LECCIÓN N 4 SENSORES Y ACTUADORES

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1 TEMA II II INSTRUMENTACIÓN N ELECTRÓNICA Electrónica General 1 LECCIÓN N 4 SENSORES Y ACTUADORES Introducción. Procesos de medida Características de los sensores. Tipos Sensores de temperatura Sensores de luz Sensores de fuerza Sensores de desplazamiento y presencia Actuadores Electrónica General 2 1

2 Introducción Para realizar cualquier tarea útil, un sistema electrónico necesita comunicarse con el mundo exterior. Así pues, utiliza transductores (sensores y actuadores). Un transductor es un elemento que convierte una magnitud física en otra magnitud de naturaleza distinta. Ejemplo: un termómetro de mercurio es un transductor que da un desplazamiento proporcional a la temperatura. Un sensor es un tipo de transductor que convierte la magnitud física a medir en una señal eléctrica tratable por un sistema electrónico. Un actuador es un transductor que es capaz de modificar o controlar una magnitud física con la señal eléctrica proporcionada por un sistema electrónico. Electrónica General 3 Procesos de medida El proceso de medida implica la comparación de alguna magnitud por medir con una norma. En todo proceso de medida puede haber errores: diferencias entre el resultado obtenido y el valor real. Ms D C A B A B C D Ideal No lineal Pendiente incorrecta offset (desviación en cero) La linealidad refleja si existe o no una relación lineal entre el valor real y el medido. La no linealidad es difícil de corregir y,por tanto, un parámetro importante a tener en cuenta en el proceso de medida. El offset o desviación de cero refleja el valor medido cuando el sensor debería devolver cero. Genera un error, pero es más fácil de corregir. Electrónica General 4 2

3 Características básicas de los sensores Precisión Offset Indica el error e máximo m esperado Valor medido para un valor real igual a cero % relativo, Linealidad Sensibilidad Margen de medida Resolución Rapidez de respuesta Derivas Repetitividad Desviación n respecto de una línea l recta en la respuesta Variación n de la magnitud de salida para un incremento de la dms/d magnitud a medir dms/d Rango de variación n de la magnitud a medir en el que se asegura una cierta precisión en la medida Mínima variación n de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida Capacidad del sistema de medida para seguir las variaciones de lal magnitud de entrada d/dt Cambios en la curva de respuesta ante variaciones de caracterís- ticas ambientales (temperatura, humedad, envejecimiento,...) Error esperado al repetir varias veces la misma medida Electrónica General 5 Ejemplo: Acelerómetros (margen 0 4m/s 2 ) a b c Poca sensibilidad, bajo offset, lineal No lineal, no no offset Alto offset, lineal, sensible Sería muy sensible al al ruido, debido a su su baja tensión de de salida y sensibilidad; daría una medida poco precisa No se se puede asegurar la la precisión Hay un un offset, que se se puede corregir. Es más sensible e inmune al al ruido Electrónica General 6 3

4 Tipos de sensores Activos y pasivos Activos: Activos: : Generan Generan una una señal señal eléctrica eléctrica. Pasivos: Pasivos: : modifican modifican una una característica característica eléctrica eléctrica (resistividad, (resistividad, capacidad, capacidad, etc). etc). Directos y de de accionamiento intermedio Analógicos y digitales Directos: Directos: : La La magnitud magnitud de de salida salida se se obtiene obtieneen en un un proceso proceso directo. directo. Con Con accionamiento accionamiento intermedio: intermedio: : La La magnitud magnitud de de entrada entrada se se convierte convierte en en otra otra que que es es medida medida directamente. directamente. Analógicos Analógicos: : Devuelven Devuelven una una señal señal que que varia varia de de forma forma continua. continua. Digitales: Digitales: : Devuelven Devuelven una una señal señal de de tipo tipo discreto. discreto. Electrónica General 7 Sensores de temperatura La medición de la temperatura forma parte fundamental de gran cantidad de sistemas de control y verificación en procesos industriales. Termómetros Termómetros metros resistivos resistivos PRT PRT (Platinum( (Platinum Resistance Resistance Thermometer) Thermometer) Termistores Termistores NTC NTC (Negative( (Negative Temperature Temperature Coefficient) Coefficient) PTC PTC (Positive( (Positive Temperature Temperature Coefficient) Coefficient) Termopares Termopares Semiconductores Semiconductores Unión Unión n de de dos dos metales metales (Efecto (Efecto Seebeck) Seebeck) Unión Unión n PN PN Electrónica General 8 4

5 Termómetros resistivos RTD (Resistance Temperature Detector) PRT ( (Platinum Resistance Thermometer) Se basan en la variación de la resistencia eléctrica del platino con la temperatura Margen de medida Variación de resistencia respecto de la temperatura -200ºC 850ºC R = Ro (1 + α T) Ro = 100 Ω ; α = 3, /ºC Tienen problemas de sensibilidad (α es muy pequeño) Son muy precisas (0,1ºC) (0,1%) Características Son caras Tienen buena linealidad (fáciles de calibrar) Alto margen de medida Bajas derivas Electrónica General 9 Termistores Utilizan materiales con coeficientes térmicos más altos, aunque con peor linealidad NTC ( (Negative Temperature Coefficient) R 100kΩ PTC ( (Positive Temperature Coefficient) 1MΩ R 1 k Ω 25ºC 100ºC T Margen de medida Reducido: -50ºC 150ºC 100Ω 70ºC 100ºC T Características Se hacen con óxidos metálicos No son lineales Alta sensibilidad hasta -7%R/ºC Alta resolución (0,01ºC) Características Se hacen con cristales de titanato de bario y estroncio Se utilizan principalmente para protecciones térmicas y limitadores de sobrecorriente Electrónica General 10 5

6 T1 Termopares A i B T2 u s Margen de medida -200ºC 2000ºC A A T2 B T1 u s Cu Cu X X T REF Cu Fe T Se basan en el Efecto Seebeck: Si dos metales distintos se unen por dos puntos a distintas temperaturas, se produce una circulación de corriente eléctrica Si se abre el circuito por uno de los metales, se tendrá una tensión proporcional a la diferencia de temperaturas (potencial termoeléctrico) U s = α (T T REF ) Están hechos de cobre y hierro, o de cobre y constantán Características Respuesta rápida y mediciones muy exactas Robustos, uniones muy pequeñas Tensión termoeléctrica muy baja amplificadores de precisión Baja sensibilidad (50µV/ºC) Electrónica General 11 Semiconductores En un diodo, atravesado por una corriente fija, la tensión entre los terminales varía 2mV/ºC aproximadamente Son baratos y fáciles de usar Características Tiene un margen de medida bajo (-50ºC 150ºC) Sustrato de silicio o germanio con inclusión de impurezas de otros materiales con distinta valencia Electrónica General 12 6

7 Sensores de luz Los sensores que miden la intensidad de luz se pueden clasificar en dos tipos: los que generan electricidad al recibir iluminación los que cambian alguna de sus propiedades al ser iluminados Fotovoltaicos Fotovoltaicos Células Células solares solares y fotodiodos fotodiodos Fotoconductores Fotoconductores Fotodiodo Fotodiodo LDR LDR (Light( (Light Dependent Dependent Resistor) Resistor) Optointerruptores Optointerruptores Optointerruptor Optointerruptor reflexivo reflexivo Optointerruptor Optointerruptor ranurado ranurado Electrónica General 13 Fotovoltaicos Al incidir luz sobre una unión PN se genera una tensión eléctrica que es función de la intensidad de la radiación (principio de las células solares) Célula solar de silicio: consiste en una oblea de Si elaborada de una forma especial para poder convertir energía lumínica en energía eléctrica. Fotodiodo: diodo especial que proporciona un voltaje que depende de la cantidad de luz que incide sobre él. Como el voltaje no está relacionado linealmente con la intensidad de luz incidente, se suele utilizar como sensor fotoconductor en lugar de sensor fotovoltaico. Electrónica General 14 7

8 Fotoconductores No generan electricidad pero al incidir luz sobre ellos, cambian sus propiedades de conducción eléctrica. Son, por tanto, sensores de tipo pasivo. Fotodiodo Al incidir la luz sobre él, se producirá una circulación de corriente que es proporcional a la intensidad de la luz Su sensibilidad es baja ya que la superficie de unión iluminada es pequeña. Se utilizan los fototransistores para incrementarla. Velocidad de respuesta alta (1µs o menos) LDR ( (Light Dependent Resistor) Dispositivo semiconductor que disminuye el valor de su resistencia al incrementar la intensidad de la luz. Se fabrican con sulfuro de cadmio (SCd) y seleniuro de cadmio (SeCd) Velocidad de respuesta baja (10ms) Longitudes de onda entre 380nm y 750nm Electrónica General 15 Optointerruptores Dispositivo para medir otras magnitudes (longitudes, ángulos, etc) o para detectar la presencia o ausencia de un objeto usando energía lumínica. Constan de un sensor de luz (fototransistor) y una fuente de luz (LED, diodo emisor de luz) Reflexivo Ranurado El sensor y la fuente de luz están montadas sobre la misma superficie de forma que la presencia de un objeto reflexivo hará que la luz llegue al sensor y circule corriente a través del fototransistor El sensor y la fuente de luz están uno frente al otro de forma que la presencia de un objeto interrumpe el paso de la luz. Puede utilizarse como sensor de velocidad. Electrónica General 16 8

9 Sensores de fuerza y deformación Galga extensiométrica trica Delgada capa de material resistivo sensible a la deformación en una sola dirección. Miden deformaciones variando su resistencia. L dirección de sensibilidad A R = ρ L A puntos de contacto - Alta linealidad. - Muy sensible a cambios térmicos. Inestable. Dispositivos piezoeléctricos Se caracterizan por generar una salida eléctrica al someterlos a un esfuerzo mecánico. Se usan para medir variación de fuerzas. Sal de Rochelle, Cuarzo, Cerámicas (Titanato de Bario TiBa) Electrónica General 17 Sensores de desplazamiento Resistivos: Potenciómetros Producen una señal eléctrica proporcional a la posición del cursor U E f(x) = 1 U S = cursor R f(x) R U E = f(x) U E U S f(x) = 0 Son lineales. Contacto sensible a suciedades. Película de carbón, alambre resistivo (recto o enrollado) plásticos conductores. Tienen mala estabilidad térmica. Ruido eléctrico. Electrónica General 18 9

10 Sensores de proximidad y velocidad angular Inductivos La inductancia de una bobina se ve afectada por la presencia de material ferromagnético material ferromagnético u s u s Situando en el rotor una chapa de material ferromagnético, cada vez que el rotor dé una vuelta, la inductancia de la bobina cambiará. Contando el tiempo que tarda el rotor en dar una vuelta, se podrán calcular las revoluciones por minuto a las que gira el rotor. Electrónica General 19 Actuadores Toman una señal eléctrica y producen una variación correspondiente en una magnitud física. Calor Calor Luz Luz Fuerza, Fuerza, desplazamiento desplazamiento y movimiento movimiento Sonido Sonido Solenoides Solenoides Motores Motores Altavoces Altavoces Transductores Transductores ultrasónicos ultrasónicos Electrónica General 20 10

11 Actuadores Calor Calentadores resistivos P = R I 2 Luz Diodos emisores de luz: LEDs GaAs; GaP;... depende del color/infrarrojos Visualizadores de 7 segmentos LED infrarrojos para comunicación a corta distancia (control remoto) Electrónica General 21 Actuadores: Fuerza, desplazamiento y movimiento Solenoides Es una bobina con una pieza de material ferromagnético que se puede mover. didores de panel: proporcionan una indicación visual de magnitudes físicas. Motores MOTORES DE CA: Alta potencia y poca precisión MOTORES DE CC: dia potencia y precisión MOTORES PASO A PASO: Posicionamiento. Control fino y alta precisión. Electrónica General 22 11

12 Actuadores: Sonido Altavoces Constan de un imán permanente más una bobina móvil que mueve un diafragma, generando ondas de presión en el aire que son traducidas en sonido por el oído. Señal eléctrica Se mueve la bobina Vibra el diafragma Emite onda sonora Transductores ultrasónicos A muy alta frecuencia se utilizan actuadores piezoeléctricos. La señal eléctrica deforma el material y se genera una onda sonora Electrónica General 23 12