Sensores Magnéticos

Capitulo 2

Sensores e Transdutores Magnéticos

2.1 - Considerações Iniciais

Sensores magnéticos encontram inúmeras aplicações gerais e na indústria. Fornecem as vantagens convenientes, tais como: funcionam sem contatar o objeto a ser monitorado, são simples de operar, possuem boa confiabilidade quando comparados a muitos outros sensores. A tecnologia para produzir sensores magnéticos envolve muitas áreas de conhecimento tais como a física, metalúrgica, química e a eletrônica.

Os sensores magnéticos têm seu princípio de funcionamento baseado nas propriedades magnéticas dos materiais, as quais podem ser aproveitadas de muitas maneiras. Como exemplo cita-se o fenômeno da magnetização que é o momento magnético por volume de material, que pode ser utilizado em vários sistemas de medição como sensores de força, indução, sentido de campo magnético, supercondutividade etc. Entretanto a maioria dos sensores industriais utiliza o fenômeno que relaciona magnetismo e eletricidade. Uma aplicação típica deste fenômeno é a memória dos discos rígidos dos computadores, que para leitura ou gravação não existe contato entre as cabeças e o disco magnético. Uma outra aplicação é na identificação de objetos metálicos que podem sensibilizar os sensores devido às propriedades magnéticas dos metais. Sensores magnéticos também são utilizados na área médica, em equipamentos para exames para detectarem doenças, lesões etc. Neste último caso utilizam a teoria da interferência do quantum supercondutor (Superconducting Quantum Interference Device - SQUID) e os equipamentos de imagem baseados na ressonância magnética nuclear (Nuclear Resonance Magnetic NMR).

Os elementos magnéticos na aplicação de sensores são utilizados em tamanhos e formatos diferentes como: toroides, hastes, filmes, substratos, coberturas. No projeto de elementos sensores têm-se que algumas partes ocupam posição essencialmente livre enquanto em outras tecnologias existem peças que fazem parte integral de dispositivos mais complexos. A fim obter a máxima resposta do material em sensores magnéticos, tem-se que observar a orientação relativa do fluxo, o acoplamento magnético ideal entre os elementos na entrada, a fim de que os estágios do dispositivo possam ser otimizados durante o projeto.

Muitos tipos de sensores magnéticos estão disponíveis no mercado, conforme a aplicação desejada. Podem-se ainda definir uma classificação para os elementos sensores magnéticos, como: primários ou secundários. Nos sensores primários, também conhecidos como magnetômetros, os parâmetros a serem medidos são provenientes de um campo magnético externos. Encontram grande aplicação nas áreas: em biologia, geofísica e medidas extraterrestres. Os sensores secundários transformam os parâmetros externos em outras varáveis físicas como: força, deslocamento, velocidade, corrente etc. Serão discutidos ambos os tipos de sensores de natureza indutiva que incluem uma variada gama entre os quais citam-se: correntes parasitas de Foucault (eddy current), transformadores, magnetoresistividade, efeito-Hall, metal-oxido-semicondutor (MOS), campo magnético, opto-magnético sensor, sensores a magnetotransistor e magnetodiodo, magnetômetros, supercondutores, semicondutores e filmes magnéticos.

2.2 - Sensores indutivos

Sensores magnéticos fundamentam seu funcionamento nas leis dos circuitos magnéticos. Podem ser sensores do tipo passivos ou auto excitados; os do tipo passivos necessitam de fontes de potência externas, logo a sua atuação fica restrita à modulação do sinal de excitação externo. Por outro lado os do tipo auto-excitados geram sinais elétricos baseados nos princípios da lei da indução de Faraday. Existindo movimento relativo entre um condutor no interior de um campo magnético induz-se um valor de tensão nas extremidades do condutor. Ou ainda variando-se o campo magnético sobre um condutor estacionário também se induz uma tensão no condutor, calcula-se o valor da tensão induzida pela equação (2.1).

(2.1)

Onde:

-   é o fluxo magnético em [Webber];

- N  é o número de espiras da bobina.

Na aplicação de instrumentação o campo magnético pode variar no tempo com determinada freqüência, e o condutor pode ser movimentado ao mesmo tempo. Em muitas aplicações, o movimento relativo entre o campo e o condutor é alimentado pelas variações da grandeza a ser mensurada, neste caso tem-se movimento mecânico envolvido.

A fim de entender-se os princípios operacionais básicos dos sensores indutivos, mostram-se na figura 2.1 um circuito magnético básico. O circuito apresentado é composto por um núcleo magnético confeccionado em material ferromagnético, e uma bobina de N espiras enrolada em torno da perna do núcleo. A bobina é uma fonte de força-magneto-motriz (fmm), que estabelece o fluxo através do circuito magnético, assumindo-se que o entreferro é zero, a equação do circuito magnético pode ser equacionada por (2.2).

(2.2)

Sabendo-se que a relutância () é uma grandeza que limita a circulação do fluxo magnético no circuito, de forma análoga a uma resistência em um circuito elétrico. E reescrevendo-se a equação 2.2 em termos da corrente elétrica do circuito, tem-se (2.3).

(2.3)

Figura 2.1 – Formato básico de um sensor indutivo.

A expressão (2.3) calcula também o fluxo concatenado com apenas uma espira, para N espiras o fluxo concatenado  é calculado por (2.4).

(2.4)

Analisando-se a equação (2.4) define-se a grandeza auto-indutância L de uma bobina, que é definida pela variação do fluxo pela unidade de corrente, ou seja (2.5).

(2.5)

Portanto a auto-indutância de um elemento indutivo pode ser calculada conhecendo-se as propriedades do circuito magnético, assim a relutância pode ser calculada por (2.6).

(2.6)

Onde:

- ln  é o comprimento médio do percurso do fluxo magnético em [m];

-  é a permeabilidade relativa do material magnético do