O que é condicionamento de sinal?

Muitas aplicações necessitam de medições em ambientes ou estruturas, como temperatura e vibração, realizadas a partir de sensores. Esses sensores, por sua vez, necessitam de condicionamento de sinal para que o dispositivo de aquisição de dados efetue a medição de forma eficaz e exata. As principais tecnologias de condicionamento de sinal fornecem melhorias distintas tanto no que diz respeito ao desempenho quanto à exatidão de sistemas de aquisição de dados.

Figura 1. Condicionamento de sinal fornece medições de sensores mais exatas

 

Amplificação

Os amplificadores aumentam o nível de tensão para ampliar à faixa que o conversor analógico para digital (ADC) atua, aumentando assim a resolução e sensibilidade da medição. Além disso, a utilização de condicionadores de sinal externos localizados perto da fonte do sinal, ou transdutor, melhora a relação sinal-ruído, pois amplia o nível de tensão antes de ser afetado pelo ruído ambiental.

Atenuação

A atenuação, o oposto de amplificação, é necessária quando as tensões a serem digitalizadas estão além da faixa do ADC. Essa forma de condicionamento diminui a amplitude do sinal de entrada, de forma que o sinal condicionado fique dentro da faixa do ADC. A atenuação é tipicamente necessária na medição de tensões superiores a 10 V.

Isolação

Os dispositivos com isolação passam o sinal da fonte para o dispositivo de medição sem uma conexão física, sendo usadas técnicas como, por exemplo: por meio de transformadores e acopladores capacitivos ou ópticos. Além de evitar loops de terra, a isolação bloqueia surtos de alta tensão e rejeita tensão de elevada em geral, protegendo assim os operadores e o caro equipamento de medição.

Filtragem

Os filtros rejeitam ruídos indesejados dentro de uma determinada faixa de frequência. Normalmente, filtros passa-baixa são usados para bloquear ruídos de alta frequência em medições elétricas, como uma tensão com frequência de 60 Hz. Outro uso comum dos filtros é para prevenir aliasing de sinais de alta frequência. Isso pode ser feito usando um filtro anti-aliasing para atenuar os sinais acima da frequência de Nyquist.

Excitação

A excitação é necessária para muitos tipos de transdutores. Por exemplo, strain gages, acelerômetros, termistores e medidores de temperatura por resistência (RTDs) necessitam da excitação de tensão ou corrente externa. Medições de RTD e termistor são normalmente feitas com uma fonte de corrente que converte a variação na resistência em uma tensão mensurável. Acelerômetros normalmente possuem um amplificador integrado, na qual requer uma corrente de excitação fornecida pelo dispositivo de medição. Strain gages, que são dispositivos de resistência muito baixa, são usados tipicamente em uma configuração de ponte de Wheatstone com uma fonte de tensão de excitação.

Linearização

A linearização é necessária quando os sensores produzem sinais de tensão que não estão linearmente relacionados com a medição física. A linearização é o processo de interpretar o sinal medido pelo sensor, podendo ser feita tanto por condicionamento de sinal quanto por software. O Termopar é um exemplo clássico de um sensor que requer linearização.

Compensação de junção fria

A compensação de junção fria (CJC) é uma tecnologia necessária para medições precisas com termopar. Os termopares medem a temperatura por meio da diferença de tensão entre dois metais com características diferentes. Baseado nesse conceito, outra tensão é gerada na conexão entre o termopar e o terminal do seu dispositivo de aquisição de dados. A CJC melhora a exatidão da sua medição fornecendo a temperatura nessa junção e aplicando a correção apropriada.

Configuração de ponte

A configuração da ponte é necessária para definir os demais elementos dos sensores de quarto e meia ponte, compreendendo então uma ponte de Wheatstone de quatro resistores. Condicionadores de sinal de strain gage normalmente fornecem redes de elementos para definição de meia-ponte, consistindo em resistores de referência de alta precisão. Esses resistores fornecem uma referência fixa para detecção de pequenas variações de tensão no(s) resistor(es) ativo(s).

A Tabela 1 fornece um resumo do condicionamento de sinal comum para diferentes tipos de sensores e medições.

  Amplificação Atenuação Isolação Filtragem Excitação Linearização CJC Completação de ponte
Termopar      
Termistor      
RTD      
Strain Gage    
Carga, pressão e torque (mV/V)      
Carga, pressão e torque (±5 V, ±10 V, 4-20 mA)      
Acelerômetro      
Microfone        
Proxímetro        
LVDT/RVDT      
Alta tensão            

Tabela 1. Condicionamento de sinal é recomendado para medições de sensores.

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