Apostila SEN250IF sensoresVs2.5br.pdf

SSEENN225500IIFF

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Sensores - SEN250IF

Apostila sujeita a revisão

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ÍNDICE

Sensor Indutivo .................................................................................................................. - 5 - Introdução ................................................................................................................... - 5 - Circuito RL .................................................................................................................. - 6 -

CC (Corrente Contínua) ....................................................................................... - 6 - CA (Corrente Alternada) ...................................................................................... - 6 -

Sensor Indutivo ........................................................................................................... - 7 - Circuito Oscilador LC .................................................................................................. - 9 - Diagrama de Blocos de um Sensor Indutivo ............................................................... - 9 - Simbologia ................................................................................................................ - 10 - Distância de acionamento ......................................................................................... - 10 - Distância sensora (S) ................................................................................................ - 10 - Distância sensora nominal (Sn) ................................................................................ - 10 - Distância sensora real (St) ........................................................................................ - 10 - Distância sensora efetiva (Su) .................................................................................. - 11 - Distância sensora operacional (As) ........................................................................... - 11 - Material do acionador................................................................................................ - 11 - Histerese................................................................................................................... - 11 - Exemplos de Aplicação ............................................................................................. - 12 -

Sensor Capacitivo ............................................................................................................ - 13 - Introdução ................................................................................................................. - 13 - Circuito RC ............................................................................................................... - 14 -

CC (Corrente Contínua) ..................................................................................... - 14 - CA (Corrente Alternada) .................................................................................... - 15 -

Sensor Capacitivo ..................................................................................................... - 15 - Circuito Oscilador RC................................................................................................ - 16 - Diagrama de Blocos de um Sensor Capacitivo ......................................................... - 16 - Simbologia ................................................................................................................ - 17 - Distância de acionamento ......................................................................................... - 17 - Ajuste de distância .................................................................................................... - 17 - Exemplos de Aplicação ............................................................................................. - 18 -

Sensor Óptico .................................................................................................................. - 19 - Sistema por reflexão ................................................................................................. - 19 - Sistema por difusão .................................................................................................. - 19 - Sensor de Barreira .................................................................................................... - 20 - Diagrama de Blocos de um Sensor Óptico ................................................................ - 21 - Simbologia ................................................................................................................ - 21 - Exemplos de Aplicação ............................................................................................. - 22 -

Sensor de cor .................................................................................................................. - 25 -

Encoder ........................................................................................................................... - 26 - Encoder Incremental ................................................................................................. - 26 -

Sensor de pressão ........................................................................................................... - 27 -

Sensores de Temperatura ............................................................................................... - 28 - Bimetalico ................................................................................................................. - 28 -

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Pares Termoelétricos................................................................................................ - 28 - NTC e PTC ............................................................................................................... - 29 - Sensores Semicondutores ........................................................................................ - 29 -

Sensor Termohigrômetro ................................................................................................. - 31 -

Gerador de PWM ............................................................................................................ - 32 - Circuito modulador PWM .......................................................................................... - 32 -

Conversor Analógico \ Digital .......................................................................................... - 34 - Tipos de Conversores A/D ........................................................................................ - 34 -

Conversor A/D tipo rampa ................................................................................. - 34 - Comparador de tensão ...................................................................................... - 34 - Conversor A/D por aproximação sucessiva ....................................................... - 35 - Conversor A/D Comparador Paralelo ................................................................ - 36 -

Conversor Frequência \ Tensão ...................................................................................... - 37 -

Exercício 1 - Sensor indutivo ........................................................................................... - 39 -

Exercício 2 - Sensor capacitivo ....................................................................................... - 41 -

Exercício 3 - Sensor óptico difuso ................................................................................... - 43 -

Exercício 4 - Sensor óptico de barreira ............................................................................ - 45 -

Exercício 5 - Sensor óptico retro-reflexivo ....................................................................... - 47 -

Exercício 6 - Encoder angular e Motor DC ...................................................................... - 49 -

Exercício 7 - Encoder linear e Motor de passo ................................................................ - 51 -

Exercício 8 - Sensor de pressão ...................................................................................... - 53 -

Exercício 9 - Sensor de cor ............................................................................................. - 55 -

Exercício 10 - Sensores de temperatura.......................................................................... - 57 -

Manutenção dos Sensores .............................................................................................. - 59 - Cuidados de Conservação ....................................................................................... - 59 - Operação.................................................................................................................. - 60 - Proteções ................................................................................................................. - 61 -

BIBLIOGRAFIA ......................................................................................... - 62 -

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Sensor Indutivo

Introdução

Antes de analisarmos o sensor indutivo, vamos ver o funcionamento de um indutor. Os indutores são compostos de uma bobina a um núcleo de material ferromagnético.

A corrente elétrica (I) ao passar pela bobina do indutor gera um campo magnético, que passa pelo núcleo feito de material ferromagnético. Imagine a seguinte situação; uma pessoa pega uma chave de fenda a deixa-a próxima de um imã durante um certo tempo. Quando a chave de fenda é retirada do imã, ela permanece magnetizada, podendo atrair objetos metálicos (ex: parafusos, clipes).

O fato mencionado acima ocorre também nos indutores. Quando circula corrente elétrica na bobina do indutor, um campo magnético é gerado. Este campo magnético permanece ativo durante um certo tempo, mesmo que a corrente elétrica seja eliminada. Portanto, podemos dizer que o núcleo do indutor armazena campo magnético.

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Circuito RL

CC (Corrente Contínua)

Quando a fonte é ligada, a corrente do circuito vai aumentando, a quando o núcleo do indutor está magnetizado, a corrente atinge o seu valor máximo. Quando a fonte é desligada, o núcleo do indutor ainda está magnetizado, o campo magnético armazenado é convertido em corrente elétrica. A corrente elétrica vai diminuindo até chegar a zero, quando o núcleo estiver desmagnetizado.

CA (Corrente Alternada)

No circuito acima, a maior parte da tensão gerada pelo gerador fica na bobina, e a tensão do resistor é baixa. Isto ocorre porque a impedância da bobina aumenta de acordo com a freqüência do sinal. Quanto maior a freqüência, maior será a impedância, a vice-versa. Inicialmente, temos corrente elétrica fluindo em um sentido. Esta corrente irá gerar um campo magnético, a irá magnetizar o núcleo da bobina. Quando a corrente muda de sentido, o núcleo ainda está magnetizado de acordo com o sentido anterior, portanto, o campo magnético do núcleo oferecerá uma resistência à passagem da corrente elétrica neste sentido. O núcleo vai se desmagnetizando, a depois se magnetiza no sentido contrário. Quando há uma nova inversão no sentido da corrente, o processo se repete. Portanto, a impedância (resistência) do indutor depende da freqüência. Quanto maior a freqüência, maior a impedância. Podemos alterar a impedância (resistência) oferecida pelo indutor alterando o valor do indutor. Para alterar o valor do indutor podemos alterar a posição do núcleo do indutor.

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a)

b)

Na figura a), o núcleo inteiro está dentro do indutor. Neste caso, o campo magnético se fortalece, aumentando a impedância (resistência) do indutor. Na figura b), somente parte do núcleo está dentro do indutor. Neste caso, o campo magnético se enfraquece, diminuindo a impedância (resistência) do indutor. Então, a tensão do resistor aumenta.

Sensor Indutivo

O sensor indutivo é formado por um indutor, com um núcleo aberto. Esta abertura chama-se entreferro.

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Com o núcleo aberto, o campo magnético tem que passar pelo ar. Portanto a sua intensidade é menor. Quando uma peça metálica é aproximada do núcleo do indutor, o campo magnético passa pela peça, a sua intensidade aumenta. Se ligarmos este indutor em um circuito RL, trabalhando com corrente alternada (CA) poderemos verificar a variação da tensão do resistor, de acordo com a distância da peça.

Como vimos anteriormente, quando o campo magnético é mais fraco (fig. 1), a impedância (resistência) do indutor é menor. Portanto, a tensão no resistor é maior. Quando o campo magnético é mais forte (fig. 2), a impedância (resistência) do indutor é maior. Portanto, a tensão no resistor é menor. O sensor indutivo possui um circuito oscilador, baseado em um circuito LC. Quando a indutância varia, a freqüência de oscilação também varia. Então um circuito eletrônico percebe a variação da freqüência de oscilação a ativa a saída do sensor.

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Um circuito composto por somente um indutor a um capacitor é um oscilador por natureza. Este circuito só não oscila eternamente, porque existem perdas nos fios e nos próprios componentes. Para compensar estas perdas é utilizado um amplificador.

Circuito Oscilador LC

A freqüência de oscilação é dada pela seguinte fórmula: ω2 = 1/LC.

Diagrama de Blocos de um Sensor Indutivo

1. Oscilador 2. Demodulador 3. Trigger 4. Indicador 5. Saída com circuito de proteção

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Simbologia

Distância de acionamento

A distância de acionamento depende da intensidade do campo eletromagnético que depende do tamanho da bobina, portanto não se pode escolher o tamanho do sensor e a distância de acionamento ao mesmo tempo.

Distância sensora (S)

È a distância em que, aproximando-se o acionador da face sensora, o sensor muda de estado da saída.

Distância sensora nominal (Sn)

É a distância sensora teórica, a qual utiliza o alvo padrão como acionamento e não considera as variações causadas pela industrialização, temperatura de operação e tensão de alimentação. O valor em que os sensores de proximidade indutivos são especificados.

Distância sensora real (St)

Valor influenciado pela industrialização, especificado em temperatura ambiente (20°C) e tensão de operação nominal possui desvio de 20% sobre a distância sensora nominal. 0,9 Sn < = Sr < = 1.1 Sn

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Distância sensora efetiva (Su)

Valor influenciado pela temperatura de operação, e possui um desvio máximo de 10% sobre a distancia sensor real (Sr). 0,9 Sr < = Su < = 1,1 Sr, ou seja, 0,81 Sn, = Su< = 1,21 Sn

Distância sensora operacional (As)

É a distância em que seguramente pode-se operar considerando-se todas as variações de industrialização e variação de temperatura. 0 < = As , = 0,81 Sn

Material do acionador

A distância sensora nominal varia com o tipo de metal, ou seja, é especificada para o ferro ou aço e necessita ser multiplicada por um fator de correção para outros materiais.

Material Fator

Aço Inox 0,85

Latão 0,50

Alumínio 0,40

Cobre 0,30

Histerese

É a característica do efeito existente entre o acionamento de desacionamento do sensor quando o alvo metálico se se aproxima da face sensora e se afasta da face sensora. Este efeito é expresso em porcentagem da distância sensora (exemplo = 3%). É importante que exista a histerese entre o ponto de acionamento e desacionamento do sensor para que no caso de uma possível vibração do sensor ocasione uma oscilação na saída do acionador.

(%)100xSn

DaDdhisterese

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Onde; Da = distância em que o sensor é acionado Dd = distância em que o sensor desaciona

Exemplos de Aplicação

Verificar se um cilindro atingiu a posição desejada.

Detecção de pallets em uma esteira.

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Sensor Capacitivo

Introdução

Antes de vermos o sensor capacitivo, vamos analisar o funcionamento de um capacitor.

O capacitor é um componente eletrônico capaz de armazenar cargas elétricas. Ele é composto de 2 (duas) placas metálicas isoladas eletricamente, a um material com uma determinada constante

dielétrica (). A capacidade do capacitor de armazenar cargas elétricas é chamada de capacitância.

A capacitância depende da área das placas, da distância entre elas, e do material dielétrico.

Área maior - capacitância maior

Área menor - capacitância menor

Distância maior - menor capacitância Distância menor - maior capacitância

Constante dielétrica maior - capacitância maior

Constante dielétrica menor - capacitância menor

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εr (Constante dielétrica)

Ar, Vácuo 1 Álcool 25,8 Madeira 2 ... 7 Celulose 3 Água 80 Mica 6 Mármore 8 Papel 2,3 Papel (forte) 4,5 Parafina 2,2 Petróleo 2,2 Polietileno 2,3 Polipropileno 2,3 Poliestireno 3 Porcelana 4,4 Areia de quartzo 4,5 Teflon 2 Vidro 5 Vidro quartzo 3,7

Circuito RC

CC (Corrente Contínua)

Em um circuito RC trabalhando com corrente contínua o valor da corrente inicialmente é alto, a vai diminuindo com o tempo até chegar a zero. O valor do resistor vai determinar o tempo de carga do capacitor. A corrente chega a zero, porque quando o capacitor se carrega não há mais espaço para armazenar cargas. Portanto, para corrente contínua a impedância (resistência) oferecida pelo capacitor é alta.

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CA (Corrente Alternada)

Em um circuito RC trabalhando com corrente alternada o valor da corrente é proporcional ao sinal de tensão gerado pelo gerador CA. A impedância (resistência) oferecida pelo capacitor será menor quanto maior for a freqüência do gerador. Em um circuito RC trabalhando com corrente alternada (CA), se variarmos o valor da capacitância, a tensão no resistor (R) também variará. Este é o princípio de funcionamento do sensor capacitivo.

Sensor Capacitivo

Como vimos anteriormente, o capacitor é formado por 2 (duas) placas a um material dielétrico. No sensor capacitivo, as 2 (duas) placas são colocadas uma ao lado da outra conforme esquema abaixo.

No sensor capacitivo, o material dielétrico é o ar. O ar possui constante dielétrica = 1, portanto, o valor da capacitância é muito baixo. Quando algum objeto, que normalmente possui constante dielétrica maior que 1, é aproximado do sensor capacitivo, o campo magnético gerado pela atração entre as cargas passa por este objeto, e a capacitância aumenta.

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O sensor capacitivo possui um circuito oscilador, baseado em um circuito RC. Quando a capacitância varia, a freqüência de oscilação também varia. Então um circuito eletrônico percebe a variação da freqüência de oscilação a ativa a saída do sensor.

Circuito Oscilador RC

Para R1 = R2 = R e C1 = C2 = C, a freqüência de oscilação é: ω = 1/RC.

Diagrama de Blocos de um Sensor Capacitivo

1. Oscilador 2. Demodulador 3. Trigger 4. Indicador 5. Saída com circuito de proteção

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Simbologia

Distância de acionamento

Posicionando-se o capacitor do oscilador na parte frontal do sensor tem-se a formação de face sensora que é a principal área de região sensora (região que se torna sensível a penetração de materiais).

Ajuste de distância

Devido a grande variação de distância sensora para os vários tipos de materiais, os sensores estão providos de um ajuste de sensibilidade, o que permite detectar certos materiais por meios de outros. Por exemplo, pode-se detectar água dentro de um tubo de PVC etc.

Ob: Não foi possível detectar nenhum material no seu interior através de uma superfície metálica.

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Verificar a presença de peças.

Detecção do nível de fluído de um reservatório.

Contagem de peças.

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Sensor Óptico

Os sensores ópticos detectam quase todos os materiais comparando-se com os indutivos e capacitivos, apresentando uma distância de operação maior. O transmissor é composto de um diodo emissor de luz infravermelha (invisível) que transmite “flash” em uma determinada freqüência. O receptor é composto por um foto-transistor, sensível à luz infravermelha, que em conjunto com um filtro só recebe sinais na freqüência dos “flashs”, tomando assim a recepção imune a iluminação ambiente.

O sinal é detectado pelo foto-transistor e selecionado por um filtro passa faixa. Após a seleção do sinal pelo filtro é convertido em tensão DC e passa por um comparador acionando a saída. O sistema de transmissão e recepção de luz infravermelha pode ser aplicado das seguintes maneiras;

Sistema por reflexão

Neste sistema o transmissor e o receptor estão na mesma unidade. O feixe de luz é enviado ao receptor somente por intermédio de um espelho prismático, onde o acionamento ocorre quando o objeto interrompe o feixe de luz.

Reflexão é a distância entre o sensor e o espelho prismático. Esta distância é normalmente definida para um determinado tamanho de espelho, quanto maior o espelho maior a distância de funcionamento.

Sistema por difusão

Também o transistor e o receptor estão no mesmo invólucro, sendo que o acionamento ocorre quando o objeto aproxima-se da região de sensibilidade, refletindo para o receptor o feixe de luz recebido do transmissor.

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A distância sensora é definida diretamente para cada um dos modos de construção.

A distância para os modelos de difusão são referenciados a um padrão, normalmente o papel cartão (kodak gray card) com dimensão de 100x100mm, 90% de refletividade. Como regularmente a lei da reflexão de luz, a distância de funcionamento deste modelo varia de acordo com a cor, rugosidade, dimensões e formas dos objetos detectados. A tabela mostra os fatores de correção para distância sensora de acordo com os tipos de materiais detectados.

MATERIAL FATOR

Papel branco 1

Metal polido 1,2...1,8

Pano branco 0,6

Papelão 0,5

Sensor de Barreira

O sensor de barreira é semelhante ao reflexivo. A diferença é que o transmissor e receptor estão separados entre si.

O transmissor e o receptor estão em unidades distintas e devem ser dispostos um em frente ao outro de modo que o receptor possa constantemente receber a luz do transmissor. O acionamento da saída ocorrerá quando o objeto interromper a recepção da luz.

Barreira é a distância entre o transmissor e o receptor. Existem modelos de sensor óptico de barreira para até 100m.

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O transmissor e o receptor podem se alimentados por fontes distintas.

Diagrama de Blocos de um Sensor Óptico

1. Oscilador 2. Emissor 3. Receptor 4. Pré-amplificador 5. Operação lógica ("E") 6. Conversor pulso/nível 7. Indicador 8. Saída com circuito de proteção

Simbologia

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Contagem de caixas em uma esteira.

Prevenção de acidentes em uma célula de produção.

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Seleção de peças.

Identificação do perfIl de uma peça.

Identificar o sentido de movimento de uma peça.

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Medir a velocidade de um motor.

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Sensor de cor

O sensor de cor tem a função de detectar a cor de objetos a uma distância pré-determinada, e consiste em uma aplicação específica de um sensor ópticos. Geralmente é formado por um transmissor constituído de 3 LED’s nas cores vermelha, verde e azul e um receptor a fototransistor.

Os sensores de cor utilizam um princípio básico de detecção, similar aos sensores ópticos comuns: sistema por difusão.

O acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado entra na região de sensibilidade e reflete para o receptor (fototransistor) o feixe de luz emitido pelo transmissor envia sinal à saída, conforme seu tipo: - Sensor Digital O sensor de cor calcula as coordenadas de cromaticidade da radiação refletida e as compara com o valor de referência previamente armazenado. Se o valor estiver dentro da faixa de tolerância determinada, é ativado um chaveamento de saída (transistor, relé ou tiristor). - Sensor Analógico Possui 3 sinais analógicos de saída 0 a 10V. Cada saída corresponde a uma cor RGB (Red, Green, Blue). Se por exemplo um objeto é vermelho, a saída R terá o valor de tensão mais alto, enquanto as saídas G e B terão valores mais baixos. Também há uma quarta saída 0 a 10V, que se refere ao brilho. Por exemplo, a cor verde clara terá mais brilho (tensão mais alta), enquanto o verde escuro terá menos brilho (tensão mais baixa). O tipo de material que o objeto é construído e a sua cor influenciam na distância sensora operacional do sensor. Mas, via de regra, quanto mais perto o objeto estiver do sensor, mais preciso será o valor medido.

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Encoder

O encoder é um transdutor que converte movimento em pulsos digitais. O sistema de leitura é baseado em um disco (encoder rotativo) ou fita (encoder linear), formado por espaços alternando entre transparentes e opacos. Este é iluminado perpendicularmente por uma fonte de luz infravermelha e, quando há espaços transparentes, a luz chega no receptor; quando há espaços opacos, a luz não chega no receptor. O receptor converte a luz em pulsos elétricos.

Princípio de funcionamento de um encoder linear.

Princípio de funcionamento de um encoder rotativo.

Encoder Incremental

O encoder incremental fornece dois pulsos quadrados defasados 90º entre si (canal A e canal B). A leitura de somente um canal fornece apenas a velocidade, enquanto que a leitura dos dois canais fornece também o sentido do movimento. Um outro sinal chamado de Z ou zero também está disponível e ele dá a posição absoluta "zero" do

encoder.

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Sentido de rotação horário

A

B

Z

Representação gráfica dos sinais A, B e Z de um encoder incremental.

A resolução do encoder incremental é dada pelo número de pulsos por volta (no caso dos encoders rotativos). Para determinar a resolução em graus mecânicos, basta dividir o número de pulsos por 360º, por exemplo, um encoder fornecendo 1024 pulsos, geraria um pulso elétrico a cada 0,35º mecânicos.

A precisão do encoder incremental depende de fatores mecânicos, elétricos e ambientais, que são: erros na escala das janelas do disco, excentricidade do disco, excentricidade das janelas, erro introduzido na leitura eletrônica dos sinais, temperatura de operação e nos próprios componentes transmissores e receptores de luz. Também há disponível nos encoders incrementais sinais complementares de A, B e Z, sendo eles: Ā, B e Z.

Sensor de pressão

Atualmente existem diversos tipos de instrumentos para medição não invasiva da pressão arterial humana, também conhecidos como Esfigmomanômetros. O mais comum de se ver é o esfigmomanômetro mecânico aneróide, que funciona por elasticidade de lâminas metálicas.

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Sensores de Temperatura

Os sensores de temperatura podem ser divididos em: - Bimetalico - Pares termoelétricos - NTCs e PTCs - Sensores semicondutores

Bimetalico

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.

Basta então dotar essas lâminas de contatos para que, ao haver o aquecimento, o movimento se encarregue de abrir ou fechar o circuito. 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

Os pares termoelétricos têm a capacidade de operar com temperaturas muito altas, linearidade e precisas, e são os sensores mais utilizados no sensoriamento de temperaturas muito altas, que podem chegar a centenas de graus, como em fornos, por exemplo.

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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.

NTC e PTC

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

Os sensores NTC e PTC trabalham numa faixa temperaturas que vai de valores negativos até aproximadamente 125ºC, e são utilizados como sensores em uma grande quantidade de aplicações, devido a facilidade de utilização e baixo custo.

Sensores Semicondutores

Considerando o fato de que um aumento de temperatura libera maior quantidade de portadores de carga numa junção semicondutora, podemos usar qualquer dispositivo dotado de junções como um sensor de temperatura, com linearidade relativamente boa e ampla faixa de temperaturas. Em outras palavras, a corrente de fuga do diodo depende da temperatura. A situação mais utilizada é a de se usar um diodo comum polarizado no sentido inverso:

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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.

Sensor de temperatura com o LM335

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Sensor Termohigrômetro

O Sensor Termohigrômetro é um instrumento que permite obter diretamente a temperatura e a Umidade Relativa do ar, através de dois sensores conjugados. Ele mede a umidade relativa e temperatura, através de um sensor Pt100 ou uma sonda combinada com termopar de umidade/temperatura. A temperatura somente pode ser medida através de sondas de imersão, penetração ou contato. O conjunto sensor deve ser protegido por um abrigo meteorológico, que evita a exposição direta dos elementos sensores aos raios solares e à chuva, além de garantir a livre circulação do ar permitindo um equilíbrio com a atmosfera a sua volta. Suas unidades de medida são: Temperatura: ºC (Celsius) Umidade Relativa: % (Porcentagem) A medição poderá sofrer alterações em caso de:

fortes fontes industriais de calor;

proximidade à coberturas (ou telhados);

lugares íngremes ou abrigados;

vegetação alta ou ocorrência de aglomerações;

locais mal drenados.

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Gerador de PWM

O sistema de modulação por largura de pulso (MLP) é conhecido por PWM (pulse width modulation) ou PDM (Pulse Duration Modulation). Este sistema de modulação consiste nas variações de amostragem dos pulsos que ocorrem na largura, cuja duração depende diretamente na proporção da amplitude do sinal de amostragem. A modulação por largura de pulso pode ser feita de três formas distintas;

Modulação por desvio de borda direita

Modulação por desvio de borda esquerda

Modulação por desvio simétrico A modulação consiste em somar à função uma onda dente de serra (bordo único) ou triangular (bordo simétrico). Na figura a seguir está mostrado um gráfico do tipo de modulação.

A largura máxima do pulso não deveria ser limitada para ultrapassar o limite do pulso vizinho, quando as variáveis em questão são multiplexadas.

Circuito modulador PWM

Basicamente a modulação por largura de pulso consiste em somar a função uma onda triangular ou dente de serra de borda única a uma onda modulante e resultar numa onda quadrada relativa a sua soma. A figura a seguir mostra um sinal modulante sendo somado com o sinal dente de serra (bordo esquerdo).

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Não tendo um sinal de informação “somado” com a tensão Vdc, pode-se obter a modulação da largura do pulso por meio de ajuste desta tensão de referência (trigger).

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Conversor Analógico \ Digital

O conversor de sinais analógicos para sinais digitais (A/D ou ADC) são dispositivos que convertem um sinal analógico num sinal digital equivalente. Por exemplo, um conversor A/D de 10 bits, com um sinal de entrada analógica de 0V a 10V pode assumir os valores binários de 0 (0000000000) a 1023 (1111111111), ou seja, é capaz de capturar 1024 níveis discretos de um determinado sinal. Se o sinal de entrada do suposto conversor A/D estiver em 5V, por exemplo, o valor binário gerado será 512.

Tipos de Conversores A/D

Conversor A/D tipo rampa

Funcionamento: Um sinal de clear para resetar o contador. Ve é a tensão analógica de entrada. Se Ve > Vr (no início Vr=0) o clock é habilitado para o contador (saída do comparador é positivo). A saída do contador passa por um conversor D/A para gerar a tensão de referência (Vr). Se Vr < Ve o contador é incrementado. Se Vr > Ve, o clock é desabilitado (saída do comparador é zero) ao mesmo tempo que é fornecido um sinal de clock para os FF-tipo D (sensíveis à borda de descida do controle clock) que armazenam a saída do contador, que é o valor binário proporcional à entrada analógica.

Comparador de tensão

Nesta configuração o amplificador satura para Vcc ou para 0 V.

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Conversor A/D por aproximação sucessiva

Funcionamento: O sistema é zerado e o bit mais significativo do registrador é colocado em 1. O conversor D/A converte os dígitos binários gerando a tensão Vr para o comparador. No comparador: se Ve > Vr este dígito é deixado em 1; se Vr < Ve este dígito é zerado. O bit mais significativo seguinte é colocando em 1. O processo continua voltando ao passo 2 até o último bit ser verificado. A vantagem deste sistema está na velocidade de conversão sendo necessário para um sistema de N bits o tempo de N períodos de clock.

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Conversor A/D Comparador Paralelo

Funcionamento: O sinal analógico é aplicado simultaneamente nos comparadores, os quais possuem em sua entrada negativa uma tensão de referência igualmente espaçada. Para 2 bits, teremos 3 comparadores (1/4 Vref, 2/4 Vref e 3/4 Vref). Se o sinal da entrada analógica excede a tensão de referência para qualquer comparador, este fornecerá em sua saída um nível lógico alto. No caso anterior de 2 bits, poderemos ter:

Tensão de entrada analógica

Saída do Comparador

Vs (1/4 Vref) Vs (2/4 Vref) Vs (3/4 Vref)

0 a Vref/4 0 0 0

de Vref/4 a 2/4Vref 1 0 0

de 2/4 Vref a 3/4 Vref 1 1 0

de 3/4 Vref a Vref 1 1 1

A saída do comparador é ligada a um codificador para transformar essa saída nos dígitos binários correspondentes.

Tem como vantagem a velocidade de conversão extremamente rápida, mas é expressivamente caro por necessitar de 2N-1 comparadores para converter N bits.

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Conversor Frequência \ Tensão

O circuito conversor de frequência para tensão pode ser utilizado para demodular um sinal de FM de um sistema qualquer. Pode ser utilizado em instrumentação com frequêncimetro analógico de baixa frequência e em outras aplicações tais como em VCO etc. Na figura a seguir está ilustrado um circuito típico de um conversor de frequência para tensão utilizando um circuito integrado LM131.

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Exercício 1 - Sensor indutivo

Objetivos:

- Familiarizar com tipo de sensores; - Verificar o funcionamento de sensor eletromagnético (indutivo). Material utilizado

- Conjunto didático de sensores (Bit9); - Cabinhos de conexão; - Chapinhas metálica e plástica. Parte experimental

1 – Alimente o módulo "Sensores Digitais" conforme ilustrado abaixo.

2 – Energize o equipamento. 3 – Pegue uma chapinha metálica e aproxime na parte sensora do dispositivo. O que aconteceu com o sensor indutivo? ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................

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4 – Observar o indicador de funcionamento do sensor (LED) localizado na parte posterior do sensor.

Dependendo do tipo de sensor, o LED aceso pode indicar a tensão de saída: Zero volt ou a tensão VCC. 5 – Pegue uma chapinha plástica e aproxime na parte sensora do dispositivo. O que aconteceu com o sensor indutivo? ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 6 – Descreva um exemplo de aplicação industrial do sensor indutivo. ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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Exercício 2 - Sensor capacitivo

Objetivos:

- Familiarizar com tipo de sensores; - Verificar o funcionamento de sensor capacitivo. Material utilizado

- Conjunto didático de sensores (Bit9); - Cabinhos de conexão; - Chapinhas metálica e plástica. Parte experimental


2 – Energize o equipamento. 3 – Pegue uma chapinha metálica e aproxime na parte sensora do dispositivo. O que aconteceu com o sensor capacitivo? ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................

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Dependendo do tipo de sensor, o LED aceso pode indicar a tensão de saída: Zero volt ou a tensão VCC. 5 – Pegue uma chapinha plástica e aproxime na parte sensora do dispositivo. O que aconteceu com o sensor capacitivo? ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 6 – Descreva um exemplo de aplicação industrial do sensor capacitivo. ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 7 – Qual a principal diferença entre o sensor indutivo e o sensor capacitivo? .................................................................................................................................................................. ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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Exercício 3 - Sensor óptico difuso

Objetivos:

- Familiarizar com sensores fotoelétricos; - Observar o funcionamento de um sensor fotoelétrico por difusão; Material utilizado

- Conjunto didático de sensores (Bit9); - Cabinhos de conexão; - Chapinhas metálica e plástica (opcionais: papel, papelão, tecido). Parte experimental


2 – Energize o equipamento. 3 – Pegue uma chapinha metálica e aproxime na parte sensora do dispositivo. O que aconteceu com o sensor óptico difuso? ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................

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Dependendo do tipo de sensor, o LED aceso pode indicar a tensão de saída: Zero volt ou a tensão VCC. 5 – Pegue uma chapinha plástica e aproxime na parte sensora do dispositivo. O que aconteceu com o sensor óptico difuso? ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 6 – O sensor óptico difuso funciona melhor quando o material é de superfície brilhante (não opaca). Pegue uma chapinha com superfície brilhante/esmaltada e aproxime na parte sensora do dispositivo. Vá afastando a chapinha até a distância máxima que o sensor continue acionado. Marque essa distância. Pegue um material com superfície opaca (ex. tecido) e coloque na distancia marcada anteriormente. Anote sua conclusão. ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 7 – Descreva um exemplo de aplicação industrial do sensor óptico difuso. ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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Exercício 4 - Sensor óptico de barreira

Objetivos:

- Familiarizar com tipo de sensores; - Verificar o funcionamento de sensor fotoelétrico por sistema de barreira. Material utilizado

- Conjunto didático de sensores (Bit9); - Cabinhos de conexão; - Chapinhas metálica e plástica (opcionais: papel, papelão, tecido). Parte experimental


2 – Energize o equipamento. 3 – Pegue uma chapa metálica e aproxime na entre o transmissor e o receptor. O que aconteceu com o sensor óptico de barreira? ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................

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Dependendo do tipo de sensor, o LED aceso pode indicar a tensão de saída: Zero volt ou a tensão VCC. 5 – Pegue uma chapa plástica e aproxime entre o transmissor e o receptor. O que aconteceu com o sensor óptico de barreira? ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 6 – O sensor óptico de barreira tem seu funcionamento garantido se for interrompido todo o feixe de luz emitido pelo transmissor: Pegue um material pequeno e posicione entre o transmissor e o receptor. Pegue um material com superfície grande e posicione entre o transmissor e o receptor. Anote o resultado obtido para as duas condições. ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 7 – Descreva um exemplo de aplicação industrial do sensor óptico de barreira. ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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Exercício 5 - Sensor óptico retro-reflexivo

Objetivos:

- Familiarizar com tipo de sensores; - Verificar o funcionamento de sensor fotoelétrico por sistema por reflexão. Material utilizado

- Conjunto didático de sensores (Bit9); - Cabinhos de conexão; - Chapinhas metálica e plástica (opcional: papel, papelão, etc); - Espelho reflexivo. Parte experimental


2 – Energize o equipamento. Posicione o espelho reflexivo até que o led do sensor permaneça aceso. 3 – Pegue uma chapa metálica e aproxime na entre o transmissor e o espelho. O que aconteceu com o sensor óptico retro-reflexivo? ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................

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Dependendo do tipo de sensor, o LED aceso pode indicar a tensão de saída: Zero volt ou a tensão VCC. 5 – Pegue uma chapa plástica e aproxime entre o transmissor e o espelho. O que aconteceu com o sensor óptico retro-reflexivo? ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 6 – O que acontece com o sensor se o espelho reflexivo não estiver bem posicionado? ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 7 – Descreva um exemplo de aplicação industrial do sensor óptico retro-reflexivo. ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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Exercício 6 - Encoder angular e Motor DC

Objetivos:

- Familiarizar com os tipos de encoder; - Verificar o funcionamento de um encoder rotativo acoplado a um motor DC. Material utilizado

- Conjunto didático de sensores (Bit9); - Osciloscópio de duplo traço; - Multímetro digital; - Cabinhos de conexão; Parte experimental

1 – Alimente o módulo de encoder/motores conforme ilustrado abaixo.

Notas:

O motor DC pode ser alimentado com até 24Vcc. Para inverter o sentido de rotação do motor DC, inverta a polaridade dos fios.

2 – Energize o equipamento.

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3 – Varie o potenciômetro da fonte ajustável e observe o comportamento do motor DC. Anote suas observações. ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... 4 – Com o potenciômetro da fonte ajustado para o valor máximo, conecte o osciloscópio nas saídas A e B do encoder angular. Desenhe as formas de onda.

(A) (B)

t(ms) t(ms)

5 – Que característica pode-se observar nas formas de onda acima? Explique. ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... 6 – Cite um exemplo de aplicação industrial do encoder angular rotativo. ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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Exercício 7 - Encoder linear e Motor de passo

Objetivos:

- Familiarizar com os tipos de encoder; - Verificar o funcionamento de um encoder linear acoplado a um motor de passo. Material utilizado

- Conjunto didático de sensores (Bit9); - Osciloscópio de duplo traço; - Multímetro digital; - Cabinhos de conexão; Parte experimental

1 – Alimente o módulo de encoder/motores conforme ilustrado abaixo.

Notas:

O driver para acionamento do motor de passo já está incorporado no módulo. Para girar o motor, injetar pulsos de +24V na frequência desejada e em sequência nos bornes: A-C-B-D para sentido horário, e D-B-C-A para sentido anti-horário. Cuidado! O curso do encoder linear é pequeno. Não gire o motor de passo além do que é permitido para não danificar o módulo.

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2 – Energize o equipamento. 3 – Acione o motor de passo externamente (via CLP, microcontrolador, etc) na sequência A-C-B-D para girar no sentido horário.

Nota: Também é possível girar manualmente, somente para visualizar o funcionamento do encoder linear.

4 – Conecte o osciloscópio na saída do encoder linear. Desenhe a forma de onda.

(A)

t(ms)

5 – Que característica pode-se observar na forma de onda acima? Explique. ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... 6 – Cite um exemplo de aplicação industrial do encoder linear. ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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Exercício 8 - Sensor de pressão

Objetivos:

- Verificar o funcionamento de um sensor de pressão tipo esfigmomanômetro. Material utilizado - Conjunto didático de sensores (Bit9); - Multímetro digital; - Cabinhos de conexão; Parte experimental 1 – Alimente o módulo do sensor de pressão conforme ilustrado abaixo.

2 – Energize o equipamento. 3 – Aperte a válvula (pêra) para produzir pressão. Observe o manômetro.

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4 – Conecte o multímetro na saída do sensor de pressão e preencha a tabela abaixo:

Indicação do Manômetro (mmHg)

Tensão medida (V)

40

80

120

160

200

240

300

5 – Podemos dizer que o este sensor de pressão tem medição linear? .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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Exercício 9 - Sensor de cor

Objetivos:

- Verificar o funcionamento do sensor de cor. Material utilizado - Conjunto didático de sensores (Bit9); - Multímetro digital; - Cabinhos de conexão; - Objetos coloridos. Parte experimental

1 – Alimente o módulo de Sensores Analógicos conforme ilustrado abaixo.

2 – Energize o equipamento. 3 – Encoste um objeto sólido branco na face sensora do sensor de cor. Meça as tensões nos bornes

Vermelho (R), Verde (G) e Azul (B) do sensor de cor.

VR = ____________ V VG = _____________ V VB = ____________ V

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4 – Encoste um objeto sólido preto na face sensora do sensor de cor. Meça as tensões nos bornes

Vermelho (R), Verde (G) e Azul (B) do sensor de cor.

VR = ____________ V VG = _____________ V VB = ____________ V 5 – Encoste um objeto sólido azul na face sensora do sensor de cor. Qual das tensões está maior?

.......................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................... 6 – Encoste um objeto sólido verde na face sensora do sensor de cor. Qual das tensões está maior?

.......................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................... 7 – Encoste um objeto sólido vermelho na face sensora do sensor de cor. Qual das tensões está

maior? ....................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................

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Exercício 10 - Sensores de temperatura

Objetivos:

- Verificar o funcionamento dos sensores de temperatura: PT100, e termopares tipo J e K. Material utilizado - Conjunto didático de sensores (Bit9); - Multímetro digital; - Cabinhos de conexão; - Isqueiro ou vela. Parte experimental

1 – Faça as ligações conforme ilustrado abaixo.

2 – Energize o equipamento. Aguarde alguns minutos para que a resistência de aquecimento (localizada dentro do bloco de alumínio) comece a esquentar. 3 – Observe os valores das temperaturas dos três sensores no Indicador Universal. Comente: .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................

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4 – Opcionalmente, pode-se utilizar um isqueiro ou chama de vela para aumentar a temperatura, e água para diminuí-la. Qual o comportamento dos sensores? ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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Manutenção dos Sensores

Cuidados de Conservação

Não conecte os sensores de corrente contínua em corrente alternada;

Evite puxar ou submeter os cabos de conexão dos sensores a qualquer ajuste ou esforço mecânico;

Evite que o cabo oscile junto à saída do corpo do sensor, pois assim esse pode se danificar. Nesse caso, fixe o cabo junto ao corpo do sensor para que o mesmo somente oscile em outros pontos;

Evite que os sensores sofram choques indevidos ou do próprio acionador;

Evite apertos excessivos das porcas de fixação, para que o corpo do sensor não seja danificado;

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Evite que os sensores tenham contato com produtos químicos como álcali ou ácidos;

Os sensores devem estar o mais possível livres de poeira, cavacos, fumaça e outros poluentes;

Os terminais metálicos dos fios, cabos ou conectores de ligação entre os módulos devem estar livres de oxidação;

Evite submeter os sensores a condições ambientais como luz solar, chuva e temperaturas elevadas.

Operação

Primeiramente, deve-se observar a compatibilidade dos sensores, verificando a máxima potência requerida pela carga a ser acionada, garantindo que não exceda a capacidade de potência máxima de cada sensor. Deve-se observar que a corrente máxima seja respeitada para garantir o perfeito funcionamento dos sensores (levar em conta a queda de tensão provocada no LED indicador).

Configuração: PNP (carga comum ao negativo)

Alimentação: 10 a 30 Vdc

Histerese: 15%

Corrente saída: 200mA (max)

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Codificação das cores dos fios para sensores de 3 terminais (PNP)

Marrom ou Vermelho Positivo

Azul Negativo

Preto ou Verde Carga

Proteções

Os sensores possuem proteções incorporadas para garantir um bom funcionamento mesmo em situações críticas pontuais. Também possuem leds indicadores de estado (exceto o sensor tipo fim-de-curso). Proteção Contra Inversão de Polaridade

Garante que não ocorrerão danos ao sensor em virtude de uma acidental inversão de polaridade dos fios de alimentação. Proteção Contra Picos de Tensão É uma importante proteção, pois a mesma suprime os picos de tensão diretos ou reversos causados por cargas indutivas, protegendo o circuito de comutação (transistor ou tiristor).

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BIBLIOGRAFIA

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Sistemas e Componentes Hidráulicos e Pneumáticos: Símbolos Gráficos e Diagramas de Circuitos. Rio de Janeiro, 1987 – 2000. SENSOR BRAS. Sensores de Proximidade Indutivos: Proteção e Cuidados na Instalação. SICK SENSORES. Sensores Industriais/Sensor de Cor: http://www.mysick.com

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Apostila SEN250IF sensoresVs2.5br.pdf