Meia e magnitues mecánicas Introucción Sensores potenciométricos Galgas etensiométricas Sensores piezoeléctricos Sensores capacitivos Sensores inuctivos Sensores basaos en efecto Hall Sensores optoelectrónicos Sensores e ultrasonios
5.1 Introucción Posición elocia Aceleración Fuerza, Peso Presión Caual Nivel Inuctivos, Resistivos, Magnéticos, Efecto Hall Efecto Hall, Encoer, Potenciómetros Piezoeléctricos, Piezorresistivos, Capacitivos Celas e carga, Galgas Inuctivo, Capacitivo, Piezoeléctrico, Galga, Óptico Electromecánicos, Magnéticos, Ultrasonios Potenciómetros, Capacitivos, Térmicos, Ópticos 3
5.5 Sensores capacitivos ε Dieléctrico A C = εa Se etecta la variación e la capacia e un conensaor 33 Los sensores capacitivos están basaos en la variación e la capacia entre os o más conuctores entre los que se encuentra un ieléctrico, en respuesta a la variación e alguna magnitu física. Aunque las aplicaciones más conocias están asociaas con meia e movimiento lineal y angular, los sensores capacitivos se emplean también para la meia e humea, presión, nivel, aceleración, etc. Las principales características que presentan son: Permiten etectar muy pequeños esplazamientos (hasta 10-10 mm). Son fácilmente integrables en un chip e silicio. No se ven afectaos por la temperatura o el alineamiento mecánico. Son muy estables en entornos hostiles. Tienen muy bajo consumo.
Conensaor e placas paralelas variable A variable ε variable placa fija placa móvil w A ε 1 l ε 2 C = εa ε C = (A- w) ε w = ( ) o C ε2l ε2 ε1 ε = ε r ε 0 = permitivia ieléctrica ε 0 = constante ieléctrica el vacío = 8,85 pf/m 34 En el caso e un conensaor e placas paralelas simple, el valor e la capacia puee verse alteraa variano la istancia entre placas (), el área e las mismas (A) o el tipo e ieléctrico (ε). Cuano el parámetro que varía es la istancia entre placas la capacia no es lineal con respecto a la istancia entre placas, en cambio, sí lo es la impeancia. Si lo que varíe sea el área e las placas o el material ieléctrico, la figura muestra los resultaos que se obtienen. En ambos casos la capacia varía linealmente con el esplazamiento e la placa, con lo que, ese el punto e vista e la linealia, se puee meir irectamente bien su capacia o la amitancia corresponiente. Una aplicación típica el sensor capacitivo basao en la variación el área es la meia e esplazamientos angulares, mientras la variación e la constante ieléctrica puee utilizarse para meir el nivel e un fluio en un tanque.
Conensaor iferencial C 1 C 2 1 2 - + 0 0 3 εa C 1 = ; C - 2εA 2εA C-C= 1 2 2 2 2-2 εa = - ε ε C= 1 w( 0- ); C= 2 w + 0 C-C 1 2 2ε =- ( ) 35 Se enomina conensaor iferencial al formao por tres placas planas paralelas. En general, las placas eteriores suelen ser fijas y la placa central móvil, en respuesta a la variable a etectar. emos cómo, a pesar e que C 1 y C 2 son no lineales, se logra obtener una salia lineal realizano una meia iferencial y con una sensibilia mayor que en el caso el conensaor simple. Aplicaciones típicas e esta configuración son los micrómetros, acelerómetros e inclinómetros. Si se isponen las tres placas el conensaor iferencial cómo se muestra en la figura erecha y se varía el área entre placas, se tiene que la meia iferencial e la capacia nos permite obtener una salia lineal con el esplazamiento. Con esta técnica se han llegao a meir esplazamientos e hasta 10-10 mm.
Electroo e guara 1 2 1 2 3 3 Guara (a) (b) 36 Aunque se ha mejorao en linealia, el conensaor iferencial no esta eento e problemas: ispersión el campo eléctrico en los bores e los electroos, aislamiento entre placas, capaciaes parásitas, cables e coneión, etc. La ispersión el campo en los bores e los electroos puee apreciarse mejor en la figura a. Para evitar este efecto, en la figura b se ha colocao un electroo e guara roeano al electroo 3. Este electroo e guara se mueve junto al electroo 3 y está puesto a su mismo potencial. Ahora, las líneas e campo aparecen istorsionaas en el bore e la guara, lo cual no importa ya que no es un electroo e meia. En cambio el campo si es uniforme en los electroos e meia. El electroo e guara protege simultáneamente al electroo 3 e campos eternos que puean afectar a la linealia e la meia
Aconicionamiento R a b C 1 AI v o R C 2 æ1 C ö = - ç ø 1 vab ç è 2 C 1+ C 2 Si C 1 y C 2 son conensaores iferenciales: ab= 2 37 Los cambios en la capacia e los sensores capacitivos pueen ser meios empleano puentes e alterna. La figura muestra el caso e un puente en el que se isponen los conensaores C 1 y C 2 en ramas ayacentes, estano ocupaas las otras os ramas por resistencias e igual valor. Si la salia el puente se etecta con un circuito e alta impeancia e entraa (p.e. meiante un amplificaor e instrumentación), la relación entre la salia el puente y el esplazamiento es lineal. La estructura en puente aporta una ventaja aicional, ya que cualquier cambio que se prouzca e forma simultánea en las ramas ayacentes (por ejemplo, interferencias eternas, erivas térmicas, etc.) se cancela. La señal e ecitación suele ser senoial ya que prouce menos EMI y a lugar a menores limitaciones en el slew rate el amplificaor. Se requiere que tenga una gran estabilia. Se puee generar a partir e un cristal e cuarzo y un filtro. La frecuencia no suele ser inferior a 100 khz.
Aconicionamiento 555 Umbral Salia Disparo Contaor R Sensor C 1 f OSC= = k 1,4RC A 38 En muchas ocasiones el sensor capacitivo forma parte e un circuito oscilaor, en el que las variaciones en la capacia provocan una variación en la frecuencia e oscilación. Eisten iferentes soluciones para implementar el circuito oscilaor. La figura muestra un oscilaor RC, con ciclo e trabajo el 50%, a base el CI 555 en su versión CMOS e bajo consumo. Si el conensaor varía su istancia entre placas, la frecuencia e oscilación el circuito será proporcional a icha istancia y la salia el sensor será lineal si se cuenta el número e pulsos el oscilaor. Si lo que varía es el área e las placas, la salia se linealizará miieno la uración e los pulsos. Éste circuito no está eento e problemas. Por un lao, la capacia parásita el cable e coneión el conensaor se añae a la capacia e meia, reucieno la sensibilia. Otro inconveniente se ebe a la resistencia R e valor fijo que interviene en la meia e la capacia. Su estabilia y coeficiente e temperatura pueen no ser lo suficiente buenos, afectano también a la meia. Estos problemas se pueen reucir empleano el circuito emoulaor síncrono que se presenta a continuación.
Demoulaor síncrono Demoulaor síncrono C 1 REF Amp A C 2 39 Este métoo es el que permite meir la capacia con mayor fleibilia y precisión. La figura muestra su esquema básico. El emoulaor síncrono se comporta en esencia cómo un rectificaor e oble ona, realizano icha rectificación en sincronismo con la señal e ecitación o e sincronismo el circuito. Así, urante el primer semiciclo, el valor e la señal e ecitación es superior a una referencia y el emoulaor funciona cómo un rectificaor inversor. Durante el seguno semiciclo, la señal e ecitación es inferior a la referencia y el emoulaor funciona cómo un seguior e tensión, e forma que la entraa al emoulaor aparece en la salia con ganancia unia. En la figura se muestra lo que ocurre en el emoulaor con iferentes colores, epenieno el sentio e esplazamiento que se tenga en el conensaor. El filtro paso bajo elimina la frecuencia e la portaora y otros armónicos e oren superior proucieno una salia libre e rizao. La amplitu e la señal rectificaa y filtraa informa e la magnitu el esplazamiento, mientras que la polaria informa el sentio el esplazamiento. Depenieno e la configuración el amplificaor se puee linealizar bien la capacia o la impeancia. Eisten circuitos comerciales cómo el NE5521 e Philips o el AD698 e Analog Devices que integran oscilaor, amplificaor, emoulaor y filtro.
Sensor e presión Placas el conensaor PRESIÓN Diafragma Sustrato e silicio P y r a t 0 ( - ν ) 2 4 C 1 a = P 3 C 16Et E = móulo e Young ν = relación e Poisson 40 El elemento sensor capacitivo está compuesto por un iafragma cerámico, e forma que cuano la presión aumenta, el iafragma se fleiona, variano la istancia entre las placas el conensaor. Cambiano el espesor el iafragma en el proceso e fabricación, se pueen llegar a meir presiones entre 7,5 y 10000 psi. El papel que juega el silicio en la fabriación elos sensores capacitivos no siempre es el mismo: en unos casos se aprovecharán sus ecelentes propieaes elásticas y e estabilia para etectar una eterminaa magnitu física, mientras que, en otros casos, el silicio únicamente servirá cómo un sustrato, sieno necesario añair finas capas e otros materiales para proucir el efecto eseao.
Sensor e humea Polvo, suciea y aceites no afectan al sensor Polímero Platino Polímero Platino Sustrato e silicio O = CC [0,0063(%HR)+0,16] Honeywell (HIH-3610) 41 Los sensores capacitivos e humea relativa se usan en numerosas aplicaciones inustriales. Por ejemplo, es necesario controlar la humea en la inustria tetil, maerera, alimentación, fabricación e papel, almacenaje, etc. Eisten muchos tipos y variantes e sensores e humea, según sea la composición e las placas el conensaor, el material el ieléctrico y el sustrato. El ieléctrico puee ser un óio e aluminio, silicio poroso o un material polímero. El sustrato es normalmente e cristal, cerámico o silicio. La figura muestra la estructura e un sensor e humea en el que el ieléctrico es un material polímero y el sustrato es e silicio. El material polímero tiene la habilia e absorber moléculas e agua lo cual se trauce en un cambio en la permitivia ieléctrica el conensaor. El cambio incremental en la permitivia ieléctrica e un sensor e humea capacitivo es proporcional a la humea relativa el entorno que le roea Una característica importante es su estabilia química ya que en algunas aplicaciones, el vapor e agua contiene contaminantes (p.e. CO) o bien la meia e humea se realiza en una muestra e gas en lugar e aire. En estos casos, si el ieléctrico es silicio, las características el sensor no se ven afectaas por ichos gases.
Sensor e aceleración - Margen e meia: ±5 - ±50g - Error e linealia: 0,2% FS - Sensibilia: 33 m/g ( s =5) 2 5 S S v0 = Sensibilia a Analog Devices 42 La meia e aceleración está basaa en la ley e Hook: F = k y en la seguna ley e Newton: F=ma. Igualano ambas epresiones, tenemos que: a=k/m, con lo que la meia e la aceleración se convierte en la meia e un esplazamiento. Los acelerómetros se usan para meir no sólo aceleración sino también otras magnitues erivaas e ella como inclinación, fuerzas inerciales, choques y vibraciones en aplicaciones e automoción (airbag), meicina, control inustrial, etc. Las últimas técnicas e micro-mecanizao superficial junto con tecnologías CMOS e fabricación e circuitos integraos permiten integrar en el mismo chip toa la circuitería e procesamiento e la señal, resultano un ispositivo e altas prestaciones y e coste razonable. Un ejemplo e microacelerómetro capacitivo es el ADXL250 e Analog Devices. La figura muestra su iagrama e bloques. Las características más significativas son: - Margen e meia: ±5 y ±50g - Error e linealia: 0,2% el fono e escala - Sensibilia: 33 m/g para una S = 5.
Acelerómetros Tipo Piezoeléctrico Pizoresistivo Capacitivo entajas No funcionan en cc Uso complejo Bajas temperaturas Meias estáticas Funcionan en cc y ca Baratos Baja resolución Frágiles Desventajas ibración Impacto Uso inustrial Resolución limitaa Requiere alimentación Bajas y meias frecuencias Uso general Uso inustrial 43
Detector e proimia Cabeza sensora Oscilaor Detector Amplificaor Material conuctor Dieléctrico ε iel > ε aire A+ B _ A+ B _ (a) (b) 44 Una e las principales aplicaciones e los sensores capacitivos son los etectores e proimia. Detectan la presencia e objetos próimos, tanto metálicos como no metálicos, y la señalizan meiante una salia el tipo too-naa. La cabeza sensora contiene cómo mínimo, un par e electroos que constituyen las placas e un conensaor abierto. Estos electroos están situaos en el lazo e realimentación e un oscilaor e alta frecuencia. Cuano no se tiene presente un objeto, la capacia el sensor es baja y, por tanto, la amplitu e la oscilación es baja. Cuano el objeto se aproima a la cabeza sensora se incrementa la capacia y, con ello, la amplitu e la oscilación, provocano la conmutación el circuito e salia el etector. Si el objeto es conuctor se formará un conensaor entre el objeto y la cara activa el sensor, e forma que cuano el objeto se acerca se incrementa la capacia. Si el objeto no es metálico (sólio o líquio), actúa cómo un aislante entre los electroos A y B. En este caso, al aproimarse al etector, lo que ocurre es un incremento e la permitivia ieléctrica el meio y, por tanto, e la capacia. Recoremos que toos los líquios y sólios no conuctores tienen una permitivia ieléctrica relativa mayor que la el aire.
Características Detección e sólios o líquios. Larga via útil ya que no tiene esgaste. Múltiples configuraciones e montaje. Distancias cortas (2,5 cm o menos), según material. Muy sensibles a factores ambientales. 45 Comercialmente se encuentran en forma cilínrica (lisa o roscaa) con el cuerpo metálico o plástico y en forma rectangular con la cabeza sensora orientable. Se encuentran presentes en una gran variea e aplicaciones inustriales: control e nivel e líquios, inspección e paquetes, etección e rotura e cables, etección e nivel en prouctos e alimentación, etección e pequeños elementos metálicos, etc.