Sensores resistivos y acondicionamiento de seal1.- Sensores Resistivos.Los sensores moduladores del tipo resistivos, son aquellos que varan una resistencia en funcin de la variable a medir. Una clasificacin de estos sensores en funcin de la variable a medir se muestra en la tabla siguiente:

1.2.- Tipos de Sensores resistivos.1.2.1 Potencimetros (variable mecnica)El potencimetro es un sensor utilizado para medir la variable mecnica desplazamiento, y consiste de un dispositivo con dos partes y tres terminales. Una de las partes es una resistencia fija descubierta la cual puede ser de carbn o de hilo arrollado. La otra parte es un contacto mvil que se desplaza por la resistencia fija. En Teora, para un conductor cualquiera, su resistencia viene dada por:

= Resistividad del material (m) A = Seccin transversal l = Longitud del conductor.

En la siguiente formula se muestra el modelo de un potencimetro. Si se denominaxa la distancia recorrida por el curso, la resistencia obtenida ser:Donde = x/l R0= l/A

El problema de este tipo de sensor es:a) Vara con la temperatura.b) b. Vara con la deformacin de la seccin transversal, causada por la presin o fuerzas ejercidas sobre l.c) c. El contacto del cursor origina desgaste, modificando la seccin transversal.Pueden ser lineales, como la figura mostrada anteriormente, o no lineales como el siguiente:

En este ltimo caso, la resistencia fija entre E y C est formada por una seccin triangular variable de hilo arrollado. Este hilo tiene una seccin A y dimetro D.La ecuacin de su resistencia es ahora:

El potencimetro se utiliza para medir preferiblemente desplazamientos, conectando el objeto de medicin a su cursor. Sin embargo, puede ser utilizado para medir otras variables de forma indirecta, cuando estas generen desplazamientos en otros dispositivos.Por ejemplo:a) Se puede utilizar para medir presin, si se conecta el cursor al extremo de un tubo Bourdon.b) Para medir nivel en lquidos conductores o no conductores.c) Para medir temperatura si se conecta al extremo de un medidor de bulbo y capilar.En los casos a y c se utiliza para generar una seal elctrica. Mientras que en el caso b es el elemento primario.

1.2.2 Galgas Extensiometricas (variable mecnica)Se basan en el efecto piezorresistivo. La diferencia es que ahora se busca modificar la resistencia variando algunos de los parmetro de la resistencia, por ejemplo, su longitud l o su seccin transversal A. Si a una pieza de material resistivo se le aplica un esfuerzo, esta se deformar, y cambiar su resistencia. Por tanto, este tipo de sensores se utiliza para medir fuerza o presin, aunque tambin puede aplicarse a la medida de desplazamientos pequeos.

Todo material al que se le aplica un esfuerzo se deformar en mayor o menor grado, y llegar a un punto en que se romper. Esta relacin esfuerzo vs deformacin se muestra en la siguiente grfica.

Si se tiene un conductor cilndrico de longitudly seccin transversalA,y se le aplica un esfuerzo perpendicular a la seccin transversal, de tal forma de comprimirlo o estirarlo, es decir,

Donde:E = Constante del material o mdulo de Young en Pa = Tensin mecnica o esfuerzo en Pa o Kg/cm2 = Deformacin unitaria adimensional, normalmente dada en deformaciones (10-6 m/m)1.2.3 Termorresistencias (Variable trmicas)Una termorresistencia es un dispositivo que vara su resistencia con la temperatura. Suele denominarse RTD (Resistive emperatura detector) por sus siglas en ingles.El smbolo que la caracteriza es:

El smbolo sin flecha indica que la variacin es intrnseca por la caracterstica resistiva, no por manipulacin manual.La ecuacin caracterstica de las termorresistencia es la siguiente:

Este dispositivo tiene como limitaciones. No puede medir temperaturas prximas a la de la fusin del conductor con que se fabrica. El autocalentamiento ocasionar derivas en la medicin. S se deforma, puede cambiar su patrn de medicin.Tiene como ventaja el ser diez veces ms sensible que los termopares, tal como se ver ms adelante.Normalmente no es necesario considerar todos los coeficientes de la ecuacin (19), sino que considerando solo el primer trmino se tiene una excelente aproximacin, es decir

Donde es la sensibilidad del material, y R0 es la resistencia a la temperatura de referencia (normalmente 0 grados).En la tabla siguiente se muestran las Termorresistencias tpicas:

La termorresistencia ms comn por su linealidad es la de platino, que se suele denominar. Pt100 (termorresistencia de platino con R0 =100 a 0 C) Pt1000 (termorresistencia de platino con R0 =1000 a 0 C)

1.2.4 Termistores (Variables trmicas)Los termistores tambin son resistencias que varan su magnitud con la temperatura. Se diferencian de las termorresistencia por que estn basadas en semiconductores. Por tanto su caracterstica no es lineal, aunque dentro de un margen adecuado pueda ser considerada de es amanera.

Su smbolo ser:

La raya quebrada indica que no es lineal. El elemento positivo o negativo indica que tiene una caracterstica positiva o negativa respectivamente. Es decir, si es de coeficiente positivo, PTC, la resistencia se incrementa con la temperatura. Si es de coeficiente negativo, NTC, disminuye con la temperatura.En el caso de una NTC la ecuacin caracterstica ser

Donde:B = temperatura caracterstica del material (2000 K a 5000 K)R0 = Resistencia a la temperatura de referencia T0, normalmente la temperatura ambiente(25 C o 298 K)Tiene como ventajas el ser ms sensible que las Termorresistencias, ms rpidas y permite hilos de conexin mayores.Tiene como desventaja el ser no lineal, y al variar su temperatura por el autocalentamiento del material.

Los termistores tienen muchas aplicaciones algunos de los cuales son.a. Medida directa de temperatura por variacin de corriente:

b. Medida de caudal en circuito puente.

1.2.5 Magnetorresistencias (Variable magnticas)Las magnetorresistencias se basan en la variacin de resistencia en un conductor por variaciones en el campo magntico. Este efecto se denomina efecto magnetorresistivo y fue descubierto por Lord Kelvin en 1856

Este tipo de sensores tiene la ventaja con respecto a los sensores inductivos, por ser de orden cero, y con respecto a los sensores de efecto Hall por ser ms sensible y proveer un mayor margen de medicin de medicin.Est formada por una aleacin de Hierro y Nquel (permalloy)

Tiene las siguientes aplicaciones: Medicin de campos magnticos en las lectoras de tarjetas. Otras magnitudes que provean un cambio en el campo magntico, como el desplazamiento de una pieza, detectores de proximidad, nivel de flotador, etc. En estos casos se utiliza un imn que cambia su posicin con el proceso. El campo generado por el imn es medido por la magnetorresistencia.

1.2.6 Fotorresistencias (Variables pticas)Las fotorresistencias o LDR, es un dispositivo que cambia su resistencia por el nivel de incidencia de luz. Est formada por materiales semiconductores.Su smbolo:

1.2.7 Higrmetros resistivos (Variables qumicas)El higrmetro se utiliza para medir humedad. Se basan en la variacin de resistencia que experimentan los materiales por la humedad, como el vapor de agua en un gas o el agua absorbida en un lquido o slido.Un material tpico es el aislante elctrico, el cual disminuye su resistencia al aumentar su contenido de humedad.

2. Acondicionamiento de SealLa seal de salida del sensor de un sistema de medicin en general se debe procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de la operacin. La seal puede ser, por ejemplo, demasiado pequea, y sera necesario amplificarla; podra contener interferencias que eliminar; ser no lineal y requerir su linealizacin; ser analgica y requerir su digitalizacin; ser digital y convertirla en analgica; ser un cambio en el valor de la resistencia, y convertirla a un cambio en corriente; consistir en un cambio de voltaje y convertirla en un cambio de corriente de magnitud adecuada, etctera. A todas estas modificaciones se les designa en general con el trmino acondicionamiento de seal.

Tipos de acondicionamiento de seal: Amplificador Operacional Proteccion Filtrado Puente Weatstone Seales Digitales Multiplexores Procesamiento de seales digitales Modulacion por pulsos

2.1 Procesos del acondicionamientoLos siguientes son algunos de los procesos que se pueden presentar en el acondicionamiento de una seal:1. Proteccin para evitar dao al siguiente elemento, por ejemplo un microprocesador, como consecuencia de un voltaje o una corriente elevados.2. Convertir una seal en un tipo de seal adecuado. Sera el caso cuando es necesario convertir una seal a un voltaje de cd, o a una corriente.3. Obtencin del nivel adecuado de la seal. En un termopar, la seal de salida es de unos cuantos milivolts. Si la seal se va a alimentar a un convertidor analgico a digital para despus entrar a un microprocesador, ser necesario ampliarla en forma considerable, hacindola de una magnitud de milivolts a otra de volts. 4. Eliminacin o reduccin del ruido. Por ejemplo, para eliminar el ruido en una seal se utilizan filtros.5. Manipulacin de la seal, por ejemplo, convertir una variable en una funcin lineal.

2.2 Tipos de acondicionamiento de seal2.2.1 Amplificador OperacionalEl fundamento de numerosos mdulos para acondicionamiento de seal es el amplificador operacional. Este es un amplificador de alta ganancia de cd, en general de 100 000 o ms, y est disponible como circuito integrado en chips de silicio. Tiene dos entradas: entrada inversora () y entrada no inversora (+). La salida depende de cmo se hagan las conexiones de estas entradas. Adems de las anteriores, el amplificador operacional tiene otras entradas: una alimentacin de voltaje negativo, una alimentacin de voltaje positivo y dos entradas conocidas como nulo del voltaje de desvo, cuyo propsito es activar las correcciones que se deben hacer por el comportamiento no ideal del amplificador.

Amplificador inversoLa entrada se lleva a la entrada inversora a travs de la resistencia R\, en tanto que la entrada no inversora se conecta a tierra. Se establece una trayectoria de retroalimentacin que inicia en la salida, pasa por la resistencia ^?2 y llega a la entrada inversora. El amplificador operacional tiene una ganancia de voltaje de unos 100 000 y el cambio del voltaje de salida en general se limita casi a 10 V. El voltaje de entrada deber estar entonces entre +0.0001 V y -0.0001 V, lo cual de hecho es cero; por ello el punto X es prcticamente un potencial de tierra y se le conoce como "tierra virtual".

Amplificador no inversoLa salida se puede considerar como tomada de un circuito divisor de voltaje formado por una resistencia R1 conectada en serie con R2. El voltaje V% es, por lo tanto, la fraccin R\I(R\ + R2) del voltaje de salida.

Dado que casi no hay corriente entre las dos entradas del amplificador operacional, prcticamente tampoco hay diferencia de potencial entre dichas entradas. Dado que en el caso de un amplificador operacional ideal, Vx V, se cumple que:

Un caso especial de este amplificador es cuando la malla de retroalimentacin est en cortocircuito, es decir, R2 = 0. En este caso la ganancia en voltaje es 1.

Amplificador sumadorAl igual que el amplificador inversor (seccin 3.2.1), X es una tierra virtual. Por lo tanto, la suma de las corrientes que entran a X debe ser igual a la suma de corrientes que salen. Por consiguiente:

Errores de los AmplificadoresLos amplificadores operacionales son amplificadores de elevada ganancia que tambin amplifican la diferencia entre sus dos entradas. Por lo tanto, si stas se ponen en corto es de esperar que no haya salida. Sin embargo, en la prctica esto no sucede as y es posible detectar la presencia de un voltaje de salida muy grande. Este efecto se produce por desequilibrios de los circuitos internos de los amplificadores operacionales. Para reducir a cero el voltaje de salida se aplica un voltaje adecuado entre las terminales de entrada, al cual se le conoce como voltaje de desvio. Muchos amplificadores operacionales estn diseados de manera que este voltaje se les aplique a travs de un potencimetro. En el 741 se hace conectando un potencimetro de 10 kQ entre las terminales 1 y 5 (ver la figura 3.1) y conectando el contado deslizable del potencimetro a una fuente de voltaje negativa (figura 3.15). Los dcsbalances dentro del amplificador operaciona! se corrigen ajustando la posicin del contacto des-lizable hasta que al no haber una entrada en el amplificador no se produzca una salida.

2.2.2 ProteccinPara protegerse contra corrientes grandes en la lnea de entrada se incorpora una serie de resistencias que limiten la corriente a un nivel aceptable y un fusible que se funda cuando la corriente excede un nivel seguro. Contra altos voltajes y polaridades equivocadas se utiliza un circuito con diodo Zener (figura 3.16). Los diodos Zener se comportan como diodos comunes hasta que se presenta un voltaje de ruptura, a partir del cual se convierten en conductores. Si se desea el paso de un voltaje como mximo de 5 V, al tiempo que se rechacen voltajes de ms de 5.1 V, se utiliza un diodo Zener con especificacin de voltaje de 5.1 V. De esta manera el voltaje en el diodo, y por lo tanto el que se alimenta al siguiente circuito, disminuye. Dado que el diodo Zener tiene baja resistencia a la corriente en una direccin y una resistencia elevada en la direccin contraria, tambin sirve como proteccin contra polaridades invertidas. Si el diodo se conecta con la polaridad correcta, produce una elevada resistencia a travs de la salida y una elevada cada de voltaje. Si la polaridad de la fuente est invertida, la resistencia del diodo es baja y pequea la cada de voltaje a la salida.

En algunas situaciones es deseable aislar del todo los circuitos y eliminar todas las conexiones elctricas entre ellos. Para ello se utiliza un optoaislador; implica convertir una seal elctrica en una seal ptica; sta pasa a un detector que, a su vez, la vuelve a convertir en seal elctrica.2.2.3 FiltradoEl trmino filtrado se refiere al proceso de eliminacin de cierta banda de frecuencias de una seal y permite que otras se transmitan. El rango de frecuencias que pasa un filtro se conoce como banda de paso, y el que no pasa como banda de supresin; la frontera entre lo que se suprime y lo que se pasa se conoce como frecuencia de corte. Los filtros se clasifican de acuerdo con los rangos de frecuencia que transmiten o rechazan. Un filtro pasa bajas (figura 3.19a) tiene una pasa bandas que acepta la transmisin de todas las frecuencias desde 0, hasta cierto valor. El filtro pasa alias (figura 3.19b) tiene una pasa banda que permite la transmisin de todas las frecuencias a partir de un determinado valor hasta un valor infinito. El filtro pasa bandas (figura 3.19c) permite la transmisin de todas las frecuencias que estn dentro de una banda especificada. El filtro supresor de banda (figura 3.19d) rechaza c impide la transmisin de todas las frecuencias de cierta banda. En todos lo casos, la frecuencia de corte se define como aquella para la cual el voltaje de salida es 70.7% del de la pasa banda. El trmino atenuacin se aplica a la relacin entre las potencias de entrada y de salida, expresada como la relacin del logaritmo de la relacin, por lo que la atenuacin se expresa en unidades de belios. Dado que sta es una magnitud bastante grande, se utilizan los decibeles (dB), de ah que la atenuacin expresada en dB = 10 log (potencia de entrada/potencia de salida). Puesto que la potencia en una impedancia es proporcional al cuadrado del voltaje, la atenuacin en dB = 20 log (voltaje de entrada/voltaje de salida). El voltaje de salida correspondiente al 70.7% del de la banda pasa bajas corresponde, por lo tanto, a una atenuacin de 3 dB.

El trmino filtrado describe un filtro en el cual slo hay resistencias, capacitores e inductores. El trmino activo se refiere a un filtro en el que tambin hay un amplificador operacional. Los filtros pasivos tienen la desventaja de que la corriente que absorbe el siguienteelemento puede modificar la caracterstica de frecuencia del filtro.2.2.4 Puente WeatstoneSe utiliza para convertir un cambio de resistencia en uno de voltaje. En la figura 3.22 se muestra la configuracin bsica de este puente. Cuando el voltaje de salida V0 es cero, el potencial en B debe ser igual al potencial en D. La diferencia de potencial en R), es decir, KAB, debe ser igual a la diferencia en R1, o sea, V-AB. Por lo tanto, I1 R1 = I2 R2. Tambin significa que la diferencia de potencial en R2, es decir, V-BC, debe ser igual a la de R4, es decir V-DC. Dado que en BD no hay corriente, la de Ri debe ser igual a la que hay en R1 y la corriente en R4 debe ser la misma de R3.Por consiguiente, I1 R2 = I2 R4 Dividiendo las dos ecuaciones se obtiene:

R1=R3R2 R4

2.2.5 Seales DigitalesLa salida que produce la mayora de los sensores en general es de tipo analgico. Cuando un microprocesador forma parte del sistema de medicin o de control, es necesario convertir la salida analgica del sensor a una forma digital antes de alimentarla al microprocesador. Por otra parte, la mayora de los actuadores funcionan con entradas analgicas, por lo que la salida digital de un microprocesador debe convertirse a su forma analgica antes de utilizarla como entrada del actuador.El sistema binario se basa slo en dos smbolos o estados: 0 y 1. A stos se les conoce como dgitos /nanos o bits. Cuando un nmero se representa con este sistema, la posicin del dgito en el nmero indica el peso asignado a cada uno de los dgitos, aumentando dicho paso en un factor de 2 conforme se avanza de derecha a izquierda:

Por ejemplo, el nmero decimal 15 en un sistema binario se representa como 2o + 21 +22+2s= 1111. En un nmero binario al bit Ose denomina bit menas significativo (LSB) y al bit mayor como bit ms significativo (MSB). La combinacin de bits que representa un nmero se denomina palabra. Por lo tanto, 1111 es una palabra de cuatro bits. El trmino byte se usa para designar un grupo de 8 bits

2.2.6 Multiplexoreses un circuito que puede recibir datos provenientes de diversas fuentes para despus al seleccionar un canal de entrada, producir una salida correspondiente a slo uno de ellos. En las aplicaciones en que se necesita hacer mediciones en diversas ubicaciones, en vez de utilizar un CAD y un microprocesador para cada medicin que se realiza, se usa un multiplexor para seleccionar cada entrada en tumo y conmutarlas a travs de un solo CAD y un micro-procesador (figura 3.42). El multiplexor es, en esencia, un dispositivo de conmutacin electrnica con el que las entradas se muestrean por turno.

2.2.7 Procesamiento de seales digitalesSe refiere al procesamiento que realiza elmicroprocesador de una seal. Las seales digitales son seales de tiempo discreto, es decir, no son continuas en funcin del tiempo, sino que existen slo en momentos discontinuos o discretos. En el acondicionamiento de seales analgicas se necesitan componentes como amplificadores y circuitos filtro, en cambio, el acondicionamiento de una seal digital se puede llevar a cabo mediante un programa en un microprocesador, es decir, se procesa la seal. Para modificar las caractersticas de un filtro usado para seales analgicas es necesario cambiar las componentes de hardware; mientras que, para modificar las caractersticas de un filtro digital basta cambiar el software, es decir, el programa de instrucciones del microprocesador.En la entrada de un sistema de procesamiento de seales digitales se recibe una palabra que representa la magnitud de un impulso y se produce la salida de una palabra distinta. Con base en el impulso de salida de un determinado instante, el sistema hace un clculo que es el resultado del procesamiento de la entrada del presente impulso as como el producto de entradas de impulsos anteriores y, quizs, de salidas anteriores del sistema.

2.2.8 Modulacion por pulsosUn problema frecuente en la transmisin de seales de cd de bajo nivel generadas por sensores es que la ganancia del amplificador ope-racional usado para amplificar estas seales puede experimentar un desplazamiento o deriva, al igual que la salida. Este problema se puede corregir con una seal que sea una secuencia de impulsos en vez de una seal continua en el tiempo.Una manera de realizar lo anterior es dividiendo la seal de cd como se indica en la figura 3.48. La salida del divisor es una cadena de impulsos cuyas alturas tienen relacin con el nivel de cd de la seal de entrada. A este procedimiento se le denomina modulacin por amplitud de impulsos. Concluida la amplificacin y dems acondicionamiento de la seal, la seal modulada se demodula para obtener una salida de cd. En la modulacin por amplitud de impulsos, la altura de los impulsos est relacionada con la magnitud del voltaje de cd.

3.- Conclusin:

4.- Bibliografahttp://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Tutorial/TECNO2.pdfhttps://gabrielamorales.wordpress.com/sensores-resistivos/http://1538445.blogspot.mx/2012/11/22-acondicionamiento-de-senales.html

18