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Sensores de Força FSR e Ribbon (ART3930)

Os sensores são os órgãos de interfaceamento das aplicações eletrônicas com o mundo anterior. Eles consistem em transdutores que convertem uma grandeza física que um circuito eletrônico não pode perceber em uma grandeza elétrica que eles possam processar. Um tipo de sensor, relativamente novo, que encontra uma ampla gama de aplicações em robótica, automação, IoT, vestíveis e muito mais são os sensores de força mecânica. Veja neste artigo como eles funcionam e como usá-los.

Sensores, na maioria dos tipos, consistem em transdutores que convertem uma grandeza física em uma corrente ou tensão elétrica.

Um tipo de sensor que encontra uma enorme gama de aplicações em eletrônica, principalmente nos produtos de automação, IoT e vestíveis (wearables) é o sensor de força física que pode ser apresentado em duas configurações FSR e Ribbon.

Sua gama de aplicações é enorme, conforme veremos e eles podem ser encontrados com facilidade, por exemplo, na Mouser Electronics, destacando-se os tipos da Dadfruit para os quais daremos os links.

Basicamente eles consistem em um sensor que ao receber uma pressão física, por exemplo, a pressão dos dedos, mudam sua resistência elétrica.

Analisemos então os tipos comuns:

 

FSR ou Force Sensitive Resistor

FSR é o acrônimo em inglês para resistor sensível à força. Na figura 1 temos um tipo comum, o Interlink 402 que é vendido através da Adafruit na Mouser Electronics. Acesse o link https://learn.adafruit.com/force-sensitive-resistor-fsr/overview  para mais informações.

Na figura 1 temos o aspecto deste sensor que pode ser diretamente encaixado numa matriz de contacto para o desenvolvimento de um shield para microcontrolador (Arduino, por exemplo).

 

Figura 1 – sensor tipo FSR da Adafruit
Figura 1 – sensor tipo FSR da Adafruit

 

Na figura 2 temos o modo como este sensor é construído. Basicamente, ele consiste num resistor cuja resistência muda com a pressão mecânica. Eletricamente, podemos compará-lo a um LDR onde a resistência muda com a luz, ou um NTC onde a resistência muda com a temperatura. Os circuitos que eles utilizam num interfaceamento são semelhantes e em alguns casos podem até ser iguais, dependendo apenas de faixa de pressões abrangida.

 

Figura 2 – Estrutura do sensor
Figura 2 – Estrutura do sensor

 

Neste tipo de sensor, a resistência diminui com o aumento da pressão, ou seja, força por unidade de área. A precisão é da ordem de 10% o que permite sua utilização em projetos simples que envolvam a medida de forças.

Neste site mesmo, temos um artigo de colaborador que ensina a montar uma balança microcontrolada experimental usando um sensor deste tipo.

Um tipo comum sensor deste tipo, como o Interlink 402 apresenta uma resistência de ordem de 100 k sem pressão alguma e esta pressão cai a 200 ohms com uma pressão de 100 Newtons que é o máximo recomendado e que corresponde a 20 libras distribuída por área de 0,125 polegadas quadradas.

A corrente recomendada na faixa de operação é de menos de 1 A e suas dimensões são 12,5 mm de diâmetro ativo e uma espessura de apenas 0,02 polegadas.

Na figura 3 temos a sua curva característica.

 

Figura 3 – Curva característica força x resistência
Figura 3 – Curva característica força x resistência

 

Na figura 4 no site da Adafruit temos um modo simples de testar e verificar o funcionamento de um sensor deste tipo.

 

Figura 4 – Testando o sensor
Figura 4 – Testando o sensor

 

A figura 5 mostra o modo imediato de inserir um sensor FSR numa matriz de contacto para desenvolvimento de um circuito.

 

Figura 5 – usando o sensor numa matriz de contatos
Figura 5 – usando o sensor numa matriz de contatos

 

Na figura 6 temos um circuito experimental de um indicador de força (que pode ser usado num jogo, por exemplo) e que usa uma escala de 4 LEDs. É claro que uma versão mais precisa pode ser elaborada com um LM3914 ou mesmo dois 4093. Diversos circuitos de “bargraph” ou indicador de ponto ou barra móvel estão disponíveis no site.

 

Figura 6 – Um circuito prático
Figura 6 – Um circuito prático

 

O valor do trimpot de ajuste depende da faixa de pressões sensoriadas podendo ficar entre 10 k e 220 k tipicamente.

 

Sensores tipo Ribbon (Cinta ou Fita)

Estes sensores resistivos são verdadeiros potenciômetros eletrônicos de toque, pois a resistência que apresentam dependem do local da fita em que fazemos pressão.

Na figura 7 temos um sensor deste tipo da Adafruit e que pode ser adquirido na Mouser Electronics.

 

Figura 7 - Sensor de toque resistivo
Figura 7 - Sensor de toque resistivo

 

 

Este sensor é fabricado pela Spectra Symbol e vendido pela Mouser Electronics. Veja mais em: https://www.mouser.com/Search/Refine.aspx?Keyword=Spectra+symbol 

Para o tipo mostrado na foto, o uso é muito simples. O componente apresenta uma resistência de 10 k entre os pinos extremos (como num potenciômetro, ele possui três terminais).

A resistência que o pino do meio apresenta em relação aos pinos extremos depende do ponto da fita em que tocamos, ou seja, nosso dedo é o cursor do potenciômetro. Quando nenhuma pressão é feita sobre o componente o pino do meio se torna flutuante apresenta uma resistência de 100 k em relação aos demais.

Para usar, ligue um dos pinos das extremidade à terra via um resistor de 10k em série. O outro lado é conectado à uma fonte Vcc conforme o circuito. A fonte pode ser de 3, 5 V etc, conforme o microcontrolador ou ainda a lógica digital ou circuito (comparadores, por exemplo) que devam ser controlados.

A tensão lida no cursor vai variar entre 1/3 e 2;3 de Vcc. Não se recomenda ligar simultaneamente as extremidades à terra e Vcc.

No site da Adafruit podem ser obtidas mais informações sobre estes sensores.

 

Ideias de Aplicações

Certamente os leitores imaginosos que estão em busca de um bom projeto para um TCC, para um novo produto ou mesmo para uma recreação usando seu Arduino, circuitos lógicos ou analógicos comuns podem ter muitas ideias. Em IoT, vestíveis e outros, por exemplo existem muitas sugestões, algumas até engraçadas, ideais para feiras e demonstrações. Por exemplo:

- Que tal colocar um sensor linear no traseiro de uma calça “inteligente”? Todas as vezes que você se sentar através de conexão wireless pode acender um LED vermelho no seu boné. Trata-se de uma calça ideal para vigilantes que devem ficar em pé. Se sentarem, o alarme toca e o LED acende!

- Num robo ou veículo um sensor deste tipo na parte frontal pode ter funções inteligentes. Se o obstáculo for leve, ele simplesmente o empurra, mas se o esforço for maior que um determinado valor programado, ele ativa um circuito de parada ou reversão.

- Numa aplicação IoT ele pode informar a presença de pessoas ou objetos conforme o peso, podendo ser usado um critério seletivo que determine a ação do circuito conforme o peso.

Enfim, não há limites para o que pode ser feito. Que tal criar um bom projeto e nos enviar para a publicação?

 

Dica de projeto: Balança Eletrônica Didática (Balança IoT) (ART3923) 

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