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Capítulo 1
Introdução Julio Cezar Adamowski Laboratório de Sensores e Atuadores Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos. Escola Politécnica da USP Rua Prof. Mello Moraes, 2231, Cidade Universitária – SP
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1.1 INTRODUÇÃO O grau de desenvolvimento de uma sociedade industrializada pode ser avaliado pelo uso que esta faz de instrumentos de medição, definidos como dispositivos para detectar, medir, registrar ou controlar a variação de parâmetros em um processo. Nos laboratórios e fábricas em todo o mundo, a demanda para este tipo de equipamento é cada vez maior, para que a fabricação e a qualidade de um produto possa ser adequadamente monitorada. Acompanhando o avanço acelerado dos sistemas computacionais, os sensores têm se tornado cada vez mais sofisticados para atender as necessidades de interação desses sistemas com o meio ambiente. Esses sensores incorporam circuitos eletrônicos integrados que os tornam insensíveis às variações indesejáveis do ambiente e de fácil conexão nas aplicações. Além disso, tem havido uma corrida para o desenvolvimento de novos materiais, visando aumento de sensibilidade, resposta em freqüência adequada, estabilidade ao longo do tempo, entre outras características. O desenvolvimento de novos sensores e a aplicação adequada dos sensores já existentes requerem um profundo conhecimento dos fundamentos teóricos e dos princípios de funcionamento envolvidos. Considerando a importância da automação industrial no país, foi criada a rede de Automação Industrial no lançamento do programa de redes cooperativas de engenharia (RECOPE), em meados de 1996, visando colocar em contacto profissionais das universidades, centros de pesquisa e da indústria. A automação industrial apresenta diferentes níveis indo desde sensores e atuadores até sistemas de gerenciamento. O nível de sensores e atuadores exige um elevado grau de compreensão do fenômeno físico envolvido e o nível de gerenciamento um elevado grau de abstração. Considerando esse amplo espectro, foi natural a reorganização da Rede de Automação Industrial entre grupos de pesquisa com trabalhos mais afins, dando origem à Rede de Sensores, constituída por 12 grupos de pesquisa das seguintes instituições: •
Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da Escola Politécnica da USP (EPUSP-PMR);
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Laboratório de Microeletrônica da Escola Politécnica da USP (EPUSP-LME);
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Faculdade de Engenharia Elétrica da UNICAMP (UNICAMP-FEE/DEB);
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Instituto de Física da UNICAMP (UNICAMP-IF);
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Departamentos de Engenharia Elétrica e de Física da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE-DF/DEE);
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Laboratório de Sistemas Integráveis da Escola Politécnica da USP (EPUSPLSI);
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Departamentos de Engenharia Elétrica e Mecânica da Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo (EESC-DEM/DEE);
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Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IFUSP)
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Departamentos de Física e da Universidade Federal de São Carlos (UFSCarDF);
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COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro (COPPE-PEMM);
Em linhas gerais, os grupos de pesquisa participantes da Rede de Sensores exploraram os seguintes aspectos de sensores: caracterização de materiais; processos de fabricação; modelagem e simulação; verificação e calibração; aplicação e integração. Grande parte das pesquisas desenvolvidas por esses grupos está relacionada a sensores piezoelétricos, ópticos e sensores de gases. Por esse motivo, neste livro estão destacados desde os princípios básicos dos materiais piezoelétricos até a vasta aplicação destes como sensores. O mesmo se aplicada à óptica, aqui são apresentados os fundamentos da óptica e uma gama de sensores ópticos desde os mais tradicionais, como os holográficos, até os de óptica integrada. Um dos capítulos trata de sensores de gases baseados em técnicas de micro-eletrônica. Os sensores ópticos têm se beneficiado das técnicas de eletrônica e da física do estado sólido permitindo o desenvolvimento de dispositivos de óptica integrada, os quais são sensores sofisticados, como por exemplo, os utilizados em giroscópios ópticos, sensores de posição etc. Além dos sensores ópticos, houve também um grande avanço das fontes luminosas de estado sólido que teve como precursor o LED e atualmente está na fase do diodo laser. As cerâmicas piezoelétricas surgiram na década de cinqüenta visando aplicações em sonares e atualmente ocupam um grande espaço na fabricação de sensores. Um dos grandes
avanços na aplicação de cerâmicas piezoelétricas está na área de diagnóstico médico por ultra-som. Além disso, os sensores piezoelétricos também são muito aplicados a ensaios de falhas em estruturas, medição de densidade e viscosidade de líquidos, medição de vazão de fluidos etc. Os sensores de gases tiveram um grande avanço com o desenvolvimento das técnicas de micro-eletrônica. Nos diversos encontros dos grupos, desde a formação da Rede de Sensores, foram ministrados mini-cursos sobre tópicos das especialidades dos grupos. Parte do material didático desenvolvido foi formatado em sete capítulos, numerados de 2 ao 8 no volume 1 desse livro, intitulado “Sensores - Tecnologias e Aplicações”. Estes capítulos estão listados abaixo, nos quais há um “link” que permite o acesso direto a cada capítulo.
Capítulo 2 - Materiais piezoelétricos Capítulo 3 - Transdutores de ultra-som: modelagem, construção e caracterização Capítulo 4 - Técnicas de caracterização de líquidos por ultra-som Capítulo 5 - Sensores a Ondas Acústicas de Superfície Capítulo 6 - Sensores de gás Capítulo 7 - Sensores ópticos integrados e em fibra Capítulo 8 - Holografia: Princípio e Aplicações
Os assuntos abordados neste livro abrangem parte das tecnologias de sensores e destinam-se a pesquisadores, alunos de pós-graduação e outros profissionais da área. A elaboração desse CD só foi possível com o apoio da FINEP, através do programa RECOPE, e o esforço dos participantes da Rede de Sensores.
