12/08/2008introducción a la electrónica - 2008 introducción a la electrónica sensores
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12/08/2008 Introducción a la Electrónica - 2008
Introducción a la Electrónica
SENSORES
10/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Que es un sensor?
Un sensor es un dispositivo que convierte un fenómeno físico a un senal medible (tensión, corriente)
Temperatura
Presión
Posición
Intensidad de luz
sonido
Fuerza, tensión
Tensión
Corriente
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Caracterización de sensores
Accuracy: Es la máxima difrerencia entre el valor indicado y el valor real Resolución – Es el minimo incremento que el sensor puede detectar. Repetitividad: La medida de un mismo valor es realizada y repetida con
pequena Linealidad Precision – Se considera la resolución, precisión y repetitividad. Rango - es el valor limit que el sensor puede Respuesta dinamica: es el rango de frecuencia que un sensor puede operar
(ej. Oido humano 10Hz-16 Khz) Lugar de aplicación: existen sensores que no pueden operar en condiciones
ambientales severas. Calibración Costo
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Sensor de desplazamiento angular
El potenciometro
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El potenciometro
Conectado como divisor de voltaje, entrega una tensión proporcional a su posición angular
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Sensor de posición angular
Disco ranurado
Puede medir posición relativa y/o posición absoluta.
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Posición lineal
Potenciometro lineal (similares a los utilizados en equalizadores de equipos de audio)
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Posición lineal
Transformador variable diferencial linear (LDVT) diferencial
Se aplica una tensión alterna, y la tensión inducida en cada bobinado secundario dependera de la posición del nucleo magnetico
Nucleo movil
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Sensores de fuerza y momento
Strain gauges: miden fuerza sobre un material midiendo la variación de su resistencia
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Strain gauges
Gauge factor
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Circuito de medición
Puente de Weasthone: La variación de resistencia es muy pequena. El uso del puente de Weasthone permite medir estas pequenas variaciones
R2 se ajusta para obtener V0=0volts.
El valor de la Rstrain se puede calcular con
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Sensor piezoeléctrico
Un cristal al ser sometido a una presión desplaza una pequena cantidad de carga.
Efecto piezoelectrico
Otras aplicaciones:
microfonos, parlantes
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Sensado de temperatura
Termistores
• Resistencias NTC (coeficiente negativo de temperatura) . (ver NTC_20....pdf)
• Resistencias PTC (coeficiente positivo de temperatura) .
RTD: resistive temperature detectors Termocuplas Circuitos integrados
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Termistores
Son elementos cuya resistencia varia con la temperatura.
Estos dispositivos son muy sensibles a la variación de temperatura.
Su respuesta es no-lineal.
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Termistores
Self-heating
Parámetros importantes Resistencia a T=25grados. Coeficiente de disipación
térmica
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RTD
Resistive temperature detector: cuando un metal es calentado su resistencia se incrementa.
R=función(T) RTD de platino (PT100)
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RTD
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Termocuplas
Efecto Seebeck: Un gradiente de temperatura a lo largo de un conductor crea una fuerza electromotriz.
Si dos conductores de metales diferentes son unidos en un punto, una FEM es creada en los terminales abiertos.
Esta tensión es dependiente de las temperaturas T1 y T2.
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Termocuplas
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Compensación juntura fria
En lugar de mantener la juntura de referencia a un temperatura conocida o medirse esta temperatura
Compensar las variaciones de la tensión generada en la juntura de referencia, insertando en el circuito de medición una tensión de variación igual y opuesta a esta tensión.
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Tipos de termocuplas
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Termocuplas
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Conexión de termocuplas
Conexión directa a un instrumento
Al insertar un voltímetro en el circuito para efectuar la medición, aparecennuevas junturas en la conexión entre el voltímetro y la termocupla.
Puede generarse una junturaadicional, agregando un cable de cobre a la salida del instrumento (juntura Cu-Cu en el borne,que no genera potencial), y desplazar la juntura de conexión al instrumento fuera del borne(juntura que se llamará de referencia).
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Sensores de estado solido
Dos diodos idénticos a la misma temperatura
LM335
Rango Temp: -40 a 100 grados
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Sensores de Temperatura
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Sensores de nivel
Capacitor de placas paralelas
La capacidad depende de la distancia entre placas, la constante dielectrica del material entre placas y la sección de las placas.
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Sensores de nivel
Medición de nivel en materiales no conductores
La capacidad en forma aproximada esta definida como
Las constantes dialectricas del liquido y el aire son conocidas.
La sección de las placas se mantiene constante
La capacidad es función del nivel del liquido
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Fotocelulas (LDR)
LDR ( resistencia variable por iluminación)
Son dispositivos que varían su resistencia con el nivel de iluminación
Nivel de iluminación (en lux)
•Una lampara de 60 watts a 1 metro de distancia – 50 lux
•Luz de luna – 0.1 Lux
•Luz de sol - 30000 Lux
•Tubo fluorescente – 500 Lux
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LDRsRespuesta espectral
Mayor nivel de iluminación, menor resistencia
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LDRs - Aplicaciones
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LDRs - Aplicaciones
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LDRs - Aplicaciones
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Adquisición de datos
Variable
física
Variable eléctrica
(tensión, corriente, resistencia, capacidad)
TensionDato en
formato
digital
SENSORAcondicionamiento
de senal
Conversión A/D
•Procesamiento de datos
•Almacenamiento
•Visualización
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Acondicionamiento de señales
Sensor Caracteristicas electricasRequerimientos de condicionamiento
de señal
Termocupla Bajo voltaje de salida, baja sensitividad, respuesta nolineal
Sensor de temperatura de referencia (compensación de juntura fria) Amplificación de elevada ganancia
Linealización
RTD Baja resistenciaBaja sensitividadRespuesta nolineal
Excitación de corrienteLinearización
Strain gauge Baja resistenciaBaja sensitividadRespuesta nolineal
Excitación de voltaje/corrienteAmplificación
Conexionado de puente de mediciónLinearización
Termistor Elevada resistencia y elevada sensitividadRespuesta altamente nolineal
Excitación de voltaje/corrientecon resistencia de referencia
Acelerometro activo Elevado voltaje/corriente de salida Amplificación moderada
AC Linear Variable Differential Transformer (LVDT)
Voltaje de salida AC Excitación de alternaDemodulaciónLinearización
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Acondicionamiento de senal
AMPLIFICACIÓN: La senal generada por los sensores es de baja magnitud. Esta debe ser
amplificada antes de ser transmitidas.
FILTRADO: Filtros deben ser incluidos para eliminar interferencias no deseadas ( ruido de línea
50/60 Hz,…)
FILTRADO ANTIALIASING: tambien se utilizan filtros para eliminar las componenes de alta frecuencia de la
senal. Ver Teorema de Nyquist.
AISLAMIENTO: se utiliza para separar la fuente de senal (sensor) del dispositivo medidor
(aislamiento por transformador, óptico, capacitivo)
MULTIPLEXADO:Senales provenientes de diferentes sensores pueden ser procesadas por un único
conversor.
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Acond. de senal: termpocuplas
Hardware: se adiciona una tensión de desplazamiento de signo contrario.
Software:1) Se mide la temperatura de la juntura de
referencia y se calculá la tensión equivalente de la termocupla a esa temperatura utilizando tablas de temperatura o polinomios.
2) Se mide el voltaje de salida de la termocupla y se le suma el voltaje de la juntura de referencia calculado en el paso 1.
3) El voltaje resultante es convertido a temperatura utilizando polinomios o tablas..
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Acondicionamiento de senal
Conexionado de RTD con 2 y 4 cables
La tensión medida es afectada porla resistencia del cableado La tensión medida NO es
afectada por la resistencia del cableado
Desventaja: MAS COSTOSO. Necesito un conductor de 4 hilos.
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Senales de corriente
Algunos sensores utilizados en control de procesos aplicaciones de monitoreo generán una senal de 4 to 20 mA or 0 to 20 mA.
• Menos sensible al ruido y caida de tensión en el cableado.
• El sistema de acondicionamiento de senal debe convertir la senal de corriente a tensión
Ejemplo: Medidor de temperatura
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Conversión corriente-tensión
La senal de corriente del sensor de 0-20mA es convertida a 0-10volts
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Amplificación
Requerimientos Elevada impedancia de entrada Elevada ganancia diferencial Elevado rechazo de senal en modo común (RRMC)
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Amplificador de instrumentación
1221
1 R
vviR
)(12 211
221211,2, vv
R
RRivvvv Rxoxo
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Adquisición de datos
Filtro anti-aliasing
Sample & hold
Cuantización
senal analógica acondicionada
Palabradigital
Criterio de Nyquist: una senal debe ser muestreada al doble de su máxima componente de frecuencia frecuenciafmin fmax
Espectro entrada
Respuesta filtro anialiasing
0
1
0
0
.
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