Desde correntes de acionamento robóticas até correias transportadoras em operações de cadeia de suprimentos, passando pela oscilação de torres de turbinas eólicas, a detecção de posição é uma função crítica em uma ampla gama de aplicações. Ela pode assumir muitas formas, incluindo sensores lineares, rotativos, angulares, absolutos, incrementais, de contato e sem contato. Sensores especializados foram desenvolvidos para determinar a posição em três dimensões. As tecnologias de detecção de posição incluem potenciometria, indutividade, correntes parasitas, capacitância, magnetostrição, efeito Hall, fibra óptica, óptica e ultrassom.
Esta seção de perguntas frequentes oferece uma breve introdução às várias formas de detecção de posição e, em seguida, analisa uma gama de tecnologias que os projetistas podem escolher ao implementar uma solução de detecção de posição.
Sensores potenciométricos de posição são dispositivos baseados em resistência que combinam uma trilha resistiva fixa com um cursor acoplado ao objeto cuja posição precisa ser detectada. O movimento do objeto desloca o cursor ao longo da trilha. A posição do objeto é medida utilizando-se uma rede divisora ​​de tensão formada por trilhas e cursores para medir o movimento linear ou rotacional com uma tensão CC fixa (Figura 1). Sensores potenciométricos são de baixo custo, mas geralmente apresentam baixa precisão e repetibilidade.
Sensores de posição indutivos utilizam mudanças nas propriedades do campo magnético induzido na bobina do sensor. Dependendo de sua arquitetura, eles podem medir posições lineares ou rotacionais. Sensores de posição com Transformador Diferencial de Tensão Variável Linear (LVDT) utilizam três bobinas enroladas em torno de um tubo oco: uma bobina primária e duas bobinas secundárias. As bobinas são conectadas em série, e a relação de fase da bobina secundária é defasada em 180° em relação à bobina primária. Um núcleo ferromagnético, chamado armadura, é colocado dentro do tubo e conectado ao objeto no local a ser medido. Uma tensão de excitação é aplicada à bobina primária e uma força eletromotriz (FEM) é induzida na bobina secundária. Medindo a diferença de tensão entre as bobinas secundárias, a posição relativa da armadura e do objeto ao qual ela está conectada pode ser determinada. Um transformador diferencial de tensão rotacional (RVDT) utiliza a mesma técnica para rastrear a posição rotacional. Sensores LVDT e RVDT oferecem boa precisão, linearidade, resolução e alta sensibilidade. Eles são isentos de atrito e podem ser selados para uso em ambientes agressivos.
Sensores de posição por correntes parasitas funcionam com objetos condutores. Correntes parasitas são correntes induzidas que ocorrem em materiais condutores na presença de um campo magnético variável. Essas correntes fluem em um circuito fechado e geram um campo magnético secundário. Sensores de correntes parasitas consistem em bobinas e circuitos de linearização. A corrente alternada energiza a bobina para criar o campo magnético primário. Quando um objeto se aproxima ou se afasta da bobina, sua posição pode ser detectada pela interação do campo secundário produzido pelas correntes parasitas, que afeta a impedância da bobina. À medida que o objeto se aproxima da bobina, as perdas por correntes parasitas aumentam e a tensão oscilante diminui (Figura 2). A tensão oscilante é retificada e processada por um circuito linearizador para produzir uma saída CC linear proporcional à distância do objeto.
Os sensores de corrente parasita são dispositivos robustos e sem contato, normalmente usados ​​como sensores de proximidade. Eles são omnidirecionais e podem determinar a distância relativa ao objeto, mas não a direção ou a distância absoluta até ele.
Como o nome sugere, os sensores de posição capacitivos medem as variações de capacitância para determinar a posição do objeto detectado. Esses sensores sem contato podem ser usados ​​para medir a posição linear ou rotacional. Eles consistem em duas placas separadas por um material dielétrico e utilizam um dos dois métodos a seguir para detectar a posição de um objeto:
Para provocar uma mudança na constante dielétrica, o objeto cuja posição se deseja detectar é fixado ao material dielétrico. À medida que o material dielétrico se move, a constante dielétrica efetiva do capacitor muda devido à combinação da área do material dielétrico com a constante dielétrica do ar. Alternativamente, o objeto pode ser conectado a uma das placas do capacitor. Conforme o objeto se move, as placas se aproximam ou se afastam, e a variação na capacitância é usada para determinar a posição relativa.
Sensores capacitivos podem medir deslocamento, distância, posição e espessura de objetos. Devido à sua alta estabilidade e resolução de sinal, sensores capacitivos de deslocamento são utilizados em ambientes laboratoriais e industriais. Por exemplo, sensores capacitivos são usados ​​para medir a espessura de filmes e a aplicação de adesivos em processos automatizados. Em máquinas industriais, são usados ​​para monitorar o deslocamento e a posição da ferramenta.
A magnetostrição é uma propriedade dos materiais ferromagnéticos que faz com que o material altere seu tamanho ou forma quando um campo magnético é aplicado. Em um sensor de posição magnetostritivo, um ímã de posição móvel é fixado ao objeto a ser medido. Ele consiste em um guia de ondas composto por fios que conduzem pulsos de corrente, conectados a um sensor localizado na extremidade do guia de ondas (Figura 3). Quando um pulso de corrente é enviado pelo guia de ondas, um campo magnético é criado no fio, que interage com o campo magnético axial do ímã permanente (o ímã no pistão do cilindro, Figura 3a). A interação do campo é causada por torção (efeito Wiedemann), que deforma o fio, produzindo um pulso acústico que se propaga ao longo do guia de ondas e é detectado por um sensor na extremidade do guia de ondas (Figura 3b). Medindo-se o tempo decorrido entre o início do pulso de corrente e a detecção do pulso acústico, a posição relativa do ímã de posição e, portanto, do objeto, pode ser medida (Figura 3c).
Sensores de posição magnetoestritivos são sensores sem contato usados ​​para detectar posição linear. Os guias de onda são frequentemente alojados em tubos de aço inoxidável ou alumínio, permitindo que esses sensores sejam usados ​​em ambientes sujos ou úmidos.
Quando um condutor fino e plano é colocado em um campo magnético, qualquer corrente que flua tende a se acumular em um dos lados do condutor, criando uma diferença de potencial chamada tensão de Hall. Se a corrente no condutor for constante, a magnitude da tensão de Hall refletirá a intensidade do campo magnético. Em um sensor de posição de efeito Hall, o objeto é conectado a um ímã alojado na haste do sensor. À medida que o objeto se move, a posição do ímã muda em relação ao elemento de Hall, resultando em uma variação da tensão de Hall. Medindo a tensão de Hall, a posição de um objeto pode ser determinada. Existem sensores de posição de efeito Hall especializados que podem determinar a posição em três dimensões (Figura 4). Os sensores de posição de efeito Hall são dispositivos sem contato que oferecem alta confiabilidade e detecção rápida, e operam em uma ampla faixa de temperatura. Eles são usados ​​em diversas aplicações de consumo, industriais, automotivas e médicas.
Existem dois tipos básicos de sensores de fibra óptica. Nos sensores de fibra óptica intrínsecos, a fibra é usada como elemento sensor. Nos sensores de fibra óptica externos, a fibra óptica é combinada com outra tecnologia de sensor para retransmitir o sinal para componentes eletrônicos remotos para processamento. No caso de medições de posição de fibra intrínseca, um dispositivo como um reflectômetro óptico no domínio do tempo (OTDR) pode ser usado para determinar o atraso temporal. O deslocamento de comprimento de onda pode ser calculado usando um instrumento que implementa um reflectômetro óptico no domínio da frequência (OFD). Os sensores de fibra óptica são imunes à interferência eletromagnética, podem ser projetados para operar em altas temperaturas e são não condutores, portanto, podem ser usados ​​próximos a materiais inflamáveis ​​ou sob alta pressão.
Outro sensor de fibra óptica baseado na tecnologia de grade de Bragg em fibra (FBG) também pode ser usado para medição de posição. A FBG atua como um filtro de rejeição de banda, refletindo uma pequena fração da luz centrada no comprimento de onda de Bragg (λB) quando iluminada por luz de amplo espectro. Ela é fabricada com microestruturas gravadas no núcleo da fibra. As FBGs podem ser usadas para medir diversos parâmetros, como temperatura, deformação, pressão, inclinação, deslocamento, aceleração e carga.
Existem dois tipos de sensores de posição ópticos, também conhecidos como encoders ópticos. Em um caso, a luz é enviada para um receptor na outra extremidade do sensor. No segundo tipo, o sinal de luz emitido é refletido pelo objeto monitorado e retorna à fonte de luz. Dependendo do projeto do sensor, as mudanças nas propriedades da luz, como comprimento de onda, intensidade, fase ou polarização, são usadas para determinar a posição de um objeto. Sensores de posição ópticos baseados em encoders estão disponíveis para movimentos lineares e rotativos. Esses sensores se dividem em três categorias principais: encoders ópticos transmissivos, encoders ópticos reflexivos e encoders ópticos interferométricos.
Os sensores de posição ultrassônicos utilizam transdutores de cristal piezoelétrico para emitir ondas ultrassônicas de alta frequência. O sensor mede o som refletido. Os sensores ultrassônicos podem ser usados ​​como sensores de proximidade simples ou, em projetos mais complexos, podem fornecer informações de alcance. Os sensores de posição ultrassônicos funcionam com objetos-alvo de diversos materiais e características de superfície e podem detectar pequenos objetos a distâncias maiores do que muitos outros tipos de sensores de posição. Eles são resistentes a vibrações, ruído ambiente, radiação infravermelha e interferência eletromagnética. Exemplos de aplicações que utilizam sensores de posição ultrassônicos incluem detecção de nível de líquidos, contagem de objetos em alta velocidade, sistemas de navegação robótica e sensores automotivos. Um sensor ultrassônico automotivo típico consiste em uma carcaça de plástico, um transdutor piezoelétrico com uma membrana adicional e uma placa de circuito impresso com circuitos eletrônicos e microcontroladores para transmissão, recepção e processamento de sinais (Figura 5).
Sensores de posição podem medir o movimento linear, rotacional e angular absoluto ou relativo de objetos. Eles também podem medir o movimento de dispositivos como atuadores ou motores e são usados ​​em plataformas móveis, como robôs e carros. Diversas tecnologias são empregadas em sensores de posição, com diferentes combinações de durabilidade ambiental, custo, precisão, repetibilidade e outros atributos.
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