Entenda as especificações dos sensores (ART645)

Sensores são parte de uma grande quantidade de equipamentos eletrônicos modernos. Encontramos nas aplicações comuns, como aparelhos de uso doméstico, industrial, médico, embarcado e muitos outros. Neles encontramos sensores de pressão, temperatura, movimento, etc. Todos estes sensores possuem especificações que devem ser entendidas por qualquer um que deseje utilizá-los num projeto. Neste artigo, abordamos as principais especificações utilizadas com sensores comuns, assim como a terminologia que é própria desta categoria de transdutores.

A maioria dos sensores consiste em transdutores que convertem uma forma de energia (correspondente à grandeza que vai ser medida) num sinal elétrico. Para poder trabalhar convenientemente com os sinais elétricos obtidos de um sensor, o projetista deve ser capaz de entender o significado de todas as características que envolvem a operação do sensor. A seguir, vamos abordar as principais, com uma pequena análise de seu significado.

 

Sensibilidade

A sensibilidade de um transdutor indica qual deve ser a variação menor da intensidade da grandeza medida que o sensor pode detectar, ou seja, a menor variação da grandeza medida que cause uma alteração sensível do sinal elétrico de saída. Este sinal pode ser uma tensão, uma corrente, uma resistência ou ainda uma freqüência. Também devemos levar em conta os sensores digitais em que a variação mínima na saída que eles podem produzir é de 1 bit.

A maneira como a sensibilidade é expressa depende tanto do que está sendo medido como também do tipo de sinal de saída. Por exemplo, um sensor de pressão que tem uma sensibilidade de 50 mV/V/mmHg é um sensor que produz uma variação de 50 mV no sinal de saída por V de excitação a cada milímetro de mercúrio que a pressão varia.

Na prática, os sensores não apresenta a mesma sensibilidade em toda a faixa de grandezas que podem medir. Por exemplo, um sensor pode ser mais sensível numa faixa central de valores que mede e menos sensível nas faixas extremas. Esta característica pode ser mostrada num gráfico como o dado na figura 1.

 

Figura 1 - Desvio da sensibilidade ao longo da faixa de operação de um sensor.
Figura 1 - Desvio da sensibilidade ao longo da faixa de operação de um sensor.

 

Para um sensor de temperatura, por exemplo, um NTC tanto podemos ter uma curva de sensibilidade, mostrando de quantos ohms (?) varia a resistência para cada grau de temperatura como podemos simplesmente indicar isso num ponto da curva que sirva de referência. Por exemplo, podemos dar como sensibilidade -100 ?/ºC a 25ºC, indicando que na temperatura de 25º C a resistência diminuirá de 100 ? para uma elevação de 1º C na temperatura.

 

Faixa de Grandezas

Esta especifica indica quais são os maiores e menores valores da grandeza medida que podem ser aplicados ao sensor e portanto medidos. Por exemplo, um sensor de pressão pode ser indicado para uma faixa de -200mmHg a +400 mmHg. Veja que os valores desta faixa não precisam ser obrigatoriamente elétricos em relação a zero. Para um sensor de temperaturas, por exemplo, pode-se indicar -40º C a +125º C. Veja que neste tipo de sensor é comum termos valores positivos muito mais altos no limite do que os negativos. A faixa de valores que vai do mínimo ao máximo também é chamada de "faixa dinâmica".

 

Precisão

Este conceito é normalmente interpretado como sendo a diferença que existe entre o valor medido e o valor real, normalmente expresso como uma porcentagem. No entanto, existe uma forma de explicarmos melhor o que ocorre. Quando utilizamos um sensor de temperatura, por exemplo, para medir a temperatura de um corpo diversas vezes, não obteremos sempre a mesma leitura. A leitura oscilará em torno do valor real desta medida, produzindo uma curva como a mostrada na figura 2.

 

Figura 2 - Curvas de distribuição de uma medida para sensores (a) mais preciso e (b) menos preciso.
Figura 2 - Curvas de distribuição de uma medida para sensores (a) mais preciso e (b) menos preciso.

 

Veja que o termo inglês para indicar esta qualidade de um sensor é "precision", (*) o qual não deve ser confundido com o termo "accuracy". O termo "precision", indica a capacidade de se realizar uma tarefa com exatidão e de forma acurada, ou seja, cuidadosa.

Assim, o termo "accuracy" para sensores indica a realização da medida de forma cuidadosa de modo a não cometer erros (*). Essa característica de um sensor pode ser expressa através de uma porcentagem ou de modo absoluto.

 

 

(*) Segundo o Collins Cobuild English Language Dictionary que define os dois termos de maneira diferentes.

 

Offset

O Offset, erro de offset ou erro de desvio pode ser definido entre a diferença que existe na saída quando ela deveria ser zero e o valor encontrado em função de determinadas condições de operação, normalmente temperatura. Um exemplo disso pode ser visto pela curva de um sensor em função da temperatura, observando-se que existe um desvio que se manifesta no ponto de zero, mas que se propaga por toda a faixa dinâmica do sensor (figura 3).

 

Figura 3 - Erro de offset para um sensor em função da temperatura.
Figura 3 - Erro de offset para um sensor em função da temperatura.

 

 

Linearidade

Muitos sensores devem fornecer um sinal de saída que seja diretamente proporcional à grandeza que está sendo medida. Isso significa que sua curva de resposta ideal deve ser linear. Na prática, entretanto, isso não ocorre e a curva de um sensor pode apresentar deformações que a afastam do comportamento ideal. Na figura 4 temos um exemplo do que ocorre, mostrado com certo exagero, pois as variações para os sensores normais são bem menores.

 

 Figura 4 - Diferença de linearidade entre um sensor ideal e um sensor real.
Figura 4 - Diferença de linearidade entre um sensor ideal e um sensor real.

 

A linearidade pode ser expressa na forma de uma porcentagem do valor observado no ponto em que o desvio ou erro é máximo, conforme mostra a figura 4.

 

Histerese

Um sensor ideal deve responder às variações de uma grande tanto quando elas ocorram num sentido como no outro. Para um sensor de temperatura, por exemplo, uma subida de 1 grau na temperatura deve ser respondida com uma variação de sua resistência da mesma forma que uma descida de 1 grau, a partir do mesmo valor. No entanto, na prática isso não ocorre com muitos sensores que se comportam de maneiras diferentes quando a grandeza aumenta ou diminui de valor tomando como referência um mesmo ponto. Se colocarmos isso num gráfico, veremos que o "trajeto" das variações da grande num sentido é diferente do "trajeto' obtido quando ela varia no sentido oposto. Isso é mostrado na figura 5.

 

 Figura 5 - A histerese para um sensor.
Figura 5 - A histerese para um sensor.

 

Observe que para este sensor não linear tomado como exemplo, a curva inicial de variação a partir do zero até P ocorre de uma maneira e depois sua volta até Q por um determinado trajeto. Este mesmo trajeto será diferente quando a grandeza varia agora de Q para P. Fica portanto claro que o valor obtido na saída do sensor para um determinado valor da grandeza medida será diferente quando ela estiver aumentando ou diminuindo. Observamos claramente este fenômeno num sensor bimetálico, que liga em determinada temperatura, mas seu desligamento não ocorre na mesma temperatura, mas num valor mais baixo.

A histerese de um sensor é importante quando ele deve sensoriar grandezas que variam rapidamente e utilizar estas variações para controlar algum dispositivo. Por exemplo, no caso de um sensor de temperatura, a histerese é desejada quando ele é usado num termostato. Sem a histerese ou com uma histerese muito pequena, o circuito oscilaria rapidamente ligando e desligando em função das variações de temperatura. Com uma histerese maior esta oscilação é reduzida.

 

Tempos de Resposta

Quando uma grandeza varia, os sensores não mudam o estado de sua saída de modo imediato. Demora algum tempo para que o sensor alcance 100% da variação que deve apresentar neste caso, conforme mostra o gráfico da figura 6.

 

 Figura 6 - Existe um intervalo de tempo necessário para a saída do sensor se
Figura 6 - Existe um intervalo de tempo necessário para a saída do sensor se "acomodar" no novo valor.

 

Neste gráfico temos a constante de resposta T que é o intervalo de tempo necessário para que o sensor alcance 70% do estado final que corresponde ao sinal de saída. O tempo final Tf é dado pelo intervalo necessário para que ele alcance 100% da mudança de sinal esperada em sua saída. Observamos que para o estado final existe uma certa banda de tolerância. Também neste caso é importante ressaltar que o tempo de resposta de um sensor quando uma grandeza varia num sentido pode ser diferente do que ocorre quando ela varia no sentido oposto. Para um sensor de temperatura isso significa que o tempo de resposta quando a temperatura sobe 1 grau pode ser diferente do tempo de resposta quando ela cai 1 grau. Este fato deve ser observado num projeto, consultando-se as especificações do sensor que vai ser utilizado. A figura 7 ilustra o que ocorre.

 

Figura 7 - A resposta na variação negativa pode ser diferente da que ocorre na variação positiva.
Figura 7 - A resposta na variação negativa pode ser diferente da que ocorre na variação positiva.

 

 

Linearidade Dinâmica

Esta característica é conseqüência da anterior. Como os sensores não conseguem alterar sua saída imediatamente, é importante saber em algumas aplicações qual é a capacidade que este sensor tem de acompanhar variações rápidas da grande medida. Esta característica é a sua linearidade dinâmica. Além da demora em se chegar ao sinal de saída, quando as variações são rápida temos efeitos adicionais como distorções do sinal de saída, distorção de fase se o sinal de saída for alternado ou pulsos, e o próprio tempo de resposta.

Normalmente os fabricantes fornecem curvas de calibração em que os desvios que ocorrem na faixa de atuação do sensor são plotados. Estes desvios, devido à presença de harmônicas ou ainda distorções de fase, podem ser corrigidos por software, caso o sensor seja utilizado com um microcontrolador ou mesmo por um circuito analógico. Na figura 8 temos um exemplo de curva de calibração levando em conta a linearidade dinâmica de um sensor. Veja que este tipo de característica é importante quando as variações da grandeza estão próximas da freqüência de ressonância do sensor.

 

 Figura 8 - Linearidade dinâmica de um sensor dada por curva que permite sua correção.A linha pontilhada mostra o desvio quadrático dado pela não linearidade dinâmica do sensor.
Figura 8 - Linearidade dinâmica de um sensor dada por curva que permite sua correção.A linha pontilhada mostra o desvio quadrático dado pela não linearidade dinâmica do sensor.

 

 

Conclusão

Os sensores são dispositivos que visam o interfaceamento de equipamentos com o mundo real. Existem centenas de tipos, com características que se adaptam a uma infinidade de aplicações. No entanto, ao se utilizar estes dispositivos o projetista precisa conhecer suas características, sabendo interpretá-las. Um deslize nestas interpretações pode levar a resultados inesperados, capazes de afetar o desempenho de qualquer projeto. O que vimos neste artigo são apenas algumas das principais características que devem ser observadas nos sensores, quando os utilizarmos.


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