Sensores e transdutores

Sensores e transdutores

Para que um circuito eletrônico ou sistema execute qualquer tarefa ou função útil, ele precisa ser capaz de se comunicar com o "mundo real", seja lendo um sinal de entrada de uma chave "ON / OFF" ou ativando alguma forma de dispositivo de saída para iluminar uma única luz.

Em outras palavras, um sistema ou circuito eletrônico deve ser capaz ou capaz de “fazer” algo e os sensores e transdutores são os componentes perfeitos para isso.

A palavra "transdutor" é o termo coletivo usado para ambos os sensores, que podem ser usados ​​para detectar uma ampla gama de diferentes formas de energia, como movimento, sinais elétricos, energia radiante, energia térmica ou magnética, etc., e atuadores que podem ser usados ​​para alternar tensões ou correntes.

Existem muitos tipos diferentes de sensores e transdutores, analógicos e digitais e de entrada e saída disponíveis para você escolher. O tipo de transdutor de entrada ou saída usado depende realmente do tipo de sinal ou processo sendo “detectado” ou “controlado”, mas podemos definir um sensor e transdutores como dispositivos que convertem uma quantidade física em outra.

Dispositivos que realizam uma função de “entrada” são comumente chamados de sensores porque eles “detectam” uma mudança física em alguma característica que muda em resposta a alguma excitação, por exemplo, calor ou força e converte isso em um sinal elétrico. Dispositivos que executam uma função de “Saída” são geralmente chamados de Atuadores e são usados ​​para controlar algum dispositivo externo, por exemplo, movimento ou som.

Transdutores elétricos são usados ​​para converter energia de um tipo em energia de outro tipo, então, por exemplo, um microfone (dispositivo de entrada) converte ondas sonoras em sinais elétricos para o amplificador amplificar (um processo), e um alto-falante (dispositivo de saída) os converte elétricos sinais de volta em ondas sonoras e um exemplo deste tipo de sistema simples de entrada / saída (I / O) é dado abaixo.

Sistema de entrada / saída simples usando transdutores de som.

Existem muitos tipos diferentes de sensores e transdutores disponíveis no mercado, e a escolha de qual usar realmente depende da quantidade que está sendo medida ou controlada, com os tipos mais comuns fornecidos na tabela abaixo:

Sensores e transdutores comuns.

Os transdutores ou sensores do tipo de entrada produzem uma resposta de saída de tensão ou sinal que é proporcional à mudança na quantidade que eles estão medindo (o estímulo). O tipo ou a quantidade do sinal de saída depende do tipo de sensor que está sendo usado. Mas geralmente, todos os tipos de sensores podem ser classificados como dois tipos, Sensores passivos ou Sensores ativos.

Geralmente, os sensores ativos requerem uma fonte de alimentação externa para operar, chamada de sinal de excitação, que é usada pelo sensor para produzir o sinal de saída. Sensores ativos são dispositivos autogerados porque suas próprias propriedades mudam em resposta a um efeito externo, produzindo, por exemplo, uma tensão de saída de 1 a 10 V DC ou uma corrente de saída, como 4 a 20 mA DC. Sensores ativos também podem produzir amplificação de sinal.

Um bom exemplo de sensor ativo é um sensor LVDT ou um extensômetro. Medidores de tensão são redes de pontes resistivas sensíveis à pressão que são polarizadas externamente (sinal de excitação) de modo a produzir uma tensão de saída em proporção à quantidade de força e / ou deformação sendo aplicada ao sensor.

Ao contrário de um sensor ativo, um sensor passivo não precisa de nenhuma fonte de alimentação adicional ou tensão de excitação. Em vez disso, um sensor passivo gera um sinal de saída em resposta a algum estímulo externo. Por exemplo, um termopar que gera sua própria saída de tensão quando exposto ao calor. Então, os sensores passivos são sensores diretos que mudam suas propriedades físicas, como resistência, capacitância ou indutância, etc.

Mas, assim como os sensores analógicos, os sensores digitais produzem uma saída discreta que representa um número binário ou dígito, como um nível lógico “0” ou um nível lógico “1”.

Sensores Analógicos e Digitais

Sensores Analógicos

Sensores analógicos produzem um sinal de saída contínuo ou tensão que geralmente é proporcional à quantidade que está sendo medida. As grandezas físicas como temperatura, velocidade, pressão, deslocamento, tensão, etc. são todas grandezas analógicas, pois tendem a ser contínuas por natureza. Por exemplo, a temperatura de um líquido pode ser medida usando um termômetro ou termopar que responde continuamente às mudanças de temperatura conforme o líquido é aquecido ou resfriado.

Termopar usado para produzir um sinal analógico

Os sensores analógicos tendem a produzir sinais de saída que mudam suave e continuamente ao longo do tempo. Esses sinais tendem a ter valores muito pequenos, de alguns mico-volts (uV) a vários mili-volts (mV), portanto, alguma forma de amplificação é necessária.

Então, os circuitos que medem sinais analógicos geralmente têm uma resposta lenta e / ou baixa precisão. Além disso, os sinais analógicos podem ser facilmente convertidos em sinais do tipo digital para uso em sistemas de microcontroladores pelo uso de conversores analógico para digital, ou ADCs.

Sensores Digitais

Como o próprio nome indica, os sensores digitais produzem sinais de saída digital discretos ou tensões que são uma representação digital da quantidade que está sendo medida. Os sensores digitais produzem um sinal de saída binária na forma de um “1” lógico ou um “0” lógico (“ON” ou “OFF”). Isso significa que um sinal digital produz apenas valores discretos (não contínuos) que podem ser emitidos como um único “bit” (transmissão serial) ou combinando os bits para produzir uma única saída de “byte” (transmissão paralela).

Sensor de luz usado para produzir um sinal digital

Em nosso exemplo simples acima, a velocidade do eixo rotativo é medida usando um sensor digital LED / detector óptico. O disco, que é fixado a um eixo giratório (por exemplo, de um motor ou rodas de robô), tem várias ranhuras transparentes em seu design. Conforme o disco gira com a velocidade do eixo, cada ranhura passa pelo sensor, por sua vez, produzindo um pulso de saída que representa um nível lógico “1” ou lógico “0”.

Esses pulsos são enviados para um registrador de contador e finalmente para um display de saída para mostrar a velocidade ou rotações do eixo. Aumentando o número de ranhuras ou “janelas” dentro do disco, mais pulsos de saída podem ser produzidos para cada revolução do eixo. A vantagem disso é que uma resolução e precisão maiores são obtidas, pois as frações de uma revolução podem ser detectadas. Então, este tipo de arranjo de sensor também pode ser usado para controle de posição com uma das ranhuras dos discos representando uma posição de referência.

Em comparação com os sinais analógicos, os sinais ou quantidades digitais têm precisões muito altas e podem ser medidos e “amostrados” em uma velocidade de clock muito alta. A precisão do sinal digital é proporcional ao número de bits usados ​​para representar a quantidade medida. Por exemplo, usando um processador de 8 bits, produzirá uma precisão de 0,390% (1 parte em 256). Enquanto o uso de um processador de 16 bits dá uma precisão de 0,0015%, (1 parte em 65.536) ou 260 vezes mais precisa. Essa precisão pode ser mantida enquanto as grandezas digitais são manipuladas e processadas muito rapidamente, milhões de vezes mais rápido do que os sinais analógicos.

Na maioria dos casos, os sensores e mais especificamente os sensores analógicos geralmente requerem uma fonte de alimentação externa e alguma forma de amplificação ou filtragem adicional do sinal para produzir um sinal elétrico adequado que seja capaz de ser medido ou usado. Uma maneira muito boa de obter amplificação e filtragem dentro de um único circuito é usar amplificadores operacionais como visto antes.

Condicionamento de sinais de sensores

Como vimos no tutorial do Amplificador operacional, os amplificadores operacionais podem ser usados ​​para fornecer amplificação de sinais quando conectados em configurações de inversão ou não.

As tensões de sinal analógico muito pequenas produzidas por um sensor, como alguns mili-volts ou mesmo pico-volts, podem ser amplificadas muitas vezes por um circuito de amplificador operacional simples para produzir um sinal de tensão muito maior de, digamos, 5v ou 5mA que pode então ser usado como um sinal de entrada para um microprocessador ou sistema baseado em analógico para digital.

Portanto, para fornecer qualquer sinal útil, um sinal de saída de sensores deve ser amplificado com um amplificador que tenha um ganho de voltagem de até 10.000 e um ganho de corrente de até 1.000.000 com a amplificação do sinal sendo linear com o sinal de saída sendo uma reprodução exata de a entrada, apenas mudou em amplitude.

Então a amplificação faz parte do condicionamento do sinal. Portanto, ao usar sensores analógicos, geralmente alguma forma de amplificação (ganho), correspondência de impedância, isolamento entre a entrada e saída ou talvez filtragem (seleção de frequência) pode ser necessária antes que o sinal possa ser usado e isso é convenientemente realizado por amplificadores operacionais.

Além disso, ao medir mudanças físicas muito pequenas, o sinal de saída de um sensor pode ficar “contaminado” com sinais ou tensões indesejadas que impedem que o sinal real exigido seja medido corretamente. Esses sinais indesejados são chamados de “Ruído“. Este ruído ou interferência pode ser bastante reduzido ou até mesmo eliminado usando condicionamento de sinal ou técnicas de filtragem, conforme discutimos no tutorial Filtro ativo.

Usando um Low Pass ou um High Passor evenBand Passfilter, a “largura de banda” do ruído pode ser reduzida para deixar apenas o sinal de saída necessário. Por exemplo, muitos tipos de entradas de interruptores, teclados ou controles manuais não são capazes de mudar de estado rapidamente e, portanto, o filtro passa-baixo pode ser usado. Quando a interferência está em uma determinada frequência, por exemplo, frequência de rede, rejeição de banda estreita ou filtros Notch podem ser usados ​​para produzir filtros seletivos de frequência.

Filtros Op-amp típicos

Se algum ruído aleatório ainda permanecer após a filtragem, pode ser necessário tomar várias amostras e, em seguida, calculá-las para obter o valor final, aumentando assim a relação sinal-ruído. De qualquer forma, a amplificação e a filtragem desempenham um papel importante na interface de sensores e transdutores para microprocessador e sistemas baseados em eletrônica em condições do “mundo real”.

No próximo tutorial sobre Sensores, veremos os Sensores Posicionais que medem a posição e / ou deslocamento de objetos físicos, significando o movimento de uma posição para outra em uma distância ou ângulo específico.

Para obter mais informações, entre em contato conosco emsales@xfullstar.com