Que es un sensor? Un sensor es un dispositivo que convierte un fenómeno físico a un senal medible (tensión, corriente) Temperatura Presión Posición Intensidad de luz sonido Fuerza, tensión Tensión Corriente
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
Sensor de desplazamiento angular El potenciometro
El potenciometro Conectado como divisor de voltaje, entrega una tensión proporcional a su posición angular
Sensor de posición angular Disco ranurado Puede medir posición relativa y/o posición absoluta.
Posición lineal Potenciometro lineal (similares a los utilizados en equalizadores de equipos de audio)
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
Sensores de fuerza y momento Strain gauges: miden fuerza sobre un material midiendo la variación de su resistencia
Strain gauges Gauge factor
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
Sensor piezoeléctrico Un cristal al ser sometido a una presión desplaza una pequena cantidad de carga. Efecto piezoelectrico Otras aplicaciones: microfonos, parlantes
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
Termistores Son elementos cuya resistencia varia con la temperatura. Estos dispositivos son muy sensibles a la variación de temperatura. Su respuesta es no-lineal.
Termistores Self-heating Parámetros importantes Resistencia a T=25grados. Coeficiente de disipación térmica
RTD Resistive temperature detector: cuando un metal es calentado su resistencia se incrementa. R=función(T) RTD de platino (PT100)
RTD
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.
Termocuplas
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.
Tipos de termocuplas
Termocuplas
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. 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).
Sensores de estado solido Dos diodos idénticos a la misma temperatura LM335 Rango Temp: -40 a 100 grados
Sensores de Temperatura
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.
Sensores de nivel Medición de nivel en materiales no conductores La capacidad en forma aproximada esta definida como Las constantes dialectricas del liquido y el aire son conocidas. La sección de las placas se mantiene constante 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
LDRs Respuesta espectral Mayor nivel de iluminación, menor resistencia
LDRs – Aplicaciones
LDRs – Aplicaciones
LDRs – Aplicaciones
Adquisición de datos Variable física Variable eléctrica (tensión, corriente, resistencia, capacidad) Tension Dato en formato digital SENSOR Acondicionamiento de senal Conversión A/D Procesamiento de datos Almacenamiento Visualización
Acondicionamiento de señales
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.
Acond. de senal: termpocuplas 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..
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.
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
Conversión corriente-tensión La senal de corriente del sensor de 0-20mA es convertida a 0-10volts
Amplificación Requerimientos Elevada impedancia de entrada Elevada ganancia diferencial Elevado rechazo de senal en modo común (RRMC)
Amplificador de instrumentación
Adquisición de datos Filtro anti-aliasing Sample & hold Cuantización senal analógica acondicionada Palabra digital Criterio de Nyquist: una senal debe ser muestreada al doble de su máxima componente de frecuencia frecuencia fmin fmax Espectro entrada Respuesta filtro anialiasing 0 1 0 0 . . 1