1.3. Mediciones básicas de parámetros ópticos, acústicos y de calor Parámetros Sensores Ópticos.

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1 1.3. Mediciones básicas de parámetros ópticos, acústicos y de calor Parámetros Sensores Ópticos. En los sensores optoelectrónicos, los componentes fotoeléctricos emisores se utilizan para crear emisión de luz y los componentes fotoeléctricos receptores para recibir estas emisiones. Los componentes emisores más frecuentemente utilizados son los diodos luminiscentes, conocidos también como LED ( Light Emitting Dioses / diodos emisores de luz). Para aplicaciones especiales, también se utilizan diodos de láser. Como elementos receptores, generalmente se utilizan fotodiodos o fototransistores. Adicionalmente, las fotorresistencias tienen también alguna importancia, por ejemplo en medidores de exposición fotoeléctricos. Los diodos luminiscentes ( LED) son diodos semiconductores que emiten rayos de luz cuando son atravesados por una corriente eléctrica. Dependiendo de la composición del material semiconductor, se crean rayos de luz de diferentes longitudes de onda. Material Color Longitud de Onda ( nm) Arseniuro de galio rojo 950 Galio aluminio rojo 880 Galio aluminio rojo 660 Arseniuro de Galio rojo 660 Arseniuro de Galio rojo 635 Arseniuro de Galio amarillo 590

2 En sensores, se utilizan principalmente diodos luminiscentes en la zona espectral del rojo y del infrarrojo, puesto que ello produce una buena adaptación a la sensibilidad de los fotodiodos cuando reciben las emisiones de luz. Símbolo del LED. Los diodos luminiscentes representan un ancho de espectro relativamente pequeño de la luz emitida, que está generalmente entre 30 nm hasta 140 nm ( amplitud media del espectro ). La luz modulada aumenta la gama de detección mientras que reduce el efecto de la luz ambiente. La luz modulada se pulsa en una frecuencia específica entre 5 y 30 KHz. El sensor fotoeléctrico puede distinguir la luz modulada de la luz ambiente. Las fuentes de luz usadas por estos sensores se extienden en el espectro ligero de verde visible al infrarrojo invisible.

3 Los diodos luminiscentes tiene una característica de tensión en sentido directo que se distingue por un incremento de la corriente a partir de un determinado umbral de tensión. La estabilidad de la corriente directa se consigue con la ayuda de una resistencia en serie. Fuente: Fotodiodos. Los fotodiodos son componentes semiconductores que están basados en el principio de los cristales simples de silicio o germanio. Están construidos de la misma forma de los diodos semiconductores normales y tienen una capa de barrera muy cerca de la superficie del cristal. Si el diodo se expone a la emisión de luz, entonces los fotones que penetran en el cristal ( quantum de radiación óptica) son absorbidos y se crean pares portadores de carga eléctrica, es decir, se produce una fotocorriente. Símbolo del fotodiodo. La figura siguiente muestra una curva característica de la sensibilidad espectral en un fotodiodo de silicio. Una propiedad importante es el valor máximo de la sensibilidad espectral, que en el caso de los diodos de silicio se halla en la zona de los 600 nm y 1000 nm, dependiendo del tipo. La sensibilidad de los fotodiodos de silicio en el espectro máximo es típicamente de 0,5 A/W, es decir, con una recepción de luz emitida de 1 mw, se genera una fotocorriente de 0,5 ma.

4 La capacidad de respuesta R de un fotodiodo, es el cociente de la fotocorriente I y de la potencia óptica radiante P, que choca con la fotodiodo. R= I P Visto desde el modo de funcionamiento eléctrico, debe diferenciarse entre el modo de funcionamiento polarizado y el modo de funcionamiento en cortocircuito de un fotodiodo. En el funcionamiento polarizado por tensión, como se muestra en la siguiente figura (c), el fotodiodo funciona con una tensión inversa que se halla típicamente dentro de un rango máximo de 10 V a 100 V. Conmutación de un fotodiodo en funcionamiento polarizado por tensión. V B = tensión de polarización. D = Fotodiodo. R W = Resistencia de trabajo. I = Corriente Fotoeléctrica. Por ello, la corriente inversa I del fotodiodos dentro de un cierto rango, proporcional a la potencia de la emisión de luz que recibe el fotodiodo. Por medio de este circuito, es posible conseguir unos tiempos de reacción muy rápidos utilizando diodos PIN, que pueden alcanzar valores

5 del orden de 1 ns. Una aplicación importante es la transmisión rápida de datos por medio de cables de fibra óptica. Si el fotodiodo se hace funcionar como indica la siguiente figura (a), se asume que la impedancia interna R i de la carga conectada al fotodiodo es tan pequeña que funciona prácticamente en cortocircuito. Conmutación de un fotodiodo en funcionamiento en cortocircuito. I = Corriente fotoelectrica. R i = Impedancia interna. No se necesita tensión adicional, el fotodiodo funciona como una fuente de energía durante la exposición a la emisión de luz de forma exactamente igual que una célula solar. La característica de la corriente de cortocircuito I = I S es proporcional a la potencia de la emisión de luz por varias decenas. La linealidad es posible, dentro de los limites debidos a los ruidos del fotodiodo y la máxima fotocorriente permisible. Este comportamiento lineal es frecuentemente utilizado en la tecnología de medición por sensores. En la practica, se utiliza un circuito con un amplificador operacional como indica la figura, en donde se utiliza el hecho que la tensión de entrada V i es muy pequeña en relación con la tensión de salida Vo, puesto que el factor de amplificación del amplificador operacional es muy grande.

6 Dado que la fotocorriente fluye casi enteramente a través de las resistencias de realimentación Rw debido a la pequeña corriente de entrada del amplificador operacional, se aplica lo siguiente a la tensión de salida. V O =R W I Fototransistores. En el caso de un fototransistor, para el diodo colector-base se utiliza un fotodiodo. Las características restantes corresponden a un transistor normal. El método de funcionamiento de un fototransistor puede ilustrarse como se muestra en la figura, combinando un solo fotodiodo y un transistor. Esquema del circuito equivalente mostrando un fototransistor. Durante la exposición a la emisión de luz, se crea una fotocorriente I, que forma la corriente de base del transistor. Si el transistor tiene una amplificación de corriente B, entonces esto crea una corriente de colector Ic=BxI y una caída de tensión Vr= BxRxI. La sensibilidad del fototransistor es por lo tanto mayor que la del fotodiodo por el factor B. Sin embrago, los fototransistores no poseen una linealidad tan buena entre la exposición a la emisión de luz y la fotocorriente. Para los sensores analógicos, la linealidad es un criterio importante. Por otro lado, la linealidad no es importante para sensores de conmutación digital, por lo que a menudo se utilizan fototransistores como elementos receptores en barrera fotoeléctricas y demás sensores ópticos de proximidad. En comparación con los fotodiodos, los fototransistores tienen unos tiempos de conmutación más largos, que, sin embargo, son adecuados para los sensores ópticos de proximidad.

7 Fotorresistencias. Las fotorresistencias son componentes pasivos, que cambian su resistencia eléctrica bajo los efectos de los rayos de luz. Consisten generalmente en cristales semiconductores. Los aislantes pueden incluso cambiar su resistencia eléctrica bajo la influencia de la luz. En el caso de los semiconductores, funcionan sin una capa de barrera y por lo tanto son independientes del sentido de la corriente. Hay fotorresistencia para varios rangos espectrales, desde la luz visible hasta la zona de los infrarrojos con una longitud de onda de 10 m. Las fotorresistencias de sulfuro de cadmio han hallado un amplio campo de aplicaciones, por ejemplo: exposímetros de fotografía, para el control de iluminación o calor. En una fotorresistencia de sulfuro de cadmio, la resistencia R es inversamente proporcional a la exposición de luz E. Con la exposición, el sulfuro de cadmio no es conductor. Esta dependencia puede expresarse mediante la relación. R=C E Y Donde C e y, son constantes. Cuando se utilizan en sensores y dispositivos de medición, esta dependencia no-lineal es una desventaja, por cuya razón, generalmente, los fotoresistencias no se utilizan para mediciones analógicas de precisión. Por otro lado, en el caso de longitudes de onda mayores de 2 μm en la zona del infrarrojo, donde no se dispone de fotodiodos, predominan las fotorresistencias, con materiales tales como el sulfuro de plomo, seleniuro de plomo, antimoniuro de indio, arseniuro de indio o teleruro de mercuriocadmio. Las fotorresistencias de este tipo pueden hallarse en aplicaciones como la termografía (registro de imágenes calientes, basado en los diferentes grados de radiación del calor de los objetos). Sensor Óptico Analógico Difuso. Los sensores ópticos analógicos difusos pueden utilizarse para realizar mediciones de distancias. Puesto que el sensor es sensible al comportamiento de las superficies reflectoras, también puede utilizarse para la detección de contornos y texturas. El sensor óptico analógico difuso consiste en tres partes principales, el emisor, el receptor y el procesamiento electrónico de la señal. El emisor es un diodo de luz infrarroja y el receptor un fotodiodo, que es activo en la zona de infrarrojos. Utilizando un cable dual de fibra óptica, el

8 elemento sensor puede montarse libremente en las proximidades del objeto a medir. La luz infrarroja se emite desde el emisor y se recibe reflejada por el objeto en el receptor. La distancia de detección se halla dentro del rango de 8 a 40 mm. (fig 4/9) Puesto que la emisión de luz se refleja menos si el objeto se halla lejos que si se halla cerca, no hay una correlación lineal entre la distancia y la señal recibida, pero, inversamente, la señal recibida disminuye a medida que aumenta la distancia. No obstante, para mantener una curva característica creciente dentro de un cierto margen de funcionamiento, el sensor óptico difuso tiene una electrónica incorporada para la linealización. La electrónica del sensor corresponde al siguiente diagrama de bloques: (fig 4/10) Para evitar las interferencias durante la recepción de la señal, se incorpora un circuito oscilador. El rayo de luz es modulado con una frecuencia de 1 khz y el receptor se enlaza a esta frecuencia por medio de un puerta AND (&). Entonces la señal se amplifica y se transforma para conseguir una característica lineal de detección. La etapa de salida suministra una intensidad de corriente dentro de un rango nominal de 4 a 20 ma. Zona de Conmutación. Los sensores fotoeléctricos tienen una zona de la conmutación. La zona de la conmutación se basa en el patrón y el diámetro de la luz emitida desde el sensor. El receptor funcionará cuando un objeto e entra en esta área.

9 La simbología usada en los sensores fotoeléctricos, permiten la identificación del sensor. Algunos símbolos son usados para indicar las técnicas de escaneo del sensor, tales como sensores difusos, retroreflectivos y de barrera. Sensores de Barrera. En los sensores fotoeléctricos de barrera, el objeto se interpone entre el emisor de luz y el receptor. Si la luz no llega al receptor se produce la acción de conmutación.

10 Sensor Reflectivo ( Réflex) o Retroreflectivo. Los sensores reflectivos son aquellos cuando el emisor del haz luminiscente y el receptor, están en la misma ubicación y un elemento reflector se utiliza para reflejar la luz. La conmutación del sensor se produce cuando el haz luminiscente es interrumpido por un objeto ( target). La máxima distancia de sensado es de 35 pies. Sensor fotoeléctrico Difuso. También en este sensor, el emisor y el receptor están en la misma unidad. La luz del emisor ataca el objeto y la luz reflejada se difunde de la superficie hacia todos los ángulos. Si el receptor recibe bastante luz reflejada cambia el estado de salida del sensor. Cuando no se refleja ninguna luz hacia el receptor, el estado de salida del sensor vuelve a su indicación original

11 Disposición y funcionamiento de la fibra óptica en los distintos sensores Fotoeléctricos Sensores Acústicos - Ultrasónicos. En el sentido popular, el sonido es un fenómeno físico percibible con el oído. Esta es la razón por la que inicialmente la acústica se relegó al sonido audible. Una vez que se han desarrollado emisores y receptores para sonido inaudible, ha sido posible extender los limites de aplicación de la acustica.

12 El sonido se divide en categorías según la frecuencia de oscilación generada: Sonido audible: el limite inferior de la percepción humana es de 16 Hz y el limite superior fluctua entre 10 y 20 KHz. Ultrasonico: el rango de frecuencias por encima de 20 KHz. Infrasonido: las oscilaciones de frecuencia inferior a 16 Hz se conocen como infrasonidos. Este tipo de ondas sonoras se producen, por ejemplo durante los terremotos y durante periodos que van desde 10 a 50 segundos. Hipersonido: las mayores frecuencias creadas hasta ahora entre Hz y Hz y se conocen como hipersonido. Los osciladores elasticos de estado sólido dejan de vibrar a estas frecuencias. Propagación del Sonido. La propagación del sonido es el resultado de la propagación de largas ondas mecánicas, que se manifiestan por una variación periódica de la densidad del medio portador, que conduce a compresiones y dilataciones. La propagación de las ondas de sonido depende del medio transmisor, con lo que no es posible que se propague en el vacío. La velocidad de propagación del sonido varía según los diferentes medios. En materiales sólidos, la velocidad de propagación en materiales solidos puede calcularse según la formula. c= E ρ

13 En líquidos, según la formula. c= K ρ En Materiales gaseosos, según la formula. c= Pk ρ = krt Donde c : velocidad de propagación del sonido, en m/s. E : Módulo de elasticidad. K : Módulo de compresión del líquido. P : Presión del gas. k : Constante adiabática. R : Constante del gas. T : Temperatura del gas ( ºK). Ρ : Densidad del material. Dada su corta longitud de onda, las ondas ultrasónicas pueden concentrarse de la misma forma que las ondas de luz. La ley de la geometría óptica ángulo de incidencia = ángulo de reflexión, se aplica también para las ondas ultrasónicas. Disco Piezoelectrico.

14 Rango de operación.

15 Ubicación de sensores en paralelo. Interferencia entre sensores. Sensores Opuestos.

16 Sensor cerca de superficies irregulares. Angulo de alineamiento.

17 Modos de Operación. Sensores Ultrasónicos Difusos. Sensores Ultrasónicos de Reflexión. Sensores Ultrasónicos de Barrera Sensores de Temperatura.

18 1.4. Sistemas de Adquisición de Datos Sistemas Integrados de Sensores Miniaturización de Sensores Trabajo en red de sensores vía estructura de bus de campo.

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