AUIN 1213 sensor G10 SENSORES ANALÓGICOS Contingut 1 Definición 2 Partes de un sensor 3 Características técnicas de un sensor 4 Tipos de sensores 4.1 Sensores de posición lineal o angular 4.2 Sensores de desplazamiento o deformación 4.3 Sensores de velocidad lineal o angular 4.4 Sensores de fuerza 4.5 Sensores de presión 4.6 Sensores de caudal 4.7 Sensores de temperatura 4.8 Sensores de Luz 5 Bibliografia Definición Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, y transformarlas en variables eléctricas. Los sensores se pueden clasificar de diferentes formas. Según la fuente de energía: Activos o pasivos. Según la naturaleza de la señal de salida: Analógicos o digitales. Según la naturaleza de la magnitud a medir: Mecánicos, térmicos, magnéticos, químicos, etc. Según la variable física de medida: Resistivo, Inductivo, Capacitivo, Piezoeléctrico, etc. En particular nosotros estudiaremos los sensores analógicos. En esta clasificación están los sensores analógicos por un lado y los sensores digitales por otro. Que diferencia existen entre ellos? Los sensores analógicos son aquellos que, como salida, emite una señal comprendida por un campo de valores instantáneos que varían en el tiempo, y son proporcionales a los efectos que se están midiendo. Mientras que los sensores digitales son dispositivos que pueden adoptar únicamente dos valores de salida, uno o cero, encendido o apagado, sí o no,... Los estados de un sensor digital son absolutos y únicos, y se usan donde se desea verificar estados de "verdad" o "negación" en un sistema automatizado. Partes de un sensor Un sensor esta formado principalmente por los siguientes aspectos: -Cuerpo de prueba: Elemento mecánico que reacciona delante de una magnitud física determinada. -Transductor: Traduce las reacciones del cuerpo de prueba en un señal eléctrica. -Caja: Elemento mecánico de protección. -Acondicionador: Tiene diferentes funciones(alimentación eléctrica, conformación del señal de salida, filtrante, corrección, conversión...) Características técnicas de un sensor Entre las características técnicas de un sensor destacan las siguientes: Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. Precisión: es el error de medida máximo esperado. Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset. Linealidad o correlación lineal. Sensibilidad de un sensor: relación entre la variación de la magnitud de salida y la variación de la magnitud de entrada. Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse ala salida. Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada.
Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada,que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento(oxidación, desgaste, etc.) del sensor. Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida. Tipos de sensores Existen una gran variedad de sensores analógicos, así que en este apartado nos dedicaremos a explicar e introducir solo los que tienen un uso más normal en el mundo de la automatización industrial. Miremos la siguiente tabla: Magnitud Transductor Salida Posición lineal o angular Potenciometro Desplazamientos o deformación Velocidad lineal y angular Galga extensiométrica Transformador diferencial (LVDT) Dinamo tacométrica Giroscopio Fuerza y par Mediciones indirectas por galgas extensiométricas ó LVDT Presión Cabal Membrana + galga Manómetro Turbina Magnético Termopar Temperatura Luz PT100 NTC PTC Bimetalismo Fotodiodos/Fototransistores Fotoresisténcias Células fotoeléctricas Sensores de posición lineal o angular Los sensores de posición lineal o angular se utilizan para detectar la posición exacta de un objeto, estos pueden ser lineales o angulares. Lineales si queremos detectar la posición de un objeto en una única dirección o angulares, si queremos detectar el objeto entre un rango de grados o simplemente los 360º. El funcionamiento de este sensor se basa en el envío de una señal hacia el objeto al cual se quiere saber su posición, una vez que el objeto recibe la señal este emite una señal de retorno. A través de una serie de cálculos matemáticos se obtiene la posición del objeto en cuestión. Figura 1: Sensores de posición Sensores de desplazamiento o deformación Los sensores de desplazamiento o deformación se utilizan básicamente para medir longitudes ya se han pequeñas (micrómetros) hasta longitudes más grandes (metros). El sensor de desplazamiento que mas se utiliza es el Transformador Diferencial de Variación Lineal (LVDT). El LVDT es un
dispositivo electromecánico que consiste de dos componentes: Un cuerpo hueco cilíndrico que contiene dos bobinados secundarios idénticos los cuales están posicionados en ambos lados del bobinado central primario y un núcleo de ferrita cilíndrico se mueve libre longitudinalmente dentro de la bobina. Cuando el núcleo de ferrita esta en el centro de los bobinados se crea unos corrientes inductivos que se reparten entre los dos bobinados y al ser iguales se anulan entre ellos. Cuando el núcleo de ferrita se mueve estos corrientes inductivos cambian produciendo un pequeño voltaje que a través de unas conversiones podemos conocer las variaciones de movimiento. Figura 2: LVDT Sensores de velocidad lineal o angular La medición de velocidad angular tiene gran relevancia en las aplicaciones industriales. Esto se realiza mediante los tacómetros, que pueden ser mecánicos o eléctricos. Tacómetros mecánicos: El más sencillo es el contador de revoluciones. Consiste en un tornillo sin fin que se acopla al eje cuya velocidad se quiere medir. Tacómetros eléctricos: a) Dinamos Tacométricas (tacodinamo), estos proporcionan una señal de corriente continua. Están constituidos por un inductor que genera un campo magnético mediante imanes permanentes o electroimanes y un inducido o rotor ranurado sobre el que se bobinan unos devanados de hilo conductor. Suelen tener una sensibilidad entre 5 y 10 mv por cada r.p.m. y pueden medir velocidades de hasta 10000 r.p.m. b) Alternadores tacométricas (taco alternador), estos proporcionan una señal alterna senoidal con frecuencia y amplitud proporcionales a la velocidad de rotación. A diferencia de las dinamos tacométricas, el elemento que gira es el rotor formado por un imán permanente. Tiene la ventaja frente a la tacodinamo que no utiliza colector y escobillas, lo que le dota de mayor duración. Además tiene una sensibilidad comprendida entre los 2 y 10 mv por cada r.p.m. y permite la medida de mayores velocidades que los tacodinamos.
Figura 3: Dinámo tacométrica Sensores de fuerza Una fuerza/par se puede transducir principalmente de dos maneras; la primera es comparándola con otra conocida, por ejemplo en una balanza, y la segunda es aplicando la fuerza a un elemento elástico denominado célula de carga. En las células de carga eléctricas el efecto es una deformación que se medirá normalmente con galgas extensiométricas. Sensor de balanza: Simplemente lo que hacen es comparar la fuerza que se esta haciendo con otra de ya conocida. Para este tipo de sensores se utiliza normalmente un muelle, que según se va comprimiendo o estirando el muelle, va variando una resistencia que a su vez esta resistencia varia el voltaje (Ley de Ohm) que posteriormente lo recibirá el sensor. Sensor por células de carga: Estos sensores son placas que cambian unas resistencias internas cuando se les ejercen unos cambios de fuerzas. Esto conlleva un cambio de voltaje y esta información la recibe el sensor. Figura 4: Sensor por células de carga Sensores de presión Estos sensores son utilizados principalmente en procesos que involucran gases y líquidos, los instrumentos de medición se clasifican en tres grupos: mecánicos, electromecánicos, y electrónicos. El más utilizado sin duda es el manómetro. El manómetro es un instrumento de medición que sirve para medir la presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados, su funcionamiento es sencillo. A través de un instrumento tal y como se ve en la figura 5 se comparan dos presiones, una la que queremos medir y otra de referencia para poder comparar. Con la diferencia de presiones se mueve un líquido que contiene el instrumento que mediante una escala podemos determinar la presión a la que esta sometido.
Figura 5: Manómetro Sensores de caudal El principal sensor de caudal es el que se denomina de turbina. Consiste en un tubo donde dentro hay un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. Según pase más fluido el caudal aumenta por lo que el sensor se activara y cuando la velocidad del rotor disminuya de nuevo hasta el punto que queramos, el sensor de desactivara. Figura 6: Sensor de caudal de turbina Sensores de temperatura Dentro de los sensores empleados para la medida de la temperatura estudiaremos tres tipos: están los basados en resistencias térmicas, los bimetales y los termopares. Resistencias térmicas: básicamente son un enrollamientos de hilo muy fino del conductor entre capas de material aislante, estos son colocados dentro de distintos encapsulados no conductores como el vidrio o la cerámica. El principio de funcionamiento es la variación de su resistencia expresada en ohmios por cada grado que cambia la temperatura.
Figura 7: Resistencia térmica Bimetales: son dos metales con diferente coeficiente de dilatación térmica unidos fuertemente. Su funcionamiento consiste en exponerlos a cambios de temperatura, de tal manera que los metales se expanden o contraen de manera que forman un arco uniforme. Midiendo el radio de la curvatura de este arco es posible determinar la temperatura. Figura 8: Bimetal Termopar: este sensor se basa en el efecto de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes, cuyas uniones se mantienen a distinta temperatura (unidos en un extremo y abierto en el otro), producen un pequeño y único voltaje según la temperatura. Figura 9: Termopar Sensores de Luz Un sensor de luz es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor de la luz generada por el emisor. Están diseñados especialmente para la detección, clasificación y posicionado de objetos, la detección de formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas. Los sensores de luz se usan para detectar el nivel de luz y producir una señal de salida representativa respecto a la cantidad de luz detectada. Un sensor de luz incluye un transductor fotoeléctrico para convertir la luz a una señal eléctrica y puede incluir electrónica para condicionamiento de la señal, compensación y formateo de la señal de salida.
Figura 10: Sensor de luz Bibliografia Wikipedia LVDT Sensor de luz Sensores