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Acondicionamiento de Señales
Oscar R. López Bonilla Todos Los Derechos Reservados
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Temas a tratar:
Acondicionamiento de Señal para Sensores Resistivos
Acondicionamiento de Señal para Sensores con Variación de Reactancia
Sensores Digitales
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Medición de Resistencia
La ecuación general de un sensor basado en variación fraccional de resistencia x es:
Si asumimos:
Cuando la relación es lineal tenemos:
Tenemos dos limitaciones:1. Se requiere una fuente de energía para obtener una señal de salida
2. Esta fuente de alimentación, cuya magnitud afecta la señal de salida, esta limitada por el efecto de autocalentamiento
)(0 xfRR
1)0( f
)1(0 xRR
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El método de desviaciónConsiste en alimentar la resistencia con un voltaje constante y
medir la corriente, o alimentar la resistencia con una corriente constante y medir el voltaje
Este método es utilizado principalmente en los voltímetros y amperímetros (multímetros)
En este método la limitación estriba en que la medición depende de la máxima variación de x, la cual pude ser tan pequeña como del 1%. Esto implica que tenemos que hacer mediciones de variaciones pequeñas montadas sobre un valor constante mucho mayor
Este método se puede utilizar en sensores que tengan una variación grande de x
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Otros métodos de desviaciónOtro método consiste en utilizar
una resistencia de valor constante y estable en serie con el valor desconocido
La medición del voltaje se puede hacer sobre la resistencia conocida o sobre la variable, los valores obtenidos nos los dan las siguientes formulas
óSXS
S RRR
VV
X
XSX R
RR
VV
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De las ecuaciones anteriores de puede deducir que:
Por supuesto se tiene el inconveniente de tener que medir el voltaje en las dos terminales, por eso una opción es el de utilizar una fuente de voltaje conocida y solo medir uno de las dos resistencias
S
XSXV
VRR
XS
XX
RR
VRV
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Divisor de Voltaje
Potenciómetros
El acondicionamiento de señal mas simple para potenciómetros lo ilustra la figura, su circuito equivalente ve también.
De la figura se pueden deducir las siguientes ecuaciones:
Donde k =Rm/Rn y = 1-x
xVV 10
xxRR n 10
1/11
1
k
VRRxxR
xVV m
mnm
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Si supones que Vm es proporcional a x, el error depende de k
Para determinar el máximo derivamos e igualamos a cero
xxk
xx
V
VV Om
1
1
0
0dx
d 021 x
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Para poder apreciar la magnitud del error, la siguiente figura nos muestra la gráfica del error relativo
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Y en esta figura apreciamos el errror absoluto
Como se puede ver en este caso el error NO es simétrico
xxkxx
V
VV Om
1
1 2
0
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Una manera sencilla de mejorar la nolinealidad inducida en un potenciómetro lo ilustra la siguiente figura
El error es entonces
kx
xkxVVm
12
1
kxx
xxx
12121
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De las ecuaciones anteriores, y para el caso k=10, se obtiene la siguiente gráfica
z :
y:
kxx
xxx
12121
xxkxx
V
VV Om
1
1 2
0
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Puente de WheatstoneUno de los métodos más utilizados
es el del puente de Wheatstone
El potenciómetro R4 se ajusta hasta que la corriente es cero
Esto es el cambio en R3 es proporcional al cambio que tenemos que producir en R4
1
243R
RRR
Esto es:
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Método Siemens o de Tres alambres
Si los sensores de colocan lejos del circuito, se deben considerar la resistencia que los cables añaden al sensor
La última figura una forma de medir varios sensores con el mismo juego de alambres
1
/1
4
33
1243
RR
RR
R
RRRR w
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Puente de Wheatstone con balance automático
Con la ayuda de DAC se puede obtener un medidor automatizado
El desbalance provoca que el contador incremente o decremente la entrada del DAC hasta que se vuelve a balancear el sistema, teniendo a la salida una lectura digital
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Sensibilidad y LinealidadDefiniendo:
Obtenemos la gráfica de sensibilidad con respecto a k
0
2
4
1
R
R
R
Rk
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Acondicionamiento de Señal para Sensores con Variación de Reactancia
Sistema de linealización para sensores de respuesta capacitiva
La resistencia en líneas puenteadas se conecta para tener corriente de polarización
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Divisor de Voltaje y ejemplo de circuito que aplica el método de divisor de voltaje a sensores inductivos diferenciales
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Ejemplos de puente de Wheatstone
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Amplificadores con PortadoraPara sensores que entregan una
señal de amplitud proporcional a la señal se utilizan amplificadores con portadora
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Señales de amplitud modulada con y sin portadora
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Consideraciones del efecto de la fase
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Detectores sensibles a la fase
La clave esta en el demoludador, el cual tiene que ser capaz de detectar la fase de la señal
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Sensores Digitales
Decodificador de Posición
Angular y lineal
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Incremento de resolución
La resolución de un decodificador se puede mejorar por medio de obtener la diferencial y rectificándola
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Otro método utilizando bobinas
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Ejemplo utilizando contactos eléctricos, fotodetector con materiales transparentes y reflejantes
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Detección de dirección del movimiento
Con ayuda de dos señales con fase de 90o se puede saber la dirección del movimiento
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Codificación de posición absolutaPrincipio de codificación absoluta
para movimiento rotatorio
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Tablas comunes utilizadas para posición absoluta
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Ejemplo de disco codificador digital con varios canales para incrementar la resolución, además esta cifrado en código Gray
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Sensores de Frecuencia Variable
Termómetro digital de cuarzo
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Sensor de vibración utilizando un alambre tenso
La frecuencia de vibración del alambre es captada por la bobina
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Ejemplo de tubo utilizado para medir la densidad en los líquidos utilizando la frecuencia de vibración