CONFERENCIA # 6 SENSORES MODULADORES RESISTIVOS

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1 CONFERENCIA # 6 SENSORES MODULADORES RESISTIVOS
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ Departamento de Ingeniería Electrónica CONFERENCIA # 6 SENSORES MODULADORES RESISTIVOS Profesor: Ing. Angel Custodio PHD

2 SUMARIO TEMA III SENSORES MODULADORES RESISTIVOS
Sensores resistivos. Sensores de reactancia variable Potenciómetros (Variables mecánicas) Sensores Capacitivos Condensador variable Galgas extensométricas (Variables mecánicas) Condensador diferencial Termorresistencias (Variable térmicas) Sensores inductivos Reluctancia variable Termistores (Variables térmicas) Inductancia mutua (LVDT) Magnetorresistencias (Variable magnéticas) Sensores electromagnéticos Fotorresistencias (Variables ópticas) Basados en la ley de Faraday Basados en el efecto Hall Higrómetros resistivos (Variables químicas) Acondicionamiento MEDICIONES INDUSTRIALES

3 INTRODUCCIÓN Los sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son probablemente los más abundantes. Esto se debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material. En consecuencia, ofrecen una solución válida para numerosos problemas de medida. En el caso de los resistores variables con la temperatura, ofrecen también un método de compensación térmica aplicable en los sistemas de medidas de otras magnitudes. MEDICIONES INDUSTRIALES

4 PRERREQUISITOS El estudiante tendrá definido el concepto de sensores moduladores tomando en cuenta que la clasificación general de esto sensores se hace en Sensores resistivos y Sensores de reactancia variable. MEDICIONES INDUSTRIALES

5 COMPETENCIA El alumno describirá los sensores más frecuentes basados en la variación de resistencia, exponiendo su fundamento, tecnología circuito eléctrico equivalente y aplicaciones. MEDICIONES INDUSTRIALES

6 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: Variable a medir Sensor resistivo Mecánica Potenciómetros y galgas extensométricas Térmica Termorresistencia y termistores Magnética Magnetorresistencia Optica Fotorresistencia Química Higrómetro resistivo MEDICIONES INDUSTRIALES

7 SENSORES RESISTIVOS POTENCIOMETRO
Un potenciómetro es un resistor con un contacto móvil deslizante o giratorio. La resistencia entre dicho contacto móvil y uno de los terminales fijos es:  = Resistividad del material (m) A = Sección transversal l = Longitud del conductor. α = Fracción de longitud correspondiente. MEDICIONES INDUSTRIALES

8 SENSORES RESISTIVOS POTENCIOMETRO
El problema de este tipo de sensor es: Rozamiento: Acorta la vida. Suele indicarse la vida mecánica en ciclos. Autocalentamiento: provoca errores, ya que la resistencia varía con la temperatura. Vibraciones: pueden provocar pérdida de contacto del cursor sobre la resistencia, por lo que tienen limitación de velocidad de desplazamiento. MEDICIONES INDUSTRIALES

9 SENSORES RESISTIVOS POTENCIOMETRO
El más sencillo consta de un devanado de espiras de aleación (Ni-Cr, Ni-Cu,...) sobre pieza aislante (cerámica, plástica). Esta constitución en espiras provocará problemas de inductancia y de resolución no infinita. Construcción Los sensores de cable convierten un desplazamiento lineal en una señal eléctrica proporcional. Al enrollar el cable en un tambor mecanizado con alta precisión, un sensor angular (como pueden ser: potenciómetro, encoder, tacogenerador, etc. ) fijado a dicho tambor nos dará la señal eléctrica, con resoluciones de hasta 0,05 mm y una linealidad del 0,1% ó 0,05%. Un muelle mantiene la tensión del cable de arrastre constante. El montaje del transductor de cable es muy simple y no necesita de alineación. Ejemplo MEDICIONES INDUSTRIALES

10 SENSORES RESISTIVOS POTENCIOMETRO
Ejemplos de potenciómetros Algunas aplicaciones típicas son: Máquina herramienta y de ensayos Apertura de invernaderos Control de compuertas y elevadores Ensayos dinámicos en la industria del automóvil Análisis modal en aeronáutica Medida de suspensión en ferrocarril, automoción, aeronáutica Potenciómetro no lineal Potenciómetro doble Potenciómetro de bola Potenciómetro liquido MEDICIONES INDUSTRIALES

11 SENSORES RESISTIVOS GALGAS EXTENSIOMETRICAS
Es un conductor dispuesto de forma que sea sensible a la deformación lo que provocará cambios en sus dimensiones y por tanto en su resistencia. Tiene un eje activo (longitudinal) para el que la deformación es máxima, mientras que en el eje transversal es prácticamente insensible a la deformación. En la imagen una galga impresa metálica. También existen galgas semiconductoras. MEDICIONES INDUSTRIALES

12 SENSORES RESISTIVOS GALGAS EXTENSIOMETRICAS
DEFORMACION DEFORMACION AXIAL DEFORMACION TRANSVERSAL PARA MAYOR INFORMACION CLICKEA EL HIPERVINCULO MEDICIONES INDUSTRIALES

13 SENSORES RESISTIVOS GALGAS EXTENSIOMETRICAS
FACTOR DE CARGA K Considerando Ro = resistencia en reposo, El factor de galga se define como: ΔR = VARIACION DE LA RESISTENCIA EN REPOSO K = FACTOR DE SENSIBILIDAD DE LA GALGA Partiendo de esta expresión, podemos expresar la resistencia tras la deformación R= Ro+ΔR en función de Ro, K y ε: MEDICIONES INDUSTRIALES

14 SENSORES RESISTIVOS GALGAS EXTENSIOMETRICAS
FACTOR DE CARGA K De la expresión anterior Deducimos La sensibilidad de la galga a la deformación será: MEDICIONES INDUSTRIALES

15 SENSORES RESISTIVOS GALGAS EXTENSIOMETRICAS
El problema de este tipo de sensor es: Hay que cuidar el margen elástico. El esfuerzo debe ser totalmente transversal a la galga. LA temperatura altera su valor. MEDICIONES INDUSTRIALES

16 SENSORES RESISTIVOS GALGAS EXTENSIOMETRICAS
Ejemplos de galgas extensiometricas Aplicaciones Algunas aplicaciones típicas son: Medida de fuerza. Medida de presión. Medida de desplazamientos pequeños. Medida de vibración. Diversos tipos de galgas metálicas y semiconductores, con y sin soporte MEDICIONES INDUSTRIALES

17 SENSORES RESISTIVOS RTD
Las RTD (Resistance Temperature Detector) se basan en la variación de la resistencia eléctrica de los metales con la temperatura. Una RTD típica está formada por un devanado de hilo encapsulado como el de la figura. MEDICIONES INDUSTRIALES

18 SENSORES RESISTIVOS RTD
SIMBOLO La ecuación que relaciona su resistencia con la temperatura es: Ro = Resistencia a la temperatura de referencia (habitualmente 0 ºC). ΔT = Tª - T referencia α1, α2, ... = coeficientes de temperatura. (También suelen expresarse como A, B, C, etc.) MEDICIONES INDUSTRIALES

19 SENSORES RESISTIVOS GALGAS EXTENSIOMETRICAS
Este dispositivo tiene como limitaciones. No puede medir temperaturas próximas a la de la fusión del conductor con que se fabrica. El autocalentamiento ocasionará derivas en la medición. Si se deforma, puede cambiar su patrón de medición. MEDICIONES INDUSTRIALES

20 SENSORES RESISTIVOS GALGAS EXTENSIOMETRICAS
Este dispositivo tiene como ventajas. Gran estabilidad (i.e. repetibilidad) y precisión. RTD’s de niquel o aleaciones son menos caras, pero no son tan estables ni precisas como el platino. Mayor linealidad que los termopares. Sensibilidad unas 10 veces mayor que la de los termopares. Parámetro Platino Cobre Níquel Molibdeno Resistividad a , cm 10,6 1,673 6,844 5,7 , //K 0,00385 0,0043 0,00681 0,003786 R0,  a 25,100,200,500... 10 () 50,100, 120 100, 2000, 500,... Margen, °C +850 +260 +320 -200 a+200 MEDICIONES INDUSTRIALES

21 SENSORES RESISTIVOS TERMISTORES
Los termistores también son resistencia que varían su magnitud con la temperatura. Se diferencian de las termorresistencia por que están basadas en semiconductores. Por tanto su característica no es lineal, aunque dentro de un margen adecuado pueda ser considerada de esa manera. PTC (Positive Temperature Coefficient): Mayor linealidad, menor sensibilidad NTC (Negative Temperature Coefficient): Menor linealidad, mayor sensibilidad, son más usadas. MEDICIONES INDUSTRIALES

22 SENSORES RESISTIVOS TERMISTORES
En un margen reducido de unos 50ºC, se puede considerar To = es la temperatura de referencia (habitualmente 25ºC) expresada en K. Ro = es la resistencia a la temperatura de referencia. β = Temperatura característica del material. (entre 2000 K – 5000K) y depende de la Tª. MEDICIONES INDUSTRIALES

23 SENSORES RESISTIVOS TERMISTORES
Este dispositivo tiene como limitaciones: Su reducida masa provoca problemas de autocalentamiento, por lo que habrá que limitar la corriente. Su falta de linealidad obliga a un acondicionamiento por software si queremos una alta precisión. Y como ventajas: Bajo coste. Tienen una sensibilidad mucho mayor que las RTD. Debido a su alta resistividad pueden tener una masa muy pequeña, lo que permite una respuesta rápida (i.e. constante de tiempo baja). Esta alta resistencia puede permitir despreciar el efecto de carga de los cables de conexión. Distintas formas de los termistores MEDICIONES INDUSTRIALES

24 SENSORES RESISTIVOS TERMISTORES
Algunas aplicaciones típicas son: -t° Medida directa de temperatura por variación de corriente. - t° Caudal Medida de caudal en circuito puente. MEDICIONES INDUSTRIALES

25 SENSORES RESISTIVOS TERMISTORES
Algunas aplicaciones típicas son: +t° PTC Protección por autocalentamiento. MEDICIONES INDUSTRIALES

26 SENSORES RESISTIVOS MAGNETORESISTENCIAS
Las magnetorresistencias se basan en la variación de resistencia en un conductor por variaciones en el campo magnético. Este efecto se denomina efecto magnetorresistivo y fue descubierto por Lord Kelvin en 1856 Algunas aplicaciones típicas son: Medición de campos magnéticos en las lectoras de tarjetas. Otras magnitudes que provean un cambio en el campo magnético, como el desplazamiento de una pieza, detectores de proximidad, nivel de flotador, etc. En estos casos se utiliza un imán que cambia su posición con el proceso. El campo generado por el imán es medido por la magnetorresistencia. Campo Magnético Reducción de I Aumento de R MEDICIONES INDUSTRIALES

27 SENSORES RESISTIVOS LDR
Una LDR es una resistencia con una característica muy particular: su valor depende de la intensidad de luz que incide en ella. Cuando la intensidad de la luz aumenta, el valor de la resistencia desciende. Una aplicación es la automatización de los sistemas de iluminación, de tal manera que al oscurecer se enciendan las luces. MEDICIONES INDUSTRIALES

28 SENSORES RESISTIVOS HIGROMETROS RESISTIVOS
Un higrómetro resistivo es un elemento cuya resistencia cambia con cambios en la humedad relativa del aire en contacto con el elemento. Los higrómetros resistivos generalmente están formados por dos electrodos de metal laminado sobre una forma plástica. Los electrodos no deben tocarse entre si, y están aislados uno del otro por medio de la forma plástica. Una solución de cloruro de litio es entonces utilizada para recubrir completamente el dispositivo. Variación de la resistencia con la humedad Disposición Física MEDICIONES INDUSTRIALES

29 ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES RESISTIVOS
Los métodos de acondicionamiento se clasificarán en tres grupos Divisor de tensión Amplificadores para puente de sensores Puente de Wheatstone Si en forma general se representa la variación de resistencia en un sensor resistivo como Los sensores resistivos deben ser conectados a circuitos de interfaz adecuado para poder aprovechar o medir el parámetro variado. Tradicionalmente no se suele medir la resistencia que varía, sino la variación de otro parámetro que depende de esta, como la tensión, la corriente o la frecuencia. El margen de variación de estos medidores puede representarse como Sensor Margen Potenciómetro 0 < x < -1 RTD y Termistor Intermedio Galgas 10-5 < x < 10-2 Todos estos sensores necesitan una alimentación eléctrica y presentan el problema que el autocalentamiento influye en la medida. MEDICIONES INDUSTRIALES

30 ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES RESISTIVOS Divisor de Tensión
Un divisor de tensión es una interfaz formada por una combinación serie de un resistor y un sensor, alimentados por una fuente de fija de tensión o corriente. Puede darse el caso que el sensor forme conforme la asociación serie de estos dos dispositivos. En la siguiente figura se puede observar la aplicación de esta interfaz al caso de potenciómetros. V Rn Rm del circuito de medida x Vm Rnx Rn(1-x) MEDICIONES INDUSTRIALES

31 ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES RESISTIVOS Divisor de Tensión
La ecuación del circuito será Si K = Rm/Rn y  = 1-x El sistema será lineal solo si K  ∞, lo cual ocurrirá si Rm >> Rn MEDICIONES INDUSTRIALES

32 ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES RESISTIVOS Divisor de Tensión
Para calcular este error, tomemos en cuenta que: Valor ideal = Rm  ∞, por tanto, K  ∞, por lo que Vi = V(1-x) Valor real o medido = Vm El error será Antes de continuar se debe destacar que la no linealidad en si debe representar un error. Por ejemplo, un sensor no lineal dará una respuesta no lineal que no debe ser interpretada como un error de medida. En cambio, si un sensor lineal modifica su característica de salida por culpa de la interfaz, entonces si se puede hablar de error. El caso actual es un ejemplo de este tipo de errores. MEDICIONES INDUSTRIALES

33 ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES RESISTIVOS Divisor de Tensión
El error será Máximo cuando El error absoluto a fondo escala será x lel K=10 1 K=1000 0,7 x lel 0,2 K=1 1 K=100 El problema de esta interfaz se centra en el efecto de carga que introduce el medidor (Rm). Una forma de corregirlo es usando medidores con Rm muy grande. MEDICIONES INDUSTRIALES

34 ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES RESISTIVOS Puente de Wheatstone
El puente de Wheatstone es un dispositivo orientado a corregir parte del problema que presenta la configuración anterior: Linealidad y sensibilidad.  El circuito es el mostrado a continuación. VS R1 R4 R3 = R0(1+x) V R2 MEDICIONES INDUSTRIALES

35 ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES RESISTIVOS Puente de Wheatstone
Si en el equilibrio se considera Se ha obtenido una relación no lineal, lo cual será proporcional solo cuando x << k+1 Si se alimenta a corriente constante se obtiene Ahora la condición para la linealidad es mejor, es decir, x << 2(k+1) MEDICIONES INDUSTRIALES

36 ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES RESISTIVOS Puente de Wheatstone
De libro del profesor Pallas se sugiere que un circuito de linealización puede ser Si lo que se quiere es ajustar el cero un posible circuito será: VS R0 R0(1+x) V VS R1 R4 R3 = R0(1+x) V R2 Rb Ra Demostrar que: MEDICIONES INDUSTRIALES

37 ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES RESISTIVOS Puente de Wheatstone
Un problema crucial en la conexión de estos circuitos es la conexión del sensor. Por ejemplo, considérese los hilos de conexión del sensor tal como se muestra en la figura. Una forma de resolver este problema es mediante la conexión a tres hilos o método Siemens. VS R1 R4 R3 = R0(1+x) V R2 a VS R1 R4 R3 = R0(1+x) V R2 a Idealmente En la práctica Calculando el error entre estos dos términos, se obtiene La ecuación será: MEDICIONES INDUSTRIALES

38 ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES RESISTIVOS Puente de Wheatstone
¿Cómo medir la salida de un puente? Si ahora se tiene cuatro sensores, el resultado será: Si en vez de un solo sensor se tiene que conectar dos, en configuración de medio puente, se obtiene: A. Mediante un galvanómetroaunque este tiene el problema de su baja resistencia. B. Con un Osciloscopio se tiene le problema que no posee entradas diferenciales. C. Con un Multímetro digital puede resultar muy costoso. VS R0(1+x) R0(1-x) R3 = R0(1+x) V VS R0 R3 = R0(1+x) V R2=R0(1-x) Note como se ha incrementado la sensibilidad de la medida. Donde Donde MEDICIONES INDUSTRIALES

39 ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES RESISTIVOS Amplificadores para puente de Sensores
Posibles configuraciones de operacionales para medir en el puente de Wheatstone. Conexión de un amplificador de instrumentación Conexión de un amplificador operacional Se obtiene un operacional con una fuente diferente de la que alimenta al puente. MEDICIONES INDUSTRIALES

40 Amplificador diferencial
ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES RESISTIVOS Amplificadores para puente de Sensores Amplificador diferencial Pero lograr este apareo de resistencia es difícil, por lo que su capacidad de rechazar las señales de modo común no será infinita. Donde el primer término es la ganancia en modo común, y el segundo, la ganancia en modo diferencial. Nosotros deseamos que el primer termino se anule. Calculemos cada termino tomando en cuenta que VS = GCEC + GDED Si las resistencias son iguales se puede deducir que VS = E2 – E1 MEDICIONES INDUSTRIALES

41 Amplificador diferencial cual se cumplirá solo si
ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES RESISTIVOS Amplificadores para puente de Sensores Amplificador diferencial Para que la ganancia en modo común sea cero se necesita que el coeficiente del primer término sea cero, lo cual se cumplirá solo si La capacidad que tiene un dispositivo para rechazar esta ganancia de modo común se denomina CMRR, y en este caso será Este dispositivo puede ser conectado al puente directamente desde sus terminales e1 y e2, pero también desde los puntos v1 y v2 MEDICIONES INDUSTRIALES

42 Amplificador de Instrumentación
ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES RESISTIVOS Amplificadores para puente de Sensores Amplificador de Instrumentación Se denomina amplificador d instrumentación a aquel dispositivo que tenga simultáneamente alta impedancia de entrada, alto rechazo del modo común, ganancia estable y variable con una sola resistencia, y que no se contraponga ganancia-ancho de banda, tensión y corriente de fugas bajas, bajas derivas, impedancia de salida baja. MEDICIONES INDUSTRIALES

43 Amplificador de Instrumentación
ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES RESISTIVOS Amplificadores para puente de Sensores Amplificador de Instrumentación La estructura típica de un A.I. es la mostrada en la figura siguiente, cuya ecuación es Si R4 = R5 = R6 = R7 , entonces MEDICIONES INDUSTRIALES

44 ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES RESISTIVOS Amplificadores para puente de Sensores
Amplificador de Aislamiento Son dispositivos que permiten un aislamiento ohmmico entre la entrada y la salida. Por tanto tienen una alta resistencia y una baja capacidad de entrada (1012 ohm / 10 pF) Se utilizan porque los amplificadores normales no soportan tensones de modo común altas. El paso de energía o señal se hace mediante transformador o por optoacopladores. CLICKEA AQUÍ PARA CULMINAR LA SESION DE CLASES MEDICIONES INDUSTRIALES

45 SENSORES RESISTIVOS GALGAS EXTENSIOMETRICAS
DEFORMACION AXIAL Ley de Hooke: En la zona elástica del material, la deformación unitaria (ε) es proporcional a la tensión o esfuerzo (σ): Además de la figura anterior, sabemos que ε = Deformación unitaria. Aunque no tiene dimensiones, suele expresarse en microdeformaciones (1 με = 10-6 m/m, es decir una deformación de una micra respecto a un metro). F= Fuerza aplicada. A= Sección del hilo. E= Módulo de elasticidad o módulo de Young del material. σ = F/A = Esfuerzo axial. RETORNO MENU MEDICIONES INDUSTRIALES

46 SENSORES RESISTIVOS GALGAS EXTENSIOMETRICAS
DEFORMACION TRANSVERSAL Además de la deformación axial, se produce una deformación transversal MODULO DE POISSON El signo es negativo ya que las deformaciones son de sentido contrario (tensión y compresión). RETORNO MENU MEDICIONES INDUSTRIALES

47 SENSORES MODULADORES RESISTIVOS
Próxima sesión: SENSORES MODULADORES RESISTIVOS PROBLEMAS Fin conferencia # 6 POR SU ATENCIÓN MEDICIONES INDUSTRIALES

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