Sensor de Vibração com Fibra óptica (ART2881)

Descrevemos um projeto muito sensível de um sensor que pode ser usado para detectar vibrações anormais de máquinas ou peças em máquinas industriais ou ainda como alarme de uso geral detectando movimento abruptos. O diferente neste projeto é o sistema sensor que faz uso de um pedaço de fibra óptica o que o forna muito sensível. Além das finalidades práticas pela sua eficiência e simplicidade o circuito também possui aplicações didáticas podendo ser usado em cursos de eletrônica, mecatrônica e telecomunicações para servir de exemplo de aplicações e funcionamento das fibras ópticas e também como shield sensor.

Pedaços pequenos de fibras ópticas podem ser obtidos com alguma facilidade de diversas fontes como por exemplo, como amostras de fabricantes, em abajurs decorativos e outros locais (numa das feiras de eletrônica em São Paulo, um fabricante de fibras ópticas distribuiu uma enorme quantidade de pedacinhos de fibras ópticas aos visitantes e que poderiam ser usados nesta montagem).

Se o leitor dispuser de um pequeno pedaço de fibra óptica comum a montagem deste aparelho não oferecerá maiores dificuldades. Se o leitor trabalha com comunicações certamente obter um pedaço de fibra óptica de alguns centímetros não vai ser um obstáculo para a realização deste projeto.

A ideia básica do projeto é focalizar de modo crítico um feixe de luz por uma fibra óptica de modo que ele incida num foto-sensor.

Como a fibra fica suspensa presa somente por uma das extremidades, qualquer balanço a tira de posição fazendo com que o sensor deixe de receber a luz e assim disparando um circuito temporizado. Na figura 1 damos uma idéia de como isso pode ser feito.

 

Como o emissor (fibra e LED) e o receptor podem ficar longe do circuito de disparo, o sensor ou alarme pode ser utilizado em muitas aplicações práticas que envolvam a proteção de objetos e locais ou monitoração do funcionamento de equipamentos industriais e outros.

Evidentemente, com finalidade demonstrativa todos os elementos podem ser montados no mesmo local e em lugar do relé pode-se utiliza um pequeno buzzer ou oscilador de áudio como saída.

Na figura 2 mostramos como isso pode ser feito.

 

O tom do oscilador dado como exemplo é ajustado por um trimpot.

COMO FUNCIONA

O LED1 é a fonte de luz que está acoplada a um pequeno pedaço de fibra óptica. A fibra óptica é encaixada num pequeno furo feito no invólucro de plástico do próprio LED e presa com uma gota de cola forte de modo que a radiação luminosa apareçae na sua outra extremidade.

Posicionada de modo que a extremidade livre fique alinhada com um foto-transistor, a fibra mantém este sensor iluminado e portanto em condução.

A corrente de emissor do foto-transistor é aplicada à base de um segundo transistor (Q1) de modo a mantê-lo em condução e com isso o pino 2 do circuito integrado 555 no nível alto.

Nestas condições, o circuito integrado, que está configurado como um multivibrador monoestável se mantém desativado.

Quando uma pequena vibração faz com que a fibra óptica oscile, o foco de luz deixa de incidir no sensor e com isso o foto-transistor vai ao corte.

O resultado é que Q1 tem sua corrente de emissor reduzida a ponto de levar o pino 2 do circuito integrado ao nível baixo, pois a tensão cai e com isso ocorre seu disparo.

Com o disparo, a saída do circuito integrado 555 vai ao nível alto por um intervalo de tempo que depende tanto do ajuste de P1 assim como do valor do capacitor C1.

Com os valores dos componentes indicados, este tempo pode chegar até a uns dois minutos. No entanto, se o leitor quiser intervalos de disparo maiores pode aumentar o capacitor C1. O valor máximo recomendado deste capacitor está em torno de 1 500 µF, pois valores maiores apresentam fugas que podem instabilizar o funcionamento do circuito.

Na saída do 555 temos um transistor que, quando em condução, excita a bobina de um pequeno relé. Este relé, dependendo das características de seus contatos, pode disparar sistemas de aviso de grandes potências.

O circuito é alimentado por uma tensão de 6 V que pode ser foenecida por fonte ou bateria (pilhas).

Como esta bateria deve manter o LED aceso, o que significa uma corrente entre 20 e 50 mA, conforme o valor de R4 e a sensibilidade do sensor, nas aplicações em que o sistema deva ficar muito tempo ligado não se recomenda o uso de pilhas mas sim de fonte.

Esta fonte deve ter uma tensão de acordo com o relé usado e uma corrente na faixa de 200 a 500 mA. Recomenda-se o uso de fonte estabilizada.

No entanto, em demonstrações, quando o circuito fica ligado por pouco tempo, podem ser usadas pilhas pequenas ou médias.

MONTAGEM

Na figura 3 temos o diagrama completo do alarme.

 

A disposição dos componentes numa placa de circuito impresso é mostrada na figura 4.

 

Os resistores são todos de 1/8 W ou maiores e os capacitores devem ter tensões de trabalho mínimas de 6 V. O trimpot pode ser substituído por um potenciômetro na montagem experimental, de modo a se conseguir a variação do tempo de disparo.

O resistor R3 pode ser alterado na faixa de 10k Ω a 100 k Ω para se obter maior sensibilidade caso haja dificuldades de focalização da fibra no foto-transistor.

Qualquer foto-transistor pode ser usado, inclusive os tipos Darlington que proporcionarão maior sensibilidade.

O relé pode ser de qualquer tipo de baixo custo com tensão de bobina de 6 ou 12 V e corrente de no máximo 50 mA, e se a base tiver formato diferente do original, alterações no desenho da placa de circuito impresso devem ser feitas.

O ponto crítico da montagem é o sensor.

No LED vermelho redondo comum o leitor deve fazer com muito cuidado um furinho com uma broca de 1 mm de espessura. Este furo deve penetrar apenas o suficiente para permitir o encaixe da fibra, não podendo de modo algum atingir a pastilha semicondutora emissora, conforme mostra a figura 5. Se isso acontecer o LED será danificado não mais funcionando.

 

Encaixada a fibra ela pode ser mantida em posição com uma gota de alguma cola forte (Super Bonder, por exemplo).

Depois de feito o acoplamento do LED à fibra será interessante alimentar o LED com 6 V e um resistor de 470 Ω em série e verificar se a luz emitida aparece na extremidade da fibra. Veja que R1 em série com o LED deve ser de 470 Ω se a alimentação for feita com 6 V e 1 k Ω se a alimentação for feita com 12 V.

Tanto o LED como o Foto-Transistor são mantidos numa plaquinha de circuito impresso. O LED deve ser posicionado de modo que a fibra fique com a sua outra extremidade alinhada com o foto-transistor como mostra a própria figura 5.

Será interessante montar este sistema protegido da luz ambiente para que se evite que ela incida no foto-sensor e com isso provoque uma perda de sensibilidade do circuito.

PROVA E USO

Para provar basta ligar o circuito e colocar inicialmente o trimpot P1 na posição de menor resistência. A fibra deve estar alinhada com o foto-sensor.

Pode ocorrer o disparo do relé no momento em que a alimentação é estabelecida, mas alguns segundos depois, incidindo luz no foto-sensor, o relé deve desativar.

Mexendo de leve na fibra ou balançando o sensor, o circuito deve disparar.

Se isso não ocorrer, altere o valor de R3. Se quiser pode utilizar um trimpot de 1 M ohm em lugar deste componente para obter um ajuste de sensibilidade.

Comprovado o funcionamento é só fazer a instalação definitiva do sensor no local em que se deseja detetar qualquer balanço.

Se o sensor tiver a parte da fibra desprotegida ele torna-se sensível também à pequenas correntes de ar e o sistema pode servir para detectar "vento".

Para uso em máquinas industriais basta montar o sensor no local em que se deseja detectar a vibração.

O comprimento da fibra determina a amplitude das vibrações que podem ser detectadas. Dependendo da aplicação a fibra pode ter seu comprimento alterado. Será conveniente fazer experiências no sentido de se obter o comprimento ideal para a aplicação visada.

Outra possibilidade interessante de uso consiste em se ligar dois foto-transistores em série de modo a obtermos uma Porta E óptica. Com duas fibras acopladas a estes foto-transistores teremos o acionamento do sistema somente quando vibrações em dois lugares ou em dois modos forem detectadas.

Se um dos sensores estiver em posição vertical e outro horizontal, por exemplo, teremos uma configuração que so detecta vibrações combinadas.