LECCIÓN 4 SENSORES Y ACTUADORES

Transcripción

1 TEMA II II INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA LECCIÓN 4 SENSORES Y ACTUADORES Introducción Procesos de medida Tipos de sensores Sensores de temperatura Sensores de luz Sensores de fuerza Sensores de desplazamiento y presencia

2 Introducción ¾ 8QWUDQVGXFWRUHVXQHOHPHQWRTXHFRQYLHUWHXQDPDJQLWXGItVLFDHQ RWUD (MHPSOR XQWHUPyPHWURGHPHUFXULRHVXQWUDQVGXFWRUTXHGDXQ GHVSODPLHQWRSURSRUFLRQDODODWHPSHUDWXUD ¾ 8QVHQVRUHVXQWLSRGHWUDQVGXFWRUTXHFRQYLHUWHODPDJQLWXGDPHGLU HQXQDFDUDFWHUtVWLFDHOpFWULFD Procesos de medida ¾ (QXQSURFHVRGHPHGLGDSXHGHKDEHUHUURUHVGLIHUHQFLDVHQWUHHO UHVXOWDGRREWHQLGR\HOYDORUUHDO Ms D C A B A B Ideal No lineal C Pendiente incorrecta D offset (desviación en cero) ¾ /DOLQHDOLGDGUHIOHMDVLKD\RQRXQDUHODFLyQOLQHDOHQWUHHOYDORUUHDO\ HOPHGLGR/DQROLQHDOLGDGHVGLItFLOGHFRUUHJLU\SRUWDQWRHVXQ SDUiPHWURLPSRUWDQWH ¾ (ORIIVHWRGHVYLDFLyQFHURUHIOHMDHOYDORUPHGLGRFXDQGRHOVHQVRU GHEHUtDGHYROYHUFHUR*HQHDXQHUURUSHURHVPiVIiFLOGHFRUUHJLU

3 Características básicas de los sensores 3UHFLVLyQ 2IIVHW (UURUPi[LPRHVSHUDGR 'HVYLDFLyQGHOFHUR % relativo, /LQHDOLGDG 6HQVLELOLGDG 0DUJHQGH PHGLGD 5HVROXFLyQ 5DSLGH]GH UHVSXHVWD 'HULYDV 5HSHWLWLYLGDG 'HVYLDFLyQUHVSHFWRGHXQDOtQHDUHFWDHQODFXUYDGHUHVSXHVWD 9DULDFLyQGHODPDJQLWXGGHVDOLGDDOYDULDUODPDJQLWXG DPHGLUG0VG0H 5DQJRGHYDULDFLyQGHODPDJQLWXGDPHGLUHQHOTXHVHDVHJXUD XQDFLHUWDSUHFLVLyQ 0tQLPDYDULDFLyQGHODPDJQLWXGGHHQWUDGDTXHSXHGHDSUHFLDUVH DODVDOLGD &DSDFLGDGGHOVLVWHPDGHPHGLGDSDUDVHJXLUODVYDULDFLRQHVGHOD d/dt PDJQLWXGGHHQWUDGD /DVPHGLGDVSXHGHQVHUGLIHUHQWHVHQIXQFLyQGHODVYDULDFLRQHV DPELHQWDOHVWHPSHUDWXUDKXPHGDGHQYHMHFLPLHQWR (UURUHVSHUDGRDOUHSHWLUYDULDVYHFHVODPLVPDPHGLGD Ejemplo: Acelerómetros (margen 0 4m/s 2 ) D E F 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

4 Tipos de sensores $FWLYRV \ SDVLYRV $FWLYRV*HQHUDQXQDVHxDOHOpFWULFD 3DVLYRVPRGLILFDQXQDFDUDFWHUtVWLFDHOpFWULFD UHVLVWLYLGDGFDSDFLGDGHWF 'LUHFWRV\GH DFFLRQDPLHQWR LQWHUPHGLR $QDOyJLFRV \ GLJLWDOHV 'LUHFWRV/DPDJQLWXGGHVDOLGDVHREWLHQH GLUHFWDPHQWH GLUHFWDPHQWH &RQDFFLRQDPLHQWRLQWHUPHGLR/DPDJQLWXGGH HQWUDGDVHFRQYLHUWHHQRWUDTXHHVPHGLGD GLUHFWDPHQWH GLUHFWDPHQWH $QDOyJLFRV'HYXHOYHQXQDVHxDOGHWLSR FRQWtQXR FRQWtQXR 'LJLWDOHV'HYXHOYHQXQDVHxDOGHWLSRGLVFUHWR Sensores de temperatura 7HUPyPHWURVUHVLVWLYRV PRT PRT (Platinum( (Platinum Resistance Resistance Thermometer) Thermometer) 7HUPLVWRUHV 7HUPLVWRUHV NTC NTC (Negative( (Negative Temperature Temperature Coefficient) Coefficient) PTC PTC (Positive( (Positive Temperature Temperature Coefficient) Coefficient) 7HUPRSDUHV 7HUPRSDUHV 6HPLFRQGXFWRUHV 6HPLFRQGXFWRUHV

5 Termómetros resistivos 3573ODWLQXP5HVLVWDQFH7KHUPRPHWHU 3ODWLQXP5HVLVWDQFH7KHUPRPHWHU Se basan en la variación de la resistencia con la temperatura Margen de medida Variación de resistencia respecto de la temperatura -200ºC 850ºC R = Ro (1 + α T) Ro = 100 Ω ; α = Tienen problemas de sensibilidad (α es muy pequeño) Son muy precisas (0,1ªC) Características Son caras Tienen buena linealidad (fáciles de calibrar) Alto margen de medida Bajas derivas Termistores Tienen coeficientes más altos, aunque con peor linealidad 17&1HJDWLYH7HPSHUDWXUH&RHIILFLHQW 1HJDWLYH7HPSHUDWXUH&RHIILFLHQW R 100kΩ 37&3RVLWLYH7HPSHUDWXUH&RHIILFLHQW 3RVLWLYH7HPSHUDWXUH&RHIILFLHQW 1MΩ R 1 k Ω 25ºC 100ºC T Margen de medida -50ºC 150ºC 100Ω 70ºC 100ºC T Características Se hacen con óxidos metales No son lineales Alta sensibilidad Alta resolución (0,01ºC) Características Se hacen con cristales de titanato de bario Se utilizan principalmente para protecciones térmicas

6 Termopares Se basan en el Efecto Seebeck: Si dos metales distintos se unen por los 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) A A Cu X Cu T1 i B T2 u s A B T1 u s Cu X Fe T T2 T REF Margen de medida -200ºC 2000ºC Están hechos de cobre y hierro, o de cobre y constantán Características Respuesta rápida Robustos Tensión termoeléctrica muy baja Î amplificadores de precisión Baja sensibilidad (50µV/ºC) Semiconductores En un diodo, con una corriente fija, la tensión entre los terminales varía 2mV/ºC aproximadamente Características Son baratos y fáciles de usar Tiene un margen de medida bajo (-50ºC 150ºC)

7 Sensores de luz Los sensores que miden la intensidad de luz se pueden clasificar en dos tipos: ¾ los que generan electricidad al recibir iluminación ¾los que cambian alguna de sus propiedades al ser iluminados )RWRYROWDLFRV )RWRYROWDLFRV 2SWRLQWHUUXSWRUHV 2SWRLQWHUUXSWRUHV Optointerruptor Optointerruptor reflexivo reflexivo Optointerruptor Optointerruptor ranurado ranurado )RWRFRQGXFWRUHV )RWRFRQGXFWRUHV Fotodiodo Fotodiodo LDR LDR (Light( (Light Dependent Dependent Resistor) Resistor) 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)

8 Optointerruptores Dispositivo para medir otras magnitudes (longitudes, ángulos, etc) o para detectar la presencia o ausencia de un objeto. Consiste en un sensor de luz (fototransistor) y una fuente de luz (LED, diodo emisor de luz) 5HIOH[LYR 5DQXUDGR 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 presente de un objeto interrupte el paso de la luz Fotoconductores Al incidir luz sobre ellos, cambias sus propiedades de conducción eléctrica )RWRGLRGR 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. Se utilizan los fototransmisores para incrementarla. Velocidad de respuesta alta (1µs o menos) /'5/LJKW'HSHQGHQW5HVLVWRU /LJKW'HSHQGHQW5HVLVWRU Dispositivo resistivo que disminuye el valor de su resistencia al incrementar la intensidad de la luz Se hacen con sulfuro de cadmio (SCd) Velocidad de respuesta baja (10ms) Longitudes de onda entre 380nm y 750nm

9 Sensores de fuerza *DOJDH[WHQVLRPpWULFD Miden deformaciones variando su resistencia L dirección de sensibilidad A R = ρ L A puntos de contacto 'LVSRVLWLYRVSLH]RHOpFWULFRV Se usan para medir fuerzas. Se caracterizan por generar una salida eléctrica al someterlos a un esfuerzo mecánico Sensores de desplazamiento 3RWHQFLyPHWURV Producen una señal eléctrica proporcional a la posición f(x) = 1 U S = R f(x) R U E = f(x) U E U E U S f(x) = 0 Son lineales Tienen mala estabilidad térmica

10 Sensores de velocidad,qgxfwlyrv 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 ferromagnéticos, 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. Actuadores Toman una señal eléctria y producen una variación correspondiente en una magnitud física &DORU &DORU /X] /X] )XHU]DGHVSOD]DPLHQWR \PRYLPLHQWR \PRYLPLHQWR 6RQLGR 6RQLGR Solenoides Solenoides Motores Motores Altavoces Altavoces Transductores Transductores ultrasónicos ultrasónicos

11 Actuadores &DORU Calentadores resistivos P = R I 2 /X] Diodos emisores de luz: LEDs GoAs; GaP;... depende del color/infrarrojos Visualizadores de 7 segmentos LED infrarrojos para comunicación a corta distancia (control remoto) Actuadores: Fuerza, desplazamiento y movimiento 6ROHQRLGHV Es una bobina con una pieza de material ferromagnéticos que se puede mover. Dependiendo del sentido de la corriente, la pieza es atraida hacia dentro o hacia fuera 0RWRUHV MOTORES DE CA: Alta potencia y poca precisión MOTORES DE CC: dia potencia y precisión MOTORES PASO A PASO: Posicionamiento

12 Actuadores: Sonido $OWDYRFHV Constan de un imán permanente más una bobina móvil que mueve un diafragma Señal eléctrica Se mueve la bobina Vibra el diafragma Emite onda sonora 7UDQVGXFWRUHVXOWUDVyQLFRV A muy alta frecuencia se utilizan actuadores piezaoeléctricos. La señal eléctrica deforma el material y se genera una onda sonora