UNIDAD 3.- Parámetros y Características de

UNIDAD 3.- Parámetros y Características de funcionamiento de dispositivos,
sensores
y transductores.
3.1 Introducción.
La entrada a un sistema de adquisición de datos se inicia en el elemento sensor, que es el
que produce una señal relacionada con la cantidad que se esta midiendo. Lo que sigue es la
conversión de esta señal de la variable física a una variable eléctrica que puede ser usada
por el sistema (ver figura 1.5). Un transductor es la unidad que proporciona esta conversión.
Con frecuencia se utiliza el término transductor en vez de sensor. Los transductores también
se pueden definen como el elemento que al someterlo a un cambio físico experimenta un
cambio relacionado. Es decir los sensores son transductores. Sin embargo, en un sistema de
adquisición de datos se pueden utilizar transductores además de sensores, en otras partes del
sistema para convertir señales de una forma dada en otra.
En esta unidad se presentaran una discusión general de sensores y transductores, así como
sus parámetros. Cada parámetro es definido y relacionado al número de bits N en las
palabras de datos X(nT). Se presentan algunas sugerencias para la corrección y
consideración apropiada de los efectos de estos parámetros.
3.1.1 El concepto general de un transductor y sus elementos básicos.
Nosotros definiremos al transductor como un dispositivo que tiene una variable física como
entrada y la transduce a alguna salida analógica tal como el voltaje, carga, o corriente.
Aunque esto incluye dispositivos en general, nosotros usaremos el término para un dispositivo
de una sola función.
Un transductor puede ser representado por tres elementos como se muestra en la figura 3.1. El
corazón del transductor es el sensor, como ya se dijo este término y el del transductor son
siempre usados indistintamente, pero nosotros los usaremos como esta indicado.
El sensor es el elemento que responde a una variable física produciendo una salida O(t), la
cual es frecuentemente proporcional a s(t). La salida puede ser una cantidad eléctrica o alguna
otra que puede ser convenientemente monitoreada eléctricamente. Como un ejemplo,
consideraremos un sonar de hydrófono construido de una pieza de material piezoeléctrico tal
como el BaTiO3 (Barium Titanio). Cuando una onda de sonido presiona, s(t), afectando al
material, la deformación resultante produce un voltaje O(t), entre las caras del material. La
amplitud del voltaje depende de la amplitud de la presión del sonido.
Transductor.
s(t)
Elemento de
interfase de
entrada
s1(t)
Sensor
o(t)
Elemento de
interfase de
salida
x(t)
Figura 3.1.- Componentes en general de un transductor.
Un segundo ejemplo, es un elemento de temperatura por resistencia. Cuando el material
resistivo esta sujeto a un cambio de temperatura, s(t), el valor de la resistencia, O(t), cambia. En
este caso, la salida no es directamente una corriente o un voltaje, pero el cambio de la
resistencia puede ser medido eléctricamente.
El bloque del transductor de la figura anterior, contiene un elemento de interfase de entrada
que tiene tres funciones primarias:
1. Proporcionar el acoplamiento entre la medida s(t) y el sensor. Esta función es
frecuentemente referido como una función de compatibilidad en términos de
transferencia de señales. El hidrófono proporciona un buen ejemplo. Para una onda
sonora en el mar el acoplamiento de la onda acústica de presión al material
piezoeléctrico puede aumentar poniendo un material llamado caucho rho-c, enfrente del
sensor, esto proporciona protección al sensor contra humedad. Usando el ejemplo del
dispositivo de temperatura por resistencia, este podría ser solo un pequeño
revestimiento sobre la cubierta para proteger al elemento del medio ambiente.
2. La segunda es proteger al sensor de efectos ambientales indeseables.
3. Finalmente, una tercer función del elemento de interfase es convertir a s(t) a otra
variable física, s1(t), requerida por el sensor que no puede responder a s(t) directamente.
Esta condición frecuentemente ocurre cuando un sensor es usado para monitorear a otra
variable para lo cual fue originalmente diseñado. Por ejemplo, supongamos que
tenemos un sensor en el que su salida varia con un movimiento lineal de una manivela o
maneral, si este sensor es usado para medir un desplazamiento angular, algún
dispositivo de interfase es requerido para convertir el movimiento angular a lineal.
El bloque de salida en el transductor es llamado el elemento de interfase de salida, este tiene
también tres funciones importantes:
1. Proporcionar una mayor eficiencia en el acoplamiento entre el sensor y la unidad que
sigue (el DAS de la figura 1.5), la así llamada función de compatibilidad en términos de
transferencia de señales.
2. Para proporcionar protección del medio ambiente como el elemento de entrada.
3. Convertir la salida del sensor O(t) a una variable eléctrica u óptica. Un ejemplo de esta
última función es proporcionado por el dispositivo de temperatura por resistencia.
Alguna técnica para convertir un cambio de resistencia a uno de voltaje es requerido, un
método muy popular es el Puente de Wheatstone, como se muestra en la figura 3.2. Los
componentes del puente constituyen el elemento de interfase de salida. En el inciso (b)
de la misma figura se redibujo el puente para enfatizar los diferentes elementos del
transductor.
En algunos sistemas de datos puede ser muy significativa la distancia entre algunas de
las unidades mostradas en la figura 1.5, siendo de hasta algunos kilómetros. Entonces
algunas de las líneas que conectan a los bloques pueden consistir de una simple tarjeta de
circuito impreso, una línea de transmisión de cable coaxial, par trenzado, cable de fibra
óptica, o incluso un sistema de radiocomunicación. Con este punto de vista, x(t) puede ser
una señal óptica o de radio, no meramente un voltaje, corriente o carga. La implicación de
esto es que la unidad de interfase de salida puede consistir de un transmisor óptico o de
radio. Receptores apropiados deben proporcionarse al bloque de entrada también.
Existen tres clases de sistemas que usan transductores. Tal ves el más simple es
estrictamente un sistema de medición. En este caso, la medición analógica es sensada, esta
es transducida a cantidad eléctrica de salida, la cual se acondiciona para maneja un display.
Un termómetro digital es un ejemplo de este sistema de medición. La entrada al transductor
es la temperatura, mientras que la salida puede ser un voltaje analógico. Este es convertido a
una señal equivalente digital que maneja el display.
Una segunda clase de sistema es el utilizado para control. En este caso, la medición
produce una salida que controla la cantidad de alguna variable física. La cantidad a ser
controlada a menudo afecta la medida. Por ejemplo, un control de temperatura de un horno
sensa la temperatura a la cual se encuentra mediante un transductor que la convierte a un
voltaje de salida. Este voltaje es usado para determinar el tiempo o ciclo efectivo de voltaje
del elemento de calentamiento, en el cual un cambio determina la temperatura del horno.
Una tercer clase de sistema es un sistema de procesamiento de señales. La medida
produce una cantidad de salida que es procesada o transformada en alguna otra forma útil, y
entonces es usada apropiadamente. Una línea telefónica lleva la analogía eléctrica de las
variaciones de presión del sonido de voz de una bocina que puede llevar ruido indeseado.
Un sistema de procesamiento de señales, puede filtrar digitalmente esta señal de la línea
para eliminar o minimizar el ruido y entonces, usar esta señal filtrada para reproducir la
palabra original.
Como una nota adicional, existen transductores que convierten directamente la variable
física a una palabra digital de datos. Por ejemplo, un encodificador de eje de
posicionamiento puede tener una placa conectada a un eje, la placa tiene agujeros o ranuras
(slots) las cuales son sensadas por un rayo de luz para generar los ceros y unos
directamente.
La descripción de un transductor es generalmente basado en varias de las siguientes
consideraciones:
1. ¿Qué mide el transductor?, esto es, ¿Cuál es la medida?
2. ¿Cual es el principio de transducción u operación de la cantidad eléctrica o de salida del
transductor?
3. ¿Con que sensibilidad del dispositivo transductor responde a la medida?
4. ¿Qué características especiales deben ser consideradas para usar el transductor?
5. ¿Cual es el rango de valores de medición sobre el cual el sensor esta diseñado para
operar?
6. ¿Qué desviación del comportamiento ideal exhibe el transductor?
Una descripción típica para un transductor dado por un fabricante es las siguientes:
El 8694. acelerómetro triaxial piezoeléctrico que mide hasta 500g con una sensitividad de
4mV/g. La linealidad es +/- 1%.
Que lo debemos entender como: Es un transductor que mide la aceleración usando un cristal
piezoeléctrico. Tiene un rango de 0 hasta 500 g con una salida de 4mV por cada g de
aceleración. La linealidad de la respuesta del dispositivo esta dentro del +/- 1%.
3.1.2
El concepto de error y su relación para el procesamiento digital de señales.
Como se vio en la unidad 1, la distorsión y contaminación en la representación de s(t) por
x(t) son introducidos desde el inicio. El ruido y otras cantidades externas también aparecen en la
representación de x(t).
Para ordenar los errores en el procesamiento digital de señales, necesitamos desarrollar
algunos criterios que cuantifiquen los errores en términos del número de bits N en la palabra de
datos. Supongamos que una variable V tiene un rango de valores desde Vmin hasta Vmax. El rango
de la variable es la magnitud de la variación total de V, la cual será denotada por V rango. Por
ejemplo, si Vmin = 1 y Vmax = 8,  V rango = | 8 – 1 | = 7
Para Vmin = -3 y Vmax = 10,
 V rango = | 10 – (-3) | = 13
Para Vmin = -6 y Vmax = -2,
 V rango = | -2 – (-6) | = 4
En general,
Vrango = | Vmax – Vmin |
Si Vmax y Vmin son del mismo signo, la variable V será unipolar; de otra manera es bipolar. Si
Vmin = - Vmax el sistema es llamado bipolar simétrico. Para nuestro caso, consideraremos que la
señal unipolar es positiva. Sin embargo, las barras en la magnitud son importantes.
Para representar V usando palabras de datos de N-bits, cada bit será representado por un
valor llamado el bit menos significativo ( LSB ) dado por
Valor.del.LSB 
V rango
2N
Por definición, se dice que una palabra digital no se incrementa en uno hasta que la variable
V ha cambiado por más de ½ del valor del LSB. Esto significa que un error en el valor de V es
insignificante mientras
..error.. 
1
V rango
LSB  N 1
2
2
donde | error | = | Valor actual de la variable – Valor ideal de la variable | = | Vm-Vp |
Esta ecuación es usada en la práctica como sigue: primero se calcula el error producido por
un dispositivo o sus parámetros, este valor es comparado con el del ½ LSB. Si el error satisface
la ecuación anterior, éste puede ser ignorado, sino, entonces las correcciones de medición deben
ser implementadas en el diseño del sistema de adquisición o en el procesamiento de la
computadora.
Una extensión natural del concepto de error es la acumulación de ellos. Este error total es
obtenido desde que es llamado el ingreso de errores, el cual es una lista de todos los errores
identificables. A partir de que un transductor tiene algunas docenas de parámetros que
contribuyen al ingreso de errores, uno puede preguntarse como combinar los efectos de todos
los errores. Si cada parámetro contribuye con ½ del LSB, se puede ver que ante tal cantidad los
errores exceden al valor de la señal. Adicionalmente, cada bloque en el procesador de señales
introduce errores. Este problema es manejado primero minimizando los errores individuales –
usando ajuste a cero, igualación, o compensación- y entonces combinando los errores restantes
o residuales de acuerdo a
1
m
2
Error cuadrático resultante (root sum square, RSS) =  | errori |2 
 i 1


La situación ideal es tener el error RSS menor que ½ del LSB. La justificación para esta
expresión de error total es que algunos errores pueden ser positivos y algunos negativos. De esta
manera, una simple suma de las magnitudes de error no pueden ser tan seguras como el valor
RSS dado por esta ecuación, aunque la suma puede proporcionar un límite de error máximo.
3.2 Tipos de sensores eléctricos.
A partir de que en algunas mediciones, se requiere usar un sensor en especifico para medir
una variable física dada, necesitamos proponer el transductor apropiado que pueda ser acoplado
al medidor, con un elemento de interfaz . Otra forma alterna es tomar la variable física dada y
sugerir sensores y transductores que puedan ser usados. En ambos casos, es claramente
imposible tener una sola propuesta de solución,.porque existe gran variedad de dispositivos para
estas cuestiones, aunada a la creatividad del ingeniero.
La lista de las variables físicas que pueden ser sensadas por transductores es
afortunadamente bastante extensa. Sensar significa que el dispositivo produce alguna cantidad
de salida que depende de la variable de entrada en una forma predeterminada. Normalmente, la
variable de salida es un voltaje o corriente, o una cantidad que puede ser fácilmente convertida a
una de estas dos cantidades eléctricas. Los transductores que tienen una variable de salida
eléctrica son los más usados.
. La variable de entrada es una variable física que puede ser la temperatura, presión, fuerza,
torque, masa, desplazamiento lineal o angular, velocidad lineal o angular, aceleración lineal o
angular, la fuerza por unidad de área que produce deformación de un cuerpo, flujo de un fluido,
viscosidad, humedad, volumen, flujo calorífico, intensidad de luz, color, radiación nuclear,
campo magnético, campo eléctrico, o alguna otra cantidad de la naturaleza.
O sensores de tipo eléctrico aprovechan las características de forma y geometría de dispositivos
como, capacitores, inductores y resisteores.
3.2.1 Sensores Capacitivos.
Un sensor capacitivo produce a su salida un cambio en cantidad de capacitancia en función
directa a la cantidad sensada de entrada, que puede ser de movimiento, distancia, cambio de
constante dielectrica, presión, entre muchas otras aplicaciones.
Su principio de funcionamiento es:
Para un capacitor de placas paralelas, la capacitancia Cs dada por
Cs  
A
d
donde  es la constante dieléctrica, A es el área de las placas, y d es la separación entre las
placas.
Luego entonces si por algún medio se varia cualquiera de sus parámetros entonces la
capacitancia variara en función de ello en forma proporcional.
Esto puede ser realizado de las siguientes formas: Permitir que una placa se mueva
relativamente a la segunda placa fija. Este movimiento modifica a d como la variación de la
medida. Un segundo método de transducción varía el área común entre las placas al deslizar una
placa relativa a la otra, en este método d permanece constante. El tercer método causa que la
constante dieléctrica varíe mientras que A y d permanecen constantes, esto puede ser realizado
permitiendo al dieléctrico moverse paralelamente a las placas. El dieléctrico puede ser un sólido
o un líquido, dependiendo de la aplicación.
Los transductores capacitivos son frecuentemente usados en mediciones de desplazamiento
lineal o angular. Estos generalmente permiten que una placa o conjunto de placas se muevan
paralelamente a una segunda placa o conjunto de placas. El área común entre las placas es
entonces una función del desplazamiento.
Los sensores capacitivos de nivel de líquidos pueden ser también realizados. La constante
dieléctrica entre dos electrodos grandes parcialmente inmersos en un líquido cambia, así como
el nivel del líquido, resultando en una variación de capacitancias con el nivel de líquido.
Los transductores de presión capacitiva permiten que una placa se mueva en relación a otra,
ya sea una sola o conjunto de placas, esto resulta en un cambio en la separación geometrica
proporcional a la presión aplicada. Una versión de transductores de presión consiste de dos
placas fijas sobre un lado de la placa movible formando dos capacitores. Con movimientos de
presión de la placa del centro hacia una placa fija, la capacitancia entre estas se incrementa. La
capacitancia entre la placa del centro y la otra fija decrementa simultáneamente. Estos dos
capacitores variables de presión pueden servir como dos elementos en un circuito puente que
usa una señal de excitación de corriente alterna CA.
Una aplicación clásica importante es el micrófono de capacitor. Estos dispositivos son
capaces de medir muy bajas presiones, y también responde a altas frecuencias, tienen buena
respuesta sobre un rango de frecuencias desde 0.01 Hz hasta 20 kHz.
Existen varios métodos para convertir el cambio capacitivo a voltaje, uno de los más
populares es el arreglo puente de Wheatstone como se muestra en la figura 3.3. La fuente Es es
regularmente una fuente sinusoidal, y la salida E0 depende del grado de desbalanceo del puente.
La salida esta dada por
 C3
C1

E0 = 
Es

 C 3  Cs C1  C 2 
Existen otros arreglos de puentes que pueden realizar la misma función de interfase, estos
incluyen efectos de resonancia cuando son usados con inductores en el puente.
Otro elemento de interfase puede ser un oscilador cuya frecuencia de oscilación es
determinada por Cs. La frecuencia será entonces relativa a la medida.
Como un ejemplo de la aplicación de un sensor capacitivo consideraremos el detector de
nivel de fluidos mostrado en la figura 3.4.
Cuando el nivel del líquido sube, la constante dieléctrica efectiva entre las dos placas se
incrementa. Como una primer aproximación usaremos el circuito equivalente de la figura (b).
La capacitancia total es la combinación paralela de C0 (dieléctrico del aire,  ) y C1 (dieléctrico
del líquido, ), dado por
C s  C 0  C1   0
A0
A
 l l
d
d
A partir de que el área total es constante, A = A0 + A1,
Cs   0
 A  Al 
d
 l
Al
l
  0 A   l   0 Al 
d
d
De la figura, A1 = hw , por lo que sustituyendo
Cs 
l
 0 A   l   0 hw
d
El valor del capacitor es entonces directamente proporcional a la altura del líquido sobre las
placas. Hay sin embargo algunos problemas prácticos tales como los puentes. Cualquier cambio
de temperatura afecta la capacitancia, y el ruido de CA inducido no es filtrado a la salida.
3.2.2 Sensores Inductivos.
Los sensores inductivos son divididos convenientemente en dos tipos básicos: la
configuración de un enrollamiento sencillo y el de transformador. El de enrollamiento sencillo
es el inductor común de dos terminales, para el cual la inductancia esta dada por
Principio de funcionamiento. La inductancia esta determinada por:
Ls = F(geometría)N2
donde  es la permeabilidad del material alrededor y dentro del enrollamiento, N es el número
de vueltas, y F (geometría) es un factor cuyo valor depende de la configuración del inductor
(toroide, solenoide), longitud y diámetro.
Su aplicación como sensor se da pues basta alterar alguna característica física o geométrica para
que se produzca un cambio en la inductancia.
En este sensor es común cambiar  usando un material de núcleo movible, regularmente hecho
de hierro o ferrita. Cuando el núcleo es insertado dependiendo de alguna cantidad física como
presión, movimiento, posición, en el enrollamiento, el valor efectivo de  se incrementa. Dos
posibilidades se muestran en la figura 3.5. Otra posibilidad es construir el inductor fuera de un
material elástico y usar el cambio de longitud para variar el valor de Ls. Esta clase de sensor es
frecuentemente usado en circuitos puente para una unidad de interfase.
El segundo tipo es el de configuración de transformador, también llamado sensor de
reluctancia. La figura 3.6 muestra la configuración más popular llamado el transformador
diferencial variable lineal (linear variable differential transformer, LVDT). Cuando el núcleo
esta centrado, los voltajes aparecen iguales a través de cada secundario. Con los secundarios
conectados como se muestra, eout consiste de la diferencia de los voltajes de los dos secundarios.
Cuando movemos el núcleo hacia arriba, el voltaje del enrollado superior se incrementa
mientras que del inferior se decrementa. La salida diferencial se incrementa tanto como el
núcleo es movido hacia cualquier dirección desde el centro, pero la fase indica cual dirección
del centro se ha movido. La suma rectificada para cada secundario convierte la señal de salida a
un voltaje que va de positivo para movimientos superiores del núcleo y negativos para
movimientos hacia abajo.
Varios tipos de LVDT están disponibles para cubrir un amplio rango de movimiento de
núcleo. Un LVDT puede producir salidas útiles para movimientos de pocas céntimas de
pulgada, mientras otros pueden producir señales que varían linealmente con el movimiento del
núcleo de hasta 10 pulgadas. En suma, un transformador diferencial rotatorio variable(rotary
variable differential transformer, RVDT) es también fabricado para salidas de voltaje de
movimientos rotatorios relativos. La salida de voltaje puede ser lineal, con movimiento del eje
para ángulos de 600.
Un LVDT de DC que produce una salida de AC y es alimentado por medio de una fuente de
DC, puede ser usado donde fuentes de AC no están disponibles. Estos transductores usan
electrónica integrada para convertir el voltaje de entrada de DC a un voltaje de AC por medio de
un oscilador, este voltaje de AC maneja el enrollamiento primario. Un amplificador rectificador
de precisión es usado para convertir la señal de salida de AC a un valor de DC. Los dispositivos
inductivos sufren de movimientos espurios del sistema el cual mueve el núcleo.
3.2.3 Sensores Resistivos.
Estos sensores convierten la medición en un cambio de resistencia. La variación de la
resistencia puede resultar de un movimiento mecánico (como los contactos de un reóstato o
potenciómetro), tensión (piezoresistivo), humedad, o temperatura.
Un potenciómetro es frecuentemente usado como medidor de posición a través de una
interfaz de un eje a los contactos del mismo, como el eje rota la resistencia cambia. Este sensor
es la base para el monitoreo de posición en un sistema de control automático. Una fuente de
voltaje o corriente puede ser usado para indicar la posición de los contactos.
Uno de los transductores importantes de tensión resistiva es el medidor de tensión o galga
eléctrica de deformación (strain gauge). Estos usualmente van unidos a una superficie en tensión
o movimiento para que el alambre fino del medidor reciba los cambios de resistencia.
El principio de funcionamiento esta dada por la formula
Rs  
l
A
donde es la resistividad del material, l es la longitud del sensor, y A es el área seccional de
cruce.
Un sistema típico es el medidor de fuerza de tensión y es mostrado en la figura 3.7. Como la
tensión es aplicado a un material, el alambre también es sometido a un esfuerzo, así que l se
incrementa y A decrece. El efecto dominante es frecuentemente referido como el efecto
piezoresistivo.
La humedad puede tener varios efectos. Si el medio ambiente es absorbido por la superficie
del sensor, la resistividad puede cambiar o la longitud del área, debido al crecimiento o
encogimiento del sensor. Por lo común la señal eléctrica es acoplada a un circuito puente que
excita un aparato registrador, sea directamente, o sea por aun amplificador. Para estos casos, el
puente de Wheatstone proporciona una conveniente y sensitiva interfase para generar un voltaje.
Una resistencia construida de un material tiene un valor resistivo dependiente de la
temperatura y es un importante sensor. La ecuación anterior muestra que la resistencia varía
directamente con , aunque  no puede ser una función lineal de la temperatura. Esta clase de
sensores tiene el nombre de detectores de temperatura por resistencia (resístance temperature
detector, RTV). Cualquier resistencia presenta esta dependencia de temperatura, pero los
materiales semiconductores son usados para construir a los llamados termistores, y estos son
muy sensibles a estos cambios.
Los resistores metálicos tienen coeficientes de temperatura (temperature coefficients, TC) de
aproximadamente 0.4% de cambio por oC, mientras los termistores del 5%.
Los termistores no tienen una curva característica lineal con respecto a la temperatura, pero
esta cercano a una T < 50º C.
Un semiconductor de unión PN es otra resistencia dependiente de la temperatura. Esta unión
da como resultado a un diodo, en el cual un incremento de temperatura en la unión resulta en un
significativo cambio en la curva característica de voltaje-corriente.
Otro tipo de sensor resistivo usado frecuentemente es el fotorresistor, o más conocido como
sensor fotoeléctrico u optoeléctrico. El material del cual esta hecho tiene resistividades que
varían con la intensidad de la longitud de onda de la luz con la cual esta siendo monitoreada. El
sulfato de cadmio es el primer tipo de material que es aplicado al fotorresistor, pero en resientes
años impuresas de germanio y silicio han sido usados. La mayoría de los sensores sensibles a la
longitud de onda son construidos de compuestos semiconductores y son configurados como
diodo de heterounión. Los diodos y transistores semiconductores usualmente de silicio, son los
dispositivos más usados para mediciones de luz. Estos dispositivos en la práctica son usados en
una configuración de divisor de voltaje para convertir el cambio de resistencia en un voltaje,
como se muestra en la figura 3.8. La resistencia Rlimit es usada para limitar la corriente total a
través del sensor. Esta resistencia tiene dos funciones adicionales: limitar la potencia de
disipación en el sensor para el valor promedio, y para mantener la resistencia del sensor de
cambios de resistencia debidos a variaciones de temperatura.
3.2.4 Sensores que hacen la conversión física directa a variable eléctrica.
Existen otras tres clases de sensores que hacen uso diferente del fenómeno físico. Estas tres
clases hacen la conversión directa de una variable física a una eléctrica, frecuentemente sin la
necesidad de una unidad de interfase de salida.
3.2.4.1 Sensores Piezoeléctricos.
Estos sensores están basados sobre el fenómeno de ciertos materiales cristalinos – tales
como el cuarzo, sal de Rochelle, metaniobato, y fosfato dihidrogenado de amonio – que
producen una carga o voltaje a través de las caras del material cuando es sujeto a una fuerza
(presión).
Los sensores basados sobre este dispositivo presentan alta rigidez y solidez. Estos funcionan
eficientemente a altas frecuencias (cientos de kilohertz y algunos hasta megahertz). Se
encuentran frecuentemente en aplicaciones para medición de presión sonora, torque, y
aceleración.
3.2.4.2 Sensores termoeléctricos.
Estos sensores convierten la temperatura (calor) directamente a voltaje. El termopar (efecto
Seebeck) es el tipo más común de sensores termoeléctricos. Cuando dos alambres de diferente
material son conectados en una unión, un voltaje es producido al final de los alambres que están
en función de la temperatura de unión. Se debe tener cuidado al conectar la salida metálica a un
sistema, ya que el unir metales disimilares puede ser fuente de error puesto que se esta
formando un termopar de unión.
El uso de termopares para medir temperatura es el método más común, existen en el mercado
diferentes combinaciones de metales. En la tabla 3.1 se muestran los termopares de uso más
común, los rangos de temperatura en los que generalmente se usan y sus sensibilidades
características. A estos termopares de uso común se les asignan letras de referencia. Por
ejemplo, al de hierro-constantán se le conoce como termopar tipo J.
Tabla 3.1 Termopares
En la tabla 2.1 se muestran los termopares de uso más común, los rangos de temperatura en los
que generalmente se usan y sus sensibilidades características. A estos termopares se les
asignan letras de referencia. Por ejemplo, al de hierro-constantán se le conoce como termopar
tipo J. La figura 2.55 muestra cómo la f.e.m. varía con la temperatura en pares de metales de
uso común.
Tabla 2.1 Termopares
Letra de
Referencia
B
E
J
K
N
R
S
V
Materiales
Rango °C
ºC
Rodio/platino, platino
30%, rodio 6%
Cromel/constantán
Hierro/constantán
Cromel/alumel
Nirosil/misil
Platino/platino con 13%
rodio
Platino/platino con 10%
rodio
0 a 1800
3
- 200 a 1000
- 200 a 900
- 200 a 1300
- 200 a 1300
0 a 1400
63
53
41
28
6
0 a 1400
6
T
Platino/platino con 10%
rodio
- 200 a 1000
43
3.2.4.3 Sensores fotoeléctricos.
Como su nombre lo indica, estos sensores generan un voltaje cuando los fotones inciden
sobre ellos. La medición de la luz es por lo general causado al excitar materiales disimilares,
tales como una fotocelda de silicio, construida de una unión PN, tal unión genera potenciales
sobre el orden de 500 mV.
3.3 Especificaciones de diferentes tipos de transductores.
Para dar las características de un transductor es necesario definir varias propiedades de
respuesta de éste, que son los parámetros de operación que dan la relación entrada-salida y las
señales generadas por el transductor. Nuestro principal interés aquí es lo relacionado de s(t) a
x(t). Obviamente aquí no hay entrada o elementos de interfaz de salida, el transductor es
idéntico al sensor como fue definido en la figura 3.1. En la práctica, usualmente obtenemos la
entrada al transductor como una sola unidad para la cual las especificaciones son dadas.
Las especificaciones de los transductores pueden ser divididas en cuatro categorías de
funcionamiento: estático, dinámico, ambiental, y confiabilidad.
Las características estáticas se refieren al funcionamiento del transductor cuando la aplicación
no varía en el tiempo o cambia muy lentamente. Estas especificaciones son regularmente
determinadas como un conjunto de condiciones de operación estándar, tales como temperatura
del cuarto, presión constante, y humedad relativa especificada. Ejemplos de estas características
son: linealidad e histéresis.
Las características dinámicas están relacionadas a la respuesta del transductor para
mediciones que varían con el tiempo y describen la fidelidad con la cual la salida puede seguir a
las variaciones de la medición. Esta clase de características son ejemplificadas por la respuesta y
frecuencia transitoria.
Factores externos que afectan a la respuesta del transductor son llamadas características del
medio ambiente. Entre estas encontramos la temperatura, la presión, humedad, y vibración.
Las características de confiabilidad incluye duración útil probable, propiedades de
envejecimiento, y consistencia del funcionamiento del transductor.
Regularmente cuando uno ve las hojas de especificación de dos fabricantes del mismo
transductor, la especificación de los valores numéricos pueden diferir aunque los dispositivos
sean idénticos, porqué dos diferentes definiciones son usadas. Algunas hojas de datos no dan un
completo conjunto de especificaciones de los transductores, y es frecuente que el diseñador
determine las que son importantes para un diseño dado y obtener otras por contacto directo con
el vendedor o de un laboratorio de medición.
Algunos transductores y sus especificaciones obtenidas del fabricantes ilustraran lo
mencionado anteriormente.
3.3.1 Transductores de presión.
Este transductor de capacitancia excitado por DC tiene un rango a escala completa de 0 a
5000 libras por pulgada cuadrada o libras por pulgada cuadrada leídas en el manómetro. Tiene
una precisión 0.11 % de salida a escala completa .Este error esta basado en la RSS de la no
linealidad, histéresis, y repetibilidad. El rango de salida puede ser entre 0 a 5 V o –2.5 a +2.5 V.
La variación de temperatura esta especificada en términos de 2%FSO/1000 F de sensibilidad de
corrimiento máxima.
Si este dispositivo fuera usado sobre un rango de temperatura de 500 F, el máximo
corrimiento de cero sería de 1% de 5 V, o 50 mV. El error máximo debido a la sensibilidad
podría ser de 0.75% de 5 V, o 3.75 mV. Estos errores son vistos a ser considerables más que los
errores estáticos totales.
3.3.2 Acelerómetro medidor de tensión (strain gauge).
Este transductor mide hasta 50 g de aceleración en direcciones hacia adelante y en reversa.
La sensibilidad es de 2 mV/g, dando una salida máxima de 100 mV pico. El rango de frecuencia
sugerida de la medición es de 0-300 Hz. La frecuencia de resonancia del transductor es de 1000
Hz. Acepta un voltaje de DC de excitación de 5 V. Los errores de linealidad e histéresis son
especificados como 1 %FS, y este es el peor caso, y especificaciones por debajo de las cuales
no trabaja. El corrimiento del cero debido a la temperatura es de 0.015 %FS/ 0F mientras que la
sensitividad de corrimiento es de 0.05 %FS/0F. Las dimensiones típicas de este transductor son
de 6.35 mm por 9.53 mm.
3.3.3 Acelerómetro piezoeléctrico.
Este transductor es un acelerómetro triaxial consistente de tres cristales de cuarzo
perpendiculares. La aceleración a lo largo de cualquiera de los tres ejes ortogonales puede ser
medidos hasta valores pico de 500g. La sensitividad es 4 mV/g. La resolución es de 0.01g. La
linealidad de salida es 1 %FS. Sin embargo, las bases para esta figura de linealidad no esta
mencionada. La respuesta a la frecuencia es especificada como inicial entre 5% desde 1 a 20
kHz. La sensitividad térmica de corrimiento es de –0.03 %FS/0F. Se requiere una fuente de
alimentación de 12 V y 4 mA para la carga de los amplificadores incorporados que pueden
proporcionar una salida a escala completa de 2 V y una corriente de 2mA.
3.3.4 Transductor de ángulo de capacitancia.
Este transductor es un sensor capacitivo gravitatorio que puede medir ángulos de
inclinación sobre un rango de 450. La linealidad es de 1 %FS, sin embargo, las bases para esta
especificación no están indicadas. Se requiere una batería de 9 V para este transductor, se
proporciona una salida de lectura digital de cristal líquido.
Los ejemplos anteriores representan sólo unos cuantos sensores de muchos disponibles. Es
obvio que de las hojas de especificaciones esta estandarización es desafortunadamente una cosa
no muy concerniente a los fabricantes. Muchos no indican las bases para sus especificaciones de
exactitud por ejemplo, y usan un mínimo cuadrado de exactitud porque esta figura es siempre
más baja que el valor en el cual no funciona.
Ejercicios
3.1 . Explique qué significa la siguiente información proporcionada en las especificaciones de
los siguientes transductores:
a) Acelerómetro piezoeléctrico: No linealidad: ±0.5 del rango total.
b) Transductor de desplazamiento lineal capacitivo: No linealidad e histéresis: ±0.01 del rango
total.
c) Transductor para medición de fuerza por deformación de resistencia: Sensibilidad a la
temperatura: ±1 del rango total a lo largo del rango de temperaturas ambientales normales.
d) Transductor de presión de fluidos por capacitancia. Exactitud: ± 1 de la lectura presentada.
e) Termopar: Sensibilidad: termopar de níquel cromo-níquel aluminio: 0.039 mV/°C cuando la
unión fría está a O °C .
f) Giroscopio para medición de la velocidad angular: Repetibilidad; ±0.01 del rango total.
g) Transductor de desplazamiento por inducción: Linealidad: ±1 de la carga especificada.
h) Indicador de presió: Error total debido a alinealidad, histéresis y no repetibilidad ±0.1.
3.2. Se utiliza un termopar de cobre-constantán para medir temperaturas entre 0 y 200 °C.
La f.e.m. a 0 °C es 0 mV a 100 °C es 4.277 mV y a 200 °C es 9.286 mV. ¿Cuál sería el error
por no linealidad a 100 °C expresado como un porcentaje de la salida a rango total, suponiendo
que la relación en todo el rango entre la f.e.m. y la temperatura es lineal
3.3. ¿Cuál es el error por no linealidad, expresado como porcentaje del rango total, que se
produce cuando un potenciómetro de 1 k  tiene una carga de 10 k  y está a un tercio de su
desplaza-miento máximo?
3.4. Un detector de temperatura por resistencia hecho de platino tiene una resistencia de 100.00
 a 0°C, 138.50  a 100 °C y 175.83  a 200 °C . ¿Cuál seria el error por no linealidad en
°C a 100°C, si el detector muestra una relación lineal entre 0 y 200 °C?
3.5. Para monitorear un desplazamiento lineal se utiliza un codificador de eje con un disco de
pista con un radio de 50 mm. Si el codificador produce 256 pulsos por revolución, ¿cuántos
pulsos se producen por un desplazamiento lineal de 200 mm?
3.6. Para medir temperaturas entre 0 y 400 °C se utiliza un termopar de hierro-constantán. ¿Cuál
será el error por no linealidad expresado como porcentaje de la lectura a escala total a 100 °C si
se supone que existe una relación lineal entre la f.e.m. y la tempera-tura?
F.e.m. al 0°C = 5.268 mV; f.e.m. a 400 °C =21.846mV
Bibliografía.
1.- PHYSICAL DATA ACQUISITION FOR DIGITAL PROCESSING: COMPONENTS,
PARAMETERS AND SPECIFICATION
Gayle F. Miner & David J. Comer
Prentice Hall, 1992.
2.-METODOS EXPERIMENTALES PARA INGENIEROS 4ª ed.
editorial McGraw Hill, 1996
Jack P. Holman
Se recomienda al lector consultar textos mas especializados en el tema como son:
INSTRUMENTATION REFERENTE BOOK editado por B:E: Noltingk Butterworth 1995.
MEASUREMENT AND INSTRUMENTATION SYSTEMS de W. Bolton editorial Newnes 1996
TRANSDUCER HANDBOOK de H.B. Boyle edito