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Automação Industrial_ Sensores ultrassons

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Tudo sobre sensores a sons e ultrassons

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Automação Industrial_ Sensores ultrassons

  1. 1. Por: Luís Timóteo 126/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores Ultrassónicos Não concordo com o acordo ortográfico
  2. 2. Por: Luís Timóteo 226/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒O que acontece ao fazer vibrar uma régua ou um elástico tal como nestes desenhos? ‒Esses sons, soam melhor quando a extremidade da régua é curta e o elástico está mais esticado, porque vibram mais rápido. Produzem sons!... Recorda que sempre que há um som, é porque há vibrações ou oscilações. ‒Vibração: movimento que realiza um corpo de um lado ao outro da sua posição de equilíbrio ‒Oscilação: vibração completa. É o movimento efectuado por um corpo desde um dos extremos mais longe da sua posição de equilíbrio até ao outro estremo e voltar ao primeiro. O Som e os ultrassons: Como se produz o som Um som é produzido por causa de uma vibração. Uma vibração pode ser definida como um movimento rápido para frente e para trás de um corpo em torno de uma posição central…
  3. 3. Por: Luís Timóteo 326/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒O som é uma onda mecânica elástica que se espalha através de um meio físico sob a forma de ondas longitudinais ou compressivas. Este fenómeno é, por exemplo, posto em prática por alto- falantes, que provocam a vibração de uma membrana, que por sua vez faz com que o ar vibre. O som se espalha mais rapidamente quanto mais denso o ambiente, o que explica por que o som viaja mais rápido debaixo d'água do que no ar. O som é produzido pela vibração de corpos. O som propaga-se em todas as direcções. O som propaga-se através dos sólidos, líquidos ou gases. O som não se propaga no vácuo (vazio). ‒As ondas sonoras não se podem propagar no vácuo. Portanto, você nunca verá sensores ultrassónicos em sondas espaciais ou Rovers lunares. O Som e os ultrassons: O som!...
  4. 4. Por: Luís Timóteo 426/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons O Som e os ultrassons: Ondas periódicas…. crista vale λ = comprimento de onda A = amplitude da onda Onda: é toda perturbação que se propaga, transportando energia (e quantidade de movimento) sem o transporte de matéria. Ondas Tridimensionais: propagam-se no espaço em todas as direcções se não forem direccionadas.Ex: luz, som…
  5. 5. Por: Luís Timóteo 526/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Ondas Longitudinais: a direcção de vibração coincide com a direcção de propagação. O Som e os ultrassons: Ondas direccionadas…. ‒A altura do som depende apenas da sua frequência, sendo definida como a diferenciação entre grave e agudo. Um tom de maior frequência é agudo e um de menor é grave….
  6. 6. Por: Luís Timóteo 626/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Velocidade de propagação da onda sonora: Δt ΔS v  T v   fv . , mas ∆S = λ , ou ‒v = velocidade (SI : m/s). Assim: ∆t = T ‒T = período (SI : s). ‒f = frequência (SI : Hz). ‒λ = comprimento de onda (SI : m). O Som e os ultrassons: A velocidade do Som…
  7. 7. Por: Luís Timóteo 726/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒A velocidade do som é mais rápida em materiais sólidos e mais lenta em líquidos ou gases. A velocidade de uma onda sonora é afectada por duas propriedades da matéria: as propriedades elásticas e densidade. A relação é descrita pela seguinte equação: ‒A velocidade do som não é sempre a mesma. Lembre-se que o som é uma vibração da energia cinética passada de molécula para molécula. Quanto mais próximas as moléculas estiverem umas das outras e quanto mais apertadas forem as suas ligações, menos tempo levará para que passem o som umas para as outras e o som mais rápido se pode propagar. Água Ar Granito ‒É mais fácil para as ondas sonoras passar por sólidos do que por líquidos porque as moléculas estão mais próximas e mais firmemente unidas em sólidos. ‒Da mesma forma, é mais difícil para o som passar através dos gases do que através dos líquidos, porque as moléculas gasosas estão mais distantes.  ijC V  ‒Cij são as propriedades elásticas do meio, e  é a densidade. ‒A temperatura também influencia a velocidade do som… ‒A 20°C, o som propaga-se no ferro sólido a 5100m/s, na água líquida a 1450m/s e no ar a 343m/s. O Som e os ultrassons: A velocidade do Som…
  8. 8. Por: Luís Timóteo 826/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Estado Meio Velocidade (m/s) Gasoso Ar (20ºC) Ar (400C) Hidrogénio (0ºC) Oxigénio (0ºC) Hélio (0ºC) 343 355 1286 317 972 Líquido Agua (25ºC) Agua de mar (25ºC) 1493 1533 Sólido Alumínio Ouro Cobre Ferro Vidro Chumbo Borracha 6320 3240 4600 5130 4540 1210 60 ‒A Velocidade do som é a velocidade de propagação de uma onda sonora. A onda sonora é uma onda mecânica longitudinal que necessita de um meio para se propagar, a passagem de qualquer onda sonora produz uma pequena variação de pressão no meio em que se propaga produzindo um deslocamento no fluido, deslocamento tal que muda a densidade do fluido. Essa cadeia de eventos é cíclica, dependendo de uma perturbação no meio para iniciar… O Som e os ultrassons: A velocidade do Som…
  9. 9. Por: Luís Timóteo 926/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons A Influência da temperatura ‒A temperatura é uma condição que afecta a velocidade do som. O calor, como o som, é uma forma de energia cinética. Moléculas em temperaturas mais altas têm mais energia, assim eles podem vibrar mais rápido. Como as moléculas vibram mais rapidamente, as ondas sonoras podem viajar mais rapidamente. A velocidade do som na temperatura ambiente do ar (250) é de 346 metros por segundo. Isso é mais rápido do que 331 metros por segundo, que é a velocidade do som no ar em temperaturas de congelamento 0o. ‒Suponha que dois volumes de uma substância, como o ar, tenham densidades diferentes. Sabemos que a substância mais densa deve ter mais massa por volume. Mais moléculas são contidas no mesmo volume, portanto, as moléculas estão mais próximas e suas ligações são mais fortes. Como o som é mais facilmente transmitido entre partículas com ligações fortes, o som viajaria mais rapidamente através de um ar mais denso. ‒No entretanto, nota-se que o som viaja mais rapidamente no ar a 40oC mais morno, do que no ar mais frio a 20oC. Isso não parece certo porque o ar mais frio é mais denso. No entanto, nos gases, um aumento da temperatura faz com que as moléculas se movam mais rapidamente e isso explica o aumento da velocidade do som. 358.0 m/s 343.6m/s 330.4m/s A fórmula para encontrar a velocidade do som no ar é a seguinte: v = 331m/s + 0.6m/s/C * T ‒ A velocidade do som também é afectada por outros factores como a humidade e a pressão do ar. O Som e os ultrassons: A velocidade do Som…
  10. 10. Por: Luís Timóteo 1026/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons A velocidade do som no ar: Influências Humidade do ar a 200C, uma taxa de humidade a variar de 0 a 100%, vai modificar a duração do percurso em 0,3%. Pressão. Uma variação de pressão de 30 bares, vai modificar a duração do percurso em 0,3%. Temperatura 0,17%/oC Negligenciável Negligenciável compensada M T)Rm(273 c    28,8 20)(2738314,31.4   c: Velocidade do som (m/s) Rm:Constante molar dos gazes (8314,3J/Kmolk : Coeficiente adiabático. M: Massa molecular do ar. T: Temperatura (oC). C do ar a 20oC= = 344 m/s. Pressão de vapor < 50 mbar? Sem problema algum!.... O Som e os ultrassons: A velocidade do Som…
  11. 11. Por: Luís Timóteo 1126/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒Se chegam com menos diferença de tempo, os dois sons são escutados como um só. ‒O ouvido humano só ouve sons separados com uma diferença mínima de 0,1 segundos. O Som e os ultrassons: A Reflexão do Som… Eeeecooo!...
  12. 12. Por: Luís Timóteo 1226/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons x  t =intervalo de tempo para que o som que foi emitido pelo observador e refletido seja recebido pelo mesmo. t ‒ Eco: ocorre quando t  0,1s. O observador ouve separadamente o som directo e o som reflectido. ‒ Reverberação: ocorre quando t < 0,1s. Há um prolongamento da sensação auditiva. ‒ Reforço: ocorre quando t  0s. Há somente um aumento da intensidade sonora. t  0s ‒ No ar a distância mínima para ocorrer eco é em torno de 17 m, pois: tVD . 10 340.0m 2x  17mx  ‒Como D = 2x e o tempo mínimo é de 0,1 s. O Som e os ultrassons: A Reflexão do Som… Eeeecooo!...
  13. 13. Por: Luís Timóteo 1326/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Infrassom Som audível Ultrassom 0 20 20.000 f (Hz) ‒Infrassom: sons com frequências abaixo de 20Hz. Não perceptível ao ser humano; ‒Ultrassom: sons com frequências acima de 20.000Hz. Não perceptível ao ser humano; ‒Som audível: sons com frequências perceptíveis ao ser humano (20Hz a 20.000Hz). O Som e os ultrassons: A frequência do Som…
  14. 14. Por: Luís Timóteo 1426/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sons em Decibéis Fonte do som Decibéis Boeing 747 140 Sirene de protecção civil 130 Martelo pneumático 120 Concerto de Rock 110 Trovão 100 Motociclo 90 Camião do lixo 80 Aspirador 70 Conversação normal 60 Tráfego leve 50 Ruído de fundo 40 Sussurro 20 ‒O ouvido humano é mais sensível a sons altos, então eles podem parecer mais alto do que um baixo ruído da mesma intensidade. Decibéis e intensidade, no entanto, não dependem do ouvido. Eles podem ser medidos com instrumentos. Um sussurro é de cerca de 20 decibéis enquanto o trovão é de 100 decibéis. Ouvir sons altos, sons com intensidades acima de 85 decibéis, pode danificar os ouvidos. Se um ruído é alto o suficiente, mais de 120 decibéis, pode ser doloroso para ouvir. 120 decibéis é o limiar da dor. ‒ É a relação entre a intensidade do som ouvido pela intensidade mínima. Limiar de audição: I0 = 10-12 W/m2 )(. 0 10 I I log10dB  Unidade: Decibel O Som e os ultrassons: O nível sonoro…
  15. 15. Por: Luís Timóteo 1526/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Uma oitava por linha Ouvido humano 30 Hz 18.000Hz Elefantes e Toupeiras Baleias Terramotos Vulcões CrocodilosSapos Aves Morcegos golfinhos Insectos Musaranhos Frequência Cães ondas ‒Os seres humanos têm uma audição limitada; o intervalo de frequências que podem ouvir é entre os 20Hz e os 20kHz, um ultra-som é um sinal acústico em que a frequência fica acima do intervalo de frequências sensíveis ao ouvido humano, aproximadamente desde os 20kHz até os 500kHz . ‒Assim como existe o ultra-som também se pode falar de infrassons, frequências que estão abaixo dos 20Hz, este intervalo de frequências só é audível para animais como o elefante, toupeira, o tigre e a baleia… ‒O som é um fenómeno natural que nos fornece informações sobre o nosso ambiente sem contacto físico, numa determinada gama de distâncias. O Som e os ultrassons: Os sons da natureza…
  16. 16. Por: Luís Timóteo 1626/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒Os ultrassons têm uma frequência acima de 20.000 Hz até 500 KHz, é, portanto, inaudível para os seres humanos (daí o seu nome). ‒Existem dois tipos de ultrassons, dependendo da faixa de frequência:  ultrassons de baixa potência, que é usado para medir a distâncias, testes não destrutivos, ecografia (ultra- sonografia) e acústica submarina. Este é o tipo de ultrassons de interesse para nós aqui;  E ultrassons de alta potência, que alteram o ambiente no qual se propaga. O seu efeito depende do meio através do qual ele está viajando, e pode ser mecânico, térmico ou químico. ‒Muitos animais podem ouvir ultrassons, como cães e morcegos. Os morcegos também têm a capacidade especial de emitir ultrassons com o propósito de explorar o espaço à sua volta, usando um princípio conhecido como ecolocalização. É exactamente este o princípio usado pelos sensores industriais e robôs que programamos. Outros animais têm esta faculdade (baleias, golfinhos, e alguns roedores). Eles usam os ultrassons não só para se guiarem no o seu caminho, mas também para identificar presas e para comunicarem. ‒Os seres humanos usam a ecolocalização em outros vários campos. Um dos mais conhecidos é a ultra- sonografia, que pode ser usada para ver certos tecidos vivos funcionando (por exemplo, um feto no útero de uma mãe ou ligamentos articulares). O outro uso bem conhecido é o sonar, usado por navios militares e submarinos. O Som e os ultrassons: Os sons da natureza…
  17. 17. Por: Luís Timóteo 1726/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒Os ultrassons, são na verdade uma espécie de energia sonora que o ouvido humano normal não consegue ouvir. A frequência das ondas de ultrassom é acima dos 20.000 hertz. Os animais têm a habilidade natural de usá-lo quando emitido como uma onda na perspectiva comum de navegação e caça. ‒No entanto, os seres humanos também utilizam ultrassons, mas não sem assistência técnica e são usados em muitos fins industriais militares e médicos. ‒O Sonar (do inglês Sound Navigation and Ranging ou “Navegação e Determinação da Distância pelo Som”) é um instrumento inicialmente usado para fins militares, para a localização de submarinos, mas que hoje em dia passou a ter muita utilização na navegação, na pesca, no estudo e pesquisa dos oceanos, estudos atmosféricos. Sensores ultrassónicos: Na natureza…
  18. 18. Por: Luís Timóteo 1826/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒Os morcegos, e outros animais, produzem um som de muito alta frequência (ultrassónico). Essas ondas sonoras viajam pelo ar e os morcegos analisam cuidadosamente todos os ecos (reflexões do som) que são “devolvidos”. ‒Determinando quanto tempo e a intensidade que os ecos levam para retornar, os morcegos estimam as distâncias dos objectos, o seu tamanho, e em que direcção eles estão localizados. ‒O cérebro do morcego processa os ecos de forma semelhante ao cérebro humano. Durante o processamento dos ecos no cérebro do morcego, ele forma uma imagem, semelhante à forma como os seres humanos usam informações visuais e auditivas para identificar os objectos... ‒Contrariamente à crença popular, os morcegos também processam informações visuais como os humanos. Sensores ultrassónicos: Na natureza… A Ecolocalização
  19. 19. Por: Luís Timóteo 1926/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons O Sonar - Ecolocalização Sensores ultrassónicos: O sonar!…
  20. 20. Por: Luís Timóteo 2026/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons O Sonar: (SOund Navigation And Ranging) ‒A Ecolocalização é um sentido, uma sofisticada capacidade biológica de detectar a posição e/ou distância de objectos ou animais através de emissão de ondas ultra-sónicas, no ar ou na água, e análise ou cronometragem do tempo gasto para essas ondas serem emitidas, reflectirem-se no alvo e voltarem à fonte sobre a forma de eco. Para diversos mamíferos, morcegos, golfinhos e baleias, essa capacidade é de importância crucial em condições onde a visão é insuficiente, de noite no caso dos morcegos ou em águas escuras ou turvas para os golfinhos, seja para locomoção ou para captura de presas. Alguns pássaros também utilizam a ecolocalização para voarem em cavernas. Baseado nessa capacidade natural os seres humanos desenvolveram a “ecolocalização artificial” com o radar, o sonar e aparelhos de ultra-sonografia. Sensores ultrassónicos: O sonar!…
  21. 21. Por: Luís Timóteo 2126/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒A medição de diferentes variáveis físicas por meio da ultrassonografia normalmente esta relacionada com a sua velocidade, o seu tempo de propagação e, em alguns casos, com atenuação ou interrupção do feixe ultrassónico. Existem três princípios físicos nos quais se baseia a operação dos sensores ultrassónicos: Sensores ultrassónicos: Fundamentos dos sensores a ultrassons  Propagação dos ultrassons em meios homogéneos e não homogéneos;  Reflexão dos ultrassons em objectos imóveis ou fixos;  Efeito Doppler. Propagação em meios homogéneos ‒As perturbações sonoras que ocorrem num ponto de um meio elástico, propagam-se através dele com uma velocidade c, que depende da densidade  do meio, e do seu módulo de elasticidade E, de acordo com a equação:  E c  ‒Se define a impedância acústica Z do meio como o produto da densidade pela velocidade do som c: cZ .
  22. 22. Por: Luís Timóteo 2226/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Fundamentos dos sensores a ultrassons Propagação em meios homogéneos ‒Como resultado da perturbação sonora, a pressão varia em relação a um valor médio e a diferença entre o valor instantâneo e o valor médio é chamada de pressão acústica p. ‒A intensidade I da onda, é a potência por unidade de área em W / m2. ‒A impedância Z, a pressão acústica p, e a intensidade I, estão relacionadas pela equação: c p Z p I 22 .   Os ultrassons podem-se propagar através de meios homogéneos ou não homogéneos… ‒Quando a onda se propaga num meio homogéneo, a sua intensidade sofre uma atenuação exponencial de acordo com a equação: 2ax 0eII   ‒Em que: I0 - intensidade incidente;  - coeficiente de atenuação; x - distância percorrida.
  23. 23. Por: Luís Timóteo 2326/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Fundamentos dos sensores a ultrassons Propagação em meios homogéneos ‒Se a onda passar de um meio de impedância Z1 para outra impedância Z2, além de ser absorvida, ela é reflectida. Neste caso, os coeficientes de reflexão R e de transmissão T, são: 2 21 21 i r ZZ ZZ I I R          ‒Em que: Ii - intensidade incidente; Ir - intensidade reflectida; It- intensidade transmitida.  2 21 21 i t ZZ Z4Z I I T   1TR  A Influência dos factores ambientais ‒A temperatura pode influenciar significativamente a propagação dos ultrassons. A densidade do ar depende da temperatura, que influencia a velocidade de propagação da onda de acordo com a expressão: 273 T 1VsoVs   Em que Vso é a velocidade de propagação da onda sonora a 0ºC, e T é a temperatura absoluta (graus Kelvin).
  24. 24. Por: Luís Timóteo 2426/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/Piezoeffekt350px.gif Tensão Compressão Compressão ‒O efeito piezoeléctrico é a geração de carga eléctrica por um material cristalino ao submetê-lo a pressão.. ‒Arranjo geral de um sensor piezoeléctrico, onde os eléctrodos são aplicados a um material cristalino polido. ‒Como um cristal com eléctrodos depositados formam um condensador, a tensão desenvolvida pode ser expressa como: ‒Onde dx é o coeficiente piezoeléctrico na direcção x e Fx é a força aplicada na direcção x.  Efeito piezoeléctrico Sensores ultrassónicos: Geração de ultrassons
  25. 25. Por: Luís Timóteo 2526/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Efeito piezoeléctrico Sensores ultrassónicos: Geração de ultrassons ‒Uma das propriedades mais importantes dos materiais piezoeléctricos, que os torna indispensáveis em ultrassons, é a sua habilidade de oscilarem a uma fixa e precisa frequência como frequência de ressonância. ‒A frequência de ressonância de um crista piezoeléctrico ( ou elemento cerâmico) depende do próprio material, da sua massa efectiva, estrutura e dimensões físicas, e é também influenciado pela temperatura, pressão e forma. ‒Circuito equivalente de um material piezoeléctrico: ‒ Este Circuito tem duas ressonância – uma ressonância paralela e uma ressonância série (chamada anti-ressonância):
  26. 26. Por: Luís Timóteo 2626/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Geração de ultrassons ‒A relação entre as duas frequências é: ‒Quanto maior for o valor de m, maior é a separação entre as duas frequências. ‒A resistência R no circuito equivalente, actua como um factor “damping” (perda). Isto está associado ao factor de qualidade do material piezoeléctrico: m1ff sp  C L R Q 1 ‒A ressonância é importante de duas razões. ‒Na ressonância a amplitude da distorção mecânica é a mais alta: Na recepção o sinal gerado é o maior; Significa que o sensor é mais eficiente ,no ponto de ressonância. ‒A segunda razão é que o sensor opera a uma frequência limpa e certa. ‒Parâmetros de propagação, incluindo reflexões e transmissões estão claramente definidos, assim como outras propriedades, tais como o comprimento de onda...  Efeito piezoeléctrico
  27. 27. Por: Luís Timóteo 2726/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Efeito piezoeléctrico •O quartzo e a turmalina são materiais piezoeléctricos naturais, mas, devido ao valor reduzido dos seus parâmetros característicos, foram substituídos por outros materiais piezoeléctricos sintéticos, implementados com titanatos e zirconatos de chumbo (PZV). Estes materiais são mais estáveis que os naturais, ainda que apresentem o inconveniente da sua dependência da temperatura e a perda das suas propriedades piezoeléctricas à medida que a sua com titanatos e zirconatos de chumbo . •Para gerar ultrassons se utilizam habitualmente materiais piezoeléctricos que geram, tensões eléctricas ao aplicar-se-lhe uma pressão mecânica e vice-versa. •O efeito piezoeléctrico que a pressão provoca, deve-se a uma deformação da retícula cristalina que dá lugar, por sua vez, a um deslocamento das cargas eléctricas moleculares, o que faz que apareçam diferenças de potencial entre as faces do material. A polaridade desta diferença de potencial inverte-se quando se inverte o sentido da pressão, que pode ser de tracção ou de compressão. Compressão. TracçãoRepouso. Sensores ultrassónicos: Geração de ultrassons
  28. 28. Por: Luís Timóteo 2826/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒Para produzir ultrassons são usados cristais de titanato zirconato de chumbo (PZT). Este processo também funciona ao contrário. O cristal piezoeléctrico actua como receptor de ultrassons, convertendo as ondas sonoras em tensões alternadas e como transmissor, convertendo voltagens alternadas em ondas sonoras.  O efeito piezoeléctrico faz com que os cristais de materiais como o quartzo, gerem uma carga eléctrica quando os cristais do material são comprimidos, torcidos ou puxados. O inverso também é verdadeiro, pois os cristais do material se comprimem ou expandem quando uma tensão eléctrica lhes é aplicada.  Efeito piezoeléctrico Sensores ultrassónicos: Geração de ultrassons ‒Piezoeléctrico significa electricidade á pressão: Ondas de ultrassons são produzidas utilizando o efeito piezoeléctrico. ‒Quando uma diferença de potencial é aplicada através de certos cristais (piezoelétricos), os próprios cristais se deformam e contraem um pouco. Se o p.d. aplicado AC, então o cristal vibra na mesma frequência e envia ondas ultrassónicas. Centro da carga positiva Centro da carga negativa Contrai Voltagem aplicada ao material piezoeléctrico Expande Descoberto por Pierre e Jacques Curie em 1880
  29. 29. Por: Luís Timóteo 2926/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒Transdutores são instrumentos especiais que têm a capacidade de transformar um tipo de energia em outro. Dois tipos de transdutores são geralmente usados nos sensores ultras-sónicos. São o transdutor piezoeléctrico e transdutor electrostático. Estes dois têm muitas diferenças… Transdutores piezoeléctricos ‒Um cristal ou cerâmica é usada pelo sensor como um transdutor. Estes materiais possuem o efeito piezoeléctrico, que é a capacidade de produzir carga eléctrica quando comprimido. Os impulsos ultrassónicos são criados e medidos usando o efeito piezoeléctrico. Para usar cristais ou cerâmica como transdutores, eles são ligados a uma caixa ou um cone que é feito de metal. A cerâmica ou o cristal tem que ser estimulado por um sinal para causar a emissão do impulso. Uma vez que um sinal estimula o material piezoeléctrico, o material cresce ou encolhe. Quando isso acontece, são emitidos impulsos ultrassónicos. Transdutores electrostáticos •Existem duas placas que compõem um transdutor electrostático. Uma placa é fixa enquanto a outra é móvel. Mais frequentemente, o alumínio é o material usado para fazer a placa fixa. A placa móvel, por outro lado, é feita de Kapton revestido. O Kapton é um material isolante. Uma camada de ouro é usada para revestir o Kapton. Quando um sinal é aplicado às placas, elas são apertadas uma contra a outra produzindo impulsos ultrassónicos. Sensores ultrassónicos: Geração de ultrassons
  30. 30. Por: Luís Timóteo 3026/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Geração de ultrassons  Construção de um sensor piezoeléctrico Embalagem exterior Ressonador Placa de metal Cerâmica piezoeléctrica Base Terminais ‒O elemento piezoeléctrico esta rigidamente fixado a frente do sensor, de modo que as vibrações podem ser transmitidas de e para o sensor: ‒O ressonador em forma de cone irá focar o feixe de ultrassons no seu ponto focal. ‒O ressonador irá focar o feixe de ultrassons no seu ponto focal. ‒A parte frontal do sensor pode ser plana, prismática ou esférica…. ‒Cada sensor é específico para uma dada frequência de ressonância e para o seu ambiente de funcionamento (sólidos, fluidos, ar, ambiente agreste, etc….)
  31. 31. Por: Luís Timóteo 3126/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons http://www.ultrasonic-resonators.org/design/transducers/transducer_design.html Driver frontal Furo de refrigeração Rebordo de O-ring Pino Anti-rotação Cer. Piezoeléctrica Eléctrodo Calha de ParafusoAmplitudes axiais relativas Sensores ultrassónicos: Geração de ultrassons  Construção de um sensor piezoeléctrico
  32. 32. Por: Luís Timóteo 3226/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons F 2F Sensores ultrassónicos: Geração de ultrassons  Construção de um sensor magnetostritivo Campo Magnético Bobina Ligação Lâminas magnetostritivas ‒No ar ou em fluidos, os sensores piezoeléctricos são os melhores, mas para sólidos a alternativa – Magnetostrição: ‒Usados a frequências mais baixas (cerca de 100 KHz) para gerarem ondas de alta intensidade… ‒Tudo isto é necessário para aplicar uma bobina ao material e transmitir a frequência requerida… ‒O campo gerado nos materiais gera stress que gera ondas ultrassónicas… ‒Um método ainda mais simples é gerar um campo magnético AC, dentro do material no qual as ondas ultrassónicas devem ser geradas… ‒Porque as correntes eléctricas induzidas, há uma força actuando nestas correntes devido a um campo externo gerado por ímanes permanentes… Esta interacção gera stress e ondas sonoras…. ‒Estes sensores são comuns pela sua simplicidade, mas operam a frequências abaixo do 100KHz e têm baixa eficiência….
  33. 33. Por: Luís Timóteo 3326/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Transdutores … Transdutores piezoeléctricos Transdutores electrostáticos Transdutores Magnetostritivos F 2F Sensores ultrassónicos: Geração de ultrassons
  34. 34. Por: Luís Timóteo 3426/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Transdutores … Sensores ultrassónicos: Geração de ultrassons Apoio Elemento activo Placa de desgasteEléctrodos Malha eléctrica Manga interior Revestimento externo Um transdutor é qualquer dispositivo que converte uma forma de energia em outra. Um transdutor ultrassónico converte energia eléctrica em energia mecânica, na forma de som, e vice-versa. Os componentes principais são o elemento activo, o apoio e a placa de desgaste. ‒O que é um transdutor ultrassónico? ‒O elemento activo, é o material piezoeléctrico ou ferroeléctrico, converte energia eléctrica, como um impulso de excitação de um detector de falhas em energia ultrassónica. Os materiais mais usados são cerâmicas polarizadas que podem ser cortadas de várias maneiras para produzir diferentes modos de onda. Novos materiais, como polímeros piezoeléctricos e compósitos, também estão sendo empregados em aplicações onde eles fornecem benefícios ao desempenho do transdutor e do sistema. ‒O suporte ou apoio normalmente é um material de alta densidade altamente atenuante que é usado para controlar a vibração do transdutor, absorvendo a energia que irradia na face posterior do elemento ativo. Quando a impedância acústica do suporte coincide com a impedância acústica do elemento activo, o resultado será um transdutor altamente amortecido que exibe boa resolução de alcance, mas pode ser menor na amplitude do sinal.
  35. 35. Por: Luís Timóteo 3526/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Se houver uma incompatibilidade na impedância acústica entre o elemento e o suporte, mais energia sonora será reflectida para a frente no material de teste. O resultado final é um transdutor com resolução mais baixa devido a uma duração mais longa da forma de onda, mas pode ser maior na amplitude do sinal ou maior na sensibilidade. Transdutores … Sensores ultrassónicos: Geração de ultrassons ‒Placa de desgaste: O objectivo básico da placa de desgaste do transdutor é proteger o elemento transdutor do ambiente de teste. No caso de transdutores de contacto, a placa de desgaste deve ser um material durável e resistente à corrosão para suportar o desgaste causado pelo uso sendo de materiais como o aço. ‒Transdutores de elemento duplo: Os transdutores de elemento duplo utilizam elementos de transmissão e recepção separados, montados em linhas de retardo que normalmente são cortadas num determinado ângulo. Esta configuração melhora a resolução da superfície próxima, eliminando os problemas de recuperação do “burst” principal. Além disso, o design do feixe cruzado fornece um pseudo-foco que torna os dois sensores mais sensíveis aos ecos de reflectores irregulares, como corrosão e picagem. Uma consequência do design de elementos duplos é curva a uma distância / amplitude. Em geral, uma diminuição no ângulo superior ou um aumento o tamanho do elemento transdutor resultará numa distância pseudo-focal mais longa e um aumento na gama útil…
  36. 36. Por: Luís Timóteo 3626/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Transdutores … Sensores ultrassónicos: Geração de ultrassons  Por definição, a distância focal de um transdutor é a distância da face do transdutor para o ponto no campo de som, onde o sinal com o amplitude máxima está localizada. Num transdutor sem foco, isso ocorre a uma distância da face do transdutor que é aproximadamente equivalente ao comprimento do campo próximo do transdutor. Porque o último sinal máximo ocorre a uma distância equivalente ao campo próximo, um transdutor, por definição, não pode ser acusticamente focado a uma distância maior que seu campo próximo.  Ao usar um transdutor de linha de retardo, haverá vários ecos do final da linha de retardo e é importante levar isso em consideração. Outro uso de transdutores de linha de retardo é em aplicações nas quais o material de teste está em uma temperatura elevada…  Transdutores de Linha de Retardo: Os transdutores de linha de retardo são transdutores de onda longitudinal de elemento único, usados em conjunto com uma linha de retardo substituível. Uma das razões para escolher um transdutor de linha de atraso é que na superfície próxima, a resolução pode ser melhorada. O atraso permite que o elemento pare de vibrar antes que um sinal de retorno do reflector possa ser recebido  Transdutores de Imersão: Transdutores de imersão oferecem três grandes vantagens sobre os transdutores de contacto:
  37. 37. Por: Luís Timóteo 3726/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Transdutores … de Imersão Sensores ultrassónicos: Geração de ultrassons  Transdutores de imersão:  O acoplamento uniforme reduz as variações de sensibilidade.  Redução no tempo de varredura devido à varredura automatizada.  A focalização de transdutores de imersão aumenta a sensibilidade a reflectores. Cilíndrico Esferical  Configurações de Focalização: ‒Os transdutores de imersão estão disponíveis em três configurações diferentes:  Sem foco (“plano”),;  Esférico (“pontual”) focado;  Cilíndrico(“linha”)focado.  Um transdutor sem foco pode ser usado em aplicações gerais ou para penetração de materiais espessos. Um transdutor esférico é comumente usado para melhorar a sensibilidade a pequenas falhas e um foco cilíndrico é tipicamente usado na inspeção de tubulação ou estoque de barras… ‒ A focagem é realizada pela adição de uma lente ou por curvando o elemento em si. A adição de uma lente é a maneira mais comum de focar um transdutor.
  38. 38. Por: Luís Timóteo 3826/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Piezoeléctrico Sensores a ultrassons: Composição e funcionamento ‒Na prática um sensor ultrassónico é formado por um emissor e um receptor, tanto fixados num mesmo conjunto como separados, dependendo do posicionamento relativo desejado. ‒O emissor pode ser tanto do tipo magnetostritivo, electrostático como piezoeléctrico. Cristal EléctrodosDiafragmaBobina Magnetostritivo ‒No primeiro caso um diafragma de metal vibra a partir do campo magnético alternado produzido por um circuito oscilador. No segundo caso, temos cristal/ cerâmico piezoeléctrico (titanato de bário, por exemplo) que vibra por deformação quando uma tensão alternada lhe é aplicada. ‒É interessante observar que, pelo efeito de Doppler, o movimento do objecto detectado pode também ser determinado por precisão. O comprimento de onda de um sinal reflectido num objeto em movimento se altera com o esse movimento.
  39. 39. Por: Luís Timóteo 3926/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Vdd Vss TX RX Processo  Se o objecto está muito perto do sensor, o sinal de volta rapidamente. ‒Um sensor de ultrassons tem duas partes fundamentais: Um transmissor que envia um sinal de que os humanos não podem ouvir (40 - 200 KHz). Um receptor que recebe esse sinal reflectido pelos objectos próximos a sinalizar. Informação objecto ‒O sensor emite um “burst” de impulsos de ultrassons e determina quanto tempo o sinal leva para voltar.  Se o objecto está longe do sensor, o sinal demora mais a voltar.  Se o objecto está muito longe do sensor, o sinal demora tanto tempo para voltar que o receptor não consegue detectá-lo e o transmissor volta a repetir novos impulsos sempre á mesma cadência.  Sempre que o impulso de sinal tem retorno a informação é enviada para processamento e informação. Sensores a ultrassons: Composição e funcionamento
  40. 40. Por: Luís Timóteo 4026/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons 4 -20 mA Control Circuit 1234 Counter circuit Timing Generator Circuit Long distance Transmission T T= Relection time (Related to level) Pulse transmission Circuit Pulse transmission Circuit Ultrasonic Sensor (Transmitter) Ultrasonic Sensor (Receiver) Distance = L Object Sensores a ultrassons: Composição (Diagrama) Sensores de automação industrial
  41. 41. Por: Luís Timóteo 4126/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Indicadores a LEDs perfeitamente visíveis Posição de saída dos ultrassons independente do princípio de detecção Código QR para fácil acesso á ficha técnica e aplicações na Internet. Bainha de metal para fixação robusta Várias opções de fixação Tecnologia qTeach Feixe sónico estreito e simétrico (diâmetro max.80mm a uma distância de 500 mm) sobre um alvo padrão (30x30mm). Sensores de automação industrial Sensores a ultrassons: Composição (Diagrama) Símbolo 0 V + U
  42. 42. Por: Luís Timóteo 4226/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons http://www.sense.com.br/app/webroot/arquivos/produtos/arq1/ Sensores de automação industrial Sensores a ultrassons: Composição (Diagrama) Touch control LED – Display 2 Buttons 2 Duo-LEDs
  43. 43. Por: Luís Timóteo 4326/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Tipo de saída Analógica Distância sensora 250, 350, 1000 mm Distância máxima 350 , 600 ,1300 mm Zona morta 30 ,65, 120 mm Frequência do transdutor 320 ,400, 200 KHz Precisão : 2% Resolução 0.20 mm Compensação de temperatura: sim Tensão de alimentação 10 a 30Vcc Protecção da alimentação contra inversão de polaridade Ripple ± 10% Corrente de consumo: 40 mA Saída digital - - - Saída analógica 0-10V (crescente ou decrescente) Tempo de resposta 32,70, 100 ms Sinalização led verde: alimentação Sensores de automação industrial Sensores a ultrassons: Composição (Diagrama) led amarelo: status da saída Conexão eléctrica conector M12 - 5 pinos Invólucro tubular M18 Material do invólucro PBT Material do transdutor ultrassónico: poliuretano Grau de proteção IP67 Temperatura de operação -25ºC a +70ºC Temperatura de estoque -40ºC a + 85ºC Peso 15g
  44. 44. Por: Luís Timóteo 4426/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒Os sensores electrónicos de ultrassons baseiam-se na reversibilidade do principio de funcionamento dos materiais piezoeléctricos. Estes materiais caracterizam-se por gerar um sinal eléctrico ao aplicar-se-lhe uma onda de pressão (neste caso o som ) e por serem capazes de vibrar e de gerar ondas de pressão quando estão imersos num meio elástico como por exemplo o ar, qualquer outro fluido o um sólido, ao aplicar- se-lhe uma excitação eléctrica. ‒O princípio de funcionamento dos sensores ultrassónicos está baseado na emissão de uma onda sonora de alta frequência, e na medição do tempo levado para a recepção do eco produzido quando esta onda se choca com um objeto capaz de reflectir o som. ‒Eles emitem impulsos ultrassónicos ciclicamente. Quando um objecto reflecte esses impulsos, o eco resultante é recebido e convertido num sinal eléctrico. A detecção do eco incidente depende de sua intensidade e esta da distância entre o objecto e o sensor ultra-sónico. Os sensores ultra-sónicos funcionam medindo o tempo de propagação do eco, isto é, o intervalo de tempo medido entre o impulso sonoro emitido e o eco do mesmo. Sensores ultrassónicos: Princípio de funcionamento
  45. 45. Por: Luís Timóteo 4526/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons b) Há reflexão ‒O pequeno comprimento de onda das vibrações ultrassónicas faz com que elas se reflictam em pequenos objectos, podendo ser captadas por um sensor colocado na posição apropriada. Objecto a) Ultra-Som Sentido da Propagação SomNão reflecte ‒O comprimento de onda usado e portanto a frequência, são muito importantes nesse tipo de sensor, pois ele determina as dimensões mínimas do objecto que pode ser detectado. ‒De facto, só ocorre reflexão em intensidade suficiente para se obter um bom sinal, quando o objecto tem dimensões que se aproximam do comprimento de onda do sinal, ou seja, maior. ‒Os sinais passam através de objectos cujas dimensões sejam muito menores do que o seu comprimento de onda. Por esse motivo é que sons comuns não podem ser usados nesse tipo de detector.  Objecto1/10  ‒Um sinal de 1000 Hz, por exemplo, teria 34 cm de comprimento de onda, sendo teoricamente esse o tamanho do menor objeto que poderia ser detectado por essa frequência, considerando-se uma velocidade aproximada do som de 340 m/s… Sensores ultrassónicos: Princípio de funcionamento
  46. 46. Por: Luís Timóteo 4626/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒O princípio de funcionamento dos sensores ultrassónicos está baseado na emissão de uma onda sonora de alta frequência, e na medição do tempo levado para a recepção do eco produzido quando esta onda se choca com um objecto capaz de reflectir o som. ‒O sensor emite um impulso de som e mede a distância do objecto dependendo do tempo levado pelo eco para retornar de novo ao sensor. A energia eléctrica é convertida em som para enviar o impulso, e o som recebido de volta (eco), é convertido em electricidade, para processar a distância. ‒Os sensores ultrassónicos funcionam medindo o tempo de propagação do eco. Isto é, o intervalo de tempo medido entre o impulso sonoro emitido e o eco do mesmo. ‒Os transdutores ultrassónicos dispõem de cristais piezoeléctricos que têm uma ressonância a uma frequência desejada, e convertem a energia eléctrica em energia acústica e vice-versa. ‒O princípio de operação destes sensores é exactamente o mesmo do sonar, usado pelo morcego para detectar objectos e presas no seu voo nocturno. Sensores ultrassónicos: Princípio de funcionamento  Medição da distâncias em Modo de Reflexão
  47. 47. Por: Luís Timóteo 4726/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒Mede o tempo que demora a receber o eco dos impulsos emitidos, devido à reflexão sobre um objecto presente no caminho de propagação da radiação. O objeto pode ser um líquido, um sólido, granulado, pó, com a única restrição de que deve ter uma impedância acústica muito diferente da do meio em que se propagam os ultrassons, para que a maior parte da radiação seja reflectida. ‒Nos sensores de ultrassons de baixo custo utiliza-se o mesmo transdutor como emissor e receptor. Depois da emissão dum trem de impulsos de ultrassons, o equipamento fica em situação de tempo de espera, até enviar novo trem de impulsos. Se nesse tempo de espera receber um impulso ou eco, calcula a distância do obstáculo que provocou o eco. ‒Isto implica que exista uma distância mínima (proporcional ao tempo de relaxação do transdutor) a partir da qual o sensor mede com precisão. Sensores ultrassónicos: Princípio de funcionamento  Medição das distâncias…
  48. 48. Por: Luís Timóteo 4826/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒O padrão de radiação de um sensor ultrassónico consiste em um cone principal e vários cones vizinhos. ‒O ângulo aproximado do cone principal é de 5 °…. Sensores ultrassónicos: Princípio de funcionamento  Padrão de Radiação
  49. 49. Por: Luís Timóteo 4926/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Início da faixa de operação Final da faixa de operação Distância do objecto Faixa de mediçãoZona morta Perfil do cone ultrassónico … Sensores ultrassónicos: Zonas de detecção…
  50. 50. Por: Luís Timóteo 5026/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Zonas de detecção… SensorBarra cilíndricaPlaca ‒Os critérios essenciais: para a escolha de um sensor ultrassónico estão sua faixa e a zona de detecção tridimensional associada. Para determinar isso, diferentes alvos padrão são introduzidos lateralmente no campo de detecção. Cada ponto de comutação é usado para determinar a forma do lóbulo sensor. ‒Área Amarela: Indica a distância de detecção nominal do sensor e pode ser estendida a um valor máximo de acordo com o modelo do sensor. ‒Áreas vermelhas: são medidas e utilizam uma barra cilíndrica (ø 10 ou 27 mm dependendo do tipo de sensor) e indicam a área de trabalho típica de um sensor. ‒Para obter as áreas azuis: uma placa (500 x 500 mm) é guiada de fora para o campo de som. O ângulo ideal da placa em relação ao sensor é sistematicamente escolhido. A área máxima de detecção do sensor é assim definida. A detecção não é mais possível fora dos lóbulos acústicos azuis.
  51. 51. Por: Luís Timóteo 5126/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Zonas de detecção… SensorBarra cilíndricaPlaca ‒O menor intervalo de detecção permitido é determinado pela zona morta de um sensor. Não deve haver objectos indesejados ou reflectores na zona morta, donde podem resultar medidas incorrectas. ‒Um reflector com piores características de reflexão do que a barra cilíndrica é reconhecido pelos sensores numa área menor que a área de trabalho vermelha. Por outro lado, um reflector com melhores características terá uma zona de detecção cujo tamanho está entre a zona de detecção vermelha e a zona de detecção azul.
  52. 52. Por: Luís Timóteo 5226/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Zonas de detecção… ‒Bandas de serviço: nos diagramas seguintes se mostra a distância a que o sensor ultrassónico pode medir alvos normais com reserva operacional suficiente. No caso de alvos altamente reflexivos, os limites podem ser excedidos. O limite de alcance é sempre maior que o intervalo de serviço. Os gráficos são para 20° C, 50% de humidade relativa e pressão normal. Nos dados técnicos, estes símbolos indicam as faixas de serviço dos sensores ultrassónicos. ‒A atenuação do som no ar: depende da temperatura do ar, da umidade relativa do ar e da pressão atmosférica. As relações físicas são complexas e diferem em diferentes frequências ultrassónicas. Para simplificar: quando a temperatura sobe e a umidade do ar aumenta, a atenuação no ar aumenta. Isso resulta em uma redução das zonas de detecção. À medida que a temperatura cai e a umidade do ar diminui, a atenuação no ar diminui e as zonas de detecção se expandem de acordo. Quando a pressão atmosférica aumenta, a atenuação no ar diminui acentuadamente. Isso deve ser levado em consideração para aplicações de pressão. O som não pode se espalhar no vazio. A redução das zonas de detecção é amplamente compensada pela reserva operacional. Quando as temperaturas estão abaixo de 0 ° C, alguns sensores podem medir duas vezes mais que os dados mostrados aqui.
  53. 53. Por: Luís Timóteo 5326/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons 0,24 m Zona morta de 50 mm Faixa de operação de 240 mm Faixa limite de 350 mm f = 500 kHz, λ = 0,7 mm Zona morta 20 mm Faixa de operação 150 mm Faixa limite 250 mm f = 380 kHz, λ = 0,9 mm 0,15 m 0,25 m Zona morta 30 mm Faixa de operação 250 mm Faixa limite 350 mm f = 320 kHz, λ = 1,1 mm 1,0 m Zona morta de 120 mm Faixa de operação de 1.000 mm Limite de alcance de 1.300 mm f = 200 kHz, λ = 1,7 mm 3,4 m Zona morta de 350 mm Faixa de operação de 3.400 mm Faixa limitada de 5.000 mm f = 120 kHz, λ = 2,9 mm 6,0 m Zona morta de 600 mm Alcance operacional de 6.000 mm Alcance limitado de 8.000 mm f = 80 kHz, λ = 4,3 mm Sensores ultrassónicos: Zonas de detecção… https://www.microsonic.de/fr/support/capteurs-%C3%A0-ultrasons/zones-de-detection.htm Bandas de serviço
  54. 54. Por: Luís Timóteo 5426/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Tipos de sensores…  Sensores de proximidade ultrassónicos usam um transdutor para enviar e receber sinais sonoros de alta frequência. Quando um alvo entra no feixe, o som é refletido de volta para o comutador, fazendo com que ele ligue ou desligue o circuito de saída. Sensores de proximidade ultrassónicos  Disco piezoeléctrico: Um disco cerâmico piezoeléctrico é montado na superfície do sensor. Pode transmitir e receber impulsos de alta frequência. Uma voltagem de alta frequência é aplicada ao disco, fazendo com que ele vibre na mesma frequência. O disco vibratório produz ondas sonoras de alta frequência. Quando os impulsos transmitidos atingem um objecto que reflecte o som, são produzidos ecos. A duração do impulso reflectido é avaliada no transdutor. Quando o alvo entra no intervalo de operação predefinido, a saída do comutador muda de estado. Quando o alvo deixa a faixa de operação predefinida, a saída retorna ao seu estado original. Ultrassom Transmitido Eco Recebido
  55. 55. Por: Luís Timóteo 5526/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade… Transreceptor
  56. 56. Por: Luís Timóteo 5626/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons https://lastminuteengineers.com/arduino-sr04-ultrasonic-sensor-tutorial/ Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade… Transreceptor TX RX
  57. 57. Por: Luís Timóteo 5726/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Tamanho do Alvo…  Para garantir uma detecção fiável dos objectos, o sinal reflectido deve ser grande o suficiente. A intensidade do sinal depende do tamanho do objecto. Usando um objecto padrão, a distância total de varredura está disponível… Método de medição: Os alvos são posicionados perpendicularmente ao eixo de referência do sensor, aproximados lateralmente a diferentes distâncias. O perfil do cone sónico é então plotado conectando os pontos medidos com uma linha. A forma do cone pode variar se objectos redondos ou de formas diferentes forem detectadas. 15 x 15 mm para Sde até 250 mm 30 x 30 mm para Sde até 1000 mm 100 x 100 mm para Sde> 1000 mm  Os alvos padrão são quadrados feitos de aço usados para determinar a forma dos perfis típicos do cone sónico: Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…
  58. 58. Por: Luís Timóteo 5826/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Os gráficos de perfil de cone sónico encontrados nas folhas de especificações dos catálogos, representam as áreas de detecção activa para sensores ultrassónicos. Os gráficos demonstram os lóbulos laterais sonoros de curto alcance, que ampliam o ângulo de abertura de curto alcance do sensor.  Devido à boa absorção e difusão do ar, os lóbulos diminuem em intervalos mais longos. O tamanho, a forma, as propriedades da superfície e a direcção da detecção do alvo têm influência muito alta na região de detecção lateral de um sensor ultrassónico. Os perfis do cone sónico aplicam-se a toda a família de produtos, e. um perfil de 100 - 1000 mm é representativo para todos os sensores relacionados da mesma faixa de detecção - saídas digitais ou analógicas, etc… Saída digital: A detecção só é possível dentro da área de detecção. A faixa de detecção exigida pode ser ajustada com o potenciómetro do sensor ou por Teach-in electrónico (botão Teach-in ou Teach-in remoto). Se um objecto for detectado dentro da área configurada, a saída mudará de estado, o qual é visualizado pelo LED integrado ou indicador e distância!...  Perfis do Cone Sónico… Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…
  59. 59. Por: Luís Timóteo 5926/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Perfis do Cone Sónico… Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…
  60. 60. Por: Luís Timóteo 6026/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Amplitude temo  O impulso emitido é na verdade um conjunto de 30 impulsos numa amplitude muito elevada. Já o eco pode estar em microvolts…. Tempo Recepção Tempo Recepção Impulso inicial Impulso inicial Eco  Zona Cega: Existe uma zona cega, imediatamente á frente do sensor. Dependendo do sensor, a zona cega é de 6 a 80 cm. Um objecto colocado na zona cega produzirá uma saída instável. Eco Zona Cega 6-80 cm Impulso emitido Eco Impulso emitido Faixa de Detecção  Definição da faixa: O intervalo de tempo entre o sinal transmitido e o eco é directamente proporcional à distância entre o objecto e o sensor. A faixa de operação pode ser ajustada em termos de largura e posição dentro da faixa de detecção. Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…  Funcionamento…
  61. 61. Por: Luís Timóteo 6126/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Limite inferior  O limite superior pode ser ajustado em todos os sensores. O limite inferior pode ser ajustado apenas com certas versões. Objectos além do limite superior não produzem uma alteração na saída do sensor. Isso é conhecido como “blanking out the background” (mascarar o fundo)…  Em alguns sensores, também existe um intervalo de bloqueio. Está entre o limite inferior e a zona cega. Um objecto na faixa de bloqueio impede a identificação de um alvo na faixa de operação. Existe uma saída de sinal atribuída ao alcance operacional e ao alcance de saída… Zona Cega Faixa de Bloqueio Limite superior Faixa de detecção Alvo Faixa de Operação Distância actual Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…  Funcionamento…
  62. 62. Por: Luís Timóteo 6226/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒O padrão de radiação de um sensor ultrassónico forma um cone principal e vários cones vizinhos. ‒O ângulo aproximado do cone principal é de 5 ° ‒Zonas livres devem ser mantidas ao redor do sensor para permitir cones vizinhos. Os exemplos a seguir, mostram a área livre necessária para as diferentes situações. Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…  Funcionamento…
  63. 63. Por: Luís Timóteo 6326/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Sensores Paralelos: No primeiro exemplo, dois sensores ultrassónicos, com a mesma faixa de detecção, foram montados paralelos uns aos outros. Os alvos são verticais ao cone de som. A distância entre os sensores é determinada pela faixa de detecção. Por exemplo, se a faixa de detecção dos sensores for de 6 cm, eles devem estar localizados a pelo menos 15 cm de distância. AlvoAlvo x Distância (cm) X (cm) 6-30 >15 20-130 >60 40-300 >150 60-600 >250 80-1000 >350 Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…  Funcionamento…
  64. 64. Por: Luís Timóteo 6426/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons x Distância (cm) X (cm) 6-30 >120 20-130 >400 40-300 >1200 60-600 >2500 80-1000 >4000  Interferência mútua: ocorre quando os dispositivos ultrassónicos são montados próximos uns dos outros, e o alvo está em posição de reflectir os ecos de volta para um sensor, na proximidade do sensor de transmissão. Neste caso, a distância entre os sensores (X), pode ser determinada através da experimentação.  Sensores opostos: No exemplo a seguir, dois sensores de sonar, com a mesma faixa de detecção, foram posicionados opostos um do outro. É necessária uma distância mínima (X) entre os sensores opostos, para que não ocorra interferências mútuas… x Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…  Funcionamento…
  65. 65. Por: Luís Timóteo 6526/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Superfícies Planas e Irregulares: Os sensores ultrassónicos instalados próximos a uma superfície plana, como uma parede ou face lisa duma máquina, exigem menos área livre do que os sensores montados próximos a uma superfície de formato irregular… x y Distância (cm) X (cm) y(cm) 6-130 >3 >6 20-130 >15 >30 40-300 >30 >60 60-600 >40 >80 80-1000 >70 >150 Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…  Funcionamento…
  66. 66. Por: Luís Timóteo 6626/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons +3° -3° Permitido  Alinhamento Angular: O ângulo do alvo que entra no cone de som, também deve ser considerado. O desvio máximo da direcção de envio para uma superfície plana é de ± 3 °.  Se o ângulo for maior que 3°, os impulsos sónicos serão reflectidos e o sensor não receberá o eco. > 3° Não permitido Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…  Funcionamento…Alinhamento angular
  67. 67. Por: Luís Timóteo 6726/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Líquidos e materiais granulados: Os líquidos, como a água, também estão limitados a um alinhamento angular de 3°. Materiais de grão grosso, como areia, podem ter um desvio angular de até 45°. Isso acontece porque o som é reflectido num ângulo maior por materiais de granulação grossa. Areia 45° 3° Água Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…  Funcionamento…Alinhamento angular
  68. 68. Por: Luís Timóteo 6826/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Apagando Objectos: Um objecto pode estar localizado nas proximidades do cone de som e causar operação inadequada do sensor. Esses objectos podem ser apagados usando uma abertura feita de um material absorvente de som, como lã de rocha. Isso estreita o cone de som e impede que os impulsos atinjam o objecto interferente. Material absorvente de som Abertura Alvo Objecto interferente Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…  Funcionamento…
  69. 69. Por: Luís Timóteo 6926/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…  Sincronização…(Microsonic)  Ligue o pino de controlo de todos os sensores dentro de uma área limitada entre si. Isso acciona a medição de todos os sensores ao mesmo tempo. Os sinais de interferência que chegam mais tarde ao sensor devido à sua maior distância de detecção, serão ignorados. Até oito sensores podem ser sincronizados via pino de controlo...  Os desvios indicados nas tabelas, devem ser considerados como valores indicativos. Se os objectos são colocados num ângulo, o som pode ser reflectido de volta para o sensor próximo. Neste caso, será necessário determinar as diferenças mínimas através da realização de um teste. Alguns sensores podem ser sincronizados entre si. Suas diferenças de montagem podem ser muito menores que as indicadas na tabela. Por favor, consulte as descrições dos diferentes sensores….  Muitos sensores ultrasonic possuem uma sincronização integrada que pode ser activada, por exemplo, simplesmente conectando o pino 5 ao plug fémea. Outros sensores requerem um sinal de relógio (clock) externo.
  70. 70. Por: Luís Timóteo 7026/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Ligue o pino de controlo de ambos os sensores entre si. Enquanto o primeiro sensor está medindo, o segundo está desactivado. Após a conclusão da primeira medição, o segundo sensor pode enviar e receber seus sinais. No máximo, dois sensores podem ser interconectados. A função multiplex aumenta o tempo de resposta do sensor para o dobro do valor especificado.  Nota: O pino de controlo deve ser fechado nos sensores utilizando o recurso de sincronização ou multiplexação. Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…  Multiplexagem…  Se o recurso não estiver em uso, o pino deve ser conectado aos seguintes potenciais para garantir o tempo de resposta padrão: • Sincronização: Conecte o pino de controle na tensão de alimentação (+Vs). • Multiplex: Conecte o pino de controle ao terra (GND).
  71. 71. Por: Luís Timóteo 7126/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…  Adjustment aid…  O LED indica a intensidade do sinal que foi reflectido pelo objecto, bem como o estado de comutação da saída: LED on: O objecto é detectado com segurança com uma reserva de intensidade de sinal de 50%. A saída é comutada. LED off: Nenhum objecto detectado. A saída não é comutada. LED flashing Detecção não fiável do alvo. A saída é activada / comutada. LockTeach-in O lockTeach-in está activo 5 minutos após a energização ou após o término do último processo de Teach-in. O lockTeach-in é reiniciado ao desconectar a fonte de alimentação. O lockTeach-in pode ser libertado por meio de um breve desligamento da alimentação principal…
  72. 72. Por: Luís Timóteo 7226/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Com Teach -in…
  73. 73. Por: Luís Timóteo 7326/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Sensores ultrassónicos com a função "Teach-in“, são semelhantes à gama padrão dos produtos, mas têm a versatilidade adicional de uma simples tecla de toque. Os pontos de comutação (Sde 1 e Sde 2) podem ser facilmente programados, dentro da faixa de detecção, por meio do botão embutido “Teach-in”…Este procedimento varia de marca para marca!...  Ajuste do Ponto de comutação Sde 1 (mais próximo) 1) Modo de ajuste: Pressione o botão Teach-in por aproximadamente 2 segundos até que o LED pisque em verde. Solte o botão: 2) O LED verde pisca. Coloque o alvo na faixa de detecção necessária e pressione o botão Teach-in. 3) A conclusão bem sucedida do procedimento Teach-in é confirmada pelo LED „on“ por aproximadamente 2 segundos.  Ponto de comutação de ajuste Sde 2 (mais afastado) 1) Modo de ajuste: Pressione o botão Teach-in por aproximadamente 4 segundos até que o LED pisque em amarelo. Solte o botão. 2) LED pisca em amarelo. Coloque o alvo no intervalo de varredura necessário e pressione o botão Teach-in. 3) A conclusão bem sucedida do procedimento Teach-in é confirmada pelo LED „on“ por aproximadamente 2 segundos. Sensores ultrassónicos: Com Teach -in…
  74. 74. Por: Luís Timóteo 7426/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Com Teach -in… LED Botão Teach-in  Repor as definições originais de fábrica: ‒Mantendo o botão pressionado por > 6 segundos, restaura automaticamente a configuração original de fábrica. O piscar rápido do LED verde / amarelo indica conclusão bem-sucedida da reinicialização.  Opções  Entrada de Teach-in Remoto  Saída Sincronização / multiplex  Vantagens  A configuração de configuração é salva numa EEPROM interna, garantindo a estabilidade a longo prazo.  Simples botão de configuração, sem necessidade de ferramentas;  Teach-in lock; a função Teach-in é bloqueada cinco minutos após ligar ou cinco minutos após o final do último processo de Teach-in.
  75. 75. Por: Luís Timóteo 7526/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Com PLC Siemens… BERO 3RG6 Ultrasonic Proximity Switches Compact range with LOGO!
  76. 76. Por: Luís Timóteo 7626/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Controlo automático da porta;  Detecção de objectos;  Protecção contra colisão;  Medição de folga;  Medição de altura de pilha. Sensores ultrassónicos: Com PLC Siemens… BERO 3RG6 Ultrasonic Proximity Switches Compact range with LOGO!  Quando sensor um ultrassónico “Sonar-BERO” (Siemens Doppler effect) com uma saída de frequência (faixas compactas II e M 18) é combinado com o LOGO! Os níveis podem ser medidos e controlados economicamente pelo minicontrolador PLC. Os seguintes recursos estão disponíveis:  Protecção contra transbordo;  Controlo da bomba;  Proteção sem carga e;  Funções.  Outras aplicações incluem:  Modo de operação: O Sonar-BERO emite impulsos ultrassónicos curtos em intervalos regulares. O tempo que decorre antes do eco do impulso de som ser recebido, após a reflexão num objecto, é medido e a distância até ao objecto é determinada a partir deste momento. Dependendo do tipo de Sonar-BERO usado, objectos a uma distância de até 6 m podem ser detectados.
  77. 77. Por: Luís Timóteo 7726/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Com PLC Siemens… BERO 3RG6 Ultrasonic Proximity Switches Compact range with LOGO!  O BERO produz um sinal de onda quadrada na sua saída de comutação que tem uma frequência proporcional à distância medida. Com um controlador como o LOGO! a frequência dessa onda quadrada pode ser medida e indicada como um valor analógico ou usada em processamento adicional…  Programação: Os PLCs Siemens LOGO! (apenas versão DC) apresenta a função especial “Threshold Switch” com a qual a saída de frequência do Sonar-BERO pode ser avaliada. A entrada para a função especial deve estar conectada para entrada I11, I12 (para LOGO! Long) ou I5, I6 (para LOGO! Basic) porque somente estes estão projectados para frequências de até 1 kHz.  O limite de activação (switch-on threshold) (SW) e o limite de desligamento switch-off threshold (SW), bem como o tempo de gate (G_T), podem ser definidos como parâmetros da função de limiar. O tempo de gate é o tempo necessário para contar os impulsos na entrada para a função especial.
  78. 78. Por: Luís Timóteo 7826/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Com PLC Siemens… BERO 3RG6 Ultrasonic Proximity Switches Compact range with LOGO!  Exemplo: A parametrização mostrada faz com que a comutação da saída seja ajustada para um objecto em aproximação com SW (70 cm) e leva reset (SW) quando atinge 50 cm. Quando o objecto se afasta, a saída de comutação é ajustada novamente para SW e permanece assim até que novo objecto atinja o limite de comutação SW novamente…  O Sonar-BERO (neste exemplo, com um intervalo de 20 a 130 cm) tem uma frequência de 66 Hz, o que corresponde a uma distância de 66 cm para este dispositivo. Se o tempo de gate estiver definido para 1 s, a flag “fa” no modo de operação, corresponde à distância em cm.
  79. 79. Por: Luís Timóteo 7926/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒Um Sensor de Proximidade responde à presença de um objecto próximo do sensor. Na maioria dos casos, são apenas alguns milímetros. Frequentemente o sensor de proximidade detecta uma posição final de uma peça da máquina e o sinal de saída do sensor activa outra função da máquina. ‒As principais vantagens dos sensores de proximidade industriais são: Operação fiável mesmo em ambientes severos (por exemplo, ambientes externos ou petrolíferos). Operação/instalação simples e fácil . Preço atractivo (por exemplo, menos caros que os sensores fotoeléctricos). ‒Actualmente os sensores de proximidade são encontrados em muitos tipos de indústrias e aplicações. Alguns exemplos: Indústria automóvel Indústria de máquinas e ferramentas. Indústria de processamento de alimentos Veículos utilitários (por exemplo, caminhões, máquinas agrícolas) Máquinas para lavar carros… Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…
  80. 80. Por: Luís Timóteo 8026/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒ A nova versão do SONPROG permite ao utilizador programar vários sensores simultaneamente. O limite inferior e superior faixa de operação pode ser salvo com o clique de um botão, para copiar para outros Sensores. Para cada sensor, os seguint parâmetros podem ser definidos: Limite inferior e superior da faixa de operação; Trânsito Diferencial;  Função de saída de comutação NO / NC;  Frequência de comutação;  Limite inferior e superior da característica analógica; Característica analógica, subida / descida;  Fim da zona cega;  Fim da faixa de detecção; Geração de valor médio; Sensibilidade; Sensores ultrassónicos: sensores de proximidade…  LinkControl: permite, como opção, a parametrização completa dos sensores. O adaptador LinkControl disponível como acessório, permite conectar os sensores ao PC.  Adjustment aid… SONPROG PC interface Programming da Siemens  Sensores ultrassónicos com IO-Link: permitem a comunicação completa em todos os níveis da arquitetura do sistema do sensor até o próximo nível do fieldbus. A distância medida é transmitida em série, por bits para o controlo. ‒A função também pode ser definida para o dispositivo:  Função multiplex;  Função como sensor difuso ou reflex:  Modo de nível de enchimento
  81. 81. Por: Luís Timóteo 8126/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Modos de Operação Os sensores de sonar podem ser configurados para operar em vários modos: difuso, reflex e de barreira (thru-beam)…  Modo Difuso: Este é o modo padrão de operação. Objectos, viajando em qualquer direcção na faixa de operação do cone de som, fará com que a saída do sensor mude de estado. Este modo de operação é semelhante a um sensor de proximidade. Faixa de operação Alvo Sensores ultrassónicos: Modos de Operação… Modo Difuso  Características: Fácil de instalar, apenas uma cabeça de sensor, supressão de primeiro plano e plano de fundo possível (modo de janela), objecto serve como reflector, o alinhamento é importante. A frequência de comutação é menor em comparação com um sensor de barreira…
  82. 82. Por: Luís Timóteo 8226/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Modos de Operação… Modo Reflex  Modo reflex: O modo reflex usa um reflector localizado na faixa de operação predefinida. A faixa de operação é ajustada para o reflector. Os impulsos são reflectidos pelo reflector e os impulsos de eco são retornados ao sensor. Quando um alvo bloqueia os impulsos de eco, a saída é activada. Normalmente usado em aplicações onde o alvo não é um bom absorvedor de som. Alvo Reflector  Operação: A distância do sensor ao reflector ou a um objecto dentro da distância de detecção é determinada pela medição do tempo de propagação. Qualquer objecto estacionário reflector de som, pode ser usado como reflector. A distância de detecção (reflector do sensor de distância) pode ser ajustada às condições de ajuste com o potenciómetro do sensor.  Desde que o tempo de propagação medido pelo sinal ultrassónico corresponda à distância do sensor ao reflector, o dispositivo estará no estado não activo. Quando um objecto entra na distância de detecção, o tempo de propagação muda e o sensor muda para o estado activo. Isso também permite a detecção de objectos absorventes e deflectores de som…  Vantagens: Fácil detecção mesmo para materiais absorventes de som de 100%. Detecção fiável de objectos reflectores de som. Nenhuma região cega na frente do sensor para objectos ≥ objecto padrão…
  83. 83. Por: Luís Timóteo 8326/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Modos de Operação… Modo Reflex  Definição de uma janela: Dependendo da marca e do modelo, em modo Teach-in,o objecto a ser detectado deve primeiro ser posicionado na extremidade mais curta da faixa de medição. Pressione aprox. 3 segundos no botão. Depois o objecto a ser detectado deve ser movido para o limite mais afastado da faixa de medição. Depois pressione aprox. 1 segundo no botão, para terminar.
  84. 84. Por: Luís Timóteo 8426/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Modos de Operação…
  85. 85. Por: Luís Timóteo 8526/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Modos de Operação… Modo de Barreira  Modo de Barreira (Thru-Beam): Consiste de um transmissor, que emite impulsos ultrassónicos e um receptor em módulos separados. Se o feixe entre o transmissor e o receptor for interrompido, a saída do receptor muda de estado.  Ângulo de feixe sónico :O ângulo do feixe sónico () define os limites do feixe cónico emitido pelo sensor.  Repetibilidade: Devido ao ângulo estreito do feixe sónico, a repetibilidade do ponto de comutação de dois alvos sucessivos, sob condições idênticas, é melhor que 3 mm…  Longo alcance, ou seja, grande distância entre o emissor e o receptor. Detecta com segurança objectos problemáticos (absorção de som)…  Frequência de comutação muito alta, características de resposta definidas…
  86. 86. Por: Luís Timóteo 8626/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Quando uma onda se reflecte num objecto em movimento, a sua frequência é deslocada numa quantidade proporcional à velocidade do objecto. Este facto pode ser explorado em sensoriamento ultrassónico, fazendo com que o receptor meça não o tempo de vai-e-vem, mas a frequência do impulso de eco de retorno. Conhecendo fe e fr, a frequência do impulso emitido e recebido, respectivamente, a velocidade v do alvo, pode ser calculada por:  Efeito de Doppler- Alvos em movimento )()/( Acosvsv2fefrfe   Onde A é o ângulo entre as linhas de movimento do alvo, e do impulso.  ..Se um emissor de sinal emite uma frequência fe que é reflectida por um objecto que se move com velocidade v em relação ao emissor, a frequência reflectida fr detectada no emissor é deslocada em relação à frequência original fe, e é dada por: fe vs 2v fe vvs vvs fr           1 Sensores ultrassónicos: Efeito Doppler… Medição contínua… fe – Frequência emitida. fr – Frequência recebida. vs – Velocidade do som. v - Velocidade do alvo.
  87. 87. Por: Luís Timóteo 8726/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Efeito de Doppler - Alvos em movimento ‒ Efeito Doppler F F1<F F1 Afastamento:  Temos uma alteração no sentido de aumentar o comprimento de onda e, portanto diminuir a frequência, se o objecto se afasta da fonte emissora.  Por outro lado, o comprimento de onda diminui e portanto temos uma frequência maior para o sinal reflectido, se o objecto se aproxima da fonte emissora… F1>F  Levando-se em conta a velocidade do ultrassom, pode-se determinar com precisão a velocidade de aproximação ou afastamento do objecto pela medida da alteração de sua frequência, com um circuito mostrado em blocos como o da figura seguinte. Emissor Osc. Amplif. Amplif. Receptor Batimento Frequencím etro Display(Processador) Sensores ultrassónicos: Efeito Doppler… Medição contínua… Aproximação:
  88. 88. Por: Luís Timóteo 8826/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Efeito Doppler… Medição contínua…  Medição de Reflexão vs Medição Contínua ‒No entanto, os dispositivos sensores baseados no Efeito de Doppler e no Efeito de Atenuação não têm as mesmas restrições: uma onda constante de ultrassons pode ser emitida e a atenuação ou frequência da onda recebida é continuamente analisada. Isso pode tornar as medições mais rápidas, aumentando efetivamente a sensibilidade do sensor. ‒O funcionamento baseado no tempo de propagação (Reflexão), requer a emissão de um impulso de ultrassons e a espera para que ele retorne. Este tempo de espera, limita a velocidade com que medições sucessivas podem ser feitas, sem risco de confusão… ‒Fazendo Medições: Os três métodos referidos utilizam princípios físicos diferentes, mas todos eles empregam o mesmo procedimento de medição. Em cada caso, uma onda sonora ultrassónica é criada, recebida e avaliada.
  89. 89. Por: Luís Timóteo 8926/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Medição de Reflexão vs Medição Contínua ‒Atenuação de Amplitude: O som ultrassónico atenua muito mais rápido que o som audível ao se propagar pelo ar. Ao medir a intensidade do impulso de retorno, uma estimativa da distância percorrida pode ser feita usando a seguinte equação: ax 0eII   ‒Em que: I0 - intensidade incidente;  - coeficiente de atenuação; x - distância percorrida. ‒A atenuação também pode ser causada por um ângulo aumentado entre o alvo e o receptor, o que pode até mesmo desviar o eco para outro lugar e não ser ouvido de forma alguma. ‒Medições de atenuação relativa podem ser feitas examinando-se o decaimento exponencial de múltiplas reflexões da superfície posterior. No entanto, variações significativas nas características microestruturais e propriedades mecânicas geralmente produzem apenas uma mudança relativamente pequena na velocidade e atenuação da onda… Sensores ultrassónicos: Efeito Doppler… Medição contínua…
  90. 90. Por: Luís Timóteo 9026/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  A inclinação da curva de saída pode ser modificada, dependendo do sensor, através de um potenciómetro, teach-in ou qTeach e optimamente adaptada à respectiva aplicação. Aplicações com cabos longos, onde podem existir interferências EMI ou RFI, devem usar sensores com uma saída de corrente analógica Sensores ultrassónicos: Saída analógica… Sensores ultrassónicos medidores de distância, com saída analógica ‒Design e operação  O sensor fornece uma corrente analógica de distância ou saída de tensão analógica proporcional, permitindo uma medição de distância sem contacto. Com base na técnica de eco de impulsos, o valor da distância medida é emitido como um valor de tensão. A corrente de saída ou a tensão de saída é proporcional à distância do objecto a ser detectado.  Transmitir a medição na forma de tensão (0-10 V) ou corrente (4-20 mA) proporcional à distância medida. Para sensores ultrassónicos com saída analógica, é possível definir o limite da janela próximo ao sensor e longe do sensor da característica analógica e também da característica ascendente ou descendente.
  91. 91. Por: Luís Timóteo 9126/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Saída analógica… Sensores ultrassónicos medidores de distância, com saída analógica ‒Regulação da saída analógica:  Dependendo da marca e do modelo, em modo Teach-in,o objecto a ser detectado deve primeiro ser posicionado na extremidade mais curta da faixa de medição. Pressione aprox. 3 segundos no botão. Depois o objecto a ser detectado deve ser movido para o limite mais afastado da faixa de medição. Depois pressione aprox. 1 segundo no botão, para terminar. Definir uma curva analógica ou uma janela com dois pontos de comutação  Característica analógica de NC/NO e curvatura para cima / baixo também pode ser ajustada através do botão Teach-in.  SoundPipe: acessório montado sobre o transdutor que intensifica o campo sonoro e permite medições em aberturas de pequenos diâmetros.
  92. 92. Por: Luís Timóteo 9226/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores a ultrassónicos: Especiais… Sensores ultrassónicos sensores de folha dupla: Os sensores ultrassónicos de folha dupla são sensores tipo barreira que foram optimizados especialmente para aplicações de alimentação de folhas, incluindo detecção de folha dupla, contagem de etiquetas e detecção de emendas. Estes sensores distinguem os espaços vazios, incluindo papel, metais, placas de madeira e painéis de vidro… Operação segura do processo e alta produtividade da cadeia: uma alimentação multicamadas de materiais como papel, papelão, folhas, folhas ou etiquetas pode levar a interrupções na máquina, interrupções do processo e gastos. Impedem a alimentação defeituosa do material e garantem processos seguros e alta disponibilidade da cadeia de montagem. Esta tecnologia é aplicada como controlo de folha dupla, etiqueta e emenda… Em vez de medir os tempos de trânsito, eles avaliam a atenuação da amplitude causada pelo respectivo objecto (por exemplo, folhas de papel).
  93. 93. Por: Luís Timóteo 9326/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores a ultrassónicos: Especiais… Sensores ultrassónicos sensores de folha dupla: Características Velocidade de processamento muito alta; Detecção de materiais de folha e rolo em alimentações ou emendas de multicamadas; Identificação e contagem de etiquetas; Adequado para uso em materiais brilhantes e transparentes; Detecção de filmes / folhas de plástico ou metal e painéis de partículas; Insensível à poeira e sujeira.
  94. 94. Por: Luís Timóteo 9426/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores higiénicos - para uso em zonas de contacto com produtos: Sensores higiénicos vêm com um design de aço inoxidável, hermeticamente selado e higienizado e de materiais de qualidade alimentar de acordo com os padrões da FDA, ECOLAB e EHEDG. O design sem revestimento, garante que os agentes de limpeza saiam completamente e que o crescimento bacteriano seja evitado. O mais alto nível de fiabilidade do produto e processo é assegurado durante o processo de envase e embalagem de mantimentos e medicamentos, tornando-o o tipo de sensor ideal para uso em química e engenharia de processo, devido ao uso de materiais de alta qualidade e resistência. Ideal para indústrias especialmente regulamentadas, como indústrias farmacêutica e alimentícia… Sensores a ultrassónicos: Especiais… A cabeça do sensor e todas as outras partes da caixa são soldadas a laser e hermeticamente seladas contra a penetração de vapor ou líquidos.
  95. 95. Por: Luís Timóteo 9526/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos das bordas Sensor ultrassónico compacto de borda, com avaliação digital, campo de visão ± 3 mm, Insensível à contaminação por poeira, leitura de materiais impermeáveis ao som, como papel, plástico e folhas metálicas, independentemente da transparência do material, compensação interna de temperatura para um ponto de operação estável… Sensores a ultrassónicos: Especiais… São sensores bifurcados e também funcionam como uma barreira unidirecional. Eles são usados para o ajuste das tiras e emitem um sinal analógico de 0-10 V ou 4-20 mA proporcional à posição da borda...
  96. 96. Por: Luís Timóteo 9626/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores a ultrassónicos: Especiais… Sensores ultrassónicos para etiquetas e emendas: operam com o mesmo princípio que os de controlos ultrassónicos de folha dupla. Devido à adesão das etiquetas no material de suporte, as etiquetas constituem uma camada composta sem separar a camada de ar, os sensores de etiqueta devem ser submetidos a um Teach-in em material de suporte e etiquetas. Características especiais: Ajuste rápido através do sistema Teach-in ou LinkControl; Tempo de resposta <300s possibilitando detecção em alta velocidade; Invólucro tipo forquilha em alumínio com dimensões reduzidas facilitando sua montagem; Saída push-pull NPN /PNP na mesma peça;  Ligação feita com conector padrão M8/4pinos.. O modelo oferece uma grande vantagem em relação aos modelos convencionais (ópticos), encontrados no mercado, pois trabalha com sistema de transmissão e recepção sonora, e com isso é possível fazer a detecção de qualquer tipo de etiqueta ou emenda em qualquer tipo de material independentemente da cor, e dá até mesmo para detectar etiquetas montadas em filme plástico transparente.
  97. 97. Por: Luís Timóteo 9726/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos das bordasSensores ultrassónicos de controlos de folha dupla: Sensores ultrassónicos para etiquetas e emendas Sensores a ultrassónicos: Especiais… Sensores ultrassónicos sensores de folha dupla Sensores ultrassónicos higiénicos
  98. 98. Por: Luís Timóteo 9826/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores a ultrassónicos: Montagens e aplicações… Detecção de presença: Dependendo do tamanho da caixa ou container, é possível usar sensores com uma saída. É possível escolher para medição de pequenas caixas ou recipientes maiores. É aconselhável sincronizar os sensores entre si se o alojamento ou recipiente for controlado por vários sensores. Detecção de diâmetro: Um sensor ultrassónico com saída analógica mede diâmetro de um rolo e regula movimentação de rolos ou freios... Controlo de ruptura de folha: pode ser alcançado com todos os sensores ultrassónicos de comutação de saída. Se a folha é muito ondulada, é recomendado usar o sensor como uma. Este modo de operação ainda é mais seguro se a onda é reflectida pelas ondulações do folha. Todos os sensores de proximidade ultrassónicos com Teach-in, suportam o modo de operação de barreira de reflexão… Medição de nível: É possível detectar níveis de enchimento, variando de alguns milímetros a 8 metros. Sensores a ultrassons com uma ou duas saídas de detecção para um ajuste min / max ou com saída analógica de 0 - 10 V e 4- 20 mA podem ser seleccionados…
  99. 99. Por: Luís Timóteo 9926/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores a ultrassónicos: Montagens e aplicações… Medições de nível com uma sobrepressão de 6 bars: possíveis com sensores. Os sensores são adicionalmente resistentes a produtos químicos e estão disponíveis em versões com duas saídas de comutação pnp ou detecção de saída analógica… Monitoramento de nível em pequenos recipientes: É possível detectar níveis de enchimento que variam de alguns milímetros a 8 metros. Sensores ultrassónicos com uma ou duas saídas de detecção para um Ajuste mínimo / máximo ou com saída analógica de 0 - 10 V e 4 - 20 mA podem ser selecionados. O sensor ultrassónico zws + SoundPipe permite que as medições sejam feitas em pequenos recipientes com diâmetro inferior a 5 mm. Detecção de obstáculos: Os sensores ultrassónicos permitem a protecção sem contacto dos veículos de transporte sem motorista na direcção da viagem. Se vários sensores forem usados, eles poderão ser sincronizados para evitar interacção. O veículo pode ser parado com suavidade em caso de obstáculo na pista graças a uma zona de pré-alarme e parada, sem que provoque o accionamento do dispositivo de protecção mecânica. Medição de altura e largura: Graças ao uso de vários sensores ultrassónicos, é possível executar edição tridimensional de pequenas caixas, até grandes caixas. Para isso, sensores com diferentes faixas de detecção estão disponíveis….
  100. 100. Por: Luís Timóteo 10026/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores a ultrassónicos: Montagens e aplicações… Detecção de bordas em objetos planos: objectos muito planos numa esteira, ainda podem ser detectados de forma fiável por uma medida "indirecta": um sensor ultrassónico com saída de comutação mede a borda do objecto num ângulo oposto do sentido de transporte do tapete rolante. A borda do objecto forma, com a esteira, um reflector triplo e reflecte o som de volta no sensor… Detecção de pessoas: Quando se trata de detectar pessoas, recomenda-se escolher um sensor ultrassónico cuja largura de detecção em uso exceda a distância de medição necessária. Quanto maior a faixa de detecção de serviço do sensor, menor a frequência do ultrassom. Quanto mais baixa a frequência, mais fácil é detectar materiais de revestimento absorventes, por exemplo – lã… Posicionamento de robôs: Devido às suas pequenas dimensões, são os sensores ultrassónicos pico, no alojamento com rosca M18 ou Sensores zws ultrassónicos na carcaça em forma de paralelepípedo, que são mais adequados para posicionar os braços do robô. Posicionamento: Para detectar janelas ou outras superfícies lisas e planas, assegure-se de que o sensor ultrassónico mede verticalmente na superfície.
  101. 101. Por: Luís Timóteo 10126/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores a ultrassónicos: Montagens e aplicações… Controlo de qualidade: numa máquina de embalagem. Para a detecção de objectos em processos rápidos, há uma ampla gama de sensores ultrassónicos para escolher: sensores ultrassónicos zws num alojamento de paralelepípedo, sensores sics em miniatura, sensores ultrassónicos pico + no alojamento com rosca M18 com cabeça angular opcional e a interface IO-Link. Controlo de dobra: um sensor ultrassónico com saída analógica mede a partir da parte superior do dobra e ajusta o material de alimentação de acordo com a profundidade da dobra. A onda pode ser reflectida muito rapidamente no caso de uma dobra lateral piscando lateralmente, ao medir a partir do topo. É então aconselhável tomar a medida de baixo contra a dobra, como mostrado na imagem. Detecção de emenda: O sensor de emenda esp-4 detecta de maneira fiável emendas e também etiquetas. Está disponível numa caixa M18 e em uma caixa M12 com um transdutor externo de recepção… Controlo de empilhamento: se pranchas de madeira, vidro, papel ou placas de plástico colorido, os sensores ultrassónicos são perfeitamente adaptados para a medição da altura ao milímetro.
  102. 102. Por: Luís Timóteo 10226/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores a ultrassónicos: Montagens e aplicações… Detecção de quebra de cabo: durante o enrolamento / desenrolamento de um cabo de aço, dependendo do tamanho do tambor, é possível usar um com uma largura de detecção operacional de b1 300 mm ou um microfone + 35 / D / TC com uma largura de trabalho de 350 mm. Se for para detectar a posição de enrolamento do cabo, isso pode ser feito com sensores ultrassónicos com saída analógica…. Monitoramento da transportador de carga: Sempre que o objecto a ser detectado absorve a onda ou reflecte a onda, devido à sua forma ou posição no transportador de carga, uma solução com uma barreira bidireccional ou reflexiva deve ser usada. Neste caso, um reflector adicional é montado atrás do objecto a ser monitorado. O sensor ultrassónico com saída de comutação e modo de janela emite um sinal assim que o objecto cobre o reflector. Barreira Ultrassónica: É fácil construir uma barreira de duas vias ou reflexão com um sensor ultrassónico no modo de janela. Para este propósito, um reflector fixo é instalado atrás do objecto a ser monitorado. Um sinal é emitido se o objecto cobrir o reflector…. Desvio do som: o raio acústico pode ser desviado sem perdas significativa por uma superfície reverberante e lisa. Para este propósito, há referências de ângulo em referências de ângulo de 90 ° a 90 ° como acessórios. Estes podem ser usados vantajosamente em espaços apertados.
  103. 103. Por: Luís Timóteo 10326/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores a ultrassónicos: Montagens e aplicações… Controlo de caixa cheia: Os sensores ultrassónicos mic + e os sensores pico +, são adequados para aplicações como controlo de nível ou para a detecção de garrafas PET vazias em esteira. A sincronização integrada nas duas gamas de sensores simplifica a montagem de uma linha de sensores. Princípio operacional universal domina todos os ambientes: Os sensores ultrassónicos são extremamente fiáveis, mesmo sob condições ambientais adversas. Isso é especialmente benéfico quando sensores são usados em áreas externas como britadeiras de cascalho, silos, sistemas de barreira ou veículos móveis, controlo de máquinas agrícolas, irrigação, industria alimentar, farmacêutica , petrolífera, saneamento básico etc… Controlo de pulverizadores em veículos agrícolasContagem de GarrafasDetecção de posição de película
  104. 104. Por: Luís Timóteo 10426/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Automação da linha Posicionamento Altura e comprimento Detecção de pessoas Controle de nível Detecção de objectos Quebra de fio Robótica Sensores ultrassónicos: Aplicações…
  105. 105. Por: Luís Timóteo 10526/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Detecção de presença Controlo de dobra Controle de diâmetro Detecção de folha Sensores ultrassónicos: Aplicações… Anti-colisão Altura de tábuas Controlo de Contorno Contagem de objectos
  106. 106. Por: Luís Timóteo 10626/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Usam a velocidade do som como meio auxiliar de medição;  Os transdutores podem ser presos à superfície externa da tubulação ou em contacto directo com o Fluido; M ? ? ? ? ? ? Sensores ultrassónicos: Sensores de Fluxo, caudal ou Vazão ‒Medição do fluxo. O princípio geral, medição do tempo de trânsito..ou Efeito Doppler. ?  Os medidores podem ser do tipo Tempo de Trânsito ou do tipo Efeito Doppler.
  107. 107. Por: Luís Timóteo 10726/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons  Na maioria das operações realizadas nos processos industriais é muito importante efectuar a medição e o controlo da quantidade de fluxo de líquidos, gases e até sólidos granulados, não só para fins contáveis, como também para a verificação do rendimento do processo;  Definição Vazão: é a quantidade volumétrica ou gravimétrica de determinado fluido que passa por uma determinada secção de um condutor que pode ser livre ou forçado por uma unidade de tempo. Ou seja, vazão é a rapidez com a qual um fluido escoa;  Vazão Volumétrico: é a quantidade de volume de um fluido que escoa por um duto em unidade de tempo;  Vazão Gravimétrico: é a quantidade de massa de um fluido que escoa por um duto em unidade de tempo considerada; Aplicação da Medição de Vazão: Garantir que determinados ingredientes sejam fornecidos a uma taxa adequada durante o processo de mistura; ‒ Evitar que um certo vazão elevado possa causar:  Aumento da Pressão a nível perigoso; Temperatura excessiva; Vazamentos de fluidos. Sensores ultrassónicos: Sensores de Fluxo, caudal ou Vazão
  108. 108. Por: Luís Timóteo 10826/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒Os “caudalímetros” ultrassónicos baseiam-se nas propriedades de propagação dos ultrassons (>20kHz) através dos líquidos. Os sensores são colocados no exterior da tubagem na qual se conhece a área e o perfil das velocidades. Os princípios de funcionamento são muito variados. Um dos modelos mais simples (Figura), a velocidade do fluido é determinado pela seguinte fórmula: D2 ΔttgαC V 2    ‒Em que:  V = Velocidade do fluido.  C = Velocidade do som no fluido   = Ângulo do feixe do som relativamente ao eixo longitudinal da tubulação.  D = Diâmetro interior da tubagem.  t= Diferença entre os tempos de trânsito do som no fluido. Sensores ultrassónicos: Sensores de Fluxo, caudal ou Vazão Sensores ultrassónicos por Tempo de Trânsito
  109. 109. Por: Luís Timóteo 10926/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons ‒O tempo de trânsito preciso, é medido em ambas as direcções, e é calculada a diferença nos tempo de trânsito.. Sensores ultrassónicos: Sensores de Fluxo, caudal ou Vazão Sensores ultrassónicos por Tempo de Trânsito Fluxo Fluxo ‒Têm transdutores instalados do mesmo lado ou em lados opostos do tubo. Eles usam o princípio do tempo de trânsito para medição de vazão... ‒O sinal viaja mais rápido ao mover-se a favor do fluxo do que contra o fluxo do fluido. A diferença entre os dois tempos de trânsito é usada para determinar a taxa de fluxo ou vazão. ‒A onda acústica propaga-se através de um fluido a uma velocidade determinada relativa ao fluido.
  110. 110. Por: Luís Timóteo 11026/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Transdutor A Transdutor B Vm Tempo de trânsito (t)= Distância Velocidade TBA - TAB  Vm Tempo de trânsito do sinal de A para B. Sensores ultrassónicos: Sensores de Fluxo, caudal ou Vazão Sensores ultrassónicos por Tempo de Trânsito: Princípio de Medição Vm – Velocidade de fluxo no meio. TAB CAB + V *cos = L  V *cos Tempo de trânsito do sinal de B para A. TBA CAB - V *cos L  Com temperatura, pressão e consistência do meio = Constante… L – Comprimento do caminho acústico C – Velocidade do som no meio…
  111. 111. Por: Luís Timóteo 11126/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Velocidade do Fluxo TBA - T AB TBA * TAB Área 4sin (2)  * D3 Transdutor A Sensores ultrassónicos: Sensores de Fluxo, caudal ou Vazão Sensores ultrassónicos por Tempo de Trânsito: Princípio de Medição V – Velocidade de fluxo no meio L – Comprimento do caminho acústico C – Velocidade do som no meio…  Cálculo da velocidade média do fluxo: 2*cos L * TBA - T AB TBA * TAB TBA - TAB  Vm  Cálculo do Volume: *Q = Transdutor B V  V *cos D D– Diâmetro interior do tubo… Q – Fluxo ou caudal… As propriedades densidade do meio, temperatura, pressão e velocidade do som, não afectam a medição.
  112. 112. Por: Luís Timóteo 11226/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons B (B’) A (A’) Fluxo Sensores ultrassónicos: Sensores de Fluxo, caudal ou Vazão Sensores ultrassónicos por Tempo de Trânsito: Sensores em lados opostos ‒Um emissor e um receptor em cada extremidade da trajetória acústica… Co L tAB tBA Vm Vm L Vc t f cos1 1 1   L Vc t f cos1 2 2   L V fff cos2 21 
  113. 113. Por: Luís Timóteo 11326/11/2018 Automação Industrial: Sensores Ultrassons Sensores ultrassónicos: Sensores de Fluxo, caudal ou Vazão ‒Princípio Básico = Tipo Tempo de Trânsito Diferencial  Sensores de braçadeira  Método Tempo de Trânsito Diferencial  Expressão de Princípio Upstream Sensor Oscilador D Q θf Cunha Tubo τ/2 τ/2 T1 T2 Downstream Sensor  2 0f 2 TT T sen2 D K 1 4 nD Q     Velocidade média na secção transversal Velocidade média no caminho de propagação Área Transversal •Q : Fluxo de vazão. •D : Diâmetro interno do tubo. •K : Factor de conversão da velocidade média. •θf: Ângulo de incidência no fluido. •ΔT=T2-T1 •T1, T2 : Tempo de Trânsito. •T0 : Tempo de trânsito entre os sensores quando o fluxo está em repouso:≒(T1+ T2 )/2). •τ : Tempo de trânsito total ( paredes, sensores e tubagem. ‒Nota: As ondas ultrassónicas são “transportadas” ou “contrariadas” pelo movimento do fluido… Fuji’s USFM Sensores ultrassónicos por Tempo de Trânsito: Sensores em lados opostos

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