1.3. Mediciones básicas de parámetros ópticos, acústicos y de calor

1.3. Mediciones básicas de parámetros ópticos, acústicos y de calor.
1.3.1.
Parámetros.
1.3.2.
Sensores Ópticos.
En los sensores optoelectrónicos, los componentes fotoeléctricos
emisores se utilizan para crear emisión de luz y los componentes
fotoeléctricos receptores para recibir estas emisiones.
Los componentes emisores más frecuentemente utilizados son los
diodos luminiscentes, conocidos también como LED ( Light Emitting
Dioses / diodos emisores de luz). Para aplicaciones especiales, también
se utilizan diodos de láser.
Como elementos receptores, generalmente se utilizan fotodiodos o
fototransistores. Adicionalmente, las
fotorresistencias tienen también
alguna importancia, por ejemplo
en medidores de exposición
fotoeléctricos.
Los diodos luminiscentes ( LED) son diodos semiconductores que
emiten rayos de luz cuando son atravesados por una corriente
eléctrica. Dependiendo de la composición del material semiconductor,
se crean rayos de luz de diferentes longitudes de onda.
Material
Arseniuro de galio
Galio aluminio
Galio aluminio
Arseniuro de Galio
Arseniuro de Galio
Arseniuro de Galio
Color
Longitud de Onda ( nm)
rojo
950
rojo
880
rojo
660
rojo
660
rojo
635
amarillo
590
En sensores, se utilizan principalmente diodos luminiscentes en la
zona espectral del rojo y del infrarrojo, puesto que ello produce una
buena adaptación a la sensibilidad de los fotodiodos cuando reciben
las emisiones de luz.
Símbolo del LED.
Los diodos luminiscentes
representan un ancho de espectro
relativamente pequeño de la luz emitida, que está generalmente entre
30 nm hasta 140 nm ( amplitud media del espectro ).
La luz modulada aumenta la gama de detección mientras que reduce el
efecto de la luz ambiente. La luz modulada se pulsa en una frecuencia
específica entre 5 y 30 KHz. El sensor fotoeléctrico puede distinguir la luz
modulada de la luz ambiente. Las fuentes de luz usadas por estos sensores
se extienden en el espectro ligero de verde visible al infrarrojo invisible.
Los diodos luminiscentes tiene una característica de tensión en sentido
directo que se distingue por un incremento de la corriente a partir de
un determinado umbral de tensión. La estabilidad de la corriente
directa se consigue con la ayuda de una resistencia en serie.
Fuente: http://letsmakerobots.com
Fotodiodos.
Los fotodiodos son componentes semiconductores que están basados en
el
principio de los cristales simples de silicio o germanio. Están
construidos de la misma forma de los diodos semiconductores normales
y tienen una capa de barrera muy cerca de la superficie del cristal. Si el
diodo se expone a la emisión de luz, entonces los fotones que penetran
en el cristal ( quantum de radiación óptica) son absorbidos y se crean
pares portadores de carga eléctrica, es decir, se produce una
fotocorriente.
Símbolo del fotodiodo.
La figura siguiente muestra una curva característica de la sensibilidad
espectral en un fotodiodo de silicio. Una propiedad importante es el valor
máximo de la sensibilidad espectral, que en el caso de los diodos de
silicio se halla en la zona de los 600 nm y 1000 nm, dependiendo del
tipo. La sensibilidad de los fotodiodos de silicio en el espectro máximo es
típicamente de 0,5 A/W, es decir, con una recepción de luz emitida de 1
mW, se genera una fotocorriente de 0,5 mA.
La capacidad de respuesta R de un fotodiodo, es el cociente de la
fotocorriente I y de la potencia óptica radiante P, que choca con la
fotodiodo.
R=
I
P
Visto desde el modo de funcionamiento eléctrico, debe diferenciarse entre
el modo de funcionamiento polarizado y el modo de funcionamiento en
cortocircuito de un fotodiodo.
En el funcionamiento polarizado por tensión, como se muestra en la
siguiente figura (c), el fotodiodo funciona con una tensión inversa que se
halla típicamente dentro de un rango máximo de 10 V a 100 V.
Conmutación de un fotodiodo en funcionamiento polarizado por tensión.
VB = tensión de polarización.
D = Fotodiodo.
RW = Resistencia de trabajo.
I = Corriente Fotoeléctrica.
Por ello, la corriente inversa I del fotodiodos dentro de un cierto rango,
proporcional a la potencia de la emisión de luz que recibe el fotodiodo.
Por medio de este circuito, es posible conseguir unos tiempos de
reacción muy rápidos utilizando diodos PIN, que pueden alcanzar valores
del orden de 1 ns. Una aplicación importante es
de datos por medio de cables de fibra óptica.
la transmisión rápida
Si el fotodiodo se hace funcionar como indica la siguiente figura (a), se
asume que la impedancia interna Ri de la carga conectada al fotodiodo
es tan pequeña que funciona prácticamente en cortocircuito.
Conmutación de un fotodiodo en funcionamiento en cortocircuito.
I = Corriente fotoelectrica.
Ri = Impedancia interna.
No se necesita tensión adicional, el fotodiodo funciona como una fuente
de energía durante la exposición a la emisión de luz de forma
exactamente igual que una célula solar.
La característica de la corriente de cortocircuito I = I S es proporcional a la
potencia de la emisión de luz por varias decenas. La linealidad es
posible, dentro de los limites debidos a los ruidos del fotodiodo y la
máxima fotocorriente permisible. Este
comportamiento lineal es
frecuentemente utilizado en la tecnología de medición por sensores.
En la practica, se utiliza un circuito con un amplificador operacional como
indica la figura, en donde se utiliza el hecho que la tensión de entrada V i
es muy pequeña en relación con la tensión de salida Vo, puesto que el
factor de amplificación del amplificador operacional es muy grande.
Dado que la fotocorriente fluye casi enteramente a través de las
resistencias de realimentación Rw debido a la pequeña corriente de
entrada del amplificador operacional, se aplica lo siguiente a la tensión
de salida.
V O =R W⋅I
Fototransistores.
En el caso de un fototransistor, para el diodo colector-base se utiliza un
fotodiodo. Las características restantes corresponden a un transistor
normal. El método de funcionamiento de un fototransistor puede ilustrarse
como se muestra en la figura, combinando un solo fotodiodo y un
transistor.
Esquema del circuito equivalente mostrando un fototransistor.
Durante la exposición a la emisión de luz, se crea una fotocorriente I, que
forma la corriente de base del transistor. Si el transistor tiene una
amplificación de corriente B, entonces esto crea una corriente de colector
Ic=BxI y una caída de tensión Vr= BxRxI.
La sensibilidad del fototransistor es por lo tanto mayor que la del
fotodiodo por el factor B. Sin embrago, los fototransistores no poseen una
linealidad tan buena entre la exposición a la emisión de luz y la
fotocorriente. Para los sensores analógicos, la linealidad es un criterio
importante. Por otro lado, la linealidad no es importante para sensores de
conmutación digital, por lo que a menudo se utilizan fototransistores como
elementos receptores en barrera fotoeléctricas y demás sensores ópticos
de proximidad.
En comparación con los fotodiodos, los fototransistores tienen unos
tiempos de conmutación más largos, que , sin embargo, son adecuados
para los sensores ópticos de proximidad.
Fotorresistencias.
Las fotorresistencias son componentes pasivos, que cambian su
resistencia eléctrica bajo los efectos de los rayos de luz. Consisten
generalmente en cristales semiconductores. Los aislantes pueden incluso
cambiar su resistencia eléctrica bajo la influencia de la luz. En el caso de
los semiconductores, funcionan sin una capa de barrera y por lo tanto son
independientes del sentido de la corriente.
Hay fotorresistencia para varios rangos espectrales, desde la luz visible
hasta la zona de los infrarrojos con una longitud de onda de 10 m.
Las fotorresistencias de sulfuro de cadmio han hallado un amplio campo
de aplicaciones, por ejemplo: exposímetros de fotografía, para el control de
iluminación o calor. En una fotorresistencia de sulfuro de cadmio, la
resistencia R es inversamente proporcional a la exposición de luz “ E”.
Con la exposición, el sulfuro de cadmio no es conductor. Esta dependencia
puede expresarse mediante la relación.
R=C⋅E−Y
Donde “C “ e “ y “, son constantes.
Cuando se utilizan en sensores y dispositivos de medición, esta
dependencia no-lineal es una desventaja, por cuya razón, generalmente,
los fotoresistencias no se utilizan para mediciones analógicas de precisión.
Por otro lado, en el caso de longitudes de onda mayores de 2 μm en la
zona del infrarrojo, donde no se dispone de fotodiodos, predominan las
fotorresistencias, con materiales tales como el sulfuro de plomo, seleniuro
de plomo, antimoniuro de indio, arseniuro de indio o teleruro de mercuriocadmio. Las fotorresistencias de este tipo pueden hallarse en aplicaciones
como la termografía (registro de imágenes calientes, basado en los
diferentes grados de radiación del calor de los objetos).
Sensor Óptico Analógico Difuso.
Los sensores ópticos analógicos difusos pueden utilizarse para realizar
mediciones de distancias. Puesto que el
sensor es sensible al
comportamiento de las superficies reflectoras, también puede utilizarse
para la detección de contornos y texturas.
El sensor óptico analógico difuso consiste en tres partes principales, el
emisor, el receptor y el procesamiento electrónico de la señal. El emisor
es un diodo de luz infrarroja y el receptor un fotodiodo, que es activo en
la zona de infrarrojos. Utilizando un cable dual de fibra óptica, el
elemento sensor puede montarse libremente en las proximidades del
objeto a medir. La luz infrarroja se emite desde el emisor y se recibe
reflejada por el objeto en el receptor. La distancia de detección se halla
dentro del rango de 8 a 40 mm.
(fig 4/9)
Puesto que la emisión de luz se refleja menos si el objeto se halla lejos
que si se halla cerca, no hay una correlación lineal entre la distancia y
la señal recibida, pero, inversamente, la señal recibida disminuye a
medida que aumenta la distancia. No obstante, para mantener una curva
característica creciente dentro de un cierto margen de funcionamiento, el
sensor óptico difuso tiene una electrónica incorporada para la
linealización.
La electrónica del sensor corresponde al siguiente diagrama de bloques:
(fig 4/10)
Para evitar las interferencias durante la recepción de la señal, se
incorpora un circuito oscilador. El rayo de luz es modulado con una
frecuencia de 1 kHz y el receptor se enlaza a esta frecuencia por medio
de un puerta AND (&). Entonces la señal se amplifica y se transforma
para conseguir una característica lineal de detección. La etapa de salida
suministra una intensidad de corriente dentro de un rango nominal de 4 a
20 mA.
Zona de Conmutación.
Los sensores fotoeléctricos tienen una zona de la conmutación. La zona
de la conmutación se basa en el patrón y el diámetro de la luz emitida
desde el sensor. El receptor funcionará cuando un objeto e entra en esta
área.
La simbología
usada en los sensores fotoeléctricos, permiten la
identificación del sensor. Algunos símbolos son usados para indicar las
técnicas de escaneo del sensor, tales como sensores difusos,
retroreflectivos y de barrera.
Sensores de Barrera.
En los sensores fotoeléctricos de barrera, el objeto se interpone entre
el emisor de luz y el receptor. Si la luz no llega al receptor se produce
la acción de conmutación.
Sensor Reflectivo ( Réflex) o Retroreflectivo.
Los sensores reflectivos son aquellos cuando el emisor del haz
luminiscente y el receptor, están en la misma ubicación y un elemento
reflector se utiliza para reflejar la luz.
La conmutación del sensor se produce cuando el haz luminiscente es
interrumpido por un objeto ( target). La máxima distancia de sensado es
de 35 pies.
Sensor fotoeléctrico Difuso.
También en este sensor, el emisor y el receptor están en la misma unidad. La
luz del emisor ataca el objeto y la luz reflejada se difunde de la superficie hacia
todos los ángulos. Si el receptor recibe bastante luz reflejada cambia el estado
de salida del sensor. Cuando no se refleja ninguna luz hacia el receptor, el
estado de salida del sensor vuelve a su indicación original
Disposición y funcionamiento de la fibra óptica en los distintos sensores
Fotoeléctricos.
1.3.3.
Sensores Acústicos - Ultrasónicos.
En el sentido popular, el sonido es un fenómeno físico percibible con el
oído. Esta es la razón por la que inicialmente la acústica se relegó al
sonido audible. Una vez que se han desarrollado emisores y receptores
para sonido inaudible, ha sido posible extender los limites de aplicación
de la acustica.
El sonido se divide en categorías según la frecuencia de oscilación
generada:
•
•
•
•
Sonido audible: el limite inferior de la percepción humana es de
16 Hz y el limite superior fluctua entre 10 y 20 KHz.
Ultrasonico: el rango de frecuencias por encima de 20 KHz.
Infrasonido: las oscilaciones de frecuencia inferior a 16 Hz se
conocen como infrasonidos. Este tipo de ondas
sonoras se
producen, por ejemplo durante los terremotos y durante periodos
que van desde 10 a 50 segundos.
Hipersonido: las mayores frecuencias creadas hasta ahora entre
1010 Hz y 1013 Hz y se conocen como hipersonido. Los osciladores
elasticos de estado sólido dejan de vibrar a estas frecuencias.
Propagación del Sonido.
La propagación del sonido es el resultado de la propagación de largas
ondas mecánicas, que se manifiestan por una variación periódica de la
densidad del medio portador, que conduce a compresiones y dilataciones.
La propagación de las ondas de sonido depende del medio transmisor,
con lo que no es posible que se propague en el vacío. La velocidad de
propagación del sonido varía según los diferentes medios.
En materiales sólidos, la velocidad de propagación en materiales solidos
puede calcularse según la formula.
c=
√
E
ρ
En líquidos, según la formula.
c=
√
K
ρ
En Materiales gaseosos, según la formula.
c=
√
Pk
= √ kRT
ρ
Donde c : velocidad de propagación del sonido, en m/s.
E : Módulo de elasticidad.
K : Módulo de compresión del líquido.
P : Presión del gas.
k : Constante adiabática.
R : Constante del gas.
T : Temperatura del gas ( ºK).
Ρ : Densidad del material.
Dada su corta longitud de onda, las ondas ultrasónicas pueden
concentrarse de la misma forma que las ondas de luz. La ley de la
geometría óptica “ ángulo de incidencia = ángulo de reflexión “, se aplica
también para las ondas ultrasónicas.
Disco Piezoelectrico.
Rango de operación.
Ubicación de sensores en paralelo.
Interferencia entre sensores.
Sensores Opuestos.
Sensor cerca de superficies irregulares.
Angulo de alineamiento.
Modos de Operación.
Sensores Ultrasónicos Difusos.
Sensores Ultrasónicos de Reflexión.
Sensores Ultrasónicos de Barrera.
1.3.4.
Sensores de Temperatura.
1.4.
1.5.
1.6.
1.7.
Sistemas de Adquisición de Datos.
Sistemas Integrados de Sensores.
Miniaturización de Sensores.
Trabajo en red de sensores vía estructura de bus de campo.