TRANSDUCTORES DIGITALES

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1 TRANSDUCTORES DIGITALES Juan A. Montiel-Nelson Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Universidad de Las Palmas de Gran Canaria

2 Indice 05/10/2004 Transductores Digitales 2

3 Introducción Interés por los transductores digitales La creciente presencia de sistemas digitales por el tratamiento y presentación de la información en los sistemas de medida y control, hace muy atractivos aquellos transductores que ofrecen directamente a su salida una señal en forma digital, por la simplicidad que suponen en el acondicionamiento de señales y su mayor inmunidad a las interferencia electromagnéticas Clasificación Codificadores de posición Ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica Transductores de frecuencia variable Se basan en un fenómeno físico de tipo oscilatorio, transducido posteriormente por in transductor modulados convencional 05/10/2004 Transductores Digitales 3

4 Introducción La medida de posiciones lineales y angulares ha sido hasta el momento el único campo con abundantes desarrollos comerciales de transductores con salida digital, incluso antes de la era del microprocesador Codificadores incrementales Principio de funcionamiento En un codificador de posición incremental hay in elemento lineal o un disco con poca inercia que se desplaza solidario a la pieza cuya posición se desea determinar 05/10/2004 Transductores Digitales 4

5 Codificadores Incrementales Principio de funcionamiento 05/10/2004 Transductores Digitales 5

6 Codificadores incrementales Limitaciones Interrupciones e interferencias Cuando falla la alimentación del sistema, o simplemente cuando se desconecta, y en presencia de interferencias fuertes Contador bidireccional A fin de tener una salida digital compatible con los elementos de entrada-salida de un ordenador Sentido de avance 05/10/2004 Transductores Digitales 6

7 Codificadores incrementales Tipos y materiales Codificadores inductivos 05/10/2004 Transductores Digitales 7

8 Codificadores incrementales Tipos y materiales Codificadores basados en efecto Hall 05/10/2004 Transductores Digitales 8

9 Codificadores incrementales Tipos y materiales Codificadores eléctricos 05/10/2004 Transductores Digitales 9

10 Codificadores incrementales Tipos y materiales Codificadores ópticos Sectores opacos y transparentes Zonas reflectoras y no reflectoras 05/10/2004 Transductores Digitales 10

11 Codificadores incrementales Tipos y materiales Codificadores ópticos Basado en franjas de interferencias 05/10/2004 Transductores Digitales 11

12 Codificadores incrementales Tipos y materiales Codificadores ópticos 05/10/2004 Transductores Digitales 12

13 Codificadores incrementales Tipos y materiales Codificadores ópticos Determinación del sentido de avance 05/10/2004 Transductores Digitales 13

14 Codificadores incrementales Resolución Codificadores incrementales angulares 100 a 6000 cuentas/vuelta Varias salidas senoidales desfasadas se multiplica por 100 Diámetros de 25mm a 90mm Codificadores ópticos Mayor resolución Limitación de acuerdo con el tamaño del fotodetector Disposición de una o varias rejillas 05/10/2004 Transductores Digitales 14

15 Codificadores absolutos Principio de funcionamiento Ofrecen a su salida una señal codificada correspondiente a la posición de un elemento móvil, regla o disco, con respecto a una referencia interna El elemento móvil dispone de zonas con una propiedad que las distingue, y a las que se asigna un valor binario Hay varias pistas con zonas diferenciadas y están agrupadas de talforma que el sistema de lectura obtiene directamente en cada posición del elemento móvil el número codificado que da su posición 05/10/2004 Transductores Digitales 15

16 Codificadores absolutos Principio de funcionamiento 05/10/2004 Transductores Digitales 16

17 Codificadores absolutos Tipos y materiales Sensores ópticos con zonas opacas y transparentes Los de contacto con zonas conductoras o aislantes Ventajas Inmunidad frente a interrupciones e interferencias El código ofrecido a su salida no puede estar formado por bits correspondientes a dos posiciones contiguas Ejemplo de uso de código binario natural, en un sistema con 8 bits donde las posiciones 3 y 4 vienen dadas por Posición 3 => Posición 4 => Posición => /10/2004 Transductores Digitales 17

18 Codificadores absolutos Códigos binarios con distancia unidad unidad en todas las posiciones 05/10/2004 Transductores Digitales 18

19 Codificadores absolutos Disco codificador digital 05/10/2004 Transductores Digitales 19

20 Codificadores absolutos Disposición de un doble juego de cabezales de lecturas desplazados entre sí una distancia determinada Empleando una regla de decisión para aceptar la lectura de uno u otro sensor Disponer una marca en el centro de cada sector Aceptando la lectura del cabezal sólo cuando hay garanatía de estar en una zona que no es de transición entre dos posiciones Una memoria almacena la última lectura y se actualiza cuando hay un cambio válido 05/10/2004 Transductores Digitales 20

21 Codificadores absolutos Resolución En código Gray de 6 a 16 bits Con diámentros de 50 a 175 mm para codificadores angulares Aumento de resolución Incremento del número de pistas codificadas Añadir otro codificador Sistema nonio utilizado en los codificadores incrementales Añadir otr apista adiional en dirección radial en la parte más externa del disco Aplicaciones Control de posiciones lineales y angulares Medidas indirectas 05/10/2004 Transductores Digitales 21

22 Transductores de frecuencia variable Introducción Principio de funcionamiento Basados en un fenómeno físico resonante que ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de intere s que afecta a la frecuencia de oscilación Requieren el empleo de un frecuencímetro-contador para medir bien la frecuencia, bien el período de oscilación. Se emplean tanto osciladores armónicos como de relajación Osciladore armónicos donde hay energía almacenada que cambia de una a otra forma de almacenamiento Osciladores de relajación donde hay una única forma de almacenamiento, y la energía almacenada se disipa periódicamente mediante algún mecanismo de puesta a cero 05/10/2004 Transductores Digitales 22

23 Transductores de frecuencia variable Termómetro digital de cuarzo Principio básico Se basan en el coeficiente de temperatura de un oscilador de cuarzo piezoeléctrico Modelo y circuito equivalente El modelo de los transductores piezoeléctricos es válido a baja frecuencia. A alta frecuencia, para un elemento con electrodos metálicos depositados en dos de sus caras L1 masa del cristal C1 elesticidad o compliancia mecánica R1 por la fricción interna C0 capacidad del soporte del cristal en paralelo con la de los electrodos metálicos 05/10/2004 Transductores Digitales 23

24 Transductores de frecuencia variable Termómetro digital de cuarzo Modelo y circuito equivalente L1=4451 H, C1 0 5 ff, R1 = 11,2 kω y C0 = 1,84 pf => 32,768 khz f = f Linealidad Repetibilidad [ ( ) ( ) 2 1 ( ) 3 + a T T + b T T + c T ]; T0 Variantes y aplicaciones Influencia de la masa en la frecuencia de oscilación Medida de humedad Se recubre el cristal con un material higroscópico 05/10/2004 Transductores Digitales 24

25 Transductores de frecuencia variable Galgas acústicas Principio básico Frecuencia de oscilación transversal de una cuerda o hilo tenso 1/ 2 vibrante 1 F Longitud l f = ; Fuerza mecánica F 2l m Densidad longitudinal m Medida de deformaciones Módulo de Young 4 2 l m ε = f 2 ; Sección transversal ES Frecuencia de oscilación Se mide con un transductor de reluctancia variable, y cae dentro de la banda audible 05/10/2004 Transductores Digitales 25

26 Transductores de frecuencia variable Galgas acústicas Principio básico Se dispone de un sistema autooscilante en el que la señal detectada es amplificada y realimentada a un excitador electromagnético A veces el propio excitador actúa alternativamente como detector El factor de calida Q del resonador mecánico debe ser del orden de 1000 osuperior Aplicaciones De esta forma la frecuencia de oscilación no depende de la características eléctricas del excitador Medida de deformaciones Medida de desplazamientos, presión, fuerza, peso y masa 05/10/2004 Transductores Digitales 26

27 Transductores de frecuencia variable Galgas acústicas Aplicaciones Variante de cintas vibrantes Longitud l Módulo de Young E 1 2l Densidad δ Medida de la masa de polvo depositado E δ 1/ 2 Excitador y detecor son ambos piezoeléctricos f = ; 05/10/2004 Transductores Digitales 27

28 Transductores de frecuencia variable Galgas acústicas Aplicaciones Variante de cintas vibrantes Longitud l Módulo de Young E Densidad δ Medida de la masa de polvo depositado Excitador y detecor son ambos piezoeléctricos 05/10/2004 Transductores Digitales 28

29 Transductores de frecuencia variable Transductores basados en cilindros vibrantes Principio básico Si en lugar de un hilo o una cinta vibrante se emplea un cilindro metálico con paredes delgadas (75 um) y un extremo ciego, la frecuencia de oscilación dependerá de las dimensiones y material del cilindro y de cualquier masa que vibre con sus paredes Utilizando un excitador electromagnético para mantener la oscilación, se puede medir la diferencia de presión entre las dos caras del cilindro La diferencia de presión entre ambos lados de las paredes produce una tensión mecánica entre éstas. 05/10/2004 Transductores Digitales 29

30 Transductores de frecuencia variable Transductores basados en cilindros vibrantes Método del tubo vibrante 05/10/2004 Transductores Digitales 30

31 Transductores de frecuencia variable Transductores basados en cilindros vibrantes Aplicaciones Medidas de densidades de un gas Medidas de densidades de líquidos Método del tubo vibrante Consiste en dos conductores en paralelo, sujetos en cada extermo a una base fija y acoplados al conducto principal con unajunta felxible en cada extremo Frecuencia de oscilación de la tubería sin líquido f 0 Constante geométrica del sistema δ 0 f = f δ δ 0 1/ 2 ; 05/10/2004 Transductores Digitales 31

32 Transductores de frecuencia variable Transductores basados en ondas superficiales Principio básico Las ondas superficiales en la superficie de un líquido al producir en ella una perturbación se producen también en la superficie de sólidos Lord Rayleigh 1885 Aplicacíón a los sismogramas Forma de producir una perturbación en la superficie de un sólido Disponer dos electrodos metálicos interdigitaods en la superficie de un material piezoeléctrico 05/10/2004 Transductores Digitales 32

33 Transductores de frecuencia variable Transductores basados en ondas superficiales Esquema de principio de los filtros de onda de superficie Excitación Distancia entre electrodos d Tensión alterna de frecuencia f Deformación superficial Detección Velocidad v propia del material Velocida v=2fd Tensión alterna de salida 05/10/2004 Transductores Digitales 33

34 Transductores de frecuencia variable Transductores basados en ondas superficiales Modelo equivalente La velocidad v de laonda superficial depende del estado de deformaciones en la superficie y de la temperatura Dado que éstas dependen del estado de deformaciones en la superficie y de la temperatura Afectan a la densidad y propiedades elásticas del material Alteran la distancia entre electrodos Desfase total en el lazo de realimentación φ = φ ± δφ ± φ ; T φ = 2ΠfL / v; ex 05/10/2004 Transductores Digitales 34

35 Transductores de frecuencia variable Transductores basados en ondas superficiales Modelo equivalente Desfase total en el lazo de realimentación Aplicaciones Desfase por el tiempo de tránsito de la onda desde un par de electrodos al otro Incremento de fase producido por la deformación del sustrato y el cambio de temperatura Desfase debido debido al amplificador y la red de adaptación de impedancias externa Medidas de temperaturas Medida de variables mecánicas: fuerza, presión y aceleración 05/10/2004 Transductores Digitales 35