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Princípios de Funcionamento – Tipos e Aplicações
Aula 10- Utilização de sensores e transdutores óticos
Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS
Valner Brusamarello
Contextualização
O que são sensores óticos?
Importância de sensores óticos inseridos no contexto da atualidade
Importância de Sensores óticos dentro da Indústria
Importância de sensores óticos dentro da instrumentação
Principal característica: Ausência de cabos metálicos entre transmissão e recepção de sinal
Aplicações: contagem de peças, medição de velocidade, medição de deslocamento, sistemas de segurança, comunicação de dados entre muitos outros
Generalidades
Princípios Gerais de Funcionamento de
Dispositivos Baseados em Sensores Óticos
Interrupção de feixe de luz
Reflexão de feixe de luz
Medição de Intensidade de Luz
Utilização de Arranjos para medição de intensidade de Luz
Interrupção de feixe de luz
Fonte Emissora de Luz
Anteparo Elemento Sensor
Fonte Emissora de Luz
Elemento Sensor
1)
2)
Resistor Dependente de Luz - LDR (Light
Dependent Resistor)
LDR é um dispositivo semicondutor de dois terminais, cuja resistência varia com a intensidade de luz incidente
Materiais frequentemente utilizados:sulfeto de cádmio (CdS) e o seleneto de cádmio (CdSe).
LDRs aumentam sua condutividade quando expostos a Luz.
Variação de Resistência típica : cerca de 300 para luz ambiente e 10 M para o escuro
Resposta lenta (cerca de 200K por segundo)
Transdutores Fotoresistivos
Fornecem uma alteração de resistência em resposta a uma alteração da intensidade luminosa
A luz afeta a resistividade do material
g
e g g
e
m A l
N e2
2
m=massa do elétron
e=velocidade média dos elétrons
entre íons
Ne= número de elétrons livres
e= carga do elétron
= distância média entre íons
Fotoresistor
Alteração da
Intensidade
Luminosa
Resistência
Rl
Ag g
g
g
Transdutores Fotoresistivos
LDR (Light Dependent Resistor)
Princípio de Funcionamento
A energia luminosa desloca elétrons da banda de
valência para a de condução (mais longe do
núcleo), aumentando o número destes,
diminuindo a resistência
Transdutores Fotoresistivos
LDR (Light Dependent Resistor)
Principais Características Tem sua resistência diminuída ao ser iluminado
É composto de um material semicondutor (em geral sais)
Sulfito de Cádmio - CdS Selenito de Cádmio - CdSe Sulfito de Chumbo - PbS Selenito de Chumbo - PbSe
A resistência varia de alguns M, no escuro, até centenas de , com luz solar direta
Os usos mais comuns do LDR são em relés fotoelétricos, fotômetros e alarmes.
Desvantagem está na lentidão de resposta dinâmica (300 K/s)
Transdutores Fotoresistivos
LDR - Função de Transferência
b
LALR
RL = resistência do sensor sob intensidade luminosa de L (lux)
A = Constante que depende do sensor (340 - 991 x 103)
b = constante que depende do sensor (típico 0,85)
L = intensidade luminosa em lux (típico entre 5 e 104 lux)
ALbRL
logloglog
Normalmente representada em
Escala log x log
Transdutores Fotoresistivos LDR - Função de Transferência
Resposta Espectral: Depende do distância entre a banda de Condução e de Valência, representada pela energia do gap (Eg) - os fótons precisam ter energia superior à do gap para ceder aos elétrons (Ef=h)
A energia do gap depende do material empregado no semicondutor
Depende capacidade do cristal e de sua cobertura em deixar a luz passar
Limitado pela
capacidade de
transmissão Limitado
pelo Gap
Transdutores Fotoresistivos
LDR - Condicionamento Melhor Linearização
Excitação em tensão
+
-
VoR
RT
+
-
V1
Por meio de V1 ajusta-se a
sensibilidade
RR
VVoL
1
11
RL
REAL
L1 L2 L3 Intensidade luz (lux)
Transdutores Fotoresistivos
LDR - Condicionamento A topologia dos circuitos de condicionamento pode ser a mesma utilizada para os
termistores.
A diferença está no resistor de linearização
Amplificadores (log - antilog , divisores podem ser utilizados para melhorar ainda mais a linearidade da resposta.
ALb loglog
log -logA RL
(-b) 10^
Lblog
b
LALR
Llog L
Fotodiodo
Diodo de junção construído de forma a possibilitar a utilização da luz como fator de controle para a corrente
Funciona polarizado inversamente
Tem resposta rápida em relação a variação do sinal luminoso
Corrente de saída baixa
Fototransistores
Princípio de funcionamento similar ao fotodiodo, entretanto associado ao efeito do transistor
Maior sensibilidade devido a amplificação
Resposta mais lenta
Sensores de Imagens – Active Pixel Sensor
- APS Acoplador de Cargas (Charge
Coupled Device - CCD) e CMOS
Arranjo de sensores que transformam uma informação luminosa pontual (pixel) num sinal elétrico
A luz num determinado ponto sensor provoca a liberação de cargas que geram uma diferença de potencial
Um arranjo na forma de matriz permite então que seja feita uma varredura de sinais elétricos ocasionados pela luminosidade numa superfície
CCDs
Circuito integrado com uma matriz de capacitores acoplados.
Cada capacitor transfere sua carga elétrica para um outro capacitor vizinho (via controle).
Os CCDs são usados em fotografia digital, imagens de satélites, equipamentos médico-hospitalares entre outros;
A capacidade de resolução da imagem depende do número de células fotoelétricas do CCD (pixels).
Quanto maior o número de pixels, maior a resolução da imagem.
Câmeras fotográficas digitais incorporam CCDs com capacidades de milhões de pixels. São comuns CCDs (atualmente) com 10.2 Mpixels
CCD
Uma superfície fotosensível gera cargas elétricas.
As cargas negativas são deslocadas pelo controle sucessivo das tensões +V nos gates do CCD.
Câmeras coloridas usualmente usam máscaras (Bayer mask) sobre o CCD.
Cada quadrado de 4 pixels tem um filtro vermelho, um azul e dois verdes .
CMOS
Os CMOS possibilitam utilizar transistores para transferência de carga – trouxe flexibilidade aos sensores.
No esquema, RST é o reset do fotodiodo. Quando acionado RST, o fotodiodo fica ligado diretamente a VRST, limpando a carga.
Msf, funciona como um buffer que segue a tensão de source. Um amplificador que permite observar a tensão do pixel sem precisar remover a carga.
Msel é o transistor de seleção que permite que uma única linha de uma matriz de pixels possa ser lida eletronicamente.
CMOS – mais barato e menor consumo! Embora desempenho ainda seja menor a tendência é que em breve sensores desse tipo substituem os CCDs.
Aplicações - Medição de Nível
Sensores Detectam
quando o líquido na
garrafa alcança o
seu limite superior
Transdutores Fotoelétricos
Fotodiodos
Princípio de Funcionamento Os fótons ao colidirem com elétrons na banda de valência cedem energia a eles e,
assim, os elétrons são promovidos para a banda de condução. Se esta colisão ocorrer na região de deplexão, o campo elétrico existente ali desloca os elétrons criando uma fotocorrente.
D1
Ânodo
Cátodo
-e Ip
Transdutores Fotoelétricos
Fotodiodos
Princípio de Funcionamento
D1
Ânodo
Cátodo
Fotodiodo sob polarização reversa
aumenta a região de deplexão
Transdutores Fotoelétricos
Fotodiodos Princípio de Funcionamento
Absorção Geração do par
Elétron-Lacuna
Recombinação
Geração de Corrente
Elétrica
(fotocorrente Ip)
Ip
Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos Função de Transferência – Responsividade A/W ou V/W :
corrente ou tensão por potência radiante incidente.
(A/Watt) P
IR
L
P
eheP NeeNI é a eficiência de absorção
Neh= número de pares eletron-lacuna
gerados por segundo
(Joules) c
hEf
então se Ef > Eg = Ec-Ev
Energia de 1 Photon de compr. de onda
ehfWatts NE P
Transdutores Fotoelétricos
Fotodiodos Função de Transferência - Responsividade
(A/Watt) P
IR
L
P
eheP NeeNI
Egc
h se 0
Egc
h se (A/Watt) hc
eE
e
R f
ehfWatts NE P
Transdutores Fotoelétricos
Quando utilizado sem polarização, denomina-se de modo fotovoltaico.
O fluxo da corrente devido ao efeito fotoelétrico é restrito e surge uma tensão elétrica.
Uma célula solar pode ser vista como um fotodiodo com uma grande área.
No modo fotocondutivo o diodo é polarizado
reversamente .
Apenas uma corrente muita pequena é capaz de fluir nessas condições.
Transdutores Fotoelétricos
Fotodiodos Modos de Operação
Fotovoltaico
Fotocondutivo
PkT
eV
o I1eII
Io corrente de fundo (ou corrente sat reversa)
Ip corrente gerada pelo efeito fotoelétrico
Transdutores Fotoelétricos Fotodiodos - Função de Transferência Operando no Modo Fotovoltaico (fotocélula)
PkT
eV
o
Ld
I1eII
IRV
d
I I
Transdutores Fotoelétricos
Fotodiodos - Função de Transferência Operando no Modo Fotovoltaico (fotocélula)
Id
I
Transdutores Fotoelétricos
Fotodiodos - Função de Transferência Operando no Modo Fotocondutivo
PkT
eV
o
LBd
I1eII
IRVV
d
+ -
I
Neste caso Vd é negativo logo I-Io-Ip,
ou seja, a corrente no diodo e a tensão em
RL são lineares em relação a potência
luminosa incidente.
Transdutores Fotoelétricos
Fotodiodos - Função de Transferência Modelo Matemático
Possui ruído térmico
(Rs e Rj) e ruído
quântico (devido a
corrente no diodo).
Quanto maior a polarização reversa
maior é a corrente de ruído
Quanto maior a
polarização reversa
menor é Cj.
Transdutores Fotoelétricos
Fotodiodos - Exemplo de Aplicação
Sensores de Proximidade
São constituidos de uma fonte de luz (LED) e um fotodetector (fototransistor)
Normalmente procede-se a modulação do sinal para diminuir a influência da luz ambiente
Saída TTL 5V, relé de estado sólido, etc...
Amplificador
Demodulator
Modulator Fonte de
Sinal
Saída
Sinal Modulado
Fonte de Alimentação
Carga
Transdutores Fotoelétricos
Sensores de Proximidade Fotoelétricos
Modos de Operação
Feixe de luz passante
Longas distâncias (20m)
Alinhamento é crítico
Retro-reflexão
Distâncias de 1 a 3m
Popular e barato
Reflexão difusa
Distância de 12 a 300mm
Barato e fácil de usar
Transdutores Fotoelétricos
Sensores de Proximidade Fotoelétricos
Exemplos de Aplicação
Cortina de luz
(segurança)
Detector de Colisão
Transdutores Fotoelétricos
Fotodiodos - Exemplo de Aplicação
Codificador Ótico - Encoder
São sensores de posição
Consiste de uma lâmina de plástico ou vidro que se movimenta entre uma fonte de luz (LED) e um conjunto de fotodiodos
A lâmina é codificada (reticulada) com setores transparentes e opacos alternados, de modo que pulsos de luz são produzidos com o movimento da lâmina.
Rotativos
Transdutores Fotoelétricos
Fotodiodos - Exemplo de Aplicação
Codificador Ótico
São sensores de posição
Consiste de uma lâmina de plástico ou vidro que se movimenta entre uma fonte de luz (LED) e um conjunto de fotodiodos
A lâmina é codificada (reticulada) com setores transparentes e opacos alternados, de modo que pulsos de luz são produzidos com o movimento da lâmina.
Lineares Expostos Selados
Funcionamento do Encoder Simples
Um emissor e
um receptor
acoplados a uma
roda com rasgos
que permitem a
luz passar
Funcionamento do Encoder Incremental para detectar sentido de rotação
Permite saber o
sentido do
movimento do
disco em relação
aos sensores
Funcionamento do Encoder Absoluto
Geração de código
binário correspondente
a posição do disco em
relação aos sensores e
emissores
Transdutores Fotoelétricos
Codificadores Óticos Incrementais
Modo de Operação
• Os pulsos de luz são contados para determinar a posição
• São usados dois fotodetectores em quadratura para determinar a direção do movimento
• Um pulso de índice é utilizado para determinar a posição inicial
Transdutores Fotoelétricos
Codificadores Óticos Incremental Rotativo Detalhes Construtivos
Fonte Luminosa
Lente
Máscara
Disco com Escala
Fotosensores
Transdutores Fotoelétricos
Codificador Ótico Incremental
Sinais de Saída
Quase Senoidais
Permite Interpolação
Digitais
A2
B2p
ppI
Iarctg
360
llNP
Interpolação - Explora a característica
quase senoidal dos sinais de saída
Transdutores Fotoelétricos
Codificador Ótico Incremental
Sinais de Saída Porque Quase Senoidais ?
Máscara
po
Feixe de
Luz
Paralelo
Escala impressa
Fotosensor
p
I (p)I (p, )
TS
sobre o disco
A
A
Escala
Área efetiva de passagen de luz
Máscara
pr
po
L
Corte A-A
Imx
1
0
Gd(p)
Imx
I (p)s
p
p
pr
I (p)T
Esse é o sinal ideal da fotocorrente em
função do movimento da escala
Intensidade luminosa
ideal sobre a escala
Escala Móvel
Intens. luminosa no Fotodiodo
S( )
2n
KsAL
p
Transdutores Fotoelétricos
Codificador Ótico Incremental Sinais de Saída
Porque Quase Senoidais ?
FonteLuminosa
Lente
Convergente
MáscaraEscala
Fotosensor
Frente de onda
Difração
Interferência
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
p
I (p)T
Mas ocorre a difração da
luz no retículo da máscara
Passo 4 m ou menor
Intensidade luminosa real sobre a escala
Transdutores Fotoelétricos
Codificador Ótico Absoluto
Modo de Operação
• Fornecem um código digital único para cada posição
• O código geralmente é no formato Gray
• Os codificadores óticos absolutos são mais complexos e caros que os incrementais
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