Introducción a la electrónica. Sensores
Que es un sensor? Un sensor es un dispositivo que convierte un
fenómeno físico a un senal medible (tensión,
corriente) Temperatura Presión Posición Intensidad
de luz sonido Fuerza, tensión Tensión
Corriente
Caracterización de sensores Accuracy: Es la máxima
difrerencia entre el valor indicado y el valor real
Resolución – Es el minimo incremento que el sensor
puede detectar. Repetitividad: La medida de un mismo valor es
realizada y repetida con pequena Linealidad Precision – Se
considera la resolución, precisión y repetitividad.
Rango – es el valor limit que el sensor puede Respuesta dinamica:
es el rango de frecuencia que un sensor puede operar (ej. Oido
humano 10Hz-16 Khz) Lugar de aplicación: existen sensores
que no pueden operar en condiciones ambientales severas.
Calibración Costo
Sensor de desplazamiento angular El potenciometro
El potenciometro Conectado como divisor de voltaje, entrega una
tensión proporcional a su posición angular
Sensor de posición angular Disco ranurado Puede medir
posición relativa y/o posición absoluta.
Posición lineal Potenciometro lineal (similares a los
utilizados en equalizadores de equipos de audio)
Posición lineal Transformador variable diferencial linear
(LDVT) diferencial Se aplica una tensión alterna, y la
tensión inducida en cada bobinado secundario dependera de
la posición del nucleo magnetico Nucleo movil
Sensores de fuerza y momento Strain gauges: miden fuerza sobre un
material midiendo la variación de su resistencia
Strain gauges Gauge factor
Circuito de medición Puente de Weasthone: La
variación de resistencia es muy pequena. El uso del puente
de Weasthone permite medir estas pequenas variaciones R2 se
ajusta para obtener V0=0volts. El valor de la Rstrain se puede
calcular con
Sensor piezoeléctrico Un cristal al ser sometido a una
presión desplaza una pequena cantidad de carga. Efecto
piezoelectrico Otras aplicaciones: microfonos, parlantes
Sensado de temperatura Termistores Resistencias NTC (coeficiente
negativo de temperatura) . (ver NTC_20….pdf) Resistencias PTC
(coeficiente positivo de temperatura) . RTD: resistive
temperature detectors Termocuplas Circuitos integrados
Termistores Son elementos cuya resistencia varia con la
temperatura. Estos dispositivos son muy sensibles a la
variación de temperatura. Su respuesta es no-lineal.
Termistores Self-heating Parámetros importantes
Resistencia a T=25grados. Coeficiente de disipación
térmica
RTD Resistive temperature detector: cuando un metal es calentado
su resistencia se incrementa. R=función(T) RTD de platino
(PT100)
RTD
Termocuplas Efecto Seebeck: Un gradiente de temperatura a lo
largo de un conductor crea una fuerza electromotriz. Si dos
conductores de metales diferentes son unidos en un punto, una FEM
es creada en los terminales abiertos. Esta tensión es
dependiente de las temperaturas T1 y T2.
Termocuplas
Compensación juntura fria En lugar de mantener la juntura
de referencia a un temperatura conocida o medirse esta
temperatura Compensar las variaciones de la tensión
generada en la juntura de referencia, insertando en el circuito
de medición una tensión de variación igual y
opuesta a esta tensión.
Tipos de termocuplas
Termocuplas
Conexión de termocuplas Conexión directa a un
instrumento Al insertar un voltímetro en el circuito para
efectuar la medición, aparecen nuevas junturas en la
conexión entre el voltímetro y la termocupla. Puede
generarse una juntura adicional, agregando un cable de cobre a la
salida del instrumento (juntura Cu-Cu en el borne, que no genera
potencial), y desplazar la juntura de conexión al
instrumento fuera del borne (juntura que se llamará de
referencia).
Sensores de estado solido Dos diodos idénticos a la misma
temperatura LM335 Rango Temp: -40 a 100 grados
Sensores de Temperatura
Sensores de nivel Capacitor de placas paralelas La capacidad
depende de la distancia entre placas, la constante dielectrica
del material entre placas y la sección de las
placas.
Sensores de nivel Medición de nivel en materiales no
conductores La capacidad en forma aproximada esta definida como
Las constantes dialectricas del liquido y el aire son conocidas.
La sección de las placas se mantiene constante La
capacidad es función del nivel del liquido
Fotocelulas (LDR) LDR ( resistencia variable por
iluminación) Son dispositivos que varían su
resistencia con el nivel de iluminación Nivel de
iluminación (en lux) Una lampara de 60 watts a 1 metro de
distancia – 50 lux Luz de luna – 0.1 Lux Luz de sol –
30000 Lux Tubo fluorescente – 500 Lux
LDRs Respuesta espectral Mayor nivel de iluminación, menor
resistencia
LDRs – Aplicaciones
LDRs – Aplicaciones
LDRs – Aplicaciones
Adquisición de datos Variable física Variable
eléctrica (tensión, corriente, resistencia,
capacidad) Tension Dato en formato digital SENSOR
Acondicionamiento de senal Conversión A/D Procesamiento de
datos Almacenamiento Visualización
Acondicionamiento de señales
Acondicionamiento de senal AMPLIFICACIÓN: La senal
generada por los sensores es de baja magnitud. Esta debe ser
amplificada antes de ser transmitidas. FILTRADO: Filtros deben
ser incluidos para eliminar interferencias no deseadas ( ruido de
línea 50/60 Hz,…) FILTRADO ANTIALIASING: tambien se
utilizan filtros para eliminar las componenes de alta frecuencia
de la senal. Ver Teorema de Nyquist. AISLAMIENTO: se utiliza para
separar la fuente de senal (sensor) del dispositivo medidor
(aislamiento por transformador, óptico, capacitivo)
MULTIPLEXADO: Senales provenientes de diferentes sensores pueden
ser procesadas por un único conversor.
Acond. de senal: termpocuplas Hardware: se adiciona una
tensión de desplazamiento de signo contrario. Software: Se
mide la temperatura de la juntura de referencia y se
calculá la tensión equivalente de la termocupla a
esa temperatura utilizando tablas de temperatura o polinomios. Se
mide el voltaje de salida de la termocupla y se le suma el
voltaje de la juntura de referencia calculado en el paso 1. El
voltaje resultante es convertido a temperatura utilizando
polinomios o tablas..
Acondicionamiento de senal Conexionado de RTD con 2 y 4 cables La
tensión medida es afectada por la resistencia del cableado
La tensión medida NO es afectada por la resistencia del
cableado Desventaja: MAS COSTOSO. Necesito un conductor de 4
hilos.
Senales de corriente Algunos sensores utilizados en control de
procesos aplicaciones de monitoreo generán una senal de 4
to 20 mA or 0 to 20 mA. Menos sensible al ruido y caida de
tensión en el cableado. El sistema de acondicionamiento de
senal debe convertir la senal de corriente a tensión
Ejemplo: Medidor de temperatura
Conversión corriente-tensión La senal de corriente
del sensor de 0-20mA es convertida a 0-10volts
Amplificación Requerimientos Elevada impedancia de entrada
Elevada ganancia diferencial Elevado rechazo de senal en modo
común (RRMC)
Amplificador de instrumentación
Adquisición de datos Filtro anti-aliasing Sample &
hold Cuantización senal analógica acondicionada
Palabra digital Criterio de Nyquist: una senal debe ser
muestreada al doble de su máxima componente de frecuencia
frecuencia fmin fmax Espectro entrada Respuesta filtro
anialiasing 0 1 0 0 . . 1