mecanismos de transduccion

>TECNICAS DE MECANISMOS DE TRANSDUCCION. EZRA GREGORY GUTIERREZ ANGUIANO 1212040006 < 1

ResumenExisten varios mecanismos de transduccion en los sistemas biologicos pero para ello se han desarrollados diferetes

tecnicas que sirven como mecanismos de transduccion . Existen

varios ejemplos de micromaquinas como transducctores

mecanicos siendo estos de gran importancia en aspectos sensible

siguiendo los effectos fisicos de piezoresistividad,

piezoelectricidad, captancia de variables, opticos y tecnicas de

resonancia.Algunos de los metodos actuales serian

piezoelectricos, termal y magneticos.

Terminos o palabras clave Transduccion, resistivdad , captancia, resonancia, tension, piezo, modulo de young , nano

metro, ondas acusticas, frecuencia, polarizacion, foil, fases,

frecuencia.Paginas para consulta [email protected]

http://www.ieee.org/organizations/pubs/ani_prod/keywrd98.txt

I. INTRODUCCION

Ay varios ejemplos de micromaquinas traductores

mecanicos y el proposito de este articulo es presenter

algunos de los fundamentos, conceptos y tecnicas que son

usadas en el diseo de maquinas microsensores y

actuadores.Los mas importantes mecanismos como sensores

incluyendo los siguientes effectos: piezoresistividad,

piezoelectrico, capacitancia de variables, opticos, y tecnicas de

resonancia.De igual manera tambien exiten sensores

inteligentes llamados asi por su comportamiento ante

especificosefectos.

.

II. PIEZORESISTIVIDAD

Piezo signicando presion por lo tanto piezoresistividad es

un efecto exhibido por varios materiales que exiben un cambio

de resistividad cuando se le aplica una presion.Los efectos

fueron descubiertos por Lord Kelvin in 1856, quien noto que

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BS123456. The next few paragraphs should contain the authors current affiliations,

including current address and e-mail. For example, F. A. Author is with the

National Institute of Standards and Technology, Boulder, CO 80305 USA (e-mail: author@ boulder.nist.gov).

S. B. Author, Jr., was with Rice University, Houston, TX 77005 USA. He

is now with the Department of Physics, Colorado State University, Fort Collins, CO 80523 USA (e-mail: [email protected]).

T. C. Author is with the Electrical Engineering Department, University of

Colorado, Boulder, CO 80309 USA, on leave from the National Research Institute for Metals, Tsukuba, Japan (e-mail: [email protected]).

la Resistencia del cobre y el Fierro en cable incrementaba con

la tension.EL tambien observe que el Fierro en cable

mostraba un largo cambio en su Resistencia que el cobre.La

primera aplicacion de los efectos de piezoresistividad no

aparecio hasta los 30 (1930), algunos aos 75 despues Lord

Kelvins los descubrio.En logar de utilizer cables de metal ,

estos llamados medidores de deformacion son generlamente

hechos con una lamina de aluminio delgadaque pueda ser

colocada sobre una supeerficie. Un tipico metal de foil

(aluminio delgado) se puede representar con la siguiente

figura 1.1

(1)

La sensibilidad del medidor de tensin se denomina

generalmente el factor de caliber. Esta dada por una cantidad

bidimensional y esta dad por

(2)

Donde R es la Resistencia inicial y la diferencia de R es el

cambio de Resistencia. Los terminus de L y su diferencial

estan definidos por la tensin aplicada denotada como e

(dimensin menos). Para todos los materiales elsticos, existe

una relacin entre el strees O (N/m2) y la tension e: es decir,

que obedecen la ley Hooke y por lo tanto deformar

linealmente con la fuerza aplicada. la constante de

TECNICAS DE MECANISMOS DE TRADUSCCION (NOVIEMBRE 2015)

Primero Ricardo Cisneros T, Profesor, UPVM , Segundo Ezra G Gutierrez A, Alumno, UPVM

H


proporcionalidad en el mdulo elstico o modulo de young de

los materiales y esta dada por

(3)

Cuando un material elastic es sometido a una fuerza a lo largo

de su eje, tambin se deformar a lo largo de los ejes

ortogonales. Por ejemplo, si un bloque rectangular de un

material es estirado a lo largo su longuitud , anchura y espesor

disminuyen.En otras palabras, una deformacion por traccion a

lo largo de la longuitud dara lugar a la tension de compression

en las direcciones ortogonales.Tipicamente, los ejes y

tensiones tranversales seran diferentes y la proporcion entre

los dos es conocido como la razon poisson, (v), los efectos de

la rzon poisson se representan con la siguiente figura 4

Para no entrar en tanta controversia un sensor piezo resistive

es un dispositivo que hace uso de cambios en la resistividad de

ciertos materiales semiconductors cuando estos se someten a

una tension mecanica para efectuar una accion

electronica.Este fenomeno se basa en que estos materiales

tienden a sufrir cambios en sus caracteristicas de Resistencia

cuando se flezionan o estan en estrees bajo alguna presion.

Cuando ciertos materiales semiconductores estan expuestos a

esfuerzos mecanicos, su resistividad, o la capacidad basica

para oponerse a la corriente electrica cambia.Este cambio en

las carcteristicas materiales de Resistencia cambia .Esto da a

lugar un aumento o disminucion de cualquier corriente que

pasa atraves del dispositivo que se utiliza para medir la

tencion relacionada, estos dispositivos son comun mente

utilizados para medir la fuerza que inducen al estres tales

como la aceleracion y la presion.

A. Areas de Aplicacion

Los sensores piezorresistivo se ulitizan en una amplia

variedad de aplicaciones que implican la medicion de tension

mecanica. La industria del automovili los emplea como

sensores de presion y gas.Tambien se utilizan en el campo de

la medicina en dispositivos tales como equipos de medicion de

la presion arterial.L

B. Silicio monocristalino

Los sensores de presion de silicio monocristalino han

entrado en uso amplio en los ultimos aos. Aunque fabricados

con tecnologia de semicondutores, tambien operan sobre el

principio resistive.El cambio de resitencia en un

semiconductor monocristalino (un efecto piezoelectrio) es

sustancialmente mayor que la variacion en los medidores de

deformacion estandar, cuya Resistencia esta influenciada por

un cambio ( decompression o estiramiento de la red cristalina)

que puede ser prodcido por una muy pequea deformacion

mecanica.Como resultado , la sensibilidad de los sensores

monocristalinos es mayor que la de la mayoria de los otros

tipos. Las ventajas especificas son :

- Alta sensibilidad ,> 10 mv /v

- Buena linealidad a temperature constante

- Capacidad para realizer un seguimiento de los cambios

de presion sin hysteresis de la seal. Hasta el limite

destructive

Las desventajas son:

- Fuerte dependencia no lineal de la seal a plena escala

de la temperature (hasta el 1% /kelvin)

- Gran desviacion inicial (hasta el 100% de la escala

complete o mas)

- Fuerte derivada de desplazamiento con la temperature.

III. PIEZOELECTRICIDAD

Ciertas clase de cirstales exhiben la propiedad de producir

una carga elctrica cuando se somete a una fuerza mecanica.

Estos tambien se deforman en respuesta puesta a un campo

elctrico aplicado externamente

La propiedad de la piezoelectricidad fue observada por

primera vez por Pierre y Jacques Curie en 1881 estudiando la

compresin del cuarzo. Al someterlo a la accin mecnica de

la compresin, las cargas de la materia se separan y esto da

lugar a una polarizacin de la carga. Esta polarizacin es la

causante de que salten las chispas.

Para que la materia presente la propiedad de la

piezoelectricidad debe cristalizar en sistemas que no tengan

Fig. 4. La ilustracion de la razon poisson sobre un rectangulo, isotropico ,

como bloque elastic. Una deformacion por traccion resulta en la deofrmacion entre dos ejes ortogonales


centro de simetra (que posean disimetra) y por lo tanto que

tengan un eje polar. De las 32 clases cristalinas, 21 no tienen

centro de simetra. Todas estas clases menos una tienen la

propiedad piezoelctrica en mayor o menor medida.

Los gases, los lquidos y los slidos con simetra no poseen

piezoelectricidad.

Si se ejerce una presin en los extremos del eje polar, se

produce polarizacin: un flujo de electrones va hacia un

extremo y produce en l una carga negativa, mientras que en

el extremo opuesto se induce una carga positiva.

El alto voltaje obtenido, que es necesarion para que salte la

chispa, es mayor si se utilizan lminas de cristal estrechas y de

gran superficie. Las lminas estrechas se cortan de manera que

el eje polar cruce perpendicularmente a dichas caras.

La corriente generada es proporcional al rea de la placa y a

la rapidez de la variacin de la presin aplicada

perpendicularmente a la superficie de la placa (dF/ dt es la

rapidez del clic-clac).

Otra aplicacin importante de la piezoelectricidad es la que

resulta por cumplirse la propiedad inversa:

Si sometemos la placa de material piezoelctrico a una

tensin variable, se comprime y se relaja oscilando a los

impulsos de una seal elctrica.

Si esta placa est en contacto con un fluido le transmite sus

vibraciones y produce ultrasonidos.

La primera aplicacin prctica de la piezoelectricidad, que

surge de la cualidad de transformar una seal mecnica (la

presin) en una seal elctrica (corriente elctrica ), es la del

sonar

Una ilustracion del efecto piezo electric.La fuerza aplicada

resulta en la generacion de un voltaje cruzado de electrons

La siguiente table muestra algunas propiedades de varios

tipos de piezoelectricos materilaes. Y en la figura muestra la

grafica de un circuito electric de un piezoelectrico

IV. TECNICAS CAPACITIVAS

Los sensores capacitivos se utilizan en mquinas, instalaciones

y vehculos para el control de nivel de lquidos, pastas y

productos a granel. Estos materiales, pueden detectarse a

travs de paredes no metlicas. Adems, los sensores

capacitivos son adecuados como finales de carrera, sensores

de posicin sin contacto, para monitorizacin y

posicionamiento, as como generadores de impulsos de

contaje, medida de distancia y velocidad, y mucho ms

A. Principio de funcionamiento

Los electrodos de la cara de deteccin del dispositivo permiten

detectar las condiciones dielctricas en su entorno ms

cercano. Dependiendo de la distancia entre el objeto (o

material) a detectar y el sensor capacitivo, cambia la

capacitancia en la zona de medida. La capacitancia no slo

depende de la distancia mencionada, sino tambin de la

constante dielctrica (er) del objeto, as como de su forma. A

medida que el sensor se acerca al objetivo, la capacitancia

aumenta. Cuando se alcanza un valor de umbral, el oscilador

interno se activa. Por medio de circuitos electrnicos, se

genera una corriente elctrica variable, la cual, dependiendo

del modelo, se puede usar como seal de corriente lineal o

como una salida binaria de tensin. Usando sensores

capacitivos se pueden controlar directamente, circuitos

electrnicos y autmatas programables, as como rels o

contactores. Los sensores capacitivos estn encapsulados en

carcasas sintticas o metlicas y rellenos de resina epoxi. Son,

adems, insensibles a la suciedad y los golpes.

V. TECNICAS OPTICAS

Las tcnicas de sensores pticos se basan principalmente en

la modulacin de las propiedades de una onda

electromagntica de frecuencia ptica. En el caso de sensores

pticos, midiendo directamente las propiedades de la onda

electromagnticahe.En el caso de los sensores opticos cuales

utilizan interfaz ptica, el sensor miniaturizado interacta con

el mediciones cuidadosas. El microsenso entonces modula una

propiedad de la seal ptica a fin de proporcionar una

indicacin de la medicion mas excata.

Las siguientes propiedades del las ondas electromagneticas

puedes ser alteradas:

1- Intensidad

2- Fase

3- Longitud de onda

4- Posicion especial

5- Frecuencia

6- Polarizacion

A. Intensidad

La intensidad o cantidad de energa por unidad de rea y

unidad de tiempo que transmite una onda electromagntica es


igual a:

La potencia de una onda electromagntica es igual a la

intensidad por el rea de la seccin, trasversal a la onda.

La energa transmitida en un cierto intervalo temporal es igual

a la potencia por el tiempo. La intensidad luminosa se mide en

W/m2, la potencia en W y la energa en J.

B. Fase

Como el fotodetector no responden directamente a la fase de

variacin, es necesario convertir una variacin en la fase a una

variacin de la intensidad para la medicin en el fotodiodo.

Esto se consigue normalmente mediante el uso de un

interfermetro de combinar uno o ms haces pticos que han

interactuado con el microsensor con uno o ms haces pticos

que no son afectados por el microsensor

Una fuente coherente tal como un diodo lser est, por tanto,

utilizar tpicamente en fase-base deteccin ptica. la

interaccin con el microsensor tiene el efecto de alterar la

longitud del camino ptico del haz ptico y por lo tanto sus

fases

C. Longitud de onda

Frecuentemente, la perturbacin que se propaga dando lugar

al movimiento ondulatorio, se mide o por desplazamientos de

las partculas de un medio elstico o por variaciones de una

magnitud vectorial, como sucede en el caso de ondas EM.

En cualquiera de los casos puede suceder que los

desplazamientos de las partculas en torno a su posicin de

equilibrio, o las variaciones de la magnitud vectorial, tengan la

misma direccin que la propagacin, o direccin normal a la

de propagacin. Respectivamente, se habla de ondas

longitudinales y transversales. Las ondas sonoras, por

ejemplo, son longitudinales. Las ondas EM, en las que las

magnitudes caractersticas de la perturbacin son los campos

elctrico y magntico, son transversales. Los campos elctrico

y magntico son perpendiculares entre s y estn situados en

un plano normal a la direccin de propagacin,

D. Frecuencia

La frecuencia tiene una relacin inversa con el concepto de

longitud de onda (ver grfico), a mayor frecuencia menor

longitud de onda y viceversa. La frecuencia f es igual a la

velocidad v de la onda, dividido por la longitud de onda

(lambda):

Cuando las ondas viajan de un medio a otro, como por

ejemplo de aire a agua, la frecuencia de la onda se mantiene

constante, cambiando slo su longitud de onda y la velocidad.

Por el efecto Doppler, la frecuencia es una magnitud

invariable en el universo. Es decir, no se puede modificar por

ningn proceso fsico excepto por su velocidad de

propagacin o longitud de onda

E. Polarizacion

La polarizacin electromagntica es una propiedad de las

ondas que pueden oscilar con ms de una orientacin. Esto se

refiere normalmente a las llamadas ondas transversales, en

particular se suele hablar de las ondas electromagnticas,

aunque tambin se puede dar en otras ondas longitudinales.

Por otra parte, las ondas de sonido en un gas o lquido son

ondas exclusivamente longitudinales en la que la oscilacin va

siempre en la direccin de la onda; por lo que no se habla de

polarizacin en este tipo de ondas.

En una onda electromagntica, tanto el campo elctrico y el

campo magntico son oscilantes, pero en diferentes

direcciones; ambas perpendiculares entre si y perpendiculares

a la direccin de propagacin de la onda; por convencin, el

plano de polarizacin de la luz se refiere a la polarizacin del

campo elctrico

GRAFICA COMPORTAMIMENTO DE LAS ONDAS ELECTROMAGNETICAS Y SU EFECTO

POR POLARIZACION , LINEAL, CIRCULAR Y ELIPITCA

Vertical lines are optional in tables. Statements that serve as captions for the entire table do not need footnote letters.

aGaussian units are the same as cg emu for magnetostatics; Mx =

maxwell, G = gauss, Oe = oersted; Wb = weber, V = volt, s = second, T = tesla, m = meter, A = ampere, J = joule, kg = kilogram, H = henry.


VI. GUIDELINES FOR GRAPHICS PREPARATION AND SUBMISSION

A. Types of Graphics

Un actuador es como un dispositivo que responde a las seales

elctricas dentro del sistema de transduccin de

Especficamente, un actuador mecnico es uno que traduce

una seal del dominio elctrico en el dominio mecnica. en el

caso ideal, nos gustara que la conversion fuera del 100% de

eficiencia. Por supuesto en nungun caso se logra esto en los

tipicos microactuadores siempre hay una deficiencia entre el

5% y el 35%.

VII. SENSORES INTELIGENTES

Segn el IEEE 1451.2 un transductor inteligente es aqul que

proporciona ms funciones de las necesarias para generar una

correcta representacin de la variable monitorizada, dichas

funcionalidades tpicamente estn orientadas a facilitar la

integracin del transductor con las aplicaciones del entorno de

red. La definicin que se aporta para el trmino sensor

inteligente es: La versin en sensor de un transductor inteligente. Se desprende pues que un sensor inteligente aade valor a los datos para dar soporte a la toma de

decisiones y al procesamiento distribuido. Los ambientes

inteligentes representan el nuevo paso en la evolucin en la

automatizacin de los sistemas industriales, domsticos, de

trasporte y de la construccin. Al igual que un organismo

sensitivo, un entorno inteligente confa en los datos sensoriales

obtenidos del mundo real. Los datos sensoriales provienen de

mltiples sensores, de mltiples propsitos distribuidos por

mltiples localizaciones. Los ambientes inteligentes necesitan

tanto la informacin del entorno que les rodea como la

informacin de su propio funcionamiento. En la figura 1 se

puede observar la estructura bsica de un sensor inalmbrico

inteligente.

Las claves de esta estructura son la capacidad de realizar

procesamientos gracias al microprocesador, la capacidad de

almacenar informacin en la memoria incorporada y la

incorporacin de un mdulo de transmisin inalmbrica de los

datos que permite captar la energa de la seal recibida para

alimentar al sensor. De este modo no se precisa ningn tipo de

infraestructura cableada que se conecte al sensor para que ste

sea funcional. Junto a esta estructura se plantea la arquitectura

software descrita en la figura 2.

En esta arquitectura software se presentas los protocolos y

estndares necesarios para plantear el sensor inteligente como

un Web Service. Con ello se pretende mejorar la integracin e

interoperatividad del sensor inteligente con otros sensores

VIII. CONCLUSIONES

Con esta informacion se pretende dar una visin de los

mecanismo de transduccion asi como de los sensores

inteligentes, indicando las partes de que constan,

caractersticas que deben tener estas partes y las funciones que

deben cumplir. Finalmente las comparaciones de sensores de

permiten, en un vistazo, conocer las caractersticas ms

importantes de cada uno. Por lo tanto pretende ser de gran

ayuda a todos aquellos que quieran iniciarse en los temas

relacionados.

APPENDIX

Appendixes, if needed, appear before the acknowledgment.

ACKNOWLEDGMENT

The preferred spelling of the word acknowledgment in

American English is without an e after the g. Use the

singular heading even if you have many acknowledgments.

Avoid expressions such as One of us (S.B.A.) would like to

thank ... . Instead, write F. A. Author thanks ... . In most

cases, sponsor and financial support acknowledgments are

placed in the unnumbered footnote on the first page, not here.

IX. PUBLICATION PRINCIPLES

The two types of contents of that are published are; 1) peer-

reviewed and 2) archival. The Transactions and Journals

Department publishes scholarly articles of archival value as

well as tutorial expositions and critical reviews of classical

subjects and topics of current interest.

Authors should consider the following points:

1) Technical papers submitted for publication must advance

the state of knowledge and must cite relevant prior work.

2) The length of a submitted paper should be commensurate

with the importance, or appropriate to the complexity, of

the work. For example, an obvious extension of


previously published work might not be appropriate for

publication or might be adequately treated in just a few

pages.

3) Authors must convince both peer reviewers and the

editors of the scientific and technical merit of a paper; the

standards of proof are higher when extraordinary or

unexpected results are reported.

4) Because replication is required for scientific progress,

papers submitted for publication must provide sufficient

information to allow readers to perform similar

experiments or calculations and use the reported results.

Although not everything need be disclosed, a paper must

contain new, useable, and fully described information. For

example, a specimens chemical composition need not be

reported if the main purpose of a paper is to introduce a

new measurement technique. Authors should expect to be

challenged by reviewers if the results are not supported by

adequate data and critical details.

5) Papers that describe ongoing work or announce the latest

technical achievement, which are suitable for presentation

at a professional conference, may not be appropriate for

publication.

REFERENCIAS

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mecanismos de transduccion

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