sensores dependientes de la dilatacion

7/28/2019 Sensores Dependientes de La Dilatacion

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NIVEL TECNOLOGICO

INSTITUTO TECNOLGICO SUPERIORCENTRAL TCNICO

ELECTRONICA INDUSTRIAL

SENSORES DEPENDIENTES DE LA DILATACION


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OBJETIVO GENERAL

Llevar a cabo una investigacin de los sensores dependientes de la dilatacin describiendo sufuncionamiento y sus principales caractersticas ylos campos de aplicacin.


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SENSORES

Los sensores son tan diversos como los principiosfsicos en los que se basan.En la actualidad para medir cualquier variable

fsica tenemos diversos tipos de sensores, con susventajas y desventajas.


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SENSORES DEPENDIENTES DE LADILATACIN

La medicin directa de cantidades mecnicas, tales comoesfuerzo de traccin o de compresin, fuerza y aceleracines imposible y por lo tanto es reducida a la medicin de ladilatacin. Cuando consideramos la denominacin fsica

dilatacin, se debe diferenciar entre dilatacin positiva onegativa

Dilatacin

Positiva Negativa

Alargamiento por Acortamiento por

Volumen volumen

Traccin Presin


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La dilatacin positiva es causada por la traccin y produceel alargamiento de un volumen constante. La dilatacinnegativa es causada por la presin y produce el acorta-

miento de un volumen constante. Matemticamente, estasrelaciones estn descritas por la ley de Hook.

=Variacin especfica de la longitud, dilatacin =Esfuerzo mecnico

E = Mdulo de elasticidad

l

=Variacin de la longitud lo= Longitud original


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Una amplia variedad de principios fsicos pueden serutilizados para convertir la dilatacin en una sealelctrica capaz de ser procesada. Aqu se pretende

solamente tratar con mtodos basados en los efectospiezo-resstivos o piezo-elctricos EFECTOS PIEZO-RESISTIVOS Es una fuerza

aplicada externamente al sensor, asociada con el

esfuerzo de traccin o presin, causa un cambio en lamovilidad de los portadores de carga o en la densidadde los portadores de carga y, consecuentemente, una

variacin en la resistencia del material sensor. EFECTOS PIEZO-ELCTRICOS Es una fuerza

aplicada externamente sobre el sensor produce undesplazamiento de portadores de carga en el materialsensor, lo cual genera una tensin que puede sertomada de los electrodos. Este es entonces un

principio de sensor activo.


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SENSORES PIEZO-RESISTVOS

son generalmente denominados como laminillasde medicin de dilatacin (LMD). Estos puedenser utilizados como elementos sensores en una

amplia variedad de sensores de medicin ytambin para la medicin directa de variaciones delongitud. Estos tienen la funcin de convertirmagnitudes fsicas, tales como tensiones de

presin o traccin, fuerzas o aceleraciones, enseales capaces de ser evaluadas.


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LAMINILLAS DE MEDICIN DE DILATACINRESISTIVA

Principio bsico y modo de trabajo

La resistencia de los materiales conductores depende, entreotras cosas, de su geometra

R = Resistencia x = Conductividad especficaL = Longitud del conductor A = Seccin del conductor

R = Variacin de resistencia como

consecuencia de la deformacinRo = Valor de resistencia antes de la

deformacin

K = Constante de proporcionalidad

En la constante K del material estn


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Para un funcionamiento adecuado, la LMD debe ser deformadasolamente en el rango elstico. Dependiendo del tipo de construccin,las variaciones de la longitud que pueden ser alcanzadas estn entre 2% (LMD en forma de alambre) y 5 % (LMD en forma de hoja)


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TIPOS DE CONSTRUCCIN Y REAS DE UTILIZACIN

Las laminillas de dilatacin resistivas estn divididas en LMDsen forma de alambre y en LMDs en forma de hojadenominadas tambin como HMD (hojas de medicin dedilatacin). Las LMDs en forma de alambre consisten de unalambre resistivo pegado a una placa portadora. Para lograrobtener una resistencia tan alta como sea posible, el alambrees aplicado a la portadora en forma de meandro o es bobinadoalrededor de la portadora. Puesto que se usa un dimetro dealambre desde 20 hasta 30 pm, la construccin de LMDs enforma de alambre es relativamente compleja. La figura 5.63muestra la construccin bsica de un medidor de dilatacinusando un alambre resistivo.


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MEDIDOR DE DILATACIN CON ALAMBRE RESISTIVO

Los avances en la tcnica de grabado con cidohan hecho posible la produccin en serie debaratas LMD en forma de hoja. Utilizando losprocesos de grabado con cido se puedeproducir una amplia variedad de diseospartiendo de una hoja de metal laminada de

un grosor de 2 a 10 pm aplicada a la placaportadora. La siguiente figura muestraalgunos ejemplos. Con tcnicas de grabadotambin es posible producir formascomplicadas sin mayor costo, confeccionadaspara medir en una tarea de medicinespecfica. Debido a su estructura de pequeo

tamao y su buena propiedad de adaptacin,las LMDs en forma de hoja sonparticularmente adecuadas para sensoresminiatura.

Para lograr alcanzar una tensin de seal tanalta como sea posible, las LMDs deben teneruna alta resistencia. Esto limita el nmero de

materiales de resistencia adecuados.

a Portadorab Alambre de medicinc Terminales de conexind Pegamentoe Componente


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LMDs en tcnica de hojas (HE3M)

Adems de su aplicacin comosensores para la obtencin devariaciones de longitud, las LMDsson usadas tambin comoelementos sensores en medidoresde presin, fuerza y ngulo. En

todos los casos de aplicacin, laLMD debe ser pegada o soldada alobjeto a medir. La calidad de estaunin tiene una gran influencia enel resultado de la medicin.Especialmente en el caso de

uniones con pegamento, laexperiencia en la tcnica depegado es necesaria adems de laposesin de pegamentosespeciales suministrados por losfabricantes.


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Ejemplos de aplicacin

Las LMDs son usadas tanto individualmente como en

circuitos en puente. La figura 5.65 muestra dos ejemplos de

aplicacin.

En la medicin del ngulo segn la figura 5.65 a, la

desviacin de una viga de flexin se registra a travs delcambio en la longitud de la LMD, la cual es a su vez

evaluada en el subsecuente circuito de medicin a travs de

la variacin de la resistencia como una variacin del ngulo.

Existe entonces una proporcionalidad entre una variacin dela resistencia y una variacin del ngulo.


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En el sensor de presin segn la figura 5.65 b, una LMD enforma de hoja es usada como el elemento sensante en elcircuito en puente. Si la presin en la entrada de medicindifiere en relacin a la presin de referencia, la membranaes deformada. El esfuerzo de deflexin que aparece es a suvez evaluada por medio de,la variacin de la longitud y porla consecuente variacin en la resistencia de la LMD. Enconsecuencia se obtiene una relacin proporcional entre la

variacin de presin y la variacin de resistencia.


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LAMINILLAS DE MEDICIN DE DILATACINSEMICONDUCTORAS

Principio bsico y modo de trabajoEl silicio es comnmente utilizado como material) inicial para

LMDs semiconductoras. En el silicio tambin ocurre el mismo efectopiezo-elctrico que en las LMDs resistivas. Sin embargo, superpuestoa ste se encuentra un efecto considerablemente mayor que escaracterstico de los semiconductores.

Por medio de la difusin controlada de impurezas, las pistas deresistencia usualmente diseadas como puentes de Wheatstone son generadas en una placa de Si.Bajo la accin de una fuerza externa aparece una variacin en la

movilidad de los portadores de carga de material dopado N. Por el

contrario, en un material dopado P bajo la influencia de una fuerzaexterna, vara la cantidad de portadores de carga disponibles para eltransporte de carga. En ambos casos, una variacin de resistencia seorigina en el material sensor.


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En la figura 5.66 est reproducida la relacin caractersticaentre la sensibilidad y la dilatacin para las LMDssemiconductores. La magnitud de la variacin relativa de resis-tencia depende de la naturaleza del material sensor y de su

dopaje. Sin embargo, adicionalmente tambin haydependencias del sentido de la fuerza en accin y del sentidode las lneas de campo sobre el material semiconductor, lascuales aparecen con la tensin de operacin aplicada.


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DISEOS Y REAS DE UTILIZACINLas LMDs semiconductores son producidas con y sinplacas portadoras. La figura 5.67 muestra algunos tipos de

LMDs semiconductores. Debido a sus pequeasdimensiones, stas son particularmente adecuadas paraaplicaciones en sensores miniatura. Con los procesos deproduccin en la tecnologa moderna de

semiconductores, existe una variedad de posibilidadespara dotar de un elemento sensor, en el wafer, a circuitosde calibracin, compensacin y amplificacin


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La mayor no linealidad de la curva caracterstica y larelativamente alta dependencia de temperatura del

material semiconductor son desventajas apreciables encomparacin con las LMDs resistivas. Por lo tanto lamayora de fabricantes ofrecen sensores que ya han sidocompensados y lineal izados para un rango detemperatura especfico. Los circuitos de linealizacin que

ya han sido considerados para los sensores de temperaturasemiconductores pueden ser tambin usados para LMDsno linealizadas. Una compensacin de temperatura puedeser alcanzada fcilmente, utilizando sensores de tem-

peratura KTY

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