SENSORES MODULADORES
Según el aporte de energía, los sensores se pueden considerar generadores o moduladores. En los sensores moduladores, la mayor parte de la energía de la señal de salida procede de otra fuente auxiliar. En cambio en los sensores generadores, la energía de salida es suministrada por la entrada.
1. Sensores Resistivos:
Los sensores moduladores del tipo resistivos, son aquellos que varían una resistencia en función de la variable a medir. Se ha realizado una clasificación de estos sensores en función de la variable a medir.
1.1 Potenciometros:
Un potenciómetro es un resistor al que le puede variar el valor de su resistencia. De esta manera, indirectamente se puede controlar la intensidad de corriente que hay por una línea si se conecta en serie, o la diferencia de potencial de hacerlo en paralelo.
Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos con poca corriente, para potenciar la corriente, pues no disipan apenas potencia, en cambio en los reostatos, que son de mayor tamaño, circula más corriente y disipan más potencia.
1.2 Galgas extensométricas:
Las galgas extensométricas son dispositivos utilizados para la medida de fuerzas. Se basan en la variación de la resistencia de un conductor o un semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico.
La galga extensométrica permite obtener, mediante el adecuado acondicionamiento de la señal resultante, una lectura directa de la deformación longitudinal producida en un punto de la superficie de un material dado, en el cual se ha adherido la galga, es básicamente una resistencia eléctrica. El parámetro variable y sujeto a medida es la resistencia de dicha galga. Esta variación de resistencia depende de la deformación que sufre la galga. Se parte de la hipótesis inicial de que el sensor experimenta las mismas deformaciones que la superficie sobre la cual está adherio.
1.3 Termorresistencias:
Son detectores de temperatura basados en la variación de una resistencia eléctrica se suelen designar con sus siglas inglesas RTD (Resistance Temperature Detector). El fundamento de las RTD es la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura.En un conductor, el número de electrones libres no cambia apreciablemente con la temperatura. Pero si ésta aumenta, las vibraciones de los átomos alrededor de sus posiciones de equilibrio son mayores, y así dispersan más eficazmente a los electrones, reduciendo su velocidad media. Esto implica un coeficiente de temperatura positivo, es decir, un aumento de la resistencia con la temperatura.
1.4 Termistores:
Es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductuvidad crece muy rápidamente con la temperatura.
1.5 Magnetorresistencias:
Son sensores basados en materiales ferromagnéticos. Cuando son sometidos a un campo magnético se produce un aumento de la resistencia eléctrica. El campo magnético altera la trayectoria de los electrones aumentando la resistividad.La relación entre el cambio de resistencia y el campo magnético aplicado es cuadrática, pero es posible linelizarla aplicando técnicas de polarización
1.6 Fotorresistencias:
Las LDR (Light Dependent Resistors) Se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda entre 1mm y 10 nm). La radiación óptica aporta la energía necesaria para aumentar el número de electrones libres (efecto fotoeléctrico) disminuyendo la resistividad.La relación entre la resistencia (R) de una LDR y la intensidad luminosa (E, en lux) recibida, es fuertemente no lineal.
1.7. Higrómetros resistivos:
El higrómetro se utiliza para medir humedad. Se basan en la variación de resistencia que experimentan los materiales por la humedad, como el vapor de agua en un gas o el agua absorbida en un líquido o sólido.Un material típico es el aislante eléctrico, el cual disminuye su resistencia al aumentar su contenido de humedad.La mayoría de los aislantes eléctricos presentan un descenso brusco de resistividad al aumentar la humedad de su entorno. Si se mide la variación de su resistencia se tiene un higrómetro resistivo.
1.8 Acondicionamiento: Puente de Wheastone, Amplificador de instrumentacion
Un puente de Wheatstone DOH es un instrumento eléctrico de medida inventado por. Samuel Hunter Christie en 1832, mejorado y popularizado por Sir Charles Wheatstone en 1843. Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida.
La Figura 1 siguiente muestra la disposición eléctrica del circuito y vemos que, Rx es la resistencia cuyo valor queremos determinar, R1, R2 y R3 son resistencias de valores conocidos, además la resistencia R2 es ajustable. Si la relación de las dos resistencias del brazo conocido (R1/R2) es igual a la relación de las dos del brazo desconocido (Rx/R3), el voltaje entre los dos puntos medios será nulo y por tanto no circulará corriente alguna entre esos dos puntos C y B.
Para efectuar la medida lo que se hace es variar la resistencia R2 hasta alcanzar el punto de equilibrio. La detección de corriente nula se puede hacer con gran precisión mediante el galvanómetro V.
La dirección de la corriente, en caso de desequilibrio, indica si R2 es demasiado alta o demasiado baja. El valor de la F.E.M. (E) del generador es indiferente y no afecta a la medida.
Cuando el puente esta construido de forma que R3 es igual a R2, Rx es igual a R1 en condición de equilibrio. (corriente nula por el galvanómetro).
Asimismo, en condición de equilibrio siempre se cumple que:
Si los valores de R1, R2 y R3 se conocen con mucha precisión, el valor de Rx puede ser determinado igualmente con precisión. Pequeños cambios en el valor de Rx romperán el equilibrio y serán claramente detectados por la indicación del galvanómetro.
De forma alternativa, si los valores de R1, R2 y R3 son conocidos y R2 no es ajustable, la corriente que fluye a través del galvanómetro puede ser utilizada para calcular el valor de Rx siendo este procedimiento más rápido que el ajustar a cero la corriente a través del medidor.
Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común(CMRR). Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo el INA114).
La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor.
2. Sensores de reactancia variable
Los sensores de reactancia variable tiene las siguientes ventajas con respecto a los resistivos:
Efecto de carga mínimo o nulo.
Ideales para la medida de desplazamientos lineales y angulares y para la medida de humedad.
La no-linealidad intrínseca puede superarse usando sensores diferenciales.Como limitación tiene que la máxima frecuencia de variación admisible en la variable medida debe ser menor a la frecuencia de la tensión de alimentación empleada.
2.1. Sensores CapacitivosCaracterísticas
Alto nivel de estabilidad con temperatura.
Alcances de detección mejorados para reservas funcionales.
Nivel elevado de inmunidad contra:
– Descarga electrostática, p. ej. en la producción de plástico o madera.
– Interferencias electromagnéticas, p. ej., causadas por receptores radiotelefónicos y teléfonos móviles.
– Voltaje de choque de interferencia causado por dispositivos de conmutación o válvulas solenoides.
– Alta frecuencia conducida, p. ej. convertidores de frecuencia o fuentes de alimentación conmutadas
2.1.1 Condensador variable:
Un condensador variable es un condensador cuya capacidad puede ser modificada intencionalmente de forma mecánica o electrónica. Son condensadores provistos de un mecanismo tal que, o bien tienen una capacidad ajustable entre diversos valores a elegir, o bien tienen una capacidad variable dentro de grandes límites. Los primeros se llaman trimmers y los segundos condensadores de sincronización, y son muy utilizados en receptores de radio, TV, etcétera, para igualar la impedancia en los sintonizadores de las antenas y fijar la frecuencia de resonancia para sintonizar la radio
2.1.2. Condensador diferencial:
La ventaja de los condensadores diferenciales está en que proveen una salida lineal y permiten la medida tan pequeña como 10-13 mm a 10 mm, y capacidades desde 1 pF a 100 pF.Consiste en un principio similar al de los sensores resistivos diferenciales: mientras uno se incrementa el otro disminuye en la misma proporción, y viceversa.
2.2 Sensores inductivos:
Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia de objetos metálicos en un determinado contexto (control de presencia o de ausencia, detección de paso, de atasco, de posicionamiento, de codificación y de conteo).
2.2.1 Reluctancia variable:
Un sensor de reluctancia variable es un dispositivo que funciona por deflección mecánica, ya que mueve un resorte por presión-fuerza-aceleración, midiendo estas variables al alterar el circuito magnético que tiene dentro de éste.
2.2.2 Inductancia mutua:
El transformador diferencial de variación lineal se designa normalmente por sus siglas inglesas LVDT (Linear Variable Differential Transformer). Se basa en la variación de la inductancia mutua, entre un primario y cada uno de dos secundarios, al desplazarse en su interior un núcleo de material ferromagnético, arrastrado por un vástago no ferromagnético unido a la pieza cuyo desplazamiento se desea medir.
Al alimentar el primario con una tensión alterna, en el secundario aparece una tensión cuyo módulo es proporcional al desplazamiento (x) del núcleo, dentro de unos márgenes. Según se muestra en la figura, el desplazamiento puede ser positivo o negativo con respecto a la posición de equilibrio, para la cual la salida vale cero.Obsérvese que los devanados del secundario se conectan en oposición serie. Esta es la forma de conseguir que la salida valga cero en la posición de equilibrio, para la que la tensión es igual en ambos.
2.2.3 Acondicionamiento
Para el acondicionamiento de los sensores inductivos se suele utilizar los divisores de tensión y puentes de alternas vistos para los sensores capacitivos.
Para el LVDT habrá que utilizar un amplificador de portadora y detección coherente. Como su salida es de suficiente amplitud no suelen requerir de amplificación. Una alternativa es usar rectificadores de media onda u onda competa, y restar el resultado.
3.Sensores Electromagnéticos:
Los sensores electromagnéticos son aquellos en los que una magnitud física puede producir unaalteración de un campo magnético o de un campo eléctrico, sin que se trate de un cambio de inductancia o decapacidad. Se tienen dos tipos:
-Sensores basados en la ley de Faraday.
-Sensores basados en el efecto Hall.
3.1 Basados en la ley de Faraday
Estos sensores se utilizan en tacogeneradores o tacómetros de AC (generadores de energía eléctrica) para medir la velocidad angular w. Laley de Faraday dice: “En un circuito magnético o bobina con N espiras con un flujo magnético ö =f(t) se induce una tensión:”
Las condiciones que deben cumplirse para poder usar este tipo de medidor son:
-Perfil de velocidades simétrico.
-Tubería no metálica ni magnética: teflón o cerámica.
-Electrodo de acero o titanio
-Tubería llena.
-Campo magnético continuo o alterno.
-Ideal para aguas residuales, líquidos corrosivos o con sólidos en suspensión.
3.2 Basados en el efecto Hall
El efecto Hall consiste en la aparición de un campo eléctrico en un conductor cuando es atravesado por un campo magnético. A este campo eléctrico se le llama campo Hall.El sensor de efecto Hall se basa en la tensión transversal de un conductor que está sometido a un campo magnético. Colocando un voltímetro entre dos puntos transversales de un cable se puede medir esa tensión.Sus Limitaciones son:-La temperatura cambia la resistencia del material.-Hay un error de cero debido a inexactitudes físicasTiene como ventajas:Salida independiente de la velocidad de variación del campo magnético.Inmune a las condiciones ambientales.
Cuando se hace circular una corriente I a través del circuito, se desprende calor de la unión superior y es absorbido por la unión inferior. El calor de Peltier absorbido por la unión inferior por unidad de tiempo,Q es igual a:
