Tipos de Transdutores

Instrumentao e Medidas - Captulo VIII

8 - TRANSDUTORES8.1 - INTRODUO Um transdutor um elemento funcional dos instrumentos de medida, em que a entrada, constituda por energia em determinada forma fsica, convertida em energia sob outra forma fsica. EXEMPLO DE TRANSDUTORES ENTRADA SADA Temperatura deslocamento (de coluna de lquido) Temperatura Tenso Temperatura Variao da resistncia Fora Deslocamento Presso Movimento (de coluna de lquido) Deslocamento Variao de resistncia Luz Tenso Som Variao da capacidade TRANSDUTOR Termmetros Termopar Termstor Balanas de mola Manmetro Potencimetros Clula fotoelctrica Microfone

Na maior parte dos casos, a sada dos transdutores um sinal elctrico. As vantagens so: 1- Efeitos de inrcia e frico inexistentes; 2- Amplificao fcil; 3- Indicao e gravao, especialmente distncia facilitada. Os transdutores podem classificar-se segundo: A) a sua aplicao B) mtodos de converso de energia C) natureza do sinal de sada D) princpios elctricos envolvidos. Assim, quanto Natureza do Sinal de Sada

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Electromecnicos Analgicos Optoelctricos Transdutores Geradores de frequncia Digitais Codificadores digitais Quanto aos princpios elctricos envolvidos podemos classificar os transdutores da seguinte forma:TIPO Passivos Activos CLASSE Resistncia;Capacidade; Indutncia Termoelctricos;Piezoelctricos

Os transdutores passivos requerem uma fonte de energia exterior. A SADA a variao de um parmetro elctrico como: resistncia, capacitncia, indutncia A Sada pode ser medida atravs da variao da corrente ou da tenso Os transdutores activos no precisam de fontes de energia exteriores. Quando so actuados por uma certa forma de energia produzem uma tenso ou uma corrente. Exemplos: PASSIVOS: a) Microfone de condensador b)Termstores com coeficiente de temperatura negativo, NTC(Fe2O3) e positivo, PTC ,(Titanato de Brio) c) Resistncia base de liga metlica ( R(T)= linear d) Varstor (ZnO) ACTIVOS: a) termopares

8.2 - TRANSDUTORES DE MOVIMENTO Potencimetro resistivo Um potencimetro resistivo uma resistncia varivel que se pode apresentar em dois tipos de montagem: a) Potencimetro b) Restato 202

Instrumentao e Medidas - Captulo VIIIMontagem em potencimetro ( divisor de tens

Entrada

Sada

Montagem em Restato

Entrada

Sada

Fig.8.1 Montagem de uma resistncia varivel como potencimetro e como restato. Uma resistncia varivel constituda por uma resistncia fixa, munida de dois terminais ( brones de sada) e por um contacto mvel (cursor) que desliza sobre o elemento resistivo, e ligado electricamente a um 3 borne. O movimento do cursor pode ser: a) circular; b) rectilneo; c) helicoidal. O elemento resistivo pode ser excitado por uma tenso contnua ou alternada A entrada : ser um DESLOCAMENTO. A sada: ser uma TENSO que funo do deslocamento de entrada. Consoante o tipo de funo matemtica realizada as resistncias variveis classificam-se em: a) lineares; b) logartmicas; b) Senoidais; b) cosenoidais; e) outras funes. Exemplos de resistncias variveis e das suas caractersticas so dados na figura 8.2

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E xi Entrada=xi Sada=Vo

Vo

-X Y=e Vo E 100% GRFICO DO GANHO (Entrada/Sada) 1 B A C 1 20 40 60 80 100% 0 Y

Y Y=e X

X

Y=LogX Y=log 1 e X

Deslocamento linear ou rotativo (xi ou i)

Fig.8.2 - Resistncias variveis e suas caractersticas; A potencimetro linear; B potencimetro antilogartmico e C potencimetro logartmico. As resistncias variveis podem ser classificadas quanto ao material que constitui o elemento resistivo da seguinte forma: a) bobinadas ( em ligas de Ni-Cu; Ni-Cr; Au;Ag;Pt) b) filmes ou camadas ( carbono; metal) c) moldadas (carbono;plstico) O suporte pode ser uma placa de material isolante, normalmente baquelite, carto ou cermica. Extensmetros ou Tensmetros. Estes tipos de transdutores baseiam-se no princpio de que um condutor submetido traco ou compresso apresenta uma variao da resistncia devido variao do seu comprimento, rea e resistividade de acordo com: L R= AA variao da resistividade com a presso mecnica chama-se piezoresistncia. um efeito desprezvel face ao efeito da variao das dimenses.

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As caractersticas dos condutores so descritas pela sensibilidade ( ou coeficiente), S do extensmetro. - o coeficiente do sensor que pode ser definido por:

R Variao relativa da resistncia S = R = L Variao relativa do comprimento L em que a variao relativa do comprimento equivalente deformaoOs materiais usados, nos extensmetros, como condutores e sensibilidade so indicados na tabela 8.1 Tabela 8.1 - Materiais usados em extensmetros e sensibilidades tpicas Materiais Composio Sensibilidade -"S" Constantan 60%Cu+40%Ni 2 Platina/Volfrmio 92%Pt+8%W 4 Semicondutor Si ou Ge 50 a 200

A medio da resistncia, R, feita normalmente atravs de uma ponte de Wheatstone, em que o ou os extensmetros constituem um ou vrios braos da ponte. Para aumentar a preciso da medida, o factor S deve ser elevado Na prtica os condutores podem ser fios ou lminas ( folhas). Podemos classificar os extensmetros, tendo em conta a sua construo, em dois tipos: A)- No cimentados (figura 8.3) B)- Cimentados (figura 8.4)EXTENSMETROS NO-CIMENTADOS Fora ou movimento de entrada 1 3

1 Base fixa E 2

4

3

Base mvel Fig. 8.3 - extensmetros no cimentados e sua constituio em ponte de medida.

2

4

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Uma fora ou movimento que ponha os fios condutores 1 e 3 traco, reduz as tenses em 2 e 4, e vice-versa. Dimenses Tpicas: L=25mm; =25m; L=50m Medem pequenos deslocamentos e pequenas foras Estes transdutores podem usar-se para medir: DESLOCAMENTOS; FORAS; PRESSES; ACELERAESEXTENSMETROS CIMENTADOS

So constitudos por fios finos, estreitas lminas, de materiais metlicos ou semicondutores, cimentados, isto , colados ao elemento cuja deformao se pretende medir Apoio de papel ou seda, baquelite, l de vidro

DE Fio Sensvel

De Lmina

De Semicondut

Sensvel Fig. 8.4 - Extensmetros cimentados.

Depois o condutor e o seu apoio so cimentados ou colados superfcie da pea cuja tenso se pretende medir. A cola do tipo epoxdica. As lminas metlicas so obtidas por processos fotogrficos ou serigrficos como nos circuitos impressos. As espessuras so da ordem 0,1 m. Os extensmetros depois de colados sofrem os mesmos esforos que as superfcies onde so aplicados. As resistncias nominais tpicas so: 60; 120; 240; 350; 500 e 1000 As intensidades de corrente so baixas: de 5 a 40 mA dependendo da durao do teste, de forma a evitarem-se aquecimentos excessivos.CONDICIONAMENTO DO SINAL PONTES DE EXTENSMETROS

Os extensmetros fazem parte dos braos de uma ponte de Wheatstone. A variao da resistncia devido ao esforo pode ser medida na ponte ou fornecer uma sada para um display.206


Existem dois tipos de montagens com pontes. Ponte equilibrada e Ponte desequilibradaCASO DA PONTE EQUILIBRADA

A ponte constituda por 3 resistncias sendo duas fixas e iguais( brao 1 e 2), uma regulvel (brao 3)e um extensmetro (brao 4). A resistncia regulvel ajustada de modo a que , nas condies iniciais a ponte fique equilibrada. Ao actuar o esforo, a resistncia do extensmetro varia, e o ajuste de R3 realizado para procurar de novo o equilbrio. A variao de R3 d-nos a variao de Rx. Este tipo de montagem apenas utilizado em situaes em que os esforos so estticos.CASO DE PONTES DESIQUILIBRADAS

A ponte inicialmente est equilibrada. Ao actuar o esforo sobre o transdutor, Rx varia desequilibrando a ponte e podemos relacionar a tenso no detector com a variao de Rx e portanto com o esforo.VAB = E( R3 Rx ) R1 + R 3 R 2 + R x

COMPENSAO DA TEMPERATURA

A temperatura constitui uma entrada de interferncia e modificadora, portanto indesejvel. Sendo a temperatura uma entrada perturbadora dos extensmetros e variando a resistncia com a fora, por um lado e com a temperatura por outro, pode acontecer que a variao devida temperatura seja superior devida fora. Outro aspecto relacionado com a temperatura a possibilidade de se darem expanses trmicas diferentes nos extensmetros e na base a que cimentado, provocando deformaes no extensmetro que implicam variao na resistncia mesmo na ausncia de fora. Pode actuar sob 3 formas:1- variao da resistncia do condutor Devido ao coeficiente termoresistivo R = R j que a resistncia de um condutor varia com a temperatura T segundo a expressoR T = R 25 1 + ( T - 25 ) 2-expanso trmica diferencial As expanses trmicas do extensmetro e das bases so diferentes. H deformao do extensmetro logo um erro em Rx

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3- variao da sensibilidade do extensmetro ( entrada modificadora) R S= R L L PROCESSOS DE COMPENSAO DA TEMPERATURAOs efeitos da temperatura podem ser compensados de diversas maneiras e passaremos a referir algumas delas.

A) Usando um extensmetro auxiliar, igual ao primeiro que cimentado numa base do mesmo material daquele que est a ser testado pelo extensmetro activo e colocado mesma temperatura. Os dois extensmetros so colocados em braos adjacentes da ponte ver figura 8.5. F

1 E 3

2

Activo

4

F Fig.8.5 - Compensao de temperatura usando um extensmetro auxiliar.As variaes de temperatura devidas ao coeficiente de temperatura ou expanso trmica diferencial so assim eliminadas, pois no tero qualquer efeito na tenso de sada da ponte (esto em braos adjacentes). As variaes de resistncia devida carga (fora) favorecero o desequilbrio da ponte. A temperatura pode ser uma entrada modificadora j que pode alterar o coeficiente do extensmetro.

B- Usando mais do que um extensmetro activo Nesta montagem utilizam-se 4 extensmetros activos sendo 2 com funcionamento traco (em braos opostos) e 2 funcionando compresso . Inicialmente a ponte est equilibrada.ARRANJO DE EXTENSMETROS

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Instrumentao e Medidas - Captulo VIIIOs vrios arranjos tm em conta obter: 1- Alta sensibilidade 2- Compensao da temperatura Assim, podemos ter os seguintes arranjos tpicos (figura 8.6): 2 extensmetros

F R2 R1

F

Utilizado na medida de traco e os extensmetros montados na mesma face e em braos adjacentes da ponte

4 extensmetros F R2 R1 4 extensmetros R1(R4) R3(R2) F F R2 R3 R1 R4 F

R1,R3

F

R2,R4 Fig.8.6 - Arranjos tpicos dos extensmetros

Nesta ltima montagem, com 4 extensmetros a sada uma funo perfeitamente linear do deslocamento Xi provocado pela fora F.Transformador diferencial

O transformador diferencial linear varivel (VLDT) constitudo por um enrolamento primrio e 2 secundrios iguais , isto , com o mesmo nmero de espiras, e um ncleo no ferromagntico. O seu esquema representado na figura 8.7. alimentado pelo primrio com uma tenso alternada senoidal da ordem dos 3 a 5 Volt e f= 50Hz a 20KHz.

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Vo1

Vo2

Xi

~

e Fig.8.7 - Transformador diferencial linear varivel utilizado na medio e deteco de movimentos de translao comunicado ao ncleo. Para isso, as bobines do secundrio so ligadas em srie mas em oposio de fase( com os enrolamentos em sentido contrrio). A tenso primria induz as tenses vo1 e vo2, senoidais com a mesma frequncia nos dois secundrios. Ao variar a posio do ncleo, variam os coeficiente de induo mutua entre o primrio e cada um dos secundrios, variando as tenses em cada secundrio tanto em amplitude como em fase. A tenso de sada com os enrolamentos em srie mas opostos varia tambm em amplitude e em fase. j que vo=vo1-vo2. Ver figura 8.8. voVo1 Vo2

Xi

~ e Fig. 8.8 - Tenso de sada de um transformador diferencial.Analisemos as ondas de entrada e de sada para 3 posies representadas na figura 8.9, do ncleo: central, para um lado e para o outro

Ncleo na posio CENTRAL 210

Instrumentao e Medidas - Captulo VIIIe eVo1

t

vo

vo1 e t

vo2 t voVo2

Xi =0 vo=vo1-vo2=0

Posio do ncleo ACIMAe eVo1

t

vo

vo1 e t

vo2 t voVo2

Xi >0 vo=vo1-vo2

Ncleo na posio ABAIXO 211


eVo1

t

vo

vo1 e t

vo2 t voVo2

Xi M2 e -90 se M1

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