SENSORES Y TRANSDUCTORES

Asignatura: Bioinstrumentacin

Escuela de Ingeniera Biomdica

Ciclo I/2013

IDEAS CLAVE

El principal objetivo de la bioinstrumentacin es la medicin de

bioeventos.

Un sensor es aquel elemento que permite transformar una forma de

energa en otra, es particularmente interesante cuando el cambio se

hace a una variable elctrica.

Las variables elctricas ms comunes son la resistividad,

capacitancia, inductancia o flujo magntico, y su variacin se refleja

en cambios de voltaje, corriente y resistencia.

As por ejemplo hay dispositivos que cambian su resistividad de

acuerdo a una variable fsica como la temperatura o luminosidad.

Otros dispositivos cambian sus propiedades de resistividad al

momento de aplicarles un esfuerzo que produzca en ellos una

deformacin como en el caso de las galgas extensiomtricas (strain

gages).

Existe una inmensa variedad de sensores disponibles en el

mercado: sensores que generan una corriente elctrica tras la

aplicacin de una fuerza como lo es el caso de los sensores

piezoelctricos, o sensores que cambian las propiedades de

conduccin segn una variable externa.

Consecuentemente no es una sorpresa que una forma de clasificar

los sensores sea de acuerdo a la variable elctrica que se modifica

a travs de la variable fsica.

Tambin se puedan clasificar de acuerdo a la variable fsica que

ellos puedan sensar.

Estudiaremos sensores que afectan directamente una variable

elctrica como la capacitancia, inductancia y resistividad; pero

adems sensores sensibles a cambio en variables fsicas tales

como la temperatura y la deformacin.

Transductores sensibles a deformacin

y desplazamiento

Transductores sensibles a temperatura

Resistivos Termocuplas

Capacitivos Termo-resistores

Inductivos Sensores de radiacin

Piezoelctricos

ALGUNOS TIPOS BASICOS DE TRANSDUCTORES

CONCEPTOS BSICOS

Es importante diferenciar trminos como: transductor, sensor y

actuador.

Un transductor es un dispositivo que convierte un parmetro

fisiolgico en una salida medible.

Un sensor convierte un parmetro fsico a una salida elctrica.

Un actuador convierte una energa elctrica a una salida fsica.

Un bioinstrumento debe obedecer la 1 regla de Kelvin: el instrumento no debe alterar el evento que est midiendo y adems debe obedecer 3 criterios: linealidad de amplitud, respuesta en

frecuencia adecuada y ausencia de distorsin de fase.

La linealidad en la amplitud se refiere a la habilidad del transductor

para producir una seal de salida que sea directamente proporcional

a la amplitud de entrada

La histresis afecta la linealidad y especficamente mide la

habilidad que posee el transductor de producir una salida

que siga la entrada independientemente de la direccin de

cambio de la entrada. Se acostumbra medir la histresis

como un porcentaje. Un buen ejemplo de histresis en el

cuerpo humano lo constituyen los pulmones durante la

respiracin. En un dispositivo bien diseado la histresis

debera ser menor al 1%.

La respuesta en frecuencia y la ausencia de distorsin de

fase conciernen a la habilidad del transductor para producir

una seal de salida que siga los cambios rpidos y lentos

que presente el evento. La respuesta en frecuencia debe

incluir armnicos. Para la ausencia de distorsin de fase se

requiere que el sensor mantenga las diferencias en las

componentes de frecuencia senoidal.

LOS SENSORES RESISTIVOS

La variacin en la resistencia de distintos dispositivos se ha utilizado reiterativamente para convertir temperatura y desplazamiento mecnico en seales de naturaleza elctrica.

La resistencia de distintos elementos se ve afectada por la temperatura, material, forma geomtrica y otras variables.

Los tipos ms comunes de sensores resistivos los constituyen los potencimetros, las galgas extensiomtricas y las termo-resistencias, ests ltimas sern estudiadas con los sensores de temperatura.

Los potencimetros

Los potencimetros convencionales pueden utilizarse para medidas de desplazamiento. As la resistencia vara de acuerdo a la posicin del cursor. Los potencimetros son instrumentos de orden cero, es decir no siguen un comportamiento de acuerdo a ninguna ecuacin diferencial.

LAS GALGAS EXTENSIOMTRICAS

Strain gages o gauges (trminos en ingls) son indicadores de deformacin. Son capaces de medir desplazamientos de hasta

1

mm/m, son pequeas y livianas, tienen una buena respuesta a altas

frecuencias, son flexibles de usar y tienen relativamente un bajo

costo. Poseen un amplio rango donde su respuesta es lineal, y la

calibracin es estable gracias a que las distintas galgas segn sus

arreglos y material poseen un factor gage.

Para entender los principios de las galgas extensiomtricas es

necesario retomar el concepto que son sensibles a la deformacin.

La deformacin bsicamente implica que al aplicar una fuerza sobre

ellas la galga se estira y deforma. Si retomamos la frmula de la

resistencia, donde esta depende de una constante llamada

resistividad y de la longitud y rea del material se obtiene la

siguiente ecuacin: R = r*L/A []

En la prctica se hace necesario usar el factor gage, que

no es ms que un factor indicador propio de cada strain

gage.

La razn resultante de dividir los cambios de resistencia

R/R entre los cambios de longitud L/L se llama gage factor, o factor gage, G.

El factor gage G para los metales es aproximadamente

2, mientras que el factor gage para silicio (un material

semiconductor cristalino) es aproximadamente 120.

LL

RRG

/

/

Cuando se observan las tablas del factor gage para diferentes materiales se aprecia que el factor gage de los materiales semiconductores es considerablemente mayor (entre 50 y 70 veces) al valor de los materiales metlicos.

Un alto factor gage es deseable, pero mientras en los metales el factor gage es funcin principalmente del efecto dimensional, en los semiconductores el efecto dominante es el piezorresisitivo.

La alta dependencia a la temperatura de los materiales cermicos limita un poco su uso. Aunque diseos actuales de strain gages semiconductores incorporan compensacin de temperatura.

El puente de wheastone est conformado por dos ramas en paralelo,

as ambas ramas tienen el mismo voltaje.

Es conocido por la ley divisora de voltajes que si a travs de un

circuito compuesto solo por una fuente de voltaje y 2 resistencias de

igual valor, a travs de cada una de ellas se cae el mismo voltaje. As,

si en ambas ramas del puente de wheatstone se tienen resistencias

iguales el voltaje entre a y b (diferencia de potencial) debe se cero.

Sin embargo es conocido que las resistencias tienen una tolerancia

de error de alrededor del 5%, lo que indica que con solo poner

resistencias no es fcil obtener un voltaje de cero entre a y b.

Es por esto que se usa un potencimetro para balancear el puente y

medir un cero entre las terminales a y b. De ah en adelante cualquier cambio en cualquiera de las resistencias del puente, por

pequeo que este sea puede ser percibido entre las terminales a y b.

Este arreglo en puente resulta ser muy sensible, y por esto mismo es

muy utilizado en la implementacin de transductores.

SENSORES INDUCTIVOS

Los inductores pueden usarse para medir desplazamiento. La

inductancia de una bobina depende de su geometra, de la

permeabilidad magntica del medio y del nmero de espiras que la

conforman:

L = n2 G Donde:

L = Inductancia

n = Nmero de espiras de la bobina

G = Factor de forma geometrica

= Permeabilidad efectiva del medio

Es posible modificar cada uno de los factores de la ecuacin

anterior por medios mecnicos.

Los sensores inductivos aprovechan el hecho de que la distorsin

en una bobina ya sea por estiramiento o por compresin alterar

su inductancia. No obstante el cambio en la inductancia es muy

pequeo y no es muy utilizado.

SENSORES CAPACITIVOS

Los condensadores son dispositivos que acumulan energa, estn

compuesto por dos placas metlicas separadas por un material

llamado dielctrico que puede ser lquido, slido, gaseoso o un

vaco. Si se pone un voltaje a travs de las placas del capacitor

este generar un campo magntico entre ellas. La capacitancia se

mide en Faradios.

SENSORES CAPACITIVOS

Los condensadores son dispositivos que acumulan energa, estn

compuesto por dos placas metlicas separadas por un material

llamado dielctrico que puede ser lquido, slido, gaseoso o un

vaco. Si se pone un voltaje a travs de las placas del capacitor

este generar un campo magntico entre ellas. La capacitancia se

mide en Faradios.

Sensores Piezoelctricos

El efecto piezoeletrico, descubierto a finales del siglo XIX por Pierre

y Jacques Curie, hace referencia a algunos materiales que son

capaces de generar un potencial elctrico en respuesta a una

deformacin mecnica.

Dicho potencial se genera a lo largo de ciertos ejes cristalogrficos

que como respuesta a la deformacin mecnica. El material sufre un

reordenamiento de las cargas internas, tanto positivas como

negativas, y por ende producen un potencial elctrico.

Para medir el potencial elctrico generado se usan dos electrodos,

su magnitud es proporcional a la deformacin y depende en gran

medida de la direccin en que se aplique la deformacin.

El efecto piezoelctrico es reversible, es decir que la aplicacin de un potencial elctrico a un cristal piezoelctrico produce deformacin. Ambas propiedades se han empleado considerablemente en la industria y en el diseo de bioinstrumentos. Los piezoelctricos son dispositivos de alta impedancia, por esto solo pueden suministrar corrientes muy pequeas. Si la temperatura es elevada lo suficiente, punto Curie, estos materiales pueden perder sus propiedades. Debe notarse que una limitacin de los piezoeltricos es que no tienen buena respuesta a la aplicacin de una fuerza constante, pero su respuesta es adecuada para la medicin de fuerzas mecnicas cambiantes. Su respuesta en frecuencia va desde unos pocos Hertz hasta el nivel de Mega Hertz.

LA TERMOCUPLA O TERMOPAR

EL EFECTO TERMOELCTRICO

Si dos cables de metales diferentes (por ejemplo, hierro y cobre)

estn conectados de manera que formen un bucle conductor

cerrado, se puede observar un voltaje en cualquier punto de la

interrupcin del bucle, que es proporcional a la diferencia de

temperatura entre los dos uniones de los metales. La polaridad

depende de cul de las dos uniones es ms clido. El dispositivo

formado de esta manera se llama un termopar. La sensibilidad de

un termopar es pequea y equivale a slo el 40 microvoltios por

grado Celsius.

El principio activo de transductores exige que toda la energa

elctrica entregada a la salida del transductor se obtendr de la

variable no elctrica en la entrada del transductor. En el caso de

los termopares puede que no sea evidente cmo la energa trmica

es convertida en energa elctrica.