Download Introducción a la Electrónica

Introducción a la
Electrónica
SENSORES
12/08/2008
Introducción a la Electrónica 2008
Que es un sensor?

Un sensor es un dispositivo que convierte un fenómeno físico a
un senal medible (tensión, corriente)
Temperatura
Presión
Posición
Tensión
Intensidad de luz
Corriente
sonido
Fuerza, tensión
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Caracterización de sensores










Accuracy: Es la máxima difrerencia entre el valor indicado y el valor real
Resolución – Es el minimo incremento que el sensor puede detectar.
Repetitividad: La medida de un mismo valor es realizada y repetida con
pequena
Linealidad
Precision – Se considera la resolución, precisión y repetitividad.
Rango - es el valor limit que el sensor puede
Respuesta dinamica: es el rango de frecuencia que un sensor puede operar
(ej. Oido humano 10Hz-16 Khz)
Lugar de aplicación: existen sensores que no pueden operar en condiciones
ambientales severas.
Calibración
Costo
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Sensor de desplazamiento angular
El potenciometro
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
El potenciometro
Conectado como divisor de voltaje, entrega una tensión proporcional a
su posición angular
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Sensor de posición angular
Disco ranurado
Puede medir posición
relativa y/o posición
absoluta.
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Posición lineal
Potenciometro lineal (similares a los
utilizados en equalizadores de equipos de
audio)
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Posición lineal

Transformador variable diferencial linear (LDVT) diferencial
Se aplica una tensión alterna, y la tensión inducida en cada bobinado
secundario dependera de la posición del nucleo magnetico
Nucleo movil
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Sensores de fuerza y momento

Strain gauges: miden fuerza sobre un material midiendo la
variación de su resistencia
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Strain gauges
Gauge factor
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Circuito de medición

Puente de Weasthone: La variación de resistencia es muy
pequena. El uso del puente de Weasthone permite medir
estas pequenas variaciones
R2 se ajusta
para obtener
V0=0volts.
El valor de la Rstrain se
puede calcular con
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Sensor piezoeléctrico
Un cristal al ser sometido
a una presión desplaza
una pequena cantidad de
carga.
Efecto piezoelectrico
Otras aplicaciones:
microfonos, parlantes
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Sensado de temperatura

Termistores
•
•



Resistencias NTC (coeficiente negativo de
temperatura) . (ver NTC_20....pdf)
Resistencias PTC (coeficiente positivo de
temperatura) .
RTD: resistive temperature detectors
Termocuplas
Circuitos integrados
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Termistores



Son elementos cuya
resistencia varia con la
temperatura.
Estos dispositivos son muy
sensibles a la variación de
temperatura.
Su respuesta es no-lineal.
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Termistores

Self-heating
Parámetros importantes
 Resistencia a T=25grados.
 Coeficiente de disipación
térmica
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
RTD

Resistive temperature detector: cuando un metal es calentado
su resistencia se incrementa.
R=función(T)
RTD de platino (PT100)
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
RTD
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Termocuplas


Efecto Seebeck: Un gradiente de
temperatura a lo largo de un conductor
crea una fuerza electromotriz.
Si dos conductores de metales diferentes
son unidos en un punto, una FEM es
creada en los terminales abiertos.
Esta tensión es dependiente de las
temperaturas T1 y T2.
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Termocuplas
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Compensación juntura fria
En lugar de mantener la juntura de referencia a un
temperatura conocida o medirse esta temperatura
Compensar las variaciones de la tensión generada en la
juntura de referencia, insertando en el circuito de medición
una tensión de variación igual y opuesta a esta tensión.
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Tipos de termocuplas
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Termocuplas
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Conexión de termocuplas
Conexión directa a un instrumento
Al insertar un voltímetro en el circuito
para efectuar la medición, aparecen
nuevas junturas en la conexión entre el
voltímetro y la termocupla.
09/08/2017
Puede generarse una juntura
adicional, agregando un cable
de cobre a la salida del
instrumento (juntura Cu-Cu en el
borne,
que no genera potencial), y
desplazar la juntura de conexión
al instrumento fuera del borne
(juntura que se llamará de
referencia).
Introducción a la Electrónica 2008
Sensores de estado solido

Dos diodos idénticos a la misma temperatura
LM335
Rango Temp: -40 a 100 grados
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Sensores de Temperatura
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Sensores de nivel

Capacitor de placas paralelas
La capacidad depende de la
distancia entre placas, la
constante dielectrica del
material entre placas y la
sección de las placas.
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Sensores de nivel

Medición de nivel en
materiales no conductores
Las constantes
dialectricas del liquido y
el aire son conocidas.
La sección de las placas
se mantiene constante
La capacidad en forma aproximada esta definida como
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
La capacidad es
función del nivel
del liquido
Fotocelulas (LDR)
LDR ( resistencia variable
por iluminación)
Son dispositivos que varían su
resistencia con el nivel de
iluminación

Nivel de iluminación (en lux)
•Una lampara de 60 watts a 1 metro de distancia – 50 lux
•Luz de luna – 0.1 Lux
•Luz de sol - 30000 Lux
•Tubo fluorescente – 500 Lux
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
LDRs
Respuesta espectral
Mayor nivel de iluminación, menor
resistencia
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
LDRs - Aplicaciones
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
LDRs - Aplicaciones
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
LDRs - Aplicaciones
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Adquisición de datos
Acondicionamiento de
senal
SENSOR
Variable
eléctrica
Variable
Tension
(tensión,
corriente,
resistencia,
capacidad)
física
Conversión
A/D
Dato en
formato
digital
•Procesamiento
de datos
•Almacenamiento
•Visualización
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Acondicionamiento de señales
Sensor
Caracteristicas electricas
Requerimientos de condicionamiento
de señal
Termocupla
Bajo voltaje de salida, baja sensitividad,
respuesta nolineal
Sensor de temperatura de referencia
(compensación de juntura fria)
Amplificación de elevada ganancia
Linealización
RTD
Baja resistencia
Baja sensitividad
Respuesta nolineal
Excitación de corriente
Linearización
Strain gauge
Baja resistencia
Baja sensitividad
Respuesta nolineal
Excitación de voltaje/corriente
Amplificación
Conexionado de puente de medición
Linearización
Termistor
Elevada resistencia y elevada
sensitividad
Respuesta altamente nolineal
Excitación de voltaje/corriente
con resistencia de referencia
Acelerometro activo
Elevado voltaje/corriente de salida
Amplificación moderada
AC Linear Variable
Differential
Transformer (LVDT)
Voltaje de salida AC
Excitación de alterna
Demodulación
Linearización
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Acondicionamiento de senal
AMPLIFICACIÓN:
La senal generada por los sensores es de baja magnitud. Esta debe ser
amplificada antes de ser transmitidas.
FILTRADO:
Filtros deben ser incluidos para eliminar interferencias no deseadas ( ruido de línea
50/60 Hz,…)
FILTRADO ANTIALIASING:
tambien se utilizan filtros para eliminar las componenes de alta frecuencia de la
senal. Ver Teorema de Nyquist.
AISLAMIENTO:
se utiliza para separar la fuente de senal (sensor) del dispositivo medidor
(aislamiento por transformador, óptico, capacitivo)
MULTIPLEXADO:
Senales provenientes de diferentes sensores pueden ser procesadas por un único
conversor.
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Acond. de senal: termpocuplas


1)
2)
3)
Hardware: se adiciona una tensión de
desplazamiento de signo contrario.
Software:
Se mide la temperatura de la juntura de
referencia y se calculá la tensión
equivalente de la termocupla a esa
temperatura utilizando tablas de
temperatura o polinomios.
Se mide el voltaje de salida de la
termocupla y se le suma el voltaje de la
juntura de referencia calculado en el paso 1.
El voltaje resultante es convertido a
temperatura utilizando polinomios o tablas..
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Acondicionamiento de senal
Conexionado de RTD con 2 y 4 cables
La tensión medida es afectada por
la resistencia del cableado
La tensión medida NO es
afectada por la resistencia del
cableado
Desventaja: MAS COSTOSO. Necesito
un conductor de 4 hilos.
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Senales de corriente

Algunos sensores utilizados en control de procesos
aplicaciones de monitoreo generán una senal de 4 to 20 mA or
0 to 20 mA.
• Menos sensible al ruido y caida de tensión en el cableado.
• El sistema de acondicionamiento de senal debe convertir la
senal de corriente a tensión
Ejemplo: Medidor de temperatura
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Conversión corriente-tensión
La senal de corriente del
sensor de 0-20mA es
convertida a 0-10volts
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Amplificación
Requerimientos
 Elevada impedancia de entrada
 Elevada ganancia diferencial
 Elevado rechazo de senal en modo común (RRMC)
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Amplificador de instrumentación
v1  v2
iR1 
2 R1
vo, x 2
09/08/2017

R2 
(v1  v2 )
 vo, x1  v1  v2  2iR1 R2  1 
R1 

Introducción a la Electrónica 2008
Adquisición de datos
0
1
0
0
Filtro anti-aliasing
Sample & hold
Cuantización
.
.
1
senal analógica
acondicionada
Palabra
digital
Respuesta filtro anialiasing
Criterio de Nyquist: una
senal debe ser
muestreada al doble de su
máxima componente de
frecuencia
09/08/2017
Espectro entrada
fmin
fmax
Introducción a la Electrónica 2008
frecuencia