O que são sensores magnetostrictivos?

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

Introdução

Sensores que utilizam o efeito magnetostrictivo são equipamentos desenvolvidos para a medição de deslocamentos lineares. Esses sensores são largamente utilizados para a medição de líquidos, como por exemplo, em tanques de combustíveis. Essa tecnologia também tem encontrado aplicações na indústria automotiva, na medição em tempo real do deslocamento de amortecedores. Esses sensores são constituídos por um tubo, em geral metálico, e um ou mais anéis magnéticos que se deslocam ao longo desse tubo para marcar suas posições.

Algumas vantagens desses sensores em comparação com sensores de outros tipos são: baixo custo, simplicidade, de fácil construção, robustez, não há contato entre o imã e o elemento sensor evitando-se assim o desgaste mecânico, grande precisão nas medidas e construção física favorável para a sua utilização em ambientes potencialmente explosivos. Na Figura 1 encontram-se retratados dois desses sensores.

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 Figura 1: Exemplo de sensores magnetostrictivos comerciais (Franklin Fuel e Ametek)

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A aplicação típica para esses sensores é a medição de volumes de líquidos em tanques. O sensor magnetostrictivo mede a distância entre um imã embutido numa bóia e a cabeça do sensor, e transmite essa medida para um sistema computacional remoto. Nesse sistema computacional, a medida é utilizada como parâmetro num modelo matemático correspondente à geometria do tanque e a partir desse modelo é calculado o volume de líquido que se encontra nesse tanque.  Na Figura 2 pode-se observar um desenho em corte de um tanque de combustíveis com um sensor instalado.

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Figura 2: Vista em corte de um tanque mostrando a utilização de um sensor (2.)
Figura 2: Vista em corte de um tanque mostrando a utilização de um sensor (2.)

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Descrição dos fenômenos físicos envolvidos

Para uma melhor compreensão do funcionamento de um sensor magnetostrictivo, é necessário descrever um pouco os fenômenos físicos envolvidos nessa tecnologia (1.).

O fenômeno magnetoelástico, que chamamos de magnetostricção, foi descoberto por Joule há mais de 150 anos e descreve genericamente a mudança nas dimensões dos materiais ferromagnéticos, tais como ferro, níquel, cobalto e suas ligas, quando sujeitos a campos magnéticos externos. Os materiais ferromagnéticos, quando submetidos a um campo magnético, sofrem uma distorção microscópica na sua estrutura molecular, o que causa a variação de suas dimensões. Esse fenômeno físico é devido a um número muito alto de minúsculos imãs elementares, que formam o material ferromagnético. Essas partículas demonstram a tendência de arranjo em paralelo dentro de um campo limitado (Campo de Weiβ), mesmo não sendo influenciadas por um campo magnético externo. Dentro do campo de Weiβ, todos os imãs elementares estão orientados numa única direção.

Devido à distribuição aleatória dos campos de Weiβ, a aparência externa do corpo ferromagnético, em primeira instância, não indica nenhuma propriedade magnética. Porém, quando submetido a um campo magnético externo, essas áreas se orientam na direção desse campo magnético como um todo e ficam orientados em paralelo uns em relação aos outros. O campo magnético assim produzido pode ser de centenas a milhares de vezes mais forte do que o campo magnético externo.

Quando se introduz uma barra de material ferromagnético em um campo magnético orientado em paralelo com a direção longitudinal da barra, ocorrerá uma alteração no comprimento linear físico da barra. O aumento relativo do comprimento dessa barra, que pode ser provocado pelo efeito magnetostrictivo (Efeito Joule), é muito pequeno, da ordem de 10-6 (Figura 3).

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Figura 3: A variação do comprimento (∆L) é devido à orientação dos campos de Weiβ, sob influência de um ímã externo paralelo (1.).
Figura 3: A variação do comprimento (∆L) é devido à orientação dos campos de Weiβ, sob influência de um ímã externo paralelo (1.)

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O efeito magnetostrictivo, visto como uma interação entre parâmetros magnéticos e mecânicos dos materiais ferromagnéticos, pode ser otimizado por seleção e manuseio adequado de ligas especiais de metais e controlado precisamente por organização da influência de campos magnéticos externos. Outro efeito magnetostrictivo, cujo princípio é utilizado por sensores que utilizam essa tecnologia, é conhecido como Efeito Wiedeman, que descreve a torção mecânica de uma barra ferromagnética longa e fina submetida a um campo magnético longitudinal externo. Um fluxo de corrente elétrica na barra produz um campo magnético concêntrico. Nos sensores, o campo magnético longitudinal é produzido parcialmente por um imã de posição no elemento sensor em formato de barra. Com o fluxo de corrente elétrica, o elemento sensor sofre uma torção parcial (Figura 4).

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Figura 4: O efeito Wiedeman causa torção mecânica de uma barra ferromagnética, na qual flui uma corrente elétrica (1.)

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Adicionalmente, utiliza-se também outro efeito magnetoelástico (Efeito Villary) para realizar a medida nesse tipo de sensor.  Esse efeito relaciona a alteração das propriedades magnéticas longitudinais, por exemplo, a alteração da permeabilidade de uma barra ferromagnética, que pode ser provocada por uma torção na direção longitudinal. Através do princípio de indução, tal alteração de permeabilidade pode ser transformada num sinal elétrico e ser disponibilizado para condicionamento eletrônico de sinal. A Figura 5 ilustra a forma como os fenômenos físicos descritos acima reunidos são usados para a implementação de um sistema de medição confiável. Um sensor magnetostrictivo é composto por cinco componentes principais:

  • elemento sensor (também chamado de guia de onda);
  • eletrônica embarcada associada ao sensor;
  •  imã permanente que determina a posição;
  •  sistema conversor de pulsos de torção;
  •  amortecimento no final do guia de onda.

O componente mais importante do sensor é o elemento sensor ferromagnético. Usualmente chama-se esse sensor de guia de onda, pois ele serve de condutor para uma onda torcional ultrassônica para o conversor de pulsos. Para que se tenha uma ideia clara sobre essa velocidade, basta citar que um pulso de torção se propaga ao longo do elemento sensor a uma velocidade típica de 2.800 m/s. Esse elemento sensor, na prática, é um fio ou arame maleável com as propriedades físicas adequadas para esse fim. Para a realização de medidas, a posição é marcada por um imã permanente móvel em torno da guia de ondas. Esse imã de posição, que está rigidamente fixado ao objeto de medida de posição, uma bóia, por exemplo, produz o campo magnético longitudinal na guia de onda. Observe que nesse sistema não há contato algum entre o imã e o elemento sensor, prevenindo assim o desgaste mecânico desses componentes ao longo da vida do sensor. Para se realizar uma medida, a eletrônica embarcada associada aplica um pulso de corrente estreito ao sensor através do guia de onda. Enquanto a corrente viaja pelo guia, ela também gera e carrega um campo magnético secundário em direção radial em torno do guia de onda (Figura 5).

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Figura 5: Princípio de funcionamento de um sensor magnetostrictivo (1.)

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Em seguida serão apresentadas algumas formas de converter os pulsos de torção em sinais elétricos. As três principais formas de fazê-lo (Figura 6):

  • detecção direta do pulso de torção no guia de onda por meio de uma bobina axial;
  • detecção mecânica do pulso de torção através de elemento sensor piezoelétrico;
  • detecção de pulso de torção e conversão através de uma fita vertical embutida numa bobina.
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Figura 6: Comparativo entre os sistemas de conversão de pulsos mecânicos em elétricos (1.)

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De forma resumida, aplicando-se os princípios físicos detalhados até aqui, o funcionamento do sensor magnetostrictivo pode ser descrito da seguinte maneira:

  • é gerado um estímulo na forma de pulso de corrente num fio esticado de material magnetostrictivo;
  • o pulso de corrente se propaga, propagando também um campo magnético radial;
  • quando o campo magnético gerado encontra o campo magnético de um imã permanente, é gerado um pulso de torção física no fio, que se propaga nas duas direções longitudinais desse fio;
  • um sensor capta essa propagação de torção e gera um sinal elétrico para o medidor;
  • é realizada a medição do tempo de propagação entre o estímulo e a captação da torção do fio para medir a distância linear do imã em relação ao sensor de torção.

Veja a seguir uma animação produzida pelo MTS Sensor Group, mostrando como que esses efeitos somados são utilizados para realizar medidas lineares de deslocamento. (Para visualizar a animação, “clicke” na figura).

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No próximo artigo, serão apresentadas algumas particularidades técnicas desse tipo de sensor.

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Bibliografia

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1.  Magnetostriction: Basic Physical Elements – MTS Sensor Group

2. UST Installation Instructions – Global Probe for TLS-50 Console – Veeder Root

Outros artigos da série

Sensores Magnetostrictivos– Aspectos construtivos e de eletrônica embarcada >>
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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 00:12

[…] artigo anterior, O que são sensores magnetostrictivos?, foram apresentados os princípios físicos desse tipo de sensor e alguns detalhes de como esses […]

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