1.3. Mediciones básicas de parámetros ópticos, acústicos y de calor.1.3.1. Parámetros.1.3.2. Sensores Ópticos.

En los sensores optoelectrónicos, los componentes fotoeléctricosemisores se utilizan para crear emisión de luz y los componentesfotoeléctricos receptores para recibir estas emisiones.

Los componentes emisores más frecuentemente utilizados son losdiodos luminiscentes, conocidos también como LED ( Light EmittingDioses / diodos emisores de luz). Para aplicaciones especiales, tambiénse utilizan diodos de láser.

Como elementos receptores, generalmente se utilizan fotodiodos ofototransistores. Adicionalmente, las fotorresistencias tienen tambiénalguna importancia, por ejemplo en medidores de exposiciónfotoeléctricos.

Los diodos luminiscentes ( LED) son diodos semiconductores queemiten rayos de luz cuando son atravesados por una corrienteeléctrica. Dependiendo de la composición del material semiconductor,se crean rayos de luz de diferentes longitudes de onda.

Material Color Longitud de Onda ( nm)

Arseniuro de galio rojo 950

Galio aluminio rojo 880

Galio aluminio rojo 660

Arseniuro de Galio rojo 660

Arseniuro de Galio rojo 635

Arseniuro de Galio amarillo 590

En sensores, se utilizan principalmente diodos luminiscentes en lazona espectral del rojo y del infrarrojo, puesto que ello produce unabuena adaptación a la sensibilidad de los fotodiodos cuando recibenlas emisiones de luz.

Símbolo del LED.

Los diodos luminiscentes representan un ancho de espectrorelativamente pequeño de la luz emitida, que está generalmente entre30 nm hasta 140 nm ( amplitud media del espectro ).

La luz modulada aumenta la gama de detección mientras que reduce elefecto de la luz ambiente. La luz modulada se pulsa en una frecuenciaespecífica entre 5 y 30 KHz. El sensor fotoeléctrico puede distinguir la luzmodulada de la luz ambiente. Las fuentes de luz usadas por estos sensoresse extienden en el espectro ligero de verde visible al infrarrojo invisible.

AM

FM

Los diodos luminiscentes (LEDs) tiene una característica de tensión ensentido directo que se distingue por un incremento de la corriente apartir de un determinado umbral de tensión. La estabilidad de lacorriente directa se consigue con la ayuda de una resistencia en serie.

Fuente: http://letsmakerobots.com

Fotodiodos.

Los fotodiodos son componentes semiconductores que están basados enel principio de los cristales simples de silicio o germanio. Estánconstruidos de la misma forma de los diodos semiconductores normalesy tienen una capa de barrera muy cerca de la superficie del cristal. Si eldiodo se expone a la emisión de luz, entonces los fotones que penetranen el cristal ( quantum de radiación óptica) son absorbidos y se creanpares portadores de carga eléctrica, es decir, se produce unafotocorriente.

Símbolo del fotodiodo.

La figura siguiente muestra una curva característica de la sensibilidadespectral en un fotodiodo de silicio. Una propiedad importante es el valormáximo de la sensibilidad espectral, que en el caso de los diodos desilicio se halla en la zona de los 600 nm y 1000 nm, dependiendo deltipo. La sensibilidad de los fotodiodos de silicio en el espectro máximo estípicamente de 0,5 A/W, es decir, con una recepción de luz emitida de 1mW, se genera una fotocorriente de 0,5 mA.

La capacidad de respuesta R de un fotodiodo, es el cociente de lafotocorriente I y de la potencia óptica radiante P, que choca con lafotodiodo.

R=IP

Visto desde el modo de funcionamiento eléctrico, debe diferenciarse entreel modo de funcionamiento polarizado y el modo de funcionamiento encortocircuito de un fotodiodo.

En el funcionamiento polarizado por tensión, como se muestra en lasiguiente figura (c), el fotodiodo funciona con una tensión inversa que sehalla típicamente dentro de un rango máximo de 10 V a 100 V.

Conmutación de un fotodiodo en funcionamiento polarizado por tensión.VB = tensión de polarización.D = Fotodiodo.RW = Resistencia de trabajo.I = Corriente Fotoeléctrica.

Por ello, la corriente inversa I del fotodiodos dentro de un cierto rango,proporcional a la potencia de la emisión de luz que recibe el fotodiodo.Por medio de este circuito, es posible conseguir unos tiempos dereacción muy rápidos utilizando diodos PIN, que pueden alcanzar valores

del orden de 1 ns. Una aplicación importante es la transmisión rápidade datos por medio de cables de fibra óptica.

Si el fotodiodo se hace funcionar como indica la siguiente figura (a), seasume que la impedancia interna Ri de la carga conectada al fotodiodoes tan pequeña que funciona prácticamente en cortocircuito.

Conmutación de un fotodiodo en funcionamiento en cortocircuito.I = Corriente fotoelectrica.Ri = Impedancia interna.

No se necesita tensión adicional, el fotodiodo funciona como una fuentede energía durante la exposición a la emisión de luz de formaexactamente igual que una célula solar.

La característica de la corriente de cortocircuito I = IS es proporcional a lapotencia de la emisión de luz por varias decenas. La linealidad esposible, dentro de los limites debidos a los ruidos del fotodiodo y lamáxima fotocorriente permisible. Este comportamiento lineal esfrecuentemente utilizado en la tecnología de medición por sensores.

En la practica, se utiliza un circuito con un amplificador operacional comoindica la figura, en donde se utiliza el hecho que la tensión de entrada V i

es muy pequeña en relación con la tensión de salida Vo, puesto que elfactor de amplificación del amplificador operacional es muy grande.

Dado que la fotocorriente fluye casi enteramente a través de lasresistencias de realimentación Rw debido a la pequeña corriente deentrada del amplificador operacional, se aplica lo siguiente a la tensiónde salida.

VO=RW⋅I

Fototransistores.

En el caso de un fototransistor, para el diodo colector-base se utiliza unfotodiodo. Las características restantes corresponden a un transistornormal. El método de funcionamiento de un fototransistor puede ilustrarsecomo se muestra en la figura, combinando un solo fotodiodo y untransistor.

Esquema del circuito equivalente mostrando un fototransistor.

Durante la exposición a la emisión de luz, se crea una fotocorriente I, queforma la corriente de base del transistor. Si el transistor tiene unaamplificación de corriente B, entonces esto crea una corriente de colectorIc=BxI y una caída de tensión Vr= BxRxI.

La sensibilidad del fototransistor es por lo tanto mayor que la delfotodiodo por el factor B. Sin embrago, los fototransistores no poseen unalinealidad tan buena entre la exposición a la emisión de luz y lafotocorriente. Para los sensores analógicos, la linealidad es un criterioimportante. Por otro lado, la linealidad no es importante para sensores de

conmutación digital, por lo que a menudo se utilizan fototransistores comoelementos receptores en barrera fotoeléctricas y demás sensores ópticosde proximidad.

En comparación con los fotodiodos, los fototransistores tienen unostiempos de conmutación más largos, que , sin embargo, son adecuadospara los sensores ópticos de proximidad.

Fotorresistencias.

Las fotorresistencias son componentes pasivos, que cambian suresistencia eléctrica bajo los efectos de los rayos de luz. Consistengeneralmente en cristales semiconductores. Los aislantes pueden inclusocambiar su resistencia eléctrica bajo la influencia de la luz. En el caso delos semiconductores, funcionan sin una capa de barrera y por lo tanto sonindependientes del sentido de la corriente.

Hay fotorresistencia para varios rangos espectrales, desde la luz visiblehasta la zona de los infrarrojos con una longitud de onda de 10 m.

Las fotorresistencias de sulfuro de cadmio han hallado un amplio campode aplicaciones, por ejemplo: exposímetros de fotografía, para el control deiluminación o calor. En una fotorresistencia de sulfuro de cadmio, laresistencia R es inversamente proporcional a la exposición de luz “ E”.Con la exposición, el sulfuro de cadmio no es conductor. Esta dependenciapuede expresarse mediante la relación.

R=C⋅E−Y

Donde “C “ e “ y “, son constantes.

Cuando se utilizan en sensores y dispositivos de medición, estadependencia no-lineal es una desventaja, por cuya razón, generalmente,los fotoresistencias no se utilizan para mediciones analógicas de precisión.Por otro lado, en el caso de longitudes de onda mayores de 2 μm en lazona del infrarrojo, donde no se dispone de fotodiodos, predominan lasfotorresistencias, con materiales tales como el sulfuro de plomo, seleniurode plomo, antimoniuro de indio, arseniuro de indio o teleruro de mercurio-cadmio. Las fotorresistencias de este tipo pueden hallarse en aplicacionescomo la termografía (registro de imágenes calientes, basado en losdiferentes grados de radiación del calor de los objetos).

Sensor Óptico Analógico Difuso.

Los sensores ópticos analógicos difusos pueden utilizarse para realizarmediciones de distancias. Puesto que el sensor es sensible alcomportamiento de las superficies reflectoras, también puede utilizarsepara la detección de contornos y texturas.

El sensor óptico analógico difuso consiste en tres partes principales, elemisor, el receptor y el procesamiento electrónico de la señal. El emisores un diodo de luz infrarroja y el receptor un fotodiodo, que es activo enla zona de infrarrojos. Utilizando un cable dual de fibra óptica, elelemento sensor puede montarse libremente en las proximidades delobjeto a medir. La luz infrarroja se emite desde el emisor y se recibereflejada por el objeto en el receptor. La distancia de detección se halladentro del rango de 8 a 40 mm.

(fig 4/9)

Puesto que la emisión de luz se refleja menos si el objeto se halla lejosque si se halla cerca, no hay una correlación lineal entre la distancia yla señal recibida, pero, inversamente, la señal recibida disminuye amedida que aumenta la distancia. No obstante, para mantener una curvacaracterística creciente dentro de un cierto margen de funcionamiento, elsensor óptico difuso tiene una electrónica incorporada para lalinealización.La electrónica del sensor corresponde al siguiente diagrama de bloques:

(fig 4/10)

Para evitar las interferencias durante la recepción de la señal, seincorpora un circuito oscilador. El rayo de luz es modulado con unafrecuencia de 1 kHz y el receptor se enlaza a esta frecuencia por mediode un puerta AND (&). Entonces la señal se amplifica y se transformapara conseguir una característica lineal de detección. La etapa de salidasuministra una intensidad de corriente dentro de un rango nominal de 4 a20 mA.

Zona de Conmutación.

Los sensores fotoeléctricos tienen una zona de la conmutación. La zonade la conmutación se basa en el patrón y el diámetro de la luz emitida

desde el sensor. El receptor funcionará cuando un objeto e entra en estaárea.

La simbología usada en los sensores fotoeléctricos, permiten laidentificación del sensor. Algunos símbolos son usados para indicar lastécnicas de escaneo del sensor, tales como sensores difusos,retroreflectivos y de barrera.

Sensores de Barrera.

En los sensores fotoeléctricos de barrera, el objeto se interpone entreel emisor de luz y el receptor. Si la luz no llega al receptor se producela acción de conmutación.

Sensor Reflectivo ( Réflex) o Retroreflectivo.

Los sensores reflectivos son aquellos cuando el emisor del hazluminiscente y el receptor, están en la misma ubicación y un elementoreflector se utiliza para reflejar la luz.

La conmutación del sensor se produce cuando el haz luminiscente esinterrumpido por un objeto ( target). La máxima distancia de sensado esde 35 pies.

Sensor fotoeléctrico Difuso.

También en este sensor, el emisor y el receptor están en la misma unidad. Laluz del emisor ataca el objeto y la luz reflejada se difunde de la superficie haciatodos los ángulos. Si el receptor recibe bastante luz reflejada cambia el estadode salida del sensor. Cuando no se refleja ninguna luz hacia el receptor, elestado de salida del sensor vuelve a su indicación original

Disposición y funcionamiento de la fibra óptica en los distintos sensoresFotoeléctricos.

1.3.3. Sensores Acústicos - Ultrasónicos.

En el sentido popular, el sonido es un fenómeno físico percibible con eloído. Esta es la razón por la que inicialmente la acústica se relegó alsonido audible. Una vez que se han desarrollado emisores y receptorespara sonido inaudible, ha sido posible extender los limites de aplicaciónde la acustica.

El sonido se divide en categorías según la frecuencia de oscilacióngenerada:

Sonido audible: el limite inferior de la percepción humana es de16 Hz y el limite superior fluctua entre 10 y 20 KHz.

Ultrasonico: el rango de frecuencias por encima de 20 KHz.

Infrasonido: las oscilaciones de frecuencia inferior a 16 Hz seconocen como infrasonidos. Este tipo de ondas sonoras seproducen, por ejemplo durante los terremotos y durante periodosque van desde 10 a 50 segundos.

Hipersonido: las mayores frecuencias creadas hasta ahora entre1010 Hz y 1013 Hz y se conocen como hipersonido. Los osciladoreselasticos de estado sólido dejan de vibrar a estas frecuencias.

Propagación del Sonido.

La propagación del sonido es el resultado de la propagación de largasondas mecánicas, que se manifiestan por una variación periódica de ladensidad del medio portador, que conduce a compresiones y dilataciones.La propagación de las ondas de sonido depende del medio transmisor,con lo que no es posible que se propague en el vacío. La velocidad depropagación del sonido varía según los diferentes medios.

En materiales sólidos, la velocidad de propagación en materiales solidospuede calcularse según la formula.

c=√ Eρ

En líquidos, según la formula.

c=√ Kρ

En Materiales gaseosos, según la formula.

c=√ Pkρ

=√kRT

Donde c : velocidad de propagación del sonido, en m/s. E : Módulo de elasticidad. K : Módulo de compresión del líquido. P : Presión del gas. k : Constante adiabática. R : Constante del gas. T : Temperatura del gas ( ºK). Ρ : Densidad del material.

Dada su corta longitud de onda, las ondas ultrasónicas puedenconcentrarse de la misma forma que las ondas de luz. La ley de lageometría óptica “ ángulo de incidencia = ángulo de reflexión “, se aplicatambién para las ondas ultrasónicas.

Disco Piezoelectrico.

Rango de operación.

Ubicación de sensores en paralelo.

Interferencia entre sensores.

Sensores Opuestos.

Sensor cerca de superficies irregulares.

Angulo de alineamiento.

Modos de Operación.

Sensores Ultrasónicos Difusos.

Sensores Ultrasónicos de Reflexión.

Sensores Ultrasónicos de Barrera.

1.3.4. Sensores de Temperatura.

1.4. Sistemas de Adquisición de Datos.1.5. Sistemas Integrados de Sensores.1.6. Miniaturización de Sensores.1.7. Trabajo en red de sensores vía estructura de bus de campo.