1

TRANSDUCTORES Y SENSORES (RESISTIVOS Y DESPLAZAMIENTO)

ING. JUAN ROJAS CORRALES

6TO SEMESTRE

4TA GENERACIÓN

Bioinstrumentación

2

BIOINSTRUMENTACIÓN

• INDICE 1. Principios

2. Utilidades

3. Proyectos

4. Equipos

3

El transductor es un dispositivo que convierte una señal de una

forma física determinada en otra señal de forma física diferente. Es un dispositivo que convierte

un tipo de energía en otro.

El sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio

donde se mide, da una señal de salida transducible, que es función de la variable medida.

CONCEPTOS GENERALES

4

SENSORES DE POSICIÓN, DISTANCIA Y DESPLAZAMIENTO

• Medida de grandes distancias: radar• Medida de distancias cortas: ultrasonidos• Medida de pequeños desplazamientos:• Sensores de tipo resistivo:•Potenciómetro•Galgas Extensiométricas

5

GRANDES DISTANCIAS - RADAR• Miden señales a distancias entre 100 metros y 10 Kilómetros.

• El radar es básicamente un transmisor de radiaciones electromagnéticas a frecuencia muy elevada (5-20KHz) generadas por un oscilador modular a impulsos.

• Estas radiaciones son emitidas por una antena y un receptor amplifica los ecos recibidos del objeto cuya distancia se desea medir.

• Esta distancia se puede calcular como:

• El tiempo es de ida y vuelta, por tanto hay que dividirlo entre dos.

2t

cD .:

.,:

tan:

recibesequehastaemitidaesondalaquedesdedotranscurritiempot

luzladelantehabitualmeondasdenpropagaciódevelocidadc

ciadisD

6

CORTAS DISTANCIAS - ULTRASONIDOS• Sensores que miden distancias entre 1 centímetro y 10

metros

• Los ultrasonidos son radiaciones mecánicas de frecuencia superior a las audibles (20KHz). Toda radiación, al incidir sobre un objeto, en parte se refleja, en parte se transmite y en parte es absorbida.

Transmisor

Receptor

Generador de pulsos

Detector

Contador

S

R

Q

Display

Objeto

7

MEDIDA DE PEQUEÑOS DESPLAZAMIENTOS

• Sensores de tipo resistivo:• Potenciómetro:

• Galgas extensiométricas:

l

xR

)()( xlA

lA

R

.:

sec:

:

:

:

fijotermiinalotroeldesderecorridadistaanciax

ltransversaciónA

materialdeladresistivid

longitudl

aresistenciR

A

lR

ltransversaciónA

longitudl

adresistivid

aresistenciR

sec:

:

:

:

8

PRINCIPIOS• Son los sensores cuyo principio físico de funcionamiento es la VARIACIÓN DE LA

RESISTENCIA ELÉCTRICA de un componente eléctrico o electrónico.

Clasificación:

1. Potenciómetros

2. Galgas extensiométricas

3. Sensores de temperatura de resistencia metálica

4. Termistores

5. Magneto resistencias

6. Fotorresistencias

7. Higrómetros

8. Sensor y detector de gas

9. Sensor de conductividad de líquidos

9

POTENCIÓMETRO

• Componente eléctrico cuya resistencia es función del desplazamiento de un elemento móvil.

• Consiste en una resistencia fija con un contacto móvil con un contacto móvil deslizante lineal o giratorio que lo divide eléctricamente.

10

GALGA EXTENSIOMÉTRICAS

• Sensores basados en la piezorresistividad

• Si una pieza de material resistivo se le aplica un esfuerzo, ésta se deformara, y cambiara su resistencia.

• Por tanto, este tipo de sensores se utiliza para medir fuerza o presión, aunque también puede aplicarse a la medida de desplazamientos pequeños

11

Clasificación

Metálicas

Hilo – Película

Constantán:55% Cu45% Ni

Nicrom: 80% Ni20% Cr

KarmaAdvance

Manganina

Semiconductores

Si y Ge

Material P

Material N

Biaxiales

Metálicas

Semiconductores

Elastómeros

12

Ancho de Rejilla

Ancho de la Matriz

Medidor de Longitud

Longitud Totaldel Patrón Longitud

De Matriz

Anchura Totaldel Patrón

Dim

ensiones (M

etálica)

13

14

UTILIDADES

Potenciómetros

Galga Extensiométrica

TemperaturaCambian su R al variar la Temperatura en material

conductor

TermistoresCambian su R al variar la Temperatura en material

semiconductor

MagnoterresistenciasA un conductor por que el circula una corriente se le aplica un campo

magnético, el cual hace que la corriente se

reduzca desviando los electrones de su

trayectoria

FotorresistenciasVariación de la R por

radiación electromagnética (materiales

semiconductores)

Hidrómetros ResistivosVariación de R que cambia

sus cualidades dependiendo de la humedad del ambiente

a medir

15

PROYECTOS

1. Diseño de un sistema de posturografía portátil por Anna Alonso Pastor para su titulación en ETI Electrónica Industrial: Diseño e implementación de un circuito de acondicionamiento, adquisición, tratamiento y transmisión de datos para una balanza comercial con 4 sensores formados por dos galgas extensiométricas activas con variaciones opuestas y montadas sobre soporte metálico.

2. Balanza electrónica utilizando un sensor de presión resistivo bajo el control de un código en el programa Arduino. A una mayor fuerza ejercida sobre el sensor resistivo, menor será la resistencia.

3. Control y medida de nivel de liquido por medio de un sensor de presión diferencial por John Alexander Arias Lozada y Alejandro Marulanda Grajales para el Programa de Tecnologia eléctrica Pereira, se uso el sensor para la automatización y control de niveles de gases, vapores y liquidos.

16

EQUIPOS MEDICOS

1. Incubadoras

2. Incubadora de calor radiante

3. Maquinas de anestesia

4. Termómetros

5. Monitores

6. Basculas

7. Ventiladores

8. Maquina de diálisis

9. Bomba de circulación extracorpórea

17

PRINCIPIOS, UTILIDADES, PROYECTOS Y EQUIPOS

DONDE SE UTILIZAN LOS SENSORES Y/O

TRANSDUCTORESPIEZOELÉCTRICOS Y LAS MEDIDAS ÓPTICAS

PRINCIPIOS

El efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de cargas eléctricas en determinadas zonas de una lámina cristalina de algunos materiales siguiendo ciertos ejes, en respuesta a la aplicación de una presión. El cristal se coloca entre dos láminas metálicas que recogen las cargas eléctricas, siendo posible de esta forma medir las variaciones de presión.

Efecto piezoeléctrico

• cristales: cuarzo, turmalina directo compresión al cristalopuesto campo eléctrico

- reversible

cerámicas policristalinas: PZT, titanato de bario

Ecuaciones constitutivas del efecto piezoeléctrico

El dipolo eléctrico medio (P) desarrollado por una tensión extensiva (T) paralela a su eje de polarización será:

d : constante de voltaje piezoeléctrica [m/V]P : polarización [C/m2]T : tensión mecánica [N/m2]

D= desplazamiento eléctricoE : campo eléctrico [V/m]et: coeficiente de deformación piezoeléctrica [m/V]

SENSOR PIEZOELÉCTRICO

• Mide la masa depositada en la superficie de un cristal piezoeléctrico, detectando la variación en la frecuencia de resonancia característica (FRC) del cristal.

• Al aumentar el peso del cristal su FRC disminuye, esto es análogo a las cuerdas de una guitarra, que cuanto más gruesa es, resuena a una menor frecuencia.

• Consiste en un cristal de cuarzo, electrodos metálicos y el receptor que brinda la selectividad

UTILIDADES

Macroescala :

• El 'resonador de cuarzo' para su uso como un estándar de temporización• Sensores basados en resonadores de cuarzo '' para medir fenómenos físicos tales como: temperatura,

fuerza (esfuerzo) y la densidad del fluido, entre otros.• Transceptores ultrasónicos para sonar marino.• Sistemas de ultrasonido para imágenes biomédicas no invasiva.• Las agujas de tocadiscos• Visualización ultrasónica• Prueba de vuelo de aeronaves• Mantenimiento predictivo y preventivo

Microescala:• Empleando enzimas: Detección y cuantificación. El

aumento de peso sobre el cristal se debe a los compuestos formados.

• Empleando agentes inmunológicos: Detección y cuantificación de bacterias

• La variación de masa se produce por el acoplamiento antígeno-anticuerpo.

SENSOR ÓPTICO• Utilizan medios ópticos y electrónicos para detectar objetos. Para ello utilizan una luz roja (visible)

o infrarroja (invisible). Como fuente de luz se utilizan diodos o transistores emisores de luz.

• Un sensor óptico se basa en el aprovechamiento de la interacción entre la luz y la materia para determinar propiedades de está. Una mejora de los dispositivos sensores, comprende la utilización de la fibra óptica como elemento de transmisión para la luz.

• Los detectores de luz roja se ajustan mejor que los de luz infrarroja. La luz infrarroja es menos susceptible a las interferencias producidas por la luz ambiental. Estos detectores constan de un emisor y un receptor. La detección se realiza por reflexión, al devolver el objeto la luz recibida, o por barrera.

• Pueden detectar cualquier tipo de objetos o productos: sólidos o líquidos.

• Los tipos de montaje son: barrera, reflexión directa y retroreflexión

PROYECTOSSon considerados como el tipo más versátil de transductor ultrasónico.

Algunos se utilizan para el control de vibración y sensores de presión.

SE PUEDEN ENCONTRAR EN:

• Altavoces del equipo de audio,

• Dispositivos de impresión,

• Plataformas espaciales y aeronaves.

• La industria médica utiliza comúnmente transductores piezoeléctricos para diagnóstico por imágenes, como en las ecografías.

EQUIPOS QUE LOS UTILIZAN

Utiliza sensores piezoeléctricos para controlar la presión con la que sujeta el huevo

Inductor de ondas de choque para diferentes tratamientos

ENERGÍA A PARTIR DE LA RESPIRACIÓN

La piezoelectricidad es un fenómeno que presentan algunos materiales, normalmente cristales, que cuando son sometidos a tensiones mecánicas (compresión o estiramientos) adquieren una polarización eléctrica que deriva en una diferencia de potencial y la aparición de cargas eléctricas en su superficie.

La carga de la batería de un dispositivo biomédico destinado a la monitorización de la glucosa en sangre de un paciente o de la batería de un marcapasos podría solucionarse

SENSORES CAPACITIVOS INDUCTIVOS Y PUENTE

DE WHEATSTONE

SENSOR CAPACITIVO

• Los sensores capacitivos (KAS) reaccionan ante metales y no metales que al aproximarse a la superficie activa sobrepasan una determinada capacidad. La distancia de conexión respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto más elevada sea su constante dieléctrica.

FUNCIONAMIENTO

• Consta de una sonda situada en la parte posterior de la cara del sensor el cual es una placa condensadora. Al aplicar corriente al sensor, se genera un campo electrostático que reacciona a los cambios de la capacitancia causados por la presencia de un objeto.

• La capacitancia (Coulombs por Volts) se mide en Faradios, y su magnitud depende de:

• a).- La naturaleza del material dieléctrico,

• b).- El área de las superficies conductoras (placas) y

• c).- La separación entre las placas.

VENTAJAS

• los transductores capacitivos para detectar cambios en dimensiones sin estar en contacto con el elemento en movimiento.

• Por esta razón los transductores capacitivos están libres de cargas, fricciones y errores de histéresis.

• Otra característica del transductor es que la capacitancia no depende de la conductividad de sus placas.

• Por lo tanto los errores debido a la temperatura son extremadamente pequeños si no es que ausentes

SENSORES CAPACITIVOS DE CUARZO

• Otro tipo de sensor moderno, especialmente en mediciones médicas de presión, es el transductor de cuarzo. Estos dispositivos son básicamente capacitivos pero hay algunas diferencias en relación a los transductores conocidos como capacitivos. La cápsula del sensor de presión de estos dispositivos es hecha de cuarzo fundido homogéneamente

SENSOR INDUCTIVO

• Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirve para detectar materiales metálicos ferrosos.

• Este tipo de sensores incorporan una bobina electromagnetica que es usada para detectar la presencia de un objeto de metal conductor .

• La inductancia de una bobina depende de:

a).- Su geometría,

b).- La permeabilidad del medio en que está localizada,

c).- De su número de vueltas.

La inductancia de una bobina de una sola capa, con núcleo de aire, en microhenries puede ser calculada como:

• Así, si en alguna forma se deforma la geometría de la bobina (estirándola o comprimiéndola), podemos obtener un transductor que produzca un cambio en una señal eléctrica (inductancia) en base a la deformación (desplazamiento) en la bobina.

• El circuito del puente de Wheatstone consiste de dos reactancias inductivas (bobinas L1 y L2) y dos resistencias de 200 Ω.

• El transductor Hewlett-Packard modelo 1280, mostrado en la figura 7-5a, se utiliza para mediciones de presión arterial y venosa en mm de Hg

• La transducción ocurre debido al cambio de posición del núcleo de la bobina.

PUENTE DE WHEATSTONE

• El puente de Wheatstone es un circuito diseñado para encontrar la resistencia (o en general la impedancia) de un componente sabiendo la de otros tres componentes.

• Para determinar el valor de una resistencia eléctrica bastaría con colocar entre sus extremos una diferencia de potencial (V) y medir la intensidad que pasa por ella (I), pues de acuerdo con la ley de Ohm, R=V/I.

• Muchos transductores biomédicos utilizan circuitos cuya configuración es conocida como Puentes Wheatstone. Son puestos en un Puente de Wheatstone para reducir el efecto de autocalentamiento (I2 R) y mejorar su sensitividad.

FILTROS ÓPTICOS

• Un filtro óptico es un medio que sólo permite el paso a través de él de luz con ciertas propiedades, suprimiendo o atenuando la luz restante.

• Los filtros ópticos más comunes son los filtros de color, es decir, aquellos que sólo dejan pasar luz de una determinada longitud de onda

• Si se limitan a atenuar la luz uniformemente en todo el rango de frecuencias se denominan filtros de densidad neutra

• Según su procedimiento de acción pueden ser de absorción, si absorben parte de la luz, o bien reflectivos si la reflejan. Los usos de los filtros ópticos incluyen la fotografía, iluminación y numerosos usos científicos. Los filtros de absorción se elaboran depositando sobre la superficie de un sustrato transparente o mezclado en él, una sustancia con propiedades absorbentes de la luz.

• Según el rango de frecuencias que dejan sin filtrar, se clasifican en filtros de paso alto o de paso bajo, según si dejan sin filtrar las radiaciones de frecuencia superior o inferior respectivamente a cierto valor, denominada frecuencia de corte. En los filtros de paso de banda se filtran las frecuencias por encima y por debajo de ciertos límites.

TIPOS DE FILTROS

• Filtros dicroicos

• Filtro de Lyot

• Filtros polarizadores

• Filtro de excitación

• Filtro de resonancia atómica

• Filtro espacial

CITOMETRIA DE FLUJO

• La citometría de flujo es una tecnología biofísica basada en la utilización de luz láser, empleada en el recuento y clasificación de células según sus características morfológicas, presencia de biomarcadores, y en la ingeniería de proteínas. En los citómetros de flujo, las células suspendidas en un fluido atraviesan un finísimo tubo transparente sobre el que incide un delgado rayo de luz láser, la luz transmitida y dispersada por el pasaje de las células a través del tubo se recoge por medio de unos dispositivos de detección, permitiendo hacer inferencias en cuanto a tamaño y complejidad de las células. También permite el análisis multiparamétrico simultáneo de otras características físicas y químicas, evaluando en promedio más de dos mil partículas por segundo.

• La citometría de flujo es una técnica utilizada en forma rutinaria en muchos centros de salud para el diagnóstico y seguimiento de muchas enfermedades tales como las leucemias, granulomatosis crónica, y SIDA; sin embargo tiene muchísimas otras aplicaciones en investigación básica, práctica y ensayos clínicos. Una variante común de esta técnica es la separación física de partículas según sus propiedades, empleándose por ejemplo para purificar poblaciones de interés.

ESPECTROFOTOMETRO

• Un espectrofotómetro es un instrumento usado en el análisis químico que sirve para medir, en función de la longitud de onda, la relación entre valores de una misma magnitud fotométrica relativos a dos haces de radiaciones y la concentración o reacciones químicas que se miden en una muestra. También es utilizado en los laboratorios de química para la cuantificación de sustancias y microorganismos.

TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA

Transductores son elementos que transforman una magnitud física

en una señal eléctrica. Sepueden clasificar en dos grupos:

Activos y pasivos.

Son transductores activos los que hay que conectar

a una fuente externa de energía eléctrica para que puedan

responder a la magnitud física a medir como

por ejemplo las fotoresistencias y termoresistencias

Son pasivos los que directamente dan una señal

eléctrica como respuesta a la magnitud física como los fotodiodos

y las sondas de pH.

TRANSDUCTORES

TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA

• El encapsulado, las conexiones y otros componentes físicos del sensor de temperatura hacen que cuando el transductor entre en contacto con el medio, absorba calor de él; alterando consecuentemente la temperatura del medio objeto de medida. A este proceso se le denomina transferencia parásita de calor (“termal shunting”).

• Los detectores de temperatura resistivos (RTD; Resistive Temperature Detector) son los sensores de temperatura más estables y precisos. Su rango de medida es de –200 ºC a 800 ºc.

• El principio operativo del RTD consiste en que la resistencia de la mayoría de los metales aumenta con la temperatura. Un metal apto para aplicaciones con el RTD debería poseer las siguientes características:

• Elevada resistividad, con el fin de economizar material.

• Cambio en la resistividad con la temperatura adecuado a la resolución deseada, y lineal para simplificar el mecanismo de conversión.

• Propiedades mecánicas que hacen el dispositivo fiable.

• La mayoría de los RTD son de platino porque, además de verificar las anteriores características, es un material muy resistente a la contaminación y sus propiedades se mantienen a muy largo plazo.

TRANSDUCTORES DE TEMPERATURATermoresistencias Son conductores cuya resistencia varia con la temperatura. La función de transferencia de las termoresistencias es en general:

TermistoresSon semiconductores cuya resistencia es variable con la temperatura.

Para un semiconductor intrínseco o poco dopado, la resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura. Por ello se denomina termistor NTC (Negative Temperature Coeficient).

Para un semiconductor muy dopado, la variación de la resistencia con la temperatura es contraria al caso anterior, esto es, aumenta la resistencia si aumenta la temperatura (al igual como los conductores).

Por ello se denominan PTC (Positive Temperature Coefficient).

TermoparesEl funcionamiento de una termopar fue descubierto en 1822 por T.J. Seebeck: cuando se unen dos metales diferentes formando un circuito cerrado y una de las uniones se calienta a una temperatura diferente de la temperatura de la otra unión, aparece una corriente eléctrica por el circuito.