SENSORES RESISTIVOS

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS

CIRCUITOS ELECTRICOS I

ING: ALBERTO

ALBUJA

TEMA:

SENSORES RESITIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS ALUMNO:

LOACHAMIN LOACHAMIN LOY LOYA EDGAR SANTIAGO SANT IAGO NRC:

2807

Sangolqu, 28 !" O#$u%&" !" 20'(


P)g*na '


INDICE 1. SENSORES RESISTIVOS FUNCIONAMIENTO

INTRODUCCIÓN CIRCUITOS ELECTRICOS I

P)g*na 2


SENSORES Un sensor convierte una señal física de un tipo en una señal física de otra naturaleza. Por ejemplo una termocupla produce un voltaje que está relacionado con la temperatura, así mismo en una resistencia metálica se aprovecha el fenómeno de variación de la resistencia con con la temp temper erat atur uraa para para prod produc ucir ir una una seña señall de volt voltaj ajee que que sea sea prop propor orci cion onal al a la temperatura. La diferencia entre los dos ejemplos está que para el caso de la termocupla se produce un milivoltaje producto de la unión de dos materiales a una determinada temperatura, en el segundo ejemplo la pura resistencia por si sola no puede hacer la conversión a voltaje sino que requiere de un circuito  de una fuente de alimentación alimentación.. !n el primer caso tenemos al elemento sensor sólo, en el segundo al elemento sensor más un circuito, en este segundo caso la unión de los dos constitue el transductor. "anto en el caso de la termocupla como de la resisten resistencia cia metálica metálica se necesit necesitan an etapas etapas adicio adicionale naless de acondi acondicio cionam namien iento to como como amplificación  filtraje de la señal.

1.SENSORES RESISTIVOS Los sensores moduladores del tipo resistivos, son aquellos que varían una resistencia en func funció ión n de la vari varia# a#le le a medi medir. r. $e ha realiz realizad ado o una una clasi clasific ficaci ación ón de estos estos sens sensor ores es en función de la varia#le a medir, tal como refleja la ta#la siguiente%


P)g*na (


1.2 TIPOS DE SENSORES RESISTIVOS 1.2.1 SENSORES POTENCIÓMETRICOS &omponente el'ctrico cua resistencia es función del desplazamiento de un elemento móvil. &onsiste en una resistencia fija con un contacto móvil deslizante lineal o giratorio (cursor) que lo divide el'ctricamente. Los potenciómetros pueden ser lineales (*ariación constante por unidad de longitud) o logarítmicos, antilogarítmicos, senoidales (Poco utilizados actualmente). La magnitud de entrada (+) es la posición del cursor con respecto uno de los terminales. !l valor de la resistencia entre el cursor  dicho terminal es la varia#le de salida.

!n la donde%    

-% resistividad del material % sección transversal del resistor L% longitud del resistor +% fracción recorrida de la longitud de la resistencia entre los terminales.

CARACTERISTICAS •

Un potenciómetro es un dispositivo electromecánico que consta de una resistencia de valor fijo so#re la que se desplaza un contacto deslizante, el cursor, que la divide el'ctricamente.

•

La aplicación más com/n de este dispositivo en instrumentación es como sensor de


P)g*na +

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS desplazamiento de tipo resistivo. !l movimiento del cursor origina un cam#io en la resistencia medida entre el terminal central  uno cualquiera de los e+tremos. !ste cam#io de resistencia puede utilizarse para medir desplazamientos lineales o angulares de una pieza acoplada al cursor. Para la o#tención de una señal el'ctrica relacionada con el desplazamiento se alimenta en general, con una tensión continua, adoptando la configuración de un simple divisor de tensión.

•

Los potenciómetros pueden utilizarse para medir diversas magnitudes físicas siempre que sea posi#le convertirlas en un desplazamiento.

•

 pesar de que estos sistemas fueron los primeros que se emplearon en la instrumentación industrial, ho en día la aplicación del potenciómetro como sensor de desplazamiento ha caído en desuso por diversos pro#lemas%



0ecánicos% anclajes, rodamientos, guías.



1ozamiento% acorta la vida. $uele indicarse la vida mecánica en ciclos.



uto calentamiento% provoca errores, a que la resistencia varía con la temperatura.



*i#raciones% puede provocar la p'rdida de contacto del cursor so#re la resistencia

!stos pro#lemas han hecho que estos dispositivos haan sido sustituidos por dispositivos más fia#les #asados en procedimientos de detección ópticos como los codificadores de impulsos.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO !l fundamento teórico de los sensores potenciometricos es esta#lecida por la ecuación de 2ernst, que se #asa en la medida de los potenciales el'ctricos en materiales o soluciones para calcular la concentración de disoluciones iónicas,  consta #ásicamente de tres elementos% dispositivo de medida de potencial, electrodo de referencia  el electrodo selectivoaionesacaracterizar. 3ispositivo de medida de potencial es el instrumento utilizado para medir el voltaje de la


P)g*na -

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS celda que forman el electrodo indicador  de referencia. !n realidad es un voltímetro mu sensi#le que amplifica la d'#il señal el'ctrica que producen los electrodos  permite lecturas de hasta 4.5 m* con gran e+actitud. Los electrodos de referencia suelen ser de do#le unión o de calomelano respecto a los cuales se miden las variaciones de potencial. 6inalmente, los electrodos selectivos a iones como su nom#re indica son electrodos sensi#les a la presencia de un tipo de ión en la solución  permiten su cuantificación. !l t'rmino 7selectivo8 quiere decir que son sensi#les a una familia de iones de características similares, pero de entre todos ellos tienen maor afinidad por uno en concreto.

!n los electrodos selectivos a iones (9$!s), la mem#rana es responsa#le tanto del reconocimiento selectivo como de la transformación del potencial generado en una señal el'ctrica que se puede medir, es decir el receptor  el transductor están integrados en un /nicoelemento. !l sistema en la figura act/a como una pila, de forma que al sumergir los dos electrodos en la solución se esta#lecerá un flujo momentáneo de iones en la interface e+istente entre la mem#rana selectiva  la solución de tra#ajo, produci'ndose una diferencia de potencial, cua magnitud depende de la cantidad de iones presente en la solución.

La diferencia de potencial medida es la suma de tres contri#uciones% la interacción entre la mem#rana sensora  el ión de inter's, la interacción que se origina entre el elemento de referencia  el medio donde está insertado, proporcionando un potencial constante si la composición del medio de referencia  la temperatura no varían  por /ltimo la denominada unión liquida, que se origina entre la solución de tra#ajo  la solución interna del electrodo de referencia. Los clásicos electrodos de referencia empleados en


P)g*na .

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS potenciometría, calomelano  g:g&l fijan su potencial utilizando una solución de cloruro de actividad constante. 6recuentemente es necesario el uso de una segunda disolución de electrolito que se interpone, mediante un puente salino, entre esta disolución interna de referencia  la muestra, con el fin de evitar la interacción entre am#as. !sta unión liquida representa una interfase donde un electrolito se difunde en el otro, siendo la causa del surgimiento de un potencial el'ctrico, que contri#ue al potencial de la celda, denominado potencial de unión líquida. !sta diferencia de potencial suele ser pequeña  normalmenteesdemagnituddesconocida. Por otra parte, de#ido a que el potencial de interfase interno  el potencial del electrodo de referencia interno son constantes, la medida del potencial que se genera en la celda electroquímica, representa /nicamente el cam#io de potencial que se produce a trav's de la superficie de la mem#rana del 9$!, o#teni'ndose de esta forma información de la concentración de iones en la muestra.

TIPOS DE POTENCIÓMETROS

Los potenciómetros se pueden clasificar atendiendo a diversos criterios%

Según elemento resistio !tili"#$o% 

;ilo #o#inado% el elemento resistivo es un hilo arrollado so#re un soporte. !+celente esta#ilidad t'rmica  capacidad para manejar niveles de potencia


P)g*na 7

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS considera#les.

 2o #o#inados% el elemento resistivo puede ser cermet (aleación de cerámica  metal), car#ón, plástico conductivo, película metálica.

Por el ti&o $e $es&l#"#miento '!e re#li(e el (!rsor% -

0ovimiento lineal% el cursor descri#e desplazamientos en línea recta. !l desplazamiento puede ir desde milímetros hasta varios metros.

-

1otatorios% pueden ser de una vuelta o multivuelta (<, =, 54 o 5=)

-

&uerda, 7oo> o de ca#le% permiten medir la posición  la velocidad de un ca#le fle+i#le arrollado en una #o#ina que está sometida a la tracción de un muelle.

CIRCUITO E)UIVA*ENTE


P)g*na 8


&onsideremos el circuito de la figura formado por un potenciómetro lineal de resistencia nominal 1  de longitud de desplazamiento má+imo, L. $ea l el desplazamiento actual medido desde un punto tomado como referencia  sea +?l:L la fracción del desplazamiento recorrido. &omo el potenciómetro es lineal, a una fracción de recorrido +, le corresponde una fracción equivalente de la resistencia nominal 1. $e o#tienen así las relaciones% 15?1+  1@?1 (5+).

!l comportamiento del potenciómetro como elemento de un circuito depende de su de su impedancia de salida, 1o. La figura de la derecha muestra el circuito equivalente "hevenin visto entre el cursor  el e+tremo de referencia. La impedancia de salida cam#ia en función de la fracción de desplazamiento +, llegando a ser hasta un @=A del valor nominal del potenciómetro, justo a la mitad del recorrido. !n el resto de posiciones, e+cepto en los e+tremos, el efecto de la impedancia de salida va a influir so#re la tensión leída, es decir, va a introducir un error respecto a la respuesta ideal.

E* POTENCIÓMETRO EN CAR+A


P)g*na /


nalizando el circuito del potenciómetro con carga de la figura se o#tiene la relación entre la tensión de salida  el desplazamiento. !sta relación se ha representado gráficamente. *emos como al conectar una carga al potenciómetro se introduce en el sistema un error de no linealidad. La magnitud de esta no linealidad depende de B, que es la relación entre la resistencia de carga  la nominal del potenciómetro. $i 1L es considera#lemente maor que 1, es decir, para un C suficientemente grande, la salida es prácticamente lineal como se muestra en la figura para B?54. $i el valor de 1L es similar al valor de 1, (B?5) la salida presenta un error de linealidad aprecia#le. !n resumen para conseguir una respuesta lineal se de#e e+igir al sistema que se acople una impedancia de entrada alta comparada con la resistencia nominal del potenciómetro.

MEDIDA A TRES ,I*OS


P)g*na '0


•

demás del error de#ido a la carga, otra fuente de error en los sistemas de medida #asados en potenciómetros es el ca#leado. !n general, un ca#le presenta una resistencia pequeña, pero la situación cam#ia cuando supera cierta longitud. La figura muestra un sistema de medida a tres hilos en el que la señal de salida del potenciómetro se envía a trav's de tres ca#les al punto donde se procesa la medida.

•

3espreciando el error de#ido a la carga, es decir, considerando que la impedancia de entrada del medidor es mu elevada comparada con la impedancia de salida del conjunto sensor Potenciom'tricosca#les. 3el análisis de la e+presión de vo se deduce que se tiene un error de offset o error de cero, dado que para +?4 se tiene una tensión distinta de cero. Por otro lado la sensi#ilidad se aparta de la ideal.

MEDIDA A CUATRO ,I*OS


P)g*na ''


Para eliminar el error de offset puede utilizarse el circuito de medida a cuatro hilos de la figura.

E-EMP*OS DE AP*ICACIÓN%


P)g*na '2

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS +A*+AS ETENSIOMETRICAS *ariaciones de la resistencia de un conductor o semiconductor sometido a un esfuerzo mecánico.

FACTOR DE +A*+A

3e la e+presiones anteriores vemos que para lograr maores cam#ios en D1, será


P)g*na '(

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS conveniente tener maores longitudes de hilo (p.e con una disposición enzigzag)  de pequeña sección.

TIPOS DE +A*+AS



Ealgas metálicas% para su fa#ricación se emplean diversos conductores metálicos, como las aleaciones constatan, Barma, isoelestic  aleaciones de platino. Pueden ser de%



;ilo metálico. $on las más sencillas. 2ormalmente están adheridas a una #ase de dimensiones esta#les. 9ntroducen errores en la medida ante estados tensiónales no longitudinales.



Película metálica. $on las que se desarrollan por m'todos de fotogra#ado. $e fa#rican de forma similar a la producción de circuitos impresos en #ases fle+i#les.



0etal depositado. $on las aplicadas directamente so#re superficies mediante m'todos de evaporización o #om#ardeo químico. $e usan en los diafragmas de los sensores de presión.



Ealgas semiconductoras% se fa#rican de silicio u otro material semiconductor.


P)g*na '+

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS !l margen de medida es apro+imadamente igual a <444 FG mientras que las de metal se e+tiende hasta apro+imadamente H4444 FG. $u cam#io resistivo es menos lineal que las de metal  tienen una gran dependencia de la temperatura. $e usan en la fa#ricación de sensores integrados de presión donde se implantan en micro diafragmas para medir presión.

MODO DE EMP*EO

Para la correcta utilización de las galgas se de#e de tener en cuenta lo siguiente% 

Las galgas solo miden en una dirección, por lo que cuando se colocan se de#e tener cuidado de alinearlas teniendo en cuenta las marcas de alineación que presentan.



$olo proporciona la medida del estado tensional de la superficie que ocupa la galga, no el de toda la superficie.



$i se desconoce la dirección de la tensión a que estará sometida la galga se podría utilizar dos galgas dispuestas en la misma zona ortogonalmente.



La transmisión del esfuerzo de la superficie en que se va a medir hasta el metal


P)g*na '-

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS de#e de realizarse sin p'rdida de información, por lo que el sistema de#e garantizar la no a#sorción del esfuerzo. Para ello se emplean pegamentos de gran resistencia mecánica que permiten un óptimo funcionamiento. "am#i'n se de#e tener una cierta preocupación en la 7pasivación> de la superficie e+puesta mediante una capa de material que la proteja frente a inclemencias am#ientales.

Cir(!itos $e me$i$#

$e puede duplicar la sensi#ilidad en el voltaje de salida disponiendo dos galgasactivas una a tracción  otra a compresión como se muestra en la figura. demás se compensa el efecto de la temperatura.

Com&ens#(i/n $e tem&er#t!r#


P)g*na '.


Las galgas son #astante sensi#les a la temperatura (hasta =4 FG:I&), por lo quese suelen compensar mediante una galga pasiva conectada en la misma ramaque la activa  físicamente pró+ima a ella, de forma que se encuentre a sumisma temperatura, pero no sometida a esfuerzos, por ejemplo 1< galga activa  1H galga de compensación o #ien 1@ galga activa  15 galga de compensación.

Utili"#(i/n $e los (ir(!itos $e me$i$#


P)g*na '7


La utilización de los puentes de medida con galgas ha que tener en cuentadiversos aspectos% !quili#rado del puente. !n ausencia de esfuerzos, la tensión de salida delpuente de#e ser nula. $e ajusta con el potenciómetro 1PJ"  12ULL. &ali#ración del puente. $e coloca una resistencia 1$; en paralelo con lagalga activa. La deformación que simula esa resistencia está dada por lae+presión de la figura. La resistencia del interruptor ha de ser mu #aja, serecomienda el uso de rel's encapsulados al vacío. &a#leado del puente. !n muchas ocasiones el puente no está en el mismolugar que las galgas, por lo que las resistencias del ca#leado pueden afectar a lamedida. !ste efecto puede compensarse equili#rando el puente antes deutilizarlo para medir. Jtro efecto es la variación de la resistencia del ca#le con la temperatura. !neste caso se puede efectuar una medida a tres hilos.

A&li(#(iones


P)g*na '8


Las galgas pueden utilizarse para dos tipos de aplicaciones%  0edir estados de deformación.  0edir otras varia#les% principalmente peso  presión.

Para la medida de peso se emplean las denominadas c'lulas de carga (loadcells). $e trata de piezas mecánicas de variada configuración, diseñada de talforma que en alguna parte de su estructura, el peso aplicado se transforma enuna deformación proporcional que se mide con dos o cuatro galgas. Losfa#ricantes especifican la sensi#ilidad del puente que contienen como la tensiónde salida partido por la tensión de alimentación.

*ariando la alimentación dentro del margen permitido por el fa#ricantepodemos acondicionar la salida del puente al margen dinámico de entrada delamplificador al que conectemos la salida.


P)g*na '/


La medida de presión se realiza mediante un sistema de mem#rana quetransforma la diferencia de presión entre sus dos caras en una deformación quese mide mediante un puente de cuatro galgas en el que dos tra#ajan a tracción dos a compresión, tal como se muestra en la figura.


P)g*na 20

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS FOTORRESISTENCIAS

Las fotorresistencias (L31) son sensores resistivos #asados ensemiconductores empelados para la medida  detección de radiaciónelectromagn'tica.

Una L31 típica consiste en una fina capa semiconductora dispuesta so#re unsustrato cerámico o plástico. La película semiconductora descri#e una pista en zigzag con contactos en los e+tremos. La forma de la película sensitiva tienenpor o#jeto ma+imizar la superficie de e+posición  al mismo tiempo mantener unespacio reducido entre los electrodos para aumentar la sensi#ilidad.

!ntre los materiales semiconductores más usados para realizar las L31s seencuentran el sulfuro de cadmio (&d$)  el seleniuro de &admio (&d$e). !stosmateriales son mu utilizados so#re todo en los sensores fotoconductivos de#ajo costeK sin em#argo su respuesta es relativamente lenta, desde 54 ms avarios segundos. La tensión má+ima que pueden soportar puede llegar hasta 44 *  ha modelos capaces de disipar más de 5M.

Mo$elo CIRCUITOS ELECTRICOS I

P)g*na 2'


Cir(!itos $e me$i$#

Las fotorresistencias (L31) son sensores resistivos #asados ensemiconductores empelados para la medida  detección de radiaciónelectromagn'tica.


P)g*na 22

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS Una L31 típica consiste en una fina capa semiconductora dispuesta so#re unsustrato cerámico o plástico. La película semiconductora descri#e una pista en zigzag con contactos en los e+tremos. La forma de la película sensitiva tienenpor o#jeto ma+imizar la superficie de e+posición  al mismo tiempo mantener unespacio reducido entre los electrodos para aumentar la sensi#ilidad.

!ntre los materiales semiconductores más usados para realizar las L31s seencuentran el sulfuro de cadmio (&d$)  el seleniuro de &admio (&d$e). !stosmateriales son mu utilizados so#re todo en los sensores fotoconductivos de#ajo costeK sin em#argo su respuesta es relativamente lenta, desde 54 ms avarios segundos. La tensión má+ima que pueden soportar puede llegar hasta 44 *  ha modelos capaces de disipar más de 5M.

!l acondicionamiento suele realizarse mediante un divisor de tensión, siendoaplica#les las consideraciones realizadas para las 2"&s. sí, en aplicaciones demedida donde se #usca una respuesta lineal, la o#tención del valor de 1 puedehacerse calculando el valor que lleve a la má+ima linealidad en el punto centraldel intervalo de medida.

!l circuito de la figura se comporta como un detector de luz. sí cuando elnivel de luz aumenta 1L disminue  *o aumenta. Para detectar cuando el nivelde luz disminue por de#ajo de un determinado nivel de luz se intercam#ia lasposiciones de la L31  de 1.

;aciendo que el punto de infle+ión coincida con el centro de nuestro intervalode medida, se o#tiene el valor de 1, donde 1Lc es la resistencia de la L31 en elpunto central del intervalo de medida. !l valor de * de#e limitarse para que noe+ista auto calentamiento, resultando * ? @(ND"1)5:@. l igual que hacíamos en las 2"&s se puede linealizar la respuesta de las L31 conectando una resistencia en paralelo a costa de disminuir la sensi#ilidad.

A&li(#(iones t0&i(#s


P)g*na 2(


Las aplicaciones típicas de las L31s se centran en la medida de luz (fotometría) en la detección de cam#ios de luz. Las fotorresistencias son sensores #astantesensi#les, so#re todo con #ajos niveles de iluminación, aunque en esta zona sudependencia con al temperatura se hace mu acusada. Jtro inconveniente es sulentitud de respuesta a que presentan constantes de tiempo del orden desegundos lo que limita su uso a aplicaciones de #aja frecuencia.


P)g*na 2+


SENSORES DE +ASES DE OIDOS META*ICOS

Los sensores de gases están compuestos de ó+idos metálicos, generalmente deestaño ($nJ@). $e utilizan para la detección de un #uen n/mero de gases deinter's industrial como%

 J+ígeno.  Eases com#usti#les% propano, metano, hidrógeno, etc.  Eases tó+icos% monó+ido de car#ono, amoníaco.  3isolventes orgánicos% alcohol, tolueno, etc.  &ontaminantes% &J@.  &lorofluorocar#onos (&6&)


P)g*na 2-


Prin(i&io $e !n(ion#miento

!l ó+ido de estaño puro es un semiconductor tipo n de#ido a la e+istencia devacantes de o+ígeno, que act/an como donadores de electrones.

&uando un cristal de $nJ@ se calienta a una temperatura suficientementeelevada, la superficie del cristal adsor#e o+ígeno del aire. Los electronesdonadores de la superficie del cristal son transferidos al o+ígeno adsor#idoformándose una #arrera de potencial que impide el flujo de electrones. 3entrodel sensor la corriente el'ctrica flue a trav's de la unión de los cristales de$nJ@ (fronteras de grano). !n las fronteras de grano el o+ígeno adsor#ido formauna #arrera de potencial que impide que los electrones se muevan li#remente Laresistencia el'ctrica del sensor es de#ida a esta #arrera de potencial.

!n presencia de un gas reductor la densidad superficial del o+ígeno cargadonegativamente disminue, por lo que la altura de la #arrera de potencial en lasfronteras de grano se reduce  por tanto se reduce tam#i'n la resistencia el'ctrica.

C#r#(ter0sti(#s $el sensor CIRCUITOS ELECTRICOS I

P)g*na 2.


La relación entre la resistencia del sensor, 1$  la concentración de gas O&puede e+presarse, en un cierto margen de la concentración del gas, por laecuación%

1$ ? C O&a

La figura muestra la respuesta del sensor de metano "E$ QH@ de la firma 6igaro OH. $e o#serva como el sensor no solo es sensi#le al metano, sinotam#i'n a otros gases com#usti#les (escasa selectividad) Los valores deresistencia se e+presan referidos a la resistencia del sensor a <=44ppm demetano.

Puede conseguirse una maor selectividad a un gas concreto en función de latemperatura de los electrodos  del filtro interno que incorporen.


P)g*na 27


!n la figura de la izquierda se muestra la respuesta temporal típica quepresenta este tipo de sensores.

!n el instante inicial de cone+ión de la alimentación, independientemente dela concentración de gases, la resistencia del sensor cae #ruscamente puesto queno se adhiere el o+ígeno. !sto podría ser interpretado como una concentraciónmu elevada del gas a detectar  provocar una falsa alarma. ;a de evitarse portanto la medida durante dicho instante inicial. &uando el gas a detectardesaparece la resistencia del sensor recupera su valor original. La velocidad derespuesta depende del modelo de sensor  del tipo de gas.

Jtros inconvenientes de los sensores de gas es la fuerte dependencia con latemperatura  con la humedad del am#iente (ver figura). La temperaturaam#iente afecta a la característica de sensi#ilidad cam#iando la velocidad de lareacción química, por lo que se requiere emplear un circuito de compensación detemperatura. sí mismo la humedad causa una reducción en 1$.

Cir(!ito $e me$i$#


P)g*na 28


Los sensores de gases presentan cuatro terminales, dos corresponden al propiosensor  otros dos, a los electrodos de calentamiento de forma que latemperatura sea la adecuada para que tengan lugar las reacciones químicas. Los electrodos de calentamiento tardan alg/n tiempo en alcanzar la temperaturanominal desde que se alimenta el dispositivo (<44s). La tensión decalentamiento suele ser pulsos de una determinada duración.

A&li(#(iones CIRCUITOS ELECTRICOS I

P)g*na 2/


Las aplicaciones de los sensores de gases son principalmente para detectar unnivel determinado de concentración de gas. $upongamos que se desea activaruna alarma cuando la concentración de gas sea de 5=44 ppm a @4I&  =A ;1.

&omo se o#serva en la figura, si la temperatura varía entre 54I&  H4I& el puntode alarma se desplazará entre 44 ppm 
Para evitar que se produzca una alarma en el instante inicial de cone+ión de laalimentación se monta el circuito de la figura.

MA+NETORRESISTENCIAS


P)g*na (0


Los sensores magnetorresistivos (01) se fa#rican depositando una películadelgada de una aleación 2i6e (Permallo) so#re una o#lea de $i, formando asíuna lámina resistiva. 3urante el proceso de deposición, el material es sometido aun campo magn'tico e+terno para alinear en una cierta dirección su vector demagnetización 0.

$i se aplica un campo magn'tico ; paralelo a la lámina de permallo perpendicular a la corriente, el vector 0 gira acercándose a la dirección de lacorriente. !l ángulo relativo R entre 0 e i viene dado por la e+presión%

sen@R ? ;@:;o@

La resistencia de la lámina cam#ia en función del ángulo R seg/n% 1 ? 1o SD1o cos@Rdonde ;o es el llamado campo característico del material (de#ido a lamagnetización inicial), 1o es la resistencia del material cuando 0 e i sonperpendiculares (valor mínimo). !l valor má+imo de la resistencia se tendrácuando la corriente sea paralela o antiparalela a la magnetización, mientras queel valor mínimo corresponderá a una orientación perpendicular entre am#os.

*ine#li"#(i/n $el ee(to m#gnetorresistio


P)g*na ('


La linealización de la ecuación se realiza añadiendo tiras de l (#ar#er pole)so#re la superficie de permallo  a H=I respecto al eje longitudinal. &omo el ltiene una conductividad mucho maor que el permallo el efecto es una rotación de H=I de la corriente cam#iando el ángulo entre 0 e i de R a (RH=I).

La magnetización inicial (en ausencia de campo magn'tico) puede alterarse operderse por la acción de campos e+ternos de desmagnetización no deseados. Para que no ocurra esto, de forma periódica se somete el sensor a pulsose+ternos de reorientación del vector 0.


P)g*na (2

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS A(on$i(ion#miento

Las láminas de material semiconductor magnetorresitivo se utilizan formandoestructuras de puente o semipuente de Mheatstone. &on ello se tiene unaprimera compensación t'rmica del su#sistema sensor resultante. La figura de laizquierda muestra un puente de Mheatstone en el que cada mitad del puenteestá formado por dos magnetorresistencias sensoras con sensi#ilidad opuesta ala acción del campo magn'tico. &ada mitad del puente se ajusta empleando unaresistencia adicional para tener una tensión *#:@ de forma que *o ? 4 cuando noha campo e+terno aplicado.


P)g*na ((


A&li(#(iones

!l campo magn'tico terrestre puede considerarse uniforme en una región devarios Bilómetros cuadrados. Un o#jeto ferromagn'tico, como puede ser unvehículo, altera el campo terrestre localmente, por lo que se puede detectar estapertur#ación mediante un sensor 01. 0ediante un procesamiento posterior de laseñal analógica o#tenida es posi#le clasificar los vehículos por su tamaño.

Jtras aplicaciones de inter's son el diseño de medidores electrónicos delcampo magn'tico terrestre (compás electrónico), acelerómetros, sensores devi#ración, medidores de posición lineal  angular o sensores de corriente. !n lafigura se recogen ejemplos prácticos de aplicación.


P)g*na (+


La disposición de los imanes en una rueda que gira permite la presencia oausencia de campo magn'tico en las pro+imidades de la rueda. !ste campomagn'tico es detectado por un sensor 01 generando una señal cuadrada defrecuencia igual a la velocidad angular de la rueda.

!l campo magn'tico que genera una corriente puede ser detectado por lossensores 01. !l sensor es un puente de Mheatstone formado por dosresistencias activas al campo magn'tico creado por la corriente  dos pasivas.

Para ello la corriente incógnita (en && o &) se hace pasar a trav's de unconductor que se encuentra integrado en el mismo encapsulado que el sensor. simismo, en la industria del automóvil los sensores 01 han encontrado ungran campo de aplicación (medida de consumo de corriente en el circuito dealum#rado, detección de fallos en lámparas, diseño de tacómetros, sistemas defrenado T$, etc.)

2. SENSORES CAPACITIVOS $ensores #asados en la variación de la capacidad de un componente el'ctrico o electrónico en


P)g*na (-

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS respuesta a la variación de alguna magnitud física.

Un condensador es un dispositivo el'ctrico que está formado por dos conductores separados por un material aislante (diel'ctrico). $e caracteriza por almacenar cargas cuando se aplica una tensión entre los dos conductores  la relación entre la cantidad de cargas almacenadas  la tensión aplicada reci#e la denominación de capacidad. !l valor de la capacidad depende de la disposición geom'trica de los conductores  de las características del material diel'ctrico.

&1&"!19$"9&

%$

$e utilizan para medir desplazamientos lineales  angulares, detectar o#jetos pró+imos, medir el grado de humedad, de presión, de nivel  aceleración, etc.



!n general no les afectan las variaciones de temperatura (e+cepto si el diel'ctrico es agua), son mu esta#les en entornos hostiles  tienen mu #ajo consumo.

 2ecesitan circuitos de acondicionamiento especiales.

2.1PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE *OS SENSORES CAPACITIVOS

Los sensores capacitivos constan de un condensador que genera un campo el'ctrico. !ste condensador forma parte de un circuito resonador, de manera que cuando un o#jeto se


P)g*na (.

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS acerca a este campo, la capacidad aumente  el circuito empieza a resonar.

Un sensor capacitivo de forma cilíndrica apenas se puede distinguir del sensor inductivo, pues los fa#ricantes emplean normalmente carcasas id'nticas. Lo que hace el o#jeto, al estar dentro del campo el'ctrico, es aumentar la capacidad de esa área,  por lo tanto cam#iar la capacitancia de la mismaK esto hace que el circuito interno del sensor entre en resonancia.

Los sensores de pro+imidad capacitivos son similares a los inductivos. La principal diferencia entre los tipos es que los sensores capacitivos producen un campo electroestático en lugar de un campo electromagn'tico.


P)g*na (7


La superficie de sensado del sensor capacitivo eta formado por dos electrodos conc'ntricos de metal de un capacitor.

&uando un o#jeto se apro+ima a la superficie de sensado  este entra al campo electroestático de los electrodos, cam#ia la capacitancia en un circuito oscilador. !sto hace que el oscilador empiece a oscilar. !l circuito disparador lee la amplitud del oscilador  cuando alcanza un nivel específico la etapa de salida del sensor cam#ia. &onforme el o#jeto se aleja del sensor la amplitud del oscilador decrece, conmutando al sensor a su estado original.

O-ETIVO ESTANDAR 3 *A CONSTANTE DIE*ECTRICA. Los o#jetos estándar son especificados para cada sensor capacitivo. !l o#jeto estándar se define normalmente como metal o agua. Los sensores capacitivos dependen de la constante diel'ctrica del o#jetivo. 0ientras más grande es la constante diel'ctrica de un material es más fácil de detectar.


P)g*na (8


La grafica muestra la relación de loas contantes diel'ctricas de un o#jetivo  la ha#ilidad del sensor de detectar el material #asado en la distancia nominal de sensado ($r).

"a#la de constantes diel'ctricas.

2.2 SIMO*O+4A - SENSORES DE 2 ,I*OS


P)g*na (/


- SENSORES DE 5 ,I*OS

-

SENSORES DE 6 ,I*OS

CO*OR 3 NUMERACIÓN DE *OS ,I*OS


P)g*na +0

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS La norma !2 =4 4HH determina determina los colores de los hilos del sensor, distingue entre sensores de pro+imidad polarizados  no polarizados, podemos diferenciar los siguientes casos%



$ensores de pro+imidad no polarizados tanto para && o &, con dos hilos de cone+ión, estos pueden ser de cualquier color e+cepto verde:amarillo.



$ensor $ensores es de pro+im pro+imidad idad polarizad polarizados os para para &&, con dos hilos hilos de cone+i cone+ión, ón, el terminal positivo de#e marrón  el terminal negativo, azul.



$ensores de pro+imidad de tres hilos, el terminal positivo de#e ser marrón, el terminal negativo azul  la salida de#e ser negro.

!n la siguiente ta#la se indican las a#reviaciones de los colores usadas.

!n lo referente a la numeración de los terminales%



$ensores de pro+imidad no polarizados, los terminales 5  @ tienen la función de contacto normalmente cerrado  los terminales <  H la de contacto normalmente cerrado.


P)g*na +'

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS 

$ensores de pro+imidad polarizados para corriente contin/a con dos terminales, el termi termina nall posit positiv ivo o de#e de#e ident identif ifica icarse rse con con el 5. !l n/me n/mero ro @ para para el conta contact cto o normalmente cerrado  el H para el contacto normalmente a#ierto.

2.5 TIPOS DE SENSORES CAPACITIVOS Los principales sensores capacitivos son%

  

$ensores de condensador varia#le $ensores de condensador diferencial $ensores de diodos de capacidad varia#le

2.5.1SENSORES DE CONDENSADOR VARIA*E

CONDENSADORES DE P*ACAS P*ANAS PARA*E*AS

La capacidad & depende del área  de las placas, de la distancia d entre ellas  de la constante diel'ctrica G (permitividad) del aislante,  viene dada por la e+presión%

!n la cual Go ? Q,Q= p6:m es la permitividad del vacío. La impedancia  del condensador es%


P)g*na +2


$eg/n se mida la impedancia o la admitancia  en función del parámetro que se modifica, los sensores de condensador plano son o no lineales.

$i se mide la admitancia (proporcional a la capacidad &) se o#tiene%

  

Un sensor no lineal si se hace variar la distancia + entre las placas. Un sensor lineal si se modifica el área  de las placas. Un sensor lineal si se modifica la constante diel'ctrica G.

!s usual que e+istan condensadores con dos o más diel'ctricos%

& ?  : ( d 5: G5 S d@:G@)

La Gr del aire se considera igual que la del vacío 75>. La Gr del agua pura varía con la temperatura  su valor es% Gr ? QQ a 4I&  Gr ? ==,<< a 544I&. 3icha diferencia se puede utilizar para medir el nivel de agua de un depósito, el grado de humedad o la temperatura temperatura am#iental.

$i el diel'ctrico es un material ferroel'ctrico  su temperatura es superior a la temperatura


P)g*na +(

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS de &urie, la Gr es proporcional al recíproco de la temperatura, de acuerdo con la e+presión%

!n la cual%

  

" es la temperatura del diel'ctrico "c es la temperatura de &urie B es una constante.

!n este caso, la variación de la temperatura produce un cam#io de la capacidad del condensador.

CONDENSADORES CI*INDRICOS 7COAIA*ES8 La capacidad & depende de los radios interno r5  e+terno r@ de las dos placas del condensador, de la altura de las mismas  de la constante diel'ctrica G del material aislante colocado entre ellas,  su valor se o#tiene mediante la e+presión%

E9em&lo% 0edida del nivel de áridos o granos


P)g*na ++


2.5.2 SENSORES DE CONDENSADOR VARIA*E !l empleo como sensor de un condensador varia#le tiene algunas limitaciones%

1: limit#(i/n% No siem&re se &!e$en $es&re(i#r los ee(tos $e los ;or$es La dispersión del campo en los #ordes de los electrodos hace que la diferencia entre &5  &@ no sea proporcional a +. Para evitar este efecto se utiliza un electrodo de guarda que rodea al electrodo <, está al mismo potencial que 'l  se desplazan conjuntamente.

$e consigue así que el campo el'ctrico entre las placas de medida sea uniforme.

2: *imit#(i/n% El #isl#miento entre l#s &l#(#s $e;e ser ele#$o < (onst#nte CIRCUITOS ELECTRICOS I

P)g*na +-


La humedad da lugar a la e+istencia de resistencias parásitas en paralelo con &  a variaciones parásitas de la impedancia del condensador.

I.

5: *imit#(i/n% E=isten(i# $e intereren(i#s (#&#(iti#s $e;i$o # '!e solo se &!e$e &oner # m#s# !n# $e l#s $os &l#(#s

Para evitarlas se puede apantallar el'ctricamente la placa  los ca#les conectados a ella con respecto al entorno del sensor.

II.

6: *imit#(i/n% A&#nt#ll#miento $e los (#;les

l apantallar los ca#les de cone+ión, para evitar interferencias capacitivas, se introduce una capacidad en paralelo con el condensador. !sto disminue la sensi#ilidad porque la magnitud a medir solo hace cam#iar la capacidad del sensor, que es una parte de la capacidad total.

III.

>: *imit#(i/n% *# &osi(i/n rel#ti# entre los (on$!(tores $el (#;le < el $iel?(tri(o

&onstitue una fuente de error adicional que puede ser mu grave si las variaciones de geometría son importantes.


P)g*na +.


2.5.5 SENSORES DE CONDENSADOR VARIA*E DIFERENCIA* Un condensador diferencial está formado por dos placas metálicas fijas entre las que se puede desplaza paralelamente otra placa de tal modo que forman dos condensadores varia#les que e+perimentan el mismo cam#io de su capacidad pero en sentidos opuestos. 0ediante un circuito de acondicionamiento adecuado que proporcione una tensión de salida en función de la diferencia de capacidades se o#tiene una salida lineal  un aumento de la sensi#ilidad.

2.6 VENTA-AS DE *OS SENSORES CAPACITIVOS 

"ienen un error por carga mínimo, porque no e+iste contacto mecánico directo. 2o ha errores de fricción, ni de hist'resis  además, no ha que hacer mucha fuerza para desplazar al elemento móvil.



La esta#ilidad  la reproduci#ilidad son mu elevadas porque el valor de & no depende de las propiedades de las placas, ni de los cam#ios de temperatura. demás los efectos del envejecimiento son mínimos  no


P)g*na +7

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS e+isten derivas temporales.



$i el diel'ctrico es aire, la constante diel'ctrica varía poco con la temperatura.



Proporcionan elevada resolución para medir desplazamientos.

 2o producen campos magn'ticos  los campos el'ctricos son pequeños, en contraposición con los sensores inductivos.



La energía consumida es mínima.

2.> AP*ICACIONES A *A IMP*EMENTACIÓN DE SENSORES DE MEDIDA 

0edida de desplazamientos mu pequeños (hasta 5454 mm), de#ido a que no



ha errores de fricción. 0edida de varia#les que se pueden convertir en un desplazamiento como por



ejemplo la presión, la fuerza, el par, la aceleración, etc. 0edida de magnitudes que provocan un cam#io de las características del diel'ctrico, como por ejemplo la humedad  la temperatura (diel'ctricos ferroel'ctricos).

E9em&lo% $ensor de medida de presión.

2.@ CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES CAPACITIVOS CIRCUITOS ELECTRICOS I

P)g*na +8

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS &onvierten la variación de capacidad en la variación de un parámetro de una señal el'ctrica% amplitud de una señal sinodal de frecuencia constante, frecuencia de una señal sinodal o de una onda cuadrada, anchura de impulsos de frecuencia constante, etc. Para ello el condensador forma parte de un circuito electrónico.

[email protected] CIRCUITOS DE SEA*ES SENOIDA*ES DE FRECUENCIA CONSTANTE Eeneran una señal analógica alterna que contiene la información en la amplitud%

  

3ivisor de tensión alimentado en alterna mplificador de alterna Puente de alterna

[email protected] DIVISOR DE TENSIÓN A*IMENTADO EN A*TERNA


P)g*na +/


[email protected] AMP*IFICADOR DE A*TERNA !l esquema #ásico de un amplificador de señales analógicas varia#les se puede utilizar para linealizar la relación entre la tensión de salida  la capacidad de un sensor capacitivo en el que se varía la distancia entre las placas. !n la práctica presenta pro#lemas de esta#ilidad.

[email protected] PUENTE DE A*TERNA

La configuración en puente se emplea para eliminar la tensión fija que aparece a la salida de un divisor de tensión, incluso cuando se #asa en un sensor diferencial. $i se utilizan #razos


P)g*na -0

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS resistivos, sus capacidades parásitas introducen errores. Por ello se utilizan puentes de alterna con transformador, que reducen dichos efectos.

[email protected] CIRCUITO +ENERADOR DE ONDAS CUADRADAS DE FRECUENCIA VARIA*E

 

2o se pueden utilizar en sistemas en los que se necesite elevada precisión. !n dicho tipo de sistemas se utilizan demoduladores síncronos


P)g*na -'


2.B AP*ICACIONES A *OS SENSORES TODONADA DETECTORES DE O-ETOS 7PROIMIT3 DETECTORS8 FUNDAMENTOS !l m'todo más com/n es utilizar el condensador como elemento modulador de un circuito oscilante que genera una señal alterna cua frecuencia es función del valor de la capacidad. !sta señal se aplica a un convertidor frecuencia: tensión que proporciona una señal analógica que lleva la información en su amplitud.

La capacidad entre dos placas conductoras aisladas varía al apro+imarse un o#jeto a ellas.


P)g*na -2




La cara frontal es metálica  constitue una de las placas del condensador (ca#eza sensora).



!l condensador forma parte del #ucle de realimentación de un oscilador de alta frecuencia.



&uando no ha o#jeto, la capacidad es #aja  la amplitud de la oscilación es pequeña. &uando se apro+ima un o#jeto aumenta la capacidad  con ello la amplitud de la oscilación.



La salida del oscilador se aplica a un rectificador S filtro que proporciona una tensión continua. $u salida se conecta a un comparador con hist'resis para evitar las oscilaciones de la salida del sensor cuando el o#jeto se encuentra en el límite de detección.



!l amplificador de salida (3river) puede estar realizado con transistores 2P2 o P2P tal como se indica en el tema @, en el que se estudian los circuitos de salida de los sensores todo nada.


P)g*na -(


2. CAMPO DE TRAA-O O RE+IÓN DE DETECCIÓN 7SENSIN+ RAN+E8

ona, situada en las pro+imidades de la cara activa del sensor, en la que el fa#ricante garantiza que el sensor detecta un o#jeto normalizado o patrón que es un cuadrado de acero $"

P)g*na -+

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS maor de am#os. &omo se puede o#servar en ella, el campo de tra#ajo a#arca una región espacial delimitada por las dos curvas,  el punto de corte de am#as coincide con la distancia de detección nominal del sensor.

3e acuerdo con la forma constructiva los sensores de pro+imidad capacitivos, al igual que los sensores inductivos, pueden ser%

 $ensores enrasa#les  $ensores no enrasa#les

2..1 SENSORES ENRASA*ES

$e fa#rican con una malla metálica alrededor de la cara activa del sensor, !sto concentra el campo electroestático del condensador a#ierto en la parte frontal del sensor, lo que permite montarlo a ras del material que lo rodea sin que el sensor lo detecte. 3e#ido a la alta concentración del campo electroestático, este tipo de forma constructiva es adecuada tam#i'n para detectar o#jetos implementados con un material de #aja permitividad. Por la misma razón los sensores enrasa#les son sensi#les a la suciedad  a la humedad depositada en la cara activa del sensor, lo que puede dar lugar a activaciones erróneas de la señal de salida del sensor.

2..2 SENSORES NO ENRASA*ES


P)g*na --


!l campo electroestático no está tan concentrado como en los enrasa#les. Por ello solo son adecuados para la detección de materiales de elevada permitividad  tam#i'n para discriminar entre materiales de alta  #aja permitividad. !ste tipo de sensores incluen frecuentemente un condensador au+iliar que compensa el efecto de las condiciones am#ientales que modifican la capacidad del sensor para que funcione correctamente incluso en presencia de agua pulverizada, polvo, suciedad, etc. demás el campo electroestático de compensación es de #aja potencia  en consecuencia solo e+iste en las pro+imidades de la cara activa del sensor. !n muchas aplicaciones reales los o#jetos metálicos no se conectan a masa  además en m/ltiples ocasiones los o#jetos son aislantes. Por ello, es necesario tener en cuenta que en las capacidades indicadas en la figura se producen distintos efectos seg/n el tipo de material con que est' realizado el o#jeto  si está o no conectado a la masa del circuito. !n la práctica se pueden tener tres tipos de situaciones%


P)g*na -.


2..2.1 O-ETO MET*ICO F*OTANTE

!n este caso el circuito que forman los condensadores es el de la figura. !l o#jeto hace de la otra cara del condensador de los condensadores &T  &&. !sto hace que, de#ido a que disminue la distancia entre las placas de los condensadores &T  &&, el valor del condensador equivalente aumente a medida que se acerca el o#jeto al sensor  que disminua si se aleja.

2..2.2 O-ETO MET*ICO CONECTADO A MASA

!l circuito que forman los condensadores es en este caso el de la figura. !l condensador &3 está cortocircuitado. !l condensador & disminue a medida que el o#jeto se acerca  su efecto se suma al de los condensadores &T  && que aumentan su capacidad a medida que el o#jeto se acerca. !n este caso la variación de capacidad total es má+ima  por eso este tipo de o#jeto se detecta a maor distancia.

2..2.5O-ETO AIS*ANTE 7NO CONDUCTOR8


P)g*na -7


!n este caso el condensador &3 es un circuito a#ierto  el circuito que forman los condensadores es el de la figura. !l efecto más importante es el del condensador & cua capacidad aumenta al acercarse el o#jeto porque se eleva la permitividad del diel'ctrico de#ido a que el aire pasa a ser sustituido por el o#jeto. Por ello el pará metro que más influe es la permitividad del o#jeto. Para detectar o#jetos realizados con materiales de #aja permitividad es necesario realizar un ajuste cuidadoso del oscilador. $i la permitividad es mu pequeña no son detecta#les.

2. SENSORES DE DIODOS DE CAPACIDAD VARIA*E FUNDAMENTO La unión P 2 se comporta como un condensador de placas planas paralelas separadas por la zona de transición, cuando se la polariza inversamente. La anchura de la zona de transición depende del valor de la tensión inversa que se aplica a la unión. $e modifica de esta forma la capacidad del condensador.

Los diodos que utilizan este principio se denominan varactores  se les conoce tam#i'n por su denominación inglesa de *aricap (*aria#le &apacitor).

!ste tipo de sensor se utiliza para desarrollar equipos de radio de sintonía automática mediante un microcontrolador.


P)g*na -8

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS AP*ICACIÓN

5. SENSORES INDUCTIVOS Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar materiales metálicos ferrosos. $on de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia o ausencia de o#jetos metálicos en un determinado conte+to% detección de paso, de atasco, de codificación  de conteo.

COMPONENTES DE UN SENSOR INDUCTIVO


P)g*na -/


5.1 PRINCIPIO DE OPERACIÓN I.

Una corriente el'ctrica que circula a trav's de un conductor crea un campo magn'tico a su alrededor. !ste campo magn'tico se sim#oliza con líneas de fuerza o de campo que son circunferencias contenidas en un plano perpendicular al conductor  cuo sentido se esta#lece con la regla de la mano derecha. $e denomina (T) a la intensidad del campo magn'tico es decir el n/mero de líneas de fuerza por unidad de superficie. $e denomina flujo magn'tico W al n/mero total de líneas que atraviesa una superficie %

W?TX

II.

FUERGA E*ECTROMOTRIG INDUCIDA La fuerza electromotriz inducida en un circuito está relacionada con la variación de flujo magn'tico con el tiempo  viene dada por la le de 6arada%

!n la que L es el coeficiente de autoinducción o inductancia%

III.

La inductancia L solo depende de las características físicas del conductor. Para el cálculo de la inductancia de una #o#ina se utiliza la le de mpYre que esta#lece% La circulación del campo magn'tico T creado por un conductor arrollado en forma de #o#ina de 2 espiras viene dada por la ecuación%


P)g*na .0


IV. V.

3ado que T? W :, a partir de T l? Z 9 2 se tiene%

 partir de la cual, teniendo en cuenta que l, Z,   2 son constantes, se o#tiene la e+presión%

VI.

RE*UCTANCIA 3e la propia definición de L se o#tiene%

$e denomina reluctancia a%


P)g*na .'


&ualquier modificación de 2, Z, l o  puede utilizarse para variar la inductancia o la reluctancia.

2.2 SIMO*O+4A - SENSORES DE 2 ,I*OS

- SENSORES DE 5 ,I*OS

-

SENSORES DE 6 ,I*OS


P)g*na .2


CO*OR 3 NUMERACIÓN DE *OS ,I*OS

La norma !2 =4 4HH determina los colores de los hilos del sensor, distingue entre sensores de pro+imidad polarizados  no polarizados, podemos diferenciar los siguientes casos% •

$ensores de pro+imidad no polarizados tanto para && o &, con dos hilos de cone+ión, estos pueden ser de cualquier color e+cepto verde:amarillo.

•

$ensores de pro+imidad polarizados para &&, con dos hilos de cone+ión, el terminal positivo de#e marrón  el terminal negativo, azul.

•

$ensores de pro+imidad de tres hilos, el terminal positivo de#e ser marrón, el terminal negativo azul  la salida de#e ser negro.

!n la siguiente ta#la se indican las a#reviaciones de los colores usadas.

CO*OR

AREVIACIÓN

#lacB (negro)

TC

#ro[n (marrón)

T2

red (rojo)

13

ello[ (amarillo)

\!

green (verde)

E2

#lue (azul)

TU

gre (gris)

E\

[hite (#lanco)

M;

gold (dorado)

E3

green:ello[

E2\!


P)g*na .(

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS (verde:amarilo)

!n lo referente a la numeración de los terminales%



$ensores de pro+imidad no polarizados, los terminales 5  @ tienen la función de contacto normalmente cerrado  los terminales <  H la de contacto normalmente cerrado.



$ensores de pro+imidad polarizados para corriente contin/a con dos terminales, el terminal positivo de#e identificarse con el 5. !l n/mero @ para el contacto normalmente cerrado  el H para el contacto normalmente a#ierto.

5.5 C*ASIFICACIÓN DE *OS INDUCTORES 

$ensores de inductancia varia#le Tasados en la variación de la autoinducción ($elfinductance) •



$ensores de reluctancia varia#le (*aria#le reluctance) Tasados en la variación de la inductancia mutua (0utual inductance) •  L*3" (Linear *aria#le 3ifferential "ransformer)  "ransformadores varia#les (*aria#le transformers)



$ensores magnetoelásticos.



$ensores #asados en el efecto Miegand.



$ensores #asados en las corrientes de 6oucault.



INDUCTANCIA DE UN CIRCUITO

1elación entre el flujo magn'tico  la corriente el'ctrica que lo genera. $i se trata de la corriente que circula por el propio circuito, se denomina autoinducción (L)  si es en otro circuito se denomina 9nducción mutua.


P)g*na .+


5.5.1 SENSORES INDUCTIVOS DE INDUCTANCIA VARIA*E VARIACIÓN DE *A AUTOINDUCCIÓN

5.5.1.1 SENSORES NO DIFERENCIA*ES

!l desplazamiento es la varia#le más utilizada para variar una autoinducción%

 

$ensores de n/cleo móvil% $e modifica Z. $ensores de entrehierro varia#le% se modifica l.

!l n/cleo puede ser de aire o de hierro. &on un n/cleo de aire se tra#aja a frecuencias más altas que con uno de hierro, pero las variaciones de la inductancia que se consiguen son pequeñas.

5.5.1.2 SENSORES DIFERENCIA*ES


P)g*na .-


CONSIDERACIONES IMPORTANTES Las e+presiones indicadas anteriormente para la variación de la autoinducción solo son válidas si se cumplen las siguientes condiciones%

 2o ha campos magn'ticos parásitos (apantallamiento).  $e tra#aja a una temperatura inferior a la de &urie.  La relación entre L  1 es constante en todo el dispositivo (el flujo magn'tico no es disperso).



VENTA-AS -

0u esta#les en entornos hostiles (por ejemplo entornos h/medos) lta sensi#ilidad

AP*ICACIONES $e utilizan en am#iente industrial para medir desplazamientos u otras varia#les que se puedan convertir en un desplazamiento (fuerza, presión, etc.), posición, pro+imidad de o#jetos metálicos f'rricos, etc.

CIRCUITOS SICOS DE ACONDICIONAMIENTO MEDIANTE SEA*ES SENOIDA*ES DE FRECUENCIA CONSTANTE


P)g*na ..


3ivisores de tensión% medida de tensión en un sistema e+citado por corriente o de corriente en un sistema e+citado por tensión).



Puentes de alterna% es el más adecuado cuando se utilizan topologías diferenciales.



!n am#os casos la salida que se o#tiene no suele ser lineal.

SENSORES INDUCTIVOS INDUSTRIA*ES TODONADA Los sensores inductivos #asados en la variación de la autoinducción se pueden utilizar como sensores todonada (detectores) de pro+imidad de o#jetos f'rricos.

5.5.2 SENSORES INDUCTIVOS DE RE*UCTANCIA VARIA*E VARIACIÓN DE *A INDUCTANCIA MUTUA TRANSFORMADOR DIFERENCIA* VARIA*E *INEA* 7*VDT8

$e #asa en la variación de la inductancia mutua entre un primario  cada uno de los dos secundarios conectados en oposición (0@ ] 0@8), de#ida al desplazamiento, a lo largo de


P)g*na .7

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS su interior, de un n/cleo de material ferromagn'tico que está unido a la pieza cua posición se quiere medir. !l primario está alimentado por una tensión alterna  los secundarios están situados sim'tricamente con respecto a 'l. !n cada secundario se inducen tensiones iguales cuando el n/cleo está situado en su posición central. l desplazarse el n/cleo una de las tensiones crece  la otra se reduce en la misma magnitud.

FUNCIONAMIENTO

$i el secundario no tiene carga, la tensión *4 es proporcional a (0@ ] 0@8)  por lo tanto al desplazamiento del vástago (N)  está desfasada ^4I con respecto a la corriente que atraviesa el primario. !l desfase entre *4  *5 depende de la frecuencia.


P)g*na .8

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS demás, la relación (*4:*5) aumenta al elevar la frecuencia de alimentación (la sensi#ilidad aumenta con la frecuencia).

!n la que B es una constante específica de cada L*3"

$i el secundario está cargado, la sensi#ilidad aumenta al hacerlo la resistencia de carga. "am#i'n aumenta inicialmente con la frecuencia, pero disminue a partir de una determinada frecuencia fn, a la cual el desfase entre e4  e5 es nulo.

CONSIDERACIONES IMPORTANTES



3e#ido a las capacidades parásitas entre el primario  los secundarios (que no dependen de la posición del vástago)  a la falta de simetría de los #o#inados, la tensión de salida en la posición central no es cero.



3ichas capacidades hacen que se generen armónicos en la salida que se eliminan con un filtro paso #ajo.


P)g*na ./


l aumentar la temperatura se eleva la resistencia el'ctrica del primario  si se alimenta a tensión constante disminue la corriente  con ella la tensión de salida. Por ello es mejor alimentar con corriente constante.



$e construe con n/cleos de aleación de hierro  níquel,  se lamina longitudinalmente para reducir las corrientes de 6oucault. !l vástago no de#e ser magn'tico  todo el conjunto se apantalla magn'ticamente para hacerlo inmune a campos e+ternos.



CARACTER4STICAS -

1esolución teórica infinita, alta repeti#ilidad  linealidad

-

*ida ilimitada  alta fia#ilidad de#idas al reducido rozamiento entre n/cleo  los devanados

-

islamiento entre el elemento sensor (vástago)  el circuito el'ctrico



CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO Eenerador de alterna, demodulador  filtro paso#ajo.

AP*ICACIONES 

$e utiliza para realizar medidas de desplazamiento así como de otras varia#les, por ejemplo presión, etc., que provocan el movimiento del n/cleo.




P)g*na 70


TRANSFORMADORES VARIA*ES

FUNDAMENTO

!stán #asados en la variación de la inductancia mutua entre uno o varios devanados, mediante el desplazamiento lineal o angular de alguno de ellos.  uno de los devanados considerado primario se le aplica una tensión alterna senoidal  la variación de la inductancia mutua hace que varíe la tensión inducida en todos los secundarios.

TIPOS DE TRANSFORMADORES VARIA*ES

   

3e 5 primario  5 secundario. $íncronos trifásicos ($ncros). 1esolucionadores (1esolvers). 9nductosn



TRANSFORMADOR VARIA*E MONOFSICO CIRCUITOS ELECTRICOS I

P)g*na 7'


La salida tiene la misma frecuencia que la entrada  su amplitud varía de forma no lineal en función del ángulo R

E9em&lo% Potenciómetro de inducción 3os devanados conc'ntricos% uno fijo (estator)  otro móvil (rotor)

TRANSFORMADOR VARIA*E TRIFSICO S4NCRONO "ransformador que consta de un estator cilíndrico de material ferromagn'tico, que tiene tres devanados dispuestos a 5@4I conectados en estrella,  un rotor en forma de ; tam#i'n de material ferromagn'tico, con uno (o tres) devanados que gira solidariamente con el eje cua rotación se quiere medir.


P)g*na 72


Las tensiones $5, $@  $< están en fase  sólo cam#ia la envolvente, cua amplitud es proporcional al seno del ángulo 7R> más o menos 5@4I. Las tres tensiones representan el ángulo R en formato sncro.

AP*ICACIONES

$e utilizan en servosistemas de posición angular en sistemas de radar, ro#ótica, posicionamiento de placas solares, etc.

!l rotor del transmisor "_ se pone en una posición  el rotor del receptor "1 está li#re. $i las posiciones de am#os son diferentes se crea un par so#re el rotor de "1 que le hace girar hasta que se anulan las corrientes a trav's de su estator.


P)g*na 7(


TRANSFORMADOR VARIA*E RESO*UCIONADOR 7RESO*VER8

"ransformadores varia#les cuo estator  rotor están constituidos por dos devanados que forman un ángulo de ^4I entre ellos. !l ángulo se representa con el valor de dos tensiones. La cone+ión  la denominación dependen de la aplicación. !n el resolucionador se disponen dos devanados en el rotor (15  1@) a ^4I  dos devanados en el estator (!5  !@) tam#i'n a ^4I. 2ormalmente se cortocircuita un devanado del estator  se o#tiene el ángulo en los dos devanados del rotor. $i !5 se e+cita con una señal senoidal  !@ no se alimenta o se cortocircuita, al desplazarse el rotor varían las tensiones inducidas en los secundarios%

TRANSFORMADOR VARIA*E INDUCTOS3N 0arca registrada (6arrand 9ndustries 9nc.) de un transformador que se puede implementar con desplazamientos angulares  lineales. &onsiste en un estator rectangular so#re acero ino+ida#le  un elemento móvil de la misma forma que se desliza so#re 'l.


P)g*na 7+


TRANSFORMADOR VARIA*E RESO*VER

La tensión inducida *s en el elemento móvil depende de su posición en relación con el estator. La e+presión de *s en el 9nductosn lineal es%

!n la que P es el paso cuo valor suele ser de @mm.

La tensión inducida *s es má+ima cuando la posición del estator  el elemento móvil coinciden. !l flujo inducido  *s son nulos cuando la diferencia es P:H. *s es mínima cuando la diferencia es P:@.

AP*ICACIÓN CIRCUITOS ELECTRICOS I

P)g*na 7-

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS $e utiliza para controlar la posición de los discos de un computador  la posición de la herramienta de un sistema de control num'rico

5.5.5 SENSORES MA+NETOE*STICOS !lementos sensores #asados en la variación de la inductancia por efecto *illari, que esta#lece que cuando se aplica un esfuerzo a un material ferromagn'tico se producen cam#ios reversi#les de sus curvas de magnetización. 3e la misma forma, durante la magnetización se producen cam#ios de forma  de volumen del material.

CARACTER4STICAS !n algunos materiales la dependencia entre la tensión mecánica `  la curva de magnetización es lineal cuando se les somete a compresión o a tracción%

AP*ICACIONES La variación de la permea#ilidad relativa provoca un cam#io de la inductancia. $e fa#rican c'lulas de carga en las que ha una #o#ina cerrada sometida a compresión, tracción o am#as a la vez. $e utilizan para la medida de fuerza, par  presión en automóviles e industrias mecánicas.


P)g*na 7.

SENSORES RESISTIVOS

Recommend Documents