Tema 06: Tipos de sensores

Transcripción

1 Tema 06: Tipos de sensores Solicitado: Tarea 07 Mapa conceptual: Tipos de sensores M. en C. Edgardo Adrián Franco Martínez edgardoadrianfrancom 1

2 Contenido Introducción Clasificación de acuerdo con su aporte de energía Clasificación de acuerdo con su modo de funcionamiento Clasificación de acuerdo a relación de entrada salida Clasificación de acuerdo con su señal de salida Clasificación de acuerdo con su magnitud medida Clasificación de acuerdo con su parámetro variable Sensores resistivos Sensores capacitivos Sensores inductivos y electromagnéticos Sensores generadores de tensión y corriente Sensores digitales Tarea 07 Mapa conceptual: Tipos de sensores Recursos Web 2

3 Introducción El numero de sensores disponibles para distintas magnitudes físicas es tan elevado que existen diversas clasificaciones según los autores de estos. Los sensores los podemos clasificar de acuerdo a: Su aporte de energía Su modo de funcionamiento Su relación de entrada salida Su señal de salida Su magnitud medida Su parámetro variable 3

4 Clasificación de acuerdo con su aporte de energía Según el aporte de energía los sensores se pueden dividir en: Moduladores o activos: La energía de la señal de salida procede, en su mayor parte de una fuente auxiliar de energía. La entrada sólo controla la salida. Sensor de rpm Generadores o pasivos: La salida es suministrada solo por la entrada. Sensores de fuerza par o torsión 4

5 Clasificación de acuerdo con su modo de funcionamiento Según su modo de funcionamiento se pueden dividir en sensores de: Instrumentación Deflexión: La magnitud medida produce algún efecto físico, que engendra algún efecto similar, pero opuesto en alguna parte del instrumento, y que esta relacionado con alguna variable útil. Dinamómetro Comparación: Se intenta mantener nula la deflexión mediante la aplicación de un efecto bien conocido, opuesto al generado por la magnitud a medir. Hay un detector de desequilibrio y un medio para restablecerlo. Balanza 5

6 Clasificación de acuerdo a relación de entrada salida Según el tipo de relación entrada-salida, los sensores pueden ser de orden cero, de primer orden, de segundo orden o de orden superior. El orden esta relacionado con el numero de elementos almacenadores de energía independientes que incluye el sensor, y repercute en su exactitud y velocidad de respuesta. Esta clasificación es de gran importancia cuando el sensor forma parte de un sistema de control en lazo cerrado. 6

7 Clasificación de acuerdo con su señal de salida Según la señal de salida los sensores se pueden dividir en: Analógicos: La señal varia, a nivel macroscopico, de forma continua. La información esta en la amplitud, se puede incluir a sensores en el dominio temporal. Aquellos que codifican la información en la frecuencia, se denomina a veces casi digitales, por la facilidad con que se convierta la señal a digital. Sensores de Temperatura LM35 Digitales: La salida varia en forma de saltos o pasos discretos. No requieren conversión A/D y la transmisión de su salida es muy fácil. Tienen mayor fidelidad, fiabilidad y algunas ocasiones mayor exactitud. Sensores de presión barométrica I2C. 7

8 Clasificación de acuerdo con su magnitud medida Para el estudio de un gran numero de sensores se suele acudir a su clasificación de acuerdo con la magnitud medida; temperatura, presión, caudal, humedad, posición velocidad, aceleración fuerza, par, etc. Sin embargo, esta clasificación difícilmente puede ser exhaustiva ya que la cantidad de magnitudes que se pueden medir son prácticamente inagotables. Por ejemplo, la variedad de contaminantes químicos en el aire o en el agua, o en la cantidad de proteínas diferentes que hay en el cuerpo humano y que interesa detectar. 8 Continuara

9 Clasificación de acuerdo con su parámetro variable Desde el punto de vista de la electrónica, la clasificación de los sensores de acuerdo con el parámetro variable es la más conveniente para su categorización y comprensión. Sensores resistivos Sensores capacitivos Sensores inductivos y electromagnéticos Sensores generadores de tensión y corriente Sensores digitales 9

10 Sensores resistivos Se le denomina resistencia eléctrica a la igualdad de oposición que tienen los electrones al desplazarse a través de un conductor o cualquier material. La unidad de resistencia es el ohmio (Ω). Los sensores resistivos son aquellos que varían una resistencia en función de la variable a medir. 10

11 Sensores resistivos más comunes y magnitudes físicas Posición Distancia Desplazamiento Aceleración Vibración Temperatura Presión Caudal Flujo Nivel Fuerza Humedad Luz Potenciómetros Galgas Magnetorresistsenci as Galgas + masa-resorte RTD Termistores Potencio metros + tubo Bourdon Anemómetro s de hilo caliente Galgas + voladizo Termistores Potenciómetro + flotador Termistores LDR Galgas Humistor LDR (Fotorresis tencia) 11

12 Sensores capacitivos La capacitancia eléctrica es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. La capacitancia es también es una medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada para una diferencia de potencial eléctrico dada. El dispositivo más común que almacena energía de esta forma es el condensador. Los sensores capacitivos reaccionan ante metales y no metales que al aproximarse a la superficie activa sobrepasan una determinada capacitancia. La distancia de conexión respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto más elevada sea su constante dieléctrica. 12

13 La constante dieléctrica relativa de un medio continuo es una propiedad macroscópica de un medio dieléctrico relacionado con la permitividad eléctrica del medio. Instrumentación 13

14 Sensores capacitivos más comunes y magnitudes físicas Posición Distancia Desplazamiento Presión Nivel Fuerza Humedad Condensador diferencial Condensador variable + diafragma Condensador variable Galgas capacitivas Dieléctrico variable 14

15 Sensores inductivos y electromagnéticos Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirve para detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia o ausencia de objetos metálicos en un determinado contexto: detección de paso, de atasco, de codificación y de conteo. Los sensores de magnéticos detectan objetos y/o campos magnéticos. Los campos magnéticos pueden pasar a través de muchos materiales no magnéticos, generalmente se emplean para controlar procesos de conmutación. Usando los conductores magnéticos (ej. hierro), el campo magnético se puede transmitir sobre mayores distancias para, por ejemplo, poder llevarse la señal de áreas de alta temperatura. 15

16 Sensores inductivos 16

17 Sensores magnéticos 17

18 Sensores generadores de tensión y corriente Son aquellos que general una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica. Ofrecen una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias, sobre todo temperatura, fuerza y magnitudes afines. Pero además, dado que se basan en efectos reversibles están relacionados con diversos tipos de accionamientos o aplicaciones inversa en general. Es decir, se pueden emplear para la generación de acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas. Contrario a aquellos que se basan en efectos irreversibles, ya que, no podrían generan accionamientos de este tipo. El efecto Joule, "la cantidad de calor producido por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". 18

19 El efecto termoeléctrico en un material relaciona el flujo de calor que lo recorre con la corriente eléctrica que lo atraviesa. Este efecto es la base de las aplicaciones de refrigeración y de generación de electricidad: un material termoeléctrico permite transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica. El efecto Peltier produce una f.e.m en la junta de dos metales diferentes. Esta f.e.m depende de la temperatura y del par de metales que forman la junta. El efecto Thomson da la relación entre la f.e.m generada en un conductor homogéneo simple y la diferencia de temperatura entre sus extremos. Esta f.e.m crece con la diferencia de temperaturas y depende del metal en cuestión. 19

20 Se conoce como efecto termoeléctrico o efecto Seebeck a la conversión de una diferencia de temperatura en electricidad. Se crea un voltaje en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. Una diferencia de temperaturas T1 y T2 en las juntas entre los metales A y B inducen una diferencia de potencial V. Un termopar es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce una diferencia de potencial muy pequeña (del orden de los milivoltios) que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos. 20

21 Se conoce como efecto piezoeléctrico al fenómeno que ocurre en determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, en su masa adquieren una polarización eléctrica y aparecen una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. Este fenómeno también ocurre a la inversa: se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma. Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que carecen de centro de simetría. Una compresión o un cizallamiento provocan disociación de los centros de gravedad de las cargas eléctricas, tanto positivas como negativas. Como consecuencia, en la masa aparecen dipolos elementales y, por influencia, en las superficies enfrentadas surgen cargas de signo opuesto. 21

22 Sensores digitales Son dispositivos cuya salida es de carácter discreto. Son ejemplos de este tipo de sensores: codificadores de posición, codificadores incrementales, codificadores absolutos, los sensores autoresonantes (resonadores de cuarzo, galgas acústicas, cilindros vibrantes, de ondas superficiales (SAW), caudalímetros de vórtices digitales), entre otros. El sensor de imagen CCD y CMOS es el elemento de una cámara fotográfica digital que capta la luz que compone la fotografía. Se trata de un chip formado por millones de componentes sensibles a la luz que al ser expuestos capturan la imagen fotográfica. 22

23 Recursos Web Sensores de Parámetro Variable en Tecnología Electrónica Galgas Extensiométricas: Funcionamiento y Circuitos de Medida Sensor de Efecto Hall Ready for Take-off: Principio de "Tiempo de Retorno" (TOF) Medidores de Caudal Principio Medidor Coriolis Medición de temperatura Sensores capacitivos 23

24 Tarea 07 Mapa conceptual: Tipos de sensores Realizar un mapa conceptual de los conceptos del tema 06: Tipos de Sensores. *Se entregará antes del día Viernes 26 de Septiembre de 2014 (23:59:59 hora limite). *Recomendación usar Cmap Tool (Pueden enviar el archivo.cmap original pero incluir cuadro de datos del trabajo y alumno) 24