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Sensores de posição

Grande variedade de esquemas podem ser utilizados para medições de deslocamento linear. Por exemplo métodos baseados na variação da indutância de uma bobina ou na mútua indutância entre duas bobinas.

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O LVDT ou Linear variable differencial transformer é o sensor indutivo mais utilizado para medições de deslocamento. Apresenta uma grande variação do nível de saída para uma pequena variação da posição do núcleo. Consiste de três bobinas, um primário e dois secundários idênticos enrolados em um suporte cilíndrico oco de material não magnético e isolante.

Transformador diferencial - LVDT

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Transformador diferencial - LVDT

Os dois enrolamentos são colocados em série mas com oposição de polaridade das bobinas. Quando na posição central as duas tensões induzidas se cancelam resultando numa saída nula. Quando o núcleo se desloca em direção ao secundário 1 a saída do secundário 2 decai e a do secundário 1 aumenta. O sinal de saída está em fase com a tensão de excitação do primário.Um deslocamento em direção ao secundário 2, faz com que o sinal de saída fique defasado de 180º em relação ao primário. A mudança de fase permite determinar o sentido do deslocamento.

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Transformador diferencial - LVDTCaracterísticas:Sensibilidade: Típicas de 0,5 a 2,0 mV / 0,001 cm de deslocamento por Volt de excitação. Também pode ser 50 –200 mV / mm / Volt de excitação.A tensão de saída depende também da resistência de carga e da freqüência de excitação.É projetado para a faixa de 50 Hz a 25 K Hz, a fidelidade a movimentos rápidos requer uma freqüência 10 vezes maior que a maior freqüência a ser medida.

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Inductosyn

O Inductosyn é um sensor incremental de deslocamento a interpolação, e se baseia no princípio da indução. Apresenta uma forma de regua, que se desloca por intermédio de m cursor. A régua é recoberta com um enrolamento chato com passo “p”.

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Inductosyn

O cursor compreende dois enrolamentos chatos de mesmo passo, defasados entre si de uma distância igual a p(n+1/4) com “n” inteiro.

O enrolamento da régua é alimentado por uma corrente alternada Ia de freqüência W.

A tensão V1 induzida na primeira bobina do cursor tem a forma: V1=V.cos(2πx/p) . cos WtSendo x a posição dentro de um passo.

Como V2 é defasada de ¼ de período em relação a V1 a tensão de saída correspondente é: V2=V.sen.(2πx/p).cos Wt

Pode-se interpolar a posição dentro de um passo a partir das amplitudes: V.cos.(2 πx/p) e V.sen.(2πx/p).

A posição em relação a origem é calculada adicionando-se a fração aos passos já percorridos.

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Inductosyn

O número de passos já percorrido pode ser obtido pela contagem das passagens por zero de V1 e V2.

Como as bobinas estão defasadas de ¼ de passo é possível determinar o sentido de deslocamento pela análise do estado atual e o próximo estado.

Na prática os circuitos são habitualmente alimentados por uma freqüência de 400 Hz e o passo é da ordem de 2mm.

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Detector de proximidade

São detectores conhecidos por fornecer um sinal de saída do tipo “on-off” (tudo ou nada), que se caracteriza pela presença de um objeto no seu raio de ação.

Quando o material do objeto a ser detectado éferromagnético, pode ser utilizado um detector a relutância variável.

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Detector de proximidade

Quando a peça é condutora mas não é magnética, pode-se utilizar um detector de proximidade indutivo baseado em correntes de Foucault. Os detectores indutivos são pouco precisos, sendo mais utilizados para indicar um objeto metálico no seu raio de ação.

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Sensores resistivos

Uma das formas mais simples e eficientes de transdutores de deslocamento.

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Sensores resistivos

O movimento do cursor pode ser translacional (linear) ou rotacional (angular);

Unidades comerciais translacionais disponíveis têm fundo de escala de 0,2 a 150 cm. Para tipos rotacionais de 10 º de arco até 50 voltas;

Antigamente os transdutores eram feitos de fio enrolado. Hoje em dia a ciência dos materiais conseguiu transdutores melhores que os de fio. Sendo os materiais mais usados o “Cermet” (cerâmica –metal) e o plástico condutor resistivo.

Os trandutores potenciométricos de fio são limitados pelo menor tamanho do fio utilizável, ao limite prático de 500 voltas por cm, obtendo-se uma resolução de 20 µ m.

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Sensores ópticos

O deslocamento é um dos poucos fenômenos que podem ser traduzidos em uma saída digital, sem o uso de conversores A/D.Tipos: a) Sensores digitais incrementais: medem o deslocamento a partir de um ponto inicial de partida. O nome usado Encolder incremental.

b) Sensores digitais absolutos: medem o deslocamento em relação a um ponto de referência interno fixo. Esse tipo de sensor apresenta o deslocamento em incrementos codificados discretamente. São conhecidos como encolders.

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Sensores ópticos

A natureza dos setores e o tipo de dispositivo leitor, depende do tipo de transdutor utilizado;

Com um deslocamento óptico incremental de uma pista é impossível distinguir o sentido de rotação. Essa dificuldade pode ser superada se forem usadas duas pistas, cada uma defasada de ¼de período.

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Sensores ópticos

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Sensores ópticos

Sensores ópticos absolutos: Possuem o mesmo princípio de operação que os sensores incrementais, exceto que possuem quatro ou mais pistas. Os setores são arranjados de tal maneira que um código binário único seja produzido de acordo com a posição.Tipos de códigos utilizados: Binário natural mais simples, requer pistas adicionais para detectar erros. Desvantagem que dois ou mais bits podem mudar simultaneamente.Código Gray Apenas um bit muda de cada vez. Isso traz menor margem de erro causado por imperfeições de alinhamento dos circuitos de leitura.

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Sensores de velocidade e aceleração A princípio é possível determinar a velocidade instantânea e a aceleração pela diferenciação eletrônica do sinal de saída de um sensor de deslocamento. A derivada primeira dá a velocidade v=dx/dt e a derivada segunda a aceleração w=dθ/dt .

Somente a derivada primeira pode ser obtida com razoável precisão devido a não linearidades, erros de medições e ruídos de alta freqüência.

O processo inverso permite obter a velocidade e o deslocamento a partir da aceleração. Uma vez que a integração envolve uma atenuação nas variáveis randômicas, esse método fornece a velocidade instantânea, e o deslocamento relativo livre de sinais espúrios.

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Sensores de velocidade e aceleração Erros na

medição da aceleração produzem erros de posição acumulativos no tempo.

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Dínamo taquimétrico

Sensor de velocidade de concepção antiga, mas robusto, barato e bastante sensível. É baseado no motor de corrente contínua com escovas funcionando como gerador.

O estator produz uma f.e.m. Vc dada pela relação:Vc=Kc.φ Ω

Kc = constante de proporcionalidade;φ = fluxo magnético;Ω= velocidade angular.

A saída é ligeiramente não linear devido a queda de tensão no circuito e pela reação do induzido, devido a circulação de corrente entre induzido e carga externa.

A tensão de saída depende da temperatura. O coeficiente éde 0,02 a 0,05 % por ºC.

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Dínamo taquimétrico

A sensibilidade é da ordem de 30 V / 100 rpm.Velocidade máxima 5000 rpm.Momento de inércia do rotor de 1500 g.cm2.O sinal de saída de um dínamo taquimétrico não é

perfeitamente contínuo, devido a não homogenidades do campo magnético e fenômenos de comutação do coletor. Usa-se filtrar o sinal de saída.

Fornece a indicação da direção de rotação do eixo, uma vez que a polaridade do sinal de saída é dependente da mesma.

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Tacômetro

É um sensor de velocidade angular com saída em freqüência, que consiste de um rotor dentado de material ferromagnético e um sensor de proximidade indutivo.

O tempo entre pulsos é inversamente proporcional àvelocidade de rotação do eixo. Com o aumento da velocidade, aumenta o número de pulsos por unidade de tempo.

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Tacômetro

Abaixo de um valor mínimo de rotação e acima de um valor máximo, a amplitude do sinal cai demasiadamente tornando o tacômetro imprestável. Os valores mínimo e máximo se situam entre 100 e 40.000 rpm.

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Sensores de aceleração

Fazem uso da lei de Newton F=m.aMedindo-se a força necessária para acelerar uma massa

conhecida “m”. Ou medindo-se o deslocamento causado pela aceleração de uma massa “m” num sistema massa mola.

A força submetida a massa sísmica pode ser medida:Medindo-se a deformação na mola que suporta a

massa;Usando-se um elemento piezoelétrico para medir

diretamente a força.

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Sensores de aceleração

Existem dois tipos de acelerômetros básicos:

Acelerômetros de deslocamento:

Mede-se o deslocamentoAcelerômetro de deformação:

Transdutores que convertema aceleração numa variaçãode resistência, devida àdeformação de um strain gage, num dos braços de uma ponte de Wheatstone.

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Sensores de força e deformação

A deformação de um sólido é resultante da solicitação mecânica produzida por uma força atuante numa determinada área. É medida pela relação entre a variação dimensional e o valor total da dimensão na qual a variação ocorre.A deformação ε é dada pela relação:

As deformações aparecem sobre efeito de solicitações, sendo aplicadas à uma unidade de seção.

ll∆

=ε

AF

=σ

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Sensores de força e deformação

Para um material homogêneo a deformação é proporcional àtensão exercida, obedecendo a Lei de Hooke.

A aplicação de uma solicitação numa direção produz deformações do material em todas as direções caracterizadas por

Eixo x → onde é aplicada a solicitação;Eixo y → direção normal à solicitação.

materialdodeelasticidademóduloY →=σε

zyx εεε ,,

3,02,0. eentreydireçãonaPoissondeecoeficientVV yyy →−= εε

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Princípio da medição de força

Balanceamento: A força desconhecida comparada com a força gravitacional exercida sobre uma massa padrão (peso=massa x aceleração).

Medindo-se a aceleração de uma massa conhecida sobre a qual uma força é aplicada.

Medindo-se a deformação produzida num corpo elástico pela força desconhecida.

Células de Carga:São transdutores que convertem força em variação de resistência devido à deformação de extensômetros (strain gage). Não existem padrões definidos.

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Sensores de pressão

Utilizam a deformação produzida por uma força atuando numa superfície, são medidos pela força atuando numa unidade de área.Unidades:

No S.I. a medida é o Pascal (Pa) → pressão de 1 Newton sobre 1 m2.

PSI (pounds per square inch) libras por polegada quadrada.Coluna de líquido → mm Hg , m H2OAltas pressões → atmosfera ao nível do mar → 760 mm Hg

a 0 ºC e 9,80665 m/s2.

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Sensores de pressão

Virtualmente todos os transdutores de pressão com saída elétrica, monitoram a pressão por meio de um elemento sensor mecânico. Esses sensores são geralmente elementos elásticos de paredes finas. A sua deformação é usada para produzir uma mudança elétrica num elemento de transdução.

DiafragmasA deflexão de um diafragma é proporcional à pressão

aplicada e varia aproximadamente com a quarta potência do diâmetro.

São feitos de ligas metálicas tais como latão, bronze, cobre-berílio, aço inox, etc...

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Sensores de pressão

FolesSensores de pressão normalmente feitos de um tubo de parede fina, com grandes convoluções e selado na extremidade. Sendo que a aplicação de uma pressão causa um movimento axial.

Tubos de BourdonSão tubos curvos retorcidos com seção transversal oval ou elíptica, selados numa das extremidades. Quando a pressão é aplicada internamente o tubo tende a endireitar, resultando numa deflexão angular da ponta.

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Sensoresde pressão

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Sensores de pressãoSensores secundáriosUma vez que todos os dispositivos de pressão traduzem a pressão do fluido em uma forma de deslocamento. Faz-se necessário a utilização de um sensor secundário que forneça um sinal elétrico proporcional à pressão.Os dispositivos mais comuns são sensores resistivos (potenciométricos) de deslocamento, o sensor indutivo LVDT e o strain gage.