O que são Sensores

O que é um Sensor

Um Sensor em Eletrônica é um dispositivo que capta e converte um fenômeno físico, como temperatura, umidade ou luminosidade, em um sinal elétrico. Desta forma, os sensores fazem parte da interface entre o mundo físico e o mundo dos dispositivos eletrônicos, como os computadores e redes de dados.

Geralmente, a saída obtida em um sensor é uma grandeza elétrica como uma pequena tensão, corrente ou ainda uma alteração em um valor de resistência elétrica, que é enviada a um circuito eletrônico para processamento, sendo muito comum o uso de microcontroladores para esse fim.

Existem inúmeros formatos de sensores disponíveis, sem que, no entanto, haja uma padronização sobre suas especificações. Assim, vamos encontrar uma grande quantidade de interpretações dos parâmetros técnicos dos sensores, o que pode até mesmo se tornar confuso.

Por conta disso, é muito importante ler e saber interpretar o datasheet de um sensor, de modo a poder extrair dele o máximo de performance e funcionalidade.

Um Datasheet é uma ficha técnica – um documento – que traz toda a especificação de funcionamento de um dispositivo eletrônico. Na verdade, quase toda informação – sempre há algum dado ausente; mas, mesmo assim, é o documento mais importante e prontamente disponível que você deve consultar ao projetar uma aplicação que utilize um sensor.

A seguir vamos explicar algumas das características de sensores mais comuns encontradas em datasheets.

Características dos Sensores

A terminologia que define as características dos sensores pode ser um pouco confusa, e aqui definimos algumas das mais importantes a seguir:

• Função de Transferência: Mostra a relação funcional entre um sinal de entrada físico e o sinal de saída elétrico. No geral, essa relação é representada por meio de um gráfico que mostra o relacionamento entre os sinais de entrada e saída, permitindo descrever as características de um sensor.
• Sensibilidade: Definimos a sensibilidade de um sensor com a relação entre o sinal de entrada físico e o sinal de saída elétrico. É a razão entre uma pequena variação no sinal elétrico para uma pequena variação em um sinal físico. Assim, é derivada a partir da função de transferência em relação ao sinal de entrada. Por exemplo, podemos falar em volts/Celsius, ou milivolts/decibel, significando a variação em volts na saída do sensor em relação à variação da temperatura em Celsius, ou ainda a variação em milivolts em relação à variação da entrada em decibéis, respectivamente. Dizemos que um sensor possui alta sensibilidade quando uma pequena variação na entrada resulta em uma variação grande de tensão elétrica na saída do sensor.
• Faixa Dinâmica: Trata-se da faixa de valores do sinal de entrada que podem ser convertidos em sinais elétricos pelo sensor. Sinais de entrada fora desta faixa ainda podem ser convertidos em sinais elétricos, porém podem resultar em valores de leitura muito imprecisos, e assim, inaceitáveis. No geral, as características do sensor descritas no datasheet se aplicam apenas aos valores de entrada contidos dentro da faixa dinâmica informada. Por exemplo, um microfone pode ter uma faixa dinâmica de 100 Hz a 2000 Hz, significando que os valores de tensão gerados na saída somente são aceitáveis e utilizáveis caso a frequência sonora captada pelo dispositivo esteja no intervalo entre esses dois valores.
• Incerteza ou Precisão: Define o maior valor de erro esperado entre um sinal de saída ideal e o sinal real, obtido. Por exemplo, podemos ter um sensor de temperatura cuja incerteza é de 5%. Neste caso, o sensor é mais preciso do que outro cujo valor de incerteza é de 10%.
• Histerese: Alguns sensores não fornecem em sua saída o mesmo valor de saída quando o sinal de entrada se desloca para cima e para baixo (aumenta e diminui). A largura do erro esperado em termos do valor medido é definido como histerese, que pode ser medida em valor absoluto ou percentual.
• Linearidade (ou ainda Não-Linearidade): Trata-se do valor máximo de desvio de uma função de transferência linear na faixa dinâmica especificada. Pode ser medida por vários métodos diferentes, e mostra com o sensor se comporta em relação a um sensor de saída ideal.
• Ruído: O ruído é um sinal espúrio produzido pelo sensor em sua saída, em adição ao sinal elétrico derivado da medida realizada. Se o ruido for muito elevado, ele pode limitar a performance do sistema baseado no sensor, em alguns casos até impedindo que seja realizada uma leitura correta do valor físico medido. No geral, o ruído produzido é uma distribuição de ruído branco, ou seja, cuja densidade de ruído espectral é a mesma em todas as frequências (combinação de todas as frequências).
• Resolução: Definimos resolução em um sensor com sendo a menor flutuação do sinal de entrada detectável. No geral, as flutuações (variações) do sinal de entrada são fenômenos que variam com o tempo, e desta forma existe uma relação entre o intervalo de tempo da flutuação e a amplitude mínima detectável. Em termos mais simples, a resolução diz respeito à capacidade do sensor de detectar uma mudança no sinal de entrada em um intervalo de tempo específico. Por exemplo, um sensor X pode detectar variações no sinal de entrada a cada 20ms, ou seja, 50 medições por segundo, enquanto um sensor Y, a cada 10ms, equivalente a 100 medições por segundo. Neste caso, o sensor Y possui maior resolução, pois é capaz de detectar mais amostras de sinal em um mesmo intervalo de tempo.
• Temperatura de Operação: Trata-se de uma faixa de temperaturas na qual se pode garantir que o sensor irá operar como esperado, de acordo com suas outras características. Usar o sensor em um ambiente cuja temperatura está fora desta faixa pode ocasionar problemas que vão desde leituras incorretas até a inutilização do dispositivo.
• Níveis de Saída: Os níveis de saída se referem aos valores de tensão gerados na saída do sensor. Podem ser níveis contínuos, variando diretamente com a medida física em sua entrada, ou ainda nível discreto, por exemplo apresentando um nível de tensão alto para uma condição de entrada e outro nível baixo para uma condição diferente de entrada (sensor de disparo).

Existem muitas outras características em um sensor, que podem variar dependendo do tipo de sensor considerado, como Resposta Espectral, Dissipação de Potência, Temperatura de Armazenamento, Ângulo de Medição, Tolerância à ESD, etc.

Precisão e Acurácia

Dois conceitos muito importantes para levarmos em consideração ao escolher um sensor para aplicação em um projeto são os conceitos de Precisão e Acurácia, que podem trazer certa confusão caso não sejam compreendidos corretamente.

Precisão diz respeito à quantidade de dígitos obtidos no valor que um sensor retorna em uma medida. Por exemplo, suponha um sensor A que consiga retornar valores com três casas decimais, e um sensor B que consiga retorna valores com até oito casas decimais; claramente o sensor B possui maior precisão. Mas isso não significa que a leitura seja 100% correta.

A Acurácia diz respeito à veracidade do valor medido. Por exemplo, um sensor pode retornar uma medida de temperatura em um recinto mostrando o valor de 25,78956ºC, quando na verdade a temperatura é de 27ºC; um segundo sensor, que retorne a temperatura de 26,2ºC é mais acurado, pois o valor retornado é mais próximo do valor real da temperatura – mesmo o primeiro sensor sendo mais preciso (cinco casas decimais contra apenas uma do segundo sensor).

Aplicações dos Sensores

Sensores eletrônicos encontram aplicação em praticamente todas as áreas do conhecimento, como na Medicina, Engenharia, Controle de Tráfego, Segurança, Telecomunicações e muitas outras. Algumas aplicações típicas para os sensores são as seguintes:

• Engenharia automotiva: Controles de emissão de poluentes, Airbags, Velocidade do Veículo;
• Telecomunicações: Um Smartphone, nos dias atuais, possui cerca de dez tipos diferentes de sensores, incluindo acelerômetros, giroscópios, GPS, sensores de luminosidade, microfones, e outros;
• Segurança: Sensores de presença, aproximação, detecção de intrusos, detecção de violação de ambientes;
• Transportes: Sensores de Altitude em Aviões, Velocidade, Posicionamento e Alinhamento;
• Automação Residencial: Sensores de Presença, Iluminação, Controle de Fluxo de Água, Economia de Energia Elétrica, Abertura e Fechamento de Portas;

E muitas outras. Novas aplicações continuam a surgir constantemente, incluindo sistemas sensorizados para projetos de Internet das Coisas (IoT), Smart Cities (Cidades Inteligentes), Automação Industrial, Gerenciamento de Resíduos e Controle de Tráfego, por exemplo.

Limitações dos Sensores

Existem algumas limitações técnicas que podem dificultar as medidas realizadas com um sensor. Entre elas podemos citar as seguintes:

• Resistência dos fios: Os fios elétricos que conectam um sensor a um circuito possuem resistência elétrica, a qual pode interferir no valor obtido na saída de um sensor, principalmente sensores resistivos, adicionando erros à medida realizada.
• Capacitância residual: Os fios também podem introduzir capacitância no circuito, interferindo no valor de sinal obtido em alguns tipos de sensores. A simples movimentação do sensor pode fazer com que a capacitância residual dos fios se altere, confundindo as medidas obtidas, e muitas vezes basta uma pressão acústica sobre o sensor para que este efeito seja notado. Diminuir a distância entre o sensor e o circuito que recebe seu sinal é uma forma de minimizar esse problema.
• Impedância de saída: O sensor possui uma resistência característica que introduz um limite inferior ao valor de uma resistência que pode ser conectada entre seus terminais de saída (sua carga), sem alterar o valor de sua tensão de saída (valor medido). Exemplo: suponha um sensor de temperatura cuja resistência é de 10kΩ, conectado a uma carga de 1MΩ. Neste caso,a  impedância de saída do circuito será de aproximadamente 10kΩ, portanto basicamente a mesma resistência do sensor – o valor medido não é alterado. Agora, imagine que esse mesmo sensor seja conectado a uma carga cuja resistência seja de 1kΩ. Agora, a tensão de saída será reduzida em cerca de 90%, pois a carga de 1kΩ é muito menor do que a carga de 1MΩ, diminuindo drasticamente a tensão no divisor formado entre sensor e carga. Por isso é importante balancear com cuidado o valor de resistência de uma carga conectada ao sensor, para que os valores mensurados não sejam alterados.

Tipos de Sensores

Existem inúmeros tipos de sensores disponíveis atualmente, que permitem medições das mais variadas grandezas físicas. E esta é uma das formas mais tradicionais de classificá-los – de acordo com a propriedade física que o sensor é projetado para medir. A tabela a seguir mostra alguns dos tipos de sensores mais comuns com exemplos de dispositivos:

Categoria do Sensor	Finalidade	Exemplos de Dispositivos
Temperatura	Detectam a quantidade de calor em meios distintos, usando diversas técnicas.	Termoacoplador Termistores NTC / PTC Termômetro Infravermelho
Luminosidade / Ópticos	Detectam a presença ou variação da quantidade de luz que incide sobre o sensor.	LDR Fotodiodos Fototransistores Células Solares LTV (Light-to-Voltage) Encoder Óptico
Pressão	Detectam uma força aplicada sobre o dispositivo.	Sensor Piezoresistivo Transdutor Capacitivo Potenciômetro de Pressão
Aceleração	Detectam mudanças no movimento físico do sensor	Acelerômetro Inclinômetro Giroscópio Sensor de Vibração Sensor de Tilt
Distância / Proximidade	Detectam e respondem a movimento que ocorre fora do dispositivo, mas dentro de uma área de alcance.	Ultrassônico Óptico Reflexivo PIR (Passive Infrared) Proximidade Indutivo ou Capacitivo Reed Switch
Sonoro	Detectam e medem a presença de sons nas faixas audível ou inaudível.	Microfone de Áudio
Substâncias (Meio)	Detectam e respondem à presença de uma substância física no sensor	Gás (Hidrogênio, Oxigênio, Butano, Álcool, etc). Fumaça Poeira Umidade Nível de Água
Imagem / Câmera	Detectam uma imagem e a transformam em um sinal digital (ou analógico)	CCD Sensor CMOS
Magnético	Detectam e respondem quando na presença de um campo magnético	Efeito Hall Sensor Reed Chaves Magnéticas
Outros	Existem sensores para detecção de praticamente toda grandeza física, alguns com mais de uma função.	Sensor de Corrente Contínua Sensor de Tensão Tubo Geiger-Müller GPS

E muitos outros. Dentro de cada categoria de sensor listada, mais de uma tecnologia de fabricação e operação pode ser utilizada. Por exemplo, um sensor de temperatura pode ser fabricado usando-se tecnologia de termoacopladores ou de termistores, ou seja, usando semicondutores ou materiais resistivos. O mesmo acontece com um sensor de luminosidade, que pode ser um Fotodiodo (semicondutor) ou um LDR (resistor).

A figura a seguir mostra alguns tipos de sensores comuns:

 

O site da Wikipedia em inglês traz uma lista (incompleta!) com centenas de tipos de sensores, categorizados.

Nos próximos tutoriais vamos explorar diversos tipos de sensores de forma mais aprofundada, estudando suas tecnologias, aplicações e limitações.

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