INSTRUMENTACIÓN Tema 2: Sensores

INSTRUMENTACIÓN
Tema 2: Sensores
1
Tema 2. Sensores
•
•
•
•
•
•
•
Sensores primarios
S
Sensores
resistivos
i ti
Sensores capacitivos
Sensores inductivos y electromagnéticos
Sensores generadores
Sensores digitales
Otros tipos de sensores
2
1
Sensores primarios
3
Sensores primarios
Recordemos lo que representan:
SISTEMA
física
Magnitud
eléctrica
Magnitud
relacionada
Magnitud
SENSOR
SENSOR
PRIMARIO
•
•
convierten una magnitud física en otra más fácil de medir por un
sensor
no ofrecen una salida en forma de señal eléctrica
4
2
Sensores primarios
SENSORES PRIMARIOS
(según la magnitud de entrada que detectan):
•
de temperatura:
•
•
•
•
de caudal:
•
de presión:
•
•
•
bimetales
•
•
manómetro
tubo Bourdon
diafragma
de fuerza y par
de nivel
•
•
•
•
•
tubo de Pitot
caudalímetros de
obstrucción
rotámetros o
caudalímetros de área
variable
caudalímetros de turbina
caudalímetros térmicos
caudalímetros de
desplazamiento positivo
vertederos de aforo
5
Sensores primarios de temperatura: bimetales
Bimetal: pieza formada por 2 metales con distinto coeficiente de
dilatación térmica unidos firmemente, por ejemplo, mediante
soldadura
ld d
autógena
tó
y sometidos
tid a la
l misma
i
temperatura.
t
t
Cuando se produce un cambio de T, la pieza se deforma según un arco
circular uniforme.
r≈
2e
3(α A − α B )(T2 − T1 )
6
3
Sensores primarios de temperatura: bimetales
Uso como sensor primario:
Temperatura
BIMETAL
Desplazamiento
SENSOR
Magnitud
eléctrica
Características:
• respuesta lenta
Otros usos:
• actuadores para abrir o cerrar contactos (termostatos)
• como protección en circuitos eléctricos (interruptores térmicos
por bimetal)
7
Sensores primarios de temperatura: bimetales
Uso como sensor completo:
Termómetros bimétalicos.
Constan de dos láminas de metal
pegadas, con diferentes coeficientes
de dilatación térmica. Cuando se
somete la lámina bimetálica a un
cambio de temperatura, la dilatación
diferencial provoca una flexión del
conjunto en forma de arco circular.
Basado en este sistema mecánico
Bourdon Española suministra los
modelos TBM y TBO, atendiendo a la
posibilidad de orientar la esfera.
8
4
Sensores primarios de presión
„
Sensores primarios de presión:
– manómetro
– tubo
t b Bourdon
B d
– diafragma
„
„
Pr esión =
Fuerza
Superficie
La medida de presiones en líquidos o gases es frecuente en
control de procesos
Para medir la presión se procede bien a su comparación con otra
fuerza conocida
conocida, bien a la detección de su efecto sobre un
elemento elástico (deflexión)
9
Sensores primarios de presión: Manómetro
Manómetro de columna de líquido
h=
p1 − p ref
ρ⋅g
Presión
Manómetro
Desplazamiento
10
5
Sensores primarios de presión: Tubo Bourdon
Tubo Bourdon
-
tubo metálico de sección transversal no
circular, que tiende a recuperar dicha forma
cuando se aplica una diferencia de presión
entre el interior y el exterior
(La diferencia de presiones provoca una deformación)
Presión
Tubo
Bourdon
Desplazamiento
11
Sensores primarios de presión: Tubo Bourdon
-
mejoras:
- en espiral y helicoidal
12
6
Sensores primarios de presión: Tubo Bourdon
-
Características:
- lineal para desplazamientos muy pequeños
- se usa para altas presiones
13
Sensores primarios de presión: Tubo Bourdon
-
Uso como sensor completo:
Manómetro Tubo Bourdon.
Consiste en un tubo en forma de
"C" que dibuja un anillo casi
completo, cerrado por un extremo.
Al aplicar la presión al terminal
abierto,,
el
tubo
tiende
a
enderezarse y el movimiento es
transmitido a la aguja indicadora.
14
7
Sensores primarios de presión: Diafragma
-
Diafragma: Placa circular flexible que se deforma debido a la
diferencia de presiones entre sus dos caras
Presión
Diafragma
Desplazamiento o
Deformación
-
Se mide el desplazamiento del punto central del diafragma o su
deformación .
-
Para medir bajas presiones
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Sensores primarios de caudal
-
Caudal: cantidad de materia, en peso o volumen, que fluye por unidad de tiempo.
-
Las medidas de caudal están presentes en todos los procesos de transporte de
materia y energía mediante fluidos, para controlar el proceso, como indicación o para
determinar tarifas (agua, gas, gasolina..)
•
Sensores primarios de caudal:
•
tubo de Pitot
•
caudalímetros de obstrucción
•
rotámetros o caudalímetros de área variable
•
caudalímetros de turbina
•
caudalímetros térmicos
•
caudalímetros de desplazamiento positivo
•
vertederos de aforo
16
8
Sensores primarios de fuerza y par
-
Convierten la fuerza o el par en un desplazamiento, midiendo el
efecto de una fuerza sobre un elemento elástico (célula de carga)
Fuerza o Par
Célula de
carga
Desplazamiento
17
Sensores primarios de nivel
-
Basados en flotador
18
9
Sensores primarios de nivel
-
de presión diferencial
19
Bibliografía del tema 2,
relativa a los sensores primarios:
Capítulo 1 del libro:“Sensores y acondicionadores
de señal", Ramón Pallas Areny.
20
10
Tema 2. Sensores
• Sensores primarios Æ su salida no es eléctrica
•
•
•
•
•
•
Sensores resistivos
Sensores capacitivos
Sensores inductivos y electromagnéticos
Sensores generadores
Sensores digitales
Otros tipos de sensores
Æ su salida sí es
una señal eléctrica
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Sensores
„
Información relevante de cada sensor:
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
NOMBRE
PARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLE
MAGNITUD MEDIDA
FOTO / SÍMBOLO
FUNDAMENTO FÍSICO (FUNCIONAMIENTO)
MATERIAL QUE LO COMPONE
MODELO O ECUACIÓN DEL SENSOR
TIPO DE SALIDA (ANALÓGICA O DIGITAL)
TIPO DE COMPORTAMIENTO (LINEAL O NO LINEAL)
VENTAJAS
LIMITACIONES
APLICACIONES
CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO
22
11
Sensores resistivos
23
Sensores resistivos
„
SENSORES RESISTIVOS
se basan en la variación de la resistencia de un elemento a
consecuencia de la variación de la magnitud a medir.
24
12
Sensores resistivos
„
SENSORES RESISTIVOS, tipos:
–
–
–
–
–
–
–
–
Potenciómetros
P
t
ió t
Galgas Extensiométricas
Detectores de temperatura resistivos (RTD)
Termistores
Magnetorresistencias
Fotorresistencias
Higrómetros resistivos
Resistencias semiconductoras para detección de gases
25
Sensores resistivos
„
Ejemplo de estudio de un sensor resistivo:
– Fotorresistencias
26
13
Sensor: fotorresistencia (LDR)
„
Información relevante que vamos a detallar de la LDR:
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
NOMBRE
PARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLE
MAGNITUD MEDIDA
FOTO / SÍMBOLO
FUNDAMENTO FÍSICO (FUNCIONAMIENTO)
MATERIAL QUE LO COMPONE
MODELO O ECUACIÓN DEL SENSOR
TIPO DE SALIDA (ANALÓGICA O DIGITAL)
TIPO DE COMPORTAMIENTO (LINEAL O NO LINEAL)
VENTAJAS
LIMITACIONES
APLICACIONES
CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO
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Fotorresistencias (LDR )
NOMBRE:
fotorresistencia, fotorresistor, fotoconductor, célula
fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuya siglas
(LDR) se originan de su nombre en inglés light-dependent
resistor
PARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLE:
resistencia eléctrica (R)
MAGNITUD MEDIDA:
nivel de iluminación
(densidad superficial de energía recibida expresada en lux)
1 lux = 1lumen /m²
28
14
Fotorresistencias (LDR )
FOTO:
FOTO:
SÍMBOLO:
29
Fotorresistencias (LDR )
FUNDAMENTO FÍSICO:
Las fotorresistencias se basan en la variación de la resistencia
eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación óptica
(radiación electromagnética con longitud de onda entre 1mm y 10nm).
si ↑luz → ↓RLDR
(cientos de Ω)
si ↓luz → ↑RLDR
(>10MΩ)
su fundamento físico es el efecto fotoeléctrico interno.
30
15
Fotorresistencias (LDR )
FUNDAMENTO FÍSICO: efecto fotoeléctrico interno
La conductividad eléctrica en un material depende del número de portadores en
la banda de conducción. En un semiconductor, a la baja temperatura la mayor
parte de sus electrones están en la banda de valencia, y se comporta caso como
aislante. Pero al aumentar la temperatura, y con ella la agitación de los electrones,
dado que las bandas de valencia y de conducción están próximas (a diferencia de
lo que sucede en un aislante), cada vez hay más electrones que saltan de la banda
de valencia a la de conducción, aumentando la conductividad. Si el semiconductor
está dopado, este salto es aún más fácil.
La energía necesaria para producir el salto puede venir de otras fuentes externas
además del calor,
calor como puede ser una radiación óptica o una tensión eléctrica.
eléctrica
En el caso de la radiación, si ésta tiene energía suficiente para permitir el salto de
los electrones de una a otra banda, pero sin exceder el umbral necesario para que
se desprendan del material, se tendrá efecto fotoeléctrico interno o fotoconductor,
y a mayor iluminación mayor será la conductividad. Si se excediera dicho
umbral, se tendría efecto fotoeléctrico externo.
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Fotorresistencias (LDR )
FUNDAMENTO FÍSICO: efecto fotoeléctrico interno
-
- - -
-
-
B. Conducción
B V
Valencia
l
i
- - - - B.
- - -
32
16
Fotorresistencias (LDR )
MATERIAL QUE LO COMPONE:
Materiales semiconductores como el
sulfuro de cadmio (CdS).
33
Fotorresistencias (LDR )
MODELO:
R = A·E
−α
R = resistencia eléctrica
E = densidad superficial de energía recibida (lux)
A y α = constantes dependientes de material sm
34
17
Fotorresistencias (LDR )
TIPO DE SALIDA:
ANALÓGICA
TIPO DE COMPORTAMIENTO:
NO LINEAL
35
Fotorresistencias (LDR )
VENTAJAS:
-gran sensibilidad
-bajo coste
36
18
Fotorresistencias (LDR )
LIMITACIONES:
- respuesta espectral estrecha (se debe elegir un
sensor específico en función de la longitud de
onda que se quiere detectar)
- comportamiento muy no lineal
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Fotorresistencias (LDR )
APLICACIONES:
Medidas de luz con poca precisión y bajo coste:
•control de diafragma en cámaras fotográficas
•detección de fuego
•sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles
en función de la luz ambiente
38
19
Fotorresistencias (LDR )
CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO:
DIVISOR DE TENSIÓN
39
Fotorresistencias (LDR )
CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO:
DIVISOR DE TENSIÓN + COMPARADOR
Vref
40
20
Fotorresistencias (LDR )
CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO:
DIVISOR DE TENSIÓN + DISPARADOR Schmitt
S h itt
41
Fotorresistencias (LDR )
CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO:
DIVISOR DE TENSIÓN + SEGUIDOR
42
21
Fotorresistencias (LDR )
EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR LDR EN UN ROBOT MOVIL:
Más información:
Web sobre Moway: http://coolab.umh.es/moway_web/moway.html
Video del hormiguero: http://www.youtube.com/watch?v=R8cEn8zLWAw
43
Sensores de
d reactancia
i variable:
i bl
2 tipos:
„
„
sensores capacitivos
sensores inductivos
44
22
Sensores capacitivos
„
SENSORES CAPACITIVOS
CAPACITIVOS, tipos:
ti
– Condensador variable
– Condensador diferencial
45
Condensador variable
NOMBRE:
condensador variable, capacitor o capacitancia variable
PARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLE:
Capacidad eléctrica (C)
MAGNITUD MEDIDA:
El cambio en la capacidad eléctrica puede ser producido por un
cambio en la constante dieléctrica del material o en la geometría del
condensador.
•
•
Por ello, son magnitudes medibles:
desplazamientos lineales y angulares
presión, fuerza, par y aceleración
46
23
Condensador variable
FOTO:
SÍMBOLO:
47
Condensador variable
FUNDAMENTO FÍSICO:
Cualquier fenómeno o magnitud que produzca
una variación de ε, A o d provocará un cambio
en C que será detectado en un circuito (I,V).
48
24
Condensador variable
FUNDAMENTO FÍSICO:
Ejemplo de condensador variable debido a un cambio en la constante dieléctrica:
49
Condensador variable
FUNDAMENTO FÍSICO:
Ejemplos
j p
de condensadores variables debidos a cambios en su g
geometría:
l
x
placa
fija
placa
móvil
w
A
x
ε1
d
ε2
x
Cx =
εA
x
Cx =
ε
(A - wx )
d
ε w
C x = o [ε 2l - (ε 2 - ε1) x ]
d
50
25
Condensador variable
FUNDAMENTO FÍSICO:
Ejemplos de condensadores variables debidos a cambios en su geometría y/o su
constante dieléctrica:
51
Condensador variable
FUNDAMENTO FÍSICO:
Geometrías básicas de condensadores:
CILÍNDRICO
DIFERENCIAL
Dieléctrico
PLANO
C=
εA
d
C1 =
εA
d-x
C2 =
εA
d+x
C=
2π εh
r2
ln
r1
52
26
Condensador diferencial
Consiste en dos condensadores variables dispuestos de tal modo que
experimenten el mismo cambio pero en sentidos opuestos:
C2
C1
C2 =
εA
d+x
C1 =
εA
d-x
x
d-x
d+x
Su p
principal
p ventaja
j es q
que mediante un acondicionamiento adecuado de la señal
de salida, se logra que ésta sea lineal. Por ejemplo, restando las tensiones de
cada uno de los condensadores variables C1 y C2. Æ ver en pizarra
53
Sensores capacitivos
MATERIALES QUE LOS COMPONEN:
Múltiples materiales.
En general, son 2 placas conductoras separadas
por un material dieléctrico.
54
27
Sensores capacitivos
MODELO del
CONDENSADOR VARIABLE:
MODELO del
CONDENSADOR DIFERENCIAL:
C2
C1
C2 =
εA
d+x
C1 =
εA
d-x
x
d-x
d+x
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Sensores capacitivos
TIPO DE SALIDA:
ANALÓGICA
TIPO DE COMPORTAMIENTO:
Puede ser lineal, según la magnitud medida y el circuito de
acondicionamiento utilizado junto con el sensor.
56
28
Sensores capacitivos
VENTAJAS:
- Puede utilizarse para medir diferentes tipos de magnitudes.
- Múltiples aplicaciones: medidores de desplazamientos, detectores
de presencia y proximidad, acelerómetros: activación del sistema
airbag, detección de movimiento, etc.
- Bajo coste
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Sensores capacitivos
APLICACIONES:
- Medida de desplazamientos lineales y angulares
- Detectores de proximidad: detectan metales y dieléctricos
como papel, madera, vidrio y plástico
- Medidas de presión, fuerza, par y aceleración.
58
29
Sensores capacitivos
CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO:
Puente de Wheastone en AC
En el puente (a) la salida varía de forma no lineal con x. Pero si se trata de un sensor diferencial
y se ponen sus dos impedancias en brazos adyacentes (puente (b)), entonces hay
proporcionalidad entre VS y x.
Además, en la configuración de puente (b) las interferencias térmicas y de otros tipos, que
afectan por igual en los dos brazos, se anulan. Esta es una de las razones de que los puentes de
alterna sean el método de medida habitual para sensores diferenciales.
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Sensores capacitivos
EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Detectores de proximidad capacitivos
60
30
Sensores capacitivos
EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote
Detección de movimiento en el espacio con el wiimote: El mando de la Wii
((wiimote)) tiene la capacidad
p
de detectar la aceleración a lo largo
g de tres ejes
j mediante la
utilización de un acelerómetro ADXL330.
acelerómetro ADXL330.
Wiimote.
61
Sensores capacitivos
EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote
¿Qué es el ADLX330?
El sensor ADXL330 es un acelerómetro completo de tres ejes acondicionado con salidas de
voltaje de señal, todo montado en un CI monolítico. El rango del sensor es de ±3g . Se
puede medir la aceleración de la gravedad estática en las aplicaciones de detección de
inclinación, así como la aceleración dinámica resultante de movimiento, choque o
vibraciones.
Se trata de un acelerómetro tipo MEMS basado en un sensor capacitivo diferencial.
MEMS (Microelectromechanical Systems) se refiere a la tecnología electromecánica,
micrométrica y sus productos. El silicio es el material utilizado para crear la mayoría de los
circuitos integrados y por tanto también los sensores tipo MEMs.
62
31
Sensores capacitivos
EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote
¿Qué es el ADLX330?
aceleración
Celda
unitaria
C1 < C2
Capacidades
C1 y C2
F = k⋅x
F = m·a
a=
k
x
m
63
Sensores capacitivos
EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote
¿Qué es el ADLX330?
64
32
Sensores capacitivos
EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote
Otro sensor tipo MEMs basado en sensor capacitivo diferencias: giroscopio IDG-300.
65
Sensores capacitivos
EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote
66
33
Sensores capacitivos
EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO: iPhone
Detección de movimiento en el espacio en un móvil: Los teléfonos inteligentes
((iPhone,, Blackberryy Storm)) utilizan acelerómetros p
para detectar cuándo la p
pantalla g
gira de
la orientación “retrato” a la posición “paisaje”. Además de facilitar otras aplicaciones, como
reordenar una lista al sacudirlo, por ejemplo.
67
Sensores capacitivos
EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO: iPhone
Detección de movimiento en el espacio en un móvil.
Disposición de acelerómetros en el iPhone.
Acelerómetro MEMS del iPhone: LIS302DL
68
34
Sensores inductivos
„
SENSORES INDUCTIVOS
INDUCTIVOS, tipos:
ti
– Basados en una variación de reluctancia
– Basados en corrientes de Foucault
– Basados en un cambio de M (LVDT y trafos variables)
69
Sensores electromagnéticos
l
é i
70
35
Sensores electromagnéticos
„
SENSORES ELECTROMAGNÉTICOS
• Definición:
S
Sensores
en llos que una magnitud
it d física
fí i puede
d producir
d i una
alteración de un campo magnético o de un campo eléctrico, sin que
se trate de un cambio de inductancia o de capacidad.
• Tipos:
• Sensores basados en la ley de Faraday
• Sensores basados en el efecto Hall
71
Sensores generadores
72
36
Sensores generadores
„
SENSORES GENERADORES
• Definición:
Sensores generadores son aquellos que generan una señal eléctrica
a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una
alimentación eléctrica.
• Tipos:
• Sensores termoeléctricos: termopares
• Sensores piezoeléctricos
• Sensores piroeléctricos
• Sensores fotovoltaicos
• Sensores electroquímicos
73
Sensores digitales
74
37
Sensores digitales
„
SENSORES DIGITALES
• Definición:
- Ofrecen
Of
lla medida
did codificada
difi d en un nºº determinado
d t
i d de
d bits
bit
- Ofrecen una señal de valores discretos
• Tipos:
• Codificadores de posición
• Incrementales
• Absolutos
•
Sensores autorresonantes
75
Bibliografía
“Sensores y acondicionadores de señal",
Ramón Pallas Areny, Ed. Marcombo, 2007.
Capítulos 2-8
Otra bibliografía complementaria:
Electrónica",, Pérez et al.
- Libro: “ Instrumentación Electrónica
- Revista Investigación y Ciencia, Mayo 2009
- Diversas fuentes de internet
76
38