INSTRUMENTACIÓN Tema 2: Sensores 1 Tema 2. Sensores • • • • • • • Sensores primarios S Sensores resistivos i ti Sensores capacitivos Sensores inductivos y electromagnéticos Sensores generadores Sensores digitales Otros tipos de sensores 2 1 Sensores primarios 3 Sensores primarios Recordemos lo que representan: SISTEMA física Magnitud eléctrica Magnitud relacionada Magnitud SENSOR SENSOR PRIMARIO • • convierten una magnitud física en otra más fácil de medir por un sensor no ofrecen una salida en forma de señal eléctrica 4 2 Sensores primarios SENSORES PRIMARIOS (según la magnitud de entrada que detectan): • de temperatura: • • • • de caudal: • de presión: • • • bimetales • • manómetro tubo Bourdon diafragma de fuerza y par de nivel • • • • • tubo de Pitot caudalímetros de obstrucción rotámetros o caudalímetros de área variable caudalímetros de turbina caudalímetros térmicos caudalímetros de desplazamiento positivo vertederos de aforo 5 Sensores primarios de temperatura: bimetales Bimetal: pieza formada por 2 metales con distinto coeficiente de dilatación térmica unidos firmemente, por ejemplo, mediante soldadura ld d autógena tó y sometidos tid a la l misma i temperatura. t t Cuando se produce un cambio de T, la pieza se deforma según un arco circular uniforme. r≈ 2e 3(α A − α B )(T2 − T1 ) 6 3 Sensores primarios de temperatura: bimetales Uso como sensor primario: Temperatura BIMETAL Desplazamiento SENSOR Magnitud eléctrica Características: • respuesta lenta Otros usos: • actuadores para abrir o cerrar contactos (termostatos) • como protección en circuitos eléctricos (interruptores térmicos por bimetal) 7 Sensores primarios de temperatura: bimetales Uso como sensor completo: Termómetros bimétalicos. Constan de dos láminas de metal pegadas, con diferentes coeficientes de dilatación térmica. Cuando se somete la lámina bimetálica a un cambio de temperatura, la dilatación diferencial provoca una flexión del conjunto en forma de arco circular. Basado en este sistema mecánico Bourdon Española suministra los modelos TBM y TBO, atendiendo a la posibilidad de orientar la esfera. 8 4 Sensores primarios de presión Sensores primarios de presión: – manómetro – tubo t b Bourdon B d – diafragma Pr esión = Fuerza Superficie La medida de presiones en líquidos o gases es frecuente en control de procesos Para medir la presión se procede bien a su comparación con otra fuerza conocida conocida, bien a la detección de su efecto sobre un elemento elástico (deflexión) 9 Sensores primarios de presión: Manómetro Manómetro de columna de líquido h= p1 − p ref ρ⋅g Presión Manómetro Desplazamiento 10 5 Sensores primarios de presión: Tubo Bourdon Tubo Bourdon - tubo metálico de sección transversal no circular, que tiende a recuperar dicha forma cuando se aplica una diferencia de presión entre el interior y el exterior (La diferencia de presiones provoca una deformación) Presión Tubo Bourdon Desplazamiento 11 Sensores primarios de presión: Tubo Bourdon - mejoras: - en espiral y helicoidal 12 6 Sensores primarios de presión: Tubo Bourdon - Características: - lineal para desplazamientos muy pequeños - se usa para altas presiones 13 Sensores primarios de presión: Tubo Bourdon - Uso como sensor completo: Manómetro Tubo Bourdon. Consiste en un tubo en forma de "C" que dibuja un anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aplicar la presión al terminal abierto,, el tubo tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora. 14 7 Sensores primarios de presión: Diafragma - Diafragma: Placa circular flexible que se deforma debido a la diferencia de presiones entre sus dos caras Presión Diafragma Desplazamiento o Deformación - Se mide el desplazamiento del punto central del diafragma o su deformación . - Para medir bajas presiones 15 Sensores primarios de caudal - Caudal: cantidad de materia, en peso o volumen, que fluye por unidad de tiempo. - Las medidas de caudal están presentes en todos los procesos de transporte de materia y energía mediante fluidos, para controlar el proceso, como indicación o para determinar tarifas (agua, gas, gasolina..) • Sensores primarios de caudal: • tubo de Pitot • caudalímetros de obstrucción • rotámetros o caudalímetros de área variable • caudalímetros de turbina • caudalímetros térmicos • caudalímetros de desplazamiento positivo • vertederos de aforo 16 8 Sensores primarios de fuerza y par - Convierten la fuerza o el par en un desplazamiento, midiendo el efecto de una fuerza sobre un elemento elástico (célula de carga) Fuerza o Par Célula de carga Desplazamiento 17 Sensores primarios de nivel - Basados en flotador 18 9 Sensores primarios de nivel - de presión diferencial 19 Bibliografía del tema 2, relativa a los sensores primarios: Capítulo 1 del libro:“Sensores y acondicionadores de señal", Ramón Pallas Areny. 20 10 Tema 2. Sensores • Sensores primarios Æ su salida no es eléctrica • • • • • • Sensores resistivos Sensores capacitivos Sensores inductivos y electromagnéticos Sensores generadores Sensores digitales Otros tipos de sensores Æ su salida sí es una señal eléctrica 21 Sensores Información relevante de cada sensor: – – – – – – – – – – – – – NOMBRE PARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLE MAGNITUD MEDIDA FOTO / SÍMBOLO FUNDAMENTO FÍSICO (FUNCIONAMIENTO) MATERIAL QUE LO COMPONE MODELO O ECUACIÓN DEL SENSOR TIPO DE SALIDA (ANALÓGICA O DIGITAL) TIPO DE COMPORTAMIENTO (LINEAL O NO LINEAL) VENTAJAS LIMITACIONES APLICACIONES CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO 22 11 Sensores resistivos 23 Sensores resistivos SENSORES RESISTIVOS se basan en la variación de la resistencia de un elemento a consecuencia de la variación de la magnitud a medir. 24 12 Sensores resistivos SENSORES RESISTIVOS, tipos: – – – – – – – – Potenciómetros P t ió t Galgas Extensiométricas Detectores de temperatura resistivos (RTD) Termistores Magnetorresistencias Fotorresistencias Higrómetros resistivos Resistencias semiconductoras para detección de gases 25 Sensores resistivos Ejemplo de estudio de un sensor resistivo: – Fotorresistencias 26 13 Sensor: fotorresistencia (LDR) Información relevante que vamos a detallar de la LDR: – – – – – – – – – – – – – NOMBRE PARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLE MAGNITUD MEDIDA FOTO / SÍMBOLO FUNDAMENTO FÍSICO (FUNCIONAMIENTO) MATERIAL QUE LO COMPONE MODELO O ECUACIÓN DEL SENSOR TIPO DE SALIDA (ANALÓGICA O DIGITAL) TIPO DE COMPORTAMIENTO (LINEAL O NO LINEAL) VENTAJAS LIMITACIONES APLICACIONES CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO 27 Fotorresistencias (LDR ) NOMBRE: fotorresistencia, fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuya siglas (LDR) se originan de su nombre en inglés light-dependent resistor PARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLE: resistencia eléctrica (R) MAGNITUD MEDIDA: nivel de iluminación (densidad superficial de energía recibida expresada en lux) 1 lux = 1lumen /m² 28 14 Fotorresistencias (LDR ) FOTO: FOTO: SÍMBOLO: 29 Fotorresistencias (LDR ) FUNDAMENTO FÍSICO: Las fotorresistencias se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda entre 1mm y 10nm). si ↑luz → ↓RLDR (cientos de Ω) si ↓luz → ↑RLDR (>10MΩ) su fundamento físico es el efecto fotoeléctrico interno. 30 15 Fotorresistencias (LDR ) FUNDAMENTO FÍSICO: efecto fotoeléctrico interno La conductividad eléctrica en un material depende del número de portadores en la banda de conducción. En un semiconductor, a la baja temperatura la mayor parte de sus electrones están en la banda de valencia, y se comporta caso como aislante. Pero al aumentar la temperatura, y con ella la agitación de los electrones, dado que las bandas de valencia y de conducción están próximas (a diferencia de lo que sucede en un aislante), cada vez hay más electrones que saltan de la banda de valencia a la de conducción, aumentando la conductividad. Si el semiconductor está dopado, este salto es aún más fácil. La energía necesaria para producir el salto puede venir de otras fuentes externas además del calor, calor como puede ser una radiación óptica o una tensión eléctrica. eléctrica En el caso de la radiación, si ésta tiene energía suficiente para permitir el salto de los electrones de una a otra banda, pero sin exceder el umbral necesario para que se desprendan del material, se tendrá efecto fotoeléctrico interno o fotoconductor, y a mayor iluminación mayor será la conductividad. Si se excediera dicho umbral, se tendría efecto fotoeléctrico externo. 31 Fotorresistencias (LDR ) FUNDAMENTO FÍSICO: efecto fotoeléctrico interno - - - - - - B. Conducción B V Valencia l i - - - - B. - - - 32 16 Fotorresistencias (LDR ) MATERIAL QUE LO COMPONE: Materiales semiconductores como el sulfuro de cadmio (CdS). 33 Fotorresistencias (LDR ) MODELO: R = A·E −α R = resistencia eléctrica E = densidad superficial de energía recibida (lux) A y α = constantes dependientes de material sm 34 17 Fotorresistencias (LDR ) TIPO DE SALIDA: ANALÓGICA TIPO DE COMPORTAMIENTO: NO LINEAL 35 Fotorresistencias (LDR ) VENTAJAS: -gran sensibilidad -bajo coste 36 18 Fotorresistencias (LDR ) LIMITACIONES: - respuesta espectral estrecha (se debe elegir un sensor específico en función de la longitud de onda que se quiere detectar) - comportamiento muy no lineal 37 Fotorresistencias (LDR ) APLICACIONES: Medidas de luz con poca precisión y bajo coste: •control de diafragma en cámaras fotográficas •detección de fuego •sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles en función de la luz ambiente 38 19 Fotorresistencias (LDR ) CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO: DIVISOR DE TENSIÓN 39 Fotorresistencias (LDR ) CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO: DIVISOR DE TENSIÓN + COMPARADOR Vref 40 20 Fotorresistencias (LDR ) CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO: DIVISOR DE TENSIÓN + DISPARADOR Schmitt S h itt 41 Fotorresistencias (LDR ) CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO: DIVISOR DE TENSIÓN + SEGUIDOR 42 21 Fotorresistencias (LDR ) EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR LDR EN UN ROBOT MOVIL: Más información: Web sobre Moway: http://coolab.umh.es/moway_web/moway.html Video del hormiguero: http://www.youtube.com/watch?v=R8cEn8zLWAw 43 Sensores de d reactancia i variable: i bl 2 tipos: sensores capacitivos sensores inductivos 44 22 Sensores capacitivos SENSORES CAPACITIVOS CAPACITIVOS, tipos: ti – Condensador variable – Condensador diferencial 45 Condensador variable NOMBRE: condensador variable, capacitor o capacitancia variable PARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLE: Capacidad eléctrica (C) MAGNITUD MEDIDA: El cambio en la capacidad eléctrica puede ser producido por un cambio en la constante dieléctrica del material o en la geometría del condensador. • • Por ello, son magnitudes medibles: desplazamientos lineales y angulares presión, fuerza, par y aceleración 46 23 Condensador variable FOTO: SÍMBOLO: 47 Condensador variable FUNDAMENTO FÍSICO: Cualquier fenómeno o magnitud que produzca una variación de ε, A o d provocará un cambio en C que será detectado en un circuito (I,V). 48 24 Condensador variable FUNDAMENTO FÍSICO: Ejemplo de condensador variable debido a un cambio en la constante dieléctrica: 49 Condensador variable FUNDAMENTO FÍSICO: Ejemplos j p de condensadores variables debidos a cambios en su g geometría: l x placa fija placa móvil w A x ε1 d ε2 x Cx = εA x Cx = ε (A - wx ) d ε w C x = o [ε 2l - (ε 2 - ε1) x ] d 50 25 Condensador variable FUNDAMENTO FÍSICO: Ejemplos de condensadores variables debidos a cambios en su geometría y/o su constante dieléctrica: 51 Condensador variable FUNDAMENTO FÍSICO: Geometrías básicas de condensadores: CILÍNDRICO DIFERENCIAL Dieléctrico PLANO C= εA d C1 = εA d-x C2 = εA d+x C= 2π εh r2 ln r1 52 26 Condensador diferencial Consiste en dos condensadores variables dispuestos de tal modo que experimenten el mismo cambio pero en sentidos opuestos: C2 C1 C2 = εA d+x C1 = εA d-x x d-x d+x Su p principal p ventaja j es q que mediante un acondicionamiento adecuado de la señal de salida, se logra que ésta sea lineal. Por ejemplo, restando las tensiones de cada uno de los condensadores variables C1 y C2. Æ ver en pizarra 53 Sensores capacitivos MATERIALES QUE LOS COMPONEN: Múltiples materiales. En general, son 2 placas conductoras separadas por un material dieléctrico. 54 27 Sensores capacitivos MODELO del CONDENSADOR VARIABLE: MODELO del CONDENSADOR DIFERENCIAL: C2 C1 C2 = εA d+x C1 = εA d-x x d-x d+x 55 Sensores capacitivos TIPO DE SALIDA: ANALÓGICA TIPO DE COMPORTAMIENTO: Puede ser lineal, según la magnitud medida y el circuito de acondicionamiento utilizado junto con el sensor. 56 28 Sensores capacitivos VENTAJAS: - Puede utilizarse para medir diferentes tipos de magnitudes. - Múltiples aplicaciones: medidores de desplazamientos, detectores de presencia y proximidad, acelerómetros: activación del sistema airbag, detección de movimiento, etc. - Bajo coste 57 Sensores capacitivos APLICACIONES: - Medida de desplazamientos lineales y angulares - Detectores de proximidad: detectan metales y dieléctricos como papel, madera, vidrio y plástico - Medidas de presión, fuerza, par y aceleración. 58 29 Sensores capacitivos CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO: Puente de Wheastone en AC En el puente (a) la salida varía de forma no lineal con x. Pero si se trata de un sensor diferencial y se ponen sus dos impedancias en brazos adyacentes (puente (b)), entonces hay proporcionalidad entre VS y x. Además, en la configuración de puente (b) las interferencias térmicas y de otros tipos, que afectan por igual en los dos brazos, se anulan. Esta es una de las razones de que los puentes de alterna sean el método de medida habitual para sensores diferenciales. 59 Sensores capacitivos EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Detectores de proximidad capacitivos 60 30 Sensores capacitivos EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote Detección de movimiento en el espacio con el wiimote: El mando de la Wii ((wiimote)) tiene la capacidad p de detectar la aceleración a lo largo g de tres ejes j mediante la utilización de un acelerómetro ADXL330. acelerómetro ADXL330. Wiimote. 61 Sensores capacitivos EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote ¿Qué es el ADLX330? El sensor ADXL330 es un acelerómetro completo de tres ejes acondicionado con salidas de voltaje de señal, todo montado en un CI monolítico. El rango del sensor es de ±3g . Se puede medir la aceleración de la gravedad estática en las aplicaciones de detección de inclinación, así como la aceleración dinámica resultante de movimiento, choque o vibraciones. Se trata de un acelerómetro tipo MEMS basado en un sensor capacitivo diferencial. MEMS (Microelectromechanical Systems) se refiere a la tecnología electromecánica, micrométrica y sus productos. El silicio es el material utilizado para crear la mayoría de los circuitos integrados y por tanto también los sensores tipo MEMs. 62 31 Sensores capacitivos EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote ¿Qué es el ADLX330? aceleración Celda unitaria C1 < C2 Capacidades C1 y C2 F = k⋅x F = m·a a= k x m 63 Sensores capacitivos EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote ¿Qué es el ADLX330? 64 32 Sensores capacitivos EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote Otro sensor tipo MEMs basado en sensor capacitivo diferencias: giroscopio IDG-300. 65 Sensores capacitivos EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote 66 33 Sensores capacitivos EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO: iPhone Detección de movimiento en el espacio en un móvil: Los teléfonos inteligentes ((iPhone,, Blackberryy Storm)) utilizan acelerómetros p para detectar cuándo la p pantalla g gira de la orientación “retrato” a la posición “paisaje”. Además de facilitar otras aplicaciones, como reordenar una lista al sacudirlo, por ejemplo. 67 Sensores capacitivos EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO: iPhone Detección de movimiento en el espacio en un móvil. Disposición de acelerómetros en el iPhone. Acelerómetro MEMS del iPhone: LIS302DL 68 34 Sensores inductivos SENSORES INDUCTIVOS INDUCTIVOS, tipos: ti – Basados en una variación de reluctancia – Basados en corrientes de Foucault – Basados en un cambio de M (LVDT y trafos variables) 69 Sensores electromagnéticos l é i 70 35 Sensores electromagnéticos SENSORES ELECTROMAGNÉTICOS • Definición: S Sensores en llos que una magnitud it d física fí i puede d producir d i una alteración de un campo magnético o de un campo eléctrico, sin que se trate de un cambio de inductancia o de capacidad. • Tipos: • Sensores basados en la ley de Faraday • Sensores basados en el efecto Hall 71 Sensores generadores 72 36 Sensores generadores SENSORES GENERADORES • Definición: Sensores generadores son aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica. • Tipos: • Sensores termoeléctricos: termopares • Sensores piezoeléctricos • Sensores piroeléctricos • Sensores fotovoltaicos • Sensores electroquímicos 73 Sensores digitales 74 37 Sensores digitales SENSORES DIGITALES • Definición: - Ofrecen Of lla medida did codificada difi d en un nºº determinado d t i d de d bits bit - Ofrecen una señal de valores discretos • Tipos: • Codificadores de posición • Incrementales • Absolutos • Sensores autorresonantes 75 Bibliografía “Sensores y acondicionadores de señal", Ramón Pallas Areny, Ed. Marcombo, 2007. Capítulos 2-8 Otra bibliografía complementaria: Electrónica",, Pérez et al. - Libro: “ Instrumentación Electrónica - Revista Investigación y Ciencia, Mayo 2009 - Diversas fuentes de internet 76 38