Tipos de Transdutor

Transdutores: Definição, Funções e Classificação

Um transdutor é um dispositivo eletrônico que desempenha um papel crucial na conversão de grandezas físicas em sinais elétricos. Ele serve duas funções fundamentais: detecção e transdução. Primeiro, ele detecta a grandeza física de interesse, como temperatura, pressão ou deslocamento. Em seguida, transforma essa grandeza física em trabalho mecânico ou, mais comumente, em um sinal elétrico que pode ser facilmente medido, processado e analisado.

Os transdutores vêm em uma ampla variedade de tipos e podem ser categorizados de acordo com vários critérios distintos:

• Com base no Mecanismo de Transdução Utilizado: Esta classificação se concentra nos processos físicos ou químicos específicos pelos quais o transdutor converte a grandeza física de entrada em uma saída elétrica. Diferentes mecanismos de transdução são adaptados para diferentes tipos de medições e aplicações, permitindo a detecção precisa e confiável em um amplo espectro de fenômenos físicos.

• Como Transdutores Primários e Secundários: Um transdutor primário converte diretamente a grandeza física medida em um sinal elétrico. Por outro lado, um transdutor secundário trabalha em conjunto com um transdutor primário, modificando ou processando ainda mais o sinal elétrico gerado pelo dispositivo primário para melhorar sua usabilidade ou precisão.

• Como Transdutores Passivos e Ativos: Transdutores passivos dependem de uma fonte de alimentação externa para operar e produzir um sinal de saída que é função da grandeza física de entrada e da potência aplicada. Transdutores ativos, por outro lado, contêm sua própria fonte de alimentação e podem gerar um sinal de saída sem a necessidade de uma fonte de alimentação externa, muitas vezes fornecendo maior sensibilidade e força do sinal.

• Como Transdutores Analógicos e Digitais: Transdutores analógicos produzem um sinal de saída que varia continuamente com a grandeza física de entrada, geralmente na forma de tensão ou corrente. Transdutores digitais, por contraste, convertem a grandeza de entrada em um sinal digital discreto, que é mais fácil de processar, armazenar e transmitir usando sistemas eletrônicos e computacionais modernos.

• Como Transdutores e Transdutores Inversos: Um transdutor padrão converte uma grandeza física em um sinal elétrico. Um transdutor inverso, ao contrário, toma um sinal elétrico como entrada e o converte de volta em uma grandeza física, efetivamente revertendo o processo de um transdutor tradicional. Este conceito é útil em aplicações onde o controle elétrico é necessário para gerar uma resposta física específica.

Em operação, um transdutor recebe a grandeza medida — a grandeza física sendo medida — e produz um sinal de saída proporcional à magnitude da entrada. Este sinal de saída é então transmitido a um dispositivo de condicionamento de sinal. Aqui, o sinal passa por uma série de processos, incluindo atenuação (ajustando a amplitude do sinal), filtragem (removendo ruídos indesejados ou frequências) e modulação (codificando o sinal para melhor transmissão ou processamento). Estes passos garantem que o sinal final esteja em uma forma ótima para análises, exibição ou operações de controle subsequentes.

A grandeza de entrada de um transdutor é tipicamente uma quantidade não-elétrica, enquanto o sinal elétrico de saída pode estar na forma de corrente, tensão ou frequência.

1. Classificação com base no Princípio de Transdução

Os transdutores podem ser classificados de acordo com o meio de transdução que utilizam. O meio de transdução pode ser resistivo, indutivo ou capacitivo. Esta classificação é determinada pelo processo de conversão através do qual o transdutor de entrada transforma o sinal de entrada em resistência, indutância ou capacitância, respectivamente. Cada tipo de meio de transdução tem suas próprias características únicas e é adequado para diferentes aplicações de medição, permitindo a conversão precisa de várias grandezas físicas em sinais elétricos.

2. Transdutores Primários e Secundários

• Transdutor Primário
  Um transdutor frequentemente compreende componentes mecânicos e elétricos. A parte mecânica do transdutor é responsável por converter as grandezas físicas de entrada em um sinal mecânico. Este componente mecânico é referido como transdutor primário. Ele atua como o elemento de detecção inicial, interagindo diretamente com a grandeza física sendo medida, como pressão, temperatura ou deslocamento, e convertendo-a em uma forma mecânica que pode ser processada adicionalmente.

• Transdutor Secundário
  O transdutor secundário toma o sinal mecânico gerado pelo transdutor primário e o converte em um sinal elétrico. A magnitude do sinal elétrico de saída está diretamente relacionada às características do sinal mecânico de entrada. Dessa forma, o transdutor secundário faz a ponte entre os domínios mecânico e elétrico, tornando possível medir e analisar a grandeza física original usando técnicas de medição e processamento elétrico.

Exemplo de Transdutores Primários e Secundários

Tomemos o Tubo de Bourdon, ilustrado na figura abaixo, como exemplo. O Tubo de Bourdon funciona como um transdutor primário. Ele é projetado para detectar pressão e convertê-la em um deslocamento em sua extremidade livre. Quando a pressão é aplicada ao tubo, sua forma se deforma, causando o movimento da extremidade livre. Este deslocamento, então, atua como a entrada para a próxima etapa do sistema.

O movimento da extremidade livre do Tubo de Bourdon causa o deslocamento do núcleo de um Transformador Variável de Deslocamento Linear (LVDT). À medida que o núcleo se move dentro do LVDT, induz uma tensão de saída. Esta tensão induzida é diretamente proporcional ao deslocamento da extremidade livre do tubo e, consequentemente, à pressão original aplicada ao Tubo de Bourdon.

No caso do sistema Tubo de Bourdon - LVDT, ocorrem dois processos de transdução distintos. Primeiro, a transdução primária ocorre quando o Tubo de Bourdon converte a pressão em deslocamento. Em seguida, a transdução secundária ocorre quando o LVDT converte este deslocamento em um sinal de tensão elétrica. Este exemplo demonstra claramente como os transdutores primários e secundários trabalham em conjunto para medir e converter precisamente uma grandeza física em uma saída elétrica para análise e uso posteriores.

O Tubo de Bourdon serve como o transdutor primário, enquanto o L.V.D.T. (Transformador Variável de Deslocamento Linear) funciona como o transdutor secundário.

3. Transdutores Passivos e Ativos

Os transdutores também podem ser categorizados em tipos ativos e passivos, cada um com características operacionais distintas.

Transdutores Passivos

Um transdutor passivo é aquele que depende de uma fonte de alimentação externa para operar, razão pela qual também é chamado de transdutor alimentado externamente. Transdutores capacitivos, resistentivos e indutivos são exemplos típicos de transdutores passivos. Esses transdutores funcionam modificando uma propriedade elétrica (como resistência, capacitância ou indutância) em resposta à grandeza física de entrada. No entanto, eles não geram sua própria energia elétrica; em vez disso, requerem uma fonte de alimentação externa para produzir um sinal de saída mensurável que reflita a mudança na grandeza física sendo medida.

Transdutores Ativos

Por outro lado, um transdutor ativo não necessita de uma fonte de alimentação externa para operar. Esses transdutores são auto-geradores, significando que podem produzir sua própria tensão ou corrente de saída. O sinal de saída de um transdutor ativo é derivado diretamente da grandeza física de entrada. Transdutores ativos são capazes de converter diversos fenômenos físicos, como velocidade, temperatura, força e intensidade luminosa, em sinais elétricos sem depender de uma entrada de energia externa. Exemplos de transdutores ativos incluem cristais piezelétricos, células fotovoltaicas, tachogeradores e termopares.

Exemplo: Cristal Piezelétrico

Para ilustrar a operação de um transdutor ativo, considere um cristal piezelétrico. Um cristal piezelétrico é tipicamente encaixado entre dois eletrodos metálicos, e toda a montagem é firmemente fixada a uma base. Uma massa é então colocada sobre esta estrutura encaixada.

Cristais piezelétricos possuem uma propriedade única: quando uma força é aplicada a eles, geram uma tensão elétrica. Na configuração descrita, a base pode experimentar aceleração, o que faz com que a massa exerça uma força sobre o cristal. Esta força, por sua vez, induz uma tensão de saída através do cristal. A magnitude desta tensão de saída é diretamente proporcional à aceleração experimentada pela base, efetivamente convertendo a aceleração mecânica em um sinal elétrico. Este exemplo demonstra claramente como os transdutores ativos podem gerar saídas elétricas baseadas em entradas físicas, destacando sua funcionalidade distinta em relação aos transdutores passivos.

O transdutor mencionado acima é conhecido como acelerômetro, que é projetado para converter aceleração em tensão elétrica. Notavelmente, este tipo de transdutor opera sem a necessidade de qualquer fonte de alimentação auxiliar durante a conversão da grandeza física em um sinal elétrico, demonstrando sua natureza autossuficiente na geração de sinais.

4. Transdutores Analógicos e Digitais

Os transdutores também podem ser categorizados com base na natureza de seus sinais de saída, que podem ser contínuos ou discretos.

Transdutores Analógicos

Um transdutor analógico transforma a grandeza de entrada em uma função contínua. Isso significa que o sinal de saída varia suavemente e continuamente em resposta às mudanças na entrada. Exemplos de transdutores analógicos incluem extensômetros, Transformadores Variáveis de Deslocamento Linear (LVDTs), termopares e termistores. Esses dispositivos são amplamente utilizados em diversas aplicações onde uma representação proporcional e contínua da grandeza física medida é necessária, como em sistemas de medição de precisão e controle de processos industriais.

Transdutores Digitais

Por outro lado, os transdutores digitais convertem a grandeza de entrada em um sinal digital, geralmente na forma de pulsos. Os sinais digitais operam com base em estados binários, representando informações como níveis de potência "alto" ou "baixo". Este formato de saída digital oferece várias vantagens, incluindo imunidade a ruído, integração mais fácil com eletrônicos e sistemas de computação digitais, e processamento e armazenamento de dados mais diretos. Transdutores digitais estão sendo cada vez mais adotados em sistemas modernos de medição e controle devido à prevalência de tecnologias digitais.

5. Transdutores e Transdutores Inversos

Transdutores

Um transdutor é definido como um dispositivo que converte grandezas não-elétricas em grandezas elétricas. Este processo de conversão permite a medição, monitoramento e controle de diversos fenômenos físicos, como temperatura, pressão, deslocamento e força, usando técnicas de medição e processamento elétrico. Transdutores desempenham um papel crucial em uma ampla variedade de aplicações, desde automação industrial até pesquisa científica e eletrônicos de consumo.

Transdutores Inversos

Transdutores inversos realizam a função oposta dos transdutores tradicionais. Eles convertem grandezas elétricas de volta em grandezas físicas. Esses transdutores geralmente têm uma alta entrada elétrica e uma correspondente baixa saída não-elétrica. Transdutores inversos são usados em aplicações onde sinais elétricos precisam ser traduzidos em ações ou respostas físicas, como em certos tipos de atuadores e sistemas de controle. O conceito de transdutores inversos fornece um meio de fechar o loop entre o controle elétrico e a operação física, facilitando o controle mais complexo e preciso de sistemas mecânicos e físicos.