2. sensores 2.1 generalidades · • se basa en el principio de la variación de la resistencia...

MEDICIONES ELECTRÓNICAS

3. Sensores

TECNOLOGÍA EN ELECTRÓNICA

Profesor: Andrés David Restrepo Girón, M.Sc., PhD.

Tipos de Sensores

• Sensor pasivo o modulador: instrumento en donde la cantidad a medir modula la magnitud de alguna fuente de potencia externa. Se basan en un elemento eléctrico.

• Sensor activo o autogenerante: instrumento cuya salida es producida en su totalidad por la magnitud medida, sin intervención de ninguna otra energía entrante. Se basan en algún fenómeno físico-eléctrico.

Sensor ActivoVariable física

sensadaVariable eléctrica

de salida

Sensor PasivoVariable física

sensadaVariable eléctrica

de salida

Excitación


Sensores moduladores

Resistivos

Capacitivos

Inductivos

Sensores autogenerantes

Piroeléctricos

Fotovoltaicos

Piezoeléctricos

Electromagnéticos

Electroquímicos

Tipos de Sensores


3.1 SENSORES MODULADORES

3. Sensores


SENSORES RESISTIVOS



Ejemplos de sensores resistivos

Detector resistivo de temperatura (RTD)

Termistor

Potenciómetro

Galga extensiométrica

Fotorresistencia


La RTD (Resistance Temperature Detector)

• Se basa en el principio de lavariación de la resistenciaeléctrica con la temperatura,según la relación matemáticageneral:

• R0 es la resistencia a la temperaturaT0 (generalmente 0oC) y , , soncoeficientes resistivos detemperatura. Sin embargo estecomportamiento siempre seaproxima al término lineal.

...1 32

0 TTTRR

Anato

my o

f an S

PR

T

-C

ross sectio

n sen

sitive elemen

t

Platinu

m

coils

Lead wires

Element support

Quartz sheath


Los principales materiales usados en lasRTD son:

Platino: poca alinealidad, amplio rango(elevado punto de fusión), altaprecisión (alta resistividad ). Muyresistente a la corrosión y a laoxidación. Costoso.

Níquel: considerablemente alineal, peroel de más alta sensibilidad (mayor). susceptible a la corrosión y a laoxidación. Costo moderado.

Cobre: el más lineal de los tres, pero depobre rango de operación y bajaresistividad. Muy susceptible a lacorrosión y al óxido.

Son estándares industriales y muyusadas, las Pt100 (RTD con Ro=100a 0oc), las Cu10, y las Pt1000.

La RTD (Resistance Temperature Detector)


• Son dispositivos semiconductores(compuestos por una mezcla deóxidos metálicos) que presentan uncoeficiente de temperatura negativoy elevado. Su respuesta puedemodelarse así:

T está en kelvin (T0=273K), y esdel orden de 4103 siendo constanteen un rango moderado detemperatura. R0 puede estar entre2K y 10K.

011

0

TTeRR

3000 @ 77°F

2400 @ 85°F

1850 @ 100°C

El termistor (Thermally Sensitive Resistors)


• Rangos normales de operación:

-100 a 300 oC.

• Alta sensibilidad, lo que permitelograr resoluciones de hasta0.0001oC.

• Su respuesta dinámica es buena,con tiempos de hasta 100 ms,aunque algunos dispositivos son máslentos (varios minutos) dependiendode su masa, su aislamiento y elmedio que los rodee.

• Presentan alteración pronunciadade sus características con el pasodel tiempo.

El termistor (Thermally Sensitive Resistors)


• El auto-calentamiento es un fenómenoprovocado por la propia potenciadisipada de los sensores resistivos, yque cuantitativamente está definido porla constante de disipación:Constante dedisipación [mW/oC] =

Un valor típico para esta constante enlas RTD es de 25mw/oC, indicando quese necesitan 25mW para incrementar latemperatura de la RTD en un grado.

• En el caso de los termistores, cuando lapotencia disipada hace que latemperatura del mismo ascienda porencima de la temperatura ambiente, eldispositivo comienza a comportarsecomo un elemento de resistencianegativa.

AMIENTOAUTOCALENT

DISIPADA

T

P

Termómetros de Resistencia -Autocalentamiento


Potenciómetro de

movimiento angular de

una sola vuelta (de

película)

El Potenciómetro


Funcionamiento

general de un

Potenciómetro

El Potenciómetro


Potenciómetro de

movimiento lineal

El Potenciómetro


A

lR

Stress Vs. Tensión

Efecto sobre un hilo

conductor

La galga extensiométrica


Efectos de las

fuerzas aplicadas a

una galga



Ejemplo: Celda de carga

Video: Load cell.mp4


Ejemplo: Transductor de presión diferencial - piezorresistivo

Video: Differential Pressure Sensor - Principle.mp4



Factor de galga

RR

ll

RRK

R/R = Cambio relativo de

resistencia.

= Cambio relativo en la

longitud = Deformación

unitaria.

21KEn la mayoría de

los metales

está entre 0.25 y

0.35 K 2

21

ldl

dK



Ejemplo:Una galga extensiométrica con un factor de galga K = 2,4 se monta sobre una viga de acero cuyo módulo de elasticidad E (o de Young) es de 2x106 Kg/cm2 . La galga tiene una resistencia sin extensión (en reposo) de 120,0 la cual se incrementa a 120,1 cuando la viga está sujeta a un determinado esfuerzo mecánico . Calcule el esfuerzo en el punto donde se montó la galga.

R) )Young de Módulo()unitarian Deformació(

)fuerza oTensión (E

ll

4

0.1

120 3.47 10

2.4

R

Rl l

K

6 2 4

2

.

2 10 3.47 10

694.4

E l l

kg cm

kg cm


Algunas aplicaciones


Algunas aplicaciones

Celda de carga


Sensores de fuerza resistivos (piezorresistivos)

Su resistencia disminuyecuando la fuerza aplicadaincrementa la densidad departículas de un elementoconductor (generalmente,hecho de algún polímeroespecial).


Sensores de fuerza resistivos


Ejemplo: nuevos sensores flexibles

Video: Tekscan Tactile Pressure and Force Sensors.mp4


• La fotorresistencia es un elementosensor cuya resistencia eléctrica seve alterada ante los cambios deintensidad de la luz que incide enella.

La fotorresistencia (LDR –Light Dependent Resistor)



Curva de transferencia parael LDR VT935G (γ = 0,9)

→ log(EB) = log(RA/RB) / γ + log(EA)

Símbolos usados para identificar a la fotorresistencia



Las fotorresistencias más comunes tienen como material sensible a la luz, el sulfuro de cadmio (CdS) o el seleniuro de cadmio (CdSe).


SENSORES CAPACITIVOS E INDUCTIVOS



Dado que la capacitancia es una variable eléctrica

dada por:

donde = permitividad del material, A =

área de las placas y d = separación entre las

placas

Puede hacerse que tanto d, como A y como

varíen con un desplazamiento x.

• Cambio de separación entre placas (d):

Relación no lineal e inversa.

dAC

xd

AC

d

A

x

A

Sensores capacitivos


Cambio de área efectiva (A):

donde w = ancho de las placas.

Relación lineal.

Cambio de dieléctrico ( ):

Co = capacitancia para un desplazamiento nulo.

Relación lineal.

xd

wCxlwwx

dC o

2121 ..

1

2

l

wxd

CwxAd

C o

w

x

x 1

Sensores capacitivos


Medición capacitiva de

nivel Sensor de

Proximidad

Sensor de

Presión

Aplicaciones de sensores capacitivos


Ejemplo: Medición capacitiva de presión

Video: Measuring Principle Pressure.mp4


Ejemplo: Medición capacitiva de nivel

Video: Measuring Principle Capacitance.mp4


Sensado

capacitivo

de toque

Aplicaciones de sensores capacitivos


Ejemplo: sensado táctil

Video: Capacitive Sensing2.mp4


Ejemplo: detección de proximidad

Video: Capacitive proximity sensors.mp4


Sensores inductivos

• Inductancia variable:

Inductancia de una bobina: , con

donde N es el número de espiras, R es la reluctancia, es la permeabilidad del material del núcleo. En general son robustos, sin rozamiento. Precisiones de ±1%

• Reluctancia variable:

Para el ejemplo de la figura:

donde

Presentan alta sensibilidad a las vibraciones. Precisiones de ±0.5%

2NL Al

kx

rw

R

r

x

r

R

cba

0

22

2

0

2

0

2

x

rk b


Ejemplo: detección de proximidad (inductancia variable)

Video: Inductive proximity sensors.mp4


El Transformador Diferencial Variable Lineal (LVDT)


Ejemplo: detección de proximidad (inductancia variable)

Video: Construction and Working LVDT.mp4


LVDT con salida de DC

El Transformador Diferencial Variable Lineal (LVDT)


Elementos Elásticos o Sumadores de Fuerza

Andrés D. Restrepo G.

Fuelle

Diafragma

Tubo Bourdon


Sensores resistivos y capacitivos

Andrés D. Restrepo G.

Transductor

Resistivo

Transductor

Capacitivo Diferencial


ADECUACIÓN DE SENSORES MODULADORES

3. Transductores


Divisor de Tensión (1)

Adecuación de un

sensor con divisor de

tensión


Adecuación de un

sensor

potenciométrico

Divisor de Tensión (2)

Ejercicio: Diseñar un circuito que permita encender una lámpara en ausencia

de luz. Para ello dispone de un relé de 12V (DC) a 40mA en la bobina de

entrada; una fotorresistencia que mide 1K con luz y 100k en oscuridad; una

fuente de 12V (DC), transistores con =100 y resistencias varias.

12V

0

R1

R2

110VAC

=100

I1

I2

Ib

Ic

mAI

I

mAk

V

R

VI

kmA

VR

SATC

SATB

le

CCSATC

le

4,0

403,0

12

3,040

12

)(

)(

Re

)(

Re

Adecuación con divisor de tensión

12V

0

R1

R2

110VAC

=100

I1

I2

IB

Ic

R2 =1k Con luz

R2=100k En oscuridad

Esto quiere decir que para lograr

que la lámpara se encienda con la

oscuridad R1 debe escogerse con

valores inferiores a 27.7K

Para lograr la saturación, IB > IBsat

kRI

R

V

R

VVI

III

B

BEBECCB

B

100

7.03.11

1

21

21

mAkR

4.0100

7.03.11

1

Despejando, R1 < 27.7k


12V

0

R1

R2

110VAC

B=100

I1

I2

IB

Ic

R2 =1k Con luz

R2=100k En oscuridad

En caso de presencia de luz el

relé debe desactivarse, se

requiere que el transistor entre

en corte. IB < 0

kRIB

1

7.0

1

3.11

01

7.0

1

3.11

kR

Despejando, R1 > 16.2k

Esto quiere decir que para

lograr que la lámpara se

apague con la presencia de luz

R1 debe escogerse mayor a

16.2K


Adecuación con AMP-OP

Circuito de adecuación

Sensor

resistivo

de fuerza

Curva resistencia Vs. fuerza

Adecuación con Fuente de corriente

Esquema

general

Voltaje entregado por el sensor R(T)

ante un valor de la variable sensada T

𝑉 𝑇 = 𝐼. 𝑅(𝑇)


Ecuación de Balance

Ecuación de Salida del Puente

Puente resistivo

𝑉𝑜 = 𝑉𝑒𝑥𝑐𝑅1

𝑅1 + 𝑅4−

𝑅2𝑅2 + 𝑅3

𝑉𝑜 = 𝑉𝑒𝑥𝑐1

1 +𝑅4𝑅1

−1

1 +𝑅3𝑅2

𝑉𝑜 = 𝑉𝑒𝑥𝑐𝑅1𝑅3 − 𝑅2𝑅4

𝑅1 + 𝑅4 𝑅2 + 𝑅3

R1

R4R3

R2

𝑅1𝑅3 = 𝑅2𝑅4


RRRRRRR 1432 y

RRRRRRR 3142 y

RRRRRRRR 3142 y

Si asumimos que un transductor resistivo puede modelarse como:

RT = R+R , entonces:

con un único transductor tenemos:

con dos transductores podemos tener:

con cuatro transductores podemos tener:

Puente resistivo

R1

R4R3

R2


Comportamiento comparativo entre configuraciones

del puente para la adecuación de 1, 2 o 4

transductores

Puente resistivo


Ecuación de Salida del Puente

Puente resistivo

𝑉𝑜 = 𝐼𝑅1𝑅3 − 𝑅2𝑅4

𝑅1 + 𝑅4 + 𝑅2 + 𝑅3

Alimentación con fuente de corriente

Ejemplo práctico


Situación de medida con puente

Conexión de 2, 3 y 4 hilos

• Ejemplo: RTD de 2 hilos (2-wire)

Ω

Ω

Ω

Ra

Rb

Adicionan error en la medición!!!

Situación inicial

Puente resistivo


Conexión de 3 hilos

RTD




Ra

Rb

Rc

Ra y Rb se compensan por que están en ramas opuestas del puente.Rc no influye en la

medida si en el DVM se tiene una Zi ∞.

Puente resistivo


RTD



Ra

Rb

Dado que en el DVM se tiene una Zi ∞, las

corrientes de entrada al medidor serán ≈ 0.

Ra y Rb no alteran la caída de tensión en la RTD, ya que están en serie con ella.



Puente resistivo


Diseño de Puentes Resistivos (1)

• Datos Iniciales

• Variaciones de la resistencia del sensor

• Valor de resistencia del sensor para la condición de balance del puente

• Criterios Básicos

• Potencia permitida en el elemento sensor

• Alinealidad permitida en la medición

Puente resistivo


Puentes resistivos con un elemento sensor (R1)

• Si se conocen los valores de resistencia mínima (Rmin) y máxima (Rmax) del sensor resistivo, debe cumplirse que:

• A menudo se requiere que Vmin = 0 (puente balanceado) cuando R1 = Rmin . En tal caso resulta de la expresión anterior de Vmin que:

R2.R4 = R3.Rmin

2

34

R

R1

1

Rmin

R1

1VexcVmin

2

34

R

R1

1

Rmax

R1

1VexcVmax


Puente resistivo


Potencia permitida en el elemento sensor (R1)

• Una consideración adicional importante es la potencia (Wmax) que puede disipar el elemento sensor sin aumentar su temperatura por encima de la circundante.

I = Vexc/(R1 + R4) W = I2 R1 = Vexc2 R1/(R1 + R4)2

• Si Vexc y R4 presentan valores constantes, la mayor disipación se presentará cuando R1 tome su valor mínimo, por tanto:

Wmax > Vexc2 Rmin/(Rmin + R4)2


Puente resistivo


Linealidad:

N = Vreal – Videal

Definiendo:

x = R1/Rmin , r = R3/R2 , k = Rmax/Rmin:

%N = 100.(Vreal - Videal)

Vmax


Puente resistivo


Ejemplo:Se desea usar un sensor RTD Pt100 ( 0.0039) en el

rango 0 a 100 °C en un puente resistivo con una alinealidad máxima de 0.1%.

r = R3/R2 ; k = Rmax/RminR2.R4 = R3.Rmin (para Vmin=0)

Rmin=100 ; Rmax=139 k=1.39 ; %N=0.1

El valor óptimo de r en este caso es 96.3 . Se aproxima por arriba a 97.

R4 = r.Rmin = 9700 R3/R2 = 97 R3 = 97.R2


Puente resistivo


Instrumentación Electrónica

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

1.05

1.10

1.15

1.20

1.25

1.30

1.35

1.40

1.45

1.50

1.55

1.60

1.65

1.70

1.75

1.80

1.85

1.90

1.95

-0,6

-0,55

-0,5

-0,45

-0,4

-0,35

-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

Voltaje de Salida Normalizado

x

v

r =1

r =10

r =0.1

r =100

Linealidad Vs. Sensibilidad

Un valor grande de r dará al puente una linealidad elevada pero baja sensibilidad;

Un valor cercano a uno para r acercará el puente a su máxima sensibilidad pero con gran alinealidad en el voltaje de salida


Puente resistivo


Soluciones para el problema de la alinealidad

Limitar el rango de medida para que sea pequeño.

Perder sensibilidad y compensar incrementando la alimentación del puente.

Linealizar el puente (de forma análoga o digital)

Puente resistivo


Linealización analógica de puentes - Pseudopuentes

Puente resistivo

2S CC

xV V


Linealización analógica de puentes - Pseudopuentes

Puente resistivo


Vexc

Vo +

Z1 Z2

Z3 Z4

exco VZZ

Z

ZZ

ZV

31

3

42

4

exco VZZZZ

ZZZZV

4231

3241

exco V

ZZ

ZZ

V

3

1

4

2 1

1

1

1

Puente de impedancias (1)


3241 ZZZZ Ecuación de

Balance:

Vexc

Vo +

Z1 Z2

Z3 Z4

3241 ZZZZ Es decir:

3241 y

33224411 ZZZZ

(Fasores)



3241 ZZZZ Ecuación de

Balance:

33224411 jbajbajbajba

(Forma Cartesiana)

32324141 bbaabbaa Términos

Reales:

23321441 babababa Términos

Imaginarios:



exc

S

So V

RR

R

CjCj

CjV

31

3

011

1

0 3

0 1 3

o exc

S

C RV V

C C R R

1 0 3

0 1 3

So exc

S

R C R CV V

C C R R

1 0 3 SR C R CEcuación de Balance:

~ Vo +

C0R1

CSR3

~

Vexc

Ejemplo de análisis: Puente R-C



Diferentes Puentes Reactivos (1)

Puente de WienOscilador basado en

un puente de Wien



Puente Schering




Puente de Maxwell




Puente Hay




Puente Owen



2. sensores 2.1 generalidades · • se basa en el principio de la variación de la resistencia...

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