Quais são algumas das outras tecnologias utilizadas nos sensores de proximidade?

I. Introdução às tecnologias de sensores de proximidade

Sensores de proximidade são dispositivos essenciais utilizados para detetar a presença ou ausência de um objeto dentro de um determinado intervalo sem contacto físico. Funcionam emitindo várias formas de energia - como campos electromagnéticos, ondas sonoras ou luz - e medindo a resposta quando um objeto se aproxima do sensor. A diversidade das tecnologias de sensores de proximidade permite a sua aplicação em numerosos domínios, incluindo a automatização industrial, a robótica, os sistemas automóveis e a eletrónica de consumo.

II. Sensores de proximidade capacitivos

Principais caraterísticas dos sensores de proximidade capacitivos

Os sensores de proximidade capacitivos são dispositivos versáteis que detectam a presença de objectos sem contacto físico. Eis as suas principais caraterísticas:

• Alcance de deteção: Normalmente, os sensores capacitivos podem detetar objectos numa gama de alguns milímetros até cerca de 1 polegada (25 mm), com alguns modelos a estenderem-se até 2 polegadas.
• Sensibilidade do material: Estes sensores podem detetar materiais metálicos e não metálicos, incluindo líquidos, plásticos e vidro, devido à sua capacidade de detetar alterações na capacitância com base na constante dieléctrica do material alvo.
• Funcionamento sem contacto: Funcionam sem contacto físico, o que reduz o desgaste e aumenta a vida útil do sensor.
• Sensibilidade ajustável: Muitos sensores capacitivos incluem um potenciómetro para ajustar a sensibilidade, permitindo aos utilizadores afinar os parâmetros de deteção para aplicações específicas.
• Indicadores LED: A maioria dos modelos está equipada com indicadores LED para confirmar visualmente o estado operacional do sensor.

Princípio de funcionamento

Os sensores de proximidade capacitivos funcionam com base no princípio das alterações de capacitância causadas por objectos próximos. Eis como funcionam:

1. Construção: O sensor é constituído por dois eléctrodos metálicos que formam um condensador. Um elétrodo está ligado a um circuito oscilador, enquanto o outro funciona como placa de referência.
2. Mudança de capacitância: Quando um objeto se aproxima do sensor, entra no campo elétrico criado entre os eléctrodos. Esta presença altera a constante dieléctrica entre as placas, o que, por sua vez, altera a capacitância do sistema.
3. Deteção de oscilação: O circuito oscilador detecta estas alterações na capacitância. À medida que um objeto se aproxima, a capacitância aumenta, levando a uma alteração na frequência de oscilação do circuito. Esta mudança de frequência é monitorizada por um amplificador e convertida num sinal de saída binário que indica a presença de um objeto.
4. Sinal de saída: Quando a oscilação atinge uma determinada amplitude limite, desencadeia uma alteração no estado de saída do sensor. Inversamente, quando o objeto se afasta, a amplitude diminui, voltando a saída ao seu estado original.
5. Considerações ambientais: Para um desempenho ótimo, os sensores capacitivos devem ser utilizados em ambientes com níveis estáveis de temperatura e humidade, uma vez que as flutuações podem afetar a sua sensibilidade e precisão.

III. Sensores de proximidade ultra-sónicos

Vantagens dos sensores de proximidade ultra-sónicos

Os sensores de proximidade ultra-sónicos oferecem várias vantagens que os tornam adequados para várias aplicações:

• Independência de materiais: Podem detetar todos os tipos de materiais, incluindo objectos brilhantes, transparentes e com formas irregulares, sem serem afectados pela cor ou textura da superfície do objeto.
• Longo alcance de deteção: Os sensores ultra-sónicos podem medir distâncias superiores a 1 metro, o que os torna ideais para aplicações que requerem uma deteção de longo alcance.
• Desempenho robusto em condições adversas: Estes sensores não são influenciados por factores ambientais como o pó, a chuva ou a neve, que podem prejudicar outros tipos de sensores. O seu funcionamento permanece fiável mesmo em condições difíceis.
• Elevada sensibilidade e precisão: Os sensores ultra-sónicos fornecem medições precisas e são capazes de detetar pequenos objectos a distâncias consideráveis.
• Aplicações versáteis: São amplamente utilizados em várias indústrias para tarefas como medição de nível, deteção de objectos e controlo automatizado de processos, provando a sua adaptabilidade em diferentes cenários.

Mecanismo de funcionamento

O mecanismo de funcionamento dos sensores de proximidade ultra-sónicos baseia-se na emissão e receção de ondas sonoras de alta frequência. Eis como funcionam:

1. Emissão de ondas sonoras: O sensor emite ondas sonoras ultra-sónicas (normalmente acima de 20 kHz) em direção ao objeto alvo.
2. Reflexão: Estas ondas sonoras viajam até atingirem um objeto e são reflectidas de volta para o sensor.
3. Medição do tempo: O sensor mede o tempo que as ondas sonoras emitidas demoram a regressar depois de atingirem o objeto. Este intervalo de tempo é crucial para determinar a distância ao objeto.
4. Cálculo da distância: Utilizando a fórmula Distância = (Velocidade do som × Tempo) / 2, o sensor calcula a distância até ao objeto com base na velocidade do som no ar (aproximadamente 343 metros por segundo à temperatura ambiente) e no tempo medido.
5. Geração do sinal de saída: Uma vez calculada a distância, o sensor gera um sinal de saída que indica se um objeto se encontra dentro de um intervalo pré-determinado, permitindo várias aplicações, como o acionamento de alarmes ou o controlo de máquinas.

IV. Sensores magnéticos de proximidade

Tipos de sensores de proximidade magnéticos

Os sensores de proximidade magnéticos podem ser classificados em vários tipos com base nos seus princípios de funcionamento e aplicações:

• Interruptor de palheta: Este é um interrutor acionado magneticamente que consiste em duas palhetas ferromagnéticas seladas numa cápsula de vidro. Quando está presente um campo magnético, as palhetas juntam-se para completar um circuito elétrico.
• Sensor de efeito Hall: Utiliza o princípio do efeito Hall, em que é gerada uma tensão através de um condutor quando este é exposto a um campo magnético. Este sensor detecta a presença de ímanes e fornece um sinal de saída em conformidade.
• Sensor Magnetostrictivo: Mede a posição de um objeto magnético utilizando o efeito magnetostrictivo, que envolve alterações no campo magnético que afectam as propriedades de um material.
• Sensor magneto-resistivo: Funciona com base no efeito magneto-resistivo, em que a resistência eléctrica de um material ferromagnético se altera em resposta a um campo magnético externo.
• Sensor de proximidade magnético indutivo: Semelhante aos sensores indutivos, mas especificamente concebido para detetar campos magnéticos em vez de objectos metálicos. Utilizam uma bobina oscilante para gerar um campo magnético e detetar alterações quando um íman permanente se aproxima.

Funcionalidade

A funcionalidade dos sensores de proximidade magnéticos gira em torno da sua capacidade de detetar campos magnéticos e fornecer sinais de saída correspondentes. Eis como funcionam:

1. Mecanismo de deteção: Os sensores de proximidade magnéticos detectam a presença de objectos magnéticos (como ímanes permanentes) através de vários princípios, incluindo os mencionados acima. Cada tipo tem o seu próprio método de deteção:
   • Os interruptores Reed fecham os contactos quando expostos a um campo magnético.
   • Os sensores de efeito Hall geram um sinal de tensão em resposta a ímanes próximos.
   • Os sensores magnetostrictivos e magneto-resistivos medem as alterações nas propriedades dos materiais devido a influências magnéticas.
2. Processamento do sinal: Quando é detectada uma alteração no campo magnético, o sensor processa esta informação para gerar um sinal de saída. Este sinal pode ser digital (ligado/desligado) ou analógico, consoante a aplicação e o tipo de sensor.
3. Ativação de saída: O sinal de saída pode desencadear várias acções, como a ativação de alarmes, o controlo de motores ou o fornecimento de feedback em sistemas automatizados. Os sensores são frequentemente utilizados em aplicações como sistemas de segurança (para portas e janelas), automação industrial (deteção de posição) e eletrónica de consumo.
4. Flexibilidade de instalação: Os sensores de proximidade magnéticos podem ser instalados à face ou não à face em vários ambientes, incluindo aqueles com materiais não magnéticos como o plástico ou a madeira, permitindo uma aplicação versátil em diferentes ambientes.

V. Sensores ópticos de proximidade （Sensores fotoeléctricos）

Princípios de funcionamento dos sensores ópticos de proximidade

Os sensores de proximidade ópticos funcionam utilizando a luz para detetar a presença ou ausência de objectos dentro do seu alcance de deteção. O princípio de funcionamento fundamental envolve a emissão de luz, normalmente no espetro infravermelho ou visível, e a medição da luz que é reflectida por um objeto. Segue-se uma descrição detalhada do seu funcionamento:

1. Emissão de luz: O sensor emite um feixe de luz na direção do objeto alvo. Esta luz pode ser gerada por várias fontes, incluindo LEDs ou lasers.
2. Deteção de reflexão: Quando a luz emitida encontra um objeto, parte dela é reflectida de volta para o sensor. A quantidade e a intensidade desta luz reflectida dependem da distância do objeto e das caraterísticas da superfície.
3. Processamento do sinal: O recetor do sensor detecta a luz reflectida. Se a quantidade de luz reflectida exceder um determinado limiar, o sensor determina que está presente um objeto e gera um sinal de saída (digital ou analógico) indicando a deteção.
4. Medição de distâncias: Em alguns sensores ópticos avançados, o tempo que a luz demora a regressar (no caso dos sensores laser) pode ser medido para calcular a distância exacta ao objeto.

Este método permite que os sensores ópticos de proximidade sejam altamente eficazes na deteção de objectos sem contacto, tornando-os adequados para várias aplicações em automação, segurança e eletrónica de consumo.

Diferentes tipos de sensores ópticos de proximidade

Os sensores ópticos de proximidade podem ser classificados em vários tipos com base na sua conceção e princípios de funcionamento:

• Sensores de infravermelhos (IR): Estes sensores emitem luz infravermelha e detectam alterações na radiação IR reflectida. São normalmente utilizados em aplicações como portas automáticas e sistemas de segurança.
• Sensores laser: Utilizando feixes de laser, estes sensores fornecem alta precisão e capacidades de deteção de longo alcance. São frequentemente utilizados em aplicações industriais que requerem medições de distância exactas.
• Sensores fotoeléctricos: São constituídos por uma fonte de luz (normalmente um LED) e um recetor. Podem funcionar em diferentes modos:
  • Feixe passante: O emissor e o recetor estão posicionados em frente um do outro; um objeto interrompe o feixe de luz.
  • Retro-reflexivo: O emissor e o recetor estão do mesmo lado, com um refletor que reflecte a luz emitida de volta para o recetor.
  • Reflexivo difuso: O emissor e o recetor estão alojados juntos; o sensor detecta a luz reflectida por um objeto diretamente em frente.
• Sensores de tempo de voo (ToF): Estes sensores avançados medem o tempo que demora um impulso de luz a viajar até um objeto e a voltar, permitindo uma medição precisa da distância.

VI. Sensores de proximidade de efeito Hall

Principais benefícios dos sensores de proximidade de efeito Hall

Os sensores de proximidade de efeito Hall oferecem várias vantagens que os tornam altamente eficazes para várias aplicações:

• Deteção sem contacto: Estes sensores detectam a presença de campos magnéticos sem contacto físico, reduzindo o desgaste em comparação com os interruptores mecânicos.
• Durabilidade: Os sensores de efeito Hall são dispositivos de estado sólido, o que significa que são menos propensos a falhas mecânicas e podem funcionar em ambientes adversos, incluindo a exposição a pó, sujidade e humidade.
• Alta velocidade e sensibilidade: Podem responder rapidamente a alterações nos campos magnéticos, o que os torna adequados para aplicações de alta velocidade, como o controlo de motores e a deteção de posições.
• Aplicações versáteis: Os sensores de efeito Hall podem ser utilizados numa vasta gama de aplicações, incluindo sistemas automóveis (por exemplo, sensores de velocidade das rodas), eletrónica de consumo (por exemplo, smartphones) e automação industrial (por exemplo, deteção de proximidade).
• Baixo consumo de energia: Estes sensores consomem normalmente menos energia do que os interruptores mecânicos tradicionais, o que os torna ideais para dispositivos alimentados por bateria.

Teoria operacional

A teoria operacional dos sensores de proximidade de efeito Hall baseia-se no fenómeno do efeito Hall, que envolve a interação entre correntes eléctricas e campos magnéticos. Eis como funcionam:

1. Fluxo de corrente: Um sensor de efeito Hall consiste numa tira fina de material condutor (o elemento Hall) através da qual flui uma corrente eléctrica. Esta corrente gera o seu próprio campo magnético.
2. Interação com o campo magnético: Quando um campo magnético externo é aplicado perpendicularmente à direção do fluxo de corrente, os portadores de carga (electrões ou buracos) no material condutor experimentam uma força (força de Lorentz) que os faz desviar da sua trajetória em linha reta.
3. Geração de tensão: Esta deflexão resulta numa concentração de portadores de carga num dos lados do elemento Hall, criando uma diferença de tensão entre os lados opostos da tira, conhecida como tensão Hall. A magnitude desta tensão é proporcional à intensidade do campo magnético.
4. Sinal de saída: O sensor mede esta tensão Hall e converte-a num sinal de saída. Dependendo do projeto, esta saída pode ser analógica ou digital. Por exemplo, em aplicações digitais, o sensor pode ligar-se ou desligar-se com base no facto de o campo magnético exceder um determinado limiar.
5. Tipos de sensores de efeito Hall: Dependendo da sua configuração, os sensores de efeito Hall podem ser classificados como:
   • Sensores unipolares: Activam-se com uma polaridade de campo magnético.
   • Sensores bipolares: Respondem a ambas as polaridades.
   • Sensores omnipolares: Podem ser activados por um campo magnético positivo ou negativo.

VIII. Sensores de proximidade indutivos

Caraterísticas dos sensores de proximidade indutivos

Os sensores de proximidade indutivos são dispositivos especializados concebidos principalmente para detetar objectos metálicos sem contacto físico. Eis as suas principais caraterísticas:

• Deteção sem contacto: Podem detetar objectos metálicos sem necessidade de lhes tocar, o que minimiza o desgaste tanto do sensor como do objeto a ser detectado.
• Sensibilidade ao metal: Estes sensores são particularmente sensíveis a materiais ferromagnéticos (como o ferro), mas também podem detetar metais não ferrosos (como o alumínio e o cobre), dependendo da conceção.
• Alcance de deteção: O alcance da deteção varia consoante o tamanho e o tipo do objeto metálico, variando normalmente entre alguns milímetros e vários centímetros.
• Robustez: Os sensores indutivos são duráveis e podem funcionar em ambientes difíceis, incluindo a exposição a poeiras, humidade e temperaturas extremas.
• Alta velocidade: Podem mudar de estado rapidamente, o que os torna adequados para aplicações de alta velocidade em processos de automação e fabrico.
• Instalação simples: Os sensores de proximidade indutivos são frequentemente fáceis de instalar e integrar em sistemas existentes, com várias opções de montagem disponíveis.

Método operacional

O método de funcionamento dos sensores de proximidade indutivos baseia-se no princípio da indução electromagnética. Eis como funcionam:

1. Circuito oscilador: O sensor contém um circuito oscilador que gera um campo eletromagnético alternado de alta frequência na sua face de deteção. Este campo eletromagnético estende-se à área circundante.
2. Geração de correntes parasitas: Quando um objeto metálico se aproxima deste campo eletromagnético, induz correntes de Foucault no metal. Estas correntes fluem no interior do objeto metálico devido à indução electromagnética.
3. Alteração da amplitude: A presença destas correntes de Foucault causa perda de energia no circuito oscilante, o que leva a uma redução na amplitude da oscilação. Quanto mais próximo estiver o objeto metálico, maior é a perda de energia e mais significativa é a diminuição da amplitude da oscilação.
4. Deteção de sinais: O sensor inclui um circuito de deteção de amplitude que monitoriza as alterações do estado de oscilação. Quando a amplitude desce abaixo de um determinado limiar devido à presença de um objeto metálico, esta alteração é detectada.
5. Geração do sinal de saída: O sensor converte então esta deteção num sinal de saída (normalmente um sinal binário), indicando se um objeto está presente ou não. Esta saída pode ser utilizada para acionar outros dispositivos ou processos num sistema de automação.

IX. Comparação de diferentes tecnologias de sensores de proximidade

A. Pontos fortes e limitações

Tipo de sensor	Pontos fortes	Limitações
Indutivo	Altamente fiável para a deteção de objectos metálicos Durável e resistente a condições adversas Tempo de resposta rápido	Limitado a alvos metálicos Sensível a interferências electromagnéticas
Capacitivo	Pode detetar objectos metálicos e não metálicos Funciona através de barreiras não metálicas Sensibilidade ajustável	Alcance de deteção mais curto em comparação com sensores indutivos Afetado por factores ambientais (humidade, temperatura)
Ultrassónico	Deteção sem contacto de vários materiais Funciona em ambientes agressivos Longo alcance de deteção	Eficácia limitada no vácuo O desempenho pode ser afetado pela textura do objeto e pela absorção do som
Fotoelétrico	Versátil com diferentes configurações (através do feixe, retrorreflector) Tempo de resposta rápido Pode detetar objectos transparentes	Complexidade de instalação para alguns tipos O desempenho pode variar consoante a cor e a refletividade do objeto
Laser	Deteção de alta precisão e de longo alcance Adequado para alvos pequenos ou distantes	Custo e consumo de energia mais elevados Preocupações de segurança relacionadas com a exposição ocular Desempenho limitado com materiais transparentes

B. Aplicações adequadas para cada tecnologia

Aplicações adequadas para cada tecnologia

• Sensores de proximidade indutivos:
  • Normalmente utilizado na automação industrial para a deteção de peças metálicas em correias transportadoras.
  • Ideal para deteção de posição em máquinas e equipamentos.
• Sensores de proximidade capacitivos:
  • Adequado para a deteção de materiais não metálicos como líquidos, pós e plásticos.
  • Frequentemente utilizado em aplicações de embalagem, processamento de alimentos e medição de nível.
• Sensores de proximidade ultra-sónicos:
  • Eficaz em aplicações que requerem medição de distâncias, como a deteção do nível de líquidos e a deteção de objectos em robótica.
  • Utilizado em sistemas automóveis para assistência ao estacionamento.
• Sensores de proximidade fotoeléctricos:
  • Amplamente utilizado em embalagens, sistemas de triagem e manuseamento de materiais.
  • Adequado para detetar objectos transparentes ou contar itens numa correia transportadora.
• Sensores de proximidade a laser:
  • Utilizado em aplicações que exigem elevada precisão, como o posicionamento robótico e os sistemas de inspeção automatizados.
  • Normalmente utilizado em logística para medir distâncias ou dimensões de embalagens.

Conclusão: Diversidade das tecnologias de deteção de proximidade

A diversidade das tecnologias de deteção de proximidade reflecte os requisitos variados dos sistemas modernos de automação e controlo. Cada tipo de sensor possui pontos fortes únicos que o tornam adequado para aplicações específicas, apresentando também limitações que devem ser consideradas durante a seleção. Os sensores indutivos são excelentes na deteção de metais, enquanto os sensores capacitivos oferecem versatilidade com diferentes materiais. Os sensores ultra-sónicos fornecem capacidades robustas de medição de distâncias, enquanto os sensores fotoeléctricos são preferidos pela sua velocidade e adaptabilidade. Os sensores laser destacam-se pela sua precisão em longas distâncias.

Fonte do artigo:

https://www.ifm.com/de/en/shared/technologies/ultrasonic-sensors/advantages-of-ultrasonic-sensors

https://www.tme.eu/Document/e5f38f78b147f70a1fae36b473781d74/MM-SERIES-EN.PDF