Este artigo foi incluído no meu livro Robótica, Mecatrônica e Inteligência Artificial - Robotics, Mechatronics and Artificial Intelligence (esgotado) publicado nos Estados Unidos. Ele ensina como usar o sensor resistivo em projetos simples de mecatrônica ou robótica, usando microcontroladores ou como bloco de construção para projetos simples.
Os sensores resistivos adicionam recursos sensoriais a qualquer projeto de robótica, mecatrônica ou inteligência artificial. Este capítulo descreve como os sensores resistivos operam e como podem ser implementados. Veremos como resistores dependentes de luz (Foto-resistores ou LDRs) e células CdS podem ser usados como sensores de luz, adicionando visão a robôs e outros projetos. Além disso, resistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC) podem ser usados como sensores de temperatura, potenciômetros como sensores de posição e espuma condutora como sensores de pressão, adicionando capacidades táteis a robôs e braços mecânicos. Os sensores de toque também são descritos neste capítulo.
Teoria
O mundo ao nosso redor está cheio de condições físicas variáveis que mudam continuamente. Temperatura, pressão do ar, umidade e luz são algumas das condições que preenchem nosso ambiente de vida. Qualquer tipo de robô ou dispositivo mecatrônico que se destina a funcionar neste ambiente deve ter algum tipo de recurso que permita interagir com ele. Os humanos têm sensores embutidos, como orelhas, olhos, etc. Mas como os dispositivos eletrônicos podem interagir com o mundo?
Em projetos de robótica e mecatrônica, usamos transdutores para interagir com o mundo externo. Um transdutor é um dispositivo que converte uma forma de energia em outra. Por exemplo, uma célula fotoelétrica usada como sensor pode converter alterações de nível de luz em sinais elétricos. Outro dispositivo transdutor que pode integrar-se com o ambiente é o alto-falante: converte energia elétrica em som (energia mecânica).
Para sentir o mundo ao seu redor, robôs e dispositivos mecatrônicos podem usar muitos tipos de sensores. As próximas seções descreverão algumas delas e descreverão blocos contendo circuitos que podem ser usados com esses sensores.
O LDR, Foto-Resistor ou Célula CdS
O resistor dependente de luz (LDR), célula de sulfeto de cádmio (CdS) ou foto resistor é um componente que altera sua resistência com vários níveis de luz. No escuro, o LDR apresenta uma resistência muito alta - acima de 1 MΩ. Esta resistência cairá abaixo de 100 Ω sob luz solar direta. A figura 1 mostra a aparência e o símbolo usado para representar um LDR.
O LDR é um resistor, então a corrente pode fluir em qualquer direção. Embora o LDR seja muito sensível, “vendo” níveis de luz que nossos olhos não conseguem, o LDR é um dispositivo lento.
Mudanças rápidas de luz não podem ser detectadas por um LDR. O limite superior da resposta de frequência de um LDR é de cerca de 10 kHz. Se você precisar detectar mudanças de luz mais rápidas, você pode usar outros sensores, como fotodiodos e fototransistores.
O uso do LDR é muito fácil, pois pode influenciar diretamente dispositivos semicondutores, como transistores, SCRs, ICs, etc. Os LDRs podem ser usados como “olhos eletrônicos” em aplicações que envolvem robótica, mecatrônica e inteligência artificial. Como no olho humano, uma lente pode ser adicionada para melhorar o desempenho de um LDR em uma aplicação particular. Colocando uma lente convergente na frente de um LDR, podemos captar mais luz de uma direção, aumentando a sensibilidade e adicionando diretividade.
Os LDRs podem ser encontrados em diferentes tamanhos e formatos, mas, em geral, suas características elétricas não diferem muito. Isso significa que quase qualquer tipo pode ser usado nos blocos descritos nestas páginas.
Resistores de coeficiente de temperatura negativo
Os resistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC), também chamados de termistores ou resistores termicamente sensíveis, são componentes cuja resistência muda com a temperatura. A resistência de um NTC diminui à medida que a temperatura aumenta.
Outro dispositivo sensível à temperatura é o resistor do coeficiente de temperatura positivo (PTC). Neste componente, a resistência aumenta com a temperatura. A figura 2 mostra o símbolo e a aparência dos NTCs comuns.
Os NTCs podem ser usados para adicionar sensores de temperatura a robôs e outros projetos. Eles são especificados pela resistência (em ohms) que eles têm em uma determinada temperatura (normalmente, a temperatura ambiente, ou 20° C). Os valores estão tipicamente no intervalo de vários ohms a 100 kΩ.
Sensores de temperatura, como os NTCs, não são rápidos. Eles não podem alterar a resistência para corresponder às rápidas mudanças de temperatura. Isso ocorre porque eles têm que mudar sua própria temperatura, dissipando o calor para o ambiente, ou retirando calor, até chegarem ao ambiente. A velocidade das mudanças de calor é basicamente determinada pelo tamanho e pelo material do NTC. Os NTCs pequenos são mais rápidos que os maiores e podem sentir melhor as rápidas mudanças na temperatura ambiente. Como as características elétricas dos NTCs (e PTCs) são as mesmas dos LDRs, elas podem ser usadas com os mesmos circuitos ou blocos.
Sensores de pressão
Sensores de pressão simples podem ser feitos usando espuma condutiva, como os materiais usados para proteger CIs contra descarga eletrostática. A Figura 3 mostra como um IC é protegido pela espuma e como ela pode ser usada para nossos propósitos.
Colocando a espuma entre duas placas de metal, como mostrado na figura, você cria um sensor de pressão. Se você pressionar as placas juntas, a resistência da espuma muda (diminui), e isso pode ser usado para disparar um circuito. Você pode usar esse tipo de sensor com o mesmo bloco recomendado para LDRs e NTCs.
Potenciômetros como Sensores de Posição
Potenciômetros comuns podem ser adaptados para funcionar como sensores de posição. Você só precisa acoplar algum tipo de dispositivo mecânico (uma alavanca ou uma roda) ao eixo de um potenciômetro rotativo para derivar um sinal elétrico da posição do dispositivo. A Figura 4 mostra como um potenciômetro rotativo pode ser usado como um sensor de posição. Potenciômetros com valores na faixa de 10 a 100 kΩ podem ser usados como sensores de posição com todos os blocos sugeridos para os outros sensores resistivos e descritos nesta parte.
Os potenciômetros deslizantes também podem ser usados como sensores de posição sensíveis, como mostrado na Figura 5. Veja outros artigos neste site, para exemplos de como um potenciômetro pode ser usado para detectar a posição do eixo em uma caixa de engrenagens.
Sensores de Toque
Duas placas próximas, mas sem tocar, formam um sensor de toque. Se você colocar os dedos nas duas placas para tocar as duas ao mesmo tempo, como mostra a Figura 6, uma corrente elétrica poderá fluir pela sua pele, criando um sinal elétrico. Como a resistência de sua pele é muito alta (100.000 Ω ou mais), a corrente que flui por esse sensor não é suficiente para acionar circuitos comuns. Estágios de amplificação são necessários.
Um ponto importante é que devemos manter a corrente baixa; Se a alta tensão for usada neste sensor para aumentar a corrente, poderá ocorrer choque elétrico.
Em resumo, a principal característica dos sensores de toque, como os descritos acima, é que eles devem operar isolados da linha de energia CA e ter resistores de limite de corrente. Outro tipo de sensor de toque é o mostrado na Figura 7. Se uma placa for removida e conectada ao terra, basta tocar a outra placa para acionar o circuito. A corrente fluirá pelo corpo de uma pessoa, ativando o circuito.
Como usar sensores resistivos
Ao usar sensores resistivos, o projetista deve ter em mente algumas questões importantes.
1. Quanto a resistência muda sob as condições de operação desejadas?
A faixa de resistência de um sensor é importante no projeto ou na escolha do circuito. Se um sensor muda apenas por poucos ohms de resistência quando excitado, o circuito deve ter características especiais para reagir a esta pequena alteração. Os LDRs alteram a resistência em uma ampla faixa de valores, sendo fáceis de usar. Os NTCs, dependendo do tipo, também têm uma ampla faixa de resistência, mas outros (por exemplo, sensores de pressão não).
2. A corrente fornecida pelo sensor é suficiente para acionar um circuito?
Se o sensor tiver uma grande queda de resistência quando excitado, a corrente pode ser suficiente para acionar qualquer um de nossos circuitos. Em geral, para acionar um bloco com um transistor bipolar, a resistência na condição de baixo valor deve ser menor que 50.000 Ω. Se transistores Darlington, ICs CMOS ou circuitos de dois estágios forem usados, essa resistência pode ser maior - na faixa de 200.000 a 1.000.000 Ω. Como regra geral, se o seu sensor não ativar o circuito, tente outro bloco com maior sensibilidade.
