Sensores - O que são, para que serve, como medir

Introdução

O crescente número de veículos atualmente nas ruas apresenta diferentes problemas que exigem melhorias na tecnologia e na eficiência dos veículos. Alguns dos problemas que impulsionam o desenvolvimento tecnológico são:

• Aumento da poluição ambiental.

• Necessidade de maior segurança.

• Concorrência intensa no mercado.

Aumento da poluição ambiental

Esta é uma das principais razões para explicar a evolução dos veículos e, especialmente, dos seus motores nas últimas décadas. Com o aumento do número de veículos nas estradas, os países foram forçados a aplicar diferentes medidas para reduzir a poluição ambiental que geram. Essas medidas incluem regulamentações aplicáveis aos veículos, exigindo que os fabricantes reduzam as emissões dos automóveis. Isso promove o desenvolvimento de motores de combustão interna mais eficientes e a criação de veículos que operem com combustíveis alternativos. Por esta razão, são necessários sistemas eletrônicos para monitorar o funcionamento do motor e os diferentes sistemas antipoluição a ele associados.

Poluição gerada por veículos

Necessidade de maior segurança

Neste caso, a evolução tecnológica dos veículos não se concentra em melhorar a eficiência da propulsão ou das emissões do veículo, mas sim em aumentar a proteção oferecida aos passageiros. O maior número de veículos em circulação, aliado a padrões de segurança cada vez mais rigorosos, incentiva o surgimento de sistemas que auxiliam o motorista a reduzir o risco de acidente (segurança ativa) ou, se um acidente for inevitável, a reduzir os danos após sua ocorrência (segurança passiva).

Sistemas de segurança ativa em um veículo

Concorrência intensa no mercado

A competição entre fabricantes é um incentivo para o desenvolvimento de sistemas que os diferenciem dos demais e atraiam a atenção de potenciais compradores. Além do design dos veículos, do prestígio e do preço final oferecido por cada marca, um dos atrativos é a qualidade do acabamento do veículo e, acima de tudo, o conforto e o nível de equipamentos que ele oferece. Nesse sentido, as marcas oferecem um maior número de extras e sistemas de conforto mais sofisticados, utilizando a eletrônica para executar mais funções que visam atrair a atenção dos consumidores.

Principais marcas do mercado automobilístico

Essas razões, entre outras, resultaram em um aumento constante na eletrônica dos veículos e, consequentemente, nos sensores e atuadores necessários para a automação. A eletrônica agora não está mais presente apenas nos motores, como acontecia anos atrás, mas em todo o veículo.

Com o recente desenvolvimento de veículos autônomos (que ainda estão em evolução), podemos ver que, em um futuro não tão distante, os veículos, ou pelo menos grande parte deles, serão controlados completamente por unidades eletrônicas, cuja capacidade de coletar informações depende de seus sensores e da capacidade de reação dos atuadores. Em última análise, a eletrônica como tal processa dados muito rapidamente.

Os sistemas de ignição eletrônica e injeção eletrônica foram os primeiros sistemas controlados eletronicamente a serem incorporados aos automóveis em geral. Ambos dependem de um grande número de parâmetros que variam constantemente (temperatura, pressão, rotação, etc.) e que têm impacto direto no funcionamento do motor.

Os sistemas mecânicos tradicionais são lentos e imprecisos para controlar e reagir corretamente a tantos parâmetros, causando resultados variáveis e, às vezes, funcionamento ineficaz do motor. A possibilidade de interação entre componentes puramente mecânicos é limitada e, em muitos casos, prejudicial, pois o mau funcionamento de um componente pode fazer com que os outros funcionem incorretamente. O desgaste dos componentes exige reajustes constantes para mantê-los funcionando dentro de margens toleráveis.

Os sistemas eletrônicos, por outro lado, proporcionam um controle mais rápido e preciso da maioria dos parâmetros influentes e se adaptam constantemente às variações que ocorrem durante a operação para otimizar o resultado final.

Outra grande vantagem dos sistemas eletrônicos, além de evitar a necessidade de ajustes manuais, é a capacidade de adaptação da eletrônica. Alterando a programação, ela pode ser usada em diferentes veículos, motores, etc. Em sistemas mais avançados, o autodiagnóstico frequentemente permite fornecer informações sobre falhas no sistema e/ou adaptá-lo, para que ele possa continuar funcionando normalmente até que a falha seja reparada.

A evolução do sistema de alimentação de combustível de um motor Otto é descrita abaixo em termos gerais, para melhorar a compreensão da implementação progressiva da eletrônica neste sistema.

Carburação

Trata-se de um sistema de alimentação de combustível puramente mecânico que dosa a mistura ar-gasolina por meio de um elemento chamado carburador. Este elemento funciona com base no princípio do efeito Venturi. Todo o ar que flui através de um canal com seção transversal variável é forçado a gerar uma pressão negativa proporcional ao fluxo de ar. A pressão negativa provoca a sucção de uma quantidade proporcional de gasolina do reservatório de combustível do carburador.

Como este sistema é totalmente mecânico, requer regulagem manual ou mecânica adicional para que a mistura seja criada na proporção adequada. Isso permite que o motor se adapte à maioria das mudanças que ele possa sofrer durante o funcionamento. Para compensar a condensação da gasolina quando o motor está frio, por exemplo, é necessária uma válvula de afogador que pode ser acionada manualmente pelo motorista ou mecanicamente por meio de elementos de expansão térmica.

Diagrama do sistema de alimentação de um motor equipado com carburador

Injeção mecânica

Embora este seja um sistema predominantemente mecânico, alguns sensores e gerenciamento eletrônico estão começando a ser incorporados para melhorar a adaptabilidade às mudanças de temperatura ou rotação do motor, em comparação com a carburação. Este sistema incorpora um medidor de fluxo de ar para medir o fluxo de ar que entra no motor. A quantidade de gasolina a ser injetada é ajustada com base na quantidade de ar que entra no motor, embora a injeção de combustível seja feita de forma mecânica e contínua.

A implementação de um injetor adicional aumenta a quantidade de combustível que entra no cilindro na fase de partida a frio. Isso melhora o funcionamento do motor até atingir uma determinada temperatura, quando esse sistema é desativado automaticamente por um interruptor térmico. Juntamente com uma válvula de ar adicional que aumenta o fluxo de ar em marcha lenta, o sistema de injeção melhora o funcionamento do motor frio e reduz o consumo de combustível como resultado da melhor formação da mistura. Isso o torna mais eficiente do que os sistemas anteriores. Em versões mais avançadas, a unidade eletrônica enriquece a mistura durante a aceleração e a torna mais pobre durante a desaceleração. Ela pode até aplicar regulagem corretiva durante a marcha lenta, dependendo da proporção de CO presente nos gases de escape.

Diagrama do sistema de alimentação de um motor equipado com injeção mecânica de combustível

Injeção eletrônica

Os sistemas de gerenciamento do motor atualmente incorporam tantos componentes que sua capacidade de controle excede até mesmo a do motorista. O pedal do acelerador, por exemplo, é apenas mais um parâmetro a ser considerado pela unidade de controle e é usado para calcular, em parte, a quantidade de combustível a ser injetada. Com base nos outros parâmetros monitorados pela unidade, como a quantidade de ar, temperatura, pressão atmosférica, gases de escape e qualquer outra grandeza que possa afetar o funcionamento do motor, a unidade decide agir de acordo para obter o desempenho ideal para as condições de operação e as ações do motorista.

A unidade de controle monitora e adapta o funcionamento do motor às necessidades momentâneas, aumentando assim a eficiência e o desempenho, reduzindo drasticamente o consumo de combustível e a poluição gerada pelo veículo. A capacidade de controle do motorista limita-se a expressar, por meio do pedal do acelerador, a potência desejada. A eletrônica também trabalha para melhorar o conforto da condução e corrigir certos erros de direção.

Sistema de alimentação de um motor equipado com injeção eletrônica de combustível

A função dos sensores

Sensores são definidos como todos os componentes capazes de detectar uma grandeza física ou química (velocidade do motor, posição do pedal do acelerador, temperatura externa, etc.) e convertê-la em uma variável elétrica, permitindo assim que uma unidade de controle lógico interprete o valor da grandeza em questão.

Variáveis elétricas compreendem não apenas voltagem elétrica (V), mas também podem ser resistência elétrica (Ω), capacitância (F) ou corrente elétrica (A).

Função básica de um sensor

O sinal elétrico gerado pelos sensores pode ser analógico ou digital , dependendo do sensor e de sua função no sistema de controle. Enquanto os valores dos sinais analógicos mudam continuamente, assim como as grandezas que estão sendo medidas, os sensores que geram sinais digitais possuem componentes eletrônicos que codificam o valor da grandeza em pulsos elétricos. Esses pulsos são lidos pela unidade, que decodifica o sinal para reconhecer o valor da grandeza em questão.

Representação de um sinal analógico (linear) e um sinal digital (quadrado)

Os sensores podem ser classificados em dois grandes grupos com base em seu funcionamento :

• Passivos : São sensores que requerem energia elétrica externa para gerar um sinal elétrico. Alguns exemplos desses sensores são sensores de condutividade elétrica, sensores de efeito Hall, etc.

Funcionamento de um sensor passivo

• Ativos : Ao contrário dos sensores passivos, os sensores ativos não requerem nenhuma fonte de alimentação para gerar o sinal, pois são capazes de criá-lo devido à sua natureza, por isso também são chamados de sensores geradores. Alguns exemplos desse tipo de sensor são sensores indutivos, sensores piezoelétricos, etc.

Funcionamento de um sensor ativo

Aviso!

É importante evitar confundir o funcionamento de um sensor com o princípio de medição , que também pode ser ativo ou passivo. Se um sensor utiliza o princípio de medição ativo , significa que ele realiza um trabalho prévio para obter um resultado que varia em função da grandeza a ser determinada. Para isso, é necessária energia elétrica prévia.

Um princípio de medição passiva , por outro lado, não requer nenhuma fonte de alimentação para realizar a medição. Um exemplo claro desse tipo de medição é a medição fornecida por sondas lambda convencionais, que geram uma tensão elétrica de baixa intensidade sem a necessidade de alimentação elétrica prévia.

Outra maneira de classificar sensores é de acordo com o princípio de operação em que se baseiam. Essa classificação é mostrada abaixo e será usada na próxima unidade para estudar os diferentes sensores utilizados em veículos.

• Magnético

• Efeito Hall

• Por condutividade elétrica

• Magnetoresistivo

• Termorresistivo

• Piezoelétrico

• Piezoresistivo

• Capacitivo

• Fotoelétrico

• Ultrassom e radiofrequência

• Disjuntores e interruptores

Magnético

Conceitos básicos

Os sensores magnéticos baseiam seu funcionamento na indução magnética . A indução magnética refere-se ao fenômeno que gera uma força eletromotriz quando um condutor elétrico é exposto a um campo magnético variável ou quando um condutor elétrico se move dentro de um campo magnético fixo. Isso gera uma diferença de potencial capaz de gerar uma corrente elétrica induzida no condutor.

Representação da indução magnética

O fenômeno da indução magnética é reversível, de modo que, se a corrente circula por um condutor elétrico, um campo magnético é gerado ao seu redor. O campo magnético gerado, por sua vez, induz uma força eletromotriz contrária à primeira (embora com menor intensidade), que inicialmente dificulta a circulação de elétrons e limita a intensidade inicial.

A indução eletromagnética foi descoberta por Michael Faraday em 1831 e foi postulada no que é conhecido como Lei de Faraday .

Lei de Faraday

Diz que " a tensão induzida em um circuito fechado é diretamente proporcional à velocidade com que o fluxo magnético que passa por qualquer superfície muda ao longo do tempo tendo o circuito como limite ".

O funcionamento deste tipo de sensor pode ser explicado da seguinte forma aplicando esta lei.

O enrolamento na imagem a seguir está conectado a um amperímetro em série. Se esse enrolamento for aproximado de um ímã permanente, é possível observar que o amperímetro indica corrente; em outras palavras, uma força eletromotriz foi gerada por indução.

À medida que o ímã se aproxima do enrolamento, essa corrente é gerada, induzida pela variação do campo magnético. Quando o ímã para de se mover, o fenômeno de indução cessa, assim como a variação do magnetismo que atuava no enrolamento.

Se agora você fizer o movimento inverso com o ímã, ou seja, afastando-o do enrolamento, você observará que uma corrente também é induzida, mas neste caso, com polaridade oposta à corrente produzida quando o ímã foi aproximado.

Se os movimentos forem realizados em velocidades maiores, a corrente induzida no processo será maior. Em outras palavras, a velocidade com que a variação do fluxo ocorre ao redor do enrolamento influencia diretamente o valor da corrente ou tensão induzida gerada.

Efeito Hall

Conceitos básicos

O fenômeno físico chamado Efeito Hall foi descoberto pelo físico americano Edwin Herbert Hall enquanto ele trabalhava em sua tese de doutorado em 1879.

Conforme mostrado na imagem a seguir, quando uma corrente elétrica (I) flui através de um condutor ou semicondutor (a) , os elétrons que circulam por ele o fazem uniformemente (b) por todo o material. No entanto, quando esse condutor é colocado em um campo magnético, o campo exerce uma força transversal sobre os elétrons em movimento, empurrando-os para um lado do condutor (c) . Esse efeito gera uma diferença de potencial elétrico perpendicular ao fluxo de elétrons chamada de campo Hall (d) e, em conexão com ela, surge a tensão de Hall (V _H ) e pode ser medida.

Processo que gera o Efeito Hall

Usando esse fenômeno, podemos gerar uma tensão de Hall aproximando e afastando alternadamente um campo magnético do condutor ou semicondutor, desde que o campo magnético esteja presente. A tensão de Hall desaparece quando o campo magnético é removido.

A) Uma tensão de Hall é gerada pela aplicação de um campo magnético.     B) Quando o campo magnético desaparece, a tensão de Hall também desaparece.

A tensão Hall gerada é proporcional à intensidade do campo magnético e, por sua vez, à corrente elétrica principal.

Os sensores Hall geram uma tensão de saída muito baixa (da ordem de milivolts), por isso incluem um pequeno circuito eletrônico que amplifica o sinal. Então, por meio do processo descrito acima, obtém-se um sinal binário (onda quadrada) que pode ser processado por eletrônica digital, sem a necessidade de conversão analógica-digital prévia.

Sinal gerado por um sensor Hall

Por condutividade elétrica

Conceitos básicos

A condutividade elétrica é definida como a capacidade de um material de permitir a passagem de corrente elétrica (fluxo de íons ou elétrons). A condutividade é determinada pela estrutura atômica e molecular do material. Um material cuja estrutura molecular contém muitos átomos com ligações fracas, como metais, conduzirá bem a eletricidade.

Embora a condutividade seja determinada pelo material, como acabamos de mencionar, uma mudança em sua estrutura atômica e molecular, ou submetê-lo a certas mudanças físicas, como uma mudança de temperatura, pode alterar a condutividade do material.

Alguns metais, quando submetidos a temperaturas próximas do zero absoluto, aumentam sua condutividade elétrica até atingirem valores de resistividade praticamente nulos. Esse fenômeno é conhecido como supercondutividade .

A condutividade elétrica é medida em Siemens por metro (S·m) , e é a magnitude oposta à resistividade . A resistividade elétrica é medida em ohms por metro (Ω·m) . Para entender o termo resistividade, se um material de 1 m de comprimento por 1 m de largura por 1 m de altura tem uma resistência de 1 ohm, a resistividade desse material seria de 1 Ω·m.

É importante não confundir os termos condutividade e condutância, pois condutividade é a condutância elétrica específica de cada material. Da mesma forma, resistividade é a resistência elétrica específica de um material.

Alguns valores de condutividade elétrica e resistividade para diferentes materiais são:

Devido à grande variedade de sensores que alteram sua condutividade elétrica, é possível classificá-los mais especificamente com base em suas características e na magnitude física que causa a alteração em sua condutividade. Esses elementos podem ser classificados como:

• Magnetoresistivo

• Termorresistivo

• Fotoresistivo

• Piezoresistivo

Os sensores que se enquadram nessas categorias serão explicados posteriormente em suas respectivas seções. Sensores com características específicas que não podem ser classificadas dessa forma são abordados abaixo, como parte desta seção.

Magnetoresistivo

Conceitos básicos

Esses sensores funcionam com base no princípio da magnetorresistência , que é a propriedade de alguns materiais de variar sua resistência elétrica quando submetidos a um campo magnético. A resistência magnética desses materiais varia dependendo do ângulo formado pelo vetor de magnetização interna ( momento magnético ) de cada material e da direção do fluxo de corrente elétrica. Quando um campo magnético é aplicado a eles, isso afeta a magnetização interna e a modifica alterando o ângulo que ela forma em relação ao fluxo de corrente. Isso facilita a passagem dos elétrons pelo material e reduz sua resistividade elétrica.

Princípio de funcionamento dos magnetoresistores

As aplicações mais comuns desses sensores em veículos automotivos são a medição de movimento angular e a medição da velocidade de rotação. Sua composição interna pode variar, com o uso de múltiplos magnetorresistores para formar uma ponte de Wheatstone ou dois magnetorresistores como um circuito divisor de tensão .

Ponte de Wheatstone

Inicialmente, este era um circuito teórico composto por quatro resistores (três com valores conhecidos e um com resistência desconhecida) usados para calcular o valor da resistência desconhecida. Este tipo de circuito, com o resistor desconhecido substituído por elementos sensores (magnetoresistivos, piezoresistivos, etc.), juntamente com uma fonte de alimentação eletrônica e um circuito de avaliação, é usado para condicionar e gerar um sinal (linear ou digital, conforme necessário) proporcional à variação da resistência do elemento sensor.

O funcionamento básico deste circuito consiste em conectar os quatro resistores (R1, R2, R3 e R4) separados em dois ramos (I1 e I2) em paralelo e, em seguida, fornecer energia às extremidades (A e B). Uma conexão de medição de tensão (C e D) é feita entre os resistores de cada ramo conectados em série.

Funcionamento básico de uma ponte de Wheatstone

Quando o valor resistivo de ambos os ramos é igual, a ponte está em equilíbrio, sem diferença de potencial (Vout) entre os pontos C e D. Se qualquer um dos valores resistivos mudar, a ponte perderá o equilíbrio. Isso cria uma diferença de tensão na conexão de medição que é proporcional à variação da resistência.

Portanto, se dois resistores fixos com valores conhecidos forem utilizados (R1 e R3), juntamente com um resistor variável (R2) e o resistor desconhecido (R4), é possível determinar o valor do resistor R4 alterando o valor da resistência de R2 até que a ponte esteja balanceada. Além disso, usando três resistências conhecidas, é possível determinar facilmente o valor da quarta resistência com base na tensão medida entre os pontos C e D, sem a necessidade de balancear a ponte. Este método é comumente usado em veículos automotores para medições.

divisor de tensão

Este é um sistema amplamente utilizado em veículos automotivos para medir um resistor variável, composto por um resistor de valor fixo (R1) e a resistência a ser medida (R2). Neste circuito, a medição é feita entre os dois resistores, onde o segundo resistor causa uma queda de tensão proporcional. Essa queda de tensão é o sinal medido.

Funcionamento básico de um circuito divisor de tensão

Dependendo da aplicação pretendida, os dois resistores podem ser usados para formar um único sensor ou podem ser dispostos separadamente, com o resistor fixo normalmente localizado dentro da unidade de controle. A vantagem de usar este sistema em vez de realizar a medição diretamente em um único resistor é que ele protege a alimentação fornecida ao resistor e limita a corrente, especialmente quando a alimentação é compartilhada por vários elementos e é fornecida por uma unidade de controle.

Em caso de curto-circuito ao utilizar um divisor de tensão, a corrente enviada ao terra é limitada pelo primeiro resistor. Isso evita que os outros componentes na mesma linha fiquem sem energia. A tensão de 0 V (aterramento) na linha de medição permite que a unidade identifique o mau funcionamento.

Termorresistivo

Conceitos básicos

Muitos materiais são eletricamente sensíveis a mudanças de temperatura, sendo os metais um dos exemplos mais claros. Normalmente, o aumento da temperatura de um material faz com que ele se expanda e, dependendo do material, também pode causar uma alteração em sua condutividade elétrica. A resistência elétrica varia proporcionalmente à temperatura à qual o material é submetido.

Materiais cuja condutividade varia dependendo da temperatura podem ser classificados em dois grupos, de acordo com seu comportamento. Quando um material reduz sua resistência elétrica com o aumento da temperatura, diz-se que ele tem um coeficiente de temperatura negativo. Esses materiais são conhecidos como materiais NTC (Negative T emperature Coefficient ) . Basicamente, o aumento da temperatura aumenta a velocidade de movimento de seus elétrons, de modo que eles se movem mais facilmente de um átomo para outro.

Princípio de funcionamento de um material de coeficiente de temperatura negativo

Por outro lado, quando um material aumenta sua resistência elétrica com o aumento de sua temperatura, diz-se que ele tem um coeficiente de temperatura positivo. Esses materiais são conhecidos como materiais PTC (Positive T emperature Coefficient ) . Seu comportamento se deve à criação de novas ligações entre átomos, aumentando a velocidade de seus elétrons.

Esses materiais são usados como resistores elétricos que, utilizando o sistema divisor de tensão descrito anteriormente, podem atuar como sensores. Para isso, eles modificam uma tensão elétrica para indicar a temperatura (termistores).

Resistores NTC

Em resistores NTC, a relação entre temperatura e resistência elétrica é exponencial, e não linear. Isso significa que a tensão do sinal varia proporcionalmente, mas não linearmente, em relação à temperatura. O circuito interno da unidade de controle é responsável por interpretar o sinal de acordo com sua programação para essa característica.

Gráfico do comportamento de um resistor NTC

Sensores NTC

Esses sensores recebem energia elétrica através de um resistor interno da unidade de controle, então podemos deduzir o seguinte:

• Quando a temperatura aumenta, sua resistência diminui, fazendo com que a tensão entre seus terminais diminua. Isso ocorre porque a queda de tensão é sempre proporcional ao valor de sua resistência.

• Por outro lado, quando sua temperatura aumenta, sua resistência também aumenta, assim como a voltagem entre seus terminais.

Resistores PTC

A natureza dos materiais resistivos PTC limita essa faixa de medição e a precisão das medições nos valores limite de operação. Isso ocorre porque seu comportamento resistivo se aplica apenas dentro de margens de temperatura específicas, fora das quais esses resistores se comportam como resistores NTC. Para aumentar a faixa de operação, eles são frequentemente utilizados em conjunto com circuitos eletrônicos específicos.

A representação gráfica deste tipo de resistores é a seguinte.

Gráfico do sinal de um resistor PTC

Termorresistivo

Aplicações

Devido ao comportamento diferenciado dos resistores NTC e PTC, eles são utilizados em diferentes aplicações para melhor se adaptarem às necessidades de cada sistema. No setor automotivo, as aplicações mais comuns desses resistores como elementos sensores são as seguintes:

Sensor de temperatura

Há uma infinidade de sensores de temperatura utilizados em veículos, integrados aos sistemas eletrônicos de controle e informação. Os sensores NTC são os mais comuns para indicar a temperatura de determinados líquidos no motor, como o líquido de arrefecimento ou o óleo, e a temperatura do ar no motor e na cabine.

Localização de um sensor de temperatura na admissão de indução forçada

Os sensores NTC usados para medir a temperatura de líquidos como óleo ou líquido de arrefecimento são instalados em um corpo metálico (ligas de alumínio e bronze) que proporcionam boa condutividade térmica entre o líquido e o próprio resistor e evitam a exposição direta a agentes químicos, a fim de proteger o sensor.

Por outro lado, aqueles usados para medir a temperatura de gases, como o ar de admissão ou o ar externo, utilizam invólucros de plástico que não cobrem completamente o sensor. Isso permite que o elemento resistivo entre em contato direto com o ar, permitindo uma medição precisa e fornecendo uma resposta rápida.

Da esquerda para a direita: Composição de um sensor NTC, sensor de líquido de arrefecimento e sensor de ar de admissão

Embora sejam menos utilizados do que os resistores NTC para esta aplicação, os sensores de temperatura PTC podem ser usados para medir a temperatura dos gases de escape e podem estar localizados no coletor de escape, bem como no conversor catalítico ou nos filtros de partículas.

Visualização e localização de um sensor de temperatura de exaustão PTC

Quando aplicados como sensores, a unidade de controle utiliza esses resistores como parte externa de um circuito divisor de tensão alimentado por um estabilizador de tensão (normalmente 5 V). O funcionamento do circuito de avaliação de temperatura é mostrado abaixo.

Funcionamento da unidade para realizar uma medição com sensor de temperatura

A unidade mede a tensão entre dois resistores, que varia dependendo da queda causada pelo sensor de temperatura. Com uma referência estabilizada de 5 volts, se a unidade de controle medir uma tensão de 2,5 volts entre os dois resistores, ela pode deduzir que a resistência interna e o sensor de temperatura têm o mesmo valor de resistência.

Sensor de fluxo de ar

O medidor de fluxo de ar é um sensor normalmente posicionado após o filtro de ar e que mede a quantidade de ar que entra no motor por unidade de tempo (fluxo). A unidade de controle usa essa medição para calcular a quantidade exata de combustível que deve ser enviada ao cilindro.

Visão e localização de um medidor de fluxo de ar

Existem diferentes tipos de medidores de vazão de ar. Fio quente e filme quente são os tipos que usam termoresistência como princípio de operação.

Sensor de fio quente

Este é composto por um fio de platina que, juntamente com um sensor de temperatura NTC e dois resistores de calibração, forma uma ponte de Wheatstone. O fio recebe energia e é aquecido a mais de 100 ºC em relação à temperatura ambiente medida pelo termistor NTC. Quando o ar circula pelo sensor, ele resfria o fio e, consequentemente, a tensão fornecida deve ser aumentada para manter sua temperatura inicial. O trabalho elétrico necessário para manter o fio aquecido é proporcional ao fluxo de ar que entra no motor e resfria o fio, portanto, quanto mais ar é aspirado, maior é o sinal gerado pelo medidor de fluxo de ar.

Visão interna de um sensor de fio quente

Para evitar o acúmulo de sujeira no fio, quando o veículo é desligado, sua temperatura é elevada para aproximadamente 1000 °C por um segundo. Isso gera um efeito pirolítico que elimina qualquer sujeira depositada no fio.

Sensor de filme quente

Esta é a evolução do sensor de fio quente. O princípio de funcionamento é muito semelhante, mas em vez de usar um fio exposto ao ar, ele utiliza uma lâmina sensível à temperatura dentro de um pequeno labirinto. Este labirinto permite a passagem de apenas uma pequena quantidade de ar, proporcional ao ar total aspirado pelo motor, o que reduz o tempo de resposta e o acúmulo de sujeira no sensor.

Visão e composição do sensor de um sensor de filme quente

O princípio de funcionamento baseia-se na variação da resistência de dois elementos NTC posicionados nas laterais da placa aquecida, cuja temperatura permanece constante. O ar resfria um dos resistores e aquece o outro, dependendo da direção e da quantidade (massa), de modo que os pulsos e o refluxo de ar gerados pela válvula borboleta e pelas válvulas não forneçam leituras falsas sobre o ar real que entra no motor.

Composição da película quente do medidor de vazão de ar

Piezoelétrico

Conceitos básicos

Um componente piezoelétrico é aquele cujo princípio de funcionamento se baseia no efeito piezoelétrico . Esse efeito ocorre naturalmente em certos materiais que, quando submetidos a tensões mecânicas, criam uma diferença de potencial elétrico entre suas superfícies, tornando-se eletricamente polarizados.

Materiais piezoelétricos são cristais naturais (geralmente quartzo) ou sintéticos cujo arranjo atômico varia quando submetidos à deformação física. Consequentemente, suas cargas elétricas (elétrons e prótons) são deslocadas e perdem seu equilíbrio natural. Esse desequilíbrio gera uma diferença de potencial entre as superfícies do cristal, criando uma tensão elétrica.

O efeito piezoelétrico é reversível , ou seja, a deformação física do material cria uma tensão elétrica e a aplicação de uma tensão elétrica ao material o deforma fisicamente. Essa característica permite que atuem como transformadores bidirecionais, capazes de transformar energia mecânica em energia elétrica e vice-versa.

Embora os elementos piezoelétricos não possam gerar grandes correntes, eles podem gerar grandes diferenças de tensão. Quanto maior a superfície do elemento e mais rápida e energética a deformação física, maior a diferença de potencial gerada e, portanto, maior a tensão elétrica. Além disso, a deformação física gerada no elemento quando submetido à tensão elétrica é mínima e proporcional à tensão aplicada a ele.

Devido à sua alta velocidade de reação, este tipo de elemento é utilizado para medir grandezas físicas de alta frequência (vibração), bem como para trabalhos mecânicos de alta velocidade e alta precisão. Por outro lado, apresentam a desvantagem de não permitir medições estáticas ao longo do tempo. Isso se deve ao fato de que, se a tensão à qual o sensor é submetido for constante, a diferença de potencial eventualmente se equaliza. Isso impossibilita a medição pelo sensor.

Comportamento de um material piezoelétrico

Devido às suas características, os elementos piezoelétricos são utilizados em veículos automotores como sensores e também em atuadores.

Piezoresistivo

Conceitos básicos

Piezorresistência é a propriedade de alguns materiais condutores e semicondutores que causa uma variação na condutividade elétrica do material quando submetido a estresse físico. É fácil confundir os termos piezoelétrico e piezoresistivo, mas eles não se comportam da mesma maneira. Como discutido anteriormente, os materiais piezoelétricos geram tensão elétrica, enquanto os materiais piezoresistivos apenas variam sua condutividade, mas não geram tensão.

No caso dos metais, a variação da resistência é causada pela variação da distância interatômica do elemento. Quanto menor a distância interatômica, menor a resistência que o material oferece ao fluxo de corrente. No caso dos semicondutores, a variação da condutividade é causada pela variação da concentração de portadores. Quanto maior a concentração de portadores, menor a resistência elétrica oferecida.

Portadores de carga

Portadores de carga são partículas livres que carregam carga elétrica. No caso dos semicondutores, as lacunas produzidas pelos elétrons ausentes são tratadas como portadores. Essas lacunas permitem que os elétrons se movam com mais facilidade, melhorando assim sua condutividade elétrica.

O principal uso desse tipo de material é a fabricação de sensores, sendo os sensores de pressão a principal aplicação, embora os semicondutores também sejam usados em outros sensores, como sensores de aceleração.

Aplicações

Sensor de pressão piezoresistivo

Materiais piezoresistivos integrados a circuitos eletrônicos podem ser aplicados em sensores de pressão, tanto para gases quanto para líquidos. Em veículos automotivos, uma infinidade de sensores de pressão são utilizados, como sensores de pressão do coletor de admissão, pressão de combustível, tanto alta quanto baixa, pressão de frenagem, pressão dos gases de escape, etc.

Sensor de pressão do ar de admissão, sensor de pressão do combustível e sensor de pressão dos gases de escape

A composição deste tipo de sensor é praticamente sempre a mesma. Piezoresistores de silício são colocados sobre uma membrana deformável. Em um lado da membrana, a pressão a ser medida é aplicada e, no lado oposto, uma pressão fixa predefinida é mantida. Esta pode ser a pressão atmosférica, uma pressão de referência ou uma pressão de outro ponto para realizar a medição diferencial.

Visão e composição de um sensor de pressão piezoresistivo

Os piezoresistores são dispostos de forma a formar uma ponte de Wheatstone, cuja variação de tensão é proporcional à variação da deformação da membrana e, portanto, da pressão do líquido ou gás. A eletrônica do sensor avalia o desequilíbrio da ponte e gera um sinal filtrado, normalmente analógico e linear, proporcional à pressão medida. No entanto, existem sensores com sinais de saída moldados na forma de frequência variável.

Dependendo da faixa de pressões a serem medidas, os sensores são fabricados com membranas de diferentes materiais (mais ou menos rígidos) e tamanhos. Uma membrana fina com diâmetro maior permite a medição de valores de pressão muito baixos, enquanto membranas mais espessas com diâmetros menores são usadas para medir altas pressões.

Sensor de aceleração piezoresistivo

Outra aplicação que utiliza esse tipo de material são os sensores de aceleração. Como mencionado anteriormente, o sensor de aceleração é responsável por medir o movimento do chassi, e essa medição é utilizada para diferentes sistemas de segurança, como o airbag ou o sistema de estabilidade (ESP).

Este tipo de sensor de aceleração é composto principalmente por uma massa inercial ancorada à base por uma chapa deformável equipada com um elemento piezoresistivo. Dependendo da inércia durante a condução, a massa inercial é deslocada, dobrando a chapa e causando a deformação do elemento piezoresistivo.

Composição e funcionamento de um sensor de aceleração piezoresistivo

Existem várias lâminas que suportam a massa inercial e diferentes elementos piezoresistivos. A eletrônica do sensor avalia os elementos e envia um sinal para a unidade. Assim, a inércia pode ser medida em vários eixos direcionais, em vez de apenas um.

Capacitivo

Conceitos básicos

A capacitância elétrica é a propriedade de alguns corpos de manter uma carga elétrica. Essa propriedade pode ser gerada entre dois elementos condutores com suas superfícies voltadas uma para a outra, separados por um elemento não condutor (dielétrico). Sua unidade de medida é o farad (F) .

O princípio de medição de sensores capacitivos é baseado na variação de sua capacitância elétrica quando os elementos se aproximam da superfície ativa do sensor.

Sensores capacitivos são compostos por um circuito oscilante e um circuito eletrônico que condiciona o sinal de saída. O circuito oscilante é composto por um capacitor e uma pequena bobina conectados em paralelo. O funcionamento do circuito oscilante pode ser explicado da seguinte forma:

• 1.- Quando uma corrente é recebida ( I ) de uma fonte de alimentação ( Bat ), o capacitor ( C ) inicia o processo de carga.

• 2.- Uma vez completamente carregado, se o interruptor for movido, o capacitor começa a descarregar, enviando sua corrente para a bobina ( B ).

• 3.- Quando a carga do capacitor se equaliza, o campo magnético da bobina gera uma tensão induzida ( V _B ) na bobina. Isso faz com que o capacitor se carregue novamente, mas com a polaridade inversa da carga inicial.

Funcionamento de um circuito oscilante

Esse processo se repete constantemente. Uma corrente alternada é gerada a uma frequência determinada pela indutância da bobina e pela capacitância do próprio capacitor. Durante o processo, e devido à resistência da bobina, há perda de energia, o que significa que o circuito não pode ser mantido indefinidamente, sendo necessária uma fonte de alimentação.

Isso significa que, quando um elemento externo altera a capacitância do capacitor, a frequência do circuito oscilante também muda, o que pode ser medido. Em algumas aplicações, a capacitância do capacitor é determinada por um eletrodo interno, que faz parte do próprio sensor, e outro eletrodo externo (conectado ao terra), que é o elemento que queremos controlar. A capacitância desse sensor variará dependendo da distância entre o sensor e o elemento, possibilitando determinar a distância entre eles.

Em outras aplicações, o próprio sensor possui dois eletrodos e o elemento a ser detectado é posicionado entre eles, atuando como um dielétrico. A capacitância do sensor varia dependendo do elemento e de suas características.

Princípio de funcionamento de um sensor capacitivo

A vantagem desses sensores é que eles podem detectar objetos metálicos e não metálicos, além de detectar elementos líquidos e até gasosos. Algumas das aplicações mais comuns incluem:

• Sensor de proximidade

• Sensores de posição

• Sensores de aceleração

• Sensores de pressão

• Sensores de nível

• Sensores de umidade do ar

Fotoelétrico

Conceitos básicos

Sensores fotoelétricos são elementos sensíveis a diferentes formas de radiação luminosa. Eles operam com base no efeito fotoelétrico . Este efeito consiste na emissão de elétrons por um material quando este é atingido por radiação eletromagnética .

Diagrama ilustrando o efeito fotoelétrico

Radiação eletromagnética

Isso se refere à combinação de campos magnéticos e elétricos oscilantes que se propagam pelo espaço transportando energia.

O efeito fotoelétrico afirma que os fótons da fonte de luz podem transferir energia para os elétrons do material receptor. Isso causa duas reações diferentes nos materiais: alterando sua condutividade elétrica, um fenômeno conhecido como fotocondutividade , ou gerando corrente elétrica, o que é conhecido como efeito fotovoltaico .

Foi descoberto pelo físico Heinrich Hertz em 1887, quando observou que a faísca entre dois eletrodos percorria uma distância maior quando recebia luz ultravioleta do que quando deixada no escuro. Sua explicação teórica foi posteriormente formulada por Albert Einstein.

Fotocondutividade

Este é um fenômeno elétrico no qual um material experimenta um aumento em sua condutividade elétrica quando exposto à radiação eletromagnética, como infravermelho, ultravioleta, luz visível ou radiação gama. Quando este material é adicionado a um circuito elétrico, ele atua como um resistor elétrico que varia de acordo com a intensidade da luz. Este dispositivo é chamado de fotorresistor .

Esses resistores são normalmente conhecidos como LDR ( Light Dependent R esistors). São compostos por um material semicondutor que reduz sua resistência elétrica quando atingido por luz de alta frequência. Os fótons absorvidos pelo semicondutor causam o movimento dos elétrons do material, aumentando assim sua condutividade elétrica.

Visão de um LDR e seu símbolo elétrico

Os valores típicos de resistência podem variar de 1 MΩ no escuro a 100 Ω ao receber uma grande quantidade de luz. A variação de resistência experimentada por um fotorresistor tem um pequeno atraso (cerca de um décimo de segundo), portanto, seu uso é limitado a aplicações que não exigem resposta rápida.

Além dos fotorresistores, existem outros componentes eletrônicos, como fotodiodos ou fototransistores, que operam com base no mesmo princípio. No caso dos fototransistores , por exemplo, a excitação de sua base varia de acordo com a quantidade de luz que os incide, permitindo a passagem de mais ou menos corrente. Ao contrário dos fotorresistores, estes respondem muito mais rapidamente, por isso são mais utilizados em veículos automotivos para desempenhar funções de sensor.

Efeito fotovoltaico

Trata-se do fenômeno em que a exposição à radiação eletromagnética sobre um material provoca o movimento de elétrons, que são capturados, gerando uma corrente elétrica. Os dispositivos eletrônicos que permitem esse fenômeno são chamados de fotocélulas, células fotoelétricas ou células fotovoltaicas .

Composição de uma célula fotovoltaica

Células fotovoltaicas não são muito utilizadas em veículos automotivos, exceto no desenvolvimento de carros solares, embora em alguns veículos sejam utilizadas para fornecer eletricidade ao sistema de ventilação da cabine. Este sistema utiliza as células fotovoltaicas para alimentar o ventilador da cabine, a fim de renovar o ar interno e manter a temperatura do veículo mais baixa enquanto ele é continuamente exposto ao sol, melhorando o conforto dos passageiros ao entrarem no veículo.

Sistema de ventilação interna com telhado solar

Ultrassom e radiofrequência

Conceitos básicos

Ultrassom

Ondas mecânicas são definidas como a propagação de uma perturbação nas propriedades (posição, velocidade, pressão, etc.) de um elemento dentro de um meio elástico (sólido, líquido ou gasoso). Ao contrário da radiação eletromagnética, as ondas mecânicas requerem um meio para se propagar, sendo o exemplo mais claro desse tipo de onda o som, ou os círculos concêntricos que se expandem na água.

Forma de uma onda mecânica na água

Ondas sonoras são ondas mecânicas produzidas por variações de pressão no meio. Sons com frequência acima da capacidade auditiva do ouvido humano (20.000 Hz) são chamados de ultrassom . Alguns animais, como morcegos no ar ou golfinhos na água, usam esse tipo de onda para se orientar, utilizando um fenômeno conhecido como ecolocalização. Esses animais emitem ondas e capturam o eco, o que lhes permite determinar a distância até os objetos nos quais as ondas refletem.

Radiofrequência

Como mencionado anteriormente, ondas eletromagnéticas ou radiação eletromagnética são uma combinação de campos magnéticos e elétricos que se propagam à velocidade da luz, transportando energia de um ponto a outro. Essas ondas se manifestam de diferentes maneiras e são organizadas de acordo com o espectro eletromagnético .

Espectro eletromagnético

Definida como a distribuição de energia do conjunto de ondas eletromagnéticas. Os espectros podem ser observados e possibilitam medições (frequência, comprimento de onda e intensidade de radiação).

A radiofrequência é uma parte do espectro eletromagnético que contém ondas com frequências entre 3 quilohertz (KHz) e 300 gigahertz (GHz). Outros espectros eletromagnéticos, além da radiofrequência, incluem micro-ondas, infravermelho ou luz visível, entre outros.

Tabela de espectros eletromagnéticos

Disjuntores e interruptores também são sensores

No veículo, existem diferentes componentes cuja função é fornecer informações sobre o estado operacional ou funcional de um elemento. Ao contrário dos sensores que vimos até agora, esses componentes se limitam a fechar ou abrir um circuito elétrico ou a alternar entre múltiplos circuitos por meio de um mecanismo mecânico ou outro fenômeno físico que se transforma em movimento.

Esses interruptores são amplamente utilizados em veículos automotivos devido à sua simplicidade. Eles podem ser divididos na seguinte classificação com base em sua ativação:

• Mecânico

• Interruptores de pressão

• Interruptores de temperatura

Mecânico

Conceitos básicos

Este grupo pode incluir interruptores e disjuntores que são acionados mecanicamente, ou seja, a ativação é feita física e diretamente no elemento. Esses componentes têm um número praticamente infinito de funções e sua utilização em veículos automotivos varia desde informar a unidade sobre determinados parâmetros enquanto o motor está em funcionamento até transmitir comandos para ativar determinados sistemas, como faróis ou vidros elétricos, pelos passageiros do veículo.

Aplicações

A seguir estão alguns exemplos de aplicações comuns de interruptores mecânicos, bem como suas funções no veículo.

Interruptor de freio

Todos os veículos possuem um interruptor de freio, embora nem sempre seja mecânico. Trata-se de um botão convencional que pode ser simples ou duplo e é usado para acender as luzes de freio do veículo quando o pedal é pressionado e, em muitos casos, também para informar a unidade de controle do motor ou ABS sobre a ativação. No caso de interruptores duplos, a natureza do interruptor é normalmente aberta para ativação da luz de freio e fechada para informar às unidades de controle eletrônico que o pedal foi pressionado. A sincronização inversa dos dois sinais é usada como confirmação ou informação de segurança. Se um dos interruptores não mudar de estado quando o outro mudar, o mau funcionamento do componente é detectado.

Visão e localização de um interruptor de freio mecânico

Interruptor do ventilador da cabine

Este é um interruptor que permite ao usuário acionar o ventilador da cabine em diferentes velocidades; é amplamente utilizado em veículos com ar-condicionado manual. As saídas deste interruptor são conectadas às entradas de um conjunto de resistores, que por sua vez são conectados a uma saída de alimentação comum (positiva ou negativa) do ventilador. Isso varia a tensão fornecida ao ventilador dependendo da queda de tensão causada pelo valor em ohm de cada resistor.

Visão e localização de um interruptor do ventilador da cabine

Contato de porta

Localizado no batente da porta, tem como objetivo indicar quando a porta está aberta. Normalmente, é um botão simples e pode ser usado para acender uma luz de advertência ou para informar a unidade, normalmente por meio de conexão à terra.

Visualização e localização de um contato de porta