionais importantes como por exemplo discadoras telefônicas que permitem chamar alguém ou a polícia à distância em caso de violação ou a tomada de certas decisões automaticamente como o trancamento de portas ou mesmo o acionamento de armadilhas.

Para o instalador de alarmes um ponto crítico na elaboração de um sistema para um cliente é justamente o referente aos sensores, ou seja, os elementos que têm por finalidade detectar o intruso.

A tecnologia eletrônica moderna dá diversas alternativas de escolha ao instalador, mas justamente em função dessa quantidade de alternativas é que o instalador pode ter dúvidas.

Um sensor escolhido de forma imprópria não só pode não dar a proteção esperada ao local como até pode trazer problemas de disparos indevidos do sistema com os consequentes aborrecimentos que surgem com isso.

Assim, para escolher o sensor e fazer sua instalação de modo criterioso nada melhor do que conhecer seu princípio de funcionamento. Esse é justamente o assunto que vamos abordar a seguir analisando os principais tipos de sensores encontrados nos alarmes comuns domésticos, comerciais e de uso automotivo.

 

a) SENSORES MAGNÉTICOS

Estes, sem dúvida alguma, são os mais utilizados pela sua confiabilidade, baixo custo, facilidade de instalação e ação rápida.

Estes sensores, conforme mostra a figura 2, consistem num interruptor de lâminas (tipo reed-switch) e um imã, montados em peças separadas.

 

 

Figura 2 – Sensor tipo reed
Figura 2 – Sensor tipo reed

 

 

Na instalação normal o reed-switch, que tem as ligações elétricas feitas por fios finos comuns ao sistema de alarme, é posicionado na parte fixa do objeto ou entrada que se deseja proteger. Numa porta ou numa janela, por exemplo, esta parte é fixada no batente.

A outra peça, que contém o imã é fixada na parte móvel do objeto ou entrada protegida, por exemplo na folha da porta ou na parte móvel da janela, conforme mostra a figura 3.

 

 

   Figura 3 – Instalando o sensor numa porta
Figura 3 – Instalando o sensor numa porta

 

 

Na condição normal da porta ou janela fechada, ou objeto em seu lugar, o imã mantém as lâminas do interruptor da parte fixa encostadas uma na outra de modo que o alarme está desarmado.

Se o imã for afastado do interruptor de lâminas, quando a janela ou porta forem abertas (ou o objeto removido), as lâminas do interruptor abrem disparando o circuito.

Normalmente estes sensores são ligados em série, conforme mostra a figura 4, de modo que se um deles for abeto a corrente no circuito é interrompida e ocorre o disparo do alarme.

 

 

     Figura 4 – Ligação em série dos sensores
Figura 4 – Ligação em série dos sensores

 

 

Ao lado da simplicidade de instalação e baixo custo deste tipo de sensor, temos alguns pontos importantes críticos a considerar que devem ser pesados antes da sua escolha e instalação.

Um deles é que a presença de qualquer imã externo mantém os contactos fechados mesmo que o imã original seja removido. Assim, se o intruso carregar um potente imã e conseguir localizar a posição do sensor antes de tentar uma invasão ele pode neutralizá-lo, conforme mostra a figura 5.

 

 

    Figura 5 – Enganando o sistema de alarme
Figura 5 – Enganando o sistema de alarme

 

 

Olhando pelo lado de fora de uma janela ele pode localizar o sensor e mantendo o seu imã nas suas proximidades, o alarme não dispara mesmo que o imã da janela seja afastado.

Outro ponto importante é a necessidade de se esconder a fiação para que o intruso não possa acessá-la e com isso tentar um desarme ou mesmo corte da energia que alimenta o circuito..

Se o intruso colocar em curto os pontos A e B mostrados na figura 6, o sistema ou o sensor correspondente serão desabilitados e o alarme deixa de funcionar.

 

 

 Figura 6 – Desabilitando o sensor
Figura 6 – Desabilitando o sensor

 

 

O interessante na instalação deste sistema é que todos os fios sejam ocultos e que os sensores também sejam bem disfarçados para que um visitante indesejável não observe sua localização para depois voltar e tentar o desarme.

Uma vez instalados de forma correta, entretanto, estes sensores são bastante eficientes.

Uma outra aplicação para este tipo de sensor, além do próprio disparo dos sistemas de alarme é para armar e desarmar de modo temporizado.

Nos carros, é comum usar um sensor deste tipo que acionado pelo imã carregado num chaveiro arma e desarma o alarme, conforme mostramos na figura 7.

 

 

 Figura 7 – Desarme por ímã
Figura 7 – Desarme por ímã

 

 

Observe que o campo magnético do imã atravessa objetos não metálicos com facilidade. Assim, a ação do imã "passa" pelo vidro, peças de madeira ou mesmo paredes estreitas o que pode ser previsto num sistema de alarme.

Se bem que a maioria dos tipos comerciais de sensores seja planejada para manter o reed-switch fechado quando o imã encosta na peça em que ele se encontra, o uso de imãs mais potentes pode permitir a atuação havendo um objeto entre ambos, conforme mostra a figura 8.

 

 

  Figura 8 – Campos magnéticos atravessam objetos não metálicos
Figura 8 – Campos magnéticos atravessam objetos não metálicos

 

 

Isso permite que a ação protetora ocorra também à distância, o que é interessante no caso de um objeto em que basta prender um imã na sua parte inferior, conforme mostra a mesma figura.

Ao ser removido de um local o imã se separa do sensor e o alarme é disparado.

 

b) SENSORES DE FIO FINO

Uma variação econômica de sensor de interrupção, ou seja, que abre o circuito quando a entrada protegida é violada ou quando um objeto é removido, é o sensor de fio fino.

Trata-se simplesmente de um pedaço de fio fino que é montado de tal forma que ele seja arrebentado quando o local protegido é violado.

Numa janela ou alçapão, por exemplo, prende-se esse fio com uma extremidade no batente e a outra na parte móvel. Se a janela for aberta ou o alçapão, o fio será arrebentado, conforme mostra a figura 9.

 

 

  Figura 9- O sensor de fio fino
Figura 9- O sensor de fio fino

 

 

A vantagem deste tipo de sensor é o seu custo praticamente nulo e ele é bastante eficiente se não puder ser localizado, e além disso não pode ser "desarmado" pela ação de imãs.

No entanto, ele não se rearma de modo automático quando a entrada é fechada. Assim, para rearmá-lo o fio deve ser recolocado. Assim, não se trata de sensor prático e seu uso só é recomendado numa entrada que deva ser usada poucas vezes, por exemplo um alçapão, ou num objeto que dificilmente tenha de ser removido de seu lugar.

 

c) SENSORES DE BALANÇO OU PÊNDULO

Um tipo de sensor bastante interessante e que é muito usado em carros e motos é o sensor de balanço ou pêndulo que pode ter diversos formatos conforme o movimento que deva provocar seu disparo.

Na figura 10 temos duas formas possíveis de montar este tipo de sensor.

 

 

Figura 10 – Sensor de pêndulo
Figura 10 – Sensor de pêndulo

 

 

Quando o sensor se encontra na condição de espera, ou seja, desarmado o fio ou lâmina rígida não encostam na argola e o circuito se mantém aberto.

No entanto, qualquer balanço do objeto que está sendo protegido ou ainda um movimento que tenda a retirá-lo da posição normal, faz com que o pêndulo balance e assim o fio encosta na argola estabelecendo por um instante o contacto elétrico.

Este contacto é suficiente para provocar um pulso de curta duração que dispara o alarme.

Veja que este circuito, diferentemente dos demais é do tipo NA, ou seja, mantém-se com o contacto aberto, fechando-o quando ocorre o disparo. Os tipos anteriores são do tipo NF, que se mantém com os contatos fechados, abrindo-os quando o alarme é disparado.

As vantagens principais deste sensor são sua simplicidade e a sensibilidade. No entanto, também devem ser consideradas as desvantagens.

Uma delas é que se o sistema for localizado, como se trata de dispositivo do tipo NA, o corte dos fios de ligação inibe completamente a ação do sensor, conforme mostra a figura 11.

 

 Figura 11 – Sensor NA e NF
Figura 11 – Sensor NA e NF

 

 

Isso não ocorre com os sensores do tipo NF em que o corte dos fios de conexão provocam o disparo do sistema. A inibição é feita com a colocação dos sensores em curto, naqueles casos.

Outro ponto crítico é que se o sensor for localizado e identificado, o intruso pode ser bastante cuidadoso para entrar sem provocar o balanço e depois neutralizar sua ação. Se, com cuidado ele cortar o pêndulo ou seu fio da forma indicada na figura 12, o alarme estará desarmado!

 

 

Figura 12 – Neutralizando um sensor NA
Figura 12 – Neutralizando um sensor NA

 

 

Isso significa que para a instalação deste sensor deve-se procurar um local oculto ou ainda fechar o sensor dentro de uma caixa de modo que eventual intruso não possa identificá-lo entanto com isso uma ação de neutralização.

 

d) MICRO SWITCHES

Micro-switches ou interruptores miniatura são pequenos interruptores que podem ser usados como sensores de movimento e que podem ter as aparências mostradas na figura 13.

 

 

    Figura 13 –Micro-switches
Figura 13 –Micro-switches

 

 

As pequenas alavancas de acionamento destes interrupto respodem ser acopladas a portas, janelas, portões e outros objetos ou entradas que desejamos proteger. Este acoplamento, dependendo do tipo de ação desejada, pode ser no sentido de abrir ou fechar o interruptor quando a entrada for aberta ou o objeto retirado ou movido.

Na figura 14 temos um exemplo de acoplamento de um micro-switch a uma porta no sentido fechar o circuito por um instante quando a porta é aberta.

 

 

Figura 14 – Usando uma micro-switch
Figura 14 – Usando uma micro-switch

 

 

Evidentemente, dependendo do tipo de objeto ou entrada protegida podemos ter diversos acoplamentos possíveis.

As vantagens principais dos micro-switch é a sua ação mecânica, rearme automático e custo baixo além da fácil instalação.

No entanto, dependendo do tipo sua instalação pode exigir certos acessórios que dificultam a operação. Se elas não forem posicionadas corretamente pode haver um comprometimento de sua eficiência.

Uma aplicação interessante para este tipo de chave é sob um tapete de entrada sendo acionada pelo peso da pessoa que entra, conforme mostra a figura 15.

 

 

Figura 15 – sensor de passagem sob o tapete
Figura 15 – sensor de passagem sob o tapete

 

 

Numa loja, este tipo de acionamento pode indicar a entrada de clientes.

 

e) SENSORES ÓPTICOS

O tipo mais comum de alarme que faz uso de sensores ópticos é o alarme de interrupção de luz ou alarme de passagem.

Conforme mostra a figura 16, este alarme é formado por uma fonte de luz e um sensor que devem ser posicionados de tal forma que alguém que penetre no local protegido interrompa o feixe de luz.

 

 

  Figura 16 – Senso óptico de passagem
Figura 16 – Senso óptico de passagem

 

 

A ação deste tipo de alarme é bastante eficiente e diversas variações tanto quando ao tipo de sensor quanto ao sinal e emissor de luz existem.

Assim, uma primeira possibilidade para tornar o alarme mais seguro consiste em seu usar radiação infravermelha que é invisível, em lugar de luz visível comum. Desta forma no emissor encontramos LEDs infravermelhos em lugar de simples lâmpadas.

Como a descoberta pelo intruso do sensor pode levá-lo a tentar inibir o sistema focalizando uma lanterna, conforme mostra a figura 17, uma alternativa interessante para tornar o sistema ainda mais seguro, consiste em sua usar radiação modulada.

 

Figura 17 – Usando luz modulada
Figura 17 – Usando luz modulada

 

 

A lanterna produz um feixe contínuo que excitaria um sensor, mesmo que ele fosse sensível ao infravermelho. No entanto, se o circuito do sensor for projetado para operar com radiação modulada, o uso da lanterna não tem efeito algum.

Os sensores usados são os mais diversos. Podemos ter os LDRs que são algo lentos e pouco sensíveis a radiação infravermelha, sendo mais indicados para os sistemas que operam com luz visível. Por outro lado, podemos ter foto-transistores e foto-diodos que além de sensíveis a radiação visível e infravermelha são extremamente rápidos podendo trabalhar com luz modulada.

A luz modulada, além de impossibilitar o uso de uma lanterna como inibidor do sistema, também o torna menos sensível a influência da luz ambiente.

De qualquer forma, este sistema também tem seus pontos fracos.

Um dos pontos fracos é a dificuldade dele ter o sensor oculto numa passagem. Outro ponto importante é que o feixe do sistema é estreito, ou seja, ele estabelece uma linha de proteção. Se essa linha for identificada o intruso pode contorná-la passando por baixo ou por cima.

Na instalação as dificuldades são maiores: além de termos a necessidade de alimentar dois circuitos de modo independente e eles não ficam juntos normalmente (pode ser feito o uso de espelhos), seu posicionamento deve ser cuidadosamente planejado para que a proteção desejada ocorra.

Conforme vimos, um feixe indevidamente estabelecido pode permitir que o intruso o evite. Além disso, numa passagem sujeita a presença de animais, a passagem interrompendo o feixe pode provocar um disparo indevido.

Outro ponto importante na instalação é evitar fontes de interferências. A luz ambiente pode ter um efeixo prejudicial na sensibilidade de todos os sistemas. A focalização correta do sensor numa área em que tenha somente a luz do emissor é importante.

Alguns sistemas são algo sensíveis a emissão de luz de lâmpadas fluorescentes que, sendo moduladas na frequência da rede, podem afetar o funcionamento do circuito. Especial cuidado deve ser tomado com a utilização deste tipo de alarme em ambientes iluminados por fluorescentes.

Uma possibilidade interessante para se obter uma grande área de cobertura é com a utilização do LASER como fonte de luz.

Na figura 18 mostramos como um LASER de baixa potência semiconductor modulado pode ser usado num sistema de longo raio de ação para proteger uma passagem.

 

 

Figura 18 – Usando uma LASER
Figura 18 – Usando uma LASER

 

 

Evidentemente, o feixe muito fino do LASER torna o ajuste deste tipo de alarme bastante crítico.

Finalmente, temos de considerar que o sinal enviado pelo sensor (foto-diodo ou foto-transistor) é fraco e que o uso de um cabo longo pode se tornar crítico. A eventual captação de ruídos por este cabo deve ser prevista, pois pode instabilizar o funcionamento do sistema.

 

f) SENSORES ULTRASSÔNICOS

Existe uma modalidade de alarme que usa um sistema emissor e receptor de ultrassons, conforme mostra a figura 19.

 

 

 Figura 19 – Alarme ultrassônico
Figura 19 – Alarme ultrassônico

 

 

O princípio de funcionamento lembra o dos alarmes infravermelhos, com a diferença de que em lugar de radiação eletromagnética usamos ultrassons que devem "encher" um ambiente, refletindo-se em paredes e objetos. Forma-se desta maneira no local um "campo ultrassônico".

O ajuste do sistema é crítico, pois ele segue o padrão de reflexão dado pela forma do ambiente e pelos objetos que ele contém.

Assim, a penetração de pessoas ou objetos extranhos neste campo altera suas características com a produção de um sinal de saída no sistema sensor o qual é usado para disparar o alarme.

Alguns sistemas se baseiam no Efeito Doppler.

O que ocorre neste caso é que as reflexões de ultrassons em objetos parados têm a mesma frequência do sinal emitido. No entanto, se um sinal ultrassônico refletir num objeto em movimento, há uma alteração do comprimento de onda do sinal refletido que então passa a ser percebido pelo sensor como de outra frequência, conforme mostra a figura 20.

 

 

    Figura 20 – O efeito Doppler
Figura 20 – O efeito Doppler

 

 

Tanto maior a velocidade do objeto em que ocorre a reflexão, maior será o desvio da frequência original.

Este sistema lembra a maneira como golfinhos e morcegos se orientam.

A frequência de operação dos sistemas comuns está na faixa de 20 kHz a 50 kHz e os transdutores ou sensores usados podem ter os mais diversos formatos.

Os tipos mais comuns são os mostrados na figura 21 e que consistem em transdutores ressonantes.

 

 

   Figura 21 – Emissor e sensor ultrassônico
Figura 21 – Emissor e sensor ultrassônico

 

 

Neste caso, tanto o emissor como o receptor possuem características de operação para apenas uma determinada frequência. O maior rendimento do emissor é na sua frequência própria e o receptor só tem boa sensibilidade naquela frequência para o qual foi projetado.

O transmissor nada mais é do que um alto-falante em miniatura se bem que existam os tipos piezoelétricos. O receptor nada mais é do que um microfone que tanto pode ser do tipo magnético como piezoelétrico.

Este sistema, como os demais têm suas vantagens e suas desvantagens.

Dentre as vantagens destacamos a enorme sensibilidade e a capacidade de detectar objetos em qualquer parte de um ambiente, ou seja, não há meio de fugir do seu campo de ação. Da mesma forma, os sinais que ele emite são difíceis de serem detectados o que significa uma probabilidade menor do intruso fazer sua descoberta e neutralização.

Para as desvantagens, destacamos a sensibilidade muito grande que torna seu disparo errático muito frequente. Ruídos da rua, objetos que caiam nas vizinhanças ou mesmo vibrações de uma janela de vidro causada por trovões ou passagem de veículos pesados na rua podem provocar seu disparo.

O posicionamento tanto do emissor como do sensor neste sistema devem ser estuados cuidadosamente tanto no sentido de haver a cobertura total do ambiente desejado como de minimizar a influência externa que cause seu disparo errático.

 

g) MICROONDAS

O sistema de alarme por microondas se baseia no radar e que em princípio tem semelhança com o sistema de ultrassons que vimos no ítem anterior.

O que se faz é emitir com a ajuda de um pequeno transmissor de ondas muito curtas (UHF ou SHF) sinais que preencham um determinado ambiente.

Estes sinais refletem em objetos e podem ser captados por uma antena receptora que está ligada a um circuito processador, conforme mostra a figura 22.

 

 

     Figura 22 – sistema por microondas
Figura 22 – sistema por microondas

 

 

Se algum objeto ou pessoa entrar no ambiente, o padrão de reflexão dos sinais e portanto o sinal captado na antena receptora muda e isso pode ser detectado pelos circuitos do alarme.

O que ocorre é mais ou menos semelhante ao que observamos quando da passagem de um avião quando estamos com o televisor comum de VHF ligado. As reflexões no avião provocam o aparecimento de sinais que afetam a imagem a qual passa a ter "fantasmas" que se movimentam segundo um padrão determinado.

No caso do alarme, essas alterações do sinal pela entrada de um intruso é que são detectadas e que portanto servem para acionar o alarme.

Isso significa que os transdutores usados neste tipo de alarme nada mais são do que pequenas antenas, conforme mostra a figura 23, normalmente dipolos feitos numa placa de circuito impresso.

 

 

Figura 23 – Antena de microondas na placa de circuito impresso
Figura 23 – Antena de microondas na placa de circuito impresso

 

 

Os problemas que podem ocorrer com este tipo de alarme são semelhantes ao anterior. As interferências de natureza elétrica podem provocar seu disparo, como por exemplo, ruídos de ignição de carro, conexão de aparelhos elétricos nas vizinhanças e até a presença de transmissores de rádio nas proximidades.

A principal vantagem deste sistema é a sua sensibilidade e a quase impossibilidade de fugir ao seu campo de ação. O uso de frequências elevadas também dificulta bastante sua detecção por um intruso e consequentemente a neutralização.

 

h) SENSORES PIROELÉTRICOS

Eletretos são substâncias cuja carga elétrica estática permanente depende de diversos fatores como sua forma, a temperatura e a própria incidência de radiação externa.

Os eletretos podem ser usados como sensíveis detectores de radiação infravermelha em alarmes, conforme mostra a figura 24.

 

 

Figura 24 – sensor de presença piroelétrico
Figura 24 – sensor de presença piroelétrico

 

 

Colocando estes sensores em um sistema óptico dotado de lentes de Fresnel, eles podem detectar a radiação infravermelha emitida pelo corpo de uma pessoa.

Sensores deste tipo são usados em portas automáticas para que elas abram pela simples aproximação das pessoas e podem ser usados em alarmes muito sensíveis ou detectores de presença.

Assim, ajusta-se o circuito para detectar um certo nível de radiação natural de um ambiente sem pessoas. Quando alguém entrar neste ambiente, o calor do corpo será detectado e fará o acionamento do alarme.

Estes mesmos sensores podem ser usados em alarmes de incêndios.

A principal vantagem deste sistema é que ele não precisa de nenhum emissor de radiação, já que a radiação usada é produzida pelo próprio corpo que vai ser detectado.

Além disso é bem difícil "enganar" este sistema pois não há como eliminar facilmente a emissão de calor do próprio corpo.

Como desvantagem temos o disparo acidental por qualquer animal de sangue quente de algum porte que entre no raio de ação do alarme e até mesmo uma elevação maior de temperatura de algum objeto que esteja no local. O acionamento automático de um refrigerador, por exemplo, pode fazer com que o calor emitido dispare um alarme se ele estiver nas proximidades. O calor irradiado pelas aletas do refrigerador é que podem provocar este disparo.

Eventuais fontes de radiação infravermelha indevidas devem ser previstas na instalação deste alarme. Também deve ser prevista a eventual captação de calor de fontes distantes através de uma janela aberta, por exemplo, que podem causar o disparo errático deste tipo de alarme.

 

OUTROS SENSORES

Existem muitos outros tipos de sensores que podem ser usados em condições especiais para detectar a presença de intrusos num local e com isso disparar um alarme. Eventualmente a escolha desses sensores diferentes pode assegurar uma proteção melhor do que os convencionais numa situação especial.

Podemos então associar muitos desses sensores à verdadeiras "armadilhas" para os intrusos.

Damos alguns exemplos:

Um LDR colocado em local estratégico ou outro sensor de luz que acione um alarme pode ser usado para detectar o intruso quando ele acender uma lanterna ou a luz do ambiente protegido.

Um "vox", que consiste num microfone acoplado a um circuito que dispara um relê, pode detectar um intruso quando ele fizer qualquer tipo de barulho, conforme mostra a figura 25.

 

 

  Figura 25 – Vox como detector de ruído
Figura 25 – Vox como detector de ruído

 

 

Um fio fino extendido numa passagem pode acionar um micro-switch quando o intruso tropeçar nele na sua passagem.

Uma esponja condutora colocada sob um tapete pode acionar um circuito de alarme com o peso de alguém que passe pelo local.

Enfim, não existem limites para os sensores que podem ser usados nos sistemas de alarme, já que se trata de algo que depende exclusivamente da imaginação de cada montador, instalador ou projetista.

 

 

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