Introducción a la Electrónica

Transcripción

1 Introducción a la Electrónica SENSORES 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 1 Que es un sensor? Un sensor es un dispositivo que convierte un fenómeno físico a un senal medible (tensión, corriente) Temperatura Presión Posición Intensidad de luz sonido Fuerza, tensión Tensión Corriente 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 2

2 Caracterización de sensores Accuracy: Es la máxima difrerencia entre el valor indicado y el valor real Resolución Es el minimo incremento que el sensor puede detectar. Repetitividad: La medida de un mismo valor es realizada y repetida con pequeña variación. Linealidad Precision Se considera la resolución, precisión y repetitividad. Rango - es el valor limite que el sensor puede medir. Respuesta dinamica: es el rango de frecuencia que un sensor puede operar (ej. Oido humano 10Hz-16 Khz) Lugar de aplicación: existen sensores que no pueden operar en condiciones ambientales severas. Calibración Costo 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 3 Sensor de desplazamiento angular El potenciometro 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 4

3 El potenciometro Conectado como divisor de voltaje, entrega una tensión proporcional a su posición angular 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 5 Sensor de posición angular Disco ranurado Puede medir posición relativa y/o posición absoluta. 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 6

4 Resolutor Transformador con acoplamiento variable con la posición angular Se excita el rotor con tensión alterna Ve y se miden las tensiones s1 y s2 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 7 Posición lineal Potenciometro lineal (similares a los utilizados en equalizadores de equipos de audio) 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 8

5 Posición lineal Transformador variable diferencial linear (LDVT) diferencial Se aplica una tensión alterna, y la tensión inducida en cada bobinado secundario dependera de la posición del nucleo magnetico Nucleo movil 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 9 Sensores de fuerza y momento Strain gauges: miden fuerza sobre un material midiendo la variación de su resistencia eléctrica debido a su deformación 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 10

6 Strain gauges Gauge factor 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 11 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 12

7 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 13 Circuito de medición Puente de Weasthone: La variación de resistencia es muy pequeña. El uso del puente de Weasthone permite medir estas pequeñas variaciones R2 se ajusta para obtener V0=0volts. El valor de la Rstrain se puede calcular con 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 14

8 Sensor piezoeléctrico Un cristal al ser sometido a una presión desplaza una pequena cantidad de carga. Efecto piezoelectrico Otras aplicaciones: microfonos, parlantes 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 15 Sensado de temperatura Termistores Resistencias NTC (coeficiente negativo de temperatura). (ver NTC_20...pdf) Resistencias PTC (coeficiente positivo de temperatura). RTD: resistive temperature detectors Termocuplas Circuitos integrados 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 16

9 Termistores Son elementos cuya resistencia varia con la temperatura. Estos dispositivos son muy sensibles a la variación de temperatura. Su respuesta es no-lineal. 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 17 Termistores Self-heating error: Para medir la resistencia se aplica una corriente y se mide la tensión (o viceversa). Por lo tanto aparece un calentamiento por efecto Joule que distorsiona la medición. Parámetros importantes Resistencia a T=25grados. Coeficiente de disipación térmica 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 18

10 RTD Resistive temperature detector: cuando un metal es calentado su resistencia se incrementa. R=función(T) RTD de platino (PT100) 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 19 RTD 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 20

11 Termocuplas Efecto Seebeck: Un gradiente de temperatura a lo largo de un conductor crea una fuerza electromotriz. Si dos conductores de metales diferentes son unidos en un punto, una FEM es creada en los terminales abiertos. Esta tensión es dependiente de las temperaturas T1 y T2. 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 21 Termocuplas 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 22

12 Compensación juntura fría En lugar de mantener la juntura de referencia a un temperatura conocida o medirse esta temperatura Compensar las variaciones de la tensión generada en la juntura de referencia, insertando en el circuito de medición una tensión de variación igual y opuesta a esta tensión. 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 23 Tipos de termocuplas 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 24

13 Termocuplas 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 25 Conexión de termocuplas Conexión directa a un instrumento Al insertar un voltímetro en el circuito para efectuar la medición, aparecen nuevas junturas en la conexión entre el voltímetro y la termocupla. Puede generarse una juntura adicional, agregando un cable de cobre a la salida del instrumento (juntura Cu-Cu en el borne, que no genera potencial), y desplazar la juntura de conexión al instrumento fuera del borne (juntura que se llamará de referencia). 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 26

14 Sensores de estado solido Dos diodos idénticos a la misma temperatura LM335 Rango Temp: -40 a 100 grados 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 27 Sensores de Temperatura 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 28

15 Sensores de nivel Capacitor de placas paralelas La capacidad depende de la distancia entre placas, la constante dielectrica del material entre placas y la sección de las placas. 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 29 Sensores de nivel Medición de nivel en materiales no conductores Las constantes dialectricas del liquido y el aire son conocidas. La sección de las placas se mantiene constante La capacidad en forma aproximada esta definida como La capacidad es función del nivel del liquido 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 30

16 Fotocelulas (LDR) LDR ( resistencia variable por iluminación) Son dispositivos que varían su resistencia con el nivel de iluminación Nivel de iluminación (en lux) Una lampara de 60 watts a 1 metro de distancia 50 lux Luz de luna 0.1 Lux Luz de sol Lux Tubo fluorescente 500 Lux 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 31 LDRs Respuesta espectral Mayor nivel de iluminación, menor resistencia 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 32

17 LDRs - Aplicaciones 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 33 LDRs - Aplicaciones 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 34

18 LDRs - Aplicaciones 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 35 Adquisición de datos SENSOR Acondicionamiento de senal Conversión A/D Variable física Variable eléctrica (tensión, corriente, resistencia, capacidad) Tension Dato en formato digital Procesamiento de datos Almacenamiento Visualización 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 36

19 Acondicionamiento de señales Termocupla RTD Termistor Sensor Strain gauge Acelerometro activo AC Linear Variable Differential Transformer (LVDT) Caracteristicas electricas Bajo voltaje de salida, baja sensitividad, respuesta nolineal Baja resistencia Baja sensitividad Respuesta nolineal Baja resistencia Baja sensitividad Respuesta nolineal Elevada resistencia y elevada sensitividad Respuesta altamente nolineal Elevado voltaje/corriente de salida Voltaje de salida AC Requerimientos de condicionamiento de señal Sensor de temperatura de referencia (compensación de juntura fria) Amplificación de elevada ganancia Linealización Excitación de corriente Linearización Excitación de voltaje/corriente Amplificación Conexionado de puente de medición Linearización Excitación de voltaje/corriente con resistencia de referencia Amplificación moderada Excitación de alterna Demodulación Linearización 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 37 Acondicionamiento de senal AMPLIFICACIÓN: La senal generada por los sensores es de baja magnitud. Esta debe ser amplificada antes de ser transmitidas. FILTRADO: Filtros deben ser incluidos para eliminar interferencias no deseadas ( ruido de línea 50/60 Hz, ) FILTRADO ANTIALIASING: tambien se utilizan filtros para eliminar las componenes de alta frecuencia de la senal. Ver Teorema de Nyquist. AISLAMIENTO: se utiliza para separar la fuente de senal (sensor) del dispositivo medidor (aislamiento por transformador, óptico, capacitivo) MULTIPLEXADO: Senales provenientes de diferentes sensores pueden ser procesadas por un único conversor. 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 38

20 Acond. de senal: termpocuplas Hardware: se adiciona una tensión de desplazamiento de signo contrario. Software: 1) Se mide la temperatura de la juntura de referencia y se calculá la tensión equivalente de la termocupla a esa temperatura utilizando tablas de temperatura o polinomios. 2) Se mide el voltaje de salida de la termocupla y se le suma el voltaje de la juntura de referencia calculado en el paso 1. 3) El voltaje resultante es convertido a temperatura utilizando polinomios o tablas.. 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 39 Acondicionamiento de senal Conexionado de RTD con 2 y 4 cables La tensión medida es afectada por la resistencia del cableado La tensión medida NO es afectada por la resistencia del cableado Desventaja: MAS COSTOSO. Necesito un conductor de 4 hilos. 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 40

21 Senales de corriente Algunos sensores utilizados en control de procesos aplicaciones de monitoreo generán una senal de 4 to 20 ma or 0 to 20 ma. Menos sensible al ruido y caida de tensión en el cableado. El sistema de acondicionamiento de senal debe convertir la senal de corriente a tensión Ejemplo: Medidor de temperatura 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 41 Conversión corriente-tensión La senal de corriente del sensor de 0-20mA es convertida a 0-10volts 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 42

22 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 43 Amplificación Requerimientos Elevada impedancia de entrada Elevada ganancia diferencial Elevado rechazo de senal en modo común (RRMC) 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 44 Amplificador de instrumentación R v v i R = ) ( , 2, v v R R R i v v v v R x o x o = + + =

23 Adquisición de datos senal analógica acondicionada Filtro anti-aliasing Sample & hold Cuantización Criterio de Nyquist: una senal debe ser muestreada al doble de su máxima componente de frecuencia Respuesta filtro anialiasing fmin fmax Espectro entrada frecuencia Palabra digital 26/11/2009 Introducción a la Electrónica 45