1. SISTEMA DE TREINAMENTO EM
SENSORES
MANUAL DE EXPERIÊNCIAS
ED-6800B

2. SISTEMA DE TREINAMENTO EM SENSORES
MANUAL DE EXPERIÊNCIAS
ED-6800B
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3. ÍNDICE
Seção 1 - Características dos Sensores
1-1 Sensores de Temperatura .......................................................................... 06
1-1-1 Termopares ....................................................................................... 06
1-1-2 Termistores ....................................................................................... 06
1-1-3 Semicondutores de Junção P-N ....................................................... 08
1-2 Foto Sensores ............................................................................................ 08
1-2-1 LEDs e Foto Transistores ................................................................. 09
1-2-2 CdS e Células Solares...................................................................... 09
1-3 Sensores de Rotação ................................................................................ 10
1-3-1 Encoder Tipo Magnético .................................................................... 10
1-3-2 Encoder Tipo Ótico ........................................................................... 11
1-4 Sensores de Vibração ................................................................................ 12
1-4-1 Sensor Ultra-sônico .......................................................................... 12
1-4-2 Sensor de Vibração .......................................................................... 13
1-5 Sensores de Gás ....................................................................................... 13
1-6 Sensores de Umidade ................................................................................ 14
1-7 Sensores de Pressão ................................................................................ 15
1-8 Sensores de Proximidade .......................................................................... 16
1-8-1 Tipos e Características ..................................................................... 16
1-8-2 Considerações no Uso de Sensores de Proximidade ...................... 18
1-9 Sensores de efeito Hall .............................................................................. 19
1-10 Chaves Sensoras ...................................................................................... 20
1-10-1 Chave Reed .................................................................................... 20
1-10-2 Chave de Mercúrio .......................................................................... 21
1-10-3 Chave de Limite .............................................................................. 21
Seção 2 - Circuitos de Processamento das Saídas dos Sensores
2-1 Circuitos com Amplificadores Operacionais .............................................. 23
2-1-1 Amplificadores Inversores e Não Inversores ..................................... 23
2-1-2 Offset da Saída DC ........................................................................... 24
2-1-3 Amplificador Diferencial .................................................................... 25
2-1-4 Comparador ...................................................................................... 26
2-2 Circuitos Ponte ........................................................................................... 26
2-3 Conversores A/D e D/A .............................................................................. 28
2-3-1 Conversor A/D .................................................................................. 28
2-3-2 Conversor D/A .................................................................................. 32
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4. Seção 3 - Introdução do Sistema ED-6800B
3-1 Informação Geral sobre ED-6800B ................................................................ 34
3-1-1 Especificações ..................................................................................... 34
3-1-2 Características do Sensor .................................................................... 37
3-2 Informação Operacional ................................................................................. 39
3-2-1 Cautela .................................................................................................. 39
3-2-2 Unidades Sensora e Controles do Painel ............................................. 39
Seção 4 - Experimentos com Sensores
4-1 Experimentos de Aplicação de Sensor de Temperatura ................................ 46
4-1-1 Detecção da Saída de Termopar .......................................................... 46
4-1-2 Detecção da Saída de Termistor ........................................................... 49
4-1-3 Conversão Analógica para Digital de Dado ........................................... 52
4-2 Aplicação de Foto Sensores .......................................................................... 54
4-2-1 LEDs e Foto Sensores ......................................................................... 54
4-2-2 Foto Chaves CdS e Foto Acopladores ................................................. 57
4-3 Aplicações de Encoder de Rotação ............................................................... 60
4-3-1 Detecção de Velocidade e Direção de Rotação ................................... 60
4-3-2 Detecção de RPM e Posição Angular ................................................... 65
4-4 Aplicações do Sensor de Vibração ................................................................ 66
4-4-1 Transmissão e Recepção de Som Ultra-sônico ................................... 66
4-4-2 Medida de Aceleração usando Sensor de Choque ............................... 69
4-5 Aplicações de Sensor de Gás ........................................................................ 71
4-5-1 Detecção de Gás .................................................................................. 71
4-5-2 Alarme de Gás ...................................................................................... 75
4-6 Aplicações de Sensor de Umidade ................................................................ 76
4-7 Sensores de Pressão, Proximidade e Força Magnética ................................ 78
4-7-1 Detecção de Pressão ........................................................................... 78
4-7-2 Detecção de Proximidade ..................................................................... 81
4-7-3 Detecção de Campo Magnético usando Sensor de Efeito Hall ............ 83
4-8 Aplicações de Chave Sensora ....................................................................... 85
4-8-1 Chaves Reed ........................................................................................ 85
4-8-2 Chaves de Mercúrio .............................................................................. 87
4-8-3 Chaves de Limite .................................................................................. 87
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5. Seção 1
Características dos Sensores
Um sensor ou um dispositivo de captação é um transdutor que converte um parâmetro
físico, tal como calor, luz ou movimento de um ponto de teste para uma forma adequada para
medida através do instrumento de medida. Na maioria dos casos, a conversão das saídas do
sensor é feita em alguns tipos de sinais elétricos. Portanto, é natural esperar que existem
circuitos eletrônicos envolvidos com o processamento dos sinais dos sensores.
Existem vários tipos diferentes de sensores sendo utilizados na indústria. Além disso,
novos tipos de sensores estão sendo desenvolvidos. Os sensores são elementos chaves em
qualquer tipo de sistema de controle, automático ou manual. Em geral, um sensor pode ser
identificado como um sensor ativo ou passivo, dependendo se o sensor necessita ou não de
uma alimentação, além do sinal a ser medido.
O Sistema de Treinamento em Sensores ED-6800B reúne todos os tipos de sensores
disponíveis na indústria e apresenta-os aos usuários através de teorias básicas, e experimentos
aplicativos práticos e compreensivos. A maneira como os materiais são apresentados neste
manual devem ser facilmente compreendidos e seguidos. Além disso, uma seção separada,
Seção 2, é dedicada ao detalhamento dos circuitos eletrônicos que são especialmente envolvidos
com o processamento dos sinais de saída dos sensores para o próximo estágio.
O Sistema de Treinamento em Sensores ED-6800B consiste de vários componentes
principais como mostrados a seguir.
Unidades Principais:
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6. Acessórios Unidades Sensoras
Sistema ED-6800B Completo
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7. 1-1 Sensores de Temperatura
1-1-1 Termopares
Teoria
Um termopar é um par de diferentes condutores unidos em dois pontos. Uma força elétrica,
com amplitude tipicamente em milivolts, é produzida na junção devido a efeitos termo-elétricos
quando as junções estão a certa temperatura. Um exemplo de par de condutores termopares
pode ser a combinação de cobre e constantano. Cada combinação única de materiais precisa
de uma tabela de conversão para converter as leituras de milivolts para temperaturas absolutas.
Uma construção típica e o conceito dos efeitos termo-elétricos são mostrados na Figura 1-1.
(a) (b)
Figura 1-1 Construção Típica de um Termopar e o Conceito dos Efeitos Termo-elétricos
Características
Pequeno no tamanho, oferece uma ampla faixa de medida de temperatura, até várias
centenas de °C. Quando converter milivolts para graus, assegure-se de que não exista confusão
entre temperatura absoluta e aumento de temperatura.
Uso
Principalmente aplicações industriais.
1-1-2 Termistores
Teoria
A condutividade de materiais semicondutores varia significantemente com a temperatura.
Embora tal variação é, em geral, uma limitação do uso de dispositivos semicondutores em
alguns circuitos, esta propriedade dos semicondutores oferece utilidade em medidas de
temperatura. Um termistor é um componente eletrônico cuja resistência elétrica depende da
característica condutividade versus temperatura do semicondutor.
Dois tipos de termistores estão disponíveis dependendo da direção da variação da
resistividade:
- Tipo NTC (Coeficiente de Temperatura Negativa): A resistência de um termistor NTC diminui
quando a temperatura aumenta.
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8. - Tipo PTC (Coeficiente de Temperatura Positivo): A resistência de um termistor PTC aumenta
quando a temperatura aumenta.
A resistência de um dispositivo NTC como uma função da temperatura é expressa como
a seguir:
1 1
R = R 0 e B( T − T 0 )
Onde:
T = temperatura absoluta (K)
T0 = temperatura inicial (K)
R0 = resistência em T0
B = constante do termistor
Da equação acima, o coeficiente resistência - temperatura é definido como:
a = R . dR = − T2
1
dT
B
Deve ser notado que a resistência é inversamente proporcional ao quadrado da temperatura.
Características
As curvas características dos termistores NTC e PTC são mostradas na Figura 1-2. Devido
ao fato dos termistores dissiparem calor, a especificação de potência do termistor deve ser
considerada quando da escolha de um termistor. Potências típicas estão na faixa de algumas
dezenas de miliwatts a alguns watts.
(a) (b)
Figura 1-2 Termistor
Uso
Os termistores são usados em circuitos eletrônicos como elementos de compensação
de temperatura. Os termistores PTC também são encontrados em circuitos de controle
automático de temperatura como uma fonte de calor controlada.
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9. 1-1-3 Semicondutores de Junção P-N
Teoria
As características de um dispositivo de junção P-N variam como um função da temperatura.
Por exemplo, a corrente de emissor IE de um transistor é expressa como a seguir:
qVBE
I E = I S (e KT − 1)
Onde:
IS = corrente de saturação determinado pela temperatura da junção
q = carga de um elétron (= 1.6 x 10-19 Coulomb)
K = constante de Boltzmann (= 1.38 x 10-23 J/K)
VBE = tensão direta base para emissor
T = temperatura absoluta (K)
A equação acima implica na relação não linear entre a condutividade e a temperatura do
transistor. A Figura 1-3 mostra a estrutura interna de um sensor de temperatura de junção P-N.
(a) (b)
Figura 1-3 Sensor de Temperatura de Junção P-N
Características
Pequeno no tamanho, mas um sensor de temperatura de precisão. Resposta rápida. As
características de não linearidade devem ser compensadas pelo uso um amplificador operacional
apropriado. Faixa de medida relativamente estreita: 0 ~ 120°C.
Uso
Propósito geral. Algumas vezes para instrumentação médica.
1-2 Foto Sensores
Os foto sensores respondem a incidência de energia luminosa, e produzem um sinal
elétrico como resultado. A intensidade de um sinal de saída é proporcional a intensidade da luz.
Alguns foto sensores possuem incorporados transmissores e receptores de luz. Os foto
sensores podem ser classificados em termos do sensor ótico, infravermelho ou laser
dependendo dos comprimentos de onda utilizados.
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10. 1-2-1 LEDs e Foto Transistores
Teoria
Na Figura 1-4, duas técnicas diferentes de detecção de um objeto são mostradas. No
primeiro método, Figura 1-4 (a), o sinal de luz transmitida a partir da fonte é interrompida pelo
objeto. Portanto, a detecção de um objeto é representada pela não existência da energia luminosa
no receptor ( foto transistor). De modo oposto, o segundo método é baseado na existência do
sinal de luz na extremidade receptora. Na Figura 1-4 (c), a fonte de luz e o receptor são
posicionados de tal modo que a partir da reflexão no objeto, a luz alcance o receptor.
(a) (b) (c)
Figura 1-4 Detecção de um Objeto usando Foto Sensor
Características
Sensores infravermelho ou laser são mais preferidos do que os sensores que trabalham
com espectros de luz visíveis, devido a performance superior dos sinais infravermelho ou laser
na presença de luz visível não desejada. Algumas vezes, a modulação de pulso com uma
detecção sincronizada é usada quando uma aplicação não pode tolerar nenhum erro. O método
(b) acima é mais fácil de se configurar do que o método (c). Entretanto, o método (c) oferece
melhor sensibilidade de distância com relação ao método (b). Em geral, os foto sensores são
menos sensíveis a temperatura ambiente. Entretanto, eles são mais sensíveis a sujeira e
vibração mecânica.
Uso
Foto sensores são usados em chaves de proximidade, e na detecção de um objeto em
movimento. Os foto sensores também são usados nas medidas de distância.
1-2-2 CdS e Células Solares
Teoria
Células CdS e Solar são usadas para detectar a intensidade de energia luminosa. Quando
uma aplicação precisa capturar imagens, um Videocon ou um dispositivo CCD pode ser usado
como foto sensor. Estes dispositivos são mais freqüentemente encontrados em câmeras de
vídeo. Mais informações sobre Células CdS e Solar são dadas na Figura 1-5.
Características
Células CdS são disponíveis nas potências de algumas dezenas de miliwatts a alguns
watts. Algumas vezes este nível de potência é alto o bastante para que os sinais detectados
possam drenar um relê diretamente.
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11. (b) CdS
(a) CdS / Célula Solar (b) Célula Solar
Figura 1-5 Células CdS e Solar como Foto Sensores
Os ingredientes básicos das células solar são silício e gálio de alta pureza. A eficiência de
energia típica de uma célula solar é de cerca de 7 ~ 15%, e a densidade de potência é de
aproximadamente 100mW/cm2.
Uso
As células CdS são encontradas em chaves de controle automáticas na iluminação de
ruas. Outras áreas de aplicações são como foto chaves em dispositivos de medida de
intensidade luminosa assim como em controladores de iluminação interiores automáticos.
1-3 Sensores de Rotação
Encoders de rotação são usados tanto na detecção de posição angular de um disco
rotativo, como para ler a velocidade angular (em RPM) de um objeto em rotação. A detecção de
um movimento rotativo é feito por vários métodos diferentes: contato, magnético ou ótico. Os
tipos magnético ou ótico de detectores são discutidos nesta seção.
1-3-1 Encoder Tipo Magnético
Teoria
Como mostrado na Figura 1-6 (b), um encoder rotativo tipo magnético faz uso de um
sensor Hall e um tambor magnético. O tambor magnético possui um certo número de pequenos
ímãs colocados numa certa ordem. O sensor Hall está localizado próximo ao tambor. Quando
o tambor gira, e os campos magnéticos dos pólos N- e S- do ímã passam pelo sensor Hall, a
resistência do sensor Hall varia e a variação é detectada, indicando que o tambor está em
movimento de rotação. Algumas vezes, este tipo de sistema é projetado para incluir sinais de
fase para determinar a direção de rotação também.
Características
O sensor Hall é sensível as variações de temperatura. Portanto, um circuito de detecção
necessita possuir um amplificador diferencial, ou um circuito ponte. A vantagem deste tipo de
encoder é a durabilidade versus a vibração mecânica, além da performance superior em alta
velocidade. Além disso, enquadra-se bem em circuitos de servo controle do tipo digital porque
a saída é normalmente digital.
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12. Uso
Detecção de velocidade de servo motores AC / DC. Medidas de RPM de motores em
geral.
(a) (b)
Figura 1-6 Encoder Rotativo Tipo Magnético
1-3-2 Encoder Tipo Ótico
Teoria
Um encoder rotativo ótico é um disco com um certo número de pequenos cortes retângulos
colocados ao redor do disco como mostrado na Figura 1-7. A luz emitida pela fonte é recebida
pelo sensor através do corte retângulo somente quando o corte está alinhado com a fonte e o
sensor. Um pulso é gerado quando a luz alcança o receptor. Como o disco gira, a velocidade
de rotação é interpretada pelo número de pulsos que ocorrem por minuto ou segundo. Portanto,
é óbvio que quando mais cortes no disco, a resolução da leitura de velocidade é melhor.
Entretanto, a contagem de pulso não transporta nenhuma informação relacionada a direção de
rotação. Tal informação é usualmente proporcionada por um outro sinal no encoder.
(a) (b)
Figura 1-7 Encoder Rotativo Ótico
Características
Encoders óticos rotativos não são muito sensíveis a temperatura ou vibração mecânica.
O disco é leve, e portanto, ele pode começar a girar e parar sem atraso. Isto minimiza erros
nos dados. Além disso, é fácil girar o disco.
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13. Uso
Detecção de velocidade e posição de pequenos motores DC e máquinas rotativas.
1-4 Sensores de Vibração
Qualquer dispositivo que responda a vibração e produza um sinal que possa ser utilizado
é considerado como sensor de vibração. Por exemplo, um microfone e um transreceptor ultra-
sônico são sensores de vibração. Devido ao fato do ouvido humano não poder responder ao
sinal ultra-sônico, um sensor ultra-sônico é vantajoso quando a interferência de sinais audíveis
torna-se um problema. Por outro lado, um sensor sísmico que responde a freqüências muito
baixas de um terremoto é também um sensor de vibração.
1-4-1 Sensor Ultra-sônico
Teoria
A estrutura interna e um circuito equivalente de um sensor ultra-sônico é mostrado na
Figura 1-8. Os elementos vibrantes são feitos de duas placas finas. Estas placas podem ser
tanto elementos piezoelétricos como a combinação de um piezoelétrico e uma placa de metal.
Estas placas começam a vibrar quando um sinal elétrico com uma freqüência próxima a
freqüência característica do elemento piezoelétrico é aplicada as placas. Como as placas vibram,
a energia é propagada através da tela.
O processo de recepção é o oposto do processo de transmissão. Quando um sinal sonoro
ultra-sônico atinge o elemento piezoelétrico, o elemento gera um sinal elétrico que é idêntico à
freqüência do sinal recebido. A faixa de freqüência típica da operação de um sensor ultra-
sônico é de 38kHz ~ 45kHz.
(a) (b) (c)
Figura 1-8 Um Sensor Ultra-sônico
Características
Sinais ultra-sônico não interferem com outros sinais acústicos na faixa de áudio de 50Hz
a 15kHz. Além disso, sinais ultra-sônicos são menos susceptíveis a sinais que operem em
20kHz ou abaixo. Sinais ultra-sônicos exibem excelentes características de reflexão e são
insensíveis a presença de sujeira.
Uso
Os sensores ultra-sônicos são usados na identificação de objetos, e em dispositivos de
medida de distância. Além disso, os sensores ultra-sônicos são encontrados em controladores
remotos, e em alguns equipamentos médicos.
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14. 1-4-2 Sensor de Vibração
Teoria
Os sensores de vibração respondem às ondas propagadas através do ar ou em outros
meios. Um exemplo é o microfone, que é um transdutor eletro acústico que responde as ondas
sonoras e as convertem para ondas elétricas. A estrutura interna de um microfone é mostrada
na Figura 1-9 (b).
Um dispositivo similar ao microfone mas operando a uma freqüência muito baixa (faixa de
alguns Hz) é também um tipo de sensor de vibração. Quando um dispositivo deste tipo é
submetido a uma onda de choque, uma bobina móvel colocada dentro de um campo magnético
produz uma força eletromotriz. Este tipo de dispositivo é usado em levantamento topográfico.
Um sensor de choque é construído baseado no efeito piezoelétrico. Uma tensão
piezoelétrica, que é proporcional a intensidade da onda de choque de entrada, é produzida na
freqüência característica do sensor.
(a) (b) (c)
Figura 1-9 Sensores de Vibração
Características
A saída típica de um microfone é cerca de 1mV ~ 10mV numa faixa de freqüência de 50Hz
~ 15kHz. A freqüência e a intensidade do sinal variam de acordo com as ondas sonoras. A
saída de freqüência de um microfone é uma representação exata da freqüência de uma fonte
sonora.
A freqüência de saída de um sensor de choque baseado em piezoelétrico é a característica
de freqüência do próprio elemento piezoelétrico. Somente a amplitude do sinal varia dependendo
da amplitude da onda de choque de entrada. Um detector de choque requer um detector de
pico, porque encontrar o pico de um choque é o objetivo principal. A resposta em freqüência
típica de um elemento sensor é de algumas centenas de Hz a alguns kHz, e a amplitude pode
ser tão alta quanto algumas centenas de mV em nível de choque de 40G.
Uso
Detecção de vibração: ................... sinais acústicos, sons subterrâneos.
Detecção de choque: ..................... teste de queda, teste de aceleração.
1-5 Sensores de Gás
Existe um certo número de diferentes sensores de gás disponíveis no mercado. O método
de detecção varia dependendo do tipo de sensor usado. Nesta seção, um sensor de gás baseado
em semicondutor é explicado.
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15. Teoria
O princípio de operação do sensor semicondutor TGS-813 é baseado nas propriedades
dos elementos Irídio (Ir) e Paládio (Pd). Como mostrado na Figura 1-10 (a), o elemento sensor
é essencialmente uma construção de uma bobina aquecedora embutida em SnO2. A bobina
aquecedora é feita de Ir e Pd. Quando a corrente flui na bobina aquecedora em uma dada
temperatura, o oxigênio retira os elétrons do doador na superfície do elemento semicondutor,
criando uma barreira de potencial. Devido a barreira de potencial dificultar o movimento dos
elétrons livres, a resistência elétrica do elemento aumenta.
(a) Construção do Sensor de Gás TGS (b) Características da Concentração
de Gás do TGS - 813
Figura 1-10 Construção e Características do Sensor de Gás
Características
O sensor de gás apresenta uma resistência elétrica em uma dada concentração de gás
num ambiente limpo. A sensibilidade do sensor pode ser afetada pela temperatura e umidade
relativa ambientes. Portanto, a rede de compensação é necessária quando uma detecção
precisa é necessária. O sensor tipo TGS requer cerca de 2 ~ 3 minutos de aquecimento para
melhorar a precisão. Tipicamente, o resistência do elemento aumenta cerca de 20% após o
tempo de aquecimento.
Uso
Detecção de LNG, LPG, gás metano, CO, H, etc.
1-6 Sensores de Umidade
Teoria
A construção de um dos mais populares sensores de umidade é mostrada na Figura 1-11
(a). No centro está o elemento sensor construído em furos microscópicos. Estes furos são
feitos de óxidos de metal de MgCr2O4 e TiO2. O elemento sensor está posicionado entre dois
eletrodos que são fabricados de RuO2. Finalmente, um elemento aquecedor limpante cobre a
estrutura toda.
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16. (a) Construção de um Sensor de Umidade (b) Características de Concentração
de Gás do TGS-813
Figura 1-11 Estrutura do Sensor de Umidade e Características
Umidade vs Resistência
O tamanho dos furos na superfície do elemento sensor é da ordem de 1mm ou menor. A
condutividade entre dois eletrodos varia quando estes furos atraem misturas. A taxa de variação
da condutividade devido a alteração da umidade não é linear, e isto requer um amplificador de
compensação. O objetivo do aquecedor limpante é remover partículas indesejáveis coletados
pelo sensor.
Características
O elemento sensor é conectado a uma fonte de tensão AC em série com um resistor. O
sinal de entrada é usualmente obtido em um ponto do divisor de tensão. Um amplificador
logarítmico é usado para linearizar a saída do sensor.
Uso
Instrumentos de medida de umidade, sistema de controle de umidade e controle de
umidade em aplicações médicas.
1-7 Sensores de Pressão
Dois tipos de sensores de pressão estão disponíveis neste momento: o primeiro tipo é a
célula de carga que é normalmente usada em balanças eletrônicas. O outro tipo é um sensor
baseado em tecnologia de estado sólido que é usado em medida de pressão de gás e líquido.
O sensor do tipo semicondutor de estado sólido é coberto nesta seção.
Teoria
Sensores de pressão baseados em semicondutor fazem uso do efeito piezelétrico do
material semicondutor que exibe variação de resistência para uma dada pressão aplicada. A
Figura 1-12 mostra um tipo de sensor de pressão semicondutor no qual um diafragma de aço
inoxidável transmite a pressão para o chip semicondutor na extremidade. Na Figura 1-13, o
circuito mostrado é usado com o sensor para produzir um sinal detectável.
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17. (a) (b)
Figura 1-12 Diagrama de Construção do Sensor de Pressão Tipo Semicondutor de Estado
Sólido
(a) (b)
Figura 1-13 Circuito de Detecção da Saída do Sensor de Pressão
Características
Este sensor é mecanicamente compacto e destinado a uma ampla faixa de aplicações.
Particularmente, o sensor trabalha muito bem na detecção de pressão de gases e líquidos.
Este sensor tem resposta rápida tipicamente na faixa de 1 a 10 milisegundos.
Uso
Aplicações de controle de fluido, teste de fuga de fluido, verificação do nível e pressão de
um tanque de armazenamento.
1-8 Sensores de Proximidade
A saída de um sensor de proximidade é do tipo liga e desliga o sinal. Por esta razão, um
sensor de proximidade é essencialmente uma chave de proximidade. Uma chave de proximidade
gera sinais de liga / desliga sem nenhum contato direto de um objeto.
1-8-1 Tipos e Características
(1) Chave de Proximidade Tipo Capacitância
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18. Teoria
Este tipo de sensor detecta uma variação na reatância capacitiva dos eletrodos do sen-
sor. Como mostrado na Figura 1-14 (b), uma ponte balanceada com capacitores de referência
(Cs) e de detecção (Cd), comuta para um estado de desbalanceamento quando Cd varia
devido a proximidade de um objeto. Uma vez que a ponte é drenada para um estado de
desbalanceamento, a saída da ponte é direcionada aos terminais “a” e “b”.
(a) (b)
Figura 1-14 Sensor de Proximidade Tipo Capacitivo
Na Figura 1-14 (a), a capacitância entre o objeto e o eletrodo é calculada pela seguinte
equação quando a área da superfície de aproximação do objeto é muito maior que a área do
eletrodo.
0.57A
C= D ................(pF)
Onde:
A = área do eletrodo em cm2
D = distância entre o objeto e o eletrodo em cm
Características
A faixa de detecção do sensor é tipicamente de alguns milímetros. Além disso, somente
objetos metálicos podem ser detectados. Um objeto com tamanho grande que apresente um
alto valor de capacitância com relação ao terra é detectado mais facilmente. Pelo motivo da
constante dielétrica do meio poder ser afetada pela umidade, operações errôneas podem ocorrer
quando este tipo de sensor é usado em ambiente com alta umidade.
(2) Sensores de Proximidade Tipo Oscilador
Teoria
Este tipo de sensor possui um oscilador que oscila em uma freqüência constante. Quando
um objeto aproxima, a indutância da bobina de detecção varia e portanto, a freqüência do
oscilador também varia. Uma chave de proximidade tipo oscilador é mostrada na Figura 1-15.
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19. (a) (b)
Figura 1-15 Chave de Proximidade Tipo Oscilador
A freqüência do oscilador e o Q do circuito são calculados pelas seguintes equações:
1
f= 2o LC
.............(Hz)
Onde:
L = indutância em Henry
C = capacitância em Farad
XL
Q= R
Ou
ZTANK
Q= XL
Onde:
R = resistência da bobina
ZTANK = impedância do circuito LC
XL = reatância indutiva da bobina (2πfL)
Características
- Sensível a materiais magnéticos. Um sensor hermeticamente selado pode ser usado em
líquidos tal como óleos.
- Pode detectar pequenos objetos. No caso do objeto ser do tipo magnético, o sensor pode
detectar objetos com dimensões de 10 x 10 x 1mm.
- Resposta de freqüência relativamente rápida (100 ~ 900Hz).
1-8-2 Considerações no Uso de Sensores de Proximidade
Os seguintes parâmetros podem ser considerados quando um sensor de proximidade é
considerado em uma aplicação.
Vantagens dos Sensores de Proximidade
- Por não existir desgaste mecânico, a vida útil de uma chave de proximidade é muito longa.
- Quando o objeto estiver bem posicionado dentro da faixa de detecção, o sensor pode
e detectar não somente a presença, mas também o movimento do objeto.
- Por não existir partes em movimento, é muito fácil selar o sensor, protegendo-o do ambiente.
- Certos tipos de chaves de proximidade respondem somente a materiais específicos. Tal
propriedade pode ser utilizada para detectar tipos específicos de materiais.
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20. Desvantagens dos Sensores de Proximidade
- O desvio da temperatura ambiente pode causar falsa detecção.
- Susceptividade a ruído externo.
- Para controlar corrente ou tensão elevada, um buffer, tal como um relê, é necessário.
- Requer alimentação para energizar o circuito sensor. A confiabilidade é reduzida devido ao
aumento do número de componentes na unidade sensora.
Considerações no Uso de um Sensor de Proximidade
- A fonte de alimentação usada no circuito sensor deve ter uma boa regulação.
- Quando um sensor deve ser instalado em uma área quente, ou numa área com flutuação
de temperatura significante, assegure-se de escolher o tipo correto de sensor para o dado
ambiente.
- Quando é necessário instalar um sensor próximo a uma área com pulsos de alta tensão
ou campos intensos de RF, assegure-se de que as medidas necessárias contra
interferências tenham sido feitas. O sensor selecionado deve ter uma boa imunidade a
r ruído.
- Para o tipo magnético se sensores de proximidade, assegure-se de não existir outros
m materiais magnéticos ao redor do sensor, porque estes materiais podem causar falsas
d detecções.
- Assegure-se de que os sensores usados estejam dentro dos seus limites de especificações.
- A melhor prática para garantir a confiabilidade da operação é limitar a faixa de detecção ao
máxima em cerca da metade das especificações do sensor.
- Algumas chaves podem apresentar histerese - a distância de operação do liga e do desliga
pode não ser a mesma.
1-9 Sensores de Efeito Hall
Teoria
Se um objeto (metal ou semicondutor) transportando uma corrente I é colocada
transversalmente no campo magnético B, um campo elétrico, chamado tensão Hall, é induzida
sobre “a” e “b” na Figura 1-16 (b). Este campo elétrico é perpendicular em direção tanto com
relação a I como para B. Este fenômeno é conhecido como efeito Hall.
Um elemento de resistência magnética é um semicondutor transportando corrente colocado
em um campo magnético. Uma força é exercida nos portadores de corrente apesar do portador
de corrente ser elétrons ou lacunas livres. Esta força modificará o caminho de deslocamento
das portadoras de tal modo que o comprimento do caminho será extendido. Por este motivo as
portadoras de corrente percorrerão uma distância maior, portanto o objeto apresentará uma
resistência maior.
(a) (b)
Figura 1-16 Sensores Hall e Efeito Hall
19

21. Dispositivos de efeito Hall são usados em uma configuração de 4 terminais balanceados,
ou com uma rede de compensação como mostrado na Figura 1-17.
(a) Dispositivo Hall (b) Resistor Magnético
Figura 1-17 Exemplos de Aplicações de Dispositivo Hall de
4 Terminais e Resistor Magnético de 2 Terminais
Características
- Sensores Hall são sensíveis a temperatura, portanto, um detector ponte ou uma
rede de compensação é necessária.
- Fácil de ser miniaturizado. Ideal como um componente periférico de um computador.
- A saída mostra uma boa linearidade ao campo magnético.
Uso
Medidores de fluxo, FDD e HDD, detecção de rotação de motor, VTR, medidas de corrente.
1-10 Chaves Sensoras
1-10-1 Chave Reed
Teoria
Como mostrado na Figura 1-18 (b), uma chave reed possui dois contatos magnéticos
colocados dentro de um vidro que é selado com algum tipo de gás inerte ou vácuo. Quando um
ímã é aproximado da chave, os contatos que são fabricados de material magnético atraem-se
mutuamente. Algumas vezes, os contatos reed são envolvidos por uma bobina como mostrado
na Figura 1-18 (c). Neste caso, uma corrente DC é necessária para fechar os contatos. Este
tipo de dispositivo é chamado de relê reed. Uma chave reed e um ímã são normalmente usados
como sensor de proximidade.
(a) (b) (c)
Figura 1-18 Chave Reed e Relê Reed
20

22. Características
- A performance do sensor não é crítica à temperatura e umidade ambiente.
- Confiabilidade com relação ao bom contato.
- Baixo custo.
- Mantém o ímã permanente livre de entulhos de metal para evitar operação errônea.
1-10-2 Chave de Mercúrio
Teoria
A chave de mercúrio faz uso da propriedade do mercúrio que é condutivo na forma líquida.
Como ilustrado na Figura 1-19, uma chave de mercúrio contém vários contatos elétricos e
uma pequena quantidade de mercúrio em um tubo de vidro selado. Dependendo do ângulo do
tubo, o mercúrio pode proporcionar conexão elétrica entre os dois contatos.
(a) Uma Chave de Mercúrio (b) Operação Liga / Desliga de uma
Chave de Mercúrio
Figura 1-19 Construção de uma Chave de Mercúrio
Características
- Excelente longevidade dos contatos.
- Excelentes características de liga / desliga.
Uso
Controle de posição horizontal, controle de posição em montagem de parede.
1-10-3 Chave de Limite
Teoria
Chaves de limite são similares as micro chaves. Quando a alavanca sensora é
pressionada pelo movimento, os contatos internos fecham.
(a) Tipo Alavanca com Cilindro (b) Tipo Alavanca (c) Estrutura
Figura 1-20 Chaves de Limite
21

23. Características
Não é necessário fonte de alimentação para operar as chaves de limite. Os contatos
podem transportar correntes elevadas. Além disso a operação liga / desliga é mais precisa que
as chaves push button normais.
Uso
Circuitos de intertravamento, chaves de segurança em máquinas elétricas e mecânicas.
22

24. Seção 2
Circuitos de Processamento das Saídas dos
Sensores
2-1 Circuitos com Amplificadores Operacionais
Um amplificador operacional (Amp. OP) é um circuito integrado analógico que executa
uma variedade de funções em circuitos eletrônicos. Aplicações típicas dos Amp. OP são como
amplificador de uso genérico, comparador, retificador de precisão, integrador, diferenciador e
amplificador de instrumentação.
Como os sinais de saídas da maioria dos sensores são fracos, eles precisam ser
amplificados antes de serem processados por circuitos eletrônicos. Os Amp. OP são usados
para amplificar sinais fracos.
2-1-1 Amplificadores Inversores e Não Inversores
A Figura 2-1 mostra o diagrama esquemático dos amplificadores básicos inversor e não-
inversor. Observe a relação de fase entre a entrada e a saída de cada amplificador. Como o
nome sugere, a saída do amplificador não-inversor está em fase com a entrada, enquanto
existe inversão de fase no amplificador inversor.
(a) Amplificador Não-inversor (b) Amplifcador Inversor
Figura 2-1 O Esquema Básico de um Amp. OP
Para o amplificador inversor da Figura 2-1 (b), os seguintes parâmetros são definidos
assumindo um amplificador ideal.
- Ganho de loop aberto (AOL)......................... Infinito ()
- Resistência de entrada.................................Infinito ()
- Resistência de saída....................................Zero (0)
- Quando Vin = 0, então Vout = 0
Exemplo
Qual deve ser a tensão de saída V0 quando os seguintes parâmetros são dados para o
circuito da Figura 2-1 (b)?
23

25. Resistência de entrada R1 = 20kΩ
Resistência de realimentação R2 = 1MΩ
Tensão de entrada Vi = 10mV
Resposta
O ganho de tensão de um loop fechado na Figura 2-1 (b) é expresso como:
V0 R
A CL = Vi = − R2
1
Portanto, o ACL do circuito exemplo é 50, e a tensão de saída é 50mV (10mV x 50).
2-1-2 Offset da Saída DC
A saída de um Amp. OP ideal deve ser zero quando a entrada é zero. Entretanto, existe
uma pequena saída DC que aparece na saída de um Amp. OP prático mesmo que a entrada
seja zero. Isto porque um Amp. OP possui vários amplificadores com acoplamento DC internos,
e a performance destes amplificadores são afetados pelo desvio na temperatura de operação
e na tensão de alimentação. Além disso, para um amplificador inversor com a entrada não
inversora aterrada, existe uma pequena corrente de polarização fluindo através do terminal de
entrada (R1) e pelo resistor de realimentação (R2) como mostrado na Figura 2-2. Isto é na
verdade o mesmo que aplicar uma pequena tensão no terminal de entrada.
A Figura 2-3 mostra uma rede de compensação de offset DC pela adição de R3 na entrada
não inversora. O valor de R3 deve ser igual a associação em paralelo dos resistores R1 e R2.
R1.R 2
R3 = R 1 +R2
Figura 2-2 Corrente de Polarização de Entrada como um Amplificador Inversor
Técnicas adicionais de compensação de offset DC são mostradas na Figura 2-4 (a) e (b).
Estes circuitos possuem ajuste variável do offset DC, e podem ser usados como circuitos
Clipper ou de Clamping também.
Figura 2-3 Correção do Offset DC pela Adição de um Resistor Fixo
24

26. (a) (b)
Figura 2-4 Circuitos com Offset Ajustável
2-1-3 Amplificador Diferencial
Como o nome indica, um amplificador diferencial amplifica somente a diferença entre as
duas entradas (inversora e não inversora). Portanto, quando ambos os sinais de entrada são
aumentados ou diminuídos na mesma direção, a saída do amplificador diferencial mantém-se
a mesma. Os amplificadores diferenciais são críticos na detecção de sinais de fuga na presença
de ruído ou outros sinais de interferência que aparecem em ambas as entradas. Um amplificador
diferencial típico é mostrado na Figura 2-5.
Figura 2-5 Amplificador Diferencial
O sinal de entrada é aplicado às entradas inversora e não inversora. O amplificador
diferencial pode ser analisado observando uma entrada de cada vez. Quando o ponto V2’ é
aterrado e a entrada V2 está em zero, o amplificador é essencialmente o mesmo da Figura 2-
1 (b). A saída do amplificador nestas condições é:
R
V 0 = −[ RV ]V1 ........................................................................
1
A seguir, remova o aterramento de V2’ e curto-circuite a entrada V1 para configurar o
amplificador não inversor. A entrada real do terminal de entrada não inversor é:
R
V Â2 = [ R2 +R3 ]V 2 ......................................................................
3
25

27. Portanto, a saída não inversora é:
RF RF R3
V 0 = [1 + R 1 ]V 2
 = [1 + R1 ][ R2 +R 3 ]V2 ...................................
Combinando as equações 2-1 e 2-3, a saída do amplificador diferencial torna-se:
R RF R3
V 0 = −[ RF ]V1 + [1 +
1 R1 ][ R2 +R 3 ]V 2.......................................
A equação 2-4 pode ser simplificada quando R1, R2, R3 e RF são idênticos (ganho 1).
V 0 = V2 − V1 .........................................................................
Este resultado indica claramente que a saída do amplificador diferencial é a diferença
entre as duas entradas. O amplificador diferencial de ganho unitário pode ser considerado
como um subtrator analógico.
2-1-4 Comparador
Um circuito comparador de tensão compara os valores de duas tensões de entrada e
produz uma saída que indica a amplitude relativa das duas entradas. A indicação dos resultados
pode ser expressa em níveis lógicos 0 ou 1.
Comparadores usando Amp. OP são mostrados na Figura 2-6.
(a) (b) (c)
Figura 2-6 Circuitos Comparadores
Na Figura 2-6 (a), quando a entrada é maior que o sinal de referência, a saída irá para +
Vsat, ou ficará próxima da tensão + de alimentação. De modo oposto, quando a entrada é
menor que a referência, a saída irá para -Vsat, ou ficará próxima da tensão - de alimentação. A
polaridade da saída do circuito na Figura 2-6 (b) será o oposto do circuito da Figura 2-6 (a).
A saída do Amp. OP na Figura 2-6 (c) alimenta um diodo zener. Portanto, a saída do zener
representa o resultado da comparação. Este tipo de circuito é vantajoso quando a saída do
comparador faz interface com um circuito TTL. A tensão +Vs na circuito é +5V na aplicação
TTL.
2-2 Circuitos Ponte
Um circuito ponte faz uso da técnica baseada no estado balanceado e não balanceado da
ponte. Um circuito ponte é mostrado na Figura 2-7.
26

28. Figura 2-7 Um Circuito Ponte
Quando a ponte na Figura 2-7 é balanceada, as seguintes relações são mantidas.
R RX
a. RS
B
= RA
b. IX . RA = IS . RB ou IX . RX = IS . RS
c. Ig = 0, portanto um curto no galvanômetro entre “a” e “b” não tem efeito em I T.
d. Independentemente da magnitude de IX e IS, o potencial em “a” e “b” são iguais.
Para encontrar o valor de RX, a ponte deve ser primeiramente balanceada. Uma vez no
estado de balanceamento, RX pode ser encontrado a partir da relação acima.
Portanto:
RS .R A
RX = RB
O estado desbalanceado do circuito ponte produz informações igualmente úteis. Por
exemplo, o valor de RX na ponte balanceada teve um pequeno aumento devido a alteração na
temperatura ambiente. Isto aumenta o potencial em “a”, e produz uma corrente Ig que flui de “a”
para “b”. No caso de RX ter decaído, a direção de Ig deve ser de “b” para “a”. Portanto,
monitorando-se o galvanômetro, qualquer modificação no circuito pode ser detectado.
Exemplo
Calcule o resistor de balanceamento RS com os seguintes parâmetros para obter o estado
balanceado.
RA = 1kΩ = resistor de referência
RB = 1kΩ = resistor de referência
RX = 500Ω = resistência a medir
EB = 10V = tensão de alimentação da ponte (DC ou AC)
A equação acima:
R X .R B 500x1000
RS = RA = 1000 = 500Ohms
27

29. Se a resistência a medir RX variar para 800Ω, qual deve ser a tensão sobre “a” - “b”?
EB 10
IX = R A+R X = 1000+800 ~5.5mA
EB 10
IS = R B+R S = 1000+500 ~6.6mA
ERA em “a” = IX . RA = 0.0055 x 1000 = 5.5V
ERB em “b” = IS . RB = 0.0066 x 1000 = 6.6V
Portanto, Va-b = 6.6 - 5.5 = 1.1V. A direção do fluxo de corrente é de “b” para “a”.
No exercício acima, no caso de todos os resistores serem expostos às mesmas variações
ambientais e todos os resistores possuírem o mesmo coeficiente de temperatura, então não
existirá erro no circuito ponte.
2-3 Conversores A/D e D/A
2-3-1 Conversor A/D
As saídas elétricas da maioria dos sensores são sinais analógicos. Para que sinais
analógicos sejam aceitos pelo sistema digital ou controladores micro processados, os sinais
analógicos devem ser convertidos em sinais digitais. Um conversor A/D é usado para este
objetivo.
Métodos de Conversão A/D
(1) Tipo Comparação Paralela
Teoria
Um conversor A/D tipo comparação paralela é mostrada na Figura 2-8. Este tipo de técnica
de conversão, que é também chamada de conversão rápida, é a técnica de conversão mais
rápida disponível. Além disso, a teoria operacional é muito simples e fácil de ser compreendida.
Figura 2-8 Conversor A/D Tipo comparação Paralela
28

30. O divisor de tensão fornece uma referência para uma entrada de cada comparador de
tensão. O valor de referência para cada comparador é a tensão total entre +Ref e -Ref dividido
por n, que é o número de comparadores. Portanto, o valor de cada ponto do divisor de tensão
representa uma faixa específica do total de tensão fornecida. Todos os valores de resistores de
R0 a Rn devem ser idênticos. A chave de entrada é colocada para operar na velocidade do clock
do sistema.
A tensão de entrada analógica vinda da chave de entrada é aplicada primeiramente ao
capacitor Amostrador / Retentor (Sample / Hold - S/H). A tensão de S/H é comparada com o
valor de referência em cada comparador. Como resultado, as saídas daqueles comparadores
em que o valor de referência é menor que a entrada analógica tornam-se alta. As saídas de
todos os outros comparadores mantém-se em zero. As saídas resultantes dos comparadores
são encaminhados para um encoder (circuitos lógicos) para gerar um sinal digital equivalente.
Uma comparação entre uma entrada analógica e uma forma de onda na Amostragem e
Retenção é mostrada na Figura 2-9 (a) e (b).
(a) (b)
Figura 2-9 Uma Entrada Analógica (a) e as Formas de Onda de Amostragem e Retenção (b)
Características
- Como o conversor A/D paralelo é a técnica de conversão mais rápida disponível, é usada
onde a velocidade é o item prioritário.
- O número de comparadores necessários para produzir uma saída digital de n-bits é igual
a 2n-1. Isto significa que o conversor A/D paralelo é prático para pequenos números de bits
em aplicações reais.
- Conversores A/D paralelo são caros.
(2) Tipo Dupla Integração
Teoria
Como mostrado na Figura 2-10 (a), um conversor A/D de dupla integração consiste de
um seletor de entrada, um comparador e um contador / controlador lógico centralizado ao
redor de um integrador. A temporização e a forma de onda do integrador são mostradas na
Figura 2-10 (b).
29

31. (a) (b)
Figura 2-10 Um Conversor A/D de Dupla Integração
Para entender a operação do circuito, assuma que a chave S1 esteja habilitada quando a
carga do capacitor seja zero. Quando a integração começa e decorre-se um período de Tin
segundos, a carga coletada no capacitor é dada por:
Vin
Q1 = R .Tin.......................(Coulomb)
Onde Vin é a tensão de entrada em volts e R é a resistência de entrada em ohms.
A seguir, desabilite S1 e habilite S2, e aplique uma tensão de referência que possui polaridade
oposta até que a carga seja drenada para zero. Assumindo que o tempo deste processo seja
Tref segundos, a quantidade de carga drenada é expressa como:
Vref
Q2 = R .T ref .....................(Coulomb)
Onde Vref é dado em volts.
Q1 e Q2 devem ser iguais na relação acima. Portanto:
Vref
V in = Tin .T ref
Pode ser visto da equação acima que V in é proporcional a T ref. Contando-se T ref
precisamente, Vin pode ser expresso em formato digital.
Características
- Circuito simples com alta resolução. Conveniente como medidores de painel digital em
multímetros.
- Ruído de alta freqüência é removido com períodos de integração relativamente longos.
- Este circuito adapta-se somente a entradas DC. Quando um sinal AC deve ser medido,
um circuito retificador preciso é necessário.
3) Tipo Aproximação Sucessiva
Teoria
Um conversor A/D do tipo aproximação sucessiva consiste de um comparador, um
conversor D/A, registrador de aproximação sucessiva (SAR) e circuitos de controle. Tal
configuração é mostrada na Figura 2-11.
30

32. Figura 2-11 Diagrama em Bloco Funcional de um Conversor A/D de Aproximação Sucessiva
Quando o conversor é habilitado e o sinal “iniciar conversão” é habilitado, o processo de
conversão começa. Primeiramente, o SAR gera um código que é equivalente a 1/2 do fundo de
escala da entrada analógica e envia o código para o conversor D/A. A seguir, o comparador
compara a entrada analógica e a saída do D/A. Se o sinal de entrada é maior que a saída do D/
A, “1” é armazenado no SAR como o bit mais significativo (MSB). Caso contrário, o SAR mantém
“0” em seu registrador. Neste momento, a unidade de controle habilita o próximo bit, e o
comparador repete o mesmo processo, armazenando “1” ou “0”. Este processo continua até
que o bit menos significativo (LSB) seja examinado. O processo de conversão passo-a-passo
de um conversor A/D de aproximação sucessiva de 6 bits é mostrada na Figura 2-12.
Operação de Conversor D/A Nível de Entrada Saída do
Comparação código de entrada Analógico Comparador
1 100000(=32) <45.5 1
2 110000(=48) <45.5 0
3 101000(=40) <45.5 1
4 101100(=44) <45.5 1
5 101110(=46) <45.5 0
6 101101(=45) <45.5 1
Figura 2-12 Processo de Conversão do Conversor A/D de Aproximação Sucessiva de 6 Bits
Características
- Alta velocidade e alta resolução.
- Baixo custo devido ao circuito simples.
- Facilidade de integrar e interfacear com uma CPU.
O tempo de conversão, TCONV, do conversor é expressa como a seguir.
31

33. TCONV = (TCOMP + TDA + TSAR) + N
Onde:
TCOMP = tempo de atraso do comparador
TDA = tempo de ajuste do comparador
TSAR = tempo de atraso do SAR
N = número de bits
2-3-2 Conversor D/A
Os conversores D/A são mais simples que os conversores A/D, e não existem muitos
tipos diferentes. Além disso, o custo é praticamente o mesmo independentemente do número
de bits do sinal de entrada.
Os conversores D/A são necessários onde os sinais digitalizados pelos conversores A/D
precisam ser convertidos de volta para sinais analógicos.
Teoria
Um conversor D/A ponderado é mostrado na Figura 2-13. O conversor consiste de circuitos
chaveadores de entrada, um amplificador somador de corrente e um buffer de saída.
Figura 2-13 Conversor D/A com Resolução de 5 Bits
A entrada digital de 5 bits na Figura 2-13 está em código binário, e o somador de corrente
na entrada do Amp. OP também deve trabalhar em formato binário. Portanto, quando a corrente
através do LSB (bit-a) é ia, os valores dos resistores de Ra a Re devem ser determinados para
satisfazerem as seguintes relações de corrente.
Eref
ia = Ra
...........................................corrente devido ao bit-a
Eref
ib = Rb = i a .2 1 ...............................corrente devido ao bit-b
Eref
ic = Rc = i a .2 2 ...............................corrente devido ao bit-c
Eref
id = Rd = i a .2 3 ...............................corrente devido ao bit-d
Eref
ie = Re = i a .2 4 ...............................corrente devido ao bit-e
32

34. Uma vez que as correntes são somadas na entrada do amplificador, a corrente total Is é
convertida para tensão na saída do amplificador operacional. A tabela na Figura 2-14 ilustra a
conversão decimal para binária analógica.
BINÁRIO (5 BITS) DECIMAL BINÁRIO (5 BITS) DECIMAL
e d c b a (Analógico) e d c b a (Analógico)
0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 10
0 0 0 0 1 *1 0 1 0 1 1 11
0 0 0 1 0 *2 0 1 1 0 0 12
0 0 0 1 1 3 0 1 1 0 1 13
0 0 1 0 0 *4 0 1 1 1 0 14
0 0 1 0 1 5 0 1 1 1 1 15
0 0 1 1 0 6 1 0 0 0 0 16
0 0 1 1 1 7 :
0 1 0 0 0 *8 1 1 1 1 0 30
0 1 0 0 1 9 1 1 1 1 1 31
Nota: * denota o decimal equivalente a cada bit binário a ~ d
Figura 2-4
Características
O conversor D/A nesta seção possui velocidade de conversão similar ao conversor A/D
por aproximação sucessiva, mas com um circuito muito mais simples.
33

35. Seção 3
Introdução do Sistema ED-6800B
3-1 Informação Geral sobre ED-6800B
O sistema de treinamento ED-6800B é uma ferramenta de aprendizado em sensores
compreensivo e potencial. O sistema consiste de 2 unidades principais e 8 unidades sensoras.
Uma das unidades principais é um amplificador operacional baseado em amplificador seguido
por um comparador. A outra unidade é uma unidade conversora de sinais A/D e D/A. Como as
unidades sensoras são disponibilizadas em formato modular, é fácil e conveniente expandir o
sistema quando mais módulos são necessários. A alimentação DC para a unidade sensoras é
fornecida pela unidade principal.
Unidades Principais
a. Unidade Amplificador Operacional: Inversor, não inversor, diferencial, offset DC,
comparador.
b. Unidade conversora de Sinal: Conversor A/D, conversor D/A.
Unidades Sensoras
a. SU-6803: Circuito ponte incorporado para medir / detectar temperatura (termopar e
termistor).
b. SU-6804: Foto sensores (LED, Foto Transistor, CdS).
c. SU-6805: Encoder rotativo (RPM, sensor de posição).
d. SU-6806: Sensor ultra-sônico e de vibração.
e. SU-6807: Sensor de gás (LNG, LPG, Metano).
f. SU-6808: Sensor de umidade.
g. SU-6809: Sensor Hall, sensor de proximidade, sensor de pressão.
h. SU-6810: Chave sensora (Chave Reed, Chave de Mercúrio, Chave de Limite).
Acessórios
- Sensor Termopar: 1 peça
- Sensor Termistor: 1 peça
- Módulo LED: 1 peça
- Sensor Foto Transistor: 1 peça
- Sensor CdS: 1 peça
- Módulo Lâmpada: 1 peça
- Transdutor Ultra-sônico: 1 peça
- Manual de Experimentos: 1 peça
- Sensor de Choque: 1 peça
- Conjunto de Teste de Queda do Sensor de Choque: 1 peça
- Termômetro à Álcool: 1 peça
- Compressor de Ar Manual: 1 peça
- Fios de Conexão (Plug 2mm): 24 peças
- Cabo de Dados: 1 peça
- Cabo de Alimentação: 1 peça
3-1-1 Especificações
34

36. (1) OU-6801 (Unidade Amp. OP)
a. Modos de Acoplamento: ................................... AC e DC
b. Modos do Circuito: ............................................ Inversor, Não Inversor, Diferencial,
Offset DC, Comparador
c. Controle de Offset DC: ..................................... -15V ~ 0V ~ +15V
d. Saída de Alimentação DC:................................ ±15V, 0.3A (para unidades sensoras)
e. Alimentação de Entrada: .................................. 110V / 220V AC - 50Hz ~ 60Hz
f. Dimensões: ....................................................... 345(L) x 120(A) x 220(P)mm
(2) CU-6802 (Unidade Conversora de Sinal)
Conversor A/D
a. Modo de Conversão: ......................................... Tipo Aproximação Sucessiva
b. Entrada Analógica: ............................................ 0 ~ 10V DC
c. Saída Digital: ..................................................... 8 Bits Nível TTL
d. Velocidade de Conversão: ................................ Aprox. 100µs
Conversor D/A
e. Modo de Conversão: ......................................... Somador de Corrente
f. Entrada Digital: .................................................. 8 Bits Nível TTL
g. Saída Analógica: ............................................... 0 ~ 10V DC
h. Velocidade de Conversão: ................................ Aprox. 50µs
Especificação Geral
i. Alimentação de Entrada: .................................... 110V / 220V AC - 50Hz ~ 60Hz
j. Dimensões: ....................................................... 345(L) x 120(A) x 220(P)mm
(3) Unidades Sensoras
SU-6803 (Temperatura)
a. Circuito Detector: .............................................. Ponte de Whetstone com Amplificador
Sensor de Zero
b. Fonte de Temperatura: ..................................... Aquecedor e Resfriador por Ventilador
c. Faixa de Sensibilidade de Resistência: ............ 50Ω ~ 5kΩ
d. Entrada de Controle do Aquecedor:.................. Nível Alto (5V ~ 15V DC)
e. Entrada de Controle do Resfriador: .................. Nível Alto (5V ~ 15V DC)
f. Dispositivos Sensores: ...................................... Termopar e Termistor
g. Alimentação de Entrada: .................................. ±15V DC, 1A
SU-6804 (Foto Sensor)
a. Nível de Polarização do Foto Sensor: ............... 0 ~ 30mA (DC, AC)
b. Freqüência de Polarização AC: ........................ 100Hz ~ 10kHz
c. Guia do Foto Sensor: ........................................ 0 ~ 200mm
d. Foto Acoplador (Resposta): .............................. 0 ~ 1000 pulsos/s
e. Dispositivos Sensores: ..................................... LED, Foto Transistor, CdS
f. Alimentação de Entrada: ................................... ±15V DC, 1A
SU-6805 (Encoder Rotativo)
a. Tensão de Entrada do Encoder: ....................... 5V DC
b. Forma de Onda de Saída: ................................ Quadrada
c. Fase de Saída: ................................................. A, B
35

37. d. Resolução: ....................................................... 100 pulsos / rotação
e. Resposta: ......................................................... 25kHz
f. Velocidade do Motor: .......................................... 0 ~ 4500 RPM
g. Alimentação de Entrada: .................................. ±15V DC, 1A
SU-6806 (Sensor de Choque Ultra-sônico)
- Sensor Ultra-sônico
a. Freqüência Nominal: ......................................... 40kHz
b. Sensibilidade: ................................................... Mais que -67dB
c. Banda de Recepção: ........................................ Aprox. 6kHz (-74dB)
d. Nível do Transmissor: ....................................... Mais que 110dB
- Sensor de Choque
e. Resposta em Ressonância: ............................. 2kHz ± 1kHz
f. Duração da Ressonância: ................................. 10ms ~ 30ms
g. Saída em Impacto de 40G: ............................... 0.4Vpp / 56kΩ mínimo
h. Alimentação de Entrada: .................................. ±15V DC, 1A
SU-6807 (Sensor de Gás)
a. Tensão do Circuito: ........................................... VC = 24V máximo (AC ou DC)
b. Tensão do Aquecedor: ...................................... V H = 5V (AC ou DC)
c. Gases Detectados: ........................................... LPG, LNG, Metano
d. Faixa de Sensibilidade: ..................................... 500 ~ 10000 PPM
e. Indicador de Nível: ............................................. 10 Passo de Nível Selecionável
f. Tipo de Sensor: ................................................. Tipo Semicondutivo
g. Alimentação de Entrada: .................................. ±15V DC, 1A
SU-6808 (Sensor de Umidade)
a. Faixa de Umidade: ............................................ 30 ~ 90% RH
b. Faixa de Temperatura de Operação: ................ 0 ~ 60°C
c. Nível de Saída: .................................................. 1 ~ 3V DC (para 30 ~ 90% RH)
d. Alimentação de Entrada: .................................. ±15V DC, 1A
SU-6809 (Sensores de Proximidade / Hall / Pressão)
- Sensor Hall
a. Material: ............................................................ GaAs
b. Tensão Hall: ...................................................... 55 ~ 140mV
c. Resistência de Entrada: ................................... 450 ~ 900Ω
- Sensor de Proximidade
d. Distância de Detecção: .................................... 5mm máximo
e. Objeto Detectável: ............................................ Substância Magnética
f. Freqüência de Resposta: .................................. 500Hz
- Sensor de Pressão
g. Faixa de Medida: ............................................... 0 ~ 1kg/cm 2
h. Entrada Máxima: ............................................... 2kg/cm2
i. Saída: ................................................................. Aprox. 1 ~ 5V
j. Suprimento de Ar: .............................................. Compressor Manual
36

38. - Especificação Geral
k. Alimentação de Entrada: ................................... ±15V DC, 1A
SU-6810 (Chaves Reed / Mercúrio / Limite)
- Chave Sensora
a. Chave Reed: ..................................................... SPST, 0.1A (24V)
b. Chave de Mercúrio: ........................................... SPST, 1A (250V)
c. Chave de Limite: ............................................... SPDT, 5A (250V)
- Movimento Linear
d. Distância do Movimento: .................................. 80mm
e. Velocidade do Motor: ......................................... 0 ~ 60 RPM
- Especificação Geral
f. Alimentação de Entrada: ................................... ±15V DC, 1A
3-1-2 Características do Sensor
(1) Sensor Termopar (6800-1)
a. Características de Saída do Termopar: ............ 0 ~ 20mV / 0 ~ 500°C
b. Faixa de Temperatura: ...................................... -100°C ~ +1000°C
c. Material: ............................................................ CA (Chromel / Alumel)
(2) Sensor Termistor (6800-2)
a. Resistência à Temperatura Ambiente: .............. Aprox. 2kΩ
b. Faixa de Temperatura: ...................................... -50°C ~ 110°C
c. Características Resistência - Temperatura: ..... Aprox. 5kΩ ~ 500Ω / 0 ~ 100°C
(3) Módulo LED (6800-3)
a. Comprimento de Onda da Luz Emitida: ........... 940nm ± 2%
b. Saída (Intensidade de Irradiação): .................... 1 ~ 10(I E) / 3 ~ 30mA(If)
c. Corrente de Retorno Máxima: ........................... 30mA (para 60 segundos)
(4) Módulo do Transistor Receptor (6800-4)
a. Comprimento de Onda do Receptor: ............... 700nm ~ 950nm
b. Relação Corrente / Distância da Luz (em 10IE):8 ~ 1mA / 3 ~ 40mm
c. Sensibilidade Direcional Relativa: ..................... ±7° (em -3dB)
(5) Módulo CdS (6800-5)
a. Resistência (Escuro): ....................................... Maior que 1MΩ
b. Resistência / Lux: ............................................. 10kΩ ~ 2kΩ / 1 ~ 100 Lux
c. Capacidade: ..................................................... 90mW máximo
(6) Transmissor Ultra-sônico (6800-8)
a. Freqüência de Transmissão: ............................ 40kHz
b. Pressão Acústica de Saída: ............................. Maior que 112dB
37

39. (7) Sensor de Choque (6800-9)
a. Saída:................................................................ Maior que 4Vpp com carga de 56k Ω
(para choque 40G)
b. Freqüência de Ressonância: ............................ 2kHz ± 1kHz
Termômetro de Ácool
Sensor de
Temperatura Foto Sensor (6800B3~5) Transdutor Ultrasônico Sensor de Choque
(6800B1~2)
Sistema de Treinamento Caixa de Acessórios
38

40. 3-2 Informação Operacional
3-2-1 Cautela
As seguintes informações são necessárias para garantir uma operação segura e com
sucesso do sistema de treinamento em sensores.
(1) A alimentação de ±15V das Unidades Sensoras é fornecida tanto pela Unidade de Amp.
Op (OU-6801B) como pela Unidade Conversora de Sinal (CU-6802). Caso necessário, uma
fonte externa DC simétrica pode ser usada.
(2) As Unidades Principais são alimentadas pela tensão da rede de 110V ou 220V AC.
Assegure-se de que a configuração esteja correta para a dada tensão de alimentação. A seleção
de tensão da linha é feita na parte traseira da unidade.
(3) Manipule todos os sensores com extrema cautela para evitar qualquer tipo de dano.
(4) Todos os sensores devem retornar para suas posições de armazenamento após o uso.
(5) Evite as seguintes condições de operação.
- Ambientes muito quente ou a luz solar direta
- Alta umidade (umidade relativa máxima de 85%)
- Vibração
- Sujeira excessiva
3-2-2 Unidades Sensora e Controles do Painel
(1) Unidade Amp. OP (OU-6801B)
O painel frontal da Unidade Amp. OP é mostrado na Figura 3-1. A Unidade Amp. OP
consiste de um amplificador operacional e um comparador com offset DC. Os seguintes circuitos
podem ser montados usando a Unidade Amp. OP.
Amp. OP
- Amplificador com acoplamento AC
- Amplificador com acoplamento DC
- Amplificador não inversor
- Amplificador diferencial
Comparador / Offset DC
- Experimentos de controle de offset zero DC
- Circuitos comparadores
39

41. Figura 3-1 Unidade Amp. OP (OU-6801B)
(2) Unidade Conversora de Sinal (CU-6802)
A Unidade Conversora de Sinal é dividida nas seções conversor A/D e conversor D/A. As
entradas digitais são sinais de 8 bit com nível TTL. A entrada de referência do conversor é
ajustável. O painel frontal da unidade é mostrado na Figura 3-2.
Figura 3-2 Unidade Conversora de Sinal (CU-6802)
40

42. Conversor A/D
- Tipo de Conversão: Aproximação sucessiva
- Entrada Analógica Máxima: 10V
- Faixa de Ajuste da Referência do Conversor A/D: 10 ~ 100%
Conversor D/A
- Saída Analógica Máxima: 10V
- Faixa de Ajuste da Referência do Conversor D/A: 10 ~ 100%
(3) Unidade Sensora SU-6803
Esta unidade contém o circuito ponte detector de sinal e um Amp. OP. O aquecedor e o
resfriador (ventilador) são usados com os sensores de temperatura. Estes aquecedor e
resfriador podem ser controlados externamente. A ponte interna à unidade é uma ponte de
resistores, e aceita qualquer tipo de sensor que apresente variação de resistência como
resultado da detecção. A faixa de resistência da ponte é de 500Ω a 10kΩ. A fonte DC da ponte
está incorporada ao circuito. Entretanto, existem terminais para proporcionar a alimentação
externa caso necessário. O painel frontal da unidade sensora é mostrado na Figura 3-3.
Figura 3-3 Unidade Sensora SU-6803
(4) Unidade Sensora SU-6804
A Unidade Foto Sensora SU-6804 é usada quando experimentos com dispositivos foto
sensores são executados. A unidade fornece tensões de polarização AC e DC ajustáveis para
um LED. A faixa de freqüência ajustável da polarização AC é de 100Hz a 10kHz. O painel
frontal da Unidade Foto Sensora é mostrado no Figura 3-4.
41

43. Figura 3-4 Unidade Sensora SU-6804
(5) Unidade Sensora SU-6805
A Unidade SU-6805 é usada em experimentos com encoder rotativo. O encoder rotativo
usado na unidade é um tipo de encoder de alta resolução de 8 bits que produz 100 pulsos por
rotação. Para estabelecer o ponto de referência, uma saída de índice zero é fornecida. A resolução
de posição é equivalente a 360 graus dividido por 100 pulsos. O painel frontal da unidade é
mostrado na Figura 3-5.
Figura 3-5 Unidade Sensora SU-6805
42

44. (6) Unidade Sensora SU-6806
A Unidade Sensora SU-6806 é uma unidade de experimentos ultra-sônicos. A unidade
fornece fonte ultra-sônica de alta qualidade. Além dos experimentos ultra-sônicos, a unidade
também oferece experimentos relacionados com sinais acústicos, particularmente usando
um microfone. A freqüência ultra-sônica usada está em torno de 40kHz, e a unidade contém
um oscilador com uma freqüência de saída de 20 ~ 100kHz para gerar sinais ultra-sônicos. O
painel frontal da unidade é mostrado na Figura 3-6.
Figura 3-6 Unidade Sensora SU-6806
(7) Unidade Sensora SU-6807
A Unidade Sensora de Gás SU-6807 é usada para detectar a presença de gases no ar. Os
tipos de gases que a unidade pode detectar são hidrogênio, LPG, LNG e metano. A unidade
pode determinar a quantidade de gás presente, e se a quantidade detectada ultrapassa o nível
pré-ajustado, e a unidade dispara um alarme. O detector usado é um tipo semicondutor que
exibe uma alteração na condutância. Uma vez que a alteração produz um sinal, ele é amplificado
por um amplificador diferencial. O painel frontal da unidade é mostrado na Figura 3-7.
Figura 3-7 Unidade Sensora SU-6807B
43

45. (8) Unidade Sensora SU-6808B)
A Unidade Sensora de Umidade SU-6808B mede a umidade relativa, não a umidade
absoluta. Um sensor tipo semicondutor é usado na unidade. Por causa das características de
saída do sensor ser logarítmica, a unidade sensora emprega um amplificador anti-logarítmico
para linearizar a saída. A alimentação para polarização do sensor semicondutor é AC, ao invés
de DC. Este sinal senoidal AC é gerado internamente. A freqüência do sinal de polarização é
determinada pelo valor de “R” no circuito. Na posição “A”, a freqüência é 1000Hz, e na posição
“B” a freqüência é reduzida para 500Hz. O painel frontal do SU-6808B é mostrado na Figura 3-
8.
Figura 3-8 Unidade Sensora SU-6808B
(9) Unidade Sensora SU-6809
Como mostrado na Figura 3-9, a Unidade Sensora Hall / Proximidade / Pressão SU-6809
consiste de pequenos objetos a serem detectados (aço, plástico e ímã) e dos sensores. Estes
objetos são colocados num disco rotativo no qual a velocidade é controlada pelo usuário. Com
tal arranjo, é fácil executar uma variedade de experimentos relativos a movimento, distância e
pressão.
- Sensor de Pressão: O sensor resplonde a pressão de um gás. A pressão é gerada usando
um compressor manual que é fornecido como acessório. A pressão máxima obtida é de
1 1kgf/cm2
- Sensor de Proximidade: Este sensor é um sensor tipo oscilação, e reage a proximidade de
objetos metálicos ou magnéticos.
- Sensor Hall: O sensor Hall detecta o campo magnético de um ímã do disco.
Todos estes sensores requerem alimentação para funcionarem corretamente. Além disso
os sensores Hall e de pressão possuem amplificadores internos à unidade para detectar a
alteração na resistência.
44

46. Figura 3-9 Unidade Sensora SU-6809
(10) Unidade Sensora SU-6810
Contrário aos outros sensores, as chaves sensoras reed / mercúrio / limite não requerem
nenhuma detecção especial ou circuitos amplificadores. A alimentação não é necessária para
as chaves, e estas chaves são insensíveis a ruído. O painel frontal da unidade sensora é
mostrado na Figura 3-10.
- Chave Reed: O contato reed que está dentro de um tubo de vidro é controlado pela aproxI
mação de um imã. O retorno desta chave é lenta. Além disso a corrente de contato desta
chave normalmente é pequena. Tipicamente a especificação é menor que 1A em 50V máximo
- Chave de Mercúrio: O mercúrio dentro do tubo de vidro serve de ponte de conexão entre os
dois pontos de contato. A chave de mercúrio é um sensor de posição.
- Chave de Limite: Esta é uma micro chave com uma alavanca acoplada para que quando a
alavanca seja pressionada, provoque o fechamento da micro chave. Normalmente, um rolete
é encontrado na extremidade da alavanca para facilitar a operação.
Figura 3-10 Unidade Sensora SU-6810
45

47. Seção 4
Experimentos com Sensores
4-1 Experimentos de Aplicação de Sensor de Temperatura
4-1-1 Detecção da Saída de Termopar
Objetivos
Experimentar um sensor de temperatura usando um termopar. Experimentar as
características de um termistor NTC.
Revisão da Teoria
A seguir é fornecido um comparativo entre o termopar e o termistor.
(1) Sensor Termopar (6800-1)
Para as características de saída, veja a Figura 4-1 (a).
(a) Características de Saída do Termopar (b) Características de Saída do Termistor
Figura 4-1 Características de Saída - Temperatura
(2) Sensor Termistor (6800-2)
Para as características de saída, veja a Figura 4-1 (b).
Como pode ser visto das curvas anteriores, um termopar gera uma tensão que é
proporcional a temperatura. Em um termistor, a saída é uma variação de resistência. A saída
do termopar deve necessitar de um amplificador e algum tipo de circuito de processamento do
sinal. Para o sensor termistor, um circuito ponte de resistor é normalmente necessário. Além
disso a não linearidade do termistor deve ser considerado em aplicações reais.
Equipamentos Necessários
- Unidade Amp. OP OU-6801B: 1 peça
- Unidade Sensora 6803: 1 peça
46

48. - Sensor de Temperatura 6800-1: 1 peça
- Multímetro Digital: 1 peça
- Termômetro Digital: 1 peça
- Ferro de Solda: 1 peça
Procedimento Experimental
1. Prepare a Unidade Amp. OP. Mantenha a chave de alimentação desligada.
2. Referindo-se a Figura 4-2, faça as conexões entre a unidade sensora e a unidade Amp.
OP.
(a) Amplificador do Sensor (b) Amp. OP (c) Comparador
Figura 4-2
3. Ligue a alimentação da unidade Amp. OP, e conecte um multímetro digital ao terminal de
saída do Amp. OP. Selecione a faixa 200mV do multímetro.
4. Verifique a leitura do termômetro digital e as saídas em volts do Amp. OP.
NOTA: Note que o ganho do Amp. OP é ajustado em 10. Para os cálculos do ganho, veja a
Figura 2-1.
5. Como mostrado na Figura 4-4, aplique calor ao termopar usando o ferro de solda. Desenhe
um gráfico mostrando a relação entre a temperatura do termopar e a saída do Amp. OP.
6. Considerando o ganho de 100 para os dois amplificadores em cascata, calcule a tensão
de saída do termopar na temperatura ambiente usando o valor obtido no passo 4. Qual
deveria ser o ganho se a saída do Amp. OP devesse ser 1V? Para ajustar o ganho, conecte
os pinos 6 e 7 do Amp. OP, e ajuste o resistor variável de 500kW.
7. Ajuste o ganho do amplificador para 50, e conecte a saída do Amp. OP ao comparador
como mostrado na Figura 4-3.
47

49. Figura 4-3
Figura 4-4
48

50. 9. Aplique calor ao termopar até que o LED verde na saída do comparador acenda.
10. Repita os passos 8 e 9 para temperaturas diferentes.
Resumo
1. A saída típica de um termopar é menor que algumas centenas de mV/°C. Portanto, a
amplificação da tensão é necessária para processar a saída do termopar. O sensor termopar
usado em 6800-1 possui saída de 40mV/°C.
2. Quando usar um Amp. OP, esteja atento com a inversão de fase na saída do amplificador
inversor.
3. A saída do comparador depende do ajuste de referência na entrada. Por exemplo, para
obter uma saída com entrada de 2V, a referência deve ser ajustado para 2V.
4-1-2 Detecção da Saída de Termistor
Objetivos
Experimentar a saída de um resistor térmico usando ponte de Wheatstone.
Revisão da Teoria
A resistência de um termistor varia com a temperatura. Para um termistor tipo coeficiente
de temperatura negativo (NTC), a resistência do termistor torna-se menor quando a temperatura
aumenta. A resistência do termistor do sistema ED-6800B é de 2kW na temperatura ambiente.
Portanto, quando a resistência varia para 1.9kW devido a alteração na temperatura, a taxa de
alteração é de 5%. Tal alteração pode ser detectada usando uma ponte mostrada na Figura 4-
5.
Condição de Balanceamento
da Ponte (Saída = Zero):
Rs = Rx
Rb Ra
Figura 4-5
Se a resistência do sensor é RX e o resistor de balanço da ponte é RS, a ponte pode ser
balanceada inicialmente ajustando Rs para obter saída zero. Qualquer alteração em Rx devido
a variação de temperatura após o balanço ser obtido aparece na saída da ponte. A sensibilidade
do detector ponte é normalmente muito boa.
Equipamentos Necessários
- Unidade Amp. OP OU-6801B: 1 peça
- Unidade Sensora SU-6803: 1 peça
- Sensor Termistor 6800-2: 1 peça
- Multímetro Analógico com Sensibilidade melhor que 20kW/V: 1 peça
- Termômetro de Álcool (diâmetro 5 ~ 7mm): 1 peça
49

51. Procedimento Experimental
1. Prepare a Unidade Amp. OP. Mantenha-a desligada.
2. Referindo-se a Figura 4-6, faça a conexão entre OU-6801B, SU-6803 e um multímetro.
3. Meça a resistência do sensor termistor na temperatura ambiente usando o multímetro.
Além disso, meça a temperatura ambiente real.
4. Conecte o sensor termistor aos terminais de entrada SENSOR INPUT da unidade sensora.
Ajuste de faixa de corrente do multímetro, que é colocado entre a saída da ponte e o terra,
para 100mA.
5. Ligue a alimentação da Unidade Amp. OP. Ajustando o controle BALANCE, ajuste a ponte
para balancear e obter indicação de corrente igual a zero.
6. Segure a extremidade do sensor com dois dedos por cerca de 30 segundos, e observe a
alteração na leitura de corrente. No caso do ponteiro do multímetro mova para o sentido
contrário, inverta a conexão do multímetro.
Figura 4-6
7. Faça a conexão entre a saída da ponte e a entrada do amplificador como indicado pela
linha tracejada #1 na unidade sensora. Além disso, conecte um voltímetro (na faixa 3V) na
saída do amplificador.
8. A extremidade do sensor que foi aquecido pelos dedos deve ser resfriado até a temperatura
ambiente. Assegure-se de que a indicação do multímetro seja zero. Caso contrário, reajuste
a ponte. Toque na extremidade do sensor com os dois dedos novamente, e observe a
indicação de corrente. Compare a leitura com a indicação no passo 6. Deve ser notado
que o passo 7, que utiliza um amplificador, fornece uma resolução de sensibilidade melhor.
50

52. 9. Instale o termistor e um termômetro de álcool na placa de aquecimento da unidade sensora
como mostrado na Figura 4-7 (a). Ligue o aquecedor. Referindo-se a Figura 4-7 (b), registre
a temperatura e a corrente a cada 30 segundos durante um intervalo maior que 3 minutos.
(a) (b)
Figura 4-7
10. Desligue o aquecedor. Registre a temperatura e a leitura de corrente a cada minuto por
cerca de 10 minutos. Desenhe duas curvas como mostrado na Figura 4-7 (b).
NOTAS: Dependendo da condutividade térmica entre a fonte de calor e o objeto a ser aquecido,
as características de aquecimento e resfriamento não são necessariamente as mesmas.
Normalmente, o resfriamento leva mais tempo em convecção natural. Um resfriamento forçado
usando um ventilador reduzirá o tempo de resfriamento.
11. Faça a conexão entre os pontos como indicado pelas linhas tracejadas 1, 2, 3 e 4. Ajuste
a chave do resfriador para AUTO. Faça o balanceamento da ponte para a temperatura
ambiente.
12. Com o sensor de temperatura e o termômetro como na Figura 4-7 (a), ajuste a referência
de entrada do comparador para -0.5V.
NOTAS: Quando a temperatura aumenta no sensor de temperatura, a saída da ponte aparece
como negativa. Isto porque o termistor usado possui coeficiente de temperatura negativo (NTC).
Para drenar o LED “+” na saída do comparador, a entrada de referência (polarização) é ajustada
para abaixo de 0 volts.
13. Ligue o aquecedor. Encontre a temperatura em que o LED “+” acenda. Note que quando
o LED “+” está aceso, indica que a temperatura está muito alta, o ventilador liga-se
automaticamente. Isto porque o sistema está configurado para demonstrar o conceito de
um controle automático.
14. Reduza a tensão de referência gradualmente, e encontre a temperatura em que o
ventilador começa a operar.
15. Desligue o aquecedor, e aumente a tensão de referência gradualmente. Registre a saída
do comparador vs. Temperatura.
Resumo
1. A resolução da sensibilidade de temperatura é muito importante em sistemas de controle
automático de temperatura. A resolução do sistema depende do projeto do sistema assim
como das características do próprio sensor.
2. No projeto de um sistema de controle de temperatura, a condutividade térmica do meio ao
redor da fonte de calor deve ser considerada. Um exemplo de um sistema de controle
automático de temperatura é o Controle Proporcional Integrativo e Derivativo (PID).
51

53. 3. A resistência térmica entre um sensor térmico e o objeto a ser medido deve ser minimizado
para manter uma boa precisão. As seguintes dicas devem ajudar.
- Maximize a área de contato entre o sensor e o objeto.
- Aplique adesivo termicamente condutivo tal como silicone nas áreas de contato.
- Quando medir a temperatura de um gás, assegure-se de posicionar o sensor no melhor
local.
- Se necessário, faça um acoplamento entre a fonte de calor e o objeto usando um material
com boa condutividade térmica.
4-1-3 Conversão Analógica para Digital de Dado
Objetivos
Aprender a técnica de conversão A/D dos dados de temperatura obtidos.
Revisão da Teoria
Dados digitais são mais úteis que no formato analógico devido as seguintes razões:
- É fácil de armazenar dados digitais, e os dados digitais são facilmente manipulados pelo
computador.
- Um sistema operacional pode ser usado para executar controles numéricos precisos usando
dados digitais.
- Como os dados digitais são baseados somente em 0 e 1, são mais imunes a ruídos.
Um conversor A/D tipo comparação sucessiva com 8 bits é usado neste experimento. A
resolução, portanto, é 1/256 (ou 1/28) do fundo de escala. O valor de entrada analógico máximo
é 5V. Entretanto, um atenuador é fornecido para aceitar sinais de 10V. A entrada de referência
é ajustável para fornecer uma saída digital variável.
Equipamentos Necessários
- Unidade Conversora de Sinal CU-6802: 1 peça
- Unidade Sensora SU-6803: 1 peça
- Multímetro Analógico: 1 peça
- Sensor de Temperatura Tipo Termistor 6800-2: 1 peça
- Termômetro de Álcool (diâmetro 5 ~ 7mm): 1 peça
Procedimento Experimental
1. Mantenha a Unidade Conversora de Sinal desligada. Coloque a chave DATA HOLD em
off.
2. Referindo-se a Figura 4-8, faça as conexões do conversor de sinal e da unidade sensora.
3. Mantenha a chave do aquecedor em OFF (AUTO) na unidade sensora. Coloque o sensor
de temperatura e o termômetro verticalmente na placa de aquecimento.
4. Ajuste a referência V do A/D e D/A para CAL. Ligue a alimentação, e verifique o multímetro
analógico e os indicadores LED (D0 ~ D7) das entradas / saídas digitais com os terminais de
entrada analógico curto circuitados entre si. Sem entrada analógica, todos os 8 bits da saída
digital devem estar em nível baixo.
5. Se a indicação digital for satisfatória no passo 4, remova o curto das entradas analógica.
Meça a entrada analógica e as saídas digitais correspondentes à temperatura ambiente.
52

54. Figura 4-8
6. Ligue o aquecedor na unidade sensora. A cada 10 ou 20 segundos, meça a temperatura,
entrada analógica e saída digital e preencha a tabela da Figura 4-9 com os resultados.
Temp Analógico Digital (8 bits) Observação
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
Temp Ambiente
Figura 4-9
53

55. 7. Desligue o aquecedor (coloque a chave na posição AUTO), e ligue o resfriador. Repita o
passo 6 para as características de resfriamento. Meça a temperatura, entrada analógica e
saída digital.
8. Faça as conexões entre as saídas do conversor A/D e as entradas do conversor D/A
como indicado pela linha tracejada na Figura 4-8. Compare os valores analógico e digital do
conversor A/D com os correspondentes valores do conversor D/A. Os valores devem ser
idênticos entre os dois dados analógicos assim como entre os dois dados digitais. Este
experimento é executado com a referência de entrada na posição CAL.
9. Repita os passos 6 e 7, e observe as entradas e saídas dos conversores A/D e D/A,
assim como as leituras do multímetro. Veja a Figura 2-9 da seção 2-3.
10. Posicione a chave DATA HOLD na posição HOLD para congelar a leitura corrente. Varie
a temperatura na unidade sensora, e observe o multímetro analógico e a saída digital do
conversor A/D. Quando a diferença entre as leituras analógica e digital aumenta, desligue
momentaneamente o DATA HOLD. Verifique que as duas leituras são iguais.
Resumo
1. Foi demonstrado através dos experimentos na seção 4-1-2 e 4-1-3 que a constante de
tempo térmica não é necessariamente a mesma entre o aquecimento e o resfriamento. O
aquecimento ou resfriamento forçado pode melhorar a resolução da constante de tempo
térmica.
2. A saída analógica do conversor D/A é um sinal do tipo degraus de escada que contém
harmônicas. Para suavizar o sinal convertido, é necessário executar uma filtragem.
3. É fácil de se congelar a indicação de um dado digital usando a função HOLD. Além disso,
o dado digital pode ser facilmente armazenado em memória.
4. A saída digital de 8 bits é obtida no modo paralelo neste experimento. Entretanto, no caso
do dado digital necessitar ser enviado a uma longa distância, o dado é normalmente
transmitido na forma serial através de um conversor paralelo para série. Neste caso, o dado
paralelo é primeiramente amostrado, então cada dígito é enviado começando pelo LSB.
4-2 Aplicação de Foto Sensores
4-2-1 LEDs e Foto Sensores
Objetivos
Entender a operação de um LED infravermelho e um transistor receptor na detecção de
objetos.
Revisão da Teoria
Dois tipos de foto sensores são considerados nesta seção: detecção da interrupção de
luz entre uma fonte e o objeto, ou a recepção da luz refletida no objeto. Não importando que tipo
de detecção é usado, os seguintes parâmetros caracterizam a técnica de foto detecção.
- Sensibilidade luminosa: Para uma dada fonte de luz, a sensibilidade depende da distância
entre a fonte e o objeto assim como da sensibilidade do receptor.
- Tempo de resposta: Uma lâmpada do tipo filamento possui um tempo de atraso devido ao
tempo necessário para aquecer e resfriar o filamento. De modo contrário, uma fonte de luz
baseada em semicondutor responde muito mais rápido quando a alimentação é ligada e
desligada. A taxa de liga / desliga pode ser de algumas centenas de Hz a alguns MHz. O foto
receptor possui características similares. Por exemplo, o tempo de resposta da célula CdS
pode ser de alguns ms a algumas centenas de ms.
- Comprimento de onda: Normalmente, os foto sensores respondem a comprimentos de
onda de 750 ~ 950nm. Este comprimento de onda infravermelho é maior que o comprimento
de onda da luz visível. Alguns sensores são projetados para responder ao comprimento de
54