SENSORES

Un sensor o captador, no es más que un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, generalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular.

Normalmente estos dispositivos están compuestos de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR, etc.), y de componentes activos.

Su señal de salida muchas veces no es apta para su lectura directa y se hace necesario el uso de un circuito de acondicionamiento, que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de la circuitería.

Existen varios tipos de sensores que nos permiten medir magnitudes físicas como por ejemplo la aceleración, presión y fuerza entre otras. Estos son:

Resistivos Capacitivos Inductivos y electromagnéticos Digitales Ópticos Por ultrasonido Por autogeneración Semiconductores

Se tratarán brevemente algunos de estos tipos de sensores para la medición de:

Temperatura Nivel Fuerza Distancia Aceleración Velocidad Presión Caudal Humedad

1. Sensores de temperatura

Estos sensores son usados para medir la temperatura del aire o la temperatura superficial de los líquidos y sólidos. Algunos de ellos son:

1.1. PT – 100

Es un sensor de temperatura que basa su funcionamiento en la variación de resistencia a cambios de temperatura del medio. El elemento consiste en un arrollamiento muy fino de Platino bobinado entre capas de material aislante y protegido por un revestimiento cerámico. El material que forma el conductor (platino), posee un coeficiente de temperatura de resistencia α, el cual determina la variación de la resistencia del conductor por cada grado que cambia su temperatura. Por lo general, la variación es bastante lineal en márgenes amplios de temperatura y se rige por la siguiente ecuación:

α = 0.00385Ω / Ω / K

1.2. Termocupla

Una Termocupla se forma al unir dos metales diferentes. Como resultado de esta unión aparece entre los extremos libres de los metales una diferencia de potencial que depende de la Temperatura. Este fenómeno se conoce como Efecto Seebeck. Este efecto permite calibrar la Termocupla para usarla como un Termómetro. El Voltaje en el extremo libre depende de la temperatura de la unión, de la temperatura de los extremos libres, la cual usualmente es la temperatura Ambiente y de los tipos de metales.

1.3. Sensores de temperatura con semiconductores

Su funcionamiento se basa en la variación de la resistencia de un semiconductor con la temperatura, debido a la variación de la concentración de portadores. Pueden ser NTC o PTC dependiendo de su coeficiente de temperatura. Al aumentar la temperatura lo hace también el número de portadores reduciéndose así la resistencia, de ahí que presenten el coeficiente de temperatura negativo. Esta dependencia varia con la presencia de impurezas., si el dopado es muy intenso, el semiconductor adquiere propiedades metálicas con coeficiente de temperatura positivo en un margen de temperatura limitado.

2. Sensores de nivel

Se utilizan para medir el nivel de un fluido en un recipiente, así como el nivel de solidos granulados, azúcares, harinas, etc.

2.1. Sensores de nivel capacitivos

En esta aplicación, cuando un objeto (líquidos, granulados, metales, aislantes, etc.) penetra en el campo eléctrico que hay entre las placas del sensor, varía el dieléctrico, variando consecuentemente el valor de la capacitancia.

2.2. Sensores de nivel magnéticos

Estos interruptores de nivel funcionan por medio de un magneto que activa (Cierra o abre contacto) de un Reed switch cuando el campo magnético está cerca del cuerpo fijo y se abre cuando este se aleja. Cuando la gravedad especifica del fluido es mayor que la del flotador, esta flotara y activara el interruptor.

2.3. Sensores de nivel resistivos

Se basan en la variación de la resistencia al someter a un conductor a un esfuerzo mecánico o al giro o deslizamiento de un contacto móvil.

3. Sensores de fuerza

Los sensores de fuerza determinan, además de si ha habido contacto con un objeto, la magnitud de la fuerza con la que se ha producido dicho contacto.

3.1. Sensores de fuerza piezoresistivos

El principio de la medida con sensores piezoresistivos es similar al de los sensores resistivos. La diferencia reside en la utilización de semiconductores como cintas extensométricas en vez de metal y la deformación provoca en este caso una variación de la resistividad.  Este efecto piezoresistivo con semiconductores es de un factor 10 hasta 100 veces mayor que con metal.

3.2. Sensores de fuerza Piezoeléctricos

Se basan en el efecto piezoeléctrico. Es un fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie.

4. Sensores de distancia

El sensor de proximidad es un dispositivo que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor.

4.1. Sensor de distancia optoelectrónico

Tienen como función principal la detección de todo tipo de objetos independientes de la distancia que se encuentren. En particular, este dispositivo se basa en el principio de medición del tiempo de propagación de la luz. Se consiguen mayores alcances que con cualquier otro método de medición de distancia (triangulación, detectores fotoelectrónicos, etc.)

4.2. Sensor de distancia capacitivo

La función del detector capacitivo consiste en señalar un cambio de estado, basado en la variación del estímulo de un campo eléctrico. Los sensores capacitivos detectan objetos metálicos, o no metálicos, midiendo el cambio en la capacitancia, la cual depende de la constante dieléctrica del material a detectar, su masa, tamaño, y distancia hasta la superficie sensible del detector.

4.3. Sensores de distancia inductivos

Los sensores inductivos de proximidad han sido diseñados para trabajar generando un campo magnético y detectando las pérdidas de corriente de dicho campo generadas al introducirse en él los objetos de detección férricos y no férricos.

5. Sensores de aceleración

También llamados acelerómetros, nos permiten medir la aceleración de un cuerpo.

5.1. Acelerómetro capacitivo

Modifican la posición relativa de las placas de un micro condensador cuando está sometido a aceleración. El movimiento paralelo de una de las placas del condensador hace variar su capacidad. Los acelerómetros capacitivos basan su funcionamiento en la variación de la capacidad entre dos ó más conductores entre los que se encuentra un dieléctrico, en respuesta a la variación de la aceleración.

5.2. Acelerómetro piezoresistivo

Un acelerómetro piezoresistivo a diferencia de uno piezoeléctrico utiliza un sustrato en vez de un cristal piezoeléctrico, en esta tecnología las fuerzas que ejerce la masa sobre el sustrato varían su resistencia, que forma parte de un circuito que mediante un puente de Wheatstone mide la intensidad de la corriente. La ventaja de esta tecnología respecto a la piezoeléctrica es que pueden medir aceleraciones hasta cero Hz de frecuencia.

5.3. Acelerómetro piezoeléctrico

Su funcionamiento se basa en el efecto piezoeléctrico. Una deformación física del material causa un cambio en la estructura cristalina y así cambian las características eléctricas. Su principal inconveniente radica en su frecuencia máxima de trabajo y en la incapacidad de mantener un nivel permanente de salida ante una entrada común.

6. Sensores de velocidad

Estos sensores pueden detectar la velocidad de un objeto tanto sea lineal como angular.

6.1. Sensor de velocidad de efecto Hall

El sensor de efecto Hall se basa en la tensión transversal de un conductor que está sometido a un campo magnético. Para ello hay que hacer circular por el cable una intensidad fija y acercar un imán. Los electrones que pasan por el cable se verán desplazados hacia un lado. Entonces aparece una diferencia de tensión entre los dos puntos transversales del cable. Al separar el imán del cable, la tensión transversal desaparece.

6.2. Sensor de velocidad magnetoresistivo

Un objeto férreo alterará el campo magnético local que rodea al objeto. La magnitud de este cambio en el campo magnético depende tanto del objeto en sí mismo (tamaño, forma, composición) como del campo magnético del entorno (intensidad y orientación). El sensor mide el campo magnético del entorno. Cuando un objeto férreo grande (un coche, moto o camión) altera el campo magnético local, el sensor detecta los cambios en dicho campo (anomalías). Cuando el grado del cambio en el campo magnético alcanza el umbral del sensor, se activa la salida del sensor.

6.3. Anemómetro

Un anemómetro es un aparato destinado a medir la velocidad relativa del viento que incide sobre él. Si el anemómetro está colocado sobre un objeto en movimiento puede servir para apreciar la velocidad de movimiento relativo del objeto con respecto al viento en calma.

7. Sensores de presión

Estos sensores me permite medir la presión por medio de un elemento sensible a la presión, que emiten una señal eléctrica al variar la presión o que provocan operaciones de conmutación si esta supera un determinado valor límite

7.1. Sensor de presión piezoresistivo

Un sensor piezorresistivo está en contacto con un fluido hidráulico de protección, y separado del medio por una membrana de acero inoxidable. La flexión de la membrana como resultado de la presión externa produce un cambio en la presión del fluido hidráulico que rodea el sensor piezorresistivo.. Este método de medición es muy adecuado para detectar bajas presiones, y permite obtener elevados factores de sobrecarga.

7.2. Sensor de presión por puente de Wheatstone

Se basa en la deformación del diafragma al que están grabadas cuatro resistencias eléctricas formando un puente de Wheatstone. Cualquier deformación por presión,

desequilibra el circuito electrónico y genera una señal proporcional a la presión que soporta la membrana de cerámica.

7.3. Sensor de presión capacitivo

Tienen una variación de capacitancia que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas. La placa móvil tiene forma de diafragma y está entre dos placas fijas. De este modo se tienen dos condensadores, uno de capacidad fija y otro variable.

8. Sensores de caudal

Los sensores de caudal, son elementos sensibles a la circulación de un flujo determinado. En condiciones de conducto detecta el movimiento del fluido dentro del mismo.

8.1. Sensor de caudal por dispersión térmica

Este tipo de sensores se basa en la dispersión térmica para monitorear en forma continua el caudal tanto de medios viscosos como de no viscosos. En el interior de la sonda hay dos sensores de temperatura, uno de los cuales se calienta. Existe una diferencia de temperatura entre los dos sensores, que es inversamente proporcional a la velocidad del flujo del fluido.

8.2. Sensor de caudal magnético

Una lengüeta controla mediante un muelle la circulación unidireccional del fluido. La parte final de la lengüeta está unida a una parte móvil que transmite el movimiento magnéticamente a la parte de control, aislada del fluido, en la cual está montada una leva que acciona el contacto del mircorruptor.

8.3. Sensor de caudal vortex

Está basado en el principio de generación de vórtices. Un cuerpo que atraviese un fluido generará vórtices flujo abajo. Estos vórtices se forman alternándose de un lado al otro causando diferencias de presión, esta son censadas por un cristal piezoeléctrico. La velocidad de flujo es proporcional a la frecuencia de formación de los vórtices.

9. Sensores de humedad

Son sensores que me permiten medir la humedad relativa del ambiente, de terrenos específicos, determinar el nivel de humedad en cereales, café, madera, pulpa de papel, adhesivos, etc.

9.1. Sensor de humedad capacitivo

Los sensores capacitivos están diseñados normalmente con placas paralelas con electrodos porosos o con filamentos entrelazados en el sustrato. El material dieléctrico

absorbe o elimina vapor de agua del ambiente con los cambios del nivel de humedad. Los cambios resultantes en la constante dieléctrica causa una variación en el valor de la capacidad del dispositivo por lo que resulta una impedancia que varía con la humedad. Un cambio en la constante dieléctrica de aproximadamente el 30% corresponde a una variación de 0-100% en la humedad relativa.

9.2. Higrómetro

La operación de estos dispositivos recae en la dependencia de humedad de la resistividad y constante dieléctrica de aislamiento, ya que cambios en algunas de esas propiedades son usadas para la medición de humedad ambiental. En general, muchos materiales exhiben un decremento en la resistividad y un incremento en la constante dieléctrica con un incremento en el contenido de humedad.

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