SENSORES RESISTIVOS

SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS

CIRCUITOS ELECTRICOS I

ING: ALBERTO ALBUJA

TEMA:

SENSORES RESITIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS

ALUMNO:

LOACHAMIN LOYA EDGAR SANTIAGO

NRC:

2807

Sangolquí, 28 de Octubre de 2013

CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 1


INDICE

1. SENSORES RESISTIVOS

FUNCIONAMIENTO

INTRODUCCIÓN



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 la temperatura para producir una señal de voltaje que sea proporcional 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 y de una fuente de alimentación. En 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 constituye el transductor. Tanto en el caso de la termocupla como

de la resistencia metálica se necesitan etapas adicionales de acondicionamiento como

amplificación y filtraje de la señal.

1.SENSORES RESISTIVOS

Los sensores moduladores del tipo resistivos, son aquellos que varían una resistencia en

función de la variable a medir. Se ha realizado una clasificación de estos sensores

en función de la variable a medir, tal como refleja la tabla siguiente:

1.2 TIPOS DE SENSORES RESISTIVOS



1.2.1 SENSORES POTENCIÓMETRICOS

Componente eléctrico cuya resistencia es función del desplazamiento de un elemento

móvil. Consiste en una resistencia fija con un contacto móvil deslizante lineal o giratorio

(cursor) que lo divide eléctricamente.

Los potenciómetros pueden ser lineales (Variación constante por unidad de longitud) o

logarítmicos, antilogarítmicos, senoidales (Poco utilizados actualmente).

La magnitud de entrada (x) es la posición del cursor con respecto uno de los terminales. El

valor de la resistencia entre el cursor y dicho terminal es la variable de salida.

En la donde:

- ρ: resistividad del material

- A: sección transversal del resistor

- L: longitud del resistor

- x: 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 sobre la que se desplaza un contacto deslizante, el cursor, que la divide

eléctricamente.

La aplicación más común de este dispositivo en instrumentación es como sensor de

desplazamiento de tipo resistivo. El movimiento del cursor origina un cambio en la



resistencia medida entre el terminal central y uno cualquiera de los extremos. Este

cambio de resistencia puede utilizarse para medir desplazamientos lineales o

angulares de una pieza acoplada al cursor. Para la obtención de una señal eléctrica

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 posible convertirlas en un desplazamiento.

A pesar de que estos sistemas fueron los primeros que se emplearon en la

instrumentación industrial, hoy en día la aplicación del potenciómetro como sensor

de desplazamiento ha caído en desuso por diversos problemas:

- Mecánicos: anclajes, rodamientos, guías.

- Rozamiento: acorta la vida. Suele indicarse la vida mecánica en ciclos.

- Auto calentamiento: provoca errores, ya que la resistencia varía con la

temperatura.

- Vibraciones: puede provocar la pérdida de contacto del cursor sobre la

resistencia

Estos problemas han hecho que estos dispositivos hayan sido sustituidos por dispositivos

más fiables basados en procedimientos de detección ópticos como los codificadores de

impulsos.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El fundamento teórico de los sensores potenciometricos es establecida por la ecuación de

Nernst, que se basa en la medida de los potenciales eléctricos en materiales o soluciones

para calcular la concentración de disoluciones iónicas, y consta básicamente de tres

elementos: dispositivo de medida de potencial, electrodo de referencia y el electrodo

selectivo-a-iones-a-caracterizar.

Dispositivo de medida de potencial es el instrumento utilizado para medir el voltaje de la

celda que forman el electrodo indicador y de referencia. En realidad es un voltímetro muy



sensible que amplifica la débil señal eléctrica que producen los electrodos y permite

lecturas de hasta 0.1 mV con gran exactitud. Los electrodos de referencia suelen ser de

doble unión o de calomelano respecto a los cuales se miden las variaciones de potencial.

Finalmente, los electrodos selectivos a iones como su nombre indica son electrodos

sensibles a la presencia de un tipo de ión en la solución y permiten su cuantificación. El

término “selectivo’ quiere decir que son sensibles a una familia de iones de características

similares, pero de entre todos ellos tienen mayor afinidad por uno en concreto.

En los electrodos selectivos a iones (ISEs), la membrana es responsable tanto del

reconocimiento selectivo como de la transformación del potencial generado en una señal

eléctrica que se puede medir, es decir el receptor y el transductor están integrados en un

único-elemento.

El sistema en la figura actúa como una pila, de forma que al sumergir los dos electrodos en

la solución se establecerá un flujo momentáneo de iones en la interface existente entre la

membrana selectiva y la solución de trabajo, produciéndose una diferencia de potencial,

cuya magnitud depende de la cantidad de iones presente en la solución.

La diferencia de potencial medida es la suma de tres contribuciones: la interacción entre la

membrana sensora y el ión de interés, la interacción que se origina entre el elemento de

referencia y el medio donde está insertado, proporcionando un potencial constante si la

composición del medio de referencia y la temperatura no varían y por último la

denominada unión liquida, que se origina entre la solución de trabajo y la solución interna

del electrodo de referencia. Los clásicos electrodos de referencia empleados en

potenciometría, calomelano y Ag/AgCl fijan su potencial utilizando una solución de



cloruro de actividad constante. Frecuentemente es necesario el uso de una segunda

disolución de electrolito que se interpone, mediante un puente salino, entre esta disolución

interna de referencia y la muestra, con el fin de evitar la interacción entre ambas. Esta

unión liquida representa una interfase donde un electrolito se difunde en el otro, siendo la

causa del surgimiento de un potencial eléctrico, que contribuye al potencial de la celda,

denominado potencial de unión líquida. Esta diferencia de potencial suele ser pequeña y

normalmente-es-de-magnitud-desconocida.

Por otra parte, debido a que el potencial de interfase interno y el potencial del electrodo de

referencia interno son constantes, la medida del potencial que se genera en la celda

electroquímica, representa únicamente el cambio de potencial que se produce a través de la

superficie de la membrana del ISE, obteniéndose 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 resistivo utilizado:

- Hilo bobinado: el elemento resistivo es un hilo arrollado sobre un soporte.

Excelente estabilidad térmica y capacidad para manejar niveles de potencia

considerables.



- No bobinados: el elemento resistivo puede ser cermet (aleación de cerámica

y metal), carbón, plástico conductivo, película metálica.

Por el tipo de desplazamiento que realice el cursor:

- Movimiento lineal: el cursor describe desplazamientos en línea recta. El

desplazamiento puede ir desde milímetros hasta varios metros.

- Rotatorios: pueden ser de una vuelta o multi-vuelta (3, 5, 10 o 15)

- Cuerda, “yo-yo” o de cable: permiten medir la posición y la velocidad de un

cable flexible arrollado en una bobina que está sometida a la tracción de un

muelle.

CIRCUITO EQUIVALENTE



Consideremos el circuito de la figura formado por un potenciómetro lineal de resistencia

nominal R y de longitud de desplazamiento máximo, L. Sea l el desplazamiento actual

medido desde un punto tomado como referencia y sea

x=l/L la fracción del desplazamiento recorrido. Como el potenciómetro es lineal, a una

fracción de recorrido x, le corresponde una fracción equivalente de la resistencia nominal

R. Se obtienen así las relaciones: R1=Rx y R2=R (1-x).

El comportamiento del potenciómetro como elemento de un circuito depende de su de su

impedancia de salida, Ro. La figura de la derecha muestra el circuito equivalente Thevenin

visto entre el cursor y el extremo de referencia. La impedancia de salida cambia en función

de la fracción de desplazamiento x, llegando a ser hasta un 25% del valor nominal del

potenciómetro, justo a la mitad del recorrido. En el resto de posiciones, excepto en los

extremos, el efecto de la impedancia de salida va a influir sobre la tensión leída, es decir,

va a introducir un error respecto a la respuesta ideal.

EL POTENCIÓMETRO EN CARGA



Analizando el circuito del potenciómetro con carga de la figura se obtiene la relación entre

la tensión de salida y el desplazamiento. Esta relación se ha representado gráficamente.

Vemos 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 k, que es la relación entre la

resistencia de carga y la nominal del potenciómetro. Si RL es considerablemente mayor

que R, es decir, para un K suficientemente grande, la salida es prácticamente lineal como

se muestra en la figura para k=10. Si el valor de RL es similar al valor de R, (k=1) la salida

presenta un error de linealidad apreciable. En resumen para conseguir una respuesta lineal

se debe exigir al sistema que se acople una impedancia de entrada alta comparada con la

resistencia nominal del potenciómetro.

MEDIDA A TRES HILOS



Además del error debido a la carga, otra fuente de error en los sistemas de medida

basados en potenciómetros es el cableado. En general, un cable presenta una

resistencia pequeña, pero la situación cambia 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 través de tres cables al punto donde se procesa la medida.

Despreciando el error debido a la carga, es decir, considerando que la impedancia

de entrada del medidor es muy elevada comparada con la impedancia de salida del

conjunto sensor Potenciométricos-cables. Del análisis de la expresión de vo se

deduce que se tiene un error de offset o error de cero, dado que para x=0 se tiene

una tensión distinta de cero. Por otro lado la sensibilidad se aparta de la ideal.

MEDIDA A CUATRO HILOS



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

figura.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN:



GALGAS EXTENSIOMETRICAS

Variaciones de la resistencia de un conductor o semiconductor sometido a un esfuerzo

mecánico.

FACTOR DE GALGA

De la expresiones anteriores vemos que para lograr mayores cambios en ∆R, será



conveniente tener mayores longitudes de hilo (p.e con una disposición enzig-zag) y de

pequeña sección.

TIPOS DE GALGAS

Galgas metálicas: para su fabricación se emplean diversos conductores metálicos,

como las aleaciones constatan, karma, isoelestic y aleaciones de platino. Pueden ser

de:

- Hilo metálico. Son las más sencillas. Normalmente están adheridas a una

base de dimensiones estables. Introducen errores en la medida ante estados

tensiónales no longitudinales.

- Película metálica. Son las que se desarrollan por métodos de fotograbado.

Se fabrican de forma similar a la producción de circuitos impresos en bases

flexibles.

- Metal depositado. Son las aplicadas directamente sobre superficies

mediante métodos de evaporización o bombardeo químico. Se usan en los

diafragmas de los sensores de presión.



Galgas semiconductoras: se fabrican de silicio u otro material semiconductor.

El margen de medida es aproximadamente igual a 3000 µε mientras que las de metal se

extiende hasta aproximadamente 40000 µε. Su cambio resistivo es menos lineal que las de

metal y tienen una gran dependencia de la temperatura. Se usan en la fabricación de

sensores integrados de presión donde se implantan en micro diafragmas para medir

presión.

MODO DE EMPLEO

Para la correcta utilización de las galgas se debe de tener en cuenta lo siguiente:

Las galgas solo miden en una dirección, por lo que cuando se colocan se debe tener

cuidado de alinearlas teniendo en cuenta las marcas de alineación que presentan.

Solo proporciona la medida del estado tensional de la superficie que ocupa la galga,

no el de toda la superficie.

Si 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



debe de realizarse sin pérdida de información, por lo que el sistema debe garantizar

la no absorción del esfuerzo. Para ello se emplean pegamentos de gran resistencia

mecánica que permiten un óptimo funcionamiento. También se debe tener una

cierta preocupación en la “pasivación” de la superficie expuesta mediante una capa

de material que la proteja frente a inclemencias ambientales.

Circuitos de medida

Se puede duplicar la sensibilidad en el voltaje de salida disponiendo dos galgasactivas una

a tracción y otra a compresión como se muestra en la figura.

Además se compensa el efecto de la temperatura.

Compensación de temperatura



Las galgas son bastante sensibles a la temperatura (hasta 50 µε/ºC), por lo quese suelen

compensar mediante una galga pasiva conectada en la misma ramaque la activa y

físicamente próxima a ella, de forma que se encuentre a sumisma temperatura, pero no

sometida a esfuerzos, por ejemplo R3 galga activa y

R4 galga de compensación o bien R2 galga activa y R1 galga de compensación.

Utilización de los circuitos de medida



La utilización de los puentes de medida con galgas hay que tener en cuentadiversos

aspectos:

Equilibrado del puente. En ausencia de esfuerzos, la tensión de salida delpuente

debe ser nula. Se ajusta con el potenciómetro RPOT y RNULL.

Calibración del puente. Se coloca una resistencia RSH en paralelo con lagalga

activa. La deformación que simula esa resistencia está dada por laexpresión de la

figura. La resistencia del interruptor ha de ser muy baja, serecomienda el uso de

relés encapsulados al vacío.

Cableado del puente. En muchas ocasiones el puente no está en el mismolugar que

las galgas, por lo que las resistencias del cableado pueden afectar a lamedida. Este

efecto puede compensarse equilibrando el puente antes deutilizarlo para medir.

Otro efecto es la variación de la resistencia del cable con la temperatura. Eneste caso se

puede efectuar una medida a tres hilos.

Aplicaciones



Las galgas pueden utilizarse para dos tipos de aplicaciones:

- Medir estados de deformación.

- Medir otras variables: principalmente peso y presión.

Para la medida de peso se emplean las denominadas células de carga (loadcells). Se 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. Losfabricantes especifican la sensibilidad del puente que

contienen como la tensiónde salida partido por la tensión de alimentación.

Variando la alimentación dentro del margen permitido por el fabricantepodemos

acondicionar la salida del puente al margen dinámico de entrada delamplificador al que

conectemos la salida.



La medida de presión se realiza mediante un sistema de membrana quetransforma la

diferencia de presión entre sus dos caras en una deformación quese mide mediante un

puente de cuatro galgas en el que dos trabajan a tracción ydos a compresión, tal como se

muestra en la figura.



FOTORRESISTENCIAS

Las fotorresistencias (LDR) son sensores resistivos basados ensemiconductores empelados

para la medida y detección de radiaciónelectromagnética.

Una LDR típica consiste en una fina capa semiconductora dispuesta sobre unsustrato

cerámico o plástico. La película semiconductora describe una pista en

zig-zag con contactos en los extremos. La forma de la película sensitiva tienenpor objeto

maximizar la superficie de exposición y al mismo tiempo mantener unespacio reducido

entre los electrodos para aumentar la sensibilidad.

Entre los materiales semiconductores más usados para realizar las LDRs seencuentran el

sulfuro de cadmio (CdS) y el seleniuro de Cadmio (CdSe). Estosmateriales son muy

utilizados sobre todo en los sensores fotoconductivos debajo coste; sin embargo su

respuesta es relativamente lenta, desde 10 ms avarios segundos. La tensión máxima que

pueden soportar puede llegar hasta

600 V y hay modelos capaces de disipar más de 1W.

Modelo



Circuitos de medida

Las fotorresistencias (LDR) son sensores resistivos basados ensemiconductores empelados

para la medida y detección de radiaciónelectromagnética.



Una LDR típica consiste en una fina capa semiconductora dispuesta sobre unsustrato

cerámico o plástico. La película semiconductora describe una pista en

zig-zag con contactos en los extremos. La forma de la película sensitiva tienenpor objeto

maximizar la superficie de exposición y al mismo tiempo mantener unespacio reducido

entre los electrodos para aumentar la sensibilidad.

Entre los materiales semiconductores más usados para realizar las LDRs seencuentran el

sulfuro de cadmio (CdS) y el seleniuro de Cadmio (CdSe). Estosmateriales son muy

utilizados sobre todo en los sensores fotoconductivos debajo coste; sin embargo su

respuesta es relativamente lenta, desde 10 ms avarios segundos. La tensión máxima que

pueden soportar puede llegar hasta

600 V y hay modelos capaces de disipar más de 1W.

El acondicionamiento suele realizarse mediante un divisor de tensión, siendoaplicables las

consideraciones realizadas para las NTCs. Así, en aplicaciones demedida donde se busca

una respuesta lineal, la obtención del valor de R puedehacerse calculando el valor que lleve

a la máxima linealidad en el punto centraldel intervalo de medida.

El circuito de la figura se comporta como un detector de luz. Así cuando elnivel de luz

aumenta RL disminuye y Vo aumenta. Para detectar cuando el nivelde luz disminuye por

debajo de un determinado nivel de luz se intercambia lasposiciones de la LDR y de R.

Haciendo que el punto de inflexión coincida con el centro de nuestro intervalode medida,

se obtiene el valor de R, donde RLc es la resistencia de la LDR en elpunto central del

intervalo de medida. El valor de V debe limitarse para que noexista auto calentamiento,

resultando V = 2(δ∆TR)1/2.

Al igual que hacíamos en las NTCs se puede linealizar la respuesta de las

LDR conectando una resistencia en paralelo a costa de disminuir la sensibilidad.

Aplicaciones típicas



Las aplicaciones típicas de las LDRs se centran en la medida de luz (fotometría)y en la

detección de cambios de luz. Las fotorresistencias son sensores bastantesensibles, sobre

todo con bajos niveles de iluminación, aunque en esta zona sudependencia con al

temperatura se hace muy acusada. Otro inconveniente es sulentitud de respuesta ya que

presentan constantes de tiempo del orden desegundos lo que limita su uso a aplicaciones de

baja frecuencia.



SENSORES DE GASES DE OXIDOS METALICOS

Los sensores de gases están compuestos de óxidos metálicos, generalmente deestaño

(SnO2). Se utilizan para la detección de un buen número de gases deinterés industrial

como:

- Oxígeno.

- Gases combustibles: propano, metano, hidrógeno, etc.

- Gases tóxicos: monóxido de carbono, amoníaco.

- Disolventes orgánicos: alcohol, tolueno, etc.

- Contaminantes: CO2.

- Clorofluorocarbonos (CFC)



Principio de funcionamiento

El óxido de estaño puro es un semiconductor tipo n debido a la existencia devacantes de

oxígeno, que actúan como donadores de electrones.

Cuando un cristal de SnO2 se calienta a una temperatura suficientementeelevada, la

superficie del cristal adsorbe oxígeno del aire. Los electronesdonadores de la superficie del

cristal son transferidos al oxígeno adsorbidoformándose una barrera de potencial que

impide el flujo de electrones. Dentrodel sensor la corriente eléctrica fluye a través de la

unión de los cristales deSnO2 (fronteras de grano). En las fronteras de grano el oxígeno

adsorbido formauna barrera de potencial que impide que los electrones se muevan

libremente Laresistencia eléctrica del sensor es debida a esta barrera de potencial.

En presencia de un gas reductor la densidad superficial del oxígeno cargadonegativamente

disminuye, por lo que la altura de la barrera de potencial en lasfronteras de grano se reduce

y por tanto se reduce también la resistencia eléctrica.

Características del sensor



La relación entre la resistencia del sensor, RS y la concentración de gas [C]puede

expresarse, en un cierto margen de la concentración del gas, por laecuación:

RS = K [C]-a

La figura muestra la respuesta del sensor de metano TGS 842 de la firma

Figaro [4]. Se observa como el sensor no solo es sensible al metano, sinotambién a otros

gases combustibles (escasa selectividad) Los valores deresistencia se expresan referidos a

la resistencia del sensor a 3500ppm demetano.

Puede conseguirse una mayor selectividad a un gas concreto en función de latemperatura

de los electrodos y del filtro interno que incorporen.



En la figura de la izquierda se muestra la respuesta temporal típica quepresenta este tipo de

sensores.

En el instante inicial de conexión de la alimentación, independientemente dela

concentración de gases, la resistencia del sensor cae bruscamente puesto queno se adhiere

el oxígeno. Esto podría ser interpretado como una concentraciónmuy elevada del gas a

detectar y provocar una falsa alarma. Ha de evitarse portanto la medida durante dicho

instante inicial. Cuando el gas a detectardesaparece la resistencia del sensor recupera su

valor original. La velocidad derespuesta depende del modelo de sensor y del tipo de gas.

Otros inconvenientes de los sensores de gas es la fuerte dependencia con latemperatura y

con la humedad del ambiente (ver figura). La temperaturaambiente afecta a la

característica de sensibilidad cambiando la velocidad de lareacción química, por lo que se

requiere emplear un circuito de compensación detemperatura. Así mismo la humedad

causa una reducción en RS.

Circuito de medida



Los sensores de gases presentan cuatro terminales, dos corresponden al propiosensor y

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 algún tiempo en alcanzar la temperaturanominal

desde que se alimenta el dispositivo (30-60s). La tensión decalentamiento suele ser pulsos

de una determinada duración.

Aplicaciones



Las aplicaciones de los sensores de gases son principalmente para detectar unnivel

determinado de concentración de gas. Supongamos que se desea activaruna alarma cuando

la concentración de gas sea de 1500 ppm a 20ºC y 65% HR.

Como se observa en la figura, si la temperatura varía entre -10ºC y 40ºC el puntode alarma

se desplazará entre 600 ppm y 3400 ppm. Para compensar el efectode la temperatura se

utiliza una NTC linealizada mediante la resistencia R2 enparalelo. El comportamiento del

sensor de gas y el de la NTC es idéntico y elpunto de alarma no cambia.

Para evitar que se produzca una alarma en el instante inicial de conexión de laalimentación

se monta el circuito de la figura.

MAGNETORRESISTENCIAS



Los sensores magnetorresistivos (MR) se fabrican depositando una películadelgada de una

aleación Ni-Fe (Permalloy) sobre una oblea de Si, formando asíuna lámina resistiva.

Durante el proceso de deposición, el material es sometido aun campo magnético externo

para alinear en una cierta dirección su vector demagnetización M.

Si se aplica un campo magnético H paralelo a la lámina de permalloy yperpendicular a la

corriente, el vector M gira acercándose a la dirección de lacorriente. El ángulo relativo α

entre M e i viene dado por la expresión:

sen2α = Hy2/Ho2

La resistencia de la lámina cambia en función del ángulo α según:

R = Ro +∆Ro cos2αdonde Ho es el llamado campo característico del material (debido a

lamagnetización inicial), Ro es la resistencia del material cuando M e i sonperpendiculares

(valor mínimo). El valor máximo de la resistencia se tendrácuando la corriente sea paralela

o antiparalela a la magnetización, mientras queel valor mínimo corresponderá a una

orientación perpendicular entre ambos.

Linealización del efecto magnetorresistivo



La linealización de la ecuación se realiza añadiendo tiras de Al (barber pole)sobre la

superficie de permalloy y a 45º respecto al eje longitudinal. Como el Altiene una

conductividad mucho mayor que el permalloy el efecto es una rotación de 45º de la

corriente cambiando el ángulo entre M e i de α a (α-45º).

La magnetización inicial (en ausencia de campo magnético) puede alterarse operderse por

la acción de campos externos de desmagnetización no deseados.

Para que no ocurra esto, de forma periódica se somete el sensor a pulsosexternos de

reorientación del vector M.



Acondicionamiento

Las láminas de material semiconductor magnetorresitivo se utilizan formandoestructuras

de puente o semipuente de Wheatstone. Con ello se tiene unaprimera compensación

térmica del subsistema sensor resultante. La figura de laizquierda muestra un puente de

Wheatstone en el que cada mitad del puenteestá formado por dos magnetorresistencias

sensoras con sensibilidad opuesta ala acción del campo magnético. Cada mitad del puente

se ajusta empleando unaresistencia adicional para tener una tensión Vb/2 de forma que Vo

= 0 cuando nohay campo externo aplicado.



Aplicaciones

El campo magnético terrestre puede considerarse uniforme en una región devarios

kilómetros cuadrados. Un objeto ferromagnético, como puede ser unvehículo, altera el

campo terrestre localmente, por lo que se puede detectar estaperturbación mediante un

sensor MR. Mediante un procesamiento posterior de laseñal analógica obtenida es posible

clasificar los vehículos por su tamaño.

Otras aplicaciones de interés son el diseño de medidores electrónicos delcampo magnético

terrestre (compás electrónico), acelerómetros, sensores devibración, medidores de posición

lineal y angular o sensores de corriente. En lafigura se recogen ejemplos prácticos de

aplicación.



La disposición de los imanes en una rueda que gira permite la presencia oausencia de

campo magnético en las proximidades de la rueda. Este campomagnético es detectado por

un sensor MR generando una señal cuadrada defrecuencia igual a la velocidad angular de

la rueda.

El campo magnético que genera una corriente puede ser detectado por lossensores MR. El

sensor es un puente de Wheatstone formado por dosresistencias activas al campo

magnético creado por la corriente y dos pasivas.

Para ello la corriente incógnita (en CC o CA) se hace pasar a través de unconductor que se

encuentra integrado en el mismo encapsulado que el sensor.

Asimismo, en la industria del automóvil los sensores MR han encontrado ungran campo de

aplicación (medida de consumo de corriente en el circuito dealumbrado, detección de

fallos en lámparas, diseño de tacómetros, sistemas defrenado ABS, etc.)

2. SENSORES CAPACITIVOS

Sensores basados en la variación de la capacidad de un componente eléctrico o electrónico en



respuesta a la variación de alguna magnitud física.

Un condensador es un dispositivo eléctrico que está formado por dos conductores separados

por un material aislante (dieléctrico). Se caracteriza por almacenar cargas cuando se aplica una

tensión entre los dos conductores y la relación entre la cantidad de cargas almacenadas y la

tensión aplicada recibe la denominación de capacidad.

El valor de la capacidad depende de la disposición geométrica de los conductores y de las

características del material dieléctrico.

CARACTERISTICAS:

- Se utilizan para medir desplazamientos lineales y angulares, detectar objetos

próximos, medir el grado de humedad, de presión, de nivel y aceleración, etc.

- En general no les afectan las variaciones de temperatura (excepto si el dieléctrico es

agua), son muy estables en entornos hostiles y tienen muy bajo consumo.

- Necesitan circuitos de acondicionamiento especiales.

2.1PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LOS SENSORES CAPACITIVOS

Los sensores capacitivos constan de un condensador que genera un campo eléctrico. Este

condensador forma parte de un circuito resonador, de manera que cuando un objeto se



acerca a este campo, la capacidad aumente y el circuito empieza a resonar.

Un sensor capacitivo de forma cilíndrica apenas se puede distinguir del sensor inductivo,

pues los fabricantes emplean normalmente carcasas idénticas. Lo que hace el objeto, al

estar dentro del campo eléctrico, es aumentar la capacidad de esa área, y por lo tanto

cambiar la capacitancia de la misma; esto hace que el circuito interno del sensor entre en

resonancia.

Los sensores de proximidad 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 electromagnético.



La superficie de sensado del sensor capacitivo eta formado por dos electrodos concéntricos

de metal de un capacitor.

Cuando un objeto se aproxima a la superficie de sensado y este entra al campo

electroestático de los electrodos, cambia la capacitancia en un circuito oscilador.

Esto hace que el oscilador empiece a oscilar. El circuito disparador lee la amplitud del

oscilador y cuando alcanza un nivel específico la etapa de salida del sensor cambia.

Conforme el objeto se aleja del sensor la amplitud del oscilador decrece, conmutando al

sensor a su estado original.

OBJETIVO ESTANDAR Y LA CONSTANTE DIELECTRICA.

Los objetos estándar son especificados para cada sensor capacitivo. El objeto estándar se

define normalmente como metal o agua. Los sensores capacitivos dependen de la constante

dieléctrica del objetivo. Mientras más grande es la constante dieléctrica de un material es

más fácil de detectar.



La grafica muestra la relación de loas contantes dieléctricas de un objetivo y la habilidad

del sensor de detectar el material basado en la distancia nominal de sensado (Sr).

Tabla de constantes dieléctricas.

2.2 SIMBOLOGÍA

- SENSORES DE 2 HILOS





COLOR Y NUMERACIÓN DE LOS HILOS



La norma EN 50 044 determina los colores de los hilos del sensor, distingue entre

sensores de proximidad polarizados y no polarizados, podemos diferenciar los siguientes

casos:

- Sensores de proximidad no polarizados tanto para CC o CA, con dos hilos de

conexión, estos pueden ser de cualquier color excepto verde/amarillo.

- Sensores de proximidad polarizados para CC, con dos hilos de conexión, el

terminal positivo debe marrón y el terminal negativo, azul.

- Sensores de proximidad de tres hilos, el terminal positivo debe ser marrón, el

terminal negativo azul y la salida debe ser negro.

En la siguiente tabla se indican las abreviaciones de los colores usadas.

En lo referente a la numeración de los terminales:

- Sensores de proximidad no polarizados, los terminales 1 y 2 tienen la función de

contacto normalmente cerrado y los terminales 3 y 4 la de contacto normalmente

cerrado.



- Sensores de proximidad polarizados para corriente continúa con dos terminales, el

terminal positivo debe identificarse con el 1. El número 2 para el contacto

normalmente cerrado y el 4 para el contacto normalmente abierto.

2.3 TIPOS DE SENSORES CAPACITIVOS

Los principales sensores capacitivos son:

- Sensores de condensador variable

- Sensores de condensador diferencial

- Sensores de diodos de capacidad variable

2.3.1SENSORES DE CONDENSADOR VARIABLE

CONDENSADORES DE PLACAS PLANAS PARALELAS

La capacidad C depende del área A de las placas, de la distancia d entre ellas y de la

constante dieléctrica ε (permitividad) del aislante, y viene dada por la expresión:

En la cual εo = 8,85 pF/m es la permitividad del vacío.

La impedancia Z del condensador es:



Según se mida la impedancia o la admitancia y en función del parámetro que se modifica,

los sensores de condensador plano son o no lineales.

Si se mide la admitancia (proporcional a la capacidad C) se obtiene:

- Un sensor no lineal si se hace variar la distancia x entre las placas.

- Un sensor lineal si se modifica el área A de las placas.

- Un sensor lineal si se modifica la constante dieléctrica ε.

Es usual que existan condensadores con dos o más dieléctricos:

C = A / ( d1/ ε1 + d2/ε2)

La εr del aire se considera igual que la del vacío “1”. La εr del agua pura varía con la

temperatura y su valor es: εr = 88 a 0ºC y εr = 55,33 a 100ºC. Dicha diferencia se puede

utilizar para medir el nivel de agua de un depósito, el grado de humedad o la temperatura

ambiental.



Si el dieléctrico es un material ferroeléctrico y su temperatura es superior a la temperatura

de Curie, la εr es proporcional al recíproco de la temperatura, de acuerdo con la expresión:

En la cual:

- T es la temperatura del dieléctrico

- Tc es la temperatura de Curie

- k es una constante.

En este caso, la variación de la temperatura produce un cambio de la capacidad del

condensador.

CONDENSADORES CILINDRICOS (COAXIALES)

La capacidad C depende de los radios interno r1 y externo r2 de las dos placas del

condensador, de la altura de las mismas y de la constante dieléctrica ε del material aislante

colocado entre ellas, y su valor se obtiene mediante la expresión:

Ejemplo: Medida del nivel de áridos o granos



2.3.2 SENSORES DE CONDENSADOR VARIABLE

El empleo como sensor de un condensador variable tiene algunas limitaciones:

1ª limitación: No siempre se pueden despreciar los efectos de los bordes

La dispersión del campo en los bordes de los electrodos hace que la diferencia entre C1 y

C2 no sea proporcional a x.

Para evitar este efecto se utiliza un electrodo de guarda que rodea al electrodo 3, está al

mismo potencial que él y se desplazan conjuntamente.

Se consigue así que el campo eléctrico entre las placas de medida sea uniforme.

2ª Limitación: El aislamiento entre las placas debe ser elevado y constante



La humedad da lugar a la existencia de resistencias parásitas en paralelo con C y a variaciones

parásitas de la impedancia del condensador.

I. 3ª Limitación: Existencia de interferencias capacitivas debido a que solo se

puede poner a masa una de las dos placas

Para evitarlas se puede apantallar eléctricamente la placa y los cables conectados a ella con

respecto al entorno del sensor.

II. 4ª Limitación: Apantallamiento de los cables

Al apantallar los cables de conexión, para evitar interferencias capacitivas, se introduce una

capacidad en paralelo con el condensador. Esto disminuye la sensibilidad porque la magnitud a

medir solo hace cambiar la capacidad del sensor, que es una parte de la capacidad total.

III. 5ª Limitación: La posición relativa entre los conductores del cable y el

dieléctrico

Constituye una fuente de error adicional que puede ser muy grave si las variaciones de

geometría son importantes.



2.3.3 SENSORES DE CONDENSADOR VARIABLE DIFERENCIAL

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

variables que experimentan el mismo cambio de su capacidad pero en sentidos opuestos.

Mediante un circuito de acondicionamiento adecuado que proporcione una tensión de

salida en función de la diferencia de capacidades se obtiene una salida lineal y un aumento

de la sensibilidad.

2.4 VENTAJAS DE LOS SENSORES CAPACITIVOS

- Tienen un error por carga mínimo, porque no existe contacto mecánico

directo. No hay errores de fricción, ni de histéresis y además, no hay que

hacer mucha fuerza para desplazar al elemento móvil.

- La estabilidad y la reproducibilidad son muy elevadas porque el valor de C

no depende de las propiedades de las placas, ni de los cambios de

temperatura. Además los efectos del envejecimiento son mínimos y no

existen derivas temporales.

- Si el dieléctrico es aire, la constante dieléctrica varía poco con la

temperatura.



- Proporcionan elevada resolución para medir desplazamientos.

- No producen campos magnéticos y los campos eléctricos son pequeños, en

contraposición con los sensores inductivos.

- La energía consumida es mínima.

2.5 APLICACIONES A LA IMPLEMENTACIÓN DE SENSORES DE

MEDIDA

- Medida de desplazamientos muy pequeños (hasta 10-10 mm), debido a que no

hay errores de fricción.

- Medida de variables que se pueden convertir en un desplazamiento como por

ejemplo la presión, la fuerza, el par, la aceleración, etc.

- Medida de magnitudes que provocan un cambio de las características del

dieléctrico, como por ejemplo la humedad y la temperatura (dieléctricos

ferroeléctricos).

Ejemplo: Sensor de medida de presión.

2.6 CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES

CAPACITIVOS

Convierten la variación de capacidad en la variación de un parámetro de una señal

eléctrica: 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.

2.6.1 CIRCUITOS DE SEÑALES SENOIDALES DE FRECUENCIA

CONSTANTE

Generan una señal analógica alterna que contiene la información en la amplitud:

- Divisor de tensión alimentado en alterna

- Amplificador de alterna

- Puente de alterna

2.6.1.1 DIVISOR DE TENSIÓN ALIMENTADO EN ALTERNA



2.6.1.2 AMPLIFICADOR DE ALTERNA

El esquema básico de un amplificador de señales analógicas variables se puede utilizar

para linealizar la relación entre la tensión de salida y la capacidad de un sensor capacitivo

en el que se varía la distancia entre las placas. En la práctica presenta problemas de

estabilidad.

2.6.1.2 PUENTE DE ALTERNA

La configuración en puente se emplea para eliminar la tensión fija que aparece a la salida de un

divisor de tensión, incluso cuando se basa en un sensor diferencial. Si se utilizan brazos

resistivos, sus capacidades parásitas introducen errores. Por ello se utilizan puentes de alterna

con transformador, que reducen dichos efectos.



2.6.2 CIRCUITO GENERADOR DE ONDAS CUADRADAS DE

FRECUENCIA VARIABLE

- No se pueden utilizar en sistemas en los que se necesite elevada precisión.

- En dicho tipo de sistemas se utilizan demoduladores síncronos

2.7 APLICACIONES A LOS SENSORES TODO-NADA DETECTORES



DE OBJETOS (PROXIMITY DETECTORS)

FUNDAMENTOS

El método más común es utilizar el condensador como elemento modulador de un circuito

oscilante que genera una señal alterna cuya frecuencia es función del valor de la capacidad.

Esta 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 aproximarse un objeto a ellas.



- La cara frontal es metálica y constituye una de las placas del condensador (cabeza

sensora).

- El condensador forma parte del bucle de realimentación de un oscilador de alta

frecuencia.

- Cuando no hay objeto, la capacidad es baja y la amplitud de la oscilación es

pequeña. Cuando se aproxima un objeto aumenta la capacidad y con ello la

amplitud de la oscilación.

- La salida del oscilador se aplica a un rectificador + filtro que proporciona una

tensión continua. Su salida se conecta a un comparador con histéresis para evitar las

oscilaciones de la salida del sensor cuando el objeto se encuentra en el límite de

detección.

- El amplificador de salida (Driver) puede estar realizado con transistores NPN o

PNP tal como se indica en el tema 2, en el que se estudian los circuitos de salida de

los sensores todo- nada.



2.8 CAMPO DE TRABAJO O REGIÓN DE DETECCIÓN (SENSING

RANGE)

Zona, situada en las proximidades de la cara activa del sensor, en la que el fabricante

garantiza que el sensor detecta un objeto normalizado o patrón que es un cuadrado de acero

ST37 conectado a masa de un milímetro de espesor y un lado de longitud igual al diámetro

de la cara sensible del sensor o a tres veces la distancia de detección nominal del sensor, el



mayor de ambos.

Como se puede observar en ella, el campo de trabajo abarca una región espacial delimitada

por las dos curvas, y el punto de corte de ambas coincide con la distancia de detección

nominal del sensor.

De acuerdo con la forma constructiva los sensores de proximidad capacitivos, al igual que

los sensores inductivos, pueden ser:

- Sensores enrasables

- Sensores no enrasables

2.8.1 SENSORES ENRASABLES

Se fabrican con una malla metálica alrededor de la cara activa del sensor, Esto concentra el

campo electroestático del condensador abierto en la parte frontal del sensor, lo que permite

montarlo a ras del material que lo rodea sin que el sensor lo detecte. Debido a la alta

concentración del campo electroestático, este tipo de forma constructiva es adecuada

también para detectar objetos implementados con un material de baja permitividad. Por la

misma razón los sensores enrasables son sensibles a la suciedad y 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.

2.8.2 SENSORES NO ENRASABLES



El campo electroestático no está tan concentrado como en los enrasables. Por ello solo son

adecuados para la detección de materiales de elevada permitividad y también para

discriminar entre materiales de alta y baja permitividad. Este tipo de sensores incluyen

frecuentemente un condensador auxiliar que compensa el efecto de las condiciones

ambientales que modifican la capacidad del sensor para que funcione correctamente

incluso en presencia de agua pulverizada, polvo, suciedad, etc. Además el campo

electroestático de compensación es de baja potencia y en consecuencia solo existe en las

proximidades de la cara activa del sensor.

En muchas aplicaciones reales los objetos metálicos no se conectan a masa y además en

múltiples ocasiones los objetos son aislantes. Por ello, es necesario tener en cuenta que en

las capacidades indicadas en la figura se producen distintos efectos según el tipo de

material con que esté realizado el objeto y si está o no conectado a la masa del circuito.

En la práctica se pueden tener tres tipos de situaciones:



2.8.2.1 OBJETO METÁLICO FLOTANTE

En este caso el circuito que forman los condensadores es el de la figura. El objeto hace de

la otra cara del condensador de los condensadores CB y CC. Esto hace que, debido a que

disminuye la distancia entre las placas de los condensadores CB y CC, el valor del

condensador equivalente aumente a medida que se acerca el objeto al sensor y que

disminuya si se aleja.

2.8.2.2 OBJETO METÁLICO CONECTADO A MASA

El circuito que forman los condensadores es en este caso el de la figura. El condensador

CD está cortocircuitado. El condensador CA disminuye a medida que el objeto se acerca y

su efecto se suma al de los condensadores CB y CC que aumentan su capacidad a medida

que el objeto se acerca. En este caso la variación de capacidad total es máxima y por eso

este tipo de objeto se detecta a mayor distancia.

2.8.2.3OBJETO AISLANTE (NO CONDUCTOR)



En este caso el condensador CD es un circuito abierto y el circuito que forman los

condensadores es el de la figura. El efecto más importante es el del condensador CA cuya

capacidad aumenta al acercarse el objeto porque se eleva la permitividad del dieléctrico

debido a que el aire pasa a ser sustituido por el objeto. Por ello el pará- metro que más

influye es la permitividad del objeto. Para detectar objetos realizados con materiales de

baja permitividad es necesario realizar un ajuste cuidadoso del oscilador. Si la permitividad

es muy pequeña no son detectables.

2.9 SENSORES DE DIODOS DE CAPACIDAD VARIABLE

FUNDAMENTO

La unión P- N 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. Se modifica de

esta forma la capacidad del condensador.

Los diodos que utilizan este principio se denominan varactores y se les conoce también por

su denominación inglesa de Varicap (Variable Capacitor).

Este tipo de sensor se utiliza para desarrollar equipos de radio de sintonía automática

mediante un microcontrolador.



APLICACIÓN

3. SENSORES INDUCTIVOS

Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar

materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para

aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia o ausencia de objetos

metálicos en un determinado contexto: detección de paso, de atasco, de codificación y de

conteo.

COMPONENTES DE UN SENSOR INDUCTIVO


http://es.wikipedia.org/wiki/Hierro

http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor


3.1 PRINCIPIO DE OPERACIÓN

I. Una corriente eléctrica que circula a través de un conductor crea un campo

magnético a su alrededor. Este campo magnético se simboliza con líneas de fuerza

o de campo que son circunferencias contenidas en un plano perpendicular al

conductor y cuyo sentido se establece con la regla de la mano derecha.

Se denomina (B) a la intensidad del campo magnético es decir el número de líneas

de fuerza por unidad de superficie.

Se denomina flujo magnético Ø al número total de líneas que atraviesa una

superficie A:

Ø = B · A

II. FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA

La fuerza electromotriz inducida en un circuito está relacionada con la variación de

flujo magnético con el tiempo y viene dada por la ley de Faraday:

En 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 bobina se utiliza la ley de Ampère que

establece:



La circulación del campo magnético B creado por un conductor arrollado en

forma de bobina de N espiras viene dada por la ecuación:

IV. Dado que B= Ø /A, a partir de B l= μ I N se tiene:

A partir de la cual, teniendo en cuenta que l, μ, A y N son constantes, se obtiene la

expresión:

V. RELUCTANCIA

De la propia definición de L se obtiene:



Se denomina reluctancia a:

Cualquier modificación de N, μ, l o A puede utilizarse para variar la inductancia o

la reluctancia.

2.2 SIMBOLOGÍA






COLOR Y NUMERACIÓN DE LOS HILOS

La norma EN 50 044 determina los colores de los hilos del sensor, distingue entre sensores

de proximidad polarizados y no polarizados, podemos diferenciar los siguientes casos:

Sensores de proximidad no polarizados tanto para CC o CA, con dos hilos de

conexión, estos pueden ser de cualquier color excepto verde/amarillo.

Sensores de proximidad polarizados para CC, con dos hilos de conexión, el

terminal positivo debe marrón y el terminal negativo, azul.

Sensores de proximidad de tres hilos, el terminal positivo debe ser marrón, el

terminal negativo azul y la salida debe ser negro.

En la siguiente tabla se indican las abreviaciones de los colores usadas.

COLOR ABREVIACIÓN

black (negro) BK

brown (marrón) BN

red (rojo) RD

yellow (amarillo) YE

green (verde) GN

blue (azul) BU

grey (gris) GY

white (blanco) WH



gold (dorado) GD

green/yellow

(verde/amarilo)GNYE

En lo referente a la numeración de los terminales:

- Sensores de proximidad no polarizados, los terminales 1 y 2 tienen la función de

contacto normalmente cerrado y los terminales 3 y 4 la de contacto normalmente

cerrado.

- Sensores de proximidad polarizados para corriente continúa con dos terminales, el

terminal positivo debe identificarse con el 1. El número 2 para el contacto

normalmente cerrado y el 4 para el contacto normalmente abierto.

3.3CLASIFICACIÓN DE LOS INDUCTORES

Sensores de inductancia variable

Basados en la variación de la autoinducción (Self-inductance)

Sensores de reluctancia variable (Variable reluctance)

Basados en la variación de la inductancia mutua (Mutual inductance)

- LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

- Transformadores variables (Variable transformers)

Sensores magnetoelásticos.

Sensores basados en el efecto Wiegand.

Sensores basados en las corrientes de Foucault.

INDUCTANCIA DE UN CIRCUITO



Relación entre el flujo magnético y la corriente eléctrica que lo genera. Si se trata de la

corriente que circula por el propio circuito, se denomina autoinducción (L) y si es en otro

circuito se denomina Inducción mutua.

3.3.1 SENSORES INDUCTIVOS DE INDUCTANCIA VARIABLE VARIACIÓN

DE LA AUTOINDUCCIÓN

3.3.1.1 SENSORES NO DIFERENCIALES

El desplazamiento es la variable más utilizada para variar una autoinducción:

- Sensores de núcleo móvil: Se modifica μ.

- Sensores de entrehierro variable: se modifica l.

El núcleo puede ser de aire o de hierro. Con un núcleo de aire se trabaja a frecuencias más

altas que con uno de hierro, pero las variaciones de la inductancia que se consiguen son

pequeñas.



3.3.1.2 SENSORES DIFERENCIALES

CONSIDERACIONES IMPORTANTES

Las expresiones indicadas anteriormente para la variación de la autoinducción solo son

válidas si se cumplen las siguientes condiciones:

- No hay campos magnéticos parásitos (apantallamiento).

- Se trabaja a una temperatura inferior a la de Curie.

- La relación entre L y R es constante en todo el dispositivo (el flujo magnético no es

disperso).

VENTAJAS

- Muy estables en entornos hostiles (por ejemplo entornos húmedos)

- Alta sensibilidad

APLICACIONES

Se utilizan en ambiente industrial para medir desplazamientos u otras variables que se

puedan convertir en un desplazamiento (fuerza, presión, etc.), posición, proximidad de

objetos metálicos férricos, etc.



CIRCUITOS BÁSICOS DE ACONDICIONAMIENTO MEDIANTE SEÑALES

SENOIDALES DE FRECUENCIA CONSTANTE

- Divisores de tensión: medida de tensión en un sistema excitado por corriente o de

corriente en un sistema excitado por tensión).

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

- En ambos casos la salida que se obtiene no suele ser lineal.

SENSORES INDUCTIVOS INDUSTRIALES TODO-NADA

Los sensores inductivos basados en la variación de la autoinducción se pueden utilizar

como sensores todo-nada (detectores) de proximidad de objetos férricos.

3.3.2 SENSORES INDUCTIVOS DE RELUCTANCIA VARIABLE

VARIACIÓN DE LA INDUCTANCIA MUTUA



TRANSFORMADOR DIFERENCIAL VARIABLE LINEAL (LVDT)

Se basa en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de los dos

secundarios conectados en oposición (M2 – M2’), debida al desplazamiento, a lo largo de

su interior, de un núcleo de material ferromagnético que está unido a la pieza cuya posición

se quiere medir.

El primario está alimentado por una tensión alterna y los secundarios están situados

simétricamente con respecto a él. En cada secundario se inducen tensiones iguales cuando

el núcleo está situado en su posición central. Al desplazarse el núcleo una de las tensiones

crece y la otra se reduce en la misma magnitud.

FUNCIONAMIENTO



Si el secundario no tiene carga, la tensión V0 es proporcional a (M2 – M2’) y por lo tanto

al desplazamiento del vástago (δ) y está desfasada 90º con respecto a la corriente que

atraviesa el primario.

El desfase entre V0 y V1 depende de la frecuencia.

Además, la relación (V0/V1) aumenta al elevar la frecuencia de alimentación (la

sensibilidad aumenta con la frecuencia).

En la que k es una constante específica de cada LVDT

Si el secundario está cargado, la sensibilidad aumenta al hacerlo la resistencia de carga.

También aumenta inicialmente con la frecuencia, pero disminuye a partir de una

determinada frecuencia fn, a la cual el desfase entre e0 y e1 es nulo.

CONSIDERACIONES IMPORTANTES

- Debido a las capacidades parásitas entre el primario y los secundarios (que no

dependen de la posición del vástago) y a la falta de simetría de los bobinados, la

tensión de salida en la posición central no es cero.



- Dichas capacidades hacen que se generen armónicos en la salida que se eliminan

con un filtro paso bajo.

- Al aumentar la temperatura se eleva la resistencia eléctrica del primario y si se

alimenta a tensión constante disminuye la corriente y con ella la tensión de salida.

Por ello es mejor alimentar con corriente constante.

- Se construye con núcleos de aleación de hierro y níquel, y se lamina

longitudinalmente para reducir las corrientes de Foucault. El vástago no debe ser

magnético y todo el conjunto se apantalla magnéticamente para hacerlo inmune a

campos externos.

CARACTERÍSTICAS

- Resolución teórica infinita, alta repetibilidad y linealidad

- Vida ilimitada y alta fiabilidad debidas al reducido rozamiento entre núcleo y los

devanados

- Aislamiento entre el elemento sensor (vástago) y el circuito eléctrico

CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO

Generador de alterna, demodulador y filtro paso-bajo.

APLICACIONES

- Se utiliza para realizar medidas de desplazamiento así como de otras variables, por

ejemplo presión, etc., que provocan el movimiento del núcleo.



TRANSFORMADORES VARIABLES

FUNDAMENTO

Están basados en la variación de la inductancia mutua entre uno o varios devanados,

mediante el desplazamiento lineal o angular de alguno de ellos. A uno de los devanados

considerado primario se le aplica una tensión alterna senoidal y la variación de la

inductancia mutua hace que varíe la tensión inducida en todos los secundarios.

TIPOS DE TRANSFORMADORES VARIABLES

- De 1 primario y 1 secundario.

- Síncronos trifásicos (Syncros).

- Resolucionadores (Resolvers).

- Inductosyn

TRANSFORMADOR VARIABLE MONOFÁSICO



La salida tiene la misma frecuencia que la entrada y su amplitud varía de forma no lineal

en función del ángulo α

Ejemplo: Potenciómetro de inducción

Dos devanados concéntricos: uno fijo (estator) y otro móvil (rotor)

TRANSFORMADOR VARIABLE TRIFÁSICO SÍNCRONO

Transformador que consta de un estator cilíndrico de material ferromagnético, que tiene

tres devanados dispuestos a 120º conectados en estrella, y un rotor en forma de H también

de material ferromagnético, con uno (o tres) devanados que gira solidariamente con el eje

cuya rotación se quiere medir.



Las tensiones S1, S2 y S3 están en fase y sólo cambia la envolvente, cuya amplitud es

proporcional al seno del ángulo “α” más o menos 120º. Las tres tensiones representan el

ángulo α en formato syncro.

APLICACIONES

Se utilizan en servosistemas de posición angular en sistemas de radar, robótica,

posicionamiento de placas solares, etc.

El rotor del transmisor TX se pone en una posición y el rotor del receptor TR está libre. Si

las posiciones de ambos son diferentes se crea un par sobre el rotor de TR que le hace girar

hasta que se anulan las corrientes a través de su estator.



TRANSFORMADOR VARIABLE RESOLUCIONADOR (RESOLVER)

Transformadores variables cuyo estator y rotor están constituidos por dos devanados que

forman un ángulo de 90º entre ellos. El ángulo se representa con el valor de dos tensiones.

La conexión y la denominación dependen de la aplicación.

En el resolucionador se disponen dos devanados en el rotor (R1 y R2) a 90º y dos

devanados en el estator (E1 y E2) también a 90º. Normalmente se cortocircuita un

devanado del estator y se obtiene el ángulo en los dos devanados del rotor.

Si E1 se excita con una señal senoidal y E2 no se alimenta o se cortocircuita, al desplazarse

el rotor varían las tensiones inducidas en los secundarios:

TRANSFORMADOR VARIABLE INDUCTOSYN

Marca registrada (Farrand Industries Inc.) de un transformador que se puede implementar

con desplazamientos angulares y lineales. Consiste en un estator rectangular sobre acero

inoxidable y un elemento móvil de la misma forma que se desliza sobre él.



TRANSFORMADOR VARIABLE RESOLVER

La tensión inducida Vs en el elemento móvil depende de su posición en relación con el

estator. La expresión de Vs en el Inductosyn lineal es:

En la que P es el paso cuyo valor suele ser de 2mm.

La tensión inducida Vs es máxima cuando la posición del estator y el elemento móvil

coinciden. El flujo inducido y Vs son nulos cuando la diferencia es P/4. Vs es mínima

cuando la diferencia es P/2.

APLICACIÓN

Se utiliza para controlar la posición de los discos de un computador y la posición de la

herramienta de un sistema de control numérico



3.3.3 SENSORES MAGNETOELÁSTICOS

Elementos sensores basados en la variación de la inductancia por efecto Villari, que

establece que cuando se aplica un esfuerzo a un material ferromagnético se producen

cambios reversibles de sus curvas de magnetización. De la misma forma, durante la

magnetización se producen cambios de forma y de volumen del material.

CARACTERÍSTICAS

En algunos materiales la dependencia entre la tensión mecánica σ y la curva de

magnetización es lineal cuando se les somete a compresión o a tracción:

APLICACIONES

La variación de la permeabilidad relativa provoca un cambio de la inductancia. Se fabrican

células de carga en las que hay una bobina cerrada sometida a compresión, tracción o

ambas a la vez. Se utilizan para la medida de fuerza, par y presión en automóviles e

industrias mecánicas.

3.3.4 SENSORES DE EFECTO WIEGANG


Documents

SENSORES RESISTIVOS