sensores e transdutores (1)
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1
Sensores e transdutoresSensores e transdutores
PMR 2470
Profs. Nunes - Marcílio - Larissa
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO – ESCOLA POLITÉCNICADepartment of Mechatronics and Mechanical Systems Engineering
Group of Solid Mechanics and Structural Impact
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2
Sensor&transdutor
CondicionamentoDe sinal
Pós-processamento
MENSURANDO
RESPOSTA
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3
TransdutorPrimário (sensor)
Transdutorsecundário
Termo-par Célula de carga
(1 estágio) (2 estágios)
Temperatura voltagemForça
deformação
voltagem
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4
Classificação de TransdutoresClassificação de Transdutores
� Mecânicos� Elétricos� Magnéticos� Ópticos� Acústicos� Químicos� Biológicos
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5
Transdutores mecânicosTransdutores mecânicos
� Mensurando é transformado (pelo sensor ou transdutor) em:
Deslocamento (medidor de torque)
Movimento (pêndulo)Pressão (tubo de Venturi)
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6
Transdutores elétricosTransdutores elétricos
Mensurando é transformado (pelo sensor ou transdutor) em:
VOLTAGEM devido à variação deResistência elétricaCapacitânciaIndutânciaCarga elétrica
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Transdutores magnéticosTransdutores magnéticos
Mensurando é transformado (pelo sensor ou transdutor) em:
campo magnético
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Transdutores ópticosTransdutores ópticos
� Mensurando é transformado (pelo sensor ou transdutor) em:
corpadrões
freqüência
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Transdutores acústicos
Mensurando é transformado (pelo sensor ou transdutor) em:
Freqüência (ressonância)Amplitude (emissão acústica)
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Transdutores químicosTransdutores químicos
Mensurando é transformado (pelo sensor ou transdutor) em:
alteração da condutividade elétrica
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Transdutores biológicosTransdutores biológicos
Mensurando é transformado (pelo sensor ou transdutor) em:
nível de atividade metabólica
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Transdutores mecânicos Transdutores mecânicos
Medidores DimensionaisDe movimento e direçãoDe pressãoDe massa e forçaDe temperatura
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Transdutores mecânicos Transdutores mecânicos dimensionaisdimensionais
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Transdutores mecânicos de Transdutores mecânicos de movimento e direçãomovimento e direção
•Velocímetro•Odômetro•Tubo de Venturi•Giroscópio
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15
Giroscópio
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Bernoulli :Bernoulli :
Daniel Bernoulli, 1700 - 1782
E=PVol + 1/2 m v 2 + mgh
Em um fluido:
P v
vP
A energia disponível em um fluido incompressível é igual à soma de sua energia cinética, “a energia de fluxo” (devido à pressão no fluido), e à energia potencial gravitacional. Na ausência de viscosidade, não há perda de energia por fricção, de modo que a energia deve ser constante ao longo do perfil hidrodinâmico.
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v
v
a
PP
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MedidorMedidor de de vazãovazão ((tubotubo de de VenturiVenturi))
ppkAQ21
22 −=
ρ
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Transdutores mecânicos de pressãoTransdutores mecânicos de pressão•Gravitacionais
•Coluna de líquido•Com pistão ou peso
=P1 = P2=F1
A1 A2
F2
P1 < P2
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•Elásticos
Transdutores mecânicos de Transdutores mecânicos de pressãopressão
•tubos•diafragmas
Figura pag 359
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Transdutores mecânicos de massaTransdutores mecânicos de massa
•Balança analítica•Balança pendular•Balança torsional(de Cavendish)
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GravitaçãoGravitação UniversalUniversal
SomenteSomente 100 100 anosanos apósapós Newton Newton terter apresentadoapresentado seusseus trabalhotrabalho, , foifoipossívelpossível verificarverificar experimentalmenteexperimentalmente queque a a gravitaçãogravitação é, é, realmenterealmente, , um um fenômenofenômeno universal. O universal. O físicofísico inglêsinglês, Henri Cavendish, , Henri Cavendish, usandousando umaumabalançabalança de de torçãotorção, , equilibriuequilibriu duasduas pequenaspequenas esferasesferas, de , de massasmassas mm11 e e mm22, , emem umauma barrabarra horizontal. horizontal. AproximandoAproximando destasdestas massasmassas duasduasesferasesferas maioresmaiores, M, M11 e Me M22, Cavendish , Cavendish verificouverificou queque a a barrabarra giravagirava, , provocandoprovocando umauma torçãotorção no no fiofio queque sustentavasustentava..
FoiFoi Cavendish, Cavendish, atravésatravés dada experiênciaexperiência nanabalançabalança de de torçãotorção queque determinoudeterminou o valor o valor 6,67 x 106,67 x 10--1111 parapara o valor o valor dada constanteconstante de de gravitaçãogravitação universal G.universal G.Observe Observe queque o valor de G é o valor de G é muitomuito pequenopequenoe e porpor issoisso a a forçaforça de de atraçãoatraçãogravitacionalgravitacional entreentre doisdois objetosobjetos comunscomunssósó podepode ser ser detectadadetectada porpor experiênciasexperiênciasmuitomuito delicadasdelicadas, , comocomo a a mencionadamencionadaacimaacima..TextoTexto extraídoextraído do do livrolivro CursoCurso de de FísicaFísica, de Beatriz , de Beatriz AlvarengaAlvarenga e e AntônioAntônioMáximoMáximo
Uma pequena curiosidade:
A experiência com a balança de torção, realizado por Henry Cavendish, é a sexta entre os 10 mais belas experiências da física, de acordo com a pesquisarealizada pela revista Physics World.
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Balança pendular
Transdutores mecânicos de massaTransdutores mecânicos de massa
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Transdutores mecânicos de forçaTransdutores mecânicos de força
•Torquímetros•Célula de carga mecânica•Célula de carga com fluido•Dinamômetros
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Célula de carga com fluidoCélula de carga com fluido
Pode medir altas cargas (20MN)Grande precisão (0,5%)
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Transdutores mecânicos de Transdutores mecânicos de temperaturatemperatura
•Termômetro de coluna•Lâmina bimetálica
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Transdutores elétricosTransdutores elétricos
•Deformação •Posição ou distância•Temperatura•Velocidade de fluido
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Transdutores elétricos com Transdutores elétricos com resistência variávelresistência variável
•Deformação (extensômetros)•Posição ou distância (resistência variável)
•Linear•Angular
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ExtensômetrosExtensômetros (strain gauges)(strain gauges)
R
R
FG
A
lR
∆=
=
..
1ε
ρ
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CélulasCélulas de de cargacarga com com extensômetrosextensômetros
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CélulaCélula de de cargacarga com com extensômetrosextensômetros
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ModelagemModelagem
o)alinhament do depende (não geométrica constante 2
onde
2
=−=
=−=
−+−=
J
rD
Ak
kFJ
FrD
A
FJ
Fbr
A
F
J
Far
A
F
τ
τ
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TransdutorTransdutor de de pressãopressão com com extensômetrosextensômetros
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MedidoresMedidores elétricoselétricos de de temperaturatemperaturaTermoparesTermopares (TC (TC -- thermocouple)thermocouple)
� Efeito de Seebeck: se dois condutores metálicos A e B (metais puros ou ligas) formam um circuito fechado e portanto duas junções AB, aparecerá uma força eletromotriz termoelétrica e uma corrente percorrerá o circuito se cada uma das junções estiver a temperaturas T1 e T2 distintas. A este conjunto de dois elementos chama-se Termopar .
� A f.e.m. termoelétrica é função do tipo de metais ou ligas metálicas A e B e das temperaturas T1 e T2
� A seleção de metais para os termopares é normalmente feita com base nas condições de aplicação. Ligas metálicas relativamente baratas (com base em Fe, Ni, Cr, etc.) podem ser usadas a temperaturas moderadas (até cerca de 1000°C), mas para temperaturas muito superiores (1500-1700°C) são necessários termopares à base de ligas ricas em platina.
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Tipos de TermoparesT, E, J, K S, R, B
Características individuais para os termopares industriais
1- Termopar tipo T – cobre (+) x constantan ( - )
Estes termopares são resistentes à corrosão em atmosferas úmidas e indicados em também para medição de temperaturas a baixo de zero. Seu limite superior é 370°C, pode ser utilizado em atmosfera oxidantes redutoras ou inertes.
2- Termopar tipo J – ferro (+) x contantan (-)
São apropriados para medição em vácuo e atmosfera, oxidantes, redutores e inertes em temperaturas que chegam até 160° C.A taxa de oxidação do ferro é alta a partir de 560°C. Não é recomendado o uso deste termopar com elementos NÚS em atmosferas acima de 540°C. Em algumas ocasiões este termopar é utilizado para medir temperaturas abaixo de zero, porém a possibilidade do aparecimento de oxidação de ferro, faz com que seja menos indicado do que o tipo T.
3- Termopar tipo K – cromel (+) x Alumel (-)
São recomendados para uso contínuo em atmosferas inertes ou oxidantes, em temperaturas até 1300°C. Podem ser utilizados para medições de até -250°C., Não podem ser utilizados no vácuo, exceto por curtos períodos pois ocorre variação do cromo, alterando a calibração do termopar.
1- Termopar tipo E- Cromel (+) x (-)
São recomendados para faixa de -200°C à 1000°C, em atmosfera inertes ou oxidantes.
2- Termopares Nobres
São os termopares de tipo S, R e B. São considerados nobres, pois são compostos de platina, cujo custo é bastante elevado.
Tipos:
S: platina-rhodium 10% (+) x platina (-)
R: platina-rhodium 13% (+) x platina (-)
São recomendados para uso contínuo em atmosferas oxidantes ou inertes, a temperaturas que chegam até 1400°C, altas causa um excessivo desgaste que pode romper o termopar.
Tipo B – platina- rhodium 30% (+) platina-rhodium 6% (-)
São utilizados em atmosferas inertes ou oxidantes à temperatura limite de 1704°C, são recomendados para trabalhar no vácuo até a temperatura limite.
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39RTD de platina mede com alta precisãoentre -259,35°C e 961,78°C
[ ]2000 )()(1)( TTBTTARTR −+−+=
MedidorMedidor elétricoelétrico de de temperaturatemperaturaporpor variaçãovariação de de resistênciaresistência(condutores)(condutores)
•Termômetros RTD(Resistance Temperature Detectors)http://www.branom.com/literature/rtd.htmlNo mesmo ano em que Seebeck fez sua descoberta sobre a termoeletricidade, Sir Homphrey Dovy descobriuque a resistividade dos metais, apresentava uma dependência física para com a temperatura ( a variação domovimento aleatório dos elétrons livres nos metais, varia a resistividade dos mesmo).Cinqüenta anos depois, Sir William Siemens propôs o uso da platina, como sensor nos termômetros deresistência. Sua escolha mostrou-se bastante apropriada, pois até hoje os resistores de platina são utilizadoscomo elementos primários na medição de temperaturas com alta precisão.Platina é excelente para este propósito, dado que ela pode resistir altas temperaturas mantendo a suaestabilidade.
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40
Termistor
Semi-condutor cerâmico:diminui sua resistênciaelétrica com o aumento datemperatura
Bastante sensível
[ ])/1/1(exp)( 00 TTRTR −= β
MedidorMedidor elétricoelétrico de de temperaturatemperatura(semi(semi--condutorcondutor))
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MedidorMedidor elétricoelétrico de de velocidadevelocidadede de fluidofluido ((anemômetroanemômetro))
Fluxo de calor é alterado com a vazãoAnemômetros do tipo hot-wire
fluxo diminui temperatura resistência elétrica diminuiLei de King
VBAe ρ+=0
e0=voltagem de alimentação da ponteA, B = constantesρ = densidade de fluidoV = velocidade
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Transdutores elétricos de Transdutores elétricos de passagem, posiçãopassagem, posição
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Transdutores elétricos de Transdutores elétricos de capacitânciacapacitância
•Detectores de distância•Detectores de nível•Detectores de passagem
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44
d
AC rεε0=
Circuitos atuais podem detectar até 1f F
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45
Transdutores elétricos de Transdutores elétricos de indutânciaindutância
•Medidores de deslocamento
Fluxo magnético devido a corrente de Eddy se opõe àquele da bobina
Impedância da bobina muda de acordo com distância bobina-alvo
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L.V.D.T.L.V.D.T.
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Transdutores elétricos de geração Transdutores elétricos de geração de carga elétricade carga elétrica
•Piezoelétricos•Cristal (quartzo)•Cerâmicos•Polímeros
V=Ghσh=espessuraσ=tensãoG=0.055Vm/N (quartzo)G=0.22Vm/N (polivinilidenofluorídico)
O sinal elétrico de saída é proporcional (Sensibilidade) à aceleração aplicada
Acumulação de partículas carregadas no cristal.
aF ∝∝++
�� �
�
Material piezoelétrico
Carcaça
Aceleração aplicada (a)
Massa (m)
+Sinal
-Terra
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MedidoresMedidores de de movimentomovimento((vibrômetrosvibrômetros e e acelerômetrosacelerômetros))
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AcelerômetrosAcelerômetros com com quartzoquartzo
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CélulaCélula de de cargacarga com com quartzoquartzo
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TrandutoresTrandutores MEMSMEMS(Micro electro mechanical (Micro electro mechanical
systems) systems) ouou MST (MST (microsystemsmicrosystemstechnology)technology)
� Acelerômetros capacitivos(mais comuns)
� Piezoresistivos
� Electromagnéticos
� Piezoeléctricos
� Ferroelétricos
� Ópticos
� tunneling
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MicroMicro--acelerômetroacelerômetro capacitivocapacitivo
Massa inercial suspensa por vigas flexíveisMovimento da massa inercial retilíneoMassa inercial é parte de um capacitor variávelDistância entre placas do capacitor de 3,6µm 0,003pF/gAmortecimento com gás resposta em frequència de 11kHz
vigas
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TransdutoresTransdutores magnéticosmagnéticosMagneto-estricção => alguns materiais ferromagnéticos a lteram
sua forma quando expostos a campo magnético
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AplicaçãoAplicação: : sensor de sensor de nívelnível
1. Sinal elétrico é aplicado2. Onda de torção é gerada no ímã3. Onda retorna ao sensor4. Tempo entre sinal elétrico e onda
torsional é medido5. Distância entre ímã (flutuante)
e sensor é igual a tempo medido vezes velocidade daonda torsional na haste
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Efeito de Hall – voltagem transversal em um condutor perpendicular a um campo magnéticoUsado como sensor de proximidade e também como medidor de espessura -ideal para medições precisas em áreas críticas como curvaturas acentuadas e entalhes. Por exemplo, os sopradores de garrafa e m todo o mundo utilizam o MEDIDOR DE ESPESSURAS ATRAVÉS DE EFEITO HALL para medir espessura de parede em garrafas. Outra aplicação é a medição de áreas centrais em lâminas de plástico ou alumínio, onde o micrômetro não é aplicável. Usa-se também em garrafas e potes de vid ro, tubos, bandejas, borracha, compostos, alumínio, titânio e outros mat eriais não ferrosos, materiais também difíceis de cortar para executar m edições com omicrômetro.
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BalançaBalança eletroeletro--magnéticamagnéticaMecanismo de RobervalForma de paralelogramaÉ mantida independenteDa posição da carga
10 a 1000 vezes maisacuradas que as com extensômetro
Resoluções de até 50 milhões de dígitos
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Transdutores ópticos de corTransdutores ópticos de corFotoFoto--elasticidadeelasticidade
Birefringência – propriedades ópticas mudamcom a tensão mecânica
defasagem = k (εx – εy)
Filtro polarizador
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FotoelasticidadeFotoelasticidade
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•Holografia
Transdutores ópticos de padrãoTransdutores ópticos de padrão
Os hologramas são imagens em três dimensões, como os coloridos emblemas de segurança nos cartões de crédito e nas embalagens de CD.Tal como a fotografia, a holografia é uma técnica para registrar em filme a informação relativa a um objeto ou cena. Entretanto, os mecanismos básicos utilizados, bem como a natureza das imagens produzidas, diferem bastante de uma para outra. A fotografia comum produz uma representação bidimensional do objeto, na qual a profundidade da cena termina no plano de impressão. A holografia, ao contrário, capta a informação em três dimensões: inclui a profundidade.
http://br.geocities.com/saladefisica
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Transdutores ópticos de padrãoTransdutores ópticos de padrão
•Projetor de perfil
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TermografiaTermografia
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•Laser Döpler
Transdutores ópticos de freqüênciaTransdutores ópticos de freqüência•Partículas dispersam o laser•Intensidade e frequência do laser disperso varia com a passagem da partícula
•fD deve ser medido (contando ou usando FFT)•Volume de controle elíptico (0,1 a 1mm na maior direção)
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Laser Laser DöplerDöpler
partículadavelocidadeV
Dopplerdeefeitofrequênciadaalteraçãof
senVV
f
feixesentreângulo
laserdoondadeocompriment
franjasentreoespaçament
sen
x
D
xxD
==
==
===
=
)(
)2/(2
)2/(2
θλδ
θλδ
θλδ
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TransdutoresTransdutores ópticosópticos
� Fibra óptica
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TransdutoresTransdutoresacústicosacústicos
2
0
0
1
20
21
2
1
/20
log20
log10log10
mN
p
pdB
p
p
power
powerdB
p µ=
=
=
=
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limiar da audibilidade(a 1000 Hz)
10-1202 x 10-5
sussuro bem baixo10-11106,3 x 10-5
sussurro10-10202 x 10-4
biblioteca10-9306,3 x 10-4
escritório quieto10-8402 x 10-3
escritório médio10-7506,3 x 10-3
discurso10-6600,02
motor de carro10-5700,063
escritório ruidoso10-4800,2
trem10-3900,63
arrebitamento0,011002,0
grande orquestra0,11106,3
grande avião a jato1,012020
limiar da percepção1013063,2
Exemplos típicosIntensidade do som10-12 W/m2dBPressão do som
2 x 10-5 N/m2
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MicrofoneMicrofone capacitivo capacitivo ((altaalta fidelidadefidelidade))
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Exemplo: detector de CO� CO interage com O2 do sensor� Libera CO2 e elétrons� que se impregnam no filme sensor
aumentando sua condutividade e diminuindo sua resistência
Transdutores químicosTransdutores químicos
![Page 71: Sensores e Transdutores (1)](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022052212/557202a54979599169a3e260/html5/thumbnails/71.jpg)
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•Luciferese: enzimas em certosorganismos luminosos são usadaspara detectar níveis (bem baixos)de metabólicos
Transdutores biológicosTransdutores biológicos
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ExercícioExercício emem GrupoGrupo
� Produzir uma apresentação eletrônicadescrevendo um dos sensores seguintes
� Apresentar o item acima aos colegas, napróxima aula (10 minutos)
� Entregar a apresentação e um relatório de 10 páginas, ambas por e-mail
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