• Like
  • Save
Lab
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

Lab

on

  • 1,300 views

 

Statistics

Views

Total Views
1,300
Views on SlideShare
1,300
Embed Views
0

Actions

Likes
1
Downloads
80
Comments
0

0 Embeds 0

No embeds

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Adobe PDF

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

    Lab Lab Document Transcript

    • SISTEMA DE TREINAMENTO EM SENSORES MANUAL DE EXPERIÊNCIAS ED-6800B
    • SISTEMA DE TREINAMENTO EM SENSORES MANUAL DE EXPERIÊNCIAS ED-6800B 1
    • ÍNDICESeção 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 .............................................................................. 21Seção 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 2
    • 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 ............................................. 39Seção 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 3
    • Seção 1 Características dos Sensores Um sensor ou um dispositivo de captação é um transdutor que converte um parâmetrofísico, tal como calor, luz ou movimento de um ponto de teste para uma forma adequada paramedida através do instrumento de medida. Na maioria dos casos, a conversão das saídas dosensor é feita em alguns tipos de sinais elétricos. Portanto, é natural esperar que existemcircuitos 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 emqualquer tipo de sistema de controle, automático ou manual. Em geral, um sensor pode seridentificado como um sensor ativo ou passivo, dependendo se o sensor necessita ou não deuma alimentação, além do sinal a ser medido. O Sistema de Treinamento em Sensores ED-6800B reúne todos os tipos de sensoresdisponíveis na indústria e apresenta-os aos usuários através de teorias básicas, e experimentosaplicativos práticos e compreensivos. A maneira como os materiais são apresentados nestemanual devem ser facilmente compreendidos e seguidos. Além disso, uma seção separada,Seção 2, é dedicada ao detalhamento dos circuitos eletrônicos que são especialmente envolvidoscom o processamento dos sinais de saída dos sensores para o próximo estágio. O Sistema de Treinamento em Sensores ED-6800B consiste de vários componentesprincipais como mostrados a seguir.Unidades Principais: 4
    • Acessórios Unidades SensorasSistema ED-6800B Completo 5
    • 1-1 Sensores de Temperatura1-1-1 TermoparesTeoria 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-elétricosquando as junções estão a certa temperatura. Um exemplo de par de condutores termoparespode ser a combinação de cobre e constantano. Cada combinação única de materiais precisade 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-elétricosCaracterísticas Pequeno no tamanho, oferece uma ampla faixa de medida de temperatura, até váriascentenas de °C. Quando converter milivolts para graus, assegure-se de que não exista confusãoentre temperatura absoluta e aumento de temperatura.Uso Principalmente aplicações industriais.1-1-2 TermistoresTeoria A condutividade de materiais semicondutores varia significantemente com a temperatura.Embora tal variação é, em geral, uma limitação do uso de dispositivos semicondutores emalguns circuitos, esta propriedade dos semicondutores oferece utilidade em medidas detemperatura. Um termistor é um componente eletrônico cuja resistência elétrica depende dacaracterística condutividade versus temperatura do semicondutor. Dois tipos de termistores estão disponíveis dependendo da direção da variação daresistividade: - Tipo NTC (Coeficiente de Temperatura Negativa): A resistência de um termistor NTC diminui quando a temperatura aumenta. 6
    • - 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 comoa seguir: 1 1 R = R 0 e B( T − T 0 )Onde:T = temperatura absoluta (K)T0 = temperatura inicial (K)R0 = resistência em T0B = 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. Devidoao fato dos termistores dissiparem calor, a especificação de potência do termistor deve serconsiderada quando da escolha de um termistor. Potências típicas estão na faixa de algumasdezenas de miliwatts a alguns watts. (a) (b) Figura 1-2 TermistorUso Os termistores são usados em circuitos eletrônicos como elementos de compensaçãode temperatura. Os termistores PTC também são encontrados em circuitos de controleautomático de temperatura como uma fonte de calor controlada. 7
    • 1-1-3 Semicondutores de Junção P-NTeoria 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 junçãoq = 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 emissorT = temperatura absoluta (K) A equação acima implica na relação não linear entre a condutividade e a temperatura dotransistor. 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-NCaracterísticas Pequeno no tamanho, mas um sensor de temperatura de precisão. Resposta rápida. Ascaracterísticas de não linearidade devem ser compensadas pelo uso um amplificador operacionalapropriado. 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 sinalelétrico 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 fotosensores podem ser classificados em termos do sensor ótico, infravermelho ou laserdependendo dos comprimentos de onda utilizados. 8
    • 1-2-1 LEDs e Foto TransistoresTeoria Na Figura 1-4, duas técnicas diferentes de detecção de um objeto são mostradas. Noprimeiro método, Figura 1-4 (a), o sinal de luz transmitida a partir da fonte é interrompida peloobjeto. Portanto, a detecção de um objeto é representada pela não existência da energia luminosano receptor ( foto transistor). De modo oposto, o segundo método é baseado na existência dosinal de luz na extremidade receptora. Na Figura 1-4 (c), a fonte de luz e o receptor sãoposicionados 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 SensorCaracterísticas Sensores infravermelho ou laser são mais preferidos do que os sensores que trabalhamcom espectros de luz visíveis, devido a performance superior dos sinais infravermelho ou laserna presença de luz visível não desejada. Algumas vezes, a modulação de pulso com umadetecção 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) oferecemelhor sensibilidade de distância com relação ao método (b). Em geral, os foto sensores sãomenos sensíveis a temperatura ambiente. Entretanto, eles são mais sensíveis a sujeira evibração mecânica.Uso Foto sensores são usados em chaves de proximidade, e na detecção de um objeto emmovimento. Os foto sensores também são usados nas medidas de distância.1-2-2 CdS e Células SolaresTeoria Células CdS e Solar são usadas para detectar a intensidade de energia luminosa. Quandouma aplicação precisa capturar imagens, um Videocon ou um dispositivo CCD pode ser usadocomo foto sensor. Estes dispositivos são mais freqüentemente encontrados em câmeras devídeo. 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 algunswatts. Algumas vezes este nível de potência é alto o bastante para que os sinais detectadospossam drenar um relê diretamente. 9
    • (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 deenergia típica de uma célula solar é de cerca de 7 ~ 15%, e a densidade de potência é deaproximadamente 100mW/cm2.Uso As células CdS são encontradas em chaves de controle automáticas na iluminação deruas. Outras áreas de aplicações são como foto chaves em dispositivos de medida deintensidade 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 discorotativo, como para ler a velocidade angular (em RPM) de um objeto em rotação. A detecção deum movimento rotativo é feito por vários métodos diferentes: contato, magnético ou ótico. Ostipos magnético ou ótico de detectores são discutidos nesta seção.1-3-1 Encoder Tipo MagnéticoTeoria Como mostrado na Figura 1-6 (b), um encoder rotativo tipo magnético faz uso de umsensor Hall e um tambor magnético. O tambor magnético possui um certo número de pequenosímãs colocados numa certa ordem. O sensor Hall está localizado próximo ao tambor. Quandoo tambor gira, e os campos magnéticos dos pólos N- e S- do ímã passam pelo sensor Hall, aresistência do sensor Hall varia e a variação é detectada, indicando que o tambor está emmovimento de rotação. Algumas vezes, este tipo de sistema é projetado para incluir sinais defase para determinar a direção de rotação também.Características O sensor Hall é sensível as variações de temperatura. Portanto, um circuito de detecçãonecessita possuir um amplificador diferencial, ou um circuito ponte. A vantagem deste tipo deencoder é a durabilidade versus a vibração mecânica, além da performance superior em altavelocidade. Além disso, enquadra-se bem em circuitos de servo controle do tipo digital porquea saída é normalmente digital. 10
    • Uso Detecção de velocidade de servo motores AC / DC. Medidas de RPM de motores emgeral. (a) (b) Figura 1-6 Encoder Rotativo Tipo Magnético1-3-2 Encoder Tipo ÓticoTeoria Um encoder rotativo ótico é um disco com um certo número de pequenos cortes retânguloscolocados ao redor do disco como mostrado na Figura 1-7. A luz emitida pela fonte é recebidapelo sensor através do corte retângulo somente quando o corte está alinhado com a fonte e osensor. Um pulso é gerado quando a luz alcança o receptor. Como o disco gira, a velocidadede 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 derotação. Tal informação é usualmente proporcionada por um outro sinal no encoder. (a) (b) Figura 1-7 Encoder Rotativo ÓticoCaracterísticas 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 errosnos dados. Além disso, é fácil girar o disco. 11
    • 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 utilizadoé 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 aosinal ultra-sônico, um sensor ultra-sônico é vantajoso quando a interferência de sinais audíveistorna-se um problema. Por outro lado, um sensor sísmico que responde a freqüências muitobaixas de um terremoto é também um sensor de vibração.1-4-1 Sensor Ultra-sônicoTeoria A estrutura interna e um circuito equivalente de um sensor ultra-sônico é mostrado naFigura 1-8. Os elementos vibrantes são feitos de duas placas finas. Estas placas podem sertanto 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 afreqüência 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 sonoroultra-sônico atinge o elemento piezoelétrico, o elemento gera um sinal elétrico que é idêntico àfreqüência 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-sônicoCaracterísticas Sinais ultra-sônico não interferem com outros sinais acústicos na faixa de áudio de 50Hza 15kHz. Além disso, sinais ultra-sônicos são menos susceptíveis a sinais que operem em20kHz ou abaixo. Sinais ultra-sônicos exibem excelentes características de reflexão e sãoinsensíveis a presença de sujeira.Uso Os sensores ultra-sônicos são usados na identificação de objetos, e em dispositivos demedida de distância. Além disso, os sensores ultra-sônicos são encontrados em controladoresremotos, e em alguns equipamentos médicos. 12
    • 1-4-2 Sensor de VibraçãoTeoria Os sensores de vibração respondem às ondas propagadas através do ar ou em outrosmeios. Um exemplo é o microfone, que é um transdutor eletro acústico que responde as ondassonoras e as convertem para ondas elétricas. A estrutura interna de um microfone é mostradana Figura 1-9 (b). Um dispositivo similar ao microfone mas operando a uma freqüência muito baixa (faixa dealguns Hz) é também um tipo de sensor de vibração. Quando um dispositivo deste tipo ésubmetido a uma onda de choque, uma bobina móvel colocada dentro de um campo magnéticoproduz uma força eletromotriz. Este tipo de dispositivo é usado em levantamento topográfico. Um sensor de choque é construído baseado no efeito piezoelétrico. Uma tensãopiezoelétrica, que é proporcional a intensidade da onda de choque de entrada, é produzida nafreqüência característica do sensor. (a) (b) (c) Figura 1-9 Sensores de VibraçãoCaracterísticas 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. Asaída de freqüência de um microfone é uma representação exata da freqüência de uma fontesonora. A freqüência de saída de um sensor de choque baseado em piezoelétrico é a característicade freqüência do próprio elemento piezoelétrico. Somente a amplitude do sinal varia dependendoda amplitude da onda de choque de entrada. Um detector de choque requer um detector depico, porque encontrar o pico de um choque é o objetivo principal. A resposta em freqüênciatípica de um elemento sensor é de algumas centenas de Hz a alguns kHz, e a amplitude podeser 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 métodode detecção varia dependendo do tipo de sensor usado. Nesta seção, um sensor de gás baseadoem semicondutor é explicado. 13
    • Teoria O princípio de operação do sensor semicondutor TGS-813 é baseado nas propriedadesdos elementos Irídio (Ir) e Paládio (Pd). Como mostrado na Figura 1-10 (a), o elemento sensoré essencialmente uma construção de uma bobina aquecedora embutida em SnO2. A bobinaaquecedora é feita de Ir e Pd. Quando a corrente flui na bobina aquecedora em uma dadatemperatura, 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 doselétrons 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 GásCaracterísticas O sensor de gás apresenta uma resistência elétrica em uma dada concentração de gásnum ambiente limpo. A sensibilidade do sensor pode ser afetada pela temperatura e umidaderelativa ambientes. Portanto, a rede de compensação é necessária quando uma detecçãoprecisa é necessária. O sensor tipo TGS requer cerca de 2 ~ 3 minutos de aquecimento paramelhorar a precisão. Tipicamente, o resistência do elemento aumenta cerca de 20% após otempo de aquecimento.Uso Detecção de LNG, LPG, gás metano, CO, H, etc.1-6 Sensores de UmidadeTeoria 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 sãofeitos de óxidos de metal de MgCr2O4 e TiO2. O elemento sensor está posicionado entre doiseletrodos que são fabricados de RuO2. Finalmente, um elemento aquecedor limpante cobre aestrutura toda. 14
    • (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. Acondutividade entre dois eletrodos varia quando estes furos atraem misturas. A taxa de variaçãoda condutividade devido a alteração da umidade não é linear, e isto requer um amplificador decompensação. O objetivo do aquecedor limpante é remover partículas indesejáveis coletadospelo sensor.Características O elemento sensor é conectado a uma fonte de tensão AC em série com um resistor. Osinal de entrada é usualmente obtido em um ponto do divisor de tensão. Um amplificadorlogarítmico é usado para linearizar a saída do sensor.Uso Instrumentos de medida de umidade, sistema de controle de umidade e controle deumidade em aplicações médicas.1-7 Sensores de Pressão Dois tipos de sensores de pressão estão disponíveis neste momento: o primeiro tipo é acélula de carga que é normalmente usada em balanças eletrônicas. O outro tipo é um sensorbaseado 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 domaterial semicondutor que exibe variação de resistência para uma dada pressão aplicada. AFigura 1-12 mostra um tipo de sensor de pressão semicondutor no qual um diafragma de açoinoxidável transmite a pressão para o chip semicondutor na extremidade. Na Figura 1-13, ocircuito mostrado é usado com o sensor para produzir um sinal detectável. 15
    • (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 PressãoCaracterísticas 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 deum 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, umsensor de proximidade é essencialmente uma chave de proximidade. Uma chave de proximidadegera sinais de liga / desliga sem nenhum contato direto de um objeto.1-8-1 Tipos e Características(1) Chave de Proximidade Tipo Capacitância 16
    • 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 variadevido a proximidade de um objeto. Uma vez que a ponte é drenada para um estado dedesbalanceamento, 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 seguinteequação quando a área da superfície de aproximação do objeto é muito maior que a área doeletrodo. 0.57A C= D ................(pF)Onde:A = área do eletrodo em cm2D = distância entre o objeto e o eletrodo em cmCaracterísticas A faixa de detecção do sensor é tipicamente de alguns milímetros. Além disso, somenteobjetos metálicos podem ser detectados. Um objeto com tamanho grande que apresente umalto valor de capacitância com relação ao terra é detectado mais facilmente. Pelo motivo daconstante dielétrica do meio poder ser afetada pela umidade, operações errôneas podem ocorrerquando este tipo de sensor é usado em ambiente com alta umidade.(2) Sensores de Proximidade Tipo OsciladorTeoria Este tipo de sensor possui um oscilador que oscila em uma freqüência constante. Quandoum objeto aproxima, a indutância da bobina de detecção varia e portanto, a freqüência dooscilador também varia. Uma chave de proximidade tipo oscilador é mostrada na Figura 1-15. 17
    • (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 HenryC = capacitância em Farad XL Q= ROu ZTANK Q= XLOnde:R = resistência da bobinaZTANK = impedância do circuito LCXL = 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 éconsiderado 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 podee 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. 18
    • 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 ar ruído. - Para o tipo magnético se sensores de proximidade, assegure-se de não existir outrosm materiais magnéticos ao redor do sensor, porque estes materiais podem causar falsasd 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 HallTeoria Se um objeto (metal ou semicondutor) transportando uma corrente I é colocadatransversalmente no campo magnético B, um campo elétrico, chamado tensão Hall, é induzidasobre “a” e “b” na Figura 1-16 (b). Este campo elétrico é perpendicular em direção tanto comrelação a I como para B. Este fenômeno é conhecido como efeito Hall. Um elemento de resistência magnética é um semicondutor transportando corrente colocadoem um campo magnético. Uma força é exercida nos portadores de corrente apesar do portadorde corrente ser elétrons ou lacunas livres. Esta força modificará o caminho de deslocamentodas portadoras de tal modo que o comprimento do caminho será extendido. Por este motivo asportadoras de corrente percorrerão uma distância maior, portanto o objeto apresentará umaresistência maior. (a) (b) Figura 1-16 Sensores Hall e Efeito Hall 19
    • 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 TerminaisCaracterísticas - 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 Sensoras1-10-1 Chave ReedTeoria Como mostrado na Figura 1-18 (b), uma chave reed possui dois contatos magnéticoscolocados dentro de um vidro que é selado com algum tipo de gás inerte ou vácuo. Quando umímã é aproximado da chave, os contatos que são fabricados de material magnético atraem-semutuamente. Algumas vezes, os contatos reed são envolvidos por uma bobina como mostradona Figura 1-18 (c). Neste caso, uma corrente DC é necessária para fechar os contatos. Estetipo de dispositivo é chamado de relê reed. Uma chave reed e um ímã são normalmente usadoscomo sensor de proximidade. (a) (b) (c) Figura 1-18 Chave Reed e Relê Reed 20
    • 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 MercúrioTeoria 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 euma pequena quantidade de mercúrio em um tubo de vidro selado. Dependendo do ângulo dotubo, 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 MercúrioCaracterísticas - 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 LimiteTeoria Chaves de limite são similares as micro chaves. Quando a alavanca sensora épressionada pelo movimento, os contatos internos fecham.(a) Tipo Alavanca com Cilindro (b) Tipo Alavanca (c) Estrutura Figura 1-20 Chaves de Limite 21
    • Características Não é necessário fonte de alimentação para operar as chaves de limite. Os contatospodem transportar correntes elevadas. Além disso a operação liga / desliga é mais precisa queas chaves push button normais.Uso Circuitos de intertravamento, chaves de segurança em máquinas elétricas e mecânicas. 22
    • Seção 2 Circuitos de Processamento das Saídas dos Sensores2-1 Circuitos com Amplificadores Operacionais Um amplificador operacional (Amp. OP) é um circuito integrado analógico que executauma variedade de funções em circuitos eletrônicos. Aplicações típicas dos Amp. OP são comoamplificador de uso genérico, comparador, retificador de precisão, integrador, diferenciador eamplificador de instrumentação. Como os sinais de saídas da maioria dos sensores são fracos, eles precisam seramplificados antes de serem processados por circuitos eletrônicos. Os Amp. OP são usadospara 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 onome sugere, a saída do amplificador não-inversor está em fase com a entrada, enquantoexiste 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 definidosassumindo um amplificador ideal. - Ganho de loop aberto (AOL)......................... Infinito () - Resistência de entrada.................................Infinito () - Resistência de saída....................................Zero (0) - Quando Vin = 0, então Vout = 0Exemplo Qual deve ser a tensão de saída V0 quando os seguintes parâmetros são dados para ocircuito da Figura 2-1 (b)? 23
    • Resistência de entrada R1 = 20kΩResistência de realimentação R2 = 1MΩTensão de entrada Vi = 10mVResposta 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, existeuma pequena saída DC que aparece na saída de um Amp. OP prático mesmo que a entradaseja 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 operaçãoe na tensão de alimentação. Além disso, para um amplificador inversor com a entrada nãoinversora aterrada, existe uma pequena corrente de polarização fluindo através do terminal deentrada (R1) e pelo resistor de realimentação (R2) como mostrado na Figura 2-2. Isto é naverdade 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 entradanão 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 circuitosClipper ou de Clamping também. Figura 2-3 Correção do Offset DC pela Adição de um Resistor Fixo 24
    • (a) (b) Figura 2-4 Circuitos com Offset Ajustável2-1-3 Amplificador Diferencial Como o nome indica, um amplificador diferencial amplifica somente a diferença entre asduas entradas (inversora e não inversora). Portanto, quando ambos os sinais de entrada sãoaumentados ou diminuídos na mesma direção, a saída do amplificador diferencial mantém-sea mesma. Os amplificadores diferenciais são críticos na detecção de sinais de fuga na presençade ruído ou outros sinais de interferência que aparecem em ambas as entradas. Um amplificadordiferencial 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 amplificadordiferencial pode ser analisado observando uma entrada de cada vez. Quando o ponto V2’ éaterrado 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 oamplificador não inversor. A entrada real do terminal de entrada não inversor é: R V Â2 = [ R2 +R3 ]V 2 ...................................................................... 3 25
    • Portanto, a saída não inversora é: RF RF R3 V 0 = [1 + R 1 ]V 2 Â = [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 diferençaentre as duas entradas. O amplificador diferencial de ganho unitário pode ser consideradocomo um subtrator analógico.2-1-4 Comparador Um circuito comparador de tensão compara os valores de duas tensões de entrada eproduz uma saída que indica a amplitude relativa das duas entradas. A indicação dos resultadospode 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 émenor que a referência, a saída irá para -Vsat, ou ficará próxima da tensão - de alimentação. Apolaridade 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 zenerrepresenta o resultado da comparação. Este tipo de circuito é vantajoso quando a saída docomparador faz interface com um circuito TTL. A tensão +Vs na circuito é +5V na aplicaçãoTTL.2-2 Circuitos Ponte Um circuito ponte faz uso da técnica baseada no estado balanceado e não balanceado daponte. Um circuito ponte é mostrado na Figura 2-7. 26
    • Figura 2-7 Um Circuito Ponte Quando a ponte na Figura 2-7 é balanceada, as seguintes relações são mantidas. R RXa. RS B = RAb. IX . RA = IS . RB ou IX . RX = IS . RSc. 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 noestado 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. Porexemplo, o valor de RX na ponte balanceada teve um pequeno aumento devido a alteração natemperatura 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 estadobalanceado.RA = 1kΩ = resistor de referênciaRB = 1kΩ = resistor de referênciaRX = 500Ω = resistência a medirEB = 10V = tensão de alimentação da ponte (DC ou AC) A equação acima: R X .R B 500x1000 RS = RA = 1000 = 500Ohms 27
    • 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 ~6.6mAERA em “a” = IX . RA = 0.0055 x 1000 = 5.5VERB em “b” = IS . RB = 0.0066 x 1000 = 6.6VPortanto, 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 variaçõesambientais e todos os resistores possuírem o mesmo coeficiente de temperatura, então nãoexistirá erro no circuito ponte.2-3 Conversores A/D e D/A2-3-1 Conversor A/D As saídas elétricas da maioria dos sensores são sinais analógicos. Para que sinaisanalógicos sejam aceitos pelo sistema digital ou controladores micro processados, os sinaisanalógicos devem ser convertidos em sinais digitais. Um conversor A/D é usado para esteobjetivo.Métodos de Conversão A/D(1) Tipo Comparação ParalelaTeoria Um conversor A/D tipo comparação paralela é mostrada na Figura 2-8. Este tipo de técnicade conversão, que é também chamada de conversão rápida, é a técnica de conversão maisrápida disponível. Além disso, a teoria operacional é muito simples e fácil de ser compreendida. Figura 2-8 Conversor A/D Tipo comparação Paralela 28
    • O divisor de tensão fornece uma referência para uma entrada de cada comparador detensão. O valor de referência para cada comparador é a tensão total entre +Ref e -Ref divididopor n, que é o número de comparadores. Portanto, o valor de cada ponto do divisor de tensãorepresenta uma faixa específica do total de tensão fornecida. Todos os valores de resistores deR0 a Rn devem ser idênticos. A chave de entrada é colocada para operar na velocidade do clockdo sistema. A tensão de entrada analógica vinda da chave de entrada é aplicada primeiramente aocapacitor Amostrador / Retentor (Sample / Hold - S/H). A tensão de S/H é comparada com ovalor de referência em cada comparador. Como resultado, as saídas daqueles comparadoresem que o valor de referência é menor que a entrada analógica tornam-se alta. As saídas detodos os outros comparadores mantém-se em zero. As saídas resultantes dos comparadoressão 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 eRetenção 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 IntegraçãoTeoria Como mostrado na Figura 2-10 (a), um conversor A/D de dupla integração consiste deum seletor de entrada, um comparador e um contador / controlador lógico centralizado aoredor de um integrador. A temporização e a forma de onda do integrador são mostradas naFigura 2-10 (b). 29
    • (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 acarga do capacitor seja zero. Quando a integração começa e decorre-se um período de Tinsegundos, 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 polaridadeoposta até que a carga seja drenada para zero. Assumindo que o tempo deste processo sejaTref 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 refprecisamente, 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 SucessivaTeoria Um conversor A/D do tipo aproximação sucessiva consiste de um comparador, umconversor D/A, registrador de aproximação sucessiva (SAR) e circuitos de controle. Talconfiguração é mostrada na Figura 2-11. 30
    • 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 deconversão começa. Primeiramente, o SAR gera um código que é equivalente a 1/2 do fundo deescala da entrada analógica e envia o código para o conversor D/A. A seguir, o comparadorcompara 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 ocomparador repete o mesmo processo, armazenando “1” ou “0”. Este processo continua atéque o bit menos significativo (LSB) seja examinado. O processo de conversão passo-a-passode 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 1Figura 2-12 Processo de Conversão do Conversor A/D de Aproximação Sucessiva de 6 BitsCaracterísticas - 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
    • TCONV = (TCOMP + TDA + TSAR) + NOnde:TCOMP = tempo de atraso do comparadorTDA = tempo de ajuste do comparadorTSAR = tempo de atraso do SARN = número de bits2-3-2 Conversor D/A Os conversores D/A são mais simples que os conversores A/D, e não existem muitostipos diferentes. Além disso, o custo é praticamente o mesmo independentemente do númerode bits do sinal de entrada. Os conversores D/A são necessários onde os sinais digitalizados pelos conversores A/Dprecisam ser convertidos de volta para sinais analógicos.Teoria Um conversor D/A ponderado é mostrado na Figura 2-13. O conversor consiste de circuitoschaveadores 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 correntena entrada do Amp. OP também deve trabalhar em formato binário. Portanto, quando a correnteatravés do LSB (bit-a) é ia, os valores dos resistores de Ra a Re devem ser determinados parasatisfazerem 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
    • Uma vez que as correntes são somadas na entrada do amplificador, a corrente total Is éconvertida para tensão na saída do amplificador operacional. A tabela na Figura 2-14 ilustra aconversão 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 2-4Características O conversor D/A nesta seção possui velocidade de conversão similar ao conversor A/Dpor aproximação sucessiva, mas com um circuito muito mais simples. 33
    • Seção 3 Introdução do Sistema ED-6800B3-1 Informação Geral sobre ED-6800B O sistema de treinamento ED-6800B é uma ferramenta de aprendizado em sensorescompreensivo e potencial. O sistema consiste de 2 unidades principais e 8 unidades sensoras.Uma das unidades principais é um amplificador operacional baseado em amplificador seguidopor um comparador. A outra unidade é uma unidade conversora de sinais A/D e D/A. Como asunidades sensoras são disponibilizadas em formato modular, é fácil e conveniente expandir osistema quando mais módulos são necessários. A alimentação DC para a unidade sensoras éfornecida 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 peça3-1-1 Especificações 34
    • (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. 100µsConversor 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. 50µsEspecificação Geral i. Alimentação de Entrada: .................................... 110V / 220V AC - 50Hz ~ 60Hz j. Dimensões: ....................................................... 345(L) x 120(A) x 220(P)mm(3) Unidades SensorasSU-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, 1ASU-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, 1ASU-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
    • d. Resolução: ....................................................... 100 pulsos / rotação e. Resposta: ......................................................... 25kHz f. Velocidade do Motor: .......................................... 0 ~ 4500 RPM g. Alimentação de Entrada: .................................. ±15V DC, 1ASU-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, 1ASU-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, 1ASU-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, 1ASU-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
    • - Especificação Geral k. Alimentação de Entrada: ................................... ±15V DC, 1ASU-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, 1A3-1-2 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
    • (7) Sensor de Choque (6800-9)a. Saída:................................................................ Maior que 4Vpp com carga de 56k Ω (para choque 40G)b. Freqüência de Ressonância: ............................ 2kHz ± 1kHzTermômetro de Ácool Sensor de Temperatura Foto Sensor (6800B3~5) Transdutor Ultrasônico Sensor de Choque (6800B1~2) Sistema de Treinamento Caixa de Acessórios 38
    • 3-2 Informação Operacional3-2-1 Cautela As seguintes informações são necessárias para garantir uma operação segura e comsucesso 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, umafonte 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 seleçãode 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 excessiva3-2-2 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. OPconsiste de um amplificador operacional e um comparador com offset DC. Os seguintes circuitospodem ser montados usando a Unidade Amp. OP.Amp. OP - Amplificador com acoplamento AC - Amplificador com acoplamento DC - Amplificador não inversor - Amplificador diferencialComparador / Offset DC - Experimentos de controle de offset zero DC - Circuitos comparadores 39
    • 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. Asentradas digitais são sinais de 8 bit com nível TTL. A entrada de referência do conversor éajustável. O painel frontal da unidade é mostrado na Figura 3-2. Figura 3-2 Unidade Conversora de Sinal (CU-6802) 40
    • 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 oresfriador (ventilador) são usados com os sensores de temperatura. Estes aquecedor eresfriador podem ser controlados externamente. A ponte interna à unidade é uma ponte deresistores, e aceita qualquer tipo de sensor que apresente variação de resistência comoresultado da detecção. A faixa de resistência da ponte é de 500Ω a 10kΩ. A fonte DC da ponteestá incorporada ao circuito. Entretanto, existem terminais para proporcionar a alimentaçãoexterna 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 fotosensores são executados. A unidade fornece tensões de polarização AC e DC ajustáveis paraum LED. A faixa de freqüência ajustável da polarização AC é de 100Hz a 10kHz. O painelfrontal da Unidade Foto Sensora é mostrado no Figura 3-4. 41
    • 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 rotativousado na unidade é um tipo de encoder de alta resolução de 8 bits que produz 100 pulsos porrotação. Para estabelecer o ponto de referência, uma saída de índice zero é fornecida. A resoluçãode posição é equivalente a 360 graus dividido por 100 pulsos. O painel frontal da unidade émostrado na Figura 3-5. Figura 3-5 Unidade Sensora SU-6805 42
    • (6) Unidade Sensora SU-6806 A Unidade Sensora SU-6806 é uma unidade de experimentos ultra-sônicos. A unidadefornece fonte ultra-sônica de alta qualidade. Além dos experimentos ultra-sônicos, a unidadetambém oferece experimentos relacionados com sinais acústicos, particularmente usandoum microfone. A freqüência ultra-sônica usada está em torno de 40kHz, e a unidade contémum oscilador com uma freqüência de saída de 20 ~ 100kHz para gerar sinais ultra-sônicos. Opainel 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. Ostipos de gases que a unidade pode detectar são hidrogênio, LPG, LNG e metano. A unidadepode determinar a quantidade de gás presente, e se a quantidade detectada ultrapassa o nívelpré-ajustado, e a unidade dispara um alarme. O detector usado é um tipo semicondutor queexibe uma alteração na condutância. Uma vez que a alteração produz um sinal, ele é amplificadopor um amplificador diferencial. O painel frontal da unidade é mostrado na Figura 3-7. Figura 3-7 Unidade Sensora SU-6807B 43
    • (8) Unidade Sensora SU-6808B) A Unidade Sensora de Umidade SU-6808B mede a umidade relativa, não a umidadeabsoluta. Um sensor tipo semicondutor é usado na unidade. Por causa das características desaída do sensor ser logarítmica, a unidade sensora emprega um amplificador anti-logarítmicopara linearizar a saída. A alimentação para polarização do sensor semicondutor é AC, ao invésde DC. Este sinal senoidal AC é gerado internamente. A freqüência do sinal de polarização édeterminada 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-6809consiste de pequenos objetos a serem detectados (aço, plástico e ímã) e dos sensores. Estesobjetos são colocados num disco rotativo no qual a velocidade é controlada pelo usuário. Comtal arranjo, é fácil executar uma variedade de experimentos relativos a movimento, distância epressão. - 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 de1 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 dissoos sensores Hall e de pressão possuem amplificadores internos à unidade para detectar aalteração na resistência. 44
    • Figura 3-9 Unidade Sensora SU-6809(10) Unidade Sensora SU-6810 Contrário aos outros sensores, as chaves sensoras reed / mercúrio / limite não requeremnenhuma detecção especial ou circuitos amplificadores. A alimentação não é necessária paraas chaves, e estas chaves são insensíveis a ruído. O painel frontal da unidade sensora émostrado 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
    • Seção 4 Experimentos com Sensores4-1 Experimentos de Aplicação de Sensor de Temperatura4-1-1 Detecção da Saída de TermoparObjetivos Experimentar um sensor de temperatura usando um termopar. Experimentar ascaracterísticas 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 éproporcional a temperatura. Em um termistor, a saída é uma variação de resistência. A saídado termopar deve necessitar de um amplificador e algum tipo de circuito de processamento dosinal. Para o sensor termistor, um circuito ponte de resistor é normalmente necessário. Alémdisso 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
    • - Sensor de Temperatura 6800-1: 1 peça - Multímetro Digital: 1 peça - Termômetro Digital: 1 peça - Ferro de Solda: 1 peçaProcedimento 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 aFigura 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
    • Figura 4-3Figura 4-4 48
    • 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 TermistorObjetivos 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 coeficientede temperatura negativo (NTC), a resistência do termistor torna-se menor quando a temperaturaaumenta. 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 dealteração 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 serbalanceada inicialmente ajustando Rs para obter saída zero. Qualquer alteração em Rx devidoa variação de temperatura após o balanço ser obtido aparece na saída da ponte. A sensibilidadedo 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
    • 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
    • 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 forçadousando 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 aparececomo 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 ajustadapara 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
    • 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 DadoObjetivos 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. Aresolução, portanto, é 1/256 (ou 1/28) do fundo de escala. O valor de entrada analógico máximoé 5V. Entretanto, um atenuador é fornecido para aceitar sinais de 10V. A entrada de referênciaé 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 peçaProcedimento 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
    • Figura 4-86. 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
    • 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 Sensores4-2-1 LEDs e Foto SensoresObjetivos Entender a operação de um LED infravermelho e um transistor receptor na detecção deobjetos.Revisão da Teoria Dois tipos de foto sensores são considerados nesta seção: detecção da interrupção deluz entre uma fonte e o objeto, ou a recepção da luz refletida no objeto. Não importando que tipode 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
    • onda ultravioleta que é menor que o comprimento de onda da luz visível.Equipamentos Necessários - Unidade Amp. OP OU-6801B: 1 peça - Unidade Sensora SU-6804: 1 peça - Multímetro Analógico: 1 peça - Módulo LED (fonte): 1 peça - Módulo Foto Transistor (receptor): 1 peça - Osciloscópio: 1 peçaProcedimento Experimental 1. Desligue a Unidade Amp. OP. Faça as conexões das unidades de acordo com a Figura 4- 11. Selecione a polarização (Bias) da unidade sensora para DC. 2. Encaixe os módulos LED e foto transistor no guia de ajuste de distância. Ajuste a distância entre os dois módulos em 5mm. Ligue a alimentação. 3. Ajuste o nível de polarização (BIAS) para aproximadamente 5 (meio). Usando a faixa x100 do multímetro, meça a condutância entre o coletor e o emissor do foto transistor. Figura 4-10 Módulos LED e Foto Transistor 4. Mova o módulo receptor gradativamente para longe do módulo LED, e a cada 5mm meça a condutância como indicado no multímetro. Desenhe o gráfico mostrando as medidas incluindo o valor inicial. 5. Aumente a polarização (BIAS) para o nível máximo (10), e repita o passo 4. Compare a sensibilidade entre os dois casos: - Para a dada distância, a polarização é incrementada por um fator 2. - Para a dada polarização, a distância é decrementada por um fator 2. Em que caso a sensibilidade é melhor? 6. Conecte o plug do sensor receptor aos terminais R-device, e selecione o multímetro analógico para DC 15V. Conecte o voltímetro a saída do Foto sensor e ao GND. 7. Ajuste o nível de polarização (BIAS) para 5. A cada incremento de 5mm, meça a tensão de saída do foto sensor, e desenhe uma curva mostrando a relação. Encontre a taxa de variação da tensão de saída como uma função da distância. 8. Ajuste a distância entre a fonte e o receptor em 10mm. Obstrua a recepção do sinal colocando um pedaço de papel entre a fonte e o foto sensor, e verifique se a tensão de saída altera. No caso de alteração, explique o porquê. 9. Desligue momentaneamente a Unidade Amp. OP, e altere a conexão conforme a Figura 4-12. 10. Ajuste a polarização (BIAS) do dispositivo T-Device da unidade sensora para AC 100Hz, e ajuste o nível de saída para 5. Ajuste o osciloscópio para mostrar sinal de 2V / 100Hz. 11. Ajuste a distância entre o foto diodo e o sensor foto transistor para 5mm, e ligue o Unidade Amp. OP. 55
    • Figura 4-1112. Meça a tensão de saída pico-a-pico no osciloscópio. Meça a tensão de saída com omultímetro a cada 5mm de intervalo, e desenhe a curva mostrando o resultado. Figura 4-12 56
    • 13. Altere a polarização (BIAS) para 1kHz, e repita o passo acima. Desenhe uma curva em linha tracejada na Figura 4-13. Meça a tensão de pico-a-pico no osciloscópio e esboce aforma de onda em uma folha de papel. Figura 4-13 14. Ajuste o nível de polarização para 10, e repita os passos 11 e 12. 15. Ajuste a distância entre a fonte e o receptor em 10mm. Obstrua a recepção do sinal colocando um pedaço de papel entre a fonte e o sensor, e verifique se a tensão de saída altera. Compare com o passo 8. No caso do resultado ser diferente, explique o porquê.Resumo 1. A tensão de entrada e a saída luminosa da fonte de luz possuem uma relação linear dentro dos limites. Portanto, quando a corrente de entrada na fonte é incrementada por um fator 2, a tensão de saída no receptor decrementa por um fator 2 também. De modo oposto, quando a distância é incrementada por um fator 2, a saída do receptor decrementa por um fator 1/4, ou inversamente proporcional ao quadrado da taxa de variação na distância. 2. As características de alta freqüência de um sistema de transmissão é caracterizada aplicando-se uma onda quadrada à entrada. No caso das bordas agudas serem perdidas, significa que a resposta a alta freqüência do sistema é deficiente. As características de boa performance em alta freqüência são importantes para obter boa qualidade nas comunicações óticas. 3. Os foto sensores devem ser isolados de luzes indesejadas. Por esta razão, foto sensores típicos utilizam detectores infravermelho. Além disso, sinais AC ou técnicas de modulação de pulso podem ser utilizadas. O uso de filtros apropriados também é eficiente na redução de ruído.4-2-2 Foto Chaves CdS e Foto AcopladoresObjetivos Estudar as características das células CdS e dispositivos foto acopladores.Revisão da Teoria A saída de uma célula CdS varia quando a intensidade da luz incidente varia. Estapropriedade torna, em alguns casos, a célula CdS mais fácil de se utilizar do que um fototransistor. Os projetistas podem selecionar os valores de resistência e corrente corretos apartir dos catálogos dos fabricantes. Um exemplo de aplicação da uma célula CdS como umachave automática para iluminação de rua é mostrada na Figura 4-14. 57
    • Figura 4-14 As células CdS são essencialmente reles sem contato. Quando combinados com fotoacopladores, uma célula CdS pode servir como um controlador de volume eletrônico comomostrado na Figura 4-15. Figura 4-15 Controle de Volume sem Contato O tempo de resposta da célula CdS usada neste experimento é de aproximadamente10ms, e a máxima sensibilidade é 520nm. Este comprimento de onda cobre a faixa de luzvisível, e portanto, este sensor pode ser usado também como medidor de exposição a luz.Equipamentos Necessários - Unidade Amp. OP OU-6801B: 1 peça - Unidade Sensora SU-6804: 1 peça - Multímetro Analógico: 1 peça - Sensor CdS: 1 peça - Módulo Lâmpada Incandescente: 1 peçaProcedimento Experimental 1. Mantenha a alimentação da Unidade Amp. OP desligada, e faça as conexões como mostrado na Figura 4-16. Ajuste a polarização (BIAS) do dispositivo T-Device da unidade sensora para DC, e ajuste o nível de polarização (BIAS) para o mínimo. 2. Ajuste a distância entre os módulos lâmpada e CdS para cerca de 20mm, e ligue a alimentação. 3. Meça a resistência da célula CdS com a polarização (BIAS) do dispositivo T-Device ajustado em 0. Aumente o nível de polarização lentamente, e meça a resistência com a polarização ajustada para 5 e 10. 4. Cubra a lâmpada e o sensor CdS com um papel preto e repita os passos 2 e 3.NOTAS: A razão de cobrir é que o sensor CdS responde a luz visível. Para que receba uma luzespecífica, a cobertura é necessária para bloquear as luzes indesejáveis. Além disso, os sensores 58
    • CdS são dispositivos lentos. Portanto, os sensores CdS são usados na detecção de sinaisluminosos com variação lenta. Figura 4-16 5. Desligue momentaneamente a Unidade Amp. OP, e refaça as conexões conforme a Figura 4-17. Conecte o pino 6 do Amp. OP ao pino 8. Ajuste a polarização para DC, e o nível de polarização para 0. Figura 4-17 59
    • 6. Ajuste a distância entre a lâmpada e a célula CdS em 5mm. Cubra a célula CdS parabloquear qualquer outra fonte de luz diferente da luz da lâmpada. 7. Ligue a alimentação. Ajuste a polarização de offset para obter saída 0. 8. Incremente a polarização do dispositivo T-Device de 1 até 10, e meça a saída do Amp. OP. Se a saída varia linearmente com a variação da polarização, então o fotoacoplamento está funcionando corretamente.NOTAS: O brilho da lâmpada não é proporcional a tensão aplicada. Na maioria das aplicações,os sinais de entrada dos foto acopladores são formas de onda do tipo de chaveamento. Portanto,a velocidade de chaveamento é o parâmetro chave para o foto acoplador. 9. Na Figura 4-16, ajuste a velocidade de rotação do disco para aproximadamente 30 RPM (uma revolução a cada 2 segundos), e aproxime o sensor CdS de tal maneira que possa receber o sinal luminoso emitido de dentro do disco. Observe a mudança de resistência usando um multímetro. Movimente o sensor de tal modo que receba o sinal luminoso de fora do disco. Aumente a velocidade do motor gradualmente, e observe a forma de onda no osciloscópio. Discuta a diferença na performance entre os sensores foto transistor e célula CdS, se existir. 10. Conecte o sensor foto transistor como mostrado na Figura 4-12 e coloque o foto sensor onde existe uma lâmpada fora do disco. Aumente a velocidade do motor, e observe a forma de onda no osciloscópio. Ajuste a base de tempo do osciloscópio para CAL, e meça o período do sinal. Repita o experimento com o sensor CdS e compare os resultados.Resumo 1. Embora o sensor CdS seja um dispositivo lento, possui uma largura de banda ampla, tornando possível a transmissão de sinal analógico. O sensor CdS com potência relativamente alta (alguns watts) podem ativar um relê sem a amplificação do sinal do sensor. 2. Um foto acoplador é usado onde isolação de segurança é necessária entre dois pontos diferentes de um circuito. Tal isolação é necessária para proteger os operadores e o equipamento.4-3 Aplicações de Encoder de Rotação4-3-1 Detecção de Velocidade e Direção de RotaçãoObjetivos Aprender como medir velocidade de rotação e detecção de direção de rotação usando umencoder rotativo.Revisão da Teoria A informação de velocidade de rotação é usada para calcular a trabalho efetuado em umamáquina rotativa, ou para controlar o sistema automaticamente. A seguir é fornecido um resumodo encoder rotativo usado no sistema ED-6800B.Características Elétricas - Tensão de Entrada: ............................................ 5V DC - Corrente de Saída: ............................................. 80mA - Forma de Onda de Saída: .................................. Quadrada - Número de Fases de Saída: ............................... 2 (A, B) - Resolução (P/R): ................................................ 100 pulsos por revolução - Sensor de Rotação: ........................................... Tipo foto 60
    • - Resposta: ........................................................... 25kHzCaracterísticas Mecânicas - Torque Inicial: ...................................................... 0.29mN.m (3gf.cm) máximo - Inércia: ................................................................ 3gf/cm2 máximo A relação de fase entre as saídas A e B do encoder é mostrada na Figura 4-18. Figura 4-18 Fases de Saída do Encoder Rotativo O objetivo das duas fases é determinar a direção de rotação. Alguns encoder possuem asaída Z. Esta saída é usada para estabelecer um ponto inicial. Um pulso aparece na saída Z acada revolução. O circuito de saída das saídas A e B é mostrada na Figura 4-19. O tipo de circuito daFigura 4-19 (a) é usada no ED-6800B. Na Figura 4-20, um flip-flop J-K é usado para determinara direção de rotação. (a) (b) Coletor Aberto Figura 4-19 Figura 4-20 Circuitos Lógicos de Direção de Rotação 61
    • Equipamentos Necessários - Unidade Conversora de Sinal CU-6802: 1 peça - Unidade Sensora SU-6804: 1 peça - Osciloscópio 20MHz, 2 canais: 1 peça - Multímetro Digital: 1 peça - Freqüencímetro 5MHz: 1 peçaProcedimento Experimental 1. Mantenha a alimentação da Unidade Conversora de Sinal desligada, e faça as conexões conforme a Figura 4-21. Assegure-se de que a conexão entre o motor DC e o encoder rotativo esteja segura girando manualmente com cuidado. Figura 4-21 2. Ajuste o V-Reference do conversor de sinal A/D para a posição CAL, e ajuste a velocidade do motor DC para 0. 3. Ajuste o osciloscópio para medida de pulso de 5V, 10Hz ~ 5000Hz. 4. Ajuste o multímetro digital para a faixa DC 0 ~ 12V, e conecte ao pontos de teste de tensão da entrada do motor. Também ajuste o freqüencímetro para medir ambas as saídas A e B. 62
    • 5. Ligue a Unidade Conversora de Sinal, e ajuste a velocidade do motor para a posição intermediária. Obtenha a saída do encoder no freqüencímetro e no osciloscópio. A forma de onda no osciloscópio deve ser a mesma das formas de onda A e B da Figura 4-18. 6. Reduza a velocidade do motor para zero. Aumente um pouco a velocidade, e meça a tensão de entrada do motor DC e a freqüência da fase A do encoder. Desenhe um gráfico usando o formato dado na Figura 4-22.NOTAS: A freqüência medida é equivalente a 100 pulsos por revolução do encoder rotativo.Portanto, quando a velocidade do motor é 20 vezes por segundo, o freqüencímetro deve indicar20 x 100 =2000. Além disso, a velocidade do motor em RPM pode ser calculado como: Frequ ˆncia_do_Encoder(Hz) ¨e RPM = Contagem_de_Pulso_por_Volta_do_Encoder x60 Figura 4-22 7. Repita o passo 6, e preencha a tabela da Figura 4-23 com os valores binários do contador de 8 bits e o equivalente decimal nas várias tensões de entrada do motor. Saída Digital 8 bits Tensão de Entrada do Motor D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Valor Decimal 0.0V 0.5V 1V 1.5V 2V : Figura 4-23 63
    • Notas: A contagem de pulso do encoder é ponderado por um fator igual a 1/20 devido a limitaçãode contagem do sistema de 8 bits que é 28 = 256 no máximo. Como a contagem de pulso doencoder é muito maior que o número mostrado abaixo, a contagem de pulso precisa ser reduzidaantes de ser aplicada a entrada de 8 bits. RPM_do_Encoder_x_100_pulsos ¨ ˆncia_do_Encoder = Freque 60Exemplo Para velocidade do motor de 3000 RPM Freqüência do encoder = 5000 Hz Entrada de 8 bits = 5000 / 20 = 250 8. Expresse a relação entre a entrada do motor e os valores decimais em um gráfico X-Y como especificado na Figura 4-24. Examine a linearidade da linha. Explique em que condições a não linearidade começa a aparecer. Figura 2-24 Figura 4-25 64
    • 9. Ajuste a entrada do motor para 10V. Ajuste o V-Reference do conversor A/D de tal modo que o medidor analógico indique 5V. Reajuste a entrada do motor para 0V. 10. Aumente a entrada do motor em incremento de 1 volt, e meça a saída do conversor D/A e desenhe o gráfico X-Y. Verifique se a saída é linear com relação a tensão de entrada do motor. Se não, explique por que. 11. Defina a lógica do flip-flop J-K quando os sinais A e B da Figura 4-18 são aplicados ao circuito da Figura 4-20. A tabela verdade e símbolos lógicos do CI CMOS 4027 são mostrados na Figura 4-25.  Resumo 1. Um encoder rotativo, ou um taco sensor, é usado para detectar a velocidade e a direção de rotação das máquinas. Para melhorar a resolução, as saídas dos encoder são de 10 ~ 500 pulsos por revolução.NOTAS: Quando a tensão de entrada do motor é ajustada para variar a velocidade do motor,deve ser considerado que existe uma tensão morta abaixo da qual o motor não girará. A tensãomorta não é constante para um dado motor, mas varia dependendo da carga. 2. Dois pulsos (A, B) com 90° de diferença de fase são fornecidos pelo encoder rotativo. A direção da rotação é determinada pela avaliação da diferença de fase mostrada na Figura 4- 18 (A->B) ou B->A). A informação da fase detectada é processado através de um circuito lógico (Figura 4-20), ou um flip-flop (Figura 4-20). Na Figura 4-25, os símbolos lógicos e a tabela verdade do circuito da Figura 4-20 são apresentados. 3. Se as saídas dos sensores são convertidos para o formato digital, os computadores podem ser usados para controlar o processo ou gerenciar os dados. Entretanto, no caso de um sinal de realimentação em um circuito de loop fechado precisa ser um sinal analógico, um conversor D/A é necessário para a conversão.4-3-2 Detecção de RPM e Posição AngularObjetivos Medir o RPM e a posição angular de um motor usando um encoder rotativo.Revisão da Teoria A velocidade (RPM) e a informação de posição de uma máquina rotativa são importantesparâmetros no controle de processo. O encoder usado neste experimento fornece uma saídacom 100 pulsos por revolução. Portanto, quando um motor gira a uma velocidade de 4000RPM, o número de pulsos contados deve ser 24 x 106. Como um número muito grande não éfácil de ser tratado, este número é processado através de um circuito divisor por 100. Para detectar a posição angular de um dado ponto, uma posição de referência deve serestabelecido primeiramente. Na Figura 4-26 e 4-27, uma técnica para determinação do índicezero é mostrado. A resolução angular do arranjo na Figura 4-27 é 360° / 100° = 3.6° por pulsoquando o encoder fornece saída de 100 pulsos por revolução. Portanto, quando um motorpára, e a contagem de pulso é 25 para o dado ponto, este ponto é a posição 3.6° x 25° = 90° apartir do índice zero. Figura 4-26 Sinais das Fases A, B e o Índice Zero 65
    • Figura 4-27 Detecção do Sinal do Índice Zero através de um SensorResumo 1. O índice zero deste sistema é ajustado mecanicamente. Entretanto, o índice zero pode ser ajustado para qualquer posição se um contador é usado. 2. Os encoders são encontrados em máquinas de controle numérico computadorizado (CNC) para controlar velocidade e posição.4-4 Aplicações do Sensor de Vibração4-4-1 Transmissão e Recepção de Som Ultra-sônicoObjetivos Entender as características de um transdutor ultra-sônico e sensor ultra-sônico.Experimentar os fundamentos da comunicação ultra-sônica.Revisão da Teoria Na Figura 4-28, um circuito equivalente e as características de reatância de um transdutorultra-sônico são mostrados. (a) Circuito Equivalente (b) Características de Reatância (c) Sensor de Transmissão (d) Sensor de Recepção Figura 4-28 Características do Sensor Ultra-sônico 66
    • A saída do gerador da Unidade Sensora, que é usada como entrada para o transdutor, éum sinal de onda quadrada. Entretanto, a forma de onda da saída de uma onda sonora ésenoidal. Aterrando a entrada de controle interrompe-se a geração de onda quadrada. Quandoum sinal de onda quadrada, como mostrado na Figura 4-29 (a), de um gerador de funções éaplicado para a entrada de controle, um sinal ultra-sônico como mostrado na Figura 4-29 (b)pode ser obtido. Tal sinal é usado nas unidades de controle remoto nas aplicações comerciais. Figura 4-29 O ganho do amplificador do sensor é da ordem de 100, e medindo-se a saída doamplificador, pode-se determinar a sensibilidade do sensor.Equipamentos Necessários - Unidade Amp. OP OU-6801B: 1 peça - Fonte de Alimentação Simétrica (0 ~ ±20V): 1 peça - Unidade Sensora SU-6806B: 1 peça - Osciloscópio, traço duplo: 1 peça - Gerador de Funções: 1 peça - Freqüencímetro: 1 peçaProcedimento Experimental 1. Mantenha a fonte de alimentação desligada. Faça as conexões de acordo com a Figura 4- 30. Ajuste o osciloscópio para 40kHz, 0.1V/DIV. Figura 4-30 67
    • 2. Ajuste o gerador para 40kHz, e ligue a chave do amplificador do sensor.3. Ligue a alimentação, e aproxime o módulo de transmissão para próximo da unidade sensora,e verifique no osciloscópio o sinal recebido. Varie a distância entre o transmissor e o recep-tor e meça a tensão de pico-a-pico observada no osciloscópio. Registre estes valores naFigura 4-31 na coluna 40kHz. Explique a relação entre a amplitude do sinal e a distância. Frequência / 20kHz 25kHz 30kHz 40kHz 50kHz 60kHz 70kHz 80kHz Distância cm cm cm cm Figura 4-314. Fixe a distância entre o transmissor e o receptor. Varie a freqüência do gerador comoindicado na Figura 4-31, e meça a tensão pico-a-pico. Registre os valores.5. Para uma dada distância, transmita um sinal ultra-sônico através de objetos de metalassim como de madeira, e observe a diferença no sinal recebido. Assegure-se de que osobjetos sejam posicionados de maneira que o receptor receba a maior parte do sinal refletido.Explique porque existe diferença entre o metal e a madeira.6. Desligue a alimentação, e conecte o gerador de funções com impedância de saída de50W à entrada de controle do circuito gerador como mostrado na Figura 4-32. Figura 4-32 68
    • 7. Ajuste o gerador de funções para saída de onda quadrada de 100Hz com 15Vpp. Ajuste o CH-1 do osciloscópio para medida de 100Hz, 0.1Vpp e o CH-2 para 100Hz, 0.2Vpp. 8. Ligue a alimentação e também ligue a chave do amplificador do sensor. Aproxime o módulo transmissor do sensor, e observe a forma de onda no osciloscópio. Compare a diferença entre as formas de onda do CH-1 e CH-2.Resumo 1. A sensibilidade de um sensor ultra-sônico é maximizado quando é operado na freqüência de ressonância do sensor. 2. Um sinal sonoro ultra-sônico pode ser recebido através de transmissão direta assim como por reflexão em um objeto. Quando maior a densidade do objeto refletor, maior a intensidade do sinal refletido. 3. Controladores remotos utilizam sinais ultra-sônicos em formato codificado.4-4-2 Medida de Aceleração usando Sensor de ChoqueObjetivos Medir a aceleração de um objeto em queda usando sensor de choque.Revisão da Teoria Quando estiver usando um sensor de choque, fique atento para as característicasdirecionais do sensor. Além disso, a faixa segura de medida de choque é importante. Excedero limite da faixa pode danificar permanentemente o sensor. Dois tipos de sensores de choque são mostrados na Figura 4-33. Um deles, o acelerômetropiezoelétrico é usado neste experimento. Como a aceleração devido a um choque é apenasinstantâneo, é necessário capturar a tensão de pico produzida pelo elemento piezoelétrico. Umcircuito detector de pico como mostrado na Figura 4-34 é usado para este propósito. (a) Aceleração Tipo Piezelétrico (b) Tipo Bobina Móvel Figura 4-33 Figura 4-34 69
    • O capacitor C1 no circuito detector de pico é descarregado por uma chave de reset antesde um pico de tensão ser aplicado à entrada do amplificador. Como uma entrada é aplicada aentrada não inversora, a saída carrega o C1 através de D1. No caso de uma entrada maior seraplicada enquanto C1 ainda estiver carregado, C1 será carregado pelo pico da nova entrada. Acarga de C1 é mantida por pelo menos alguns minutos devido a alta impedância de entrada doamplificador buffer, evitando que se descarregue rapidamente. A seguir é fornecido uma breve especificação do sensor de choque. - Saída a Aceleração 40G: 0.4Vpp / 56kW - Freqüência de Ressonância: 2kHz ~ 1kHz - Duração da Ressonância: 10ms ~ 30ms para alcançar 50% do valor de pico - Impedância Interna: 150kW à 2kHz - Faixa de Temperatura: -20°C ~ 60°C - Dimensões: 35 x 14 x 15mmEquipamentos Necessários - Unidade Amp. OP OU-6801B: 1 peça - Fonte de Alimentação Simétrica (0 ~ ±20V): 1 peça - Unidade Sensora SU-6806B: 1 peça - Osciloscópio: 1 peça - Multímetro: 1 peçaProcedimento Experimental 1. Mantenha a fonte de alimentação desligada, e faça as conexões conforme a Figura 4-35. Conecte o sensor de choque à Ext Inp da unidade sensora. Mantenha a chave do sensor em OFF. Figura 4-35 2. Ajuste o osciloscópio para 0.2V/DIV e 10ms/DIV. 3. Ligue a alimentação. Posicione o acelerômetro de tal modo que a seta aponte para baixo. 70
    • Aplique um choque moderado batendo sobre a mesa suavemente. Deixe o sensor cair a uma altura de aproximadamente 5cm, e observe a forma de onda do CH-1 do osciloscópio. 4. Ajuste a faixa de entrada do osciloscópio de tal modo que a forma de onda de choque é de aproximadamente 2 ~ 3cm no osciloscópio. 5. Ajuste o multímetro que está conectado a saída do detector de pico em 10V DC. Pressione Reset para descarregar C1. 6. Monte o sensor de choque no acessório 6800-10 com a orientação correta da seta. Deixe o sensor cair de diferentes alturas como indicados na tabela a seguir em uma superfície dura, e registre a tensão de pico na tabela. Examine os resultados. A tensão de pico é proporcional à altura? Comprimento / Saída 2cm 4cm 6cm 8cm Pico da Tensão de SaídaResumo 1. Um sensor de choque ;é um dispositivo direcional. 2. Um sensor de choque pode ser convertido em um acelerômetro. 3. A performance de um sensor de choque varia dependendo de como é instalado.4-5 Aplicações de Sensor de Gás4-5-1 Detecção de GásObjetivos Entender as características dos sensores de gás e suas aplicações.Revisão da Teoria Existem muitos tipos diferentes de gases. Alguns dos mais conhecidos devem ser o gaseshidrogênio, monóxido de carbono, LPG, LNG e metano. Quando executar experimentos comgases, o usuário deve tomar os seguintes cuidados: - Os gases podem explodir em certas condições. Além disso, alguns gases são nocivos a saúde humana. É muito importante que os experimentos sejam executados apenas com acompanhamento de um instrutor. - As características dos gases variam devido a temperatura ou umidade ambiente. Portanto, quando uma medida precisa é necessária, o sistema de detecção deve possuir um circuito de compensação para a variação da temperatura e umidade. Como exemplo, o desvio da resistência do sensor devido a temperatura e umidade é mostrado na Figura 4-36. - Os sensores precisam de um tempo de aquecimento quando as partes internas tenham ficado desligadas por muito tempo. As constantes de tempo de aquecimento do TGS-813 e TGS-109 são mostradas na Figura 4-37 (a) e (b). 71
    • R: Resistência do Sensor em 1000ppm de Metano no Ar R0: Resistência do Sensor em 1000ppm de Metano no Ar à 20ºC e RH de 65% Figura 4-36 Figura 4-37(a) Circuito de Compensação do (b) Circuito de Compensação Tempo de Aquecimento da Temperatura / Umidade Figura 4-38 72
    • Equipamentos Necessários - Unidade Amp. OP OU-6801B: 1 peça - Fonte de Alimentação Simétrica (0 ~ ±20V): 1 peça - Unidade Sensora SU-6807B: 1 peça - Multímetro Analógico: 1 peça - Isqueiro a Gás (sem bateria ou pedra)Procedimento ExperimentalNOTAS: O gás usado no experimento é inflamável. Não aproxime nenhum tipo de chama, ouobjeto com chama. Tenha sempre o máximo de cuidado ao manipular um gás. Alguns gasestambém são tóxicos. 1. Prepare a fonte de alimentação (±15V) e mantenha-a desligada. 2. Meça a resistência sobre os pinos 6 e 8, ou pinos 4 e 7, do sensor de gás na unidade sensora e registre o valor na Figura 4-40 na coluna Resistência do Sensor Não Condutivo. 3. Conecte o pino 1 ao 2 assim a tensão do aquecedor pode ser aplicado ao aquecedor. Também conecte o multímetro (faixa R x 10kΩ) nos pinos 6 e 8. 4. Ligue a fonte de alimentação. Imediatamente leia o valor da resistência, e registre na segunda coluna da Figura 4-40. Continue a medir a resistência a cada minuto e registre os valores nos espaços apropriados. No caso da resistência variar com o tempo, explique o porquê. Figura 4-39 Resistência do Sensor Depois de Ligar Resistência do Sensor Resistência do Sensor Desligado Imediatamente Após Ligar Após 1 min Após 2 min Após 3 min Figura 4-40 73
    • 5. Desligue a alimentação e refaça a configuração conforme a Figura 4-41. Ajuste o multímetro para a faixa de 10V ~ 15V DC. Figura 4-41 6. Ligue novamente a alimentação. Obtenha a leitura do multímetro a cada 1 minuto e registre os valores na linha Ar Limpo da Figura 4-42. Após 1 min Após 2 min Ar Limpo LPG (ou LNG) Recuperado Figura 4-42 7. Usando o isqueiro sem bateria ou pedra, descarregue um pouco de gás sobre o sensor. Obtenha as leituras do multímetro novamente, e registre os valores na linha LPG (ou LNG) da Figura 4-42. 8. Pare de descarregar o gás sobre o sensor. Elimine o gás ao redor do sensor rapidamente (menos de 10s) injetando ar limpo sobre o sensor, e obtenha a leitura do multímetro como nos passos anteriores. Registre o valor na linha Recuperado da Figura 4-42.Resumo 1. Quando um sensor de gás é ligado a partir do estado frio, permita que aqueça (pelo menos 2 minutos) para estabilização. Na Figura 4-38 (a) é mostrado um circuito que reduz ou até elimina este tempo de aquecimento. 2. As características de um sensor de gás varia devido a temperatura e umidade ambiente. Portanto, para medidas precisas, um circuito como mostrado na Figura 4-38 (b) é necessário. 3. Quando usar um sensor de gás, considere as diferentes características de resposta de um sensor. Veja a Figura 1-10 (b). 4. Atenção especial é necessária quando calibrar um sensor. 74
    • 4-5-2 Alarme de GásObjetivos Para entender os princípios de operação de um dispositivo de alarme contra gás.Revisão da Teoria Confiabilidade é o parâmetro mais crítico em um dispositivo de alarme contra gás. Alémdisso, o dispositivo deve oferecer algum tipo de ajuste de sensibilidade, porque a densidade etipo de gás poderá variar. Na unidade sensora SU-6807B, o nível de alarme é classificado de 1a 10 em passos de 1, e o usuário pode selecionar o passo desejado. O alarme é expresso emsom de áudio assim como em uma lâmpada. O tipo de sensor de gás usado é um sensor tiposemicondutor. Na Figura 4-43, um tipo diferente de sensor é mostrado. Como pode ser visto na Figura 4-43 (b), o circuito de detecção é um circuito ponte com duas bobinas. A bobina C não é expostadiretamente à amostra de gás, enquanto que a bobina D tem contato direto com o gás. Portanto,quando um gás existe, a resistência da bobina D varia, causando uma situação dedesbalanceamento na ponte. O sinal detectado pela ponte é alimentado para processamento em um amplificadordiferencial. Embora muitos sensores funcionem com a alimentação AC, a fonte DC é usada noexperimento para conveniência. A alimentação do aquecedor TGS-813 é de 5V e é fornecidopela fonte de +15V. O nível de detecção pode ser reajustado pelo resistor variável na entrada dodiferencial. (a) Sensor Tipo Contato (b) Circuito Detector Ponte Figura 4-43Equipamentos Necessários - Unidade Amp. OP OU-6801B: 1 peça - Fonte de Alimentação Simétrica (0 ~ ±20V): 1 peça - Unidade Sensora SU-6807B: 1 peça - Isqueiro sem bateria ou pedraProcedimento ExperimentalCAUTELA: Observe as regras de segurança na seção 4-5-1. 1. Mantenha a fonte de alimentação desligada. Faça as conexões da unidade sensora conforme a Figura 4-44. Note as conexões no amplificador diferencial, comparador e circuito de alarme. 75
    • Figura 4-44 2. Ajuste o nível de alarme para o máximo (10), e ligue a alimentação. Verifique o indicador de nível. O indicador LED não deve estar ligado se o ar estiver limpo. 3. Espere por pelo menos 2 minutos. Descarregue um pouco de gás do isqueiro sobre o sensor durante um pequeno tempo, e observe o indicador de nível. Verifique se o indicador de nível varia a indicação quando a densidade de gás aumenta. 4. Pare de descarregar gás. Espere até que o indicador de nível mostre zero. Altere o nível de alarme para um valor entre 3 e 5. Repita o passo 3. Quando o alarme disparar, aumente o nível de alarme ou pressione a tecla Reset para parar o alarme. 5. Ajuste o offset DC do comparador e observe a saída do comparador como função da densidade de gás.Resumo 1. A resistência do sensor de gás tipo semicondutor diminui quando a densidade do gás aumenta. Isto depende das características de cada gás. Portanto, a indicação de densidade de gás deve ser acompanhada de informações do tipo de gás que está sendo medido. 2. Um sistema de alarme de gás requer essencialmente boa confiabilidade porque ele está trabalhando com a vida humana.4-6 Aplicações de Sensor de UmidadeObjetivos Entender as características de um sensor de umidade e suas aplicações.Revisão da Teoria Os seguintes parâmetros devem ser considerados quando utilizar um sensor de umidade. - Faixa do sensor de umidade - Precisão do sensor - Método do sensor Um sensor de umidade é um dispositivo relativamente lento com as características comomostradas na Figura 4-45. 76
    • (a) Características de Resposta (b) Dependência da do Sensor de Umidade Temperatura do Sensor de Umidade Figura 4-45Principais Componentes de um Sensor de Umidade: - Gerador: O gerador interno ao sensor de umidade é um oscilador senoidal. A freqüência de saída varia pela alteração dos resistores na circuito que determina a freqüência. Por exemplo, aproximadamente 1000Hz é obtido do circuito da Figura 4-46 quando os resistores R1A e R2A são selecionados. Quando R1B e R2B são selecionados, a freqüência será 500Hz. - Retificador: Este é um retificador de precisão que usar um amplificador operacional, e detecta a variação no sinal AC causado pela alteração da umidade relativa (RH). - Circuito Amp. OP: Proporciona ganho de aproximadamente 6.9. - Amperímetro: Um amplificador logarítmico que drena o circuito medidor para indicar a informação de umidade relativa.Equipamentos Necessários - Unidade Amp. OP OU-6801B: 1 peça - Fonte de Alimentação Simétrica (0 ~ ±20V): 1 peça - Multímetro Analógico: 1 peça - Termômetro: 1 peça - Medidor de Umidade Padrão (STD): 1 peçaProcedimento Experimental 1. Mantenha a fonte desligada. Faça as conexões da unidade sensora conforme a Figura 4- 46. Ajuste o multímetro para 10V DC. 2. Ligue a alimentação, e espere pelo menos 1 minuto para aquecimento. Compare a leitura da umidade relativa da unidade sensora com o medidor padrão de umidade. No caso da unidade sensora não indicar o mesmo valor, ajuste CAL para corrigir. 77
    • 3. Faça as leituras do multímetro, temperatura e umidade (unidade sensora), e registre os valores na coluna Estado Natural da Figura 4-47. Estado Natural Umidade de 50% Umidade de 80% Temperatura Ambiente indicação do Multímetro indicação de Umidade do SU-6808 Indicação de Umidade em um Medidor Padrão Figura 4-47 4. Aproxime o medidor de umidade da unidade sensora, e pulverize umidade até que o medidor indique aproximadamente 50% de umidade. Obtenha as mesmas leituras do passo 3, e registre os valores na coluna 50% RH. 5. Repita o passo 4 para 80% RH. 6. Dos dados obtidos, discuta a causa do erro envolvido na unidade sensora. 7. A partir dos dados da Figura 4-47, explique porque a taxa de variação na leitura do medidor é diferente da leitura do multímetro e do sensor de umidade.Resumo 1. A seguir estão as principais causas de erro no sensor de umidade. a. Variação nas características no elemento sensor b. Tolerância do circuito de compensação de temperatura c. Erro devido a não linearidade do circuito medidor d. Tolerância incorporada dos componentes utilizados Os itens a e d podem ser corrigidos na maioria das vezes com a calibração. 2. A taxa de variação na resistência de um sensor de umidade tipo semicondutor não é linear. Portanto, este tipo de dispositivo requer um amplificador compensador.4-7 Sensores de Pressão, Proximidade e Força Magnética4-7-1 Detecção de PressãoObjetivos Estudar a características de um sensor de pressão tipo semicondutor e um circuito chavede pressão eletrônico.Revisão da Teoria A célula de carga em uma balança eletrônica é essencialmente um sensor de pressão. Ointeresse principal nesta seção é um sensor de pressão tipo semicondutor que é usado namedida de pressão de gases. Para ter alguma idéia sobre magnitude de pressão, vamosobservar a pressão que um ser humano pode gerar. Se uma pessoa adulta com capacidaderespiratória de 4000 assopre ar através em um tubo que possui seção com área de 1cm2, apressão desenvolvida deve ser algo em torno de 200 ~ 250 g/cm2. 78
    • (1) Principais Características do Sensor da Unidade Sensora - Faixa de Medida de Pressão: 0 ~ 1kg/cm2 - Máxima Pressão: Duas vezes a faixa de medida - Saída: Aproximadamente 1 ~ 5V (saída analógica) - Gases Detectáveis: Gases não corrosivos - Precisão da Detecção: Menos que 3% do fundo de escala - Características de Histerese: Menos que 2% na pressão especificada (saída ON/OFF) - Saída Pré-ajustada de Pressão: 1 ponto (saída de ponta ON/OFF) - Dimensões: 25(L) x 30(A) x 55(C)mm(2) Considerações no Uso do Sensor de Pressão - Não aplique pressão que exceda a especificação. A saída de ponto ON/OFF é ajustada para 1kg/cm2, que é a máxima pressão que pode conseguir. Portanto, quando o LED indicador Det acender, não aplique mais pressão. Além disso, não altere o ajuste de pressão máxima. - A saída do sensor é um sinal analógico. A saída do ponto ON/OFF é usada para drenar o LED Det. - Assegure-se de que nenhum outro objeto a não ser ar entre na entrada de pressão. - Utilize somente o compressor manual fornecido com o sistema para gerar a pressão. Não utilize nenhum outro compressor com o sistema ED-6800B. - Feche a abertura do sensor quando não estiver em uso.(3) Construção do Sensor Figura 4-48 Figura 4-49 79
    • Equipamentos Necessários - Unidade Amp. OP OU-6801B: 1 peça - Unidade Sensora SU-6809: 1 peça - Multímetro Analógico: 1 peça - Compressor Manual: 1 peçaProcedimento Experimental 1. Com a Unidade Amp. OP desligada, configure os equipamentos como mostrado na Figura 4-50. Remova a tampa da entrada de pressão do sensor e conecte o compressor manual. 2. Mantenha as três chaves sensoras assim como a chave do motor em OFF, e ajuste o multímetro para 15V DC. Ligue a Unidade Amp. OP. Ajuste a polarização DC OFFSET BIAS para a posição 0. 3. Abra o respiro do sensor de pressão para que não exista pressão no compressor manual. Ligue a alimentação do sensor de pressão. 4. Comprima o ar usando o compressor manual até que a saída analógica do sensor de 3V seja indicada pelo multímetro. 5. Verifique o LED + da saída do comparador. Deve estar aceso. Ajuste a polarização para +15V para acender o LED - . 6. Aumente a pressão com o compressor manual. Quando a pressão é aumentada, o indicador LED voltará para o +.NOTA: Note que a entrada é aplicada a entrada não inversora, e a referência é aplicada aentrada inversora do comparador. Portanto, o LED + acenderá somente quando a entrada émaior que a referência. Caso contrário, o LED - acenderá. Figura 4-50 80
    • Figura 4-51Resumo 1. A precisão das medidas da Figura 4-51 pode ser avaliada usando um medidor de pressão preciso. Neste caso, o medidor de pressão e o sensor são acoplados em paralelo através do acoplador T. 2. A pressão detectada pode ser avaliada com relação a pressão de referência. O resultado da comparação pode ser usado para corrigir automaticamente a pressão do sistema, ou para disparar um alarme.4-7-2 Detecção de ProximidadeObjetivos Examinar a operação da chave de proximidade e sua resposta em freqüência.Revisão da Teoria Uma chave de proximidade detecta a presença de um objeto e gera um sinal sem tercontato direto com o objeto. De maneira geral, uma foto chave e uma chave sensora ultra-sônica podem ser consideradas como chaves de proximidade. Uma chave de proximidadepode ser classificada como tipo oscilação, ou como tipo de indução. Uma outra maneira declassificar uma chave de proximidade é como tipo capacitivo ou tipo de indutância. A seguir é fornecido um resumo das especificações do sensor usado neste experimento.Unidade Sensora SU-6809: - Distância de Detecção: 5mm - Tamanho do Objeto Detectável: Mínimo 25 x 25 x 1mm - Material Detectável: Material magnético. A distância de detecção diminuirá para um mate- rial não magnético. - Resposta em Freqüência: 500Hz - Histerese: Menos que 10% da distância de detecção típica - Tensão de Entrada: 12V ~ 24V DC - Corrente de Saída: 200mA DC Máximo - Dimensões: 17(L) x 17(A) x 35(P)mmConsiderações no Uso de um Sensor de Proximidade 81
    • - A faixa de detecção diminui quando o objeto a detectar torna-se menor. No caso do objeto ser muito pequeno, não é possível detectá-lo. - Quando outros objetos metálicos estão próximos ao objeto a detectar, a probabilidade de uma detecção errônea aumenta. Além disso, a sensibilidade da detecção torna-se pior. - Quando instalar um sensor de proximidade, evite colocar em local com ruído elétrico ou sinais de interferência. No caso da saída ser DC, faça uma blindagem contra ruído da saída. - Para uma área com alta umidade ou mudança severa de temperatura, considere a redução da faixa de detecção. Figura 4-52Equipamentos Necessários - Unidade Sensora SU-6809: 1 peça - OU-6801B ou CU-6802: 1 peça - Freqüencímetro: 1 peçaProcedimento Experimental 1. Com a alimentação desligada, faça as conexões como indicado na Figura 4-53. Mantenha a chave do motor assim como três chaves sensora em OFF. 2. Ajuste a velocidade do motor (SPEED) para 0, e ligue a chave de proximidade. Figura 4-53 3. Coloque o objeto a ser detectado próximo a borda do disco rotativo, e ligue o motor. Gire o knob SPEED lentamente no sentido horário, e verifique se o LED Det acende quando os objetos passam pelo sensor de proximidade. Para que tipo de objeto o LED acende? 4. Pare o motor quando o objeto de ferro alinhar-se com o sensor de proximidade. Aumente a distância entre o objeto e o sensor, e encontre a máxima distância de detecção. 82
    • Resumo 1. Deve ser considerado na escolha do sensor de proximidade que a faixa de detecção do sensor varia dependendo do tipo de material, tamanho do objeto e velocidade do movimento do objeto.4-7-3 Detecção de Campo Magnético usando Sensor de Efeito HallObjetos Entender o princípio de operação e as aplicações do sensor Hall.Revisão da Teoria Refira-se aos sensores magnéticos na introdução da seção 1. A saída de um sensor Hall pode ser processada para indicar a presença ou não de umcampo magnético, ou indicar a magnitude do campo. Ambas as aplicações são detalhadasnesta seção.1. Especificações do Sensor - Tipo: THS119 - Material: GaAs - Tensão de Hall: 55mV ~ 140mV (5mA, 1kG) - Resistência de Entrada: 450Ω ~ 900Ω - Linearidade: 2% máximo - Coeficiente de Temperatura da Tensão de Hall: -0.06% / °C máximo - Corrente Máxima: 10mA2. Esquema Interno do Sensor Hall SU-6809 é mostrado na Figura 4-54 Figura 4-54 Esquema do Sensor Hall As fontes de +15V e -15V são conectadas ao sensor através de resistores de 2Wkrespectivamente. Portanto, quando a resistência do sensor interno for 750Ω, a correntefornecida deve ser: 83
    • 30[V] IC = (2+2+0.75)[kOhms] ~6.3[mA] - U1 serve como buffer entre o sensor e a próximo estágio amplificador. - U2A é o amplificador de tensão Hall com ganho de tensão dado a seguir, e U2B serve como um buffer de saída. R7 AV = R5 = 500 - U3 é um comparador para drenar os LEDs. As entradas de referência, A e B, são ajustadas para +2V. Como o ganho do amplificador de tensão é 500, o LED1 acenderá quando a tensão Hall, VH, exceder 2/500=4mV. Se a saída do sensor Hall é 100mV/kG, o campo magnético detectável que acenderá o LED é 2/100kG=20Gauss.Equipamentos Necessários - Unidade Sensora SU-6809: 1 peça - OU-6801B: 1 peça - Fonte de Alimentação Simétrica (0 ~ ±20V): 1 peça - Multímetro Digital: 1 peça - Barra Magnética: 1 peçaProcedimento Experimental 1. Com a alimentação do OU-6801B e a fonte de alimentação desligadas, faça as conexões como mostrado na Figura 4-55. Ajuste o multímetro para a faixa 20V DC. Mantenha todas as chaves, a chave do motor e as três chaves sensoras na posição OFF. 2. Ligue a alimentação do OU-6801B e a fonte de alimentação. 3. Ajuste a velocidade do motor para o mínimo (0), e ligue somente o sensor Hall. 4. Coloque os objetos a detectar na borda do disco rotativo e ligue o motor. Gire o knob SPEED lentamente no sentido horário, e observe o momento que o LED acende. Explique que tipo de material faz com que o LED acende. 5. Pare o disco quando o LED acender, e meça a tensão de saída. Figura 4-55 6. Alinhe um ímã com o sensor Hall. Varie a distância entre o ímã e o sensor, e meça a tensão de saída a cada distância especificada na tabela a seguir. Caso necessário, retire o ímã do disco para conseguir a distância. 84
    • Distância (mm) 3 6 9 12 15 Saída (V) 7. Repita o passo 6 com uma barra magnética. Inverta a polaridade da barra relativa ao sensor, e observe a variação da saída.Resumo Um sensor Hall fornece uma saída proporcional a magnitude do campo. Um sensor Halldetecta não somente a presença de campo magnético, mas também a direção do campo.4-8 Aplicações de Chave Sensora4-8-1 Chaves ReedObjetivos Entender as características da chave reed e suas aplicações.Revisão da Teoria Refira-se a seção 1-10-1 para a estrutura básica de uma chave reed. A corrente de contato de uma chave reed está na faixa de 50mA ~ 500mA. Como ofechamento do contato de uma chave reed não é executada por uma força mecânica forte,mas por um campo magnético, muita corrente através do contato não é apropriado. Uma das vantagens da chave reed é a operação silenciosa sem comutação de contato.Além disso, alta velocidade de operação é possível sem efeitos secundários. Como o contatoreed é colocado dentro de um recipiente com vácuo ou um gás, a vida do contato é extremamentealta. A seguir é fornecido as especificações típicas de uma chave reed: - Corrente de Contato: 100mA DC máximo - Tensão ON / OFF de Contato: Menos que 28V DC ou 50V AC - Resistência de Contato: 150mΩ Máximo - Dimensões (Tubo de Vidro): 16mm comprimento x 3mm diâmetroEquipamentos Necessários - Fonte de Alimentação Simétrica (0 ~ ±20V): 1 peça - Unidade Sensora SU-6810: 1 peça - Multímetro: 1 peçaProcedimento Experimental 1. Com a unidade desligada, faça as conexões como mostrado na Figura 4-56. Ajuste o multímetro para a faixa R x 10. 85
    • Figura 4-56 2. Ligue a alimentação, e ajuste a velocidade através do controle localizado no canto esquerdo inferior da unidade sensora para a posição central. 3. Usando as chaves CW e CCW, confirme a operação liga / desliga da chave reed. Ajuste a distância entre a chave reed e o ímã. Determine a máxima distância operacional entre o contato e o ímã. 4. Investigue a máxima distância operacional com o ímã girado em 90 graus relativamente à chave, como mostrado na Figura 4-57 (b). No caso de existir diferença na distância máxima operacional entre o passo 3 e o passo 4, explique o porquê. (a) Operação Normal (b) Rotação de 90° Figura 4-57 Duas Orientações Diferentes entre a Chave Reed e o ÍmãResumo 1. A sensibilidade da chave reed depende da magnitude do campo magnético. Por causa da tolerância na máxima distância absoluta de operação, é recomendado que a operação seja efetuada a metade da distância máxima. 2. Quando usar uma chave reed, fique atento para a orientação correta entre a chave e o ímã na Figura 4-58. Figura 4-58 86
    • 4-8-2 Chaves de MercúrioObjetivos Examinar as aplicações de uma chave de mercúrio.Revisão da Teoria Uma chave de mercúrio faz uso de uma propriedade que o elemento mercúrio possui -sua boa condutividade elétrica e alta tensão superficial. Uma certa quantia de mercúrio écolocada dentro de um tubo de vidro com dois contatos metálicos separados um do outro.Quando o tubo estiver em nível, o mercúrio forma uma ponte entre os dois pontos metálicos.Entretanto, quando o tubo estiver inclinado, o mercúrio desloca-se para um dos lados e os doispontos metálicos não permanecem mais eletricamente conectados. A chaves de mercúriosão usadas em aplicações de controle de nível, e como termostato na parede. O contato demercúrio é pequeno em tamanho, mas pode drenar uma quantia alta de corrente.Equipamentos Necessários - Unidade Sensora SU-6810: 1 peça - Multímetro: 1 peçaProcedimento Experimental 1. Retire a chave de mercúrio cuidadosamente da unidade sensora. Usando um multímetro, experimente a operação ON / OFF da chave de mercúrio. 2. Quando a experiência tiver sido executada, assegure-se de que a chave seja adequadamente instalada na unidade sensora.Resumo 1. Quando fixar a chave de mercúrio em uma estrutura, assegure-se de não existir choque ou vibração na chave. 2. Chaves de mercúrio são disponíveis em várias configurações de contato - simples ou múltiplas.4-8-3 Chaves de LimiteObjetivos Examinar as características de uma chave de limite.Revisão da Teoria Como existem diferentes tipos de chaves de limite, é importante que o tipo correto sejaselecionado para a dada aplicação. Alguns dos tipos diferentes de chaves de limite sãomostrados na Figura 4-59.Equipamentos Necessários - Fonte de Alimentação Simétrica (0 ~ ±20V): 1 peça - Unidade Sensora SU-6810: 1 peça - Multímetro: 1 peçaProcedimento Experimental 87
    • 1. Com a alimentação desligada, faça as conexões mostradas na Figura 4-60. Ajuste a faixado multímetro para R x 10.2. Ligue a alimentação, e ajuste a velocidade no controle do canto esquerdo inferior para aposição central.3. Pressione as chaves CW ou CCW, e observe a chave de limite sendo acionada edesacionada. (a) Alavanca (b) Êmbolo (c) Haste Variável (d) Rolamento com Rolamento com Rolamento BI-direcional Figura 4-59 Tipos de Chaves de Limite Figura 4-604. Um estado natural (não pressionado) da chave de limite é mostrada na Figura 4-61. Daexperiência do passo 3, preencha os espaços em branco com NC, NO e COM. 88
    • Figura 4-61Resumo 1. Embora as chaves de limite sejam na verdade iguais as outras chaves mecânicas, as chaves limite são usadas para estabelecer os controles de movimento para as partes em movimento, ajustando os pontos limite de um sistema. 2. As chaves de limite são usadas algumas vezes como chaves de intertravamento para aplicações de segurança. Portanto, as chaves de limite requerem boa confiabilidade. 89
    • Minipa Indústria e Comércio Ltda.Alameda dos Tupinás, 33 - Planalto Paulista - São Paulo - SP CNPJ: 43.743.749/0001-31 Fone: (11) 5078-1850 - Fax: (11) 577-4766 Site: http://www.minipa.com.br E-mail: minipa@minipa.com.br