Sensor de posição: como escolher o sensor correto

Sensor de posição: como escolher o sensor correto

Um sensor de posição é um dispositivo que mede a posição linear ou angular. Um balanço apropriado inclui resolução, robustez, tempo de vida e custo. Os sensores de posição mais amplamente utilizados em aplicações industriais são:

– Encoders
– Inclinômetros
– Sensores de posição a laser
– Sensores de posição potenciométricos
– Sensores de proximidade
– Resolvers
– Sensores ultrassônicos

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Encoders

Os encoders são dispositivos de feedback rotativos e lineares que podem ser usados como sensores de posição. Os encoders calculam a posição, velocidade e direção de outro dispositivo. Os encoders incrementais geram um fluxo de pulsos correspondente ao deslocamento a partir de uma posição inicial estabelecida na inicialização. Os encoders absolutos leem uma palavra digital de vários bits correspondente à posição absoluta.

Os encoders estão disponíveis mediante sensores de tecnologia óptica ou magnética. Os encoders ópticos fornecem a mais alta resolução e precisão, mas são vulneráveis à contaminantes. Os encoders magnéticos podem sobreviver a ambientes muito severos, embora com uma resolução limitada. Os encoders magnéticos típicos usam chips/sensores de efeito Hall para gerar um sinal absoluto. Isso lhes permite oferecer desempenho preciso, mesmo em aplicações que envolvem alto choque e vibração.

Dependendo da aplicação, os dispositivos podem ser configurados para medir ângulos dentro de ±360° (configuração Single-Turn) ou rotações acima de ±360° (configuração Multi-Turn).

Inclinômetros

O monitoramento do ângulo de inclinação é importante em aplicações tão variadas como veículos fora de estrada e plataformas elevatórias. Os inclinômetros fornecem uma solução para esses casos. As versões tradicionais são baseadas em pequenos pêndulos. Mais recentemente, a indústria orientou-se para o uso de tecnologias de estado sólido, que incorporam acelerômetros baseados em sistemas micro-eletromecânicos (micro-electromechanical systems, ou MEMS).

O acelerômetro consiste em uma pequena massa de teste tipo bolacha suspensa a partir de um quadro fixo através de elementos fletores sensíveis. O eletrodo (móvel de massa sísmica) que está suspenso projeta, a partir de cada lado da sua massa de teste, a movimentação devida à inclinação para o espaço entre um par correspondente de eletrodos fixos, cuja projeção incide para fora do quadro fixo (a um sensor de posição capacitivo). Inclinar o sensor faz com que a massa de teste se mova. Isso altera o espaçamento entre os eletrodos da massa de teste e os eletrodos da estrutura fixa, o que modifica a capacitância. Esses dados podem ser processados para obter o ângulo da inclinação sofrida.

Por serem dispositivos de estado sólido, os inclinômetros são robustos e econômicos. Eles também são bem selados e fáceis de montar.

Como sempre, existem desvantagens. Os dispositivos podem ser sensíveis a choques e vibrações. Em aplicações estáticas, esse problema pode contornado com amortecimento físico ou através da remoção dos ruídos de sinal com filtros digitais. Em aplicações dinâmicas, o acelerômetro baseado em MEMS precisa ser combinado com um giroscópio 3D baseado em MEMS.

Talvez um problema maior seja que, no fundo, isso implica numa medição indireta. Os dados do acelerômetro precisam ser processados para gerar um ângulo, o que pode introduzir um atraso. Um dispositivo rotativo de leitura direta, como um sensor de efeito Hall ou um encoder, fornece resultados mais rápidos e uma leitura mais precisa.

Sensores de posição a laser

O tipo mais simples de sensor de posição a laser é um telêmetro (rangefinder) a laser para determinação de tempo de voo. Esses sistemas medem a distância monitorando a quantidade de tempo necessária para que um pulso óptico viaje do laser para o alvo e retorne ao detector. Eles são rápidos, com boa repetibilidade e oferecem resoluções espaciais de até poucos milímetros.

Eles são sensíveis a erros de alinhamento, particularmente quando um retro-refletor deve ser usado em um alvo que, de outra forma, apresentaria uma superfície difusa. Eles são muito sensíveis às condições ambientais. Calor, umidade, contaminação e vibração degradam o desempenho do laser. Umidade e material particulado podem contaminar o retro-refletor e impedir que ele produza uma reflexão especular capaz de retornar ao detector. A poeira e a umidade no caminho óptico percorrido pelo feixe podem espalhar a luz e diminuir a relação sinal/ruído.

Para aplicações com demandas de desempenho mais altas, os interferômetros a laser oferecem resoluções da ordem de um comprimento de onda da luz (nanométrica). Esses dispositivos medem a distância com base na interferência entre um feixe teste e um feixe de referência. Eles são precisos e com boa repetibilidade. O lado negativo é que eles sofrem todos os problemas de um telêmetro a laser, embora em maior grau. Eles também são muito mais caros. Para uma aplicação exigente em um ambiente limpo e controlado, eles podem funcionar bem.

Sensores de posição potenciométricos

Um potenciômetro é um divisor de tensão ajustável que se baseia em um resistor de três terminais. Um terminal está conectado a uma fonte de tensão, enquanto outro está conectado ao aterramento. O terceiro terminal se conecta a uma escova que desliza ao longo de uma superfície resistiva fixa. Para potenciômetros usados como sensores de posição, a escova é presa à carga. Quando a carga se move, o pincel desliza sobre a superfície resistiva. Isso altera a resistência, causando uma alteração na tensão de saída.

Os sensores de posição baseados em potenciômetros podem ter configuração rotativa ou linear. Em uma versão rotativa, a superfície resistiva é um anel, enquanto na versão linear é uma pista reta. Os potenciômetros são sensores de posição inerentemente absolutos, sem necessidade de realocação após uma interrupção. Por causa do mecanismo operacional, a resolução de um potenciômetro é teoricamente infinita; na prática, é limitado pelo desempenho da eletrônica de leitura. Esses dispositivos são econômicos e familiares para a maioria dos engenheiros e técnicos de manutenção.

A desvantagem é que os potenciômetros são baseados no contato físico deslizante. Portanto, a sua vida útil é limitada. Eles também são vulneráveis à contaminantes. A linearidade da saída varia de acordo com os parâmetros do dispositivo e a interação entre as escovas e a superfície resistiva. Os sensores de posição baseados em potenciômetros são projetados para um número limitado de voltas. Isso limita a capacidade de rastrear uma carga e deve ser levado em consideração ao especificar.

Sensores de proximidade

Como o próprio nome sugere, um sensor de proximidade usa qualquer uma das várias tecnologias de sensores para detectar quando um objeto está próximo. Os sensores de proximidade mais simples são apenas interruptores. Versões mais sofisticadas fornecem um feedback gradiente dependendo da proximidade. Eles podem ser implementados usando uma variedade de tecnologias, incluindo:

– Fotoelétrico (sinais infravermelho e visível)
– Indutivo
– Ultrassônico

Eles podem ser usados para o posicionamento se instalados em cada ponto chave do sistema, a fim de enviar um sinal quando acionados por algum alvo na carga. Para uma tabela de indexação rotativa, por exemplo, um comutador pode ser instalado aos 0°, 90°, 180° e 270°. É uma abordagem econômica e eficaz para aplicativos que exigem um feedback limitado, mas rapidamente se torna impraticável para qualquer tipo de posicionamento de alta resolução.

A Dynapar oferece sensores sem contato com tamanhos de sensor de proximidade, oferecendo um feedback incremental e absoluto de alta resolução:

Resolvers

Para aplicações sujeitas a condições extremamente severas, como temperaturas extremas, altos choques e vibrações, além de contaminação, os resolvers podem fornecer a melhor solução de feedback angular. Um resolver é um tipo especializado de transformador que opera sem componentes eletrônicos integrados. O dispositivo consiste em dois enrolamentos primários fixos (excitação) e dois enrolamentos rotativos secundários (sinal) conectados à carga. A passagem de uma tensão através dos enrolamentos de excitação induz uma tensão nos enrolamentos de saída de sinal. A magnitude da tensão de saída varia dependendo do ângulo da carga. Tomando o arco-tangente da razão apropriada entre as tensões aplicadas às entradas do resolver (excitação), obtêm-se o ângulo dentro de uma rotação completa da carga.

Como os resultados são baseados em uma proporção de sinais elétricos analógicos, os resolvers oferecem uma resolução teórica infinita. Entretanto, assim como no caso dos potenciômetros, a resolução prática do sistema é limitada pelos componentes eletrônicos de processamento externos.

Os resolvers podem ser adquiridos em configurações com e sem carcaça. Isso os torna altamente adaptáveis. No entanto, o seu desempenho depende do alinhamento, o que significa que é necessária alguma experiência para obter melhores resultados.

Sensores ultrassônicos

Os sensores de posição ultrassônicos também operam com base no princípio do tempo de voo, usando elementos piezoelétricos ou eletrostáticos para gerar sinais ultrassônicos. Eles são eficazes em distâncias de até 10 m, embora a precisão diminua com a distância. Eles têm uma zona cega de alguns centímetros na face do sensor.

Os sensores ultrassônicos são robustos em relação a choques, vibrações e contaminantes. Eles não são sensíveis a variações de cor e temperatura do objeto em teste. Como os cálculos são baseados na velocidade do som, eles apresentam algumas fraquezas. Eles não são eficazes em materiais macios e absorventes de som. Eles são sensíveis a variações de temperatura, umidade e altitude que podem alterar a maneira como as ondas acústicas se propagam no ar. Alguns sistemas aplicam fatores de compensação, mas ambientes altamente dinâmicos podem precisar de disposições especiais.

Versões comerciais de sensores ultrassônicos estão disponíveis. Como nos sistemas baseados em laser, há uma curva de aprendizado. Integrá-los ao sistema e interpretar os resultados tendem a ser o aspecto mais desafiador do uso da tecnologia.

Por fim, a escolha da tecnologia deve ser orientada pelo tipo de aplicação. O que o usuário está tentando fazer? Quais informações eles precisam do dispositivo? Quais são as condições? E, claro, o que o orçamento cobre? Também é importante considerar o conjunto de habilidades da equipe que instalará, operará e manterá este equipamento.

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Sobre a Dynapar

A Dynapar é uma das empresas operacionais da Specialty Product Technologies do Grupo Fortive, do qual também fazem parte a Veeder-RootWest Control SolutionsHengstlerAnderson-NegeleGems Sensors, entre outras. Possui fábricas no Brasil, Estados Unidos e Alemanha.

Conta com assistência técnica local e 1 ano de garantia para todos os produtos. Oferece a mais completa linha de encoders do mercado: incremental, absoluto, senoidal, heavy-duty (robusto).

Seus encoders são dedicados a mercados como energia eólica, área petrolífera e veículos fora da estrada. Experiência, versatilidade e competência para atender sua necessidade de precisão e desempenho.

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