Programa doutoral em Líderes para Indústrias TecnológicasOs sensores angulares usados em aplicações automóveis, requerem uma boa resolução, fiabilidade, baixa
manutenção, baixo custo de produção e capacidade de trabalhar sob condições adversas. Devido a estes
requisitos, os sensores mais utilizados são os magnéticos, indutivos e magneto-indutivos. Outro fator
crítico é a dimensão do sensor, quanto mais reduzido e compacto, maior é o número de aplicações em
que pode ser aplicado. No caso dos sensores magneto-indutivos e indutivos, uma forma de reduzir o
seu tamanho é através do uso de a bobines planares impressas em placas de circuito impresso (PCB).
Estas, para além de mais compactas, conseguem também reduzir os custos de produção, otimizar a
repetibilidade e assemblagem, e permitir que o seu desenho seja facilmente adaptado às suas aplicações.
No desenvolvimento de sensores indutivos, obter a indutância das bobinas, que funcionam como elemento
transdutor, é essencial e desafiador no caso de bobinas planas. Atualmente, há duas abordagens
no estado da arte: fórmulas de aproximação (para geometrias regulares), e simulações de modelos de elementos
finitos (FEM). As simulações são demoradas e recorrem a ferramentas de software dispendiosas
e que exigem muitos recursos computacionais. Esta tese tem como objetivo desenvolver uma ferramenta
de cálculo analítico para obter a indutância de bobinas planas genéricas, reduzindo o tempo de desenvolvimento.
A ferramenta possibilita ainda o cálculo da interferência que um alvo planar condutivo tem
na indutância da bobine, tornando assim possível obter a resposta de um sensor indutivo baseado em
eddy currents durante a sua fase de desenvolvimento.
Esta tese, além de detalhar o desenvolvimento da ferramenta mencionada, também descreve todos os
processos de validação implementados, através de simulações FEM e testes experimentais. A metodologia
proposta foi aplicada com sucesso no desenvolvimento de um sensor de posição angular automotivo
baseado em eddy currrents. Foi possível comprovar que a precisão da ferramenta desenvolvida está de
acordo com as metodologias usualmente utilizadas, com a vantagem de ser mais rápida e económica.Angular sensors used in automotive applications require good precision, reliability, low maintenance, low
production costs and the ability to work in harsh conditions. Due to these requirements, magnetic, inductive
and magneto-inductive sensors are preferred and are used in current generations of automotive
angular position sensors. The size of the sensors is another relevant factor in the development of new
solutions. The smaller and more compact, the larger the number of applications in which they can be
applied. In the case of magneto-inductive and inductive sensors, one way to reduce their size is to use
planar coils printed on printed circuit boards (PCBs). These, in addition to occupy a smaller volume when
compared to solenoids, also reduce production costs and optimize repeatability and simplify assembly.
When developing inductive sensors, knowing the required inductance value of its coils is essential and
this task can be challenging in the case of planar coils. Currently, two approaches are used to calculate
the inductances of planar coils. When the coils have regular geometry approximation formulas are used,
configuring some parameters. When they have irregular geometry or a more accurate result is desired,
simulations using finite element methods (FEM) are chosen. These simulations have the disadvantage
of being time-consuming, requiring expensive software applications and a huge computing resources. In
view of the budget and the reduction of development time, this thesis provides an analytical calculation
tool for the inductance of generic multi-layer planar coils. In this way, it is possible to develop dedicated
applications in reduced time. The tool also allows to calculate the interference that a planar conductive
target, of arbitrary geometry, can have on the coil inductance. Thus, it is possible to obtain the response
of an inductive sensor based on eddy currents during its development phase.
This thesis, in addition to detailing the development of the aforementioned tool, also describes all the
validation processes implemented using FEM simulations and experimental tests. The proposed methodology
was successfully applied in the development of an automotive angular position sensor based on eddy
currents. It was possible to prove that the precision of the developed analytical tool is in concordance with
the methodologies usually used, with the advantage of being faster and open source.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - bolsa de doutoramento PD/BD/128142/201