【Princípio dos sensores】Princípio de funcionamento dos sensores de pressão e suas aplicações

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Este tópico foi editado pela última vez por Wang Tianze em 22/03/2016, às 15:46. Princípio de funcionamento e aplicações dos sensores de pressão – Reprodução. Os sensores de pressão são um dos tipos de sensores mais utilizados na prática industrial. Eles são aplicados em diversos ambientes de controle automático industrial, como em setores como energia hidrelétrica, transporte ferroviário, edifícios inteligentes, controle automático da produção, indústria aeroespacial, setor militar, petroquímica, poços de petróleo, energia elétrica, navios, máquinas-ferramenta e tubulações. A seguir, será apresentado de forma resumida o princípio de funcionamento e as aplicações dos sensores mais comuns. 1. Princípio e aplicações dos sensores de pressão com strain gages. Existem muitos tipos de sensores mecânicos, como sensores de pressão com strain gages resistivos, sensores de pressão com strain gages semicondutores, sensores de pressão piezoelétricos, sensores de pressão indutivos, sensores de pressão capacitivos, sensores de pressão por ressonância, além de sensores de aceleração capacitivos. Mas o sensor de pressão mais amplamente utilizado é o de tipo piezoresistivo, que possui preço extremamente baixo, alta precisão e boas características lineares. A seguir, apresentaremos principalmente esse tipo de sensor. Ao entendermos os sensores de força piezoresistivos, primeiro devemos conhecer o componente conhecido como folha de strain gauge. Um sensor de deformação por resistência é um dispositivo sensível que converte as mudanças de deformação em um componente sob teste em um sinal elétrico. É um dos principais componentes dos sensores de deformação piezoresistivos. Os tipos de sensores de deformação por resistência mais utilizados são os sensores de metal e os sensores semicondutores. As pastilhas de deformação resistiva metálicas existem em dois tipos: as de formato filamento e as de formato folha metálica. Geralmente, as pastilhas de resistência são coladas firmemente ao substrato que sofre deformações mecânicas, por meio de um adesivo especial. Quando o substrato é submetido a esforços que causam mudanças de tensão, as pastilhas de resistência também se deformam, fazendo com que sua resistência elétrica mude. Isso, por sua vez, faz com que a tensão aplicada às pastilhas de resistência também mude. A variação da resistência gerada por esses sensores de deformação sob carga é, geralmente, pequena. Normalmente, esses sensores fazem parte de uma ponte de deformação, e a sinalização resultante é amplificada por um amplificador de sinais, sendo posteriormente transmitida para os circuitos de processamento (geralmente conversores A/D e CPUs), a fim de ser exibida ou utilizada por algum mecanismo de ação. Estrutura interna dos sensores de resistência metálicos. Um sensor de resistência é composto por material de base, fios ou folhas metálicas sensíveis a deformações, camadas isolantes e fios de conexão. Dependendo do uso, o valor de resistência dos strain gages pode ser definido pelo projetista. No entanto, é necessário prestar atenção à faixa de valores de resistência: se ela for muito baixa, a corrente necessária para acioná-lo será muito alta. Além disso, o aquecimento causado pelo strain gauge faz com que sua temperatura aumente excessivamente. Em diferentes ambientes, o valor de resistência do strain gauge pode variar bastante, o que resulta em desvios significativos no ponto zero de saída. Além disso, os circuitos de ajuste do ponto zero tornam-se excessivamente complexos. Além disso, a resistência é muito alta, a impedância também é elevada, o que resulta em uma capacidade reduzida de resistir às interferências eletromagnéticas externas. Geralmente, ficam entre algumas dezenas de ohms e algumas dezenas de milhares de ohms. Princípio de funcionamento dos sensores de deformação por resistência O princípio de funcionamento dos sensores de deformação por resistência metálicos consiste no fenômeno pelo qual a resistência elétrica, fixada no material do substrato, sofre alterações de valor devido à deformação mecânica; esse fenômeno é popularmente conhecido como efeito de deformação por resistência. O valor da resistência de um condutor metálico pode ser expresso pela seguinte fórmula: ρ – resistividade do condutor metálico (Ω·cm²/m); S – área transversal do condutor (cm²); L – comprimento do condutor (m). Tomemos como exemplo a resistência de um fio metálico sob tensão. Quando o fio é submetido a uma força externa, seu comprimento e sua área transversal mudam. Pode-se ver, então, que o valor da resistência também muda. Se o fio se alongar devido à força externa, seu comprimento aumentará, enquanto sua área transversal diminuirá. Nesse caso, o valor da resistência aumentará. Quando o fio metálico é comprimido por uma força externa, seu comprimento diminui e sua seção transversal aumenta, fazendo com que a resistência elétrica diminua. Basta medir a variação aplicada à resistência (geralmente, medindo a tensão nos dois extremos da resistência) para se obter informações sobre a deformação do fio metálico. 2. Princípio e aplicações dos sensores de pressão em cerâmica. Os sensores de pressão em cerâmica, resistentes à corrosão, não utilizam líquidos para transmitir a pressão. A pressão atua diretamente na superfície frontal da membrana de cerâmica, causando uma pequena deformação nela. Resistores de filme grosso são impressos no lado posterior da membrana de cerâmica, formando assim uma ponte de Wheatstone (ponte fechada). Devido ao efeito piezoelétrico dos resistores, a ponte gera um sinal de tensão que é proporcional à pressão e também à tensão de excitação. Os sinais padrão são definidos conforme a faixa de pressão, sendo 2,0 / 3,0 / 3,3 mV/V, entre outros. Esses sensores podem ser compatíveis com sensores de deformação. Graças à calibração a laser, o sensor possui alta estabilidade térmica e temporal. Ele conta com compensação de temperatura automática para faixa de 0 a 70°C, e pode entrar em contato direto com a grande maioria dos meios. A cerâmica é um material reconhecido por sua alta elasticidade, resistência à corrosão, ao desgaste, aos impactos e às vibrações. As propriedades de estabilidade térmica da cerâmica, juntamente com sua resistência de filme espesso, permitem que ela funcione em uma faixa de temperatura que vai de -40 a 135°C. Além disso, ela oferece alta precisão e estabilidade nas medições. Nível de isolamento elétrico > 2kV, sinal de saída forte, boa estabilidade a longo prazo. Sensores cerâmicos com altas características e baixo custo serão a tendência no desenvolvimento de sensores de pressão. Na Europa e nos EUA, há uma tendência de substituição total por outros tipos de sensores. Na China, cada vez mais usuários optam por sensores cerâmicos em vez de sensores de pressão feitos de silício difuso. 3. Princípio e aplicações dos sensores de pressão de silício difuso. Princípio de funcionamento: A pressão do meio a ser medido atua diretamente sobre a membrana do sensor (feita de aço inoxidável ou cerâmica), fazendo com que a membrana se desloque ligeiramente, de maneira proporcional à pressão do meio. Isso faz com que a resistência elétrica do sensor mude. Um circuito eletrônico detecta essa mudança e converte-a em um sinal de medição padrão correspondente àquela pressão. 4. Princípio e aplicações dos sensores de pressão de safira: Utilizando o princípio de funcionamento baseado em resistores de deformação, emprega-se silício-safira como elemento semicondutor sensível, o que confere características de medição incomparáveis. O safira é composto por um único cristal de elemento isolante, e não sofre com fenômenos como atraso, fadiga ou deformação progressiva ； O safira é mais resistente que o silício, possui maior dureza e não se deforma facilmente ； O safira possui uma excelente elasticidade e propriedades isolantes (até 1000 °C). Portanto, os componentes semicondutores fabricados com silício e safira não são sensíveis às mudanças de temperatura; mesmo em condições de alta temperatura, eles mantêm excelentes características de funcionamento ； As propriedades de resistência à radiação do safira são extremamente fortes ； Além disso, os componentes semicondutores de silício-safira são imunes à deriva p-n; portanto, o processo de fabricação é significativamente simplificado, a reprodutibilidade é aumentada e a taxa de produtos finais de alta qualidade é garantida. Sensores de pressão e transmissores fabricados com componentes semicondutores de silício-safira são capazes de funcionar normalmente nas condições de trabalho mais adversas, além de apresentarem alta confiabilidade, precisão elevada, erro térmico mínimo e ótimo custo-benefício. Os sensores e transmissores de pressão relativa são compostos por duas membranas: uma membrana de medição feita de liga de titânio e uma membrana de recepção também feita de liga de titânio. Folhas finas de safira com circuitos de ponte elétrica sensíveis a deformações por epitaxia heterogênea são soldadas na membrana de medição feita de liga de titânio. A pressão a ser medida é transmitida para a membrana receptora (a membrana receptora está firmemente conectada à membrana de medição por meio de barras de conexão). Sob a ação da pressão, a liga de titânio que forma a membrana sofre deformação. Essa deformação é detectada pelos sensores de silício-safira, o que faz com que a saída do circuito em ponte mude. A amplitude dessa mudança é proporcional à pressão medida. O circuito do sensor consegue fornecer energia ao circuito da ponte de deformação, além de converter os sinais de desequilíbrio da ponte de deformação em sinais elétricos padronizados (0-5, 4-20mA ou 0-5V). Nos sensores e transmissores de pressão absoluta, as lâminas de safira, conectadas ao soldante de vidro à base de cerâmica, atuam como elementos elásticos, convertendo a pressão a ser medida em deformação das pastilhas de strain gauge, assim alcançando-se o objetivo de medição da pressão. 5. Princípio e aplicações dos sensores de pressão pieelétricos. Os materiais pieelétricos mais utilizados nos sensores pieelétricos incluem quartzo, tartrato de potássio-sódio e amônia dihidrogenofosfato. O quartzo (dióxido de silício) é um cristal natural. O efeito pieelétrico foi descoberto nesse tipo de cristal. Dentro de uma certa faixa de temperatura, as propriedades pieelétricas permanecem, mas, quando a temperatura ultrapassa esse limite, essas propriedades desaparecem completamente (essa alta temperatura é conhecida como “ponto de Curie”). Como o campo elétrico muda pouco com as variações de tensão (ou seja, o coeficiente pieelétrico é relativamente baixo), o quartzo foi gradualmente substituído por outros cristais pieelétricos. Já o tartrato de potássio-sódio possui alta sensibilidade pieelétrica e coeficiente pieelétrico, mas só pode ser utilizado em ambientes com temperatura ambiente e umidade relativamente baixas. A diamida de hidrogenofosfato é um cristal sintético que consegue suportar altas temperaturas e umidade considerável, por isso já foi amplamente utilizado. Atualmente, o efeito pieelétrico também é aplicado em policristais, como as cerâmicas pieelétricas atuais, incluindo as cerâmicas pieelétricas de titanato de bário, PZT, cerâmicas pieelétricas do tipo niobato e cerâmicas pieelétricas de lead niobato-magnésio, entre outras. O efeito pieelétrico é o principal princípio de funcionamento dos sensores pieelétricos. Esses sensores não podem ser utilizados para medições estáticas, pois a carga gerada por uma força externa só consegue ser mantida quando a impedância de entrada do circuito é infinitamente alta. A realidade não é assim, portanto isso determina que os sensores pieelétricos só possam medir tensões dinâmicas. Os sensores pieelétricos são utilizados principalmente na medição de aceleração, pressão e força. O sensor de aceleração pieelétrico é um tipo de acelerômetro muito utilizado. Possui características excelentes, como estrutura simples, tamanho pequeno, peso leve e longa vida útil. Os sensores de aceleração piezoelétricos são amplamente utilizados na medição das vibrações e impactos em aeronaves, automóveis, navios, pontes e edifícios. Eles têm um papel especial, especialmente nos setores aeronáutico e espacial. Sensores piezelétricos também podem ser usados para medir a pressão de combustão interna do motor, bem como o nível de vácuo. Também pode ser usado na **indústria, por exemplo, para medir as mudanças na pressão dentro do cano no momento em que uma bala é disparada, bem como a pressão das ondas de choque na boca do canhão. Pode ser usado tanto para medir pressões elevadas quanto para medir pressões muito baixas.