Practica 02: Acondicionamiento de sensores resistivos M. en C. Edgardo Adrián Franco Martínez http://www.eafranco.com edfrancom@ipn.mx @edfrancom edgardoadrianfrancom 1
Contenido Introducción Objetivos Lista de Materiales Actividades Observaciones Reportw 2
Introducción El acondicionamiento de una señal consiste en la manipulación electrónica de dicha señal, con los dispositivos adecuados, para obtener rangos de voltajes o corrientes adecuados a las características del diseño. 3
La flexibilidad en el diseño de los acondicionadores de señal para sensores resistivos, junto con la abundancia de mecanismos y variables que pueden modificar la resistencia eléctrica de un material, hacen que los sensores resistivos sean el grupo de sensores más numeroso. 4
Una fotoresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz (LDR). Un fotoresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia como el sulfuro de cadmio, CdS. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta, y su hueco asociado, conducen la electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz brillante. 5
El puente de Wheatstone es un instrumento de gran precisión que puede operar en corriente continua o alterna y permite la medida tanto de resistencias óhmicas como de sus equivalentes en circuitos de corriente alterna en los que existen otros elementos como bobinas o condensadores (impedancias). El puente de Wheatstone se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida. 6
El amplificador operacional es un circuito electrónico que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor G( ganancia): Vout = G (V + V ) Los amplificadores operacionales se pueden conectar según dos circuitos amplificadores básicos: configuración inversor y no inversor. Casi todos los demás circuitos con amplificadores operacionales están basados, de alguna forma, en estas dos configuraciones básicas. Además, existen variaciones estrechamente relacionadas de estos dos circuitos, más otro circuito básico que es una combinación de los dos primeros (amplificador diferencial). 7
Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo el INA114, INA122, AD623AN, AD620A). La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Su utilización es común en aparatos que trabajan con señales muy débiles, tales como equipos médicos (por ejemplo, el electrocardiograma), para minimizar el error de medida. 8
Objetivos Utilizar un sensor resistivo (LDR) y analizar sus respuestas de salida según diversas configuraciones para comparar y determinar un circuito de acondicionamiento adecuado para este sensor. Comparar los distintos tipos de configuraciones y analizar las respuestas de salida del acondicionamiento para determinar de manera experimental las configuraciones más adecuadas para este tipo de sensor. Graficar y analizar la linealidad de la señal de salida una vez que se agrega una configuración de acondicionamiento a un sensor resistivo. 9
Lista de Materiales 1 Fotorresistencia 1 AD620 3 Resistencias de 1MΩ 3 Resistencias de 10KΩ 3 Resistencias de 1KΩ 3 Resistencias de 330Ω 3 Resistencias de 100Ω Resistencias varias Multímetro Fuente de alimentación 10
Actividades 1. Realizar la medición de la resistencia dada por la fotorresistencia para las 5 condiciones siguientes: Luz directa lámpara (Aprox. 5000 lux) Luz ambiente (Luz aprox. 2,000 Lux) Luz sobre la mesa de trabajo (Aprox. 600 lux) Semi-obscuridad (Aprox. 40 lux) Obscuridad (Aprox. 0 lux) 2. Indicar si es el valor esperado según la hoja de datos del dispositivo, con base en los luxes aproximados de cada condición (Utilizar una aplicación móvil confiable que mida los luxes de las 5 configuraciones). 11
3. Realizar cinco configuraciones distintas del puente de Wheatstone (1MΩ, 10KΩ, 1KΩ, 330Ω, 100Ω) y probar de manera practica las 5 condiciones siguientes. Luz directa lámpara (Aprox. 5000 lux) Luz ambiente (Luz aprox. 2,000 Lux) Luz sobre la mesa de trabajo (Aprox. 600 lux) Semi-obscuridad (Aprox. 40 lux) Obscuridad (Aprox. 0 lux) Donde R1=R2=R3 son iguales y R4 es la fotorresistencia El voltaje de alimentación será V=5 Volts Medir para cada configuración los puntos A y B el valor de voltaje bajo las 5 condiciones V AA = R 2 R 1 + R 2 R 4 R 4 + R 3 V Calcular de manera teórica y comparar con los resultados experimentales 12
Observaciones de la actividad 3 Cada configuración del puente de Wheastone mantiene los valores de resistencia R1=R2=R3, probar con valores de 1MΩ, 10KΩ, 1KΩ, 330Ω, 100Ω. Medir entre A y B el voltaje, sometiendo a R4 (Fotoresistencia) a las 5 condiciones mencionadas. V AA = Observaciones R 2 R 1 + R 2 R 4 R 4 + R 3 V V=5Volts R1=R2=R3 R4= Fotoresistencia 10MΩ o 1MΩ 13
Llenar una tabla de mediciones para cada configuración indicando los valores de resistencia del puente de Wheatstone. Graficar la respuesta de voltaje de cada configuración vs. los luxes aproximados de cada condición de luminosidad, tomando como base los luxes de la aplicación móvil confiable que mida los luxes de las 5 configuraciones al mismo tiempo que realizas las mediciones en el circuito: Luz directa de lámpara Luz ambiente Luz sobre la mesa de trabajo Lux vs. V Semi-obscuridad Obscuridad 3 2 1 0-500 0 500 1000 1500 2000 2500-1 V 14-2 -3
Encontrar para cada uno de los resultados experimentales un polinomio que se ajuste al comportamiento obtenido, determine el grado según su percepción sobre el mejor ajuste y muestre su grafica. Código de MATLAB para realizar aproximación por mínimos cuadrados y=[5.7121 5.4756 5.161984 4.937284 4.84 4.227136 4.028049 3.61]; x=[1.425 1.39 1.32 1.235 1.205 1.105 1.05 0.9]; n=3; p=polyfit(x,y,n) xi=linspace(0.72,1.45,1000); z=polyval(p,xi); figure(1); plot(x,y,'o',xi,z,'-'),grid; ylabel('f(x)'); xlabel('x'); title('ajuste de mínimos cuadrados'); Código de SCILAB para realizar aproximación por mínimos cuadrados x = [0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2]'; y = [4.8 6.2 6.8 7.2 7.8 9.2 8.8 9.2 8.8 9.2 7.8]'; m = size(x,1); t = (x(1):0.01:x(m))'; n = 1; A = zeros(m, n+1); for i=0:n A(:,i+1) = x.^i; end cf = A\y; p = poly(cf, 'x', 'c'); ft = horner(p, t); clf() plot2d(t, ft) p 15
4. Construir la siguiente configuración con cada uno de los 5 puente de Wheatstone del punto 3 y probar de manera practica las 5 condiciones. Utilizar el amplificador de instrumentación AD620, con alimentación de una sola fuente de 5V El Vref=5V para todos los casos Luz directa lámpara (Aprox. 5000 lux) Luz ambiente (Luz aprox. 2,000 Lux) Luz sobre la mesa de trabajo (Aprox. 600 lux) Semi-obscuridad (Aprox. 40 lux) Obscuridad (Aprox. 0 lux) 16
Observaciones de la actividad 4 Llenar una tabla de mediciones para cada configuración indicando los valores de resistencia del puente de Wheatstone. Graficar la respuesta en voltaje de cada configuración vs. los luxes aproximados de cada condición de luminosidad, tomando como base los luxes medidos con la aplicación móvil de apoyo: Luz directa lámpara (Aprox. 5000 lux) Luz ambiente (Luz aprox. 2,000 Lux) Cada configuración del puente de Wheatstone genera una grafica de respuesta en voltaje. (Total 5 graficas) 3 Luz sobre la mesa de trabajo (Aprox. 600 lux) Lux vs. V Semi-obscuridad (Aprox. 40 lux) Obscuridad (Aprox. 0 lux) 2 1 0-500 -1 0 500 1000 1500 2000 2500-2 -3 V 17
Al igual que en el punto 3 encontrar para cada uno de los resultados experimentales un polinomio que se ajuste al comportamiento obtenido en voltaje, determine el grado según su percepción sobre el mejor ajuste y muestre su grafica. 18
Observaciones Justificar las respuestas y comparaciones de la manera más técnica posible, evite suposiciones o hipótesis, investigue las características de los dispositivos y el funcionamiento de las configuraciones realizadas. Explique el funcionamiento y la utilidad del puente de Wheatstone. Explique el funcionamiento y la utilidad del amplificador de instrumentación. Explique los conceptos de acoplamiento y linealización de sensores. Explique porque existe la necesidad de un acondicionamiento de la señal después de un circuito basado en un sensor resistivo. Describa los posibles errores de medición en las actividades realizadas. 19
Reporte Portada (Incluir foto del equipo) Introducción (Marco teórico) Actividades y resultados (Incluir fotos de los circuitos) Conclusiones (Por cada integrante del equipo) Anexo (Diagramas, especificaciones técnicas de los dispositivos) Bibliografía (En formato IEEE) 20