Tema 1 - Profe Saul

TEMA 1: SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.1.- INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE MEDIDA
La función esencial de un sistema de medida es la asignación objetiva (independiente del
observador) y empírica (basada en la experimentación) de un número a una propiedad o cualidad
de un objeto o evento. Los objetivos de la medida pueden ser:
a) Vigilancia o seguimiento de procesos. Este sería el caso de la medida de la temperatura
ambiente y de los contadores de agua y gas.
b) Control de un proceso. Como ejemplo se puede considerar un termostato (cuando
alcanza una determinada temperatura conmuta y puede dar lugar al efecto contrario que
originó su conmutación) o el control del nivel de un deposito.
c) Ingeniería experimental. Así ocurriría cuando se miden las fuerzas que actúan sobre
un conductor (simulado) de un vehículo cuando este choca contra un objeto. Los
resultados obtenidos de esta forma tienen su principal campo de aplicación en el C.A.D.
(Computer Aided Design, Diseño Asistido por Ordenador).
En la figura 1.1 se representa la estructura general de un sistema electrónico de medida
y control, es decir, que abarcaría los tres objetivos citados anteriormente. De todos los bloques
que forman dicho sistema, se puede decir que tres de ellos son básicos y se encuentran presentes
en la práctica totalidad de los sistemas de medida. Estos serían:
- SENSOR / TRANSDUCTOR
- ACONDICIONADOR DE SEÑAL
- PRESENTACIÓN (VISUALIZACIÓN Y REGISTRO)
Fig. 1.1 Estructura general de un sistema electrónico de medida y control.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.1
Veamos cuales son las características fundamentales de estos elementos.
1.1.1.- TRANSDUCTOR Y SENSOR
Cuando se hace referencia a este binomio, generalmente se le nombra simplemente como
transductor, olvidándose que, si bien van formando un todo en la mayoría de las aplicaciones,
se trata de dos elementos entre los cuales se pueden hacer diferencias.
Se denomina transductor, en general, a todo dispositivo que convierte una señal de una
forma física en otra señal, que se corresponde con la primera, pero de otra forma física distinta.
El fin del transductor es, por tanto, acoplar la magnitud a medir al sistema de medida. Como el
tratamiento que se va a hacer de la señal de salida del transductor es normalmente llevado a cabo
por equipos o circuitos electrónicos, de todos los transductores que existen (atendiendo a seis
tipos de señales: mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas, ópticas y moleculares o químicas),
los considerados transductores por antonomasia son aquellos que ofrecen una señal de salida
eléctrica: tensión, corriente, etc.
En la figura 1.2. podemos ver esquematizada la misión del transductor. La relación entre
la salida eléctrica ofrecida por el transductor y la magnitud de la señal se conoce como función
de transferencia, y por lo general conviene que se aproxime lo máximo posible a una función
lineal.
Fig. 1.2. Conversión de señal por transductor.
Aunque en la asignatura se hará referencia indistintamente a los términos transductor y
sensor, no queremos finalizar el apartado sin dejar clara la diferencia entre dichos términos,
habitualmente utilizados como equivalentes, aunque en rigor no lo sean. El sensor es el elemento
directamente en contacto con la magnitud a medir y no tiene porqué proporcionar ninguna salida
eléctrica. Su finalidad es captar esta magnitud para posteriormente transformarla y obtener una
salida eléctrica. Un ejemplo que nos puede ayudar a diferenciar los términos sensor y transductor
es el mostrado en la figura 1.3. y que hace referencia a un micrófono magnético.
Fig. 1.3. Micrófono magnético. Distinción entre sensor y transductor.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.2
El sensor es la membrana elástica que vibra con la presión de las ondas sonoras que
recibe, realizando una conversión de la variable física, presión, en otra variable física:
desplazamiento. Este desplazamiento es recogido por una bobina solidaria con la membrana, la
cual al moverse en el seno de un campo magnético (generado por los imanes) produce una última
transformación: desplazamiento a tensión (magnitud eléctrica).
Entonces, como transductor se conoce a todo el dispositivo (micrófono) y el sensor será
la membrana, que es parte del transductor.
La clasificación de los transductores suele hacerse basándose en diferentes criterios y/o
señales que manejan, tanto a la entrada como a la salida. Así podríamos citar los siguientes
grupos clasificatorios:
- Según la magnitud que miden tendremos transductores de: temperatura, luminosidad,
fuerza, desplazamiento, humedad, etc.
- Según el principio físico-eléctrico en que se basan, los transductores serían del tipo
resistivo, inductivo, capacitivo, semiconductor, piezoeléctrico, etc.
- Según el tipo de la señal eléctrica presente en sus terminales de salida: analógico,
digital, discreto.
- Según el campo de aplicación tendríamos transductores específicos para robótica,
medicina, industria (en sus diferentes vertientes), etc.
1.1.2.- ACONDICIONADOR DE SEÑAL
Los acondicionadores de señal, adaptadores o amplificadores, en sentido amplio, son los
elementos del sistema de medida que ofrecen, a partir de la señal eléctrica de salida de un
transductor, una señal apta para ser presentada o registrada o que simplemente permita un
procesado posterior mediante el equipo electrónico adecuado. Los acondicionadores de señal son
normalmente circuitos electrónicos que ofrecen, entre otras opciones, las siguientes:
amplificación, filtrado, adaptación de impedancia, modulación/demodulación,
codificación/decodificación, conversión A/D y D/A, etc.
El acondicionamiento de la señal, según la aplicación, puede integrar varios de los
circuitos anteriores para conseguir sus objetivos. Estos circuitos suelen venir ya en un único chip,
dada la estandarización de las salidas de los transductores y de las entradas a los equipos de
procesado.
1.1.3.- PRESENTACIÓN (VISUALIZACIÓN Y REGISTRO)
Los sistemas de visualización y registro se pueden clasificar en analógicos y digitales,
teniendo como misión en ambos casos presentar la magnitud medida de tal forma que pueda ser
interpretada correctamente por el supervisor del sistema de control electrónico.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.3
Entre los sistemas de presentación analógicos tenemos: medidores de aguja, registradores
X-Y y X-t, etc.
Los elementos de presentación digital típicos son: Displays (alfanuméricos a LED, cristal
líquido o fluorescentes), pantallas CRT, indicadores luminosos simples, impresoras, etc.
Para el uso de elementos de presentación digital, es necesario en muchas ocasiones un
nuevo acondicionamiento de la señal que llega, no comportando este hecho mayor inconveniente
hoy en día.
1.1.4.- SISTEMAS DE MEDIDA DE DATOS MÚLTIPLES
Generalmente, un sistema electrónico de control y medida se monta con el fin de alcanzar
la máxima versatilidad y por tanto, para aprovechar al máximo sus posibilidades. Hoy en día
dada la posibilidad de trabajar a gran velocidad con la mayoría de los equipos electrónicos de
proceso, el dedicar un sistema de control a evaluar y presentar una única magnitud, es una clara
infrautilización de dicho equipo. Por ello es común encontrarnos con sistemas de medida para
múltiples datos, procedentes cada uno de ellos de un transductor o sensor. Una estructura típica
para este tipo de sistemas es la mostrada en la figura 1.4. En ella se puede observar como,
previamente al acondicionamiento general de las señales, se hace una adaptación en cada una de
ellas con el fin de normalizarlas a la entrada del acondicionador común. El multiplexor suele ser
controlado automáticamente por la unidad central de proceso mediante los códigos digitales
correspondientes, de forma que vaya introduciendo secuencialmente el valor de las diferentes
magnitudes eléctricas (procedentes de sensores) a la unidad de procesamiento y de presentación
(resto del sistema de medida y control).
Fig. 1.4. Entrada de un sistema de medida de datos múltiples.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.4
1.1.5.- SISTEMAS DE TELEMEDIDA
En la estructura general que se mostró en la figura 1.1., se incluía un bloque denominado
TRANSMISOR DE DATOS, cuya misión es la de enviar la señal eléctrica correspondiente a la
magnitud medida hasta donde se encuentre la unidad central de proceso, el sistema de
presentación, etc. Es decir, se da por hecho la separación física (suficientemente grande) entre
el punto de medida de las magnitudes y el de presentación y procesamiento.
El transmisor de datos podrá preparar la señal que recibe para ser enviada vía cable o vía
radio (ondas hertzianas), y la elección entre ambas formas dependerá de algunos factores, como:
- Distancia entre emisor y receptor
- Volumen de datos a transmitir (medida de datos múltiples)
- Interferencias, espacio físico para cables, etc.
- Relación S/N necesaria
- Precio, etc.
1.2.- TRANSDUCTORES PIEZOELÉCTRICOS
La palabra "piezo" procede del griego y significa "comprimir", por lo que la expresión
efecto piezoeléctrico indica la producción de electricidad en una materia al aplicar una presión
sobre ella. Este efecto solo se presenta en materiales eléctricamente aislantes, y conduce a la
aparición de cargas eléctricas sobre la superficie de esos materiales deformados mecánicamente.
También se da el efecto inverso: cuando se aplica un campo eléctrico a un material
piezoeléctrico, éste se deforma mecánicamente. Por ello, todos los materiales piezoeléctricos
pueden emplearse para cualquiera de los dos propósitos.
El efecto piezoeléctrico solo se presenta en materiales cuyos enlaces atómicos sean
iónicos, es decir, en los que las moléculas estén dispuestas en pares positivo-negativo llamados
dipolos, tal como podemos ver en la figura 1.5.
Fig. 1.5.- Material piezoeléctrico en estado de reposo y con una presión aplicada
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.5
Cuando se aplica una presión al material, estos dipolos (moléculas) se deforman y se
produce una separación de los pares positivo-negativo, creándose así un campo eléctrico. Por
tanto, se hace necesario que en reposo, el material tenga los dipolos orientados. Hay materiales
que, debido a su naturaleza, los tienen orientados de por sí (cuarzo) y otros, a los que es necesario
someterlos a un proceso de orientación permanente (cerámicas).
Como vemos, la producción del efecto piezoeléctrico depende de la disposición de los
iones positivos y negativos en el material. Esto restringe dicho efecto a los materiales cristalinos
anisótropos, es decir, que sus propiedades físicas no son iguales en todos los sentidos puesto que,
en un cristal con simetría perfecta, ninguna combinación de esfuerzos uniformes producirá la
separación de cargas. En la figura 1.6. se muestra gráficamente el porqué de estos requisitos. Así,
en el caso a) hay simetría central, y al aplicar un esfuerzo T no aparecerá polarización eléctrica.
En el caso b), en cambio, aparece una polarización paralela al esfuerzo, con el polo negativo a
la izquierda y el positivo a la derecha. En el caso c) la polarización aparece en dirección
perpendicular a este, con el polo positivo en la parte inferior y el negativo en la superior.
Fig. 1.6.- Efectos de un esfuerzo mecánico en diferentes moléculas según su simetría. a) Si hay simetría central no se
produce polarización. b) Polarización paralela al esfuerzo (T). c) Polarización perpendicular al esfuerzo (T).
Tal como se dijo antes, hay materiales que en su estado normal pueden ser aprovechados
para producir el efecto piezoeléctrico, pero es necesario para ello que sean cortados a lo largo de
ejes particulares del cristal para conseguir los efectos máximos y lograr una elevada anisotropía.
Sin embargo actualmente se utilizan unos materiales artificiales que se conocen globalmente con
el nombre de cerámicas. Un material cerámico consiste en un conglomerado de cristales muy
pequeños que tienen sus ejes eléctricos orientados según direcciones aleatorias. Por tanto, antes
de usarlo como elemento piezoeléctrico, se hace necesario una orientación uniforme de todos los
ejes de los cristales que lo componen. Esta polarización se consigue introduciendo el material
cerámico entre dos polos eléctricos y aplicando una tensión elevada (en torno a los 10 KV), lo
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.6
que obliga a todas las moléculas (dipolos) a orientarse en la misma dirección. El efecto
provocado permanece, aún cuando desaparezca el voltaje aplicado y queda confeccionado de esta
forma un material piezoeléctrico. Cuando estos materiales se utilicen en sentido inverso, es decir,
se les aplique un voltaje entre dos de sus caras para provocar una deformación, dicho voltaje
deberá estar siempre bastante por debajo del que provocó su polarización, de lo contrario se
produciría una pérdida de las propiedades piezoeléctricas del material.
Parámetros que definen a un material piezoeléctrico
Esencialmente son dos : la constante piezoeléctrica o inercia molecular (d) y la constante
de acoplamiento electromecánico (K).
La primera nos dice el cambio de polarización o de orientación dipolar que se produce
al aplicar una tensión mecánica determinada (presión). Esta constante (d), se obtiene también
calculando la deformación producida al aplicarle un campo eléctrico determinado.
La segunda (K), nos indica la fracción de energía mecánica que puede convertirse en
energía eléctrica, o al contrario.
Materiales piezoeléctricos más utilizados comercialmente
Aunque son bastantes los materiales que ofrecen propiedades piezoeléctricas, cuatro de
ellos cubren la gran mayoría de las necesidades que se plantean en el ámbito comercial:
- Tartrato de Sodio y Potasio (Sal de Rochelle).
- Fosfato dihidrógeno de Amonio (ADP).
- Titanato-Circonato de Plomo (PZT). Cerámica.
- Cuarzo.
Entre los usos más notables que se dan a estos elementos en el mundo de los
transductores, podemos encontrarnos aplicaciones en diferentes campos:
Medicina:
- Micrófonos piezoeléctricos para detectar sonidos del corazón.
- Medidores de presión arterial, gastrointestinal, intrauterina e intracraneal.
Consumo doméstico:
- Fonocaptores para discos de vinilo.
- Equipos informáticos sincronizados con reloj: ordenadores, impresoras, etc.
Industriales:
- Telefonía: Micrófonos de cerámica (electreto)
- Ultrasonidos: Generación y recepción de ondas sonoras en líquidos; soldadores
ultrasónicos para plásticos y metales.
- Fuentes de alta tensión: encendido de motores de gasolina.
- Retardo de sonidos.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.7
La aplicación de un tipo de cristal (o cerámica) piezoeléctrica en un transductor
dependerá tanto del campo en el que se vaya a usar como de las propias prestaciones del material.
Así, tendremos que valorar prestaciones tales como:
- Modos de compresión o estiramiento.
- Margen dinámico de entrada (para la magnitud a medir).
- Margen dinámico de salida (valor de la transducción).
- Sensibilidad de entrada.
- Resistencia a golpes, vibraciones, temperatura y humedad.
Además habrá que tener en cuenta si el material piezoeléctrico usado como sensor es
estándar (de amplia difusión y facilidad de adquisición) o propietario (específico de un
fabricante); también tendremos que analizar el tipo de circuito que se acoplará a la salida del
transductor y que hará de interface con el resto del sistema de medida y control.
1.2.1.- APLICACIONES DE LOS MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS
La figura 1.7 ilustra el uso de elementos piezoeléctricos en una fuente de alta tensión para
encendido de motores de gasolina. Una leva movida por el motor actúa sobre una palanca, la cual
aplica una fuerza mayor o menor sobre el eje eléctrico de dos cilindros de PZT (cerámica). Los
cilindros llevan acoplados unos electrodos en sus bases y son apilados de tal forma que uno de
los electrodos puede ser considerado como potencial de referencia, o sea, masa. Un dispositivo
de este tipo ha sido utilizado satisfactoriamente en máquinas con motores de gasolina de poca
potencia: motosierras, cortadoras de césped, modelismo, etc., desarrollando potenciales de
encendido del orden de 20.000 v.
Fig. 1.7.- Generador de alto voltaje para encendido de motores de gasolina.
El transductor de sonido sumergible mostrado en la figura 1.8., ilustra una aplicación del
cristal ADP en forma de placas. Un grupo de placas dispuestas transversalmente es apilado,
intercalándose entre ellas láminas de electrodos conectados en paralelo. Los extremos de las
placas de la pila de cristal actúan solidariamente a modo de pistón (émbolo) y su acción es
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.8
transmitida al agua mediante el encapsulado de caucho y el aceite que rodea dicha pila. Puesto
que los filos laterales de las placas también son sensibles a la presión acústica y en esa zona no
interesa, son cubiertos con material acústicamente aislante tal como células de sellado de caucho
y espuma (foam) o también Corprene, consiguiendo el doble efecto de, por un lado, cancelar el
efecto piezoeléctrico (presión a voltaje) y por el otro, cancelaría la salida acústica por los laterales
abiertos (voltaje a deformación). Aunque este transductor podría usarse como micrófono y
altavoz "acuático", es en este último caso cuando mejor respuesta de transducción da.
Fig. 1.8.-Transductor de sonido (altavoz) sumergible.
La figura 1.9. nos muestra un medidor de precisión de sonido hidrofónico o micrófono
acuático que emplea, en este caso, un apilamiento de delgadas placas de cristal piezoeléctrico
conectadas en paralelo. Puesto que en este caso interesa detectar las variaciones de presión en
el entorno del transductor, no hace falta rodear los laterales del material piezoeléctrico con
ningún elemento aislante, tal como se hizo con el transductor de sonido anterior.
Fig. 1.9.- Micrófono acuático.
En la figura 1.10. se nos muestra un modelo elemental de acelerómetro piezoeléctrico
preparado para medir aceleraciones de tipo vibratorio que abarcan un amplio rango de
frecuencias. Está formado por dos discos cerámicos intercalados entre una masa y una base (a
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.9
modo de soporte). La unión de estos elementos se puede hacer mediante adhesivo o soldadura.
La aceleración vibratoria aplicada a la base en la dirección indicada produce la correspondiente
fuerza de compresión a través de los perfiles de los discos, debido a la reacción de inercia de la
masa. De este modo, el voltaje correspondiente a la aceleración aplicada es generado por los
discos cerámicos.
Fig. 1.10.- Acelerómetro de compresión.
La figura 1.11. ilustra el uso de elementos piezoeléctricos de tipo cerámico en una
aplicación de limpieza ultrasónica. Dos discos cerámicos están soldados entre un soporte de
metal ligero y una masa de reacción. El soporte es el elemento atacado para la limpieza del
tanque. El ensamblaje así compuesto tiene una resonancia mecánica determinada por los efectos
combinados de la masa y la rigidez del metal y las partes cerámicas. Cuando a los discos
cerámicos se les aplica un voltaje alterno (ac) a la frecuencia de resonancia mecánica, el conjunto
vibra a gran intensidad, induciendo una violenta agitación al líquido contenido en el tanque.
Fig. 1.11.- Transductor para limpieza ultrasónica.
Puesto que los materiales piezoeléctricos tipo cerámico pueden ser fabricados en gran
variedad de tamaños y formas, permiten, por si mismos, diseños para aplicaciones particulares
que podrían tener gran dificultad, si no imposibles, si lo hiciésemos con cristales normales. La
figura 1.12. muestra un típico transductor sumergible que utiliza un cilindro cerámico hueco,
polarizado a través de las paredes. En esta aplicación los extremos del cilindro son cerrados, para
proteger la superficie interna del medio acústico. Puesto que la superficie exterior del cilindro
expuesta al agua es mucho mayor que la sección transversal del material cerámico, la impedancia
mecánica del elemento es mucho menor que la de un elemento sólido de las mismas
dimensiones. Esto permite una mejora del acoplamiento acústico entre el elemento piezoeléctrico
y el medio a través del cual opera.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.10
Fig. 1.12.- Transductor de sonido acuático del tipo cilíndrico.
En la figura 1.13. se muestra el uso de una cerámica piezoeléctrica adaptada en forma
cilíndrica. Antes de ensamblarlo en el transductor, el cilindro cerámico fue polarizado en
dirección longitudinal empleando la aplicación temporal de un voltaje dc. El elemento así
polarizado es adherido fuertemente al soporte central, al cual rodea. A continuación, una pesada
masa cilíndrica se añade, rodeándolo todo. La aceleración vibratoria aplicada a la base en la
dirección indicada, produce la correspondiente presión transversal en las paredes del cilindro,
debido a la reacción inercial de la masa. De este modo, un voltaje directamente proporcional a
la aceleración aplicada se genera en el cilindro, el cual es llevado al exterior mediante los
electrodos correspondientes.
Fig. 1.13.- Acelerómetro transversal.
1.3.- SENSORES DE TEMPERATURA
De todos los conceptos que se pueden dar para definir la temperatura, a nosotros nos
interesa el que profundiza en los aspectos físicos del material sobre el que vamos a medir dicho
parámetro. Así definiremos temperatura como:
Una magnitud física que expresa el mayor o menor grado de agitación de las moléculas
de los cuerpos, es decir, evalúa la energía cinética de las mismas.
No debemos confundir la energía calorífica con la temperatura, ya que la primera tiene
en cuenta también la masa del cuerpo. Por ejemplo, las chispas que se desprenden al efectuar una
soldadura mediante arco voltaico tienen una elevada temperatura, pero no suelen quemar cuando
caen sobre el cuerpo humano, debido a su reducida masa, es decir, poseen poca energía
calorífica.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.11
La medida de la temperatura forma parte, hoy en día, de cualquier proceso industrial y
es por ello, por lo que ocupará un lugar importante en cualquier sistema de medida y control
electrónico.
Métodos para la medida de la Temperatura
Los diferentes métodos para la medición de temperatura, se basan en las alteraciones que
ésta provoca en determinados materiales, por lo que, en definitiva, lo que estamos midiendo son
cambios producidos como consecuencia de la temperatura. Así, podemos formar la siguiente
lista de métodos para medir temperaturas:
- Variación del volumen o del estado de los cuerpos (termómetros).
- Variación de la resistencia de un conductor (Detectores de temperatura resistivos,
RTD).
- Variación de la resistencia de un semiconductor (termistores NTC y PTC).
- Variación de la tensión en una unión n-p (transductores de unión semiconductora).
- Fuerza electromotriz creada en la unión de dos metales (Efecto Seebeck. Termopares).
- Intensidad de radiación emitida por un cuerpo debido a su temperatura (pirómetros).
- Velocidad de sonido en un gas, frecuencia de resonancia de cristal, etc. (termómetros
ultrasónicos, de cristal de cuarzo, etc.).
Tipos de transductores de temperatura
Esta clasificación se puede hacer de dos formas: según la relación física que mantienen
con el cuerpo a medir y la familia a la que pertenecen atendiendo al fenómeno apreciado como
consecuencia de la variación de temperatura.
En la primera clasificación tendríamos:
- Sin contacto: se realiza a través de instrumentos ópticos enfocados al punto del que se
desea medir su temperatura. Por ejemplo la medición por infrarrojos.
- Con contacto: se denominan genéricamente captadores de temperatura. En este caso es
necesario situar al transductor junto al cuerpo cuya temperatura se desea medir.
En la segunda clasificación tendríamos en cuenta las diferentes familias en las que se
pueden encuadrar atendiendo al fenómeno físico-eléctrico asociado. Además tendríamos en
cuenta el tipo de Sensor/Captador utilizado y otra serie de consideraciones.
En la tabla que a continuación se desarrolla aparecen ordenados los transductores de
temperatura según este último criterio de clasificación. De todos ellos, a lo largo de los diferentes
apartados, nos vamos a centrar en el estudio de los más utilizados en los sistemas de adquisición
de datos, es decir, en los sistemas electrónicos de medida y control, así como en los más
difundidos y disponibles para el gran público.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.12
Familia
Tipos
Captadores/Sensores
Par termoeléctrico
Termopar
Resistencia metálica
Sonda termométrica (RTD)
Semiconductor
Termistor (NTC, PTC)
diodo, transistor,
circuito integrado
Cuarzo
Cristal de cuarzo
Eléctricos
Radiación total
Radiación parcial
Ópticos
Pirómetro óptico
Bicromáticos
(de 2 colores)
Espejo de radiación
Dilatación de sólido
Termómetro bimetálico
Dilatación de fluido
o de gas
Termómetros de vidrio,
de bulbo y capilar
Cristales líquidos
Cristales líquidos
De marca
Pinturas termosensibles
De fibra óptica
Fibra óptica
Mecánicos
Otros
1.3.1.- DETECTORES DE TEMPERATURA RESISTIVOS
Los detectores de temperatura resistivos (RTD), denominados también sondas de
resistencia o sondas termométricas, se basan en la variación de resistencia que experimentan los
metales ante variaciones de temperatura.
La explicación física de este hecho es la siguiente:
Al aumentar la temperatura, la agitación térmica de los electrones (vibración alrededor
de su posición de equilibrio) también lo hace, reduciéndose el espacio físico para el
desplazamiento de estos y por tanto su velocidad media. Todo ello se traduce en un aumento de
la resistencia al aumentar la temperatura, de ahí que los RTD tenga un coeficiente de
temperatura positivo.
En la figura 1.14. podemos ver el símbolo general empleado para este tipo de sensores
y el significado de sus diferentes partes:
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.13
Fig. 1.14. - Símbolo general de un RTD.
En este tipo de detectores, la resistencia a una determinada temperatura, R(T), viene
expresada así:
R(T)
R0[1n
1.nT n]
aunque como la variación de R(T) es bastante lineal en márgenes grandes de temperatura, se
suele utilizar la versión aproximada de la expresión anterior:
R(T)
R0[1.T]
donde:
.=
R0=
T=
Coeficiente de temperatura resistivo del material, el cual interesa que sea de gran
valor para aumentar la sensibilidad, y constante con la temperatura para aumentar
la linealidad. Se mide en (C-1 y se suele dar para 0(C.
Resistencia del material a 0(C y viene determinada por las dimensiones del RTD
y la resistividad del material empleado (!). Interesa que la ! del material sea alta
ya que implica menos material y por tanto menos tamaño para conseguir una
misma Ro. Además disminuye el tiempo de respuesta y la resistencia del RTD
será siempre mucho mayor que los hilos de conexión, disminuyendo la influencia
en la medición.
Temperatura en (C.
En cualquier libro de análisis de materiales (física, química, etc.) podemos encontrar el
valor de los parámetros anteriores para los materiales más frecuentemente utilizados en la
fabricación de RTD y que son: Plata, Oro, Tungsteno, Cobre, Níquel y Platino.
El oro y la plata se usan raramente debido a su baja resistividad y alto coste. El tungsteno
tiene elevada resistividad pero es muy frágil, lo que dificulta su manejo; para altas temperaturas
sí es bastante usado. Por todo ello, los materiales por excelencia usados en la fabricación de RTD
son el cobre (cada vez menos), el níquel y el platino.
De este último párrafo podemos deducir que el material ideal para construir un RTD
tendría estas características:
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.14
- . elevado < alta sensibilidad
- ! elevado < alta velocidad de respuesta y menor error.
- Relación lineal entre resistencia y temperatura.
- Facilidad para el estirado y arrollamiento durante el proceso de fabricación (rigidez y
ductilidad).
- Estable en sus características durante la vida útil del RTD.
De la gráfica mostrada en la figura 1.15. podemos deducir que el Platino es el material
más utilizado en la fabricación de RTD’s.
3.0
Pt
2.5
Ni
Cu
2.0
1.5
1.0
0.5
0
-200
-100
0
100
200
300
400
500
Fig. 1.15.- Linealidad en la variación de la resistencia con la temperatura para RTD de Cu, Ni y Pt.
Ventajas e inconvenientes de los RTD
Ventajas:
- Gran linealidad en un amplio margen de temperaturas.
- Operan a altas temperaturas.
- Sensibilidad hasta 10 veces mayor que los termopares.
- Gran exactitud en la medida.
Inconvenientes:
- Mucha inercia (elevado tiempo de respuesta).
- Autocalentamiento (debido a su conexionado y forma de operar).
- Posible presencia de deformaciones mecánicas.
- Más caros que otros transductores de temperatura, sobre todo en el caso del platino.
- Errores debido a los cables de contacto.
Construcción y Modelos físicos de RTD
Los RTD que más se utilizan en el campo de las mediciones y el control son:
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.15
- RTD aislado por mica.El conductor (metal sensor) se enrolla sobre un núcleo de mica y con este mismo aislante
se cubre todo. Posteriormente se introduce todo en una vaina metálica, que protegerá al conjunto
de vibraciones y golpes, además de proveer una buena transferencia térmica entre el conductor
y el exterior. La figura 1.16. muestra gráficamente la estructura comentada.
Fig. 1.16.- RTD aislado por mica.
- RTD sellado en cerámica.Igual que antes, el conductor va sobre un soporte, pero en este caso cerámico, el mismo
material que cubre a todo el elemento. Este tipo de RTD, mostrado en la figura 1.17, responde
rápidamente a cambios de temperatura, debido a los pequeños tamaños en que suelen fabricarse.
Fig. 1.17.- RTD sellado en cerámica. Elevado aislamiento.
- RTD sellado en vidrio.En este caso el metal usado como sensor se funde en un soporte de vidrio por lo que todo
queda perfectamente homogéneo. No se deben usar por encima de los 400(C.
Para finalizar este repaso a los diferentes modelos físicos de los detectores de temperatura
resistivos (RTD), se ha incluido en la figura 1.18. una serie de encapsulados para un tipo
particular de RTD: los de película fina de platino. Este tipo de RTD adoptará uno u otro modelo
de encapsulado dependiendo esencialmente del medio en el que se va a llevar a cabo la medición
de temperatura.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.16
Fig. 1.18.- Encapsulados de sensores de platino de película fina.
Acondicionamiento de señal
Para adaptar las variaciones de resistencia que se producen en un RTD al circuito que va
a tratar la información, se suelen utilizar los mismos montajes o circuitos que en los demás
transductores que también varían su resistencia con el fenómeno a medir: puente de Wheatstone,
amplificadores de instrumentación, acondicionadores integrados, etc.
Uno de los acondicionadores más utilizado en estos casos y también fácil de analizar es
el mostrado en la figura 1.19.
Fig. 1.19.- Circuito acondicionador básico para RTD.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.17
En dicho circuito, se hace circular una corriente constante por el RTD, por lo que las
variaciones de resistencia (debido a los cambios de temperatura) provocarán variaciones
proporcionales de la tensión VRTD. Al ser un amplificador no inversor, tendremos:
V o
R1R2
R1
VRTD
R1R2
R1
I#RRTD
es decir, la salida (Vo) es directamente proporcional a la resistencia que en cada instante posea
el RTD. Suponemos I lo suficientemente estabilizada en el margen de trabajo.
Los acondicionadores de señal integrados para los RTD, suelen ser los utilizados para
otros transductores/sensores que también están basados en la variación resistiva. Su composición,
en general, suele ser la mostrada en la figura 1.20. y como ejemplos de estos circuitos, pueden
citarse el 2B30 y el 2B31 de Analog Devices.
Fig. 1.20.- Esquema general y simplificado de un acondicionador de señal integrado para RTD.
1.3.2.- TERMISTORES
Los termistores son sensores resistivos, pero basados en semiconductores. Por tanto, nos
valemos de los cambios de resistencia eléctrica que experimenta este tipo de material al variar
la temperatura del medio en el que se encuentra.
Su simbología define los dos tipos que hay, con coeficiente de temperatura positivo y
negativo. El primer tipo aumenta la resistencia entre sus terminales cuando lo hace la temperatura
que afecta a su cuerpo. Sin embargo, en el segundo tipo, sucede todo lo contrario, ya que un
aumento de la temperatura provoca una bajada de la resistencia medida en sus terminales. En
ambos tipos se da el correspondiente "... y viceversa".
Podemos observar en la figura 1.21. el tramo recto que aparece en el extremo inferior de
la línea transversal, el cual nos indica que la función que relaciona la resistencia con la
temperatura no es lineal, a diferencia de como sucedía con el símbolo y función del RTD.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.18
Fig. 1.21.- Símbolos del termistor: PTC y NTC.
Termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC)
En estos sensores, si la temperatura aumenta, su valor resistivo disminuye.
La función que relaciona a ambos parámetros en un margen de temperatura reducido
(50(C) es:
R(T) RN e
B B
T TN
donde:
RN = Resistencia nominal del termistor a una temperatura nominal dada.
TN = Temperatura nominal a la que se da RN.
B = Constante que depende del material.
Los valores de RN y B dependen del proceso tecnológico utilizado en la fabricación del
NTC. Por este motivo es muy frecuente una gran dispersión de valores aún dentro de las mismas
series. Esto trae como consecuencia la necesaria calibración del termistor cuando se quiere
utilizar para un termómetro de precisión.
Termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC)
Estos sensores suelen fabricarse con materiales semiconductores menos comunes que los
utilizados para los NTC. Así, tenemos PTC que utilizan materiales ferroeléctricos prensados y
otros utilizan semiconductores básicos (Si) pero fuertemente dopados.
La función que relaciona temperatura y resistencia en un PTC, en su margen de
temperatura intermedio es
R(T) A C # e B T
donde A depende esencialmente, de las dimensiones del termistor y es un valor de resistencia
residual. El parámetro C es el valor a 0(C de la resistencia del termistor.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.19
Circuitos acondicionadores
Son semejantes a los sugeridos para los RTD, con la importante salvedad que supone la
condición "no lineal" de los termistores. Por ello, se ha de hacer una linealización de su
comportamiento. La forma más cómoda y fácil es colocarle una resistencia en paralelo, tal como
muestra la figura 1.22. Con esto, el valor del paralelo RTR para las diferentes temperaturas,
sigue una variación bastante lineal, en comparación con como variaba RT sola.
Fig. 1.22.- Linealización del termistor mediante R paralelo.
Comparativa entre los termistores y los RTD
La tabla que se muestra a continuación nos da una idea de las prestaciones de los tres
tipos de sensores de temperatura estudiados y que se puede analizar a modo de comparativa.
Característica
Metálico
NTC
PTC
Estabilidad
Buena
Regular
Mala
Repetibilidad
Buena
Regular
Mala
Sensibilidad
Baja
Alta
Muy alta
Linealidad
Alta
Baja
Baja
Rango de T
Alto
Bajo
Bajo
Rango de R(T)
Bajo
Alto
Alto
Precio
Alto
Bajo
Bajo
Para finalizar el repaso general que hemos hecho de los termistores, conviene tener una
idea del tamaño y forma que realmente suelen tener este tipo de sensores. En la figura 1.23
podemos observar una gran variedad de formas y encapsulados de NTC, que se adaptan a
múltiples superficies y fluidos de los cuales se desea medir la temperatura. Los PTC suelen tener
formas parecidas a los de la figura 1.23.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.20
Fig. 1.23.- Distintas formas para termistores NTC.
1.3.3.- OTROS TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA
En este punto haremos referencia a otros transductores de temperatura que hacen uso de
determinadas propiedades de los materiales para la captación termométrica.
Transductores de temperatura de unión semiconductora
Este tipo de transductores es bastante utilizado y se basan en un efecto muy poco deseado
en la mayoría de las ocasiones: la variación que experimenta la tensión en la unión N-P de un
semiconductor cuando la temperatura en su entorno también varía.
Por tanto, para este tipo de transductores podremos utilizar diodos y transistores (con la
unión C-B cortocircuitada). La respuesta que estos semiconductores dan es muy poco lineal, por
lo que se suele recurrir a los transductores de unión semiconductora integrados, los cuales,
aunque basados en uniones N-P, añaden en el proceso de fabricación una linealización de la
función temperatura-tensión en la unión. Esos tipos de integrados nos suelen ofrecer salidas en
forma de corriente o en forma de tensión.
Analicemos someramente algunos de estos transductores en sus versiones comerciales:
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.21
-AD 590 de Analog Devices: Proporciona una corriente de salida en µA igual a la
temperatura aplicada en grados centígrados, o sea, IT(µA) = T((C). El margen de alimentación
está entre +4 y +30 V. El margen de temperatura de funcionamiento entre -55(C y 150(C con
un error <1(C (típico 0'3(C).
Además: su constante de tiempo1 es de 60 seg. en aire quieto y 1'4 seg. en aceite agitado;
alta impedancia de salida (> 10 M); poco sensible a los cambios de alimentación (siempre
dentro de un margen razonable).
- Familia LM x35 de National Semiconductor: Son sensores de alta precisión que
proporcionan un voltaje directamente proporcional a la temperatura absoluta. Funcionan como
un zéner con tres terminales (uno se utiliza para realizar una fácil calibración), cuyo voltaje
inverso en el codo varía a razón de 10 mV/(K. Su salida viene dada por la expresión:
VOUT VOUT
T
donde:
To
#
T
To
T Temperatura a medir ((K)
T o Temperatura de referencia ((K)
VOUT Voltaje de salida a To
To
Un resumen de sus características es:
- Corriente de operación entre 400 µA y 5 mA.
- Si se calibra a 25(C (298(K) ofrece un error típico menor de 1(C sobre un rango de
temperatura de 100(C.
- Rango de temperatura de funcionamiento: -55(C y +150(C.
- Bajo coste.
Termopares o sondas termométricas
El termopar es un dispositivo capaz de transformar las variaciones de energía térmica en
variaciones de energía eléctrica. Su diferencia fundamental con los transductores vistos hasta
ahora, estriba en que no necesitan una energía adicional para realizar dicha conversión, es decir,
son transductores autónomos o activos.
El termopar está constituido por dos conductores (metales) unidos por uno de sus
extremos (figura 1.24 a). Esta unión recibe el nombre de unión caliente (U.C.) o unión sensora
(U.S.), por ser la que se encuentra a la temperatura a medir. Los otros dos extremos (uno de cada
conductor) estarán a una misma temperatura que es la de referencia.
1
Tiempo necesario para que (en el ambiente definido) estando a T0 y llevado a T1 (mediante
autocalentamiento por paso de corriente) pase a una temperatura T0 + 0.368 (T1-T0), tras la interrupción brusca de
la corriente.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.22
A efectos de estudio, el termopar se puede considerar unido por ambos extremos (figura
1.24 b). Uno de ellos será la unión caliente o sensora y el otro la unión fría (U.F.) o de referencia
(U.R.) y se debe mantener a una temperatura constante.
Fig. 1.24.- Constitución real del termopar (a). Termopar a efectos de estudio (b).
Estos transductores generan una d.d.p.,V, proporcional a la diferencia de temperatura
entre sus uniones (T - To), la cual nos servirá para realizar la medida de T. Hay que hacer notar
que los termopares también se emplean para medir presiones, flujo, radiaciones infrarrojas, etc.
El principio de funcionamiento de los termopares está basado en el efecto Seebeck, que
a su vez, reúne en sí los efectos Peltier y Thomson. Dicho efecto consiste en que si se tienen dos
metales distintos unidos por sus dos extremos (termopar) y los calentamos de forma que se
mantenga una diferencia de temperatura entre las uniones, aparece una diferencia de potencial
(d.d.p.), y en consecuencia, una corriente en el circuito formado por los metales, tal como muestra
la figura 1.25.
Fig. 1.25.- Efecto Seebeck en un termopar.
En la figura se indica V e I, que son la d.d.p. y corriente generadas como consecuencia
de que T g To. Aunque abramos el termopar, la d.d.p. V se conserva y aparece entre los bornes
o extremos de apertura.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.23
El efecto Seebeck es reversible: si hacemos que circule una corriente por un termopar,
cuyas uniones estuviesen inicialmente a la misma temperatura, aparecerá una diferencia de
temperatura entre dichas uniones y será proporcional a dicha corriente.
Por último, incluimos una tabla en la que se señalan los principales tipos de termopares,
así como su composición y características principales.
Tipo de
termopar
B
R
S
K
E
J
T
Composición
Rango de
temperatura
Tolerancia
Polo +
Polo -
Aleación PlatinoRodio
(30%)
Aleación
Platino-Rodio
(6%)
+600(C a
+1700(C
±4(C ó ±0'5%
Aleación PlatinoRodio
(13%)
Platino
0(C a +1600(C
±1'5(C ó ±0'25%
Aleación PlatinoRodio
(10%)
Platino
0(C a +1600(C
±1'5(C ó ±0'25%
Aleación
Aleación
0(C a 1000(C
±1'5(C ó ±0'4%
Ni-C
Al-Ni
0(C a 1200(C
±2'5(C ó ±0'75%
-200(C a 0(C
±2'5(C ó ±1'5%
Aleación
Aleación
0(C a 800(C
±1'5(C ó ±0'4%
Ni-Cr
Cu-Ni
0(C a 800(C
±2'5(C ó ±0'75%
-200(C a 0(C
±2'5(C ó ±1'5%
Aleación
Cu-Ni
0(C a 750(C
±1'5(C ó ±0'4%
0(C a 750(C
±2'5(C ó ±0'75%
Aleación
0(C a 350(C
±0'5(C ó ±0'4%
Cu-Ni
0(C a 350(C
±1(C ó ±0'75%
-200(C a 0(C
±1(C ó ±1'5%
Hierro
Cobre
1.4.- DETECTORES DE LUMINOSIDAD
Bajo este título vamos a incluir a todos aquellos transductores que hacen uso de las
radiaciones luminosas para su funcionamiento. Así podremos encontrar sensores que se limitan
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.24
simplemente a comunicar la presencia o no de luz, tanto en el espectro visible como en el no
visible; sensores que, haciendo uso de la luz, permiten conocer la distancia de un determinado
obstáculo; sensores que nos pueden indicar el tamaño de un determinado cuerpo mediante la
interrupción de un rayo de luz, etc.
1.4.1.- FOTORRESISTENCIAS (LDR)
Las fotorresistencias o fotoconductores ( en inglés, Light Dependent Resistors, LDR) se
basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación
electromagnética de tipo óptica (100' 106 ', 1' = 0'1 nm). Su símbolo es el mostrado en
la figura 1.26.
Fig. 1.26.- Símbolo de un LDR.
La conductividad eléctrica en un material depende del número de portadores en la banda
de conducción (B.C.). En un semiconductor a baja temperatura, la mayor parte de sus electrones
están en la banda de valencia (B.V.) y se comporta casi como un aislante. Para pasar electrones
de la B.V. a la B.C. hay que aportar energía y superar así la banda prohibida (B.P.). Este aporte
de energía puede hacerse mediante calor, tensión eléctrica, radiación óptica, etc. En el caso de
la radiación óptica, su energía, E, y frecuencia, f, están relacionadas mediante la constante de
Planck, h = 6'62 # 10-34 J # s.
E=h#f
Entonces si la radiación, debido a su frecuencia, tiene energía suficiente para permitir el
salto de los electrones de la B.V. a la B.C., pero sin provocar deterioro del material
semiconductor, se tendrá el efecto fotoeléctrico y a mayor iluminación, mayor conductividad. La
expresión que nos permite conocer la relación entre la energía de los fotones (E) y la longitud de
onda de la radiación () es:2
c#h
E
donde C es la velocidad de la luz (3 # 108 m/s).
Mediante las expresiones anteriores y conociendo el ancho de la B.P. de algunos
semiconductores, podremos conocer la longitud de onda () que debe tener la radiación óptica
para provocar el deseado aumento de la conductividad en el material (disminución de la
resistencia). Así tenemos, para algunos de ellos, los siguientes valores:
2
Téngase en cuenta que f=c/
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.25
MATERIAL
SCd
SeCd
Si
Ge
AsIn
SePb
ANCHO B.P.(eV)3
2'40
1'80
1'12
0'67
0'35
0'27
(µm)
0'52
0'69
1'10
1'85
3'54
4'58
Aspectos positivos y negativos de las LDR
Un factor negativo a considerar de las LDR es su no linealidad, es decir, la relación entre
la energía luminosa aplicada (E) y la resistencia eléctrica medida (R), no sigue una función lineal.
Aproximadamente viene dada por una expresión del tipo:
R
A#E .
donde A y . dependen del material y las condiciones de fabricación. Otro factor nada bueno que
se da en las LDR, es que la respuesta al subir la iluminación que incide sobre ella no sigue la
misma línea que la respuesta al bajar dicha iluminación. También son sensibles a la temperatura.
Como aspectos positivos podemos señalar su robustez para distintos medios, su fácil
instalación, construcción no excesivamente compleja y sobre todo posibilidad de incluir múltiples
tipos de materiales fotosensibles a gran variedad de radiaciones luminosas.
Fig. 1.27.-Diferentes vistas y encapsulados para LDR.
3
1eV=1.6x10-19 J
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.26
En la figura 1.27. podemos observar varios aspectos físicos de una LDR: vista superior, sección
transversal-lateral y tipos de encapsulado. En la vista superior se puede observar el zig-zag que
sigue la capa fotoconductiva con el fin de aprovechar al máximo la superficie de incidencia de
la iluminación.
Materiales y comportamiento de las LDR
A temperatura ambiente, los materiales fotoconductores más utilizados son sulfuros del
tipo SCd, SPb y SePb, en particular el primero.
Las aplicaciones de las LDR de uso común están en los receptores de TV (control
automático de brillo y contraste), cámaras fotográficas, detección de fuego, control de
iluminación de vías públicas, etc.
En la figura 1.28. hemos reproducido una gráfica que nos muestra aproximadamente la
relación que puede haber entre la resistencia ofrecida por una LDR entre sus terminales y la
iluminación que sobre ella incide.
Fig. 1.28.- Característica resistencia-iluminación de una LDR.
Observar que se han elegido escalas logarítmicas y por tanto aparece una función lineal.
Si las escalas hubiesen sido lineales, la función tendría forma exponencial, tal como corresponde
a la expresión R = f(E) dada anteriormente.
1.4.2.- FOTODIODOS
Cuando una unión N-P (diodo) es polarizada inversamente, se genera una zona desierta
que hace de la corriente circulante un mínimo (corriente inversa de saturación). Esta zona desierta
carece de las correspondientes parejas electrón-hueco que permiten una fácil circulación de
corriente. Si exponemos a una energía luminosa la zona desierta del diodo, se pueden "arrancar"
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.27
electrones de la Banda de Valencia y situarlos en la de Conducción, con lo cual la corriente
inversa aumentaría. Todo esto se podría resumir diciendo que cuando en un fotodiodo incide luz
de la frecuencia (o longitud de onda) para la que está diseñado, su corriente inversa aumenta
considerablemente, efectuándose por tanto una transducción luz-corriente eléctrica (o tensión).
En la figura 1.29. se muestra el conexionado básico de los fotodiodos y su curva
característica, con luz y sin luz.
Fig. 1.29.- Comportamiento de un fotodiodo polarizado inversamente.
Se puede observar que cuando incide la luz sobre el fotodiodo, este aumenta de forma
notable su corriente inversa de circulación, con lo que aumentará la caída de tensión en la
resistencia (R) del circuito.
1.4.3.- FOTOTRANSISTORES
Su comportamiento está basado en el mismo principio que para el fotodiodo, con la
salvedad de que la incidencia luminosa se produce, en este caso, sobre la unión Colector-Base
de un transistor. Esta unión, suele estar polarizada en inverso, por lo que en régimen oscuro se
tendrá un valor de corriente de colector en reposo. Cuando la luz incida sobre la unión C-B, esta
generará pares electrón-hueco provocando un aumento considerable de la Ic, que, circulando por
una resistencia de carga provocará a su vez un aumento de la caída de tensión en ella.
Fig. 1.30.- Símbolo del fototransistor.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.28
En la figura 1.30. se ha representado el símbolo frecuentemente utilizado para identificar
a un fototransistor.
Debido a su mayor poder de amplificación y su elevada sensibilidad en diferentes
modelos de fabricación, el fototransistor se va haciendo de uso más común que el fotodiodo en
múltiples aplicaciones de detección luminosa. Tal como sucedía con el fotodiodo, se fabrican
fototransistores sensibles a una elevada variedad de longitud de onda óptica, hecho éste, que
aumenta sus campos de aplicación.
1.4.4.- FOTOCELULAS
Las fotocélulas son sensores que detectan objetos y determinan las distancias a las que
se encuentran estos, empleando una fuente o emisor de luz (normalmente en el espectro
infrarrojo), un detector y una circuitería adicional. Poseen una gran importancia en aplicaciones
industriales y su uso es cada vez más frecuente.
Existe una amplia variedad de fotocélulas en el mercado, orientadas a muy distintas
aplicaciones. Ello implica que su aspecto externo esté adaptado al uso que se le va a dar. En
cuanto a su circuitería interna, las hay más o menos complejas y van desde aquellas que poseen
el total de la circuitería de emisión y recepción hasta aquellas que las llevan físicamente
separadas en dos módulos independientes.
A pesar de esta diversidad, podemos hablar de una configuración típica de estos
dispositivos, como puede ser la mostrada en la figura 1.31.
CONTROL DE
RADIACION
EMITIDA
EMISOR
ETAPA
DE SALIDA
LENTES DE
TRANSMISION
DETECTOR SENSIBLE
AL LUGAR DE INCIDENCIA
(PSD)
SUPERFICIE A
VARIAS DISTANCIAS
DE LA FOTOCELULA
LENTES DE
RECEPCION
Fig. 1.31.- Configuración típica de una fotocélula.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.29
- Circuito de control de radiación emitida (Driver del emisor): Aporta una señal en forma de
pulsos al emisor (láser semiconductor, LED, lámpara de incandescencia). La potencia de dicha
señal es elevada, de forma que la salida del emisor tenga la suficiente energía como para
conseguir grandes distancias y mínimas interferencias de la luz exterior.
- Emisor: Puede ser de alguna de las formas citadas anteriormente. La lámpara, igual que los LED
rojo y verde, proporcionan luz visible, lo que permite alinear fácilmente el haz entre emisor y
receptor. Su principal inconveniente es la disipación de potencia y un período de vida más corto.
Los LED más utilizados suelen ser de infrarrojos, por su relativa inmunidad a la luz ambiental
y su mayor salida luminosa, lo que se traduce en una mayor distancia de detección.
Por último, el diodo láser (visible o infrarrojo), se emplea en aplicaciones donde se
necesita alta precisión, debido a que se consiguen rayos de luz muy estrechos y de escasa
apertura, limitando así el tamaño de la zona de detección.
- Lentes: Su función esencial es la de hacer converger los rayos luminosos que reciben hacia un
punto determinado, bien en el exterior de la célula (de transmisión), bien en el interior de ésta (de
recepción). Como función adicional, las lentes pueden llevar incorporado un filtro polarizador,
el cual sólo dejará pasar radiaciones luminosas en un solo plano.
- Receptor: Si bien en la figura 1.31. se puso de detector uno de los más complejos (PSD), este
módulo puede ser tan básico como una simple LDR, fotodiodo o fototransistor, actuando en ONOFF. El PSD (Position Sensitive Detector) se utiliza en las fotocélulas de desplazamiento. Sus
especiales características (alta linealidad, buena resolución y rápida respuesta) hacen de este
sensor uno de los más utilizados en el campo industrial.
- Etapa de Salida: Es un circuito bastante complejo, que constará de: la interface con el receptor,
filtros, acondicionador de señal, temporización, etc. Cuanto más complejo sea el elemento
receptor más lo será la etapa de salida.
En el caso del PSD, la interface con el receptor tendrá dos entradas (además de la común),
a partir de las cuales se calcula la distancia a la que incidió el haz sobre la superficie del PSD.
Además éste módulo que hemos denominado genéricamente etapa de salida, puede incluir:
display para información inmediata y programación, conexiones RS-232 y GPIB, salida digital
y analógica, CPU, etc. Un ejemplo de etapa de salida para una fotocélula de desplazamiento con
receptor tipo PSD es el mostrado en la figura 1.32., en la cual se pueden observar algunos de los
elementos relacionados y otros que ayudan a obtener una mejora de las prestaciones del sistema
en general.
Así, la CPU nos permite formar una tabla con los valores suministrados por el conversor
A/D, además de hacer una compensación lineal de dichos valores. También se puede encargar
de promediar valores digitales consecutivos de forma que se pueda introducir entre ellos otros
nuevos que sirvan para obtener una mejor definición de la señal digital y analógica de salida.
Además, podemos observar el módulo denominado “control de transmisión y display”, el cual
tiene un doble cometido: hacer de interface entre el panel de control (teclado) y el resto del
sistema, y proporcionar un canal de comunicación para la transmisión de datos entre el exterior
y el interior, vía GPIB y RS-232.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.30
Fig. 1.32.- Etapa de salida para fotocélula de desplazamiento con receptor tipo PSD.
Aplicaciones de las fotocélulas
Entre las más difundidas e importantes aplicaciones de las fotocélulas podemos citar las
siguientes:
- Posicionamiento correcto de componentes en placas de circuito impreso.
- Detección de polaridad de condensadores electrolíticos.
- Posición de un display de cristal líquido.
- Medida de la distancia entre pines de los chips.
- Detección de niveles de líquidos en determinados procesos químicos.
- Control y automatización de alumbrados.
- Contador digital de elementos en una cadena.
- Etc.
1.5.- TRANSDUCTORES DE ULTRASONIDOS
Los ultrasonidos son un fenómeno acústico-mecánico que consiste en la vibración de las
partículas materiales de un medio. Cuando hablamos de ultrasonidos, la vibración se produce a
una frecuencia superior al límite máximo audible por el ser humano, es decir, por encima de los
20 KHz.
El estudio del fenómeno de los ultrasonidos se reduce, por tanto, a la teoría de ondas
sonoras. Este estudio habrá que llevarlo a cabo con unas connotaciones específicas que vienen
impuestas por la mayor frecuencia de trabajo, y orientarlo a las aplicaciones tan interesantes que
se derivan de sus características.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.31
Estas aplicaciones se van a basar en dos fenómenos principalmente:
- Utilización de la energía mecánica transmitida por las ondas. Esto permitirá usar
transductores sensibles a la presión que ejercen estas ondas ultrasónicas.
- Análisis de la onda una vez que ha pasado por un medio bajo prueba.
1.5.1.- TIPOS DE TRANSDUCTORES DE ULTRASONIDOS
Se denomina transductor de ultrasonidos tanto a un elemento que convierte la energía
eléctrica en ultrasonidos (emisor) como a aquel que efectúe la conversión contraria, de
ultrasonidos a energía eléctrica (receptor). A los transductores que pueden realizar
indistintamente las dos funciones con similar eficiencia se les denomina reversibles.
Los tipos de transductores más importantes son los piezoeléctricos, magnetoestrictivos,
mecánicos, electromagnéticos y electroestáticos.
Transductores piezoeléctricos para ultrasonidos
Se basan en el efecto piezoeléctrico (ya comentado en puntos anteriores), son reversibles
y su rango de frecuencias de utilización va desde algunos KHz. hasta los MHz. Tal como sucedía
para los transductores piezoeléctricos de carácter general comentados al inicio del tema,
podremos encontrarnos materiales naturales (cuarzo, turmalina, sulfuro de cadmio, etc.) y
artificiales (cerámicas).
En muchos transductores piezoeléctricos de ultrasonidos se suelen utilizar las cerámicas
ya que presentan la ventaja de no depender su efecto piezoeléctrico de la dirección de corte (lo
que sí sucede en los naturales) y se pueden construir de forma cóncava para enfocar el haz
ultrasónico, con la ventaja que ello supone.
Desde el punto de vista del ancho de banda, este es pequeño en los naturales, utilizándose
estos para la transmisión de forma continua, donde se requiere estabilidad de frecuencia. Por otro
lado los cerámicos presentan un mayor ancho de banda, siendo más propicios para la emisión de
pulsos y evitando así el sobrecalentamiento, que podría alterar sus propiedades piezoeléctricas.
Para conocer mejor las características de un transductor ultrasónico piezoeléctrico, vamos
a analizar el mostrado en el dibujo que se encuentra en la figura 1.33., el cual, tiene un
comportamiento bastante completo y será un excelente ejemplo.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.32
Fig. 1.33.- Interior de un transductor ultrasónico piezoeléctrico.
Cuando este transductor es conectado al equipo de ultrasonidos, transmite la onda
ultrasónica y recibe sus reflexiones al incidir sobre un obstáculo. Un transductor de este tipo
puede ser utilizado tanto de emisor como de receptor, dependiendo de la conexión que se haga
al equipo de ultrasonidos.
En su interior, un pequeño cristal piezoeléctrico sirve como transmisor y/o receptor de
ondas ultrasónicas. Como materiales piezoeléctricos suelen utilizarse cuarzo, titanato de bario,
y circonato de plomo, los cuales tienen buenas características para convertir señales eléctricas en
ondas ultrasónicas y viceversa.
El material piezoeléctrico del transductor es cubierto con dos láminas conductoras en sus
dos superficies paralelas. Si un voltaje es aplicado a las láminas, el cristal piezoeléctrico cambiará
su espesor en función del voltaje aplicado. Similarmente, si el cristal es sometido a un stress
mecánico (por ejemplo, un pulso ultrasónico) de tal modo que sea deformado, un voltaje
aparecerá entre las láminas conductoras que lo rodean y por tanto en los conductores que salen
de ellas. Este voltaje será proporcional al esfuerzo o deformación mecánica (stress). Un voltaje
alterno producirá un cambio alterno del espesor del cristal, y viceversa.
Una vez analizado el funcionamiento del transductor mostrado en la figura 1.33., vamos
a finalizar comentando algunas de sus partes más importantes (además del cristal piezoeléctrico).
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.33
- Amortiguador (Backing Layer): es un elemento fundamental en este tipo de transductores. Sus
funciones son:
- Reducir el tiempo de oscilación del cristal, y en consecuencia, reducir la duración
del impulso.
-Absorber las ondas que pudieran resultar perturbadoras.
- Servir de soporte al cristal piezoeléctrico.
La primera de las funciones es quizás la más importante, ya que la duración del impulso
acústico influye decisivamente en el poder de resolución. Para conseguir un buen
amortiguamiento se utiliza un material de elevada impedancia acústica (resistencia que ofrece a
la vibración) con un elevado coeficiente de atenuación para absorber ondas perturbadoras. Esta
solución de compromiso se consigue utilizando materiales compuestos, basados en resinas
sintéticas tales como el dioxido de manganeso, minio, etc.
- Carcasa (Housing): suele ser de aluminio y envuelve a todo el transductor, con el fin de dotarle
de una mayor rigidez y mejorar sus prestaciones mecánicas.
- Sintonía (Tuning coil): permite mejorar el ajuste para trabajar a una frecuencia determinada.
Modifica el tamaño del espacio interior del transductor de forma que hace más o menos fácil la
variación de tamaño del cristal.
- Superficie de acoplamiento (Matching Layer): es la capa que cubre al cristal piezoeléctrico.
Puede ser desde un simple protector del cristal hasta una lente acústica, de forma que tanto la
emisión como la recepción tengan un punto de enfoque, en el cual se concentran todos los haces
ultrasónicos, confiriendo una mejora notable en el comportamiento general del transductor. En
puntos posteriores haremos una mención específica a las lentes acústicas.
Transductores magnetoestrictivos
Se realizan con materiales ferromagnéticos, esto es, metales como el níquel, el cobalto
y el hierro, que son fácilmente magnetizados y que presentan el efecto de magnetoestricción: se
deforman cuando están sometidos a un campo magnético y viceversa, es decir, varía el flujo
magnético a través de ellos cuando son sometidos a una carga mecánica (por ejemplo, un pulso
ultrasónico).
Fig. 1.34.- Modelo simplificado del transductor magnetoestrictivo.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.34
En la figura 1.34. vemos una simplificación de un transductor magnetoestrictivo. El flujo
inducido por la bobina de polarización sobre la otra es prácticamente constante mientras esté en
reposo (por tanto no habrá fem inducida). Cuando un pulso ultrasónico (o carga mecánica)
"choca" con la varilla, esta se deforma, lo que provocará una variación del flujo magnético que
llega a la bobina de excitación. Esta variación de flujo provoca una fem inducida, lo que hace
variar a su vez la corriente que circula entre los terminales de dicha bobina y que será recogida
por el adaptador de señal correspondiente.
Transductores mecánicos
Se usan casi exclusivamente en aplicaciones de alta intensidad en líquidos y gases, para
frecuencias superiores a los 25 KHz. Son generalmente más potentes y menos caros que los
piezoeléctricos y magnetroestrictivos. Los dos tipos principales de emisores son el silbato y la
sirena.
- Silbato: se basa en pasar un gas o un líquido a alta velocidad a través de un orificio o
sobre un borde afilado; es el principio en el que se basa cualquiera de los silbatos audibles
conocidos pero con mayor sofisticación y precisión.
- Sirena: se basa en un disco que gira a una determinada velocidad, al cual se le han hecho
unos agujeros formando circunferencias concéntricas. Frente a este disco hay otro fijo, el cual
tiene unas toberas por las que fluye un gas (normalmente aire) que incide directamente sobre los
agujeros del disco móvil. La frecuencia ultrasónica emitida será igual al número de veces que se
interrumpe el flujo de gas, es decir, al número de agujeros por la velocidad de rotación.
Transductores electromagnéticos
Se basan en el movimiento de una bobina portadora de corriente en el seno de un campo
magnético. Comúnmente se usan para frecuencias audibles en forma de altavoces y micrófonos,
estando bastante restringida su aplicación en ultrasonidos. Para recordar el principio de
funcionamiento se puede recurrir nuevamente a la figura 1.3.
Transductores electrostáticos
Consisten en dos placas paralelas de material conductor, entre las cuales se sitúa un
dieléctrico, formando el conjunto un condensador.
Fig. 1.35.- Transductor ultrasónico electrostático.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.35
Una placa es fija, mientras que la otra puede vibrar libremente cuando sobre ella se ejerce
una presión tipo onda ultrasónica. Al transductor (condensador) se le coloca en serie una
resistencia de alto valor y una tensión constante de varios cientos de voltios, manteniendo así las
placas cargadas, tal como se muestra en la figura 1.35.
Para la transmisión se aplica a las placas la tensión de excitación variable, la cual produce
una variación periódica las cargas inducidas y con ello el movimiento de la placa que puede
vibrar. Como receptor, las vibraciones de la placa móvil producen cambios en la capacidad y con
ello, en la corriente que fluye. Esta corriente hace variar la caída de tensión en R, que nos sirve
como salida.
Se usan en gases y líquidos para frecuencias de hasta algunos cientos de KHz.
1.5.2.- LENTES ACUSTICAS: ENFOQUE DEL RAYO ULTRASONICO
En la ecuación:
arcsen
122
2a
se expresa la relación entre el radio de la fuente emisora (a) y el ángulo de divergencia () una
vez que el rayo ultrasónico empieza a divergir. En ella vemos que al disminuir el radio, este
ángulo aumenta. Por ello, normalmente, el radio de la fuente emisora se hace mucho mayor que
la longitud de onda (), consiguiéndose una mayor distancia con el rayo sin divergir, como
consecuencia de la disminución de . En algunas ocasiones, esta relación /a tiene su límite,
recurriéndose entonces a la concentración del rayo ultrasónico mediante lentes acústicas. Estas
lentes permiten concentrar toda la energía de un rayo ultrasónico en un punto, denominado de
enfoque (P.E.).
Fig. 1.36.- Enfoque del rayo ultrasónico. A) Reflector curvo. B) Reflector parabólico. C) Lente convergente.
D) Emisor curvo (cerámicos) .
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.36
Existen varios tipos y posibilidades para las lentes acústicas, tal como se muestra en la
figura 1.36.
Un haz concentrado aumenta considerablemente la energía ultrasónica en el punto de
enfoque (P.E.), hecho requerido en diversas aplicaciones de gran potencia. Como se puede
observar en la figura 1.36., las posibilidades de enfoque se basan, o en realizar el emisor de forma
curva, o bien en incorporar un elemento adicional (reflector o lente acústica).
1.6.- DETECTORES DE HUMO Y FUEGO
Si bien este tipo de sensores no intervienen directamente en el control del proceso
industrial, es necesario su conocimiento, ya que sí están implicados de lleno en el entorno de la
planta. Efectivamente, cualquier sistema de medición, control electrónico o adquisición de datos,
no sólo llevará un seguimiento de los parámetros implicados en el proceso de producción, sino
que controlará también elementos fundamentales para la seguridad y el buen funcionamiento de
toda la planta o entorno.
Cuando se tiene un sistema informático para control, es normal que se utilicen al máximo
sus posibilidades en este campo, por lo que no sólo se le dotará de entradas que vengan de las
medidas electrónicas llevadas a cabo sobre los productos sino que tendrá una serie de accesos
para las alarmas del entorno: presencia de humos tóxicos o nocivos, fuegos incontrolados, etc.
Por todo lo expuesto, merece la pena desarrollar básicamente el funcionamiento y
actuación de los detectores de humo y fuego, ya que no detectar la presencia de estos agentes
puede anular cualquier buen diseño y funcionamiento de un sistema electrónico de medida y
control.
Indicador de fuego y humo
Cualquier producto de un fuego que cambie las condiciones ambientales podrá ser
llamado indicador de fuego y es, por tanto, susceptible de ser usado para la detección de este. El
principal indicador de fuego usado en los detectores es el aerosol.
Los aerosoles son partículas suspendidas en el aire. El proceso de combustión (fuego)
lanza a la atmósfera gran número de partículas sólidas y líquidas, las cuales pueden tener un
tamaño comprendido entre 10 µm y 1 nm. Los aerosoles que emanan de un fuego tienen dos tipos
de partículas características. Las partículas menores de 0'3 µm no dispersan la luz eficientemente
y se denominan invisibles. Las mayores de 0'3 µm dispersan la luz y son clasificadas como
visibles. Las partículas invisibles del aerosol son conocidas normalmente como productos de
combustión y las visibles como humo. Las partículas invisibles de aerosol son las que primero
aparecen y ya denotan la presencia de una combustión.
Llegados a este punto, queremos establecer una diferencia, quizás de matiz, pero desde
el punto de vista de los sensores, fundamental. Una cosa es la detección del fuego mediante los
productos que emite a la atmósfera, es decir, mediante el humo que desprende, y otra la detección
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.37
de la llama, que se hará mediante detectores o sensores de calor. Una detección no tiene porque
implicar la otra, todo dependerá de la finalidad que se persiga.
Detectores de humo y fuego
En este punto vamos a comentar la detección del fuego mediante sensores que se valen
del principal elemento que emana de éste (si exceptuamos el calor, que está más próximo al lugar
de la combustión), el humo.
Hay dos tipos básicos de detectores de humo: fotoeléctrico y de cámara de ionización.
Los detectores fotoeléctricos de humo usan, o una lámpara de incandescencia (bombilla),
o un LED, para enviar un rayo luminoso hacia su frontal. Cuando el humo entra en el detector
por dicho frontal, la luz del rayo es reflejada por las partículas del humo llegando entonces a
incidir en una fotocélula, con lo cual la alarma será disparada. Mientras no haya humo, la
fotocélula no recibe luz procedente del LED o bombilla, ya que ésta es emitida en dirección
perpendicular al plano que ocupan el LED y la fotocélula. En la figura 1.37. se puede ver
esquematizada la estructura de un detector de humo fotoeléctrico visto por la cara en contacto con
el medio.
Fig. 1.37.- Detector de humo tipo fotoeléctrico.
El detector de humo de cámara de ionización posee una pequeña fuente de radiación que
produce moléculas de aire cargadas eléctricamente, llamadas iones. Estos iones permiten que
fluya una pequeña corriente eléctrica en el seno de la cámara. Las partículas de humo que entren
en la cámara neutralizarán por si mismas a los iones, reduciendo de este modo el flujo eléctrico.
Este cambio de corriente activará la alarma.
En la figura 1.38. se puede ver de un modo simplificado el funcionamiento básico de este
tipo de sensor de humo. Las partículas . son generadas por la fuente radioactiva. Estas partículas
bombardean el aire, provocando su ionización. El aire ionizado permite que se cierre el circuito
entre los electrodos colectores y la alarma permanecerá en reposo.
Cuando llegan los aerosoles (humo) las partículas ionizadas quedan neutralizadas y se
corta el flujo de corriente entre los electrodos, por lo que la alarma detectará un aumento de
corriente por ella (está en paralelo) y se disparará, avisando de la presencia del humo.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.38
Fig. 1.38.- Detector de humo por cámara de ionización.
Cuando se desea fabricar un detector de humo que reúna las condiciones óptimas de
calidad y fiabilidad, éste llevará incorporado ambos sistemas detectores: fotoeléctrico e
ionización. Esto garantiza un disparo de la alarma para la más mínima presencia de humo.
Detectores de llama
Los detectores de llama son detectores térmicos que actúan cuando el calor es elevado,
típicamente 55(C - 60(C. Estas unidades constan de un elemento bimetálico que se dobla con
el calor, debido a la diferencia en el coeficiente de dilatación de ambos metales. Al doblarse,
cerrarán un circuito que avisará de la presencia de una elevada temperatura. Puesto que estas
unidades no detectan humo o productos de la combustión, no son recomendadas para áreas donde
haya personas ya que cuando detecten la presencia de las llamas puede ser tarde: las personas
podrían haber perdido el conocimiento por la presencia del humo. Los recintos donde sí puede
ser interesante instalar detectores de llama son: terrazas, garajes descubiertos, hornos, etc. Los
detectores de llama más actualizados, utilizan las radiaciones ultravioletas que emiten las llamas
para avisar de su presencia. Tampoco son recomendables en lugares residenciales.
Las unidades detectoras de llama profesionales, deben responder también a ciertos tipos
de gases (propano, monóxido de carbono, butano, vapores de gasolina, etc.) que no podrían ser
detectados por los sensores de humo y fuego.
Por último, recordar que la mayoría de los fuegos domésticos producen aerosoles que no
son detectados por los sensores de humo, debido al reducido tamaño de sus partículas. Por ello
es necesario contar en los lugares donde haya personas con los dos tipos de detectores: de humo
y fuego y de llamas.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.39
1.7.- FIBRAS ÓPTICAS
Si bien las fibras ópticas no pueden ser consideradas transductores o sensores en el
sentido estricto de la definición que se dio para éstos, sí pueden incluirse en un estudio global de
este tipo de elementos, ya que su vinculación con las fibras ópticas, en algunos campos
importantes, es fundamental.
La fibra óptica es, en esencia, un conductor de luz, es decir, por su interior se produce una
circulación de partículas luminosas. Esto las hace el medio idóneo para transmitir la luz a grandes
distancias sin que se vea alterada en su composición básica.
Como se ha visto a lo largo de puntos anteriores, la luz ha sido la radiación
electromagnética en la que se han basado múltiples aplicaciones y de la que se han "aprovechado"
gran variedad de transductores y dispositivos electrónicos de control y medida (LDR, fotodiodos,
fototransistores, LED, fotocélulas, medidores y contadores ópticos, etc.).
Sin embargo, muchas veces interesa "llevar la luz" o "recoger la luz" a/de puntos remotos
o de difícil acceso. Ahí es donde entra en juego la fibra óptica. Además veremos posteriormente
las múltiples aplicaciones que se le dan a estos conductores de luz.
Un ejemplo de esto último son las fibras ópticas desarrolladas en las fotocélulas, con el
fin de dar respuesta a las crecientes necesidades y en ambientes adversos. Las fibras permiten
llevar la luz procedente del emisor a sitios realmente recónditos, en los cuales no se podría
instalar una fuente emisora de luz de ninguna manera.
Principio de funcionamiento
La fibra óptica hace uso del principio de reflexión total interna.
Fig. 1.39.- (A) Refracción de la luz cuando pasa de un medio a otro. (B) Fenómeno de reflexión total interna.
Cuando un rayo de luz pasa de un medio con un índice de refracción n1 a otro con índice
n2 y se cumple que n1 > n2, dicho rayo tiende a volver al medio de donde salió (fig. 1.39 (A)). Si
la relación entre índices alcanza un valor adecuado, el rayo al incidir sobre el segundo medio
vuelve en su totalidad al primero (fig. 1.39 (B)) produciéndose entonces la reflexión total interna.
Para ello, se tendrá en cuenta también el ángulo de incidencia del rayo, el cual será fundamental
en las fibras ópticas.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.40
Si, basándonos en este principio, construimos un elemento dotado de un núcleo con índice
de refracción nc, rodeado en su totalidad por otro material (revestimiento) con índice de
refracción nr, de forma que nr < nc, al incidir sobre su superficie transversal un rayo de luz,
quedará confinado en su interior, propagándose a través de él, tal como queda reflejado en la
figura 1.40.
Fig. 1.40.- Capas de una fibra óptica. Camino seguido por un rayo de luz a través de la fibra.
La luz que entra en la fibra óptica se propaga a través del núcleo en modos, que
representan a los diferentes caminos posibles para las ondas luminosas. Así, tendremos fibras
monomodo y multimodo. Los modos posibles en una fibra óptica estarán en función del radio del
núcleo, longitud de onda de la radiación y los índices de refracción del núcleo y revestimiento
(nc y nr).
Para que en una fibra óptica se produzca la reflexión total interna del rayo que incide
sobre su entrada, éste debe incidir dentro de un cierto ángulo (.), llamado ángulo de aceptación.
Cualquier onda que entre según un ángulo mayor escapará a través del revestimiento. Este ángulo
da lugar a un término fundamental en las fibras ópticas: la apertura numérica NA. El concepto
de apertura numérica es ampliamente utilizado para describir la potencia colectora de luz de la
fibra y para calcular la eficiencia de acoplo fuente/fibra. Su expresión es:
2
2
NA
sen .max
nc nr
donde .max, representa el máximo ángulo de aceptación y NA está en función de los índices de
refracción de los materiales de la fibra.
El material empleado en la construcción de fibras ópticas debe reunir tres características
físicas fundamentalmente, amén de las químicas, que le confieren la calidad para el uso en las
comunicaciones y demás campos. Dichas características son:
- Fácil propagación de la luz.
- Fácil filamentación.
- Fácil calibración de los índices de refracción.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.41
Dependiendo del uso que se le vaya a dar a la fibra óptica, el material cumplirá en más
o menos medida las exigencias anteriores. Así, nos podremos encontrar desde fibras de plástico
hasta fibras de vidrio con una calidad óptima. En todo caso y hablando de fibras con unas
prestaciones adecuadas, la sustancia básica es generalmente el sílice de alta pureza, que al
fundirse proporciona el vidrio, esencial en la construcción del núcleo. A la base de sílice se
añaden boro, germanio, fósforo y aluminio, tanto en el núcleo como en el revestimiento, con el
fin de controlar el perfil del índice de refracción.
Clasificación de las fibras ópticas
Atendiendo a las propiedades modales de las fibras ópticas, se les puede agrupar en dos
categorías: monomodo y multimodo.
En una fibra monomodo, la luz puede tomar un único camino a través del núcleo, que
suele ser sumamente fino (L < 10 µm). Las fibras multimodo tienen núcleos de diámetros
mayores y permiten a la luz tomar varios caminos en su desplazamiento.
Las fibras ópticas monomodo son más eficaces a largas distancias, pero requieren mayor
precisión en la fabricación, empalme y terminación.
Otra posible clasificación de las fibras ópticas se hace en función del índice de refracción,
siendo de dos tipos: salto de índice e índice gradual.
En las fibras de salto de índice, el índice de refracción es uniforme a lo largo del diámetro
del núcleo. En las fibras de índice gradual, el índice de refracción es inferior en las proximidades
del revestimiento que en el eje de la fibra. Las ondas luminosas se propagan ligeramente más
lentas en las proximidades del eje del núcleo que cerca del revestimiento.
Agrupando las dos clasificaciones hechas para las fibras ópticas, obtenemos tres tipos
básicos:
- Fibras multimodo de salto de índice.
- Fibras multimodo de índice gradual.
- Fibras monomodo de salto de índice.
En la figura 1.41. se pueden ver los tres tipos en tres aspectos fundamentales:
- Sección transversal.
- Perfil del índice de refracción según la distancia radial.
- Posibles caminos que pueden seguir los rayos de luz.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.42
Fig. 1.41.- Tipos de fibra óptica. (A) Multimodo salto de índice. (B) Multimodo índice gradual. (C) Monomodo.
Ventajas e inconvenientes de las fibras ópticas
El uso actual de fibras ópticas está muy extendido en diversos campos de la ciencia,
siendo en el de las comunicaciones en el que ha alcanzado una implantación total y un óptimo
desarrollo.
Las ventajas de la fibra óptica son muchas, destacando las siguientes:
- Están hechas con material no conductor de la electricidad (dieléctrico), lo cual implica
las siguientes ventajas:
* Baja radiación de señal.
* Mayor seguridad de transmisión (difícil de "pinchar").
* Inmunidad a la interferencia electromagnética y de radio-frecuencia.
* Inmunidad a los relámpagos, rayos y arcos voltaicos. Ideal para instalaciones de
alto voltaje.
- Pequeño tamaño en lo que a diámetro se refiere, por lo cual:
* Necesita poco espacio para su canalización.
* Pocas modificaciones en las canalizaciones ya hechas.
- Baja atenuación, por lo que:
* Podrá recorrer grandes distancias con bajo número de repetidores.
* Menores costes de instalación y mantenimiento.
- Al transportar señales de tipo óptico,
* No necesitan puestas a tierra de seguridad.
* No emiten "chispas" peligrosas.
* Lo anterior permite su instalación en ambientes inflamables.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.43
- Elevado ancho de banda, lo que permite:
* Añadir nuevas señales en el futuro sin necesidad de ampliar el número de fibras.
Los inconvenientes de las fibras ópticas, están mayormente relacionados con el tipo de
señal que utilizan, es decir, con la luz y su dificultad para mantenerla "encerrada" en un medio.
Entre los principales podemos citar:
- El acoplamiento entre la fuente luminosa y la fibra ha de ser óptimo para evitar pérdidas
de energía.
- Los empalmes entre fibras requieren una elevada precisión para no introducir excesiva
atenuación en la señal.
- Los acoplos mediante conectores son extremadamente complejos en cuanto a su
consecución óptima, ya que deben hacer coincidir los ejes de las dos fibras con una tolerancia
mínima. Estamos hablando de diámetros que parten de unos pocos µm.
- Las derivaciones desde la línea principal han de ser llevadas a cabo mediante alta
tecnología.
- La extrema fragilidad de la fibra óptica hace que los cables (con múltiples fibras ópticas)
tengan que ser blindados, con el fin de dotarles de mayor robustez y menor radio de curvatura.
Además tendremos en cuenta qué factores irrelevantes en otros tipos de cables para la
conducción eléctrica, son importantes e influyentes en las fibras ópticas. Así podemos citar como
fuentes de atenuación en una fibra las siguientes:
- Variación en el espesor del revestimiento.
- Rugosidad en la superficie de contacto núcleo-revestimiento.
- Micro-curvas (alabeos).
- Impurezas en el material.
- Etc.
Aplicaciones de las fibras ópticas
Tras todo lo comentado, podrá apreciarse que son innumerables las aplicaciones de las
fibras ópticas en sustitución de los convencionales cables metálicos y, como es lógico, muchas
de ellas abarcan los más variados campos, además del ya citado de las telecomunicaciones. El
ahondar en todas las aplicaciones de las fibras ópticas nos llevaría a una amplitud del tema que
no es lo pretendido en esta exposición, por tanto, hagamos un somero repaso de estas.
- Sensor de temperatura: se basan en los cambios de los índices de refracción que
experimentan las fibras al ser sometidas a cambios de temperatura.
- Sensor acústico interferométrico: una misma fuente luminosa se aplica a dos fibras, una
de referencia y alejada del lugar donde se producirán los sonidos; otra sometida a las
compresiones acústicas. Estas compresiones motivarán una distorsión en la fibra y alterarán su
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.44
longitud óptica y consecuentemente cambiará la relación de fases entre las señales recibidas en
el otro extremo de las dos fibras. Recombinando ambas señales se obtendrá la variación relativa
de fase, que será proporcional a la compresión acústica que se desea medir.
- Detector de niveles de líquidos: se basan en la diferencia de comportamiento de la luz
al pasar de la fibra al aire o directamente al líquido si este la cubre.
- Aplicaciones navales.
- Giroscopio con fibra óptica.
- Sónar.
- Satélites.
- Aeronáutica.
- Inspección de cavidades (endoscopio).
- Inspección de motores.
- Sistemas de seguridad, etc.
A todas las aplicaciones relacionadas habría que añadir la fundamental de la fibra óptica,
las comunicaciones. Un ejemplo genérico de un enlace mediante fibra óptica sería el mostrado
en la figura 1.42.
Fig. 1.42.- Enlace simple de fibra óptica.
1.8.- OTROS TRANSDUCTORES
A lo largo de los siete puntos anteriores se han estudiado los transductores de uso más
común en los sistemas electrónicos de medida y control. Ello no quiere decir que el resto no sea
importante, simplemente tenerlos en cuenta todos se hubiese salido de la idea general que
pretende darse en este tema de introducción.
A continuación vamos a realizar una lista en la cual se citen otros transductores
interesantes para facilitar la adquisición de datos mediante sistemas electrónicos y además se
describen someramente sus características.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.45
Detectores de humedad
En las situaciones en las cuales el vapor de agua puede influir en procesos físicos,
químicos o biológicos, o simplemente alterar el comportamiento de sistemas electrónicos, es
importante tener controlado o monitorizado el valor de la humedad en el aire. En la práctica la
variable que se mide es la humedad relativa (RH), que se puede definir como la relación entre la
presión del vapor de agua presente y la presión necesaria para la saturación del ambiente, a una
temperatura y presión determinadas.
Existen diferentes métodos para medir la RH, destacando principalmente los basados en
el Principio Higrométrico y en el Principio Psicrométrico.
El primero de ellos se basa en el efecto que la humedad provoca en determinados
materiales denominados higroscópicos: nylon, pelo natural, seda y fibras orgánicas. Un ejemplo
básico es el higrómetro mecánico mostrado en la figura 1.43.
Fig. 1.43.- Higrómetro mecánico con materia orgánica.
Con la humedad se dilata la membrana y el muelle experimenta un desplazamiento a la
derecha. Lo contrario sucede cuando disminuye la humedad. El desplazamiento del muelle se
traduce a una escala de humedad, que en estos transductores se sitúa entre el 15% y el 95% (RH)
con una precisión de ± 3%.
El segundo, se basa en el efecto "botijo". Tenemos dos sensores de temperatura: uno
denominado bulbo seco y mide directamente la temperatura ambiente; el otro es el bulbo húmedo
y va envuelto en material fibroso saturado de agua. A menor humedad, el agua se evapora más,
tomando calor del bulbo (enfriando el sensor). Si el ambiente estuviese saturado (100% RH) no
se evaporaría agua del bulbo y no bajaría la temperatura del sensor húmedo, que se mantendría
a la misma temperatura que el seco. La diferencia de temperatura entre ambos sensores se puede
traducir en RH mediante la denominada Tabla Psicrométrica.
Detectores de nivel de líquidos
Existen diferentes métodos entre los que podemos citar:
- Flotador o boya: el nivel de líquido eleva una boya o flotador que hace girar una polea
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.46
mediante un hilo con un contrapeso en el extremo opuesto. El giro de la polea convenientemente
traducido nos da el nivel del líquido.
- Medida por diferencia de presiones: se basa en que la presión estática en cualquier
punto de un líquido es igual al producto de la distancia desde el punto a la superficie del líquido,
su densidad y la aceleración de la gravedad. Si conocemos la densidad del líquido y la gravedad,
se puede obtener relativamente fácil el nivel del líquido mediante una medida de presión (para
lo que se usará el transductor correspondiente).
- Medida por desplazadores de líquido: se basa en el principio de Arquímedes. El empuje
ejercido por el líquido sobre el elemento sumergido es igual al peso del volumen del líquido
desalojado. Si el elemento sumergido tiene unas dimensiones constantes (cilindro) y le
mantenemos siempre al mismo nivel, cuanto menor sea el líquido en el recipiente menor empuje
se ejercerá sobre dicho elemento. En definitiva, mediremos el empuje que experimenta el
elemento sumergido, convirtiéndolo en la correspondiente medida de nivel.
- Medidor de nivel por ultrasonidos: se basa en medir el tiempo que requiere una onda
ultrasónica emitida por un transductor y reflejada en la superficie del líquido, en regresar al
transductor. En la figura 1.44. podemos ver esquematizado este principio. La relación entre el
nivel del líquido, la velocidad de la onda ultrasónica (v) y el tiempo (t) que tarda en recogerse el
ultrasonido viene dado por:
t # v
2(LH)
siempre que sea aire lo que haya en el "camino" del ultrasonido.
Fig. 1.44.- Medida de nivel mediante ultrasonidos
- Medida basada en el efecto capacitivo: la capacidad de un condensador depende, entre
otras cosas, de la separación entre sus láminas conductoras. Si una lámina está en el fondo del
depósito y la otra en la superficie del líquido, dependiendo del nivel tendremos diferentes
capacidades para el condensador así formado, que mediremos, y si todos los demás parámetros
permanecen constantes, podremos calcular fácilmente la altura del líquido: separación entre
láminas.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.47
Detectores de proximidad
Cuando en algún proceso es necesario el conocimiento de la posición de un objeto, esta
operación se puede realizar básicamente de dos formas: por contacto físico con el objeto a
detectar o por proximidad del mismo.
En la actualidad y salvo determinados tipos de procesos, se tienden a utilizar los
detectores de proximidad, debido a varias ventajas que estos presentan frente a los de contacto.
* Mínimo o nulo mantenimiento.
* Elevado rendimiento y uso de elevadas frecuencias.
* Alto nivel de protección frente a polvo, suciedad, humedad, etc.
Su clasificación, en función del efecto en el que se basan, es:
- Capacitivo: se basa en medir la capacidad de un condensador (o su influencia en un
circuito oscilador) que se ve afectada por el objeto a detectar. El objeto podrá interponerse entre
los electrodos (a modo de dieléctrico) o podrá ser uno de ellos, acercándose o alejándose del otro.
En cualquiera de los dos casos la capacidad del condensador se ve afectada por la proximidad del
objeto.
- Inductivo: una bobina detectora (B.D.) alimentada por un oscilador (en un punto crítico
de realimentación) generará un campo magnético. Cuando el objeto (conductor inductivo
obligatoriamente) se introduce en el campo, una corriente lo recorrerá y generará su propio campo
magnético, que alterará al principal. Esta alteración hará que baje la realimentación del oscilador,
disminuyendo su frecuencia de oscilación por debajo de un umbral, haciendo actuar un
disparador. Fig. 1.45.
Fig. 1.45.- Detector de proximidad inductivo.
- Opticos: se basan en un elemento sensor (que suele ser un fototransistor) a una
determinada radiación (normalmente en el infrarrojo) y un elemento emisor de la radiación
correspondiente. Se montan fundamentalmente de tres formas, tal como queda expuesto en la
figura 1.46. En el caso c) se hace necesario que el objeto sea reflectante mínimamente.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.48
Fig. 1.46.- Detectores ópticos. a) Montaje de barrera. b) Montaje réflex. c) Montaje de reflexión directa.
- Ultrasonidos: se basan en principios parecidos a los ópticos pero con transductores
ultrasónicos.
Detectores de caudal
Permiten evaluar el volumen de líquido por unidad de tiempo. Principalmente tenemos
estos medidores o detectores de caudal:
- Medidor electromagnético: se basa en la ley de Faraday. Así, un campo magnético
atravesando una tubería en dirección perpendicular al flujo del líquido (obligatoriamente
conductivo), provoca una corriente eléctrica proporcional a la velocidad del líquido. Esta
corriente, con dirección perpendicular a la del movimiento del líquido, llega a unos electrodos
en contacto con éste (en extremos opuestos de un mismo diámetro o cuerda de la tubería),
alcanzando a un transformador y dando lugar a una salida proporcional a la velocidad del líquido
y por consiguiente, al caudal instantáneo.
- Medidor de turbina: se caracteriza por su bajo coste y elevada precisión y su principio
es básico; una hélice gira a una velocidad proporcional al caudal que fluye por la tubería. El giro
de la hélice es captado adecuadamente, traduciéndose en caudal.
Transductores de aceleración
Son los encargados de convertir en señal eléctrica magnitudes físicas del tipo aceleración,
vibraciones y golpes. El elemento sensor es la denominada "masa sísmica", formada por un
muelle que generalmente tiene amortiguado su movimiento. Así, cuando se aplica una
aceleración al conjunto (fig. 1.47.), la masa se mueve con relación a la caja que la contiene,
mientras que al acabar la aceleración el muelle hace retornar a la masa a su posición original.
Si se conoce el valor de la masa y el de la fuerza o K del muelle, podemos conocer
fácilmente la aceleración. El desplazamiento lineal de la masa (o del muelle) es la magnitud
realmente medida.
Según el elemento usado para medir el desplazamiento de la masa tendremos los
acelerómetros resistivos y los capacitivos.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.49
Fig. 1.47.- Acelerómetro masa-muelle.
Otro tipo de transductores de aceleración fueron expuestos en el punto 1.2.1., dentro de
las aplicaciones de los materiales piezoeléctricos (fig. 1.10. y 1.13.).
Por último reseñar los acelerómetros monolíticos integrados, los cuales forman un
sistemas completo de medida de aceleración sobre un único chip.
Transductores de fuerza y presión
Generalmente se habla de transductor de fuerza en el caso de los sólidos, mientras que
para líquidos y gases se emplea el transductor de presión. Este hecho se debe a que la fuerza
ejercida por los primeros es puntual (tiene una intensidad determinada independientemente de
la zona de apoyo), mientras que los segundos ejercen una fuerza proporcional a la superficie que
los envuelve, actuando en todas las direcciones y siempre perpendicularmente a ésta, por
consiguiente, una misma cantidad de líquido puede realizar distintas fuerzas dependiendo del
recipiente que lo contenga.
Para medir la fuerza, se evalúa ésta a través de la deformación que sufre un material
cuando actúa sobre él. Se necesita pues, en los transductores de fuerza, un elemento elástico que
actúe a modo de sensor.
Fig. 1.48.- Sensores de fuerza mecánicos.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.50
Los sensores de fuerza más utilizados en los distintos tipos de captadores son soportes mecánicos,
midiendo su deformación en cualquiera de los ejes. También se utilizan finas membranas que se
curvan cuando reciben una fuerza (pequeña). En la figura 1.48. se pueden ver algunos de los
primeros.
Para los sensores de presión se utilizan, generalmente, elementos menos rígidos que para
los de fuerza, encontrándose entre ellos los siguientes:
* Membranas o diafragmas.
* Fuelles.
Tanto para los transductores de fuerza como para los de presión se utilizan también
elementos piezoeléctricos cuyo funcionamiento básico fue objeto de estudio anteriormente.
Transductores de desplazamiento
Como sucede con la mayoría de transductores, su clasificación suele hacerse en función
del fenómeno físico en el que se basan.
- Capacitivo: el móvil desplaza al dieléctrico de un condensador. El cambio de capacidad
es proporcional al desplazamiento.
- Inductivo: este tipo convierte el desplazamiento (generalmente lineal) en cambios de
autoinducción de un devanado o de la inducción mutua de un transformador.
Dentro de los transductores de desplazamiento que hacen uso del fenómeno inductivo,
merece la pena citar el transformador diferencial de variación lineal (LVDT), el cual se basa en
la variación de la inductancia mutua que se produce entre un primario y cada uno de los
secundarios al desplazarse a lo largo de su interior un núcleo de material ferromagnético,
arrastrado solidariamente por la pieza cuyo movimiento se desea medir.
Fig. 1.49.- Esquema básico del LVDT y función de transferencia.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
1.51
Al alimentar el primario con una tensión alterna, en la posición central las tensiones
inducidas en cada secundario son iguales y, al apartarse de dicha posición el núcleo, una de las
dos crece y la otra se reduce en la misma magnitud.
Normalmente los dos devanados se conectan en serie-oposición, por lo que una relación
desplazamiento (x) - tensión generada (eo) podría ser la dada en la figura 1.49., junto al circuito
representativo del LVDT.
Hay otros tipos de transductores de desplazamiento cuya principal característica es su
salida de tipo digital (sucesión de 1 y 0), lo cual permite su fácil acoplo a los circuitos de control,
que por lo general son de tipo digital también.
SENSORES Y TRANSDUCTORES
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