Visão geral sobre instrumentação

FI577 - Instrumentação eletrônica para a física

Leitura recomendada: Blackburn (todo o livro)

O método científico

A instrumentação científica visa a elaboração de ferramentas e/ou sistemas que permitam a realização de experimentos científicos.
Alguns aspectos da experimentação:
- Definimos algo que queremos observar (ex.: luz, grão de pólen, folha,…)
- Formulamos uma pergunta (ex.: qual o comprimento de onda da luz emitida por uma fonte?)
- Precisamos de um sistema que seja sensível a propriedade a ser medida, e que seu comportamento seja conhecido (ex.: a luz que passa por um prisma é desviada por um ângulo que depende do comprimento de onda)
- Medimos o comportamento do sensor (ex.: vemos qual o ângulo de desvio da luz)
- Para que tenha validade científica, o experimento deve ser reprodutível.

Em experimentos contemporâneos, é altamente desejável que o medidor represente a grandeza de interesse como um sinal elétrico pois:
- Pode ser processado em um circuito
- Pode ser registrado e/ou analisado em um computador

Convertem um tipo de energia em outro. Ex.: uma lâmpada converte energia elétrica em luminosa, um microfone converte energia acústica em elétrica.
Existem transdutores capazes de medir e modificar uma grande quantidade de grandezas físicas. Ver Blackburn.
Para montar um instrumento, deve-se considerar inicialmente:
- Quais são as grandezas físicas relevantes para o experimento (ex.: campo magnético, intensidade da luz, massa…).
- Que transdutores estão disponíveis para converter a grandeza de interesse de e para um sinal elétrico
  - ex.: um LED converte um sinal elétrico em luz, e um fotodiodo converte luz em um sinal elétrico
  - Caso uma conversão direta não seja possível, tem que pensar um pouco mais…
- Após obtido o sinal elétrico, podemos usar a eletrônica para manipular os dados do experimento da forma que quisermos.

A principal diferença entre medidores analógicos e digitais está na forma em que a medição é exibida
Medidores analógicos tipicamente informam o valor da grandeza medida utilizando um ponteiro.
- Útil quando se quer acompanhar o comportamento.
- É possível perceber variações na medição mesmo sem olhar diretamente para o mostrador.
- Ex.: velocímetro de um carro, balança do tipo libra.
Medidores digitais tipicamente informam o valor da grandeza medida exibindo um número.
- Útil para registrar os valores de uma dada medição.
- Especialmente conveniente para medir grandezas em um experimento.
Detalhe: para um medidor eletrônico, a única diferença entre ambas as formas de exibir o resultado da medida está no mostrador utilizado. Caso se deseje, ambas as formas podem ser usadas simultaneamente.

Suponha que um sensor adequado converteu a grandeza de interesse em uma tensão.
Podemos usar um voltímetro para ver qual a tensão, e depois registrar num caderno,
Ou, podemos usar uma placa de aquisição de dados, para que um PC faça este registro.

Utilizar um computador aumenta a quantidade de medições e a qualidade dos resultados.
Em especial, o fator humano é reduzido no experimento e a reprodutibilidade aumenta.
Neste curso, utilizaremos a plataforma arduino
- Microcontrolador
- Computador + periféricos

Utilizaremos algumas das funcionalidades básicas do arduino para montar medidores.
Caso não tenha familiaridade com o arduino, tenho um guia introdutório aqui, e muito material pode ser encontrado no Google…

Podemos construir instrumentos de medida, mas também para controlar parâmetros experimentais.
Permite a automação do experimento (menos suscetível a erros humanos).
Ex.: Guindaste
Ex.: aparato de Fizeau