Instrumentación I Maestría en Ingeniería Electrónica. Revisión de Sensores Dr. José Fermi Guerrero Castellanos FCE-BUAP

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Claudia Bustamante Castellanos
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1 + Instrumentación I Maestría en Ingeniería Electrónica Revisión de Sensores Dr. José Fermi Guerrero Castellanos FCE-BUAP

2 + Contenido Clasificación de sensores Sensores Mecánicos Sensores Térmicos Sensores Químicos

3 + Clasificación de sensores Los sensores pueden ser clasificados, usando los siguientes criterios: Aporte de energía Pasivos y activos Naturaleza de la señal de salida Digital y analógica Modo operacional Deflexión o modo nulo (comparación) Relaciones entrada/salida Cero, primer o segundo orden (comportamiento estático y dinámico) Tipo de señales: Mecánica, térmicas, magnética, eléctrica, óptica, moleculares (química). Variable de medida física Resistencia, inductancia, capacitancia, etc

4 + Sensores activos y pasivos Pasivos y generadores Generan directamente una señal eléctrica en respuesta a un estimulo externo si la necesidad de una alimentación externa. La señal (eléctrica) de salida viene directamente de de un estímulo externo. Ejemplos: Termopar Sensores piezoeléctricos Sensores Activos o moduladores Estos sensores requieren de alimentación externa o una señal de exitación para su operación Ejemplos: Termistor Sensores químico-resistivos

5 + Analógicos y digitales Sensores Analógicos Proveen una señal que es continua tanto en magnitud como en el tiempo o incluso en el espacio. La mayor parte de las magnitudes físicas son analógicas en la naturaleza. Ejemplo: Temperatura, desplazamiento, intensidad de Luz. Sensores Digitales Su salida tiene una forma discreta o de estados. Las señales digitales tienen mayor repetitividad, se pueden realizar fácilmente y son fáciles a transmitir. Ejemplo: Encoders y sensores de contacto (Switch)

6 + Modos de operación Modo de deflexión. El sensor o el instrumento genera una respuesta que es una deflexión o desviación de la condición inicial del instrumento. La deflexión es proporcional a la medida de interés. Modo Comparación El sensor o el instrumento ejerce una influencia en el sistema de medida tal que este es opuesto al efecto de la medida. La influencia y la medida son balanceados (típicamente por medio de una retroalimentación) hasta que ellos son iguales pero en valor opuesto, originando una medida nula. Los instrumentos por comparación pueden producir una gran exactitud pero no son tan rápidos como los instrumentos que funcionan en modo deflexión.

7 + Mechanical measurands Displacement Resistive sensors Capacitive sensors Inductive sensors Force and acceleration Strain gauges (Galgas extensométricas) Cantilever beam-based sensors (see paper)

8 + Resistive displacement sensors A resistance with a movable contact (a potentiometer) may be used to measure linear or rotational displacements. A known voltage is applied to the resistor ends The contact is attached to the moving object of interest The output voltage at the contact is proportional to the displacement Notes Non-linearities as a result of loading effects Resolution due to limited number of turns per unit distance Contact wear as a result of frictions

9 + Capacitive displacement sensors The capacitance of a parallel plate capacitor is d is the separation between the plates, A is the area of the plates, o is the permitivity of air and r is the relative permitivity of the dielectric. A moving object is attached to the dielectric or the plates to generate capacitance changes. Notes Variable distance (d) sensors operate over a range of a few millimeters Cross-sensitivity to temperature and humidity (specially if the dielectric is air) Capacitive sensors are also commonly used to measure pressure Condenser microphones measure changes in air pressure of incoming sound waves

10 + Inductive displacement sensors (1/2) Linear Variable Differential Transformer (LVDT). Motion of a magnetic core changes the mutual inductance of two secondary coils relative to a primary coil Primary coil voltage: VS sin( t) Secondary coil induced emf: V1=k1sin( t+ϕ) and V2=k2sin( t+ϕ) k1 and k2 depend on the amount of coupling between the primary and the secondary coils, which is proportional to the position of the coil When the coil is in the central position, k1=k2 VOUT=V1-V2=0 When the coil is is displaced x units, k1 k2 VOUT=(k1-k2)sin( t+ϕ) Positive or negative displacements are determined from the phase of VOUT

11 + Inductive displacement sensors (1/2) LVDT Characteristics Typical LVDTs run at 5V, 2kHz LVDTs can measure from mm down to m Due to small variations in the windings, a small residual voltage appears at the output when the coil is in the central position Advantages of the LVDT over other displacement sensors No mechanical wear ensures a long life Complete electrical isolation DC versions with integrated oscillators are available

12 + Strain gauges Strain gauges are devices whose resistance changes with stress (piezo-resistive effect). Strain is a fractional change ( L/L) in the dimensions of an object as a result of mechanical stress (force/area) The resistance R of a strip of material of length L, cross-section A and resistivity is R= L/A Differentiating, R = R 0 (1 + x) x = K Where K is the sesibility factor and \eps microdeformation 1µ = 10 6 m/m

13 + Strain gauges Fabrication and use Typical strain gauges consist of a foil or wire grid covered by two sheets of insulation (polyimide) The gauge is attached to the desired object with an adhesive Longitudinal segments are aligned with the direction of stress Sensitivity to traverse stress can be neglected Notes Temperature effects are quite pronounced in semiconductor gauges To compensate it is common to place dummy gauges that are subject to the same temperature changes but no mechanical stress Resistance changes are typically very small Strain gauges are almost invariable used in a Wheatstone bridge

14 + Force and acceleration sensors Force sensors The coupled-double-beam load cell Dumb-bell cut-out provides areas of maximum strain for the gauges Cantilever beam bends in an S-shape This induces both compressive and tensile strains that can be easily measured in a bridge arrangement Acceleration sensors Spring-mass-damper accelerometer Covered in the previous lecture and future lecture for details. Cantilever-beam with strain gauges: A seismic mass is attached to the end of the cantilever. Dampening is usually performed with viscous fluids or permanent magnets

15 + Temperature sensors Thermoresistive sensors Resistive Temperature Devices (RTD) Thermistors Thermoelectric sensors The Seebeck effect (video) The Peltier effect Thermocouples p-n junction sensors Covered in your last lab

16 + Thermoresistive sensors

17 + Thermoelectric sensors

18 + RTDs vs. thermocouples vs. IC sensors

19 + Chemical sensors

20 + Conductivity sensors

21 + Piezo-electric chemical sensors

22 + References

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