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Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 1
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
Departamento de Tecnología Electrónica
SENSORES Y ACONDICIONADORES
TEMA 15 (1)
CIRCUITOS ACONDICIONADORES DE SENSORES ANALÓGICOS
CIRCUITOS ADAPTADORES Y AMPLIFICADORES
Profesores: Enrique Mandado PérezAntonio Murillo Roldan
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 2
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Departamento de Tecnología Electrónica
Se denominan acondicionadores los circuitos que con vierten una característica del elemento sensor en una señal eléc trica analógica, digital o temporal.
Se puede considerar también que forman parte del ci rcuito acondicionador los circuitos convertidores que prop orcionan variables que pueden ser memorizadas en un procesador digital . Algunos autores los denominan circuitos electrónicos de interfaz ( Interface electronic circuits ) porque están situados entre uno o mas sensores y u n procesador digital.
Los circuitos acondicionadores están formados por u no o más de los siguientes tipos de circuitos:
� Circuitos adaptadores
� Circuitos amplificadores
� Circuitos de excitación
� Circuitos convertidores de parámetro y formato
DEFINICIÓN
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 3
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
Departamento de Tecnología Electrónica
TIPOS DE CIRCUITOS ACONDICIONADORES
� Circuitos adaptadores
� Circuitos amplificadores
� Circuitos de excitación
� Circuitos convertidores de parámetro y formato
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 4
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Departamento de Tecnología Electrónica
Se denominan adaptadores a los circuitos que convie rten el cambio de una resistencia, una capacidad o una inductancia en una tensión eléctrica.El conjunto formado por el elemento sensor y el cir cuito adaptador constituye un sensor modulador o pasivo.
Principales circuitos adaptadores:
- Divisor de tensión
- Puente de medida
CIRCUITOS ADAPTADORESDEFINICIÓN
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 5
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Departamento de Tecnología Electrónica
DIVISOR DE TENSIÓN
VZZ
ZVo
21
2
++++====V
VO
Z1
Z2
CA / CC
El método de medida basado en un divisor de tensión se denomina medida por deflexión.
CIRCUITOS ADAPTADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 6
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Departamento de Tecnología Electrónica
Se basan en la medida de la caída de tensión en bor nes de una resistencia, la corriente a su través o ambos valo res. El divisor resistivo es adecuado cuando la variación x de resistencia po r unidad de variación de la variable de entrada es elevada. Por el contrario, no es apropiado en sensores en los que las variaciones de la resistencia son pequeñas, porque exigen que se midan cambios muy pe queños de variables que poseen un valor medio muy elevado.
V
VO
Rr=R0(1+x)
R
Sensorresistivo
RRR
VVo
r+=
Vo
VoVRRr
−=
CIRCUITOS ADAPTADORESDIVISOR RESISTIVO DE TENSIÓN
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 7
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
Departamento de Tecnología Electrónica
Se utiliza fundamentalmente en potenciómetros (sin resistencia R de referencia), LDR y termistores.
En los termistores se puede linealizar la relación entre Vo y RT si se elige un valor adecuado de R.
Tio RR
RVTv
+=)(
α
=L
LRRL
00
Lio RR
RVLv
+=)(
R Vo
Vi
L NTC )11
(0
0
TTB
T eRR−
=
R
-tº
V i
V o
CIRCUITOS ADAPTADORESDIVISOR RESISTIVO DE TENSIÓN
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 8
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
Departamento de Tecnología Electrónica
El montaje diferencial cancela el efecto de las imp edancias parásitas que pueden existir en paralelo con el sensor. Además la relación entre la tensión de entrada y la de salida es lineal, aunque existe un término fijo en la expresión de la tensión de salida.
x
x
V
Vs
++=
2
1
2
1 x
V
Vs +=
~V
Vs
)1(0 xZ −
)1(0 xZ +
Circuito diferencial
La relación Vs/V no es lineal La relación Vs/V es lineal
)1(0 xZ +~V
Vs
0Z
DIVISOR DE TENSIÓN DE ALTERNA
CIRCUITOS ADAPTADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 9
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Departamento de Tecnología Electrónica
PUENTE DE WHEATSTONE
Puente de Wheatstonealimentado en tensión
)1(0 xRRr +=
Esta formado por dos divisores de tensión en parale lo y la tensión de salida es la diferencia entre las tensiones de salida de a mbos divisores.
Las RTD y las galgas extensiométricas son los sensor es resistivos típicos que utilizan el puente de Wheatstone.
El método de medida basado en un puente de Wheatsto ne se denomina medida por comparación.
CIRCUITOS ADAPTADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 10
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Departamento de Tecnología Electrónica
Condición de equilibrio del puente:
Vs = 0 V1 = V2Operando
R1 R3 = R2 R4
R1 R2
R3R4
Vs = V1 - V2
V2V1
Ve
En puentes resistivos V e puede ser continua o alterna
CIRCUITOS ADAPTADORESPUENTE DE WHEATSTONE
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 11
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Departamento de Tecnología Electrónica
Para valores pequeños de x :
x4
VeVs´ =
La sensibilidad del puente es:
4
x
dVe
dVsS ==
+2x
14
xVs = Ve
Salida ideal
10,5
-0,5-1
-0,25
-0,5
0,25
Vs/V
Salida real
Vs
R R
RR(1+x)V2
V1Ve
PUENTE DE WHEATSTONE RESISTIVO DE UN SOLO SENSOR
CIRCUITOS ADAPTADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 12
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Departamento de Tecnología Electrónica
Ejemplo: M edida de temperatura mediante una RTD
)1(0 tRRt α+=
31
3
20
0
)1(
)1(
RR
RV
RtR
tRVVVV abO +
⋅−++
+⋅=−=α
α
RTD linealizada
Cuando V O es nulay Tª = 0ºC 31
3
20
0RR
R
RR
R
+=
+
)1()1( trr
trVVO α
α++⋅+
⋅⋅=
Se suele hacer R 1 = R2 = R = r R0 y R3 = R0
r=R/R0
2)1( +⋅⋅≈
r
trVVO
α
+T
+V
R1
RtR3
R2
Vsa b
CIRCUITOS ADAPTADORESPUENTE DE WHEATSTONE RESISTIVO DE UN SOLO SENSOR
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 13
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Se suele hacer R 1=R2=R3=R
+−
+=
21
2
G3
3AB RR
RRR
REv
E
2∆R
R
14∆R
vAB
+=
E4
KεE
2Kε
1
14
KεvAB ≅
+=
εK∆R/R =
∆R+= RRG
K: factor de galgaε: deformación unitaria ( ∆L/L)
Ejemplo: Medida de fuerzas mediante una galga extensométrica
VAB
AB
R1 RG
R3R
2
E
PUENTE DE WHEATSTONE RESISTIVO DE UN SOLO SENSOR
CIRCUITOS ADAPTADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 14
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Departamento de Tecnología Electrónica
LINEALIZACIÓN ANALÓGICA
Para obtener una tensión directamente proporcional a las variaciones de una de las resistencias se puede utilizar el circ uito de la figura.
x2
VeVs =
R R
R(1+X) R
Vs
-
+
Ve
CIRCUITOS ADAPTADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 15
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PUENTE DE DOS SENSORES
Vs
R R(1+x)
RR(1+x)
VeV2
V1
R1 R3
+2x
12
xVs = Ve
Para valores de x pequeños
x2
VeVs´=
La sensibilidad del puente es:
2x
dVedVsS ==
F F
F
GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS
En este caso la tensión Vs es:
2K ε VeVs =
CIRCUITOS ADAPTADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 16
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Departamento de Tecnología Electrónica
PUENTE CON DOS GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS QUE COMPENSA N LAS VARIACIONES DE LA TEMPERATURA
V
R R(1-X)
R
Vs I2I1
R(1+X)R(t)
R(t)
R(1+X)
R(1-X)
R(t)(1+x)R(t) V
R
R(t) (1+X)
R
Vs I2I1
R(t)
CIRCUITOS ADAPTADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 17
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Departamento de Tecnología Electrónica
x·Ve·Ve2R
x)R(1
2R
x)R(1Vs =
--
+=
La sensibilidad del puente es:
xdVedVs
S ==
Vs = V1-V2
R(1-x) R(1+x)
R(1-x)R(1+x)
Ve V2V1
R(1+X)
R(1-X)
Galgas extensiométricas
En este caso la tensión Vs es:
K ε VeVs =
CIRCUITOS ADAPTADORESPUENTE DE CUATRO SENSORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 18
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PUENTE RESISTIVO ACTIVO
Vs+
-
Ve
R1R2
R3
R4
VeR1 (R3 + R4)
R1·R3 - R2·R4Vs =
R3 + R4
R3VeV =+
R1 + R2
·R2(Ve - Vs)Vs-V +=
CIRCUITOS ADAPTADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 19
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PUENTE RESISTIVO ACTIVO
Vex2
xVs
+=
Elemento sensor en R3 Elemento sensor en R2
2R
R - R(1 + x)Vs =
Si x es pequeño:
Ve2
xVs´ =
2x
S =
Si x es pequeño:
Ve2
xVs´ = -
2x
S = -
Ve +
-
RR
R(1+x)R
Vs +
-
Ve
RR(1+x)
RR
Vs
CIRCUITOS ADAPTADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 20
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Departamento de Tecnología Electrónica
DIFERENTES COMBINACIONES DE RESISTENCIASEN LOS DIVISORES DEL PUENTE
Vs cte I cte
Rox
V2(2+x)
2
xV
V x I Ro x
Ro(1+x)
Ro
Ro
Ro(1+x)
Ro(1-x)
Ro(1-x)
Ro(1+x) Ro(1-x)
Ro(1-x)
Ro(1+x)
Ro(1+x)
Ro(1+x)
Ro(1+x)
Ro(1-x)
Ro(1+x)
Ro
Ro
Ro Ro
Ro
Ro
Ro
R1 R2 R3 R4
xV
2+x
2xV
4 - x2
2xV
-
4 - x2Ro
I Ro x/2
I Ro x/2
I Ro x/2
I Ro x 2/2
I Ro x/(x+4)
R1 R2
R3R4
Ve
Vs
CIRCUITOS ADAPTADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 21
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Departamento de Tecnología Electrónica
VAB
EA B +
-
Para ajustar el nivel de la variable medida que pro duce una tensión de salida nula se puede utilizar un potenciómetro.
CIRCUITOS ADAPTADORES
PUENTE DE WHEATSTONE CON AJUSTE DEL CERO
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 22
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Departamento de Tecnología Electrónica
Se utiliza para eliminar la tensión fija que existe a la salida de un divisor de tensión, incluso cuando se basa en un sensor dif erencial. Si se utilizan brazos resistivos, sus capacidades parásitas introd ucen errores. Por ello se utilizan puentes de alterna con transformador (r amas inductivas) en los que la toma central se conecta a tierra, para que l as capacidades parásitas no influyan en el desequilibrio del puent e.
La estructura en puente hace que cualquier cambio d e las ramas adyacentes se cancele.
1 2o
1 2
C CVV
2 C C
−= ⋅+
xA
VVo ε
=
Condensador diferencial
(lineal)
C1
C2
Vo
V
N=1
CIRCUITOS ADAPTADORESPUENTE DE ALTERNA CAPACITIVO
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 23
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Departamento de Tecnología Electrónica
El circuito en puente es el más adecuado cuando se utilizan topologías diferenciales. La salida es lineal en función de la variación deinductancia si la distribución es la de la figura. Si se sitúan las resistencias en las dos ramas inferiores se obtiene un puente de alterna no lineal, pero se logra una sensibilidad doble par a variaciones de L pequeñas.
t)sen(ωV2L
∆LVV m
0AB ⋅=−
V(t) = V m sen( ωωωωt)
L1 +L2 =2L o
Lo -∆∆∆∆L=L 1 R
AB
RLo +∆+∆+∆+∆ L=L 2
i L
CIRCUITOS ADAPTADORESPUENTE DE ALTERNA INDUCTIVO
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 24
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Departamento de Tecnología Electrónica
TIPOS DE CIRCUITOS ACONDICIONADORES
� Circuitos adaptadores
� Circuitos amplificadores
� Circuitos de excitación
� Circuitos convertidores de parámetro y formato
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 25
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Departamento de Tecnología Electrónica
CIRCUITOS AMPLIFICADORES
Son circuitos que amplifican la señal proporcionada por un circuito adaptador o por un elemento sensor generador.
En función de las características de las señales que se deben amplificar se pueden utilizar amplificadores operacionales de aplicación general, amplificadores operacionales de características mejoradas o amplificadores especiales, que se describen en los temas 13 y 14.
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 26
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
Departamento de Tecnología Electrónica
RTD con amplificador inversor
RTD con amplificador diferencial
SENSORES RESISTIVOS DE GRAN SENSIBILIDAD. EJEMPLO: RTD
Vs
+
-R1
+V
R1
Ro
+T
Rt
(b)
(t-to)RR
RVVs α⋅
+⋅−=
01
0
Ro = Rto
CIRCUITOS AMPLIFICADORES PARA SENSORES MODULADORES
+
-R1
Rt
Vs
+V
+T
(a)
R1
V RoVs −−−−==== [1 + α (t-to)]
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 27
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Departamento de Tecnología Electrónica
CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES MODULADORES MEDIANTE CIRCUITOS ADAPTADORES Y
AMPLIFICADORES
Se suelen realizar mediante un puente de Wheatstone y un amplificador de instrumentación.
Ejemplo: Galga extensométrica ( Strain gage)
E
+
-
+
-
+
-
Amplificador de instrumentación
SENSORES RESISTIVOS DE PEQUEÑA SENSIBILIDAD
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 28
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Departamento de Tecnología Electrónica
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN
La mayoría de los sensores suministran una señal muy pequeña (algunos mV). En este caso la señal que generan se debe amplifica r mediante un amplificador de instrumentación que, tal como se in dica en el tema 14, posee unas características que lo asemejan a un amplifica dor ideal:
- Impedancia de entrada muy alta (infinita) e impedancia de salida muy baja
(nula).
- Tensión de salida proporcional a la diferencia de te nsiones de entrada (e 2-e1)
- Ganancia constante y muy precisa (no hay no linealid ades).
- Ancho de banda “muy elevado".
e1
e2
-
+
-
E0 = G(e2-e1)G +
CIRCUITOS AMPLIFICADORES PARA SENSORES MODULADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 29
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Departamento de Tecnología Electrónica
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN (AI)+
-
+
-
+
-
R1
RG
R1
R2
R2
R3
R3
C
D
Vi-
Vi+
Vc
Vc
Vs
Configuración típica de un AI
Los terminales de entrada son las entradas no inversoras de los AOlo que proporciona una elevada i m p e d a n c i a d e e n t r a d a .
El tercer AO es un amplificador de modo diferencial y la ganancia global del conjunto se ajusta mediante la resistencia externa R G.
( )−+ −
+⋅=⋅= ii
GDCo vv
R
R
R
R
R
Rvv 1
2
3
2
3 21
La tensión de salida V 0 en función de la tensión entre los dos terminales d e entrada es:
CIRCUITOS AMPLIFICADORES PARA SENSORES MODULADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 30
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Departamento de Tecnología Electrónica
La medida de la corriente se puede realizar midiend o directamente la
caída de tensión en una resistencia de valor elevad o (Figura a) o
realizando una conversión corriente-tensión mediant e un amplificador
de transimpedancia (Figura b). Los primeros presenta n problemas de
respuesta cuando el valor de la resistencia es muy elevado, por lo que
en general se utilizan convertidores corriente-tens ión.
CIRCUITOS AMPLIFICADORES PARA SENSORES GENERADORES
AMPLIFICADOR ELECTROMÉTRICO
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 31
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
Departamento de Tecnología Electrónica
APLICACIÓN DEL AMPLIFICADOR ELECTROMÉTRICO CON SENS ORES PIROELÉCTRICOS
Los sensores piroeléctricos poseen una elevada imped ancia de salida y proporcionan una
corriente muy pequeña, lo que hace necesario amplif icar la señal generada por ellos
mediante un amplificador de alta impedancia de entr ada (amplificador electrométrico).
El modo tensión se implementa con un seguidor de te nsión y el modo corriente mediante un
convertidor corriente-tensión. En el modo corriente la constante de tiempo puede ser menor
y se obtienen mejores tiempos de respuesta.
RG
CP vo
R fb
CP Vo
Cfb
iPiP
Modo tensión Modo corriente
CIRCUITOS AMPLIFICADORES PARA SENSORES GENERADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 32
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Departamento de Tecnología Electrónica
AMPLIFICADOR DE CARGA
Es un circuito amplificador que se utiliza para sum inistrar una tensión
proporcional a la carga de un condensador (converti dor carga-tensión).
Su impedancia de entrada es un condensador lo que h ace que tenga una
elevada impedancia de entrada a baja frecuencia. Se implementa
mediante un amplificador de continua de característ icas electrométricas,
es decir, que tiene unas corrientes de polarización prácticamente nulas.
CIRCUITOS AMPLIFICADORES PARA SENSORES GENERADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 33
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
Departamento de Tecnología Electrónica
APLICACIÓN DEL AMPLIFICADOR DE CARGA CON SENSORES PIEZOELÉCTRICOS
En los sensores piezoeléctricos la utilización de l os amplificadores
electrométricos o de carga es imprescindible para r ealizar medidas
estáticas porque en ellas el sensor genera una ener gía que se disipa sin
utilizar un condensador externo. Esto hace que la s eñal de salida se
anule (hasta que se produce un nuevo cambio en la s eñal de entrada).
En general, los amplificadores de carga son la mejo r opción ya que para
obtener buenos resultados mediante amplificadores e lectrométricos es
necesario que estén situados próximos al sensor.
CIRCUITOS AMPLIFICADORES PARA SENSORES GENERADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 34
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
Departamento de Tecnología Electrónica
Mediante un amplificador de carga se consigue que la carga eléctrica Q, producida por una fuerza constante F aplicada al se nsor, se acumule en forma de tensión en el condensador C A. Esta tensión aparece directamente en la salida del amplificador con signo contrario, y se m antiene aunque la fuerza aplicada sobre el sensor permanezca constante. La c apacidad del sensor desaparece porque se cortocircuita virtualmente a m asa a través del amplificador.
F +
-
CA
Vo
R
ACQ
V ====
Q C +
-
CA
AA C
kF
C
QV
O=−=
APLICACIÓN DEL AMPLIFICADOR DE CARGA CON SENSORES PIEZOELÉCTRICOS
CIRCUITOS AMPLIFICADORES PARA SENSORES GENERADORES
Circuitos acondicionadores de sensores
Tema 15 - 35
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
Departamento de Tecnología Electrónica
Las tensiones de asimetría y las corrientes de pola rización del amplificador ocasionan una rápida disminución de la tensión en b ornes del condensador debida a la integración de los errores hasta llevar el ampli ficador a saturación. Debido a ello el circuito deja de amplificar la carga y la señal de salida no sigue a la de entrada. Para resolver este problema hay que garantizar que el co ndensador C A está descargado antes de iniciar la medida. Para ello se utiliza un interruptor que cortocircuita el condensador de forma permanente excepto durante el tiempo de medida.
F +
-
CA
Vo
CONTROL F
Vo
t
t
Intervalo de medida
(a) (b)
Para limitar los picos negativos de la tensión de salida se suele colocar una R en serie con la entrada aunque introduce retardos adicionales en la medida.
APLICACIÓN DEL AMPLIFICADOR DE CARGA CON SENSORES PIEZOELÉCTRICOS
CIRCUITOS AMPLIFICADORES PARA SENSORES GENERADORES