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Sensors
Jordi Jordi Jordi Jordi MaynéMaynéMaynéMaynéEnginyer d’Aplicacions
SILICA (Avnet Iberia)
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02
Historia de los Sensores
Luz
Presión
Temperatura
Sonido
Olor
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03
Tipos de Sensores con Semiconductores
� Temperatura� Humedad� Presión� Posición� Movimiento� Caudal� Luz� Corriente� Tensión � Conductividad� Biométricos� Químicos � Imagen
� Acústicos� Aceleración� Velocidad� Gas� Inclinación� ...
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04
Terminología
� Sensor: Es un dispositivo que recibe una señal o estímulo y responde con una señal eléctrica. Además los sensores pueden ser activos o pasivos.� Sensor activo: Es un sensor que requiere una fuente externa de
excitación como las RTD o células de carga.� Sensor pasivo: Es un sensor que no requiere una fuente externa
de excitación como los termopares o fotodiodos.
� Transductor: Es un convertidor de un tipo de energía a otra.
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05
Tipos de sensores con semiconductores
� Altamente integrado para sistemas de control
� Programable
Sensor Remoto
� Muy completo, sin acondicionador de señal externo
� Programable
Salida Digital
� Inmunidad al ruido
� Encapsulado pequeño
Salida en PWM
� Programable, simple y fácil de usar
� Amplio gama y número de “set-points”
Controlador de “Set Point” programable
� No requiere componentes externos activos
� Características adicionales, como la alarma de rotura del sensor o de hilos de conexión.
Con acondicionador de señal
� Radiométrica y No-Radiométrica
� Implementación flexible de las aplicaciones
Salida en Tensión
� Inmune a los errores de resistencia de los hilos de conexión
� Es posible medir a largas distancias
Salida en Corriente
HotCold
Data
Clock
Data
Clock
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06
Acondicionadores de señal + Proceso
Sensor Atenuador Cambiode nivel Filtro Amplifi
cadorA/D
ProcesadorDAC
Cada día mayor integración
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07
Convertidores A/D
� SAR (Convertidor de Aproximaciones Sucesivas)� Económicos los de baja resolución.
� Rápidos.
� Sigma/Delta� Económicos los de alta resolución � Muchos incluyen filtro digital � Algunos con amplificador Ganancia Variable� Fuente de Corriente interna� Bajo consumo� Limitados en ancho de banda
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08
Sensores de Temperatura
� Electromecánicos: Termopares (utilizan la tensión generada en la unión de dos metales en contacto térmico)
� Resistivos: RTD (Resistance Temperature Detector) o PT100 PTC (Positive Termal Coefficient). Termistores o NTC (Negative Termal Coefficient)
� Semiconductores: Se basan en la variación de la conducción de una unión p-n polarizada directamente.
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09
Sensores de Presión
� Resistivos
� Piezo-cerámicos
� Semiconductores
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010
Sensores de Presión Semicoductores
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011
Sensores de Presión
� Sensores de presión absoluta (miden la diferencia entre la presión externa y a una presión de referencia cero (vacío). Aplicaciones: Barómetros, Detección de fugas, Altímetros...
� Sensores de presión diferencial (la salida es proporcional a la diferencia de presión delas dos entradas). Aplicaciones: Flujo de aire, Control de filtros de aire ...
� Sensores de presión manométrica (es un caso especial de presión diferencial, donde la presión atmosférica se utiliza comoreferencia). Aplicaciones: Presión sanguínea, Nivel de líquidos, Presión de ruedas...
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012
Aplicación del Sensor de Presión
ADuC814DriverLCD
LCD
El software
bomba,valvula,
convierte,display
Sensor presión
Bomba
valvula
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013
Sensores de Humedad
� Capacitivos
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014
Sensores de Posición
� Electromecánicos (Finales de Carrera o Microrruptores): � Conmutan directamente cualquier señal eléctrica.� Tienen una vida limitada.� Solo pueden detectar posiciones determinadas, debido a su tamaño.
� Magnéticos (Detectores de Proximidad Magnéticos):� Efecto Hall.� Resistivos.
� Inductivos (Detectores de Proximidad Inductivos)� Sincros y Resolvers.� RVDT (Rotatory Variable Differential Transformer)
LVDT (Lineal Variable Differential Transformer). � Inductosyn.
� Potenciométricos (Potenciómetros lineales o circulares).
� Ópticos (Células fotoeléctricas y Encoders ópticos).
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015
Sensores de Posición Magnéticos
• Efecto Hall
• Magneto- Resistivos
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016
Sensores Inductivos
� Sincros y Resolvers
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017
Sensores Inductivos para medida de desplazamientos
� RVDT (Rotatory Variable Differential Transformers)
� LVDT (Lineal Variable Differential Transformers)
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018
Sensores Inductivos para medida de desplazamientos - 2
� Inductosyn Lineal: Desarrollado por la empresa Farrand Control Inc. para la medición y el control exacto de distancias lineales. Utilizado por la mayoría de compañías de Control Numérico y Máquinas Herramienta para control y medición de ejes.
� Inductosyn Rotatorio , es un transductor para la medición y el control angular, basado en los mismos principios que el Inductosyn Lineal.
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019
Sensores Ópticos
� Foto-interruptores
� Reflectivos
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020
Encoders Incrementales y Absolutos
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021
Sensores de Movimiento
� Efecto Hall
� Magneto-Resistivos
� Acelerómetros
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022
Los Acelerómetros permiten
• Medida de la fuerza gravitatoria estática– ej. Inclinación
• Medida de la aceleración dinámica– ej. Vibración y choques
• Medida inercial de la velocidad y la posición– Para la velocidad midiendo un eje– Para la posición midiendo dos ejes
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023
¿Cómo trabajan los Acelerómetros?
• La Aceleración puede ser medida usando un simple sistema de masa/resorte.
– Fuerza = Masa * Aceleración– Fuerza = Desplazamiento * Constante del Resorte
así que… – Desplazamiento = Masa * Aceleración / Constante del Resort e
MASA
Aceleraciónañadida
MASA
Cambio en Desplazamiento
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024
¿Cómo trabajan los Acelerómetros?
• Se usa el Silicio para hacer el resorte y la masa. • Se le añanden segmentos para hacer un condensador variable diferencial.• Se mide el cambio de desplazamiento, midiendo el cambio en la
capacidad diferencial.
MASA
Resorte
SENSOR en REPOSO
Puntos fijos
Anclaje alSubstrato
CS1 < CS2
AceleraciónAplicada
Respuesta a una Aceleración Aplicada(el movimiento mostrado es muy exagerado)
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025
Fabricantes de Acelerómetros
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026
Medida de Inclinación
La Aceleración mide el campo gravitatorio estático de la Tierra.Que és de 9.8 m/s 2 = 1g
Cambiando la inclinación, a lo largo del eje sensibl e del sensor, cambia el vector de aceleración:
θθθθ = arcsen[(V(out)-V(cero g)) / (1 g x factor de escala factor(V/ g))]! Esto parece complicado, pero es muy fácil de hacer,
usando un Acelerómetro ¡
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027
Aplicaciones
Roll Over: 2-8 gAxial, Skew
Crash Detection:Front: 20-250 gSide: 40-250 g
Vibration: 8-10 gMotor stability
Pedometer: 20-30 gPace, Physiology
Inertial Navigation: 500 mg-1gAvionics, Military, GPS
Seismometry: 0.002-2 gGeophones, Seismic Switches
1 g = 9.8 m/s2
Tilt/Inclinometer: 0-1 gPDA, Cell phone
Game Controller: 1-2 gVirtual Reality, Joysticks
Freefall Detection: 1-2gMobile HDD, Cell phone
40g
20g
10g
2g
Bullet: >5000 g
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028
Medida inercial de la Velocidad y la Posición
Aceleración Integrada: una para velocidad, dos veces p ara la distancia.
Medida Relativa desde una posición inicial:
Velocidad = A * t Distancia = (A / 2) * t^2
Puede ser exacta para periodos cortos de tiempo, pero l a exactitud se degrada proporcionalmente al cuadrado del tiempo de in tegración.
• Es posible una exactitud Posicional de 2cm sobre un segundo.
• La exactitud Posicional se degrada a 20m después de 10 segundos de integración
Aplicaciones: Mejora la precisión de los sistemas GPS (determina la posición del coche cuando el GPS pierde la señal en un túnel ). Control dinámico de un Vehículos (control de deslizamiento).
Ascensores (mejora la precisión posicional usando l a medida inercial entre puntos de localización de referencia conocidos)
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029
Medida de la Velocidad Angular
�La Velocidad angular mide la rapidez en que gira un objeto alrededor de un eje.
�Integrando la velocidad angular se miden los cambio s de inclinación o cambios de dirección.
�Aplicaciones: Control Dinámico de un Vehículo (VDC)
�Mide la velocidad sobre el eje vertical de un vehíc ulo y compara el valor predictivo por los sensores de velocidad de las rue das, para ver si el vehículo se está deslizando.
�La mayoría de los sistemas VDC también incluyen ace lerómetros de baja g, que se usan para medir si el deslizamiento del vehículo es longitudinal (para el control ABS) o lateral para detectar perdida de tracción.
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030
Principio de Trabajo del Giroscopio
OSCILACIÓN
MASA
FUERZA
CORIOLIS
ROTACIÓN
• ¿Cómo se mide la velocidad angular?– Midiendo la fuerza de Coriolis.
• ¿Qué es la fuerza de Coriolis?– Cuando un objeto se mueve de una manera periódica (oscilando o
girando), girando el objeto en un plano ortogonal a su movimientoperiódico causa una fuerza de traslación en la otra direcciónortogonal.
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031
Principio de Trabajo del Giroscopio
Anclaje del Acelerómetro Anclaje del Resonador
Marco del Acelerómetro
Resonador
Movimiento del Resonador
Coriolis
accelerationRotación Aplicada
Anclaje
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032
E1 E2 E3
Measured Voltage
SHIELD
Capacitance toConductive Backplane
Cancelled by ShieldSignal
SHIELD ON
SHIELD OFF
Detectores de Proximidad
MC34940EG
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033
Principio funcionamiento E- Field
DetectorLow Pass Filter
Voltage Level Proportional to 1/C (voltage divider)Drive level ~ 5 v p-p
Load Resistor (22 K ohms)
Sine Generator(120 KHz)
Detected Signal Level Decreases with Increasing Capacitance
Electrodes
Capacitance increases as electrodes move closer together
Virtual Ground
Stray Variable Capacitance
Object
Voltmeter
Level Out (Pin 7)
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034
Aplicaciones proximidad con E- FieldElesys Seat Sentry TM
Industrial Access Control
Patient Monitoring
Garage Door Safety Sensing
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035
Aplicaciones de E- Field para nivel de líquidos
Continuous and Discrete Level Sensing
Spill or Overflow Sensing
•Refrigeration Frost SensingRain/Defrost Sensor
E-Field Module
Non-Metallic Container
Liquid
ConductiveBands
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036
Aplicaciones de proximidad con E- Field
MC
U +
E-S
enso
r
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037
Aplicaciones Teclados Sensitivos
Single Slider
Bar
SinglePads
MultiplexedSlider
Bar
MultiplexedPads
MultiplexedSlider
Bar
4mm Thick glass Analyzer Board Connector(Bottom side)
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038
Principio de funcionamiento del teclado sensitivo
Finger� Capacitivo:
� Entre un PAD del circuito impreso y la masa, se produce una capacidad CP
� Al poner el dedo, se produce una capacidad CF en paralelo con CP
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039
Teclados Sensitivos – Solución Freescale
� Chip dedicado (familia MPR0xx)
� Micro MC9S08Q + software gratuito
Ventajas:
Más económicos mecánicamente
Menor espacio
Diferentes formatos: Sliders, Circular
Pueden ser estancos
Mayor vida útil
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040
Teclados sensitivos – Solución Cypress
PadsSensores
PSoC
Programación yComunicación
VDD
� El PSoC sensa todas las teclas y soporta todos los LEDs mientrascomunican el estado de cada tecla/LED al “host”.
� No necesitan componentes externos
� Solución en un CHIP !!
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041
Aplicaciones con Cypress
PSoC
1 2 3 4
DWN
UP FM
AM
102.5PRESET 1 FM
Cypress PSoCFront Panel Display Demo
© 2005
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042
Teclados Sensitivos – Solución Microchip (mTouch)
� Capacitiva:� Entre un PAD del circuito impreso y la
masa, se produce una capacidad CP
� Al poner el dedo, se produce una capacidad CF en paralelo con CP
� Inductiva:� Un PAD de circuito impreso en forma
de bobina induce un campo.
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043
Aplicaciones de consumo: Moviles, iPODs, PADs
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044
Sensores de Corriente y Voltaje
� Shunt (Resistencia). � Bajo costo, Alta disipación (Si un shunt de 20A es de 100mW shunt:
0.04W/shunt
� Transformador de Corriente .� Aislamiento galvánico. Altas corrientes. Bajo consumo, pero en medidores
de energía tienen 0.1 grado de desfase, que representa un error del 0.3% de facturación con un factor de potencia de 0.5
� Bobina Rogowski (sensor di/dt)� Ofrecen una ventaja similar a los Transformadores de Corriente, sin
embargo tienen mejor precio y son inmunes a los problemas de saturaciónDC.
� Hall y Magneto-Resistivos� La corriente induce sobre el sensor un campo magnético.
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045
Aplicación de Medida de Energía
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046
Sitios Web de interés
SILICA: www.silica.com
Analog Devices: www.analog.com
Infineon: www.infineon.com
Aptina: www.aptina.com
Freescale: www.freescale.com
NXP: www.nxp.com
ST: www.st.com
Texas Instruments: www.ti.com
Microchip: www.microchip.com
Sensores:http://www.sensorsportal.com/HTML/Sensor.htm
http://www.sensorsmag.com/
Buscadores de componenteshttp://www.crhc.uiuc.edu/~dburke/databookshelf.html