Capítulo 13 – Tecnologias de Sensores
13.1 Sensores Capacitivos e Resistivos
Sensores Capacitivos:
Funcionam com base na variação da capacidade entre duas placas metálicas paralelas. A capacidade depende da constante dieléctrica do meio entre as placas, da sua área e da distância entre elas. São frequentemente utilizados como sensores de deslocamento, onde o movimento de uma das placas altera a capacidade . Este princípio também é aplicado em sensores de pressão, som, aceleração, humidade, conteúdo de humidade e nível de líquidos, dependendo do tipo de dieléctrico utilizado.
Sensores Resistivos:
Estes sensores exploram a variação da resistência elétrica de um material quando é submetido a uma grandeza física, como temperatura ou deformação. Exemplos comuns incluem termómetros de resistência (RTDs), termistores (para temperatura) e extensómetros (para deformação e deslocamento). Alguns medidores de humidade também funcionam com base neste princípio.
13.2 Sensores Magnéticos
Sensores de Indutância:
Traduzem deslocamentos em variações na indutância mútua entre componentes magnéticos. Um exemplo comum é o transdutor de deslocamento indutivo, onde o movimento de uma placa ferromagnética altera os caminhos de fluxo magnético, alterando a corrente elétrica medida.
Sensores de Relutância Variável:
Estes sensores utilizam uma bobina enrolada num íman permanente e são frequentemente usados para medir velocidades de rotação. A passagem de dentes de uma roda ferromagnética junto ao sensor gera uma sequência de impulsos de tensão, cuja frequência é proporcional à velocidade de rotação.
Sensores de Correntes de Foucault (Eddy Currents):
Empregam uma bobina excitada a alta frequência para induzir correntes de Foucault numa superfície metálica próxima. A variação da distância entre a sonda e o alvo altera a indutância da bobina, permitindo a medição de deslocamentos com elevada resolução (até 0,1 µm). Podem também funcionar com alvos não condutores se for aplicada fita de alumínio.
13.3 Sensores de Efeito Hall
Um sensor de efeito Hall mede a intensidade de um campo magnético. Consiste num condutor com corrente elétrica perpendicular ao campo magnético aplicado, o que gera uma tensão transversal proporcional à intensidade do campo. A relação é dada por V = KIB, onde K é a constante de Hall. São geralmente fabricados com semicondutores devido à maior sensibilidade.
Aplicações comuns:
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Sensores de proximidade com ímanes incorporados, que detetam a aproximação de objetos ferrosos;
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Teclas de teclado com ímanes, que ao serem pressionadas movem-se sobre o sensor de Hall, gerando um sinal digital de saída. São preferidos por evitarem problemas de "contact bounce" e operarem a altas frequências.
13.4 Transdutores Piezoelétricos
Os transdutores piezoelétricos geram uma tensão elétrica quando submetidos a uma força mecânica. São utilizados como recetores de ultrassons e também para medir deslocamentos, acelerações, forças e pressões.
Princípio de funcionamento:
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Os materiais piezoelétricos têm uma estrutura cristalina assimétrica que se distorce sob ação de uma força.
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Esta distorção provoca uma redistribuição de cargas internas, gerando cargas superficiais opostas que podem ser medidas como uma tensão.
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A tensão induzida V depende da força F, da espessura d e da área A do material: V = kFd / A, onde k é a constante piezoelétrica.
Considerações técnicas:
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A impedância de entrada do instrumento de medição deve ser muito alta para evitar fugas de carga.
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Diferentes materiais apresentam diferentes constantes piezoelétricas. Ex.: quartzo (k ≈ 2.3), titanato de bário (k ≈ 140).
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Materiais poliméricos como o polivinilideno também apresentam efeito piezoelétrico, com alta sensibilidade, mas baixa resistência mecânica.
Aplicação reversível:
13.5 Extensómetros
Os extensómetros são sensores cuja resistência elétrica varia com a deformação (strain) mecânica aplicada. São capazes de detetar deslocamentos muito pequenos (0–50 µm) e são amplamente usados em transdutores de pressão (ex.: diafragmas), força e aceleração.
Tipos:
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Tradicionalmente feitos com fios metálicos em ziguezague montados num suporte flexível.
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Com a aplicação de esforço, o fio deforma-se, alterando a sua área de secção transversal e consequentemente a resistência.
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A relação entre a variação de resistência ΔR e a deformação S define o fator de gauge: Fator de Gauge = ΔR / S.
Variedades modernas:
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Extensómetros de folha metálica: usam tiras finas de metal cortadas em ziguezague — mais baratos e fáceis de fabricar.
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Fabricados com ligas como cobre-níquel-manganês (“Advance”).
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Extensómetros semicondutores (ver secção 13.6): apresentam fatores de gauge até 100 vezes superiores, mas têm maior sensibilidade à temperatura e são mais caros.
Montagem e medição:
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São colados diretamente à estrutura sob teste, o que exige cuidados, especialmente com sensores semicondutores.
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A resistência é geralmente medida com um circuito em ponte (ex.: ponte de Wheatstone), e a saída é muito pequena, necessitando de amplificação.
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Correntes máximas permitidas: 5 a 50 mA. Isto limita a tensão aplicada e, portanto, a saída da ponte.
13.6 Sensores Piezoresistivos
Estes sensores são feitos de materiais semicondutores com regiões p e n, cuja resistência muda significativamente quando o material é sujeito a compressão ou tração. São utilizados como extensómetros de alta precisão, sensores de pressão com diafragma de silício e acelerómetros semicondutores.
Vantagens:
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Fatores de gauge muito mais elevados do que os extensómetros metálicos (até 100 vezes superiores).
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Maior precisão: incerteza de medição até ±0,1%.
Esclarecimento terminológico:
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O termo “piezoresistivo” é por vezes aplicado a todos os extensómetros, incluindo os metálicos, o que é incorreto.
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Nos sensores metálicos, apenas cerca de 10% da variação de resistência é devida ao efeito piezoresistivo; os restantes 90% devem-se à mudança dimensional.
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Nos sensores verdadeiramente piezoresistivos (semicondutores), cerca de 90% da variação de resistência advém do efeito piezoresistivo.
13.7 Sensores Ópticos (via aérea)
Estes sensores funcionam com base na modulação de luz entre uma fonte luminosa e um detetor. A luz pode viajar pelo ar (caminho ótico em espaço aberto) ou por cabo de fibra ótica (ver secção 13.8). A modulação da luz é causada por uma variável física a medir, que afeta a intensidade, direção ou presença do feixe luminoso.
Componentes:
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Fontes de luz: lâmpadas incandescentes, díodos laser e LEDs (preferencialmente infravermelhos para evitar interferência solar).
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Detetores de luz: células fotoelétricas (CdS, CdSe), fototransístores e fotodíodos (com resposta sensível à luz infravermelha).
Aplicações:
Vantagens:
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Imunidade ao ruído eletromagnético.
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Segurança intrínseca em ambientes perigosos (sem faíscas, sem eletricidade no ponto de medição).
13.8 Sensores Ópticos (fibra ótica)
Os sensores de fibra ótica utilizam cabos óticos para transmitir luz entre a fonte e o recetor. A grandeza a medir altera uma ou mais características do feixe de luz transmitido. As fibras podem ser de vidro, plástico ou uma combinação de ambos. As fibras de plástico são mais baratas, robustas e fáceis de manusear, sendo ideais para sensores. As fibras de vidro têm maior fragilidade, mas oferecem melhor desempenho em certas aplicações.
Parâmetros da luz que podem ser modulados:
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Intensidade.
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Fase.
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Polarização.
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Comprimento de onda.
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Tempo de trânsito.
Classificações:
a) Sensores intrínsecos:
A própria fibra ótica é o sensor. A modulação ocorre dentro da fibra. Dividem-se em:
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Sensores de intensidade: mais simples e comuns; incluem sensores de proximidade, deslocamento (fotónicos), pressão, pH e deteção de fumo. A intensidade da luz varia com a variável medida.
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Exemplo: sensores com diafragma deformável que altera a intensidade da luz; sensores de proximidade com variação de luz refletida.
Outros mecanismos:
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Índice de refração: usado em deteção de fugas criogénicas e óleo na água.
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Fluorescência: modulação da luz com materiais fluorescentes sensíveis a gases, hormonas, etc.
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Modulação de fase, polarização, comprimento de onda e tempo de trânsito: utilizados em sensores de alta precisão, como giroscópios, sensores de temperatura e de campo elétrico/magnético.
b) Sensores extrínsecos:
A fibra ótica é apenas um canal de transmissão, conduzindo luz para e do sensor convencional (ex.: termoresistência ou cristal piezoelétrico). São úteis em locais de difícil acesso ou com alto ruído eletromagnético (ex.: motores de avião ou transformadores).
Vantagens dos sensores de fibra ótica:
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Elevada fiabilidade e resistência a ambientes agressivos.
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Imunidade a ruídos elétricos.
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Tamanhos reduzidos e baixo custo (excepto quando requerem eletrónica auxiliar).
Distribuição:
É possível integrar vários sensores ao longo de uma única fibra ótica, permitindo medição distribuída (ex.: medir temperatura ao longo de 2 km com resolução de 1°C em 400 pontos).
13.9 Transdutores Ultrassónicos
Transdutores ultrassónicos operam em frequências acima de 20 kHz (ultrassom) e são amplamente utilizados para medição de:
Princípio de funcionamento:
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Um transmissor emite uma onda ultrassónica.
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A onda é recebida por um receptor.
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A variável medida é deduzida através da diferença de tempo, fase ou frequência entre a emissão e a recepção.
Tipos de transdutores:
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Piezoelétricos: cristais que geram ondas ultrassónicas quando excitados com tensão alternada. Podem também atuar como receptores.
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Capacitivos: membranas dielétricas entre camadas condutoras, também funcionam em emissão e recepção.
Velocidade de propagação:
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Depende do meio: ar (331,6 m/s), água (1440 m/s), ferro (5130 m/s), granito (6000 m/s).
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No ar, a velocidade depende da temperatura (V = 331,6 + 0,6T), e marginalmente da humidade.
Direcionalidade:
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A onda não é unidirecional: propaga-se em padrão esférico com máxima intensidade na direção normal ao emissor.
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Elementos de baixa frequência (ex.: 40 kHz) têm cones de emissão amplos (±50°), enquanto os de alta frequência (400 kHz) têm feixes estreitos (±3°).
Atenuação:
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A amplitude do sinal diminui com a distância e depende da frequência, do meio e de contaminantes (pó, humidade).
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A atenuação pode ser expressa como: Xd/X0 = √(e−αd) / (fd), onde α é a constante de atenuação.
Sensores de distância:
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Calculam a distância com base no tempo de voo do ultrassom: d = v × t.
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É necessário compensar variações de temperatura.
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A resolução depende do comprimento de onda (frequência); maior frequência, melhor resolução.
Aplicações especiais:
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Seguimento de objetos em 3D: usam três receptores em posições conhecidas para triangular a posição do transmissor.
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Efeito Doppler: variação na frequência do sinal recebido devido ao movimento relativo, usado em medição de velocidade (ex.: caudalímetros).
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Imagens ultrassónicas: utilizadas na medicina e na detecção de falhas internas. As reflexões são analisadas em função do tempo e da intensidade.
Problemas e soluções:
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Ruído ambiental (ex.: maquinaria) pode afetar o sinal. Usam-se cabos blindados e materiais absorventes.
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Reflexões indesejadas podem causar erros. Solução: parar a contagem ao detetar o primeiro sinal e evitar sobreposição de pulsos.
13.10 Sensores Nucleares
Os sensores nucleares são instrumentos pouco comuns devido às suas exigências de segurança e ao elevado custo. Utilizam radiações (geralmente gama) para realizar medições sem contacto direto, sendo úteis em ambientes extremos ou onde métodos convencionais falham.
Princípio de funcionamento:
Componentes típicos:
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Fonte radioativa: normalmente césio-137, que emite raios gama.
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Detetor: geralmente um cristal de iodeto de sódio, que gera um sinal elétrico proporcional à radiação incidente.
Aplicações:
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Medição não invasiva do nível de líquidos em tanques (ver Capítulo 17).
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Medição de caudal mássico (ver Capítulo 16).
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Aplicações médicas de imagem (referência: Webster, 1998).
Considerações:
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Existem fontes de baixa radiação que minimizam riscos, mas a sua sensibilidade pode ser afetada por radiação de fundo.
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Apesar das restrições, os sensores nucleares são indispensáveis em algumas aplicações industriais e científicas.
13.11 Microsensores
Os microsensores são sensores de dimensões reduzidas (milimétricas), produzidos por técnicas de micromaquinação, frequentemente integrados em dispositivos eletrónicos. Combinam baixo custo, alta fiabilidade, boa performance e potencial para produção em massa.
Materiais e estrutura:
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Tipicamente construídos em silício, mas podem incluir metais, plásticos, cerâmicas e vidros.
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O silício é preferido por ter propriedades mecânicas semelhantes ao aço, baixa expansão térmica e resistência química.
Técnicas de fabrico:
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Usam processos semelhantes aos da microeletrónica: deposição de filmes finos, fotolitografia, gravação química, gravação a laser, entre outros.
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Estruturas típicas incluem diafragmas, feixes em consola e pontes.
Vantagens:
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Pequenas dimensões.
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Alta sensibilidade e baixo consumo.
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Possibilidade de integração com circuitos eletrónicos (sensores inteligentes).
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Custo de produção reduzido em grandes quantidades.
Desafios:
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Sinais de baixa amplitude e baixa capacidade tornam os microsensores sensíveis ao ruído.
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Requerem amplificação e conversores A/D especializados (ex.: conversores sigma-delta com precisão superior a 16 bits).
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Algumas aplicações requerem saída digital em vez de analógica.
Exemplo de sensor digital:
Aplicações:
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Automóvel (ex.: pressão de pneus, airbag) com custos unitários muito baixos.
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Medicina (ex.: medição de pressão sanguínea).
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Medição de força, aceleração, temperatura, campos magnéticos, radiação e parâmetros químicos.
Tecnologias utilizadas:
