Medida de magnitudes mecánicas

Transcripción

1 Medida de magniudes mecánicas Inroducción Sensores poencioméricos Galgas exensioméricas Sensores piezoelécricos Sensores capaciivos Sensores inducivos Sensores basados en efeco Hall Sensores opoelecrónicos Sensores de ulrasonidos

2 5.1 Inroducción Posición Velocidad Aceleración Fuerza, Peso Presión Caudal Nivel Inducivos, Resisivos, Magnéicos, Efeco Hall Efeco Hall, Encoder, Poenciómeros Piezoelécricos, Piezorresisivos, Capaciivos Celdas de carga, Galgas Inducivo, Capaciivo, Piezoelécrico, Galga, Ópico Elecromecánicos, Magnéicos, Ulrasonidos Poenciómeros, Capaciivos, Térmicos, Ópicos 3

3 6.2 Sensores basados en ulrasonidos Velocidad del sonido: c 2 = K/ρ Aenuación: I = I 0 e -αx Impedancia acúsica: Z = ρ c Coeficiene de reflexión: Ir R = I i Z1 Z2 Z1 Z = Coeficiene de ransmisión: I T = I i = 4Z Z ( Z + Z ) Los ulrasonidos son una radiación mecánica de frecuencia superior a las audibles (unos 20 khz). La velocidad con que se propaga el sonido en un maerial depende de dicho maerial y es independiene de la ampliud y de la frecuencia de la onda. En general se puede expresar como c 2 =K/ρ, donde K es el módulo de elasicidad y ρ la densidad. Al propagarse la radiación en un medio homogéneo, su inensidad sufre una aenuación exponencial de la forma I=I 0 e -αx, donde I 0 es la inensidad incidene, α es un coeficiene de aenuación que depende del medio y es proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia, y x es la disancia recorrida en dicho medio. La impedancia acúsica de un maerial se define como Z=ρc. Si, en lugar de raarse de un medio homogéneo, la impedancia acúsica varía de unas zonas a oras, enonces, además de ser absorbida, es reflejada. Para una onda plana que viaje en dirección perpendicular a una superficie ambién plana, que separa dos medios con impedancias acúsicas respecivas Z 1 y Z 2, los coeficienes de reflexión y de ransmisión de inensidad son R y T, donde I i, I r, I son, respecivamene las inensidades incidene, reflejada y ransmiida. Observe que R+T=1. De la expresión de R se deduce que la reflexión es ano mayor cuano mas grande sea la diferencia de impedancia enre ambos medios. Eso hace prácicamene imposible medir en gases de forma no invasiva, debido a la gran diferencia enre su impedancia acúsica y la de las paredes del recipiene. 10

4 Medida de disancias Emisor d Emisor Pulso d Objeo Recepor Eco Recepor 1 c 1 d = 2 Las aplicaciones de los ulrasonidos a la medida de magniudes físicas esán normalmene relacionadas con su velocidad, su iempo de propagación y, en algunos casos con la aenuación y la inerrupción del haz propagado. La figura muesra el funcionamieno básico de la écnica de medida de disancias por impulso-eco. Se emie un pulso de ulrasonido y se escuchan los ecos; el iempo ranscurrido enre el pulso emiido y el eco recibido muliplicado por la velocidad de propagación en ese medio nos informa del doble de la disancia que separa el emisor del objeo que produjo el eco. Esa écnica se uiliza en la sismografía, en el esudio de los fondos marinos, en la deección de fallos en maeriales y en medicina. 11

5 Técnica impulso-eco modificada Emisor Emisor d d' d' d Objeo Recepor ' 1 er Eco 2º Eco Recepor d c = 2 c d = 2 d = d La velocidad del sonido en el medio de propagación no es una consane sino que sufre variaciones con la emperaura, presión, densidad o la presencia de susancias disuelas. En la figura se muesra una écnica que consise en colocar un objeo a disancia conocida del emisor d por lo que se recibirán dos ecos, uilizando el primero para el cálculo de la velocidad del sonido c. Eso implica la presencia de algún disposiivo de cálculo para realizar el cociene de los dos valores de iempo medidos además de disponer de una suficiene resolución emporal como para poder hacer la medida de con suficiene precisión ya que los errores inroducidos en ella afecan a la medida final y podríamos llegar a ener una medida menos precisa que considerando c como una consane. 12

6 Circuio para la medida de disancias V C V OSC V OSC V C OSC A Sonido V ECO Q S R V SC V SA + A - V REF V cc V SA V SC V REF Eco V ECO El diseño del sisema para la exciación y la lecura de la señal de eco recibida consise en el empleo de circuios similares a los de la figura. Cuando se aciva la señal de conrol V C, el oscilador produce una señal cuadrada de frecuencia fundamenal igual a la de resonancia del crisal (puno de máxima eficiencia). Esa señal es amplificada y uilizada para exciar el emisor; la onda de sonido emiida por el crisal será basane senoidal gracias a lo resricivo de su comporamieno en frecuencia en la zona de resonancia que eliminará con facilidad los armónicos superiores (ver respuesa frecuencial sensores piezoelécricos). Cuando llegue el eco de la misma frecuencia de emisión, el disposiivo recepor enregará una señal que será amplificada y comparada con un nivel de referencia V REF que esablece el mínimo valor que se considerará como eco válido. Superado ese mínimo, la señal V SC producida por el comparador acivará el biesable que produce la salida de conaco válido denominada V ECO. Habida cuena de la reversibilidad de los disposiivos piezoelécricos cabría pensar en la posibilidad de uilizar un mismo disposiivo para las areas de emisión y recepción, ahorrando espacio y dinero. 13

7 Deección de fallos en maeriales ONDA REFRACTADA ONDA REFLEJADA GRIETA EMISOR/ RECEPTOR SEÑAL EMITIDA (a) ECO DEFECTO (b) La idea básica consise en enviar una onda de sonido de ala frecuencia a ravés de un maerial; si aparecen grieas inernas, en cada cambio de fase se producirá un fenómeno de refracción/reflexión, causando un eco que puede deecarse según se muesra en la figura. El principal problema de ese sisema esá en la velocidad de propagación del sonido por los maeriales sólidos que, al ser muy elevada, precisa una gran resolución emporal del equipo de medida y una mayor frecuencia de resonancia en los disposiivos piezoelécricos. Ese ipo de sisemas se emplea para deecar problemas en consrucciones péreas ales como aniguos monumenos. Ora aplicación de ese ipo de sisemas esá en los esudios sismográficos en donde permie deecar capas de sedimenos y, eniendo en cuena las formas de los ecos e informaciones adicionales, permie precisar composiciones de maeriales y demás caracerísicas de la coreza erresre. Ese ipo de sisemas son mucho más complejos y suelen implicar un esudio adicional de daos no procedenes de los ulrasonidos. 14

8 Medida de caudal Efeco Doppler: v fe - fr = 2fe cosα c E α α v D R El efeco Doppler, descubiero por C. Doppler en 1843, consise en el cambio de la frecuencia que sufre una radiación (mecánica o elecromagnéica), cuando se refleja en un reflecor móvil respeco al emisor de la radiación. El cambio de frecuencia es proporcional a la velocidad relaiva emisor-reflecor. Como reflecores pueden acuar odas las susancias que engan una impedancia acúsica diferene a la del fluido. Por ejemplo, burbujas de aire en líquidos, o sólidos en suspensión. Para ener una reflexión efeciva, el amaño de los reflecores debe ser superior a un 10% de la longiud de onda del sólido en el fluido. Las frecuencias empleadas son del orden de 1 MHz. 15

9 Deecor de proximidad Disancias: 0,25-15 m Moderada exaciud: 0,1 2% Superficie perpendicular. Respuesa falsa a ruidos. Mínima disancia de sensado. Sensible a cambios ambienales. Dificulad con objeos de baja densidad. rockwell 16