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Microssensores fotoelétricos (ART688)

Encontramos sensores fotoelétricos comuns em uma grande quantidade de formatos e tamanhos, indo desde simples elementos sensíveis à luz que operam com a luz ambiente ou fontes convencionais, até as chaves ópticas que possuem as próprias fontes de luz integradas. Os microssensores fotoelétricos que veremos neste artigo pertencem a uma categoria de sensores miniaturizados que podem ser usados em uma grande quantidade de aplicações na indústria, eletrônica de consumo e eletrônica embarcada. Este artigo foi baseado em ampla documentação fornecida pela Omron (www.onrom.com) e atualizado agora em 2012. Sugerimos que o leitor veja no site diversos artigos que temos sobre os emissores e sensores usados nos sensores deste tipo.

Sensores miniaturizados de luz podem ser utilizados em diversas configurações, da mesma forma que sensores convencionais. Esses sensores basicamente consistem num emissor e num receptor, casados para que o receptor tenha a máxima resposta no centro da faixa do emissor.

As configurações desses dois elementos assim como o tipo de sinal com que trabalham vão determinar as suas aplicações práticas.

A Omron possui uma ampla linha de sensores que se enquadram na maioria das aplicações práticas possíveis. Temos então os seguintes casos:

 

Chave óptica

Nessa configuração, mostrada na figura 1, existe um emissor e um receptor numa montagem que permite a passagem do objeto sensoriado entre ambos.

 

Figura 1
Figura 1

 

A distância entre os dois elementos normalmente é pequena, já que o conjunto é montado numa peça única de reduzidas dimensões.

 

a) Pares sensor/emissor

Nesse caso, conforme mostra a figura 2 temos dois componentes que devem ser posicionados de modo que um possa "ver" a emissão do outro.

 

Figura 2
Figura 2

 

A passagem de um objeto entre eles é então detectada pelo corte da radiação que ocorre. A distância máxima entre eles vai depender das características do emissor e principalmente da sensibilidade do receptor.

Para melhorar essas características de sensibilidade e diretividade possibilitando assim uma distância de separação maior, podem ser usados recursos ópticos que direcionam a radiação do emissor e o ângulo de visão do receptor.

 

b) Sistema Retrorefletivo

Esse sistema, conforme mostra a figura 3, faz uso de um sensor e de um emissor montados num mesmo invólucro.

 

Figura 3
Figura 3

 

A radiação do emissor é detectada pelo receptor quando ela se reflete num espelho ou refletor colocado a uma certa distância. A passagem do objeto entre o sistema emissor/receptor e o espelho ou refletor possibilita sua detecção.

Nesse caso também, a distância máxima de detecção do objeto está ligada a fatores como a potência do emissor e a sem sensibilidade do receptor.


c) Reflexão difusa

Nesse método, conforme mostra a figura 4, a própria reflexão da radiação do emissor no objeto é usada para fazer sua detecção.

 

Figura 4
Figura 4

 

Evidentemente, o objeto deve ter características tais que possibilitem a reflexão da radiação. O alcance do sistema vai depender justamente dessa capacidade de reflexão do objeto que deve ser sensoriado.

Na prática, normalmente o alcance do sistema é fixado pelo uso de uma folha de papel branco como padrão. Veja que nesse sistema, o emissor e o receptor estão incorporados a um componente único.

 

d) Distância Diferencial

Conforme mostra a figura 5, esse sistema faz uso de um arranjo em que o posicionamento de um objeto vai determinar a ação do sensor.

 

Figura 5
Figura 5

 

O que temos é uma ação comutadora sendo por esse motivo usado um sensor disparador, conforme o mostrado na figura 6.

 

Figura 6
Figura 6

 

Conforme mostra a mesma figura, esse sensor apresenta uma característica de histerese, sendo por esse motivo usado no sensoriamento com interface para circuitos lógicos.

Podemos ter também a operação de sensores desse tipo no modo refletivo, conforme mostra a figura 7.

 

Figura 7
Figura 7

 

 

Nesse caso, temos duas posições para o objeto sensoriado que resultam em saídas no nível alto ou baixo, também com características de histerese.

 

Características

Ao se utilizar sensores desse tipo é preciso levar em conta diversas de suas características. Elas vão determinar não só a escolha do sensor de acordo com a aplicação como também a possibilidade de atuação da forma desejada. As principais características que devem ser observadas nesses sensores são:

 

a) Resposta de freqüência

Os dispositivos usados como sensores têm uma velocidade limitada de operação. Não podem detectar variações muito rápida de luz pela passagem de um objeto, por exemplo.

Isso significa que, dependendo da aplicação, deve-se estar atento para a máxima velocidade ou freqüência de resposta do sensor usado.

Essa velocidade depende de diversos fatores como o tipo de dispositivos usado como sensor, as características do objeto que vai ser detectado, tensão de alimentação, etc.

 

b) Tempo de Resposta

Dada a velocidade máxima de operação, temos também um tempo de resposta para a detecção, que pode ser muito importante em determinadas aplicações.

Um objeto que passe diante de um sensor em alta velocidade não é detectado imediatamente. Demora um tempo determinado ou há um retardo para que o sinal apareça na saída do circuito. Essa característica é importante nas aplicações em que objetos que se movam muito rapidamente devam ser detectados.

Na figura 8 mostramos como essa característica se manifesta para o caso de um pulso retangular de luz excitando um sensor.

 

Figura 8
Figura 8

 

c) Iluminância ambiente

Essa característica indica de que o modo opera com a fonte de luz disponível na aplicação, sendo importante principalmente nos casos em que a operação é no modo refletivo.

Sem os devidos cuidados, pode-se ter uma perda de sensibilidade e com isso o funcionamento instável.

 

Uso Correto

Os sinais rápidos, de pequena intensidade com que operam os sensores ópticos exige cuidados especiais com a sua conexão aos circuitos de interfaceamento. Esses cuidados visam principalmente evitar a captação de ruídos, presença de capacitâncias parasitas, além de outros. Analisemos os principais casos.

O comprimento e o tipo de cabo usados na conexão do sensor ao circuito devem ser apropriados à aplicação. Se o comprimento for maior do que 2 metros, recomenda-se o uso de um capacitor de 10 µF aproximadamente entre o pino de alimentação e o terra, conforme mostra a figura 9.

 

Figura 9
Figura 9

 

O cabo usado deve ter espessura que não apresente uma resistência excessiva capaz de afetar o funcionamento do dispositivo.

Outro ponto importante na instalação de um sensor desse tipo consiste no desacoplamento do dispositivo perto de sua alimentação, isso quando a fonte ficar a certa distância dele. A figura 10 mostra como isso deve ser feito.

 

Figura 10
Figura 10

 

Um capacitor de 470 nF será o indicado para essa aplicação, dando-se preferência aos tipos cerâmicos.

Se o local onde funcionar o sensor for muito ruidoso, deve-se pensar no acréscimo de um filtro, conforme mostra a figura 11.

 

Figura 11
Figura 11

 

Também é muito importante usar um isolador plástico de pelo menos 10 mm entre o sensor e a unidade sobre a qual ele for montado, caso ela seja de material condutor. Na figura 12 ilustramos esse procedimento.

 

Figura 12
Figura 12

 

Outra possibilidade consiste em se aterrar a peça metálica sobre o qual o sensor é montado, evitando-se assim a indução de qualquer tipo de ruído pois a própria peça passa a atuar como uma blindagem. Na figura 13 mostramos como isso pode ser feito.

 

Figura 13
Figura 13

 

Outra forma de se evitar problemas com ruído, quando eles ocorrerem de forma intensa e procedimentos comuns não ajudarem na sua eliminação, consiste em se reduzir a velocidade do processamento dos sinais.

Para os sensores refletivos também existem algumas recomendações, principalmente em relação à possível interferência de objetos próximos.

Na figura 14 mostramos que um objeto atrás do local onde deve ser feita a detecção também pode refletir a radiação do LED, dando uma falsa indicação.

 

Figura 14
Figura 14

 

Não devem existir objetos por trás do sensor a uma distância que possa causar sua interferência, ou se isso ocorrer eles devem ser negros de modo a não refletir a radiação.

Na montagem, os cuidados são os normais com qualquer dispositivo eletrônico, evitando-se o aperto excessivo de parafusos, esforços mecânicos, solda excessiva ou emendas, calor excessivo no processo de soldagem, etc.

 

Conclusão

Micro-sensores fotoelétricos são dispositivos extremamente úteis, sensíveis e rápidos, mas exigem cuidados no uso. Nesse artigo demos uma breve visão dos tipos existentes e de como trabalhar com eles.

O leitor poderá obter informações específicas sobre os sensores desse tipo existentes no mercado consultando os catálogos de fabricantes como a Omron (www.omron.com), por exemplo, no qual nos baseamos para levar as informações contidas nesse artigo.

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