Sensores Magnetostrictivos– Aspectos construtivos e de eletrônica embarcada

eletrônica embarcada
Este post faz parte da série Sensores magnetostrictivos. Leia também os outros posts da série:

Introdução

No artigo anterior, foram apresentados os princípios físicos desse tipo de sensor e alguns detalhes de como esses princípios podem ser aplicados. No final do artigo pode ser vista uma animação, que mostra como que uma integração engenhosa desses princípios físicos se transforma num sensor magnetostrictivo. A finalidade desse sensor é a de realizar medições de grandes deslocamentos lineares com precisão e indiretamente de volumes de líquidos em tanques.

A melhor maneira para se conhecer e entender um determinado equipamento é ter algum à disposição e poder desmontá-lo inteirinho para estudar as suas partes (Lembra quando você era criança e desmontava os seus brinquedos?). Mas nem sempre isso é possível. Porém, há maneiras alternativas para se conhecer e entender o funcionamento e os detalhes construtivos de qualquer equipamento, especialmente quando a tecnologia já está madura. A alternativa mais eficiente nesse caso é a pesquisa das patentes desse equipamento. Esse assunto já foi abordado no artigo técnico Projetos de Desenvolvimento: antes de começar (Parte II) do blog do Engº Puhlmann, e no artigo Uso de busca de patentes como apoio à revisão bibliográfica publicado aqui no Embarcados. Aqui vamos nos aprofundar um pouco nesse assunto e mostrar a sua utilidade. A tecnologia do sensor magnetostrictivo pode ser considerada madura. Se pesquisarmos as patentes de sensores desse tipo no escritório americano de patentes, o USPTO, utilizando as palavras chave magnetostrictive and sensor para uma busca simples no banco de patentes desse escritório, serão apresentadas mais de 3.800 ocorrências, sendo que nessa pesquisa, a primeira, que poderia ser relacionada ao sensor que estamos analisando, data de 1972. É evidente que muitos desses resultados são referentes a outras invenções. Pode-se refinar a busca acrescentando o nome de algum fabricante conhecido, tais como Patriot, Magnetek, MTS, etc. Na Figura 1 são apresentadas algumas patentes como resultado da nossa busca. Esse serviço de busca de patentes limita-se às patentes americanas. (Para visualizar a pesquisa original completa, “clique” na figura).

Pesquisa na base de patentes do USPTO
Figura 1: Alguns resultados em resposta à busca de patentes – USPTO

A mesma busca de patentes pode ser realizada no escritório europeu de patentes, o EPO, utilizando-se um serviço denominado ESPACENET. O escritório europeu mantém as informações de patentes de vários países, inclusive patentes brasileiras e asiáticas. Se realizarmos a pesquisa com as mesmas palavras chave que utilizamos no USPTO, encontraremos mais de 1.600 patentes como resultado dessa busca. Na Figura 2 são apresentados alguns desses resultados. (Para visualizar a pesquisa original completa, “clique” na figura).

Resultados encontrados no ESPACENET para a busca de patentes
 Figura 2: Alguns resultados em resposta à busca de patentes – Espacenet

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É interessante você explorar algumas dessas patentes para ganhar a percepção do quanto de informação que se pode extrair desse tipo de documento. Para se ter uma primeira impressão sobre a patente é interessante inicialmente explorar as figuras, e se a patente for de interesse, ler os detalhes no texto. A seguir vamos mostrar alguns aspectos construtivos e da eletrônica embarcada do sensor utilizando-se desse recurso.

Aspectos construtivos do sensor magnetostrictivo

É comum encontrar nas patentes, especialmente nas mais antigas, desenhos bastante detalhados que apresentam o equipamento e suas partes de forma a ilustrar o que está sendo protegido pela patente. Assim, para se conhecer os detalhes de algum equipamento e as diversas soluções distintas para o mesmo, pode-se utilizar a pesquisa das patentes. Ela nos permite estabelecer o estado da arte desse equipamento. A seguir serão mostradas algumas figuras encontradas em patentes com os detalhes construtivos de alguns modelos de sensores magnetostrictivos. A Figura 3 mostra uma solução construtiva patenteada pela MTS. (“Clique” na figura para visualizar a patente completa).

Sensor
Figura 3: Detalhes de um sensor magnetostrictivo – MTS

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Outra solução pode ser vista na Figura 4, desenvolvida pela Patriot, com detalhes construtivos bem distintos do sensor da Figura 3, porém as partes essenciais são muito parecidas. (“Clique” na figura para visualizar a patente completa).

sensor 2
 Figura 4: Detalhes de um sensor magnetostrictivo – Patriot

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Se você ficou curioso e que ver mais algumas soluções, pode explorar as patentes selecionadas a seguir. É uma experiência muito interessante e reveladora.

Descrição da eletrônica embarcada no sensor magnetostrictivo

Quando se analisa os princípios físicos dos sensores e as diversas formas construtivas, percebe-se que é possível elaborar um diagrama em blocos genérico para essa eletrônica embarcada, de forma que cada função possa ser detalhada de acordo com a solução construtiva definida para o sensor. A eletrônica embarcada, quando vista em blocos, é na realidade bastante simples. É constituída pelas seguintes funções:

  • interface capaz de aplicar pulsos de corrente ao elemento sensor;
  • interface que capta e amplifica a resposta do elemento sensor ao pulso de corrente;
  • interface de comunicação;
  • fonte;
  • CPU, FPGA, DSP ou uma mistura desses recursos para compor o sistema eletrônico de processamento e comandar a geração dos impulsos, capturar as respostas, calcular as medidas e transmiti-las para um sistema computacional, que eventualmente administra um conjunto de sensores.

Pode-se observar a eletrônica embarcada, retratada em blocos na Figura 5.

Diagrama em blocos
 Figura 5: Representação em blocos da eletrônica embarcada

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A eletrônica desenhada na Figura 5, em geral, fica abrigada na cabeça do sensor. Sua aparente simplicidade pode nos induzir a concluir de que um sensor magnetostrictivo é um projeto eletrônico e mecânico trivial. Mas na realidade um sensor magnetostrictivo apresenta inúmeras particularidades com relação aos materiais utilizados, dimensões de peças e componentes, detalhes construtivos mecânicos, especificações de componentes eletrônicos, entre outros, que precisam ser muito bem conhecidos e casados de forma que se consiga a operação do sensor com a precisão desejada. Uma precisão considerada normal para um sensor desse tipo é da ordem de alguns mícrons, em sensores que tenham mais de 3 metros de comprimento.

Quando se trata de eletrônica embarcada, também pode-se utilizar os recursos de pesquisa de patentes para pesquisar algumas soluções técnicas reais. Na Figura 6 se pode observar uma parte de um circuito eletrônico utilizado num sensor fabricado pela MTS (patente de 1991). Note que esse circuito é quase todo implementado com componentes discretos e apenas alguns poucos circuitos integrados. (“Clique” na figura para visualizar a patente completa).

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sensor 3
 Figura 6: Esquema Elétrico de um sensor magnetostrictivo – MTS

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Na Figura 7, pode-se observar outra solução, mais moderna, que utiliza um microcontrolador para a implementação da eletrônica embarcada de um sensor da MTS (patente de 2002). (“Clique” na figura para visualizar a patente completa).

Sensor 4
 Figura 7: Esquema elétrico em blocos de um sensor – MTS

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Em cada solução eletrônica destacada nas patentes é buscada a melhoria do desempenho do sensor com relação a alguns aspectos relevantes, tais como estabilidade com relação à variação de temperatura, precisão ou redução de ruídos. Entender como os sensores foram projetados, nos dá uma boa visão de como poderemos projetar um sensor semelhante na hipótese de um desenvolvimento de um sensor desse tipo.

Como informação adicional, na Figura 8, pode-se observar na tela de um osciloscópio digital, um exemplo de como um sensor magnetostrictivo típico funciona. No traço superior, em amarelo, pode-se observar um pulso estreito, referente à aplicação de um pulso de corrente sobre o fio de material magnetostrictivo. No traço inferior, em verde, pode-se observar a resposta a esse estímulo: um transitório no instante da aplicação do impulso de corrente e um impulso solitário, que chega após algum tempo, referente à detecção da torção provocada por um imã, que marca a posição linear no sensor.

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Formas de Onde
 Figura 8: Visualização do funcionamento de um sensor magnetostrictivo

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Nesse artigo técnico foram explorados aspectos construtivos e alguns exemplos da eletrônica embarcada utilizada em sensores magnetostrictivos. Foi utilizada a pesquisa de patentes como uma ferramenta para que se pudesse aprender e entender em maior profundidade os aspectos técnicos do sensor.  Esse recurso pode e deve ser utilizado em todo projeto de desenvolvimento, seja como fonte de informação, seja como referência para que se saiba o que da tecnologia é de domínio público e pode ser utilizado e o que está protegido, sempre levando em consideração as leis de patentes locais vigentes.

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Sou paulistano, 60 anos, formado em Engenharia Eletrônica pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (formado em 1982) e trabalho há pelo menos 33 anos no Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A - IPT com Pesquisa e Desenvolvimento, principalmente pesquisa aplicada e desenvolvimento tecnológico de protótipos e produtos eletrônicos dedicados.

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11/06/2014 09:21

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