sensores.
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Este material, fue obtenido de Sensores y Acondicionadores de señal. R. Pallás Areny, Ed. Alfaomega Marcombo, 3ra Edición, organizado y resumido, sin ningún ánimo de lucro. Se reservan todos los derechos de su respectivo autor. SENSORES Las aplicaciones de la electrónica, presentes actualmente en innumerables aspectos de nuestra vida cotidiana, no serían posibles sin los sensores. Sin la capacidad que éstos ofrecen de medir las magnitudes físicas o químicas para su conocimiento o control, muchos de los dispositivos electrónicos no serían más que posibles curiosidades de laboratorio. La utilización de sensores es indispensable en la automatización de industrias de proceso y manufacturados, incluidas la robótica, en ingeniería experimental, en sectores no productivos como son el ahorro energético y el control ambiental (aire, ruido, calidad del agua), en automóviles y electrodomésticos, en la agricultura y medicina, incorporan internamente para su funcionamiento correcto varios sensores. CONCEPTOS GENERALES Se denomina transductor, en general, a todo dispositivo que convierte una señal de una forma física en una señal correspondiente pero de otra forma física distinta. Es, por lo tanto, un dispositivo que convierte un tipo de energía en otro. Dado que hay seis tipos de variables: mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas, ópticas y moleculares (químicas)-Anexo-, cualquier dispositivo que convierta una señal de un tipo en una señal de otro tipo debería considerarse un transductor, y la señal de salida podría ser de cualquier forma física "útil". “Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas” -Wikipedia TIPOS DE SENSORES. El número de sensores disponibles para las distintas magnitudes físicas es tan elevado que no se puede proceder racionalmente a su estudio sin clasificarlos previamente de acuerdo con algún criterio. Existen diversos criterios adicionales a los que se expondrán aquí. Clasificación atendiendo al aporte de energía. Según el aporte de energía, los sensores se pueden dividir en moduladores y generadores. En los sensores moduladores o activos, la energía de la señal de salida procede, en su mayor parte, de una fuente de energía auxiliar. La entrada sólo controla la salida. En los sensores generadores o pasivos, en cambio, la energía de salida es suministrada por la entrada. Los sensores moduladores requieren en general más hilos que los generadores, ya que la energía de alimentación suele suministrarse mediante hilos distintos a los empleados para la señal. Además, esta presencia de energía auxiliar puede crear un peligro de explosiones en algunos ambientes. Por contra, su sensibilidad se puede modificar a través de la señal de alimentación, lo que no permiten los sensores generadores. La designación de activos y pasivos es empleada con significado opuesto al aquí dado, en algunos textos. Clasificación según la señal de salida. Según la señal de salida, los sensores se clasifican en analógicos, digitales y todo-nada. En los analógicos la salida varía, a nivel macroscópico, de forma continua. La información está en la amplitud, si bien se suelen incluir en este grupo los sensores con salida en el dominio temporal. Si es en forma de frecuencia, se denominan, a veces, "casidigitales", por la facilidad con que se puede convertir en una salida digital. En los sensores digitales, la salida varía en forma de saltos o pasos discretos. No requieren conversión A/D y la transmisión de su salida es más fácil. Tienen también mayor fidelidad y mayor fiabilidad, y muchas veces mayor exactitud, pero lamentablemente no hay modelos digitales para muchas de las magnitudes físicas de mayor interés. Los sensores todo-nada son aquellos que únicamente poseen dos estados, los cuales están separados por un valor umbral de la variable detectada. Clasificación atendiendo al modo de funcionamiento. Atendiendo al modo de funcionamiento, los sensores pueden ser de deflexión o de comparación. En los sensores que funcionan por deflexión, la magnitud medida produce algún efecto físico, que engendra algún efecto similar, pero opuesto, en alguna parte del instrumento, y que está relacionado con alguna variable útil. En los sensores que funcionan por comparación, se intenta mantener nula la deflexión mediante la aplicación de un efecto bien conocido, opuesto al generado por la magnitud a medir. Hay un detector del desequilibrio y un medio para restablecerlo. Clasificación según el tipo de relación E/S. Según el tipo de relación entrada-salida, los sensores pueden ser de orden cero, de primer orden, de segundo orden o de orden superior. El orden está relacionado con el número de elementos almacenadores de energía independientes que incluye el sensor, y repercute en su exactitud y velocidad de respuesta. Esta clasificación es de gran importancia cuando el sensor forma parte de un sistema de control en lazo cerrado. Clasificación atendiendo a la magnitud medida. Para el estudio de un gran número de sensores se suele acudir a su clasificación de acuerdo con la magnitud medida. Se habla, en consecuencia, de sensores de temperatura, presión, caudal, humedad, posición, velocidad, aceleración, fuerza, par, etc. Sin embargo, esta clasificación difícilmente puede ser exhaustiva ya que la cantidad de magnitudes que se pueden medir es prácticamente inagotable. Piénsese, por ejemplo, en la variedad de contaminantes químicos en el aire o en el agua, o en la cantidad de proteínas diferentes que hay en el cuerpo humano y que interesa detectar. Clasificación atendiendo al parámetro variable. Es atractiva la clasificación de los sensores de acuerdo con el parámetro variable: resistencia, capacidad, inductancia, añadiendo luego los sensores generadores de tensión, carga o corriente, y otros tipos no incluidos en los anteriores grupos. Si bien este tipo de clasificación es poco frecuente, permite reducir el número de grupos a unos pocos y se presta bien al estudio de los acondicionadores de señal asociados. En el cuadro 1 se recogen varios criterios de clasificación y se dan ejemplos de sensores de cada clase. Cualquiera de estas clasificaciones es exhaustiva, y cada una tiene interés particular para diferentes situaciones de medida. MÉTODOS DE DETECCIÓN. Los sensores se basan en fenómenos físicos o químicos y en materiales donde dichos fenómenos se manifiestan de una forma útil. Los fenómenos pueden ser relativos al material en sí o a su disposición geométrica, y muchos de ellos son conocidos desde hace mucho tiempo. Las mayores novedades en sensores se deben al descubrimiento de nuevos materiales, de formas de prepararlos, o ambas cosas. A continuación se describe brevemente los métodos de detección más utilizados: Potenciómetros Un potenciómetro consiste en un elemento resistivo y un contacto móvil deslizante o giratorio que puede posicionarse en cualquier lugar a lo largo del elemento. Galga extensométricas Se basan en la variación de la resistencia de un conductor o un semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico. RTD detector de temperatura resistivo Sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Al calentarse un metal generalmente platino habrá una mayor agitación térmica, dispersándose más los electrones y reduciéndose su velocidad media, aumentando la resistencia. A mayor temperatura, mayor agitación, y mayor resistencia. Termistor El funcionamiento se basa en la variación de la resistencia de un semiconductor con respecto a la temperatura de los alrededores, debido a la variación de la concentración de portadores. Para los termistores NTC, al aumentar la temperatura, aumentará también la concentración de portadores, por lo que la resistencia será menor, de ahí que el coeficiente sea negativo. Magnetorresistencias Si se aplica un campo magnético a un conductor por el cual circula una corriente eléctrica, hay una reducción de la corriente al ser desviado algunos electrones de su trayectoria, la magnetorresistencia es la propiedad que tienen ciertos materiales de variar su resistencia eléctrica cuando son sometidas a un campo magnético. Fotorresistencia LDR Se basa en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor (sulfuro de cadmio, CdS.) cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuya sigla, LDR, se originan de su nombre en inglés light-dependent resistor Termopar Formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia. El transformador diferencial de variación lineal LVDT según sus siglas en inglés, se basa en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de dos secundarios al desplazarse a lo largo de su interior un núcleo de material ferromagnético, arrastrado por un vástago no ferromagnético, unido a la pieza cuyo movimiento se desea medir. En el cuadro 2 se recogen los sensores y métodos de detección ordinarios para las magnitudes más frecuentes. SENSORES INTELIGENTES En el control de procesos se ha pasado, desde el control centralizado al control distribuido. Los avances en el conocimiento del silicio y otros semiconductores, y en tecnologías de fabricación de microcircuitos, ha permitido integrar cada vez más funciones en una misma oblea o en microcircuitos con un soporte común. Esto ha llevado a sensores que realizan funciones adicionales a la mera obtención de una señal a partir de una magnitud física, y así facilitan el control distribuido. Estos sensores se denominan, genéricamente, sensores inteligentes. El procesador digital conectado a varios de ellos combina sus salidas para obtener la información o respuesta deseada, ampliando las posibilidades de realizar medidas indirectas. El motor de todos estos cambios ha sido en gran parte el microprocesador (µP). Los µP avanzados, con velocidad creciente año tras año, los µP especializados para el procesamiento de señales (DSP, digital signal processors) y para control e interfaz con señales analógicas (µC, microcontroladores), son el núcleo de los sistemas de medidas actuales. La evolución de los sensores y acondicionadores de señal no es ajena en lo absoluto a todos estos cambios. La tendencia clara es hacia sensores con salida digital o casi digital, y dado que hay pocos sensores de este tipo, la digitalización inmediata, mediante µC, es la siguiente opción a tener en cuenta. Un sensor inteligente es el que combina la función de detección y alguna de las funciones de procesado de señal y comunicación. Estas funciones suelen realizarse por un µP, por ello, a cualquier combinación sensor-µP se le denomina sensor inteligente. Un sensor inteligente posee una amplia gama de funciones además de las de transducción, entre ellas podemos reseñar: a) Acondicionamiento de señal b) Correcciones de cero, ganancia y linealidad c) Compensación ambiental (temperatura, humedad) d) Escalado e) Conversión de unidades f) Comunicación digital g) Autodiagnóstico h) Detección y acción sobre el sistema al que se conecta. Por ello los sensores inteligentes incorporan al menos algún algoritmo de control (PID, PD), memoria y capacidad de comunicación digital. La repercusión de un sensor inteligente en un sistema electrónico de medida y control es que reduce la carga sobre controladores lógicos programables, tales como PLC, o PC, aparte de aumentar la fiabilidad del sistema. ANEXO Las variables o señales a medir en instrumentación son: Variables mecánicas. Longitud, área, volumen, flujo másico, fuerza, torque, presión, velocidad, aceleración, posición, longitud de onda acústica, intensidad acústica, etc. Variables térmicas. Temperatura, calor, entropía, flujo calórico, etc. Variables magnéticas. Intensidad de campo, densidad de flujo momento magnético, permeabilidad, etc. Variables eléctricas. Voltaje, corriente, carga, resistencia, inductancia, capacitancia, constante dieléctrica, polarización, campo eléctrico, frecuencia, momento bipolar, etc. Variables ópticas. Intensidad, longitud de onda, polarización, fase, reflectancia, transmitancia, índice de refracción, etc. Variables químicas o moleculares. Composición, concentración, potencial redox, velocidad de reacción, pH, olor, etc. Cuadro 1. Clasificaciones de los sensores. Clases Ejemplos Moduladores Termistor Generadores Termopar Analógicos Potenciómetro Señal de salida Digitales Codificador de posición Todo o nada Célula fotoeléctrica De deflexión Acelerómetro de deflexión Modo de operación De comparación Servoacelerómetro Orden cero Potenciómetro Relación E/S Primer orden Termostato Segundo orden Acelerómetro piezoeléctrico Orden superior Sistema masa- resorte Resolvers Magnitud física a medir Posición lineal o angular Desplazamiento o deformación Condensador diferencial Velocidad lineal o angular Tacogenerador, encoders Aceleración Galga + masa resorte Fuerza y par Galga extensiométrica Presión Tubo Bourdon + Potenciómetro Caudal Anemómetro Temperatura Resistencias NTC, PTC Presencia o proximidad Ultrasonidos Táctiles Matriz de contactos Intensidad lumínica Fotodiodo, fototransistor Sistemas de visión artificial Cámaras CCD Criterio Aporte de energía Parámetro variable Resistivos Capacitivos Inductivos y electromagnéticos Generadores Digitales Uniones p-n Ultrasonidos Galga Dieléctrico variable LVT Piroeléctricos Vórtices Fotoeléctricos Efecto Doppler Cuadro 2. Cuadro 2. Sensores y métodos de detección ordinarios para las magnitudes más frecuentes. Sensores Posición Distancia Desplazamiento Resistivos Potenciómetros Galgas Magnetoresistencias Capacitivos Condensador Diferencial Inductivos y ElectroMagnéticos LVDT Corrientes Foucault Resolver Efecto Hall Velocidad Aceleración Vibración Temperatura Galgas + masa-resorte RTD Termistores Ley Faraday LVT Efecto Hall Corrientes Foucault LVDT + masa-resorte Piezoeléctrico + masa resorte Codificadores incrementales y Absolutos Uniones p-n Fotoeléctricos Ultrasonidos Reflexión Potenciómetro s + tubo Bourdon Caudal Flujo Nivel Fuerza Humedad Anemómetros de hilo caliente Galgas+Voladizo Termistores Potenciómetro + flotador Galgas Humistor Condensador Variable Galgas capacitivas Dieléctrico variable LVDT + flotador Corrientes Foucault Magnetoelástico LVDT + célula carga Condensador variable + diafragma Generadores Digitales Magnitudes Presión Codificador es incremental es LVDT +diafragma Reluctancia Variable +diafragma Termopares Piroeléctricos Piezoeléctricos Osciladores de cuarzo Codificador + tubo Bourdon LVDT + rotámetro Ley Faraday Piezoeléctri cos Vórtices Diodo Transistor Convertidores T/I Efecto Doppler SAW Fotoeléctricos Efecto Doppler Tiempo tránsito Vórtices Reflexión Absorción