Sensores y Actuadores

Sensores y Actuadores

InstrumentaciónIngeniería Técnica en Informática de

Sistemas

© 2005 Javier Lorenzo Navarro

Sensores Inductivos – Transformadores diferenciales (LVDT)

Si dos bobinas se encuentran próximas, una variación en la intensidad en una de ellas inducirá un potencial en la segunda que es proporcional a la intensidad que pasa por la primera.

Si N2Φ21 es el flujo magnético en la segunda bobina, la inductancia mutua que depende del material

2

21121

1

21221 N

MII

NM



Potencial inducidoSegún la Ley de Faraday el potencial inducido V2 viene dado por,

M21 depende del tamaño, forma, número de espiras y posición relativa de las dos bobinas y de la existencia de algún material ferromagnético entre ambas bobinas.

dtdIM

dtdNV 1

2121

22



Variación de inductancia debida al desplazamiento de un núcleo de material ferromagnético en el interior de una bobina formada por tres espiras: un primario y dos secundarios arrollados en oposición serie

+x

N2 N1

A B

PRIMARIOSECUNDARIOA

SECUNDARIOB

N2



Funcionamiento del LDVT:Alimentando el primario con una tensión alterna y el núcleo en la posición central, la intensidad que circula induce en los secundarios la misma tensión.Cuando el núcleo se desplaza del centro una de las dos tensiones aumenta mientras que la otra disminuye (oposición serie).

11

2b

1

2a

1

2AB V

dd

dd

NNV

x

Zona lineal de trabajo

VAB máx


Sensores Inductivos – Transformador Variable

Cualquier variación de la posición entre las bobinas del transformador de la figura supone una variación en la inductancia mutua y por tanto en la tensión inducida en el secundario.



La inductancia mutua depende del número de espiras de la bobina N2 y del flujo magnético Φ2, y éste último depende del campo magnético y del área.

En el transformador variable el área depende de la inclinación relativa α según

Por lo que la inductancia mutua M(α) en un transformador variable será,

cosl

N 112 AIBA

cosNN)(N)( 22

1

22 Ml

AI

M



Aplicando al primario una tensión senoidal de frecuencia ω, en el secundario la tensión inducida será,

tKtIMj

IMV

coscoscoscos

dtd 1

122

La tensión inducida en el secundario tiene la misma frecuencia y amplitud proporcional al ángulo de inclinación → Aplicación inmediata en la medición de desplazamientos o en medición de posiciones angulares.


Sensores Generadores

Generan una señal eléctrica a partir de un magnitud física sin necesidad de una alimentación eléctrica.

Se basan en un efecto reversible igual principio en el que se fundamentan ciertos actuadores generan acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas.


Sensores Generadores - Termopares

Termopar – Sensor de temperatura formado por dos metales diferentes cuya característica principal es que se produce una tensión proporcional a la diferencia de temperaturas entre los puntos de unión de ambos



El efecto termoeléctrico se basa en tres fenómenos: – efecto Seebeck– efecto Peltier– efecto Thompson



Efecto SeebeckDos conductores diferentes formando un circuito cerrado y una de las uniones está a temperatura T1 y la otra a temperatura T2, aparece una fuerza electromotriz (f.t.e.m.) que da lugar a una corriente que se mantiene mientras las temperaturas sigan siendo diferentes

Metal 1

Metal 2

T1 T2Flujo decorriente

Metal 1

Metal 2

T1

T2

V

Metal 1

Metal 2

T1 T2

V

(a)

(b)

T2



Relación entre la diferencia de temperatura y la f.t.e.m. viene dada por el coeficiente de Seebeck SAB

El coeficiente de Seebeck no es constante:

T↑ SAB↑ La intensidad que circula por los conductores depende de

la resistencia La f.t.e.m. no depende de la resistencia o sección de los

conductores, solo depende de la diferencia de temperatura de las uniones y la naturaleza de los metales

dTdEAB

AB S



Efecto Peltier Es el calentamiento o enfriamiento que se produce de una unión de dos metales cuando una circula una corriente. Al invertir la corriente se invierte el flujo de temperatura.



Efecto Thomson Es la liberación o absorción de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea al circular una corriente. Se absorbe calor al fluir corriente de la zona más fría a la más caliente y se libera si lo hace en sentido contrario.



Aproximación a la respuesta no lineal

T1 y T2 temperaturas absolutas en A y B.C1 y C2 constantes que dependen de los materiales.

)(C)(CE 22

211211AB TTTT



Limitaciones del uso de termopares La corriente que circule por el circuito debe ser mínima

ya que los efectos Peltier y Thomson son reversibles. El medio no debe atacar a los metales que forman el

termopar. Es necesario mantener una de las uniones a temperatura

fija de referencia → cambio en esta temperatura error.

A pesar de los anteriores inconvenientes los termopares son los sensores más utilizados en la medición de temperatura.



Ventajas en la utilización de los termopares Estabilidad a largo plazo aceptable y elevada fiabilidad. Para bajas temperaturas mejor exactitud que las RTD. Alta velocidad de medida → milisegundos. No necesitan alimentación no existen problemas de

autocalenta miento como en las RTD utilización en gases inflamables.



Tipos de Termopares Las uniones en los termopares interesa que cumplan:

– resistividad elevada alta resistencia y poca masa. – Coeficiente de temperatura baja. – Resistencia a la oxidación. Algunas aleaciones

utilizadas: níquel(90)/cromo(10), cobre(57)/níquel(43).



La composición de los termopares se encuentra estandarizada y los tipos tienen una denominación ANSI: B, C, E, J, K, N, R, S, T.

Para cada tipo de termopar existe tablas donde se da la tensión frente a la diferencia de temperatura con respecto a la de referencia a 0ºC → 6 − 75 µV /ºC



Tipo Composición(terminal positivo - negativo)

Campo de medida

recomendado

Sensibilidad (a 25ºC)

J Fe - Constantán* 0 a 760ºC 51,5 V/ºCK Cromel* - Alumel* -200 a 1250ºC 40,5 V/ºCN Nicrosil* - Nisil* 0 a 1260ºC 26,5 V/ºCT Cu - Constantán -200 a 350ºC 41,0 V/ºCR 13%Pt 87%Rh - Pt 0 a 1450ºC 6 V/ºCS 10%Pt 90%Rh - Pt 0 a 1450ºC 6 V/ºCB 30%Pt 70%Rh - 6%Pt 94%Rh 800 a 1800ºC 9 V/ºC (a 1000 ºC)



Tipo Aplicabilidad

J Apropiado para atmósferas inertes o reductoras. Las atmósferas oxidantes disminuyen la vida útil debido a la presencia de hierro en el termopar que, además, se oxida muy rápidamente por encima de 538ºC. No es adecuado para bajas temperaturas (por debajo de 0ºC).

K Muy utilizado por encima de 538ºC debido a las limitaciones del termopar de tipo J. El cromo tiende a oxidarse ante la presencia de oxígeno lo que puede llevar a importantes derivas en el margen de 816 a 1038ºC.

N Se utiliza en aplicaciones donde el termopar de tipo K tiene problemas de oxidación.T Adecuado para atmósferas oxidantes, inertes y reductoras.

R, S Recomendados para altas temperaturas. El de tipo R se utiliza industrialmente mientras que el S en laboratorios. El uso continuado a altas temperaturas provoca el crecimiento del granulado y puede sufrir una ruptura mecánica. Deben protegerse con tubos no metálicos y aislantes cerámicos. Tienden a descalibrarse debido a la difusión del rodio a la rama de platino puro y a su volatilización.

B Semejante a los tipos R y S aunque el límite de temperatura es mayor y es menos susceptible al crecimiento del granulado.



Necesidad de mantener una temperatura constante en una unión

a) Fijarla mediante hielo fundido solución cara al necesitar mucho hilo de uno de los conductores.

Amplificador

Metal 1

Metal 2

Cu

Cu

TcA

Hielo



b) Permitir que la temperatura de una de las uniones varíe con la temperatura ambiente pero se compensa con una tensión tensión similar

Metal 1

Metal 2

Cu

Cu

TcTf

Bloqueisotermo

Sensor detemperatura

Acondicionamientode señal

Sumadorfc TTV ,

f 0TV ,

0TcV ,


Sensores Generadores - Piezoeléctricos

Estos sensores se basan en el efecto piezoeléctrico → aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción un esfuerzo.

Algunas sustancias materiales como el cristal de cuarzo o turmalina exhiben este efecto

Pb

TiZr

O

Más utilizados actualmente:• titanato de bario• metaniobato de plomo• titanato-circonato de

plomo (PZT)

estructura cristalina del PZT



Efecto reversible aplicación de un potencial a un material piezoeléctrico aparece una deformación.

F

e

+ + + + + + + +

- - - - - - - -



Material no piezoeléctrico

S deformación, s inverso del módulo de Young y T esfuerzo mecánico (F/A)

D densidad del campo eléctrico, ε constante dieléctrica y E campo eléctrico.

sTS

ED



Material piezoeléctrico

d constante piezoeléctrica → relaciona la deformación con el campo eléctrico.

dTEDdEsTS



Relación entre la fuerza y la intensidad que circula entre los electrodos de un material piezoeléctrico

+F

KrRP

K

mLP

sKCP

idtKsi

Kr

dtdi

KmF

Modelo equivalente RLC

material deledependient constante

ndeformacióelástico ecoeficient

viscosidadcristal delmasa

aplicadafuerza

KxsrmF



Conexión de los terminales en el circuito equivalente → la capacidad piezoeléctrica Cp es mayor que la medible

Conexión de una carga Z al cristal piezoléctrico

+F

PR PL1C

2C

+F

PR PL1C

2C ZVo ZVoF



Limitaciones de utilización No utilizables en continua porque la resistencia del

material piezoeléctrico no es infinita y la carga tiende a perderse.

Debe ser utilizado por debajo de la frecuencia de resonancia magnética para evitar un pico de resonancia fuerte.

La temperatura de utilización debe ser inferior a la de Curie → por encima todos los materiales dejan de ser piezoeléctricos.

Coeficientes piezoeléctricos son dependientes de la temperatura.


Sensores Generadores – Sensores Fotovoltáicos

Efecto fotovoltaico cuando el efecto fotoeléctrico se da en una unión p-n se obtiene una corriente eléctrica que es función de la radiación incidente.

Dispositivos basados en el efecto fotovoltaico• fotodiodo• fototransistor



Fotodiodos

NP

V0

V0q

Ánodo

Cátodo

Banda deconducción

Banda devalencia

Bandaprohibida,

Eh

NP

–––––

+++++

(a)

NP

NP

–––––

+++++

(b)

Fotón

Fotón

NP

NP

–––––

+++++

(c)

V0 V0

Zona detransición

Zona detransición

Eh Eh

Zona detransición



Tipo Estructura Características

PN Buenas características generales

PIN Tensión inversa 5100VCapacidad de transición pequeñaMuy rápidos

Schottky Buena respuesta en el ultravioleta

Avalancha Tensión inversa 150200VGanancia 100Muy rápidos

NP

NP I

NAu

NP P



Curva de respuesta de un fotodiodo

Intensidad deluz crecienteOscuridad

id

Vd

id

Vd



Modelo simplificado para un fotodiodo

a

b

Fotodiodo

Ct

ifa

b

(a)

ifa

b

(b)



Tiempo de respuesta de un fotodiodo

t

t

Luzincidente

Respuesta delfotodiodo

(fotocorriente)

ts

10%

90%

Fotodiodo

Cif

CargaRc



Factores que afectan a la medida en un fotodiodo: Longitud de onda de la radiación y respuesta espectral

del material sensor. Temperatura (ruido térmico). Área: mejor señal ruido y peor tiempo de respuesta.



Aplicaciones de los fotodiodos: Control de iluminación y brillo. Control remoto por infrarrojos. Enfoque automático y control de exposición en cámaras. Codificadores de posición. Medidas de distancia, espesor, transparencia. Detectores de proximidad y presencia.



Fototransistor

N

N

P

(b)

Colector

Base

Emisor

Ic

N

N

P

Colector

Fotón

Base P

Emisor

(a)

Vc Vc



Curva características de un fototransistor en función de la intensidad de luz incidente

1 mW/cm 2

0,5 mW/cm2

0,2 mW/cm2

0,1 mW/cm2

0,05 mW/cm2

0,02 mW/cm 2

Tensión colector-emisor (V)

Cor

rient

e de

col

ecto

r, Ic

(mA

)

0,1

0,1

1

10

1 10 100

=950 nm



Circuito de acondicionamiento básico como interruptor electrónico

+Vcc

vo

+Vcc

vo

(a) (b)



Aplicación de los fotodiodos/fototransistor como sistema de medida óptico

Modulación(oscilador) I - U Demodulación

Filtrado

Filtroóptico



Aplicación de los fotodiodos/fototransitores como detectores de proximidad

(a) (b) (c)

Emisor

Detector

Objeto

Reflector

Emisor

Detector

Objeto

Emisor Detector

Objeto


Sensores digitales de posición - Incrementales

El elemento consta de zonas con una propiedad que las diferencia y dispuestas equidistantes.

⇓Un incremento en la posición cambio en el sistema que detecta la propiedad cambiante y que está situado en un

cabezal fijo.

Constan de un disco o elemento lineal con poca inercia unido a la pieza móvil.



XDN

2

Fotodetector

LED

Si el elemento es angular se cumple que la resolución del sensor medida como número de puntos es:

D = diámetroX = anchura de cada sector



Son sensores muy simples pero poseen los siguientes inconvenientes: – Se pierde la información sobre la posición si se corta

la alimentación o se desconecta. – No se detecta el sentido si no existe un dispositivo

adicional. – Necesidad de un contador para la interconexión con

un computador.



Codificadores ópticos Resolución 100-6000 cuentas/vuelta.

1. Zonas opacas y transparentes un emisor LED a un lado y un fotodetector en el otro lado.

Fotodetector

LED



2. Zonas reflectantes y no reflectantes emisor y fotodetector en el mismo lado.



Detección del sentido de giro o desplazamiento mediante dos señales desfasadas.

Fotodetectores

LED

A

B

Fotodetectores

LED

AB

A

B

t

t

A

B

t

t

(a) (b)

(c) (d)


Sensores digitales de posición- Absolutos

Presentan a su salida una señal codificada correspondiente a la posición de un elemento móvil (regla o disco) con

respecto a una referencia interna. ⇓

elemento móvil dispone de zonas con una propiedad que las distingue y que se le asocia un “0” o un “1” dispuestas

en varias pistas.⇓

las pistas agrupadas forman el sistema de lectura que da la codificación de la posición → cada pista un bit ← pista más

interior corresponde con el bit más significativo. Presenta inmunidad frente a interrupciones de energía.



Esquema de un sensor de posición absoluto

Fuente de luz(LED) y óptica

0000

0001

0011

Fotodetectores



Evitar lecturas incorrectasa) El código binario debe tener distancia uno entre dos

posiciones consecutivas solo cambia un bit.

Binario natural.-posición 3 → posición 4 00011 → 00100

Código Gray.-posición 3 → posición 4 00010 → 00110



b) Uso binario natural marca en cada posición y aceptar el código cuando se está en la marca.

Señal fotointerruptorprincipal

Señal índice

t

t



Resolución codificadores absolutos 6-21 bits. diámetro → 50-175 mm. Aumento resolución aumentar número de pistas

aumentar la inercia.



Aplicaciones sensores digitales de posición Medida y control de posiciones lineales y angulares con

alta resolución: robótica, grúas, plotters, cabezales discos magnéticos.

Magnitudes físicas que se puedan convertir a desplazamientos con el sensor primario adecuado. Por ejemplo.-nivel de líquido con flotador.

Sensores absolutos → aplicaciones donde se necesita ahorro de energía o el elemento móvil se mantiene inactivo durante mucho tiempo.


Sensores basados en ultrasonidos

Ultrasonidos radiación mecánica de frecuencia superior a la audible (> 20 kHz).

Cuando incide la radiación en un objeto parte se refleja, parte se absorbe y parte se transmite.

Si existe movimiento relativo entre la fuente de ultrasonidos y el reflector aparece el efecto Doppler → cambio de la frecuencia en función de la velocidad.



Conceptos Impedancia acústica Z es la relación entre la presión

acústica p y la velocidad v, siendo la presión acústica la diferencia entre la presión instantánea (debida a la perturbación) y la media.

La impedancia es un parámetro característico de cada medio.

vpZ



Intensidad I de la radiación es la potencia por unidad de superficie y viene dada por

La intensidad de la radiación se atenúa exponencialmente al propagarse por un medio

I0 es la radiación incidente, α es el coeficiente de atenuación dependiente del medio y de la frecuencia (↑ frecuencia ↑ atenuación) y x es la distancia recorrida en dicho medio.

vppvI

2

xeII 20



Intensidad reflejada y transmitida Si la radiación se transmite por un medio no homogéneo

con diferentes impedancias acústicas se refleja parte de la radiación.

Una onda que viaja perpendicular en un medio con impedancia Z1 y llega a una superficie que separa un medio con impedancia Z2 los coeficientes de reflexión y transmisión de la intensidad son

La reflexión es mayor cuanto mayor es la diferencia de impedancias acústicas.

2

21

21

ZZZZ

IIR

i

r

221

214ZZZZ

IIT

i

t



Aplicaciones: Normalmente el uso de ultrasonidos en medición de magnitudes físicas está relacionado con:

– Velocidad de transmisión.– Tiempo de transmisión. – Atenuación o interrupción del haz propagado.



Velocidad de propagación Se basan principalmente en el efecto Doppler el cual

establece que el cam bio de frecuencia es proporcional a la velocidad relativa emisor-reflector, según:

fe y fr frecuencia emitida y recibida

v velocidad relativa emisor-reflector c velocidad de propagación de la radiación α ángulo relativo entre la velocidad y la dirección de

propagación

cos2cvfff ere



Utilización del efecto doppler para medida de velocidad en un fluido

Es necesario que exista algún tipo de partícula que refleje la radiación.



Se emite un impulso ultrasónico en dirección de la corriente del fluido y un segundo impulso en contra de la corriente.

El tiempo de propagación de las señales acústicas a favor de la corriente es más corto que el de las señales que se emiten contra la corriente → Se mide el retardo entre las señales (Δt)



Si la radiación se propaga a favor del fluido

Si la radiación se propaga en contra del fluido

Si se cumple que c >> v cos α la diferencia entre ambos tiempos es proporcional a la velocidad del fluido.

cossin/

12 vcDt

cossin/

21 vcDt



Tiempo de propagación Se mide el tiempo que tarda en recibirse el eco debido a

un objeto que se encuentra en el camino de propagación de la radiación.

Una condición para utilizar este tipo de medición es que la diferencia entre las impedancias acústicas sea bastante elevada para que la mayor parte de la radiación se refleje.



Atenuación o interrupción del haz Se basa en la no recepción de un eco por parte de un

objeto que se en cuentre en el camino del haz propagado.

En ambos casos es conveniente que el haz sea lo más estrecho posible y la frecuencia sea alta →inconveniente de la atenuación.

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