Lección 7: Sensores Capacitivos e Inductivos

Cte. dieléctrica relativa del agua en función de la temperatura Sensores Capacitivos Condensador plano 0: cte. dieléctrica del vacío 8,85 pF/m r: cte. dieléctrica relativa. Depende de la temperatura y de la frecuencia S: superficie d: distancia entre las placas r S d Cte. dieléctrica relativa del agua en función de la temperatura

Si g<<d/5 la anchura efectiva aumenta en g/2 Sensores Capacitivos Efectos de los bordes l: longitud de la placa a: anchura Guardas: U U U g U Si g<<d/5 la anchura efectiva aumenta en g/2

Sensores Capacitivos Condensador cilíndrico h r1 1 r2 h1 2 h2 r1 r2

Sensores Capacitivos Principio de funcionamiento Variación de la distancia Variación del dieléctrico Variación de la superficie Condensador diferencial x C2 Placas fijas Placa móvil C1 x a x0 d d C2

Sensores Capacitivos Medida de nivel Líquido no conductor h x Líquido conductor x

Sensores Capacitivos Proximidad Distancias de unos pocos mm. máx Materiales metálicos y no metálicos (p.e. Arena, agua, aceite, etc.)

Sensores Capacitivos

Láminas del condensador Sensores Capacitivos p z Presión absoluta Presión diferencial 2r S: tensión radial p Diafragma Láminas del condensador Substrato Pueden soportar sobrepresiones mucho mayores que la correspondiente al fondo de escala

Sensores Capacitivos HS1100/1001 de Humirel Humedad C0: algunos cientos de pF typ. : entre 0,5 y unos pocos pF por %RH Tiempos de respuesta de decenas de s. A min. HS1100/1001 de Humirel

Sensores Capacitivos Aplicaciones a M k f fn Respuesta en frecuencia x Muelle k Aceleración a f fn Respuesta en frecuencia MEMS “Micro-ElectroMechanical Systems” Ej. ADXL250 de Analog (42 elementos) Placas fijas M Muelle Placa móvil Aceleración

Detectores de presencia Sensores Capacitivos Detectores de presencia Ca Placa Placa C1 C1 Medida de capacidad Medida de capacidad Cb Tierra Tierra Detectores táctiles Silicio Condensador Substrato de cristal

Sensores Capacitivos Medidas por comparación Amplificador de carga C Uac R Us Con 10 veces el error es ya pequeño Amplificador de carga R2 Salida C1+C C2 Frecuencia de corte inferior R1 Udc Us Frecuencia de corte superior No influyen las capacidades de conexión

Sensores Capacitivos Conversión de la señal alterna a continua Up R Media onda Onda completa Rectificador precisión (media o doble onda) Filtro pasa bajos (extrae valor medio) Rectificador precisión de media onda Otras opciones Valor de pico (ej. PK01 de Analog Devices) Valor eficaz (ej. AD636 de Analog Devices) R R/2 Rectificador precisión de onda completa

Modelo del toroide equivalente Sensores inductivos Bobinas Modelo del toroide equivalente Ae I N g le

Sensores inductivos Bobinas x x N a a-x a+x Diferenciales

Sensores inductivos Proximidad Distancias hasta algún cm. máx Materiales ferromagnéticos Anillo Cilíndricos Rectangulares

Basados en corrientes Foucault Sensores inductivos Basados en corrientes Foucault : profundiad de penetración f: frecuencia : permeabilidad : resistividad No se requieren materiales magnéticos Frecuencia de trabajo 1MHz típ. Distancias de 0,25 a 30 mm (resolución hasta 0.0001 mm)

Acondicionamiento (L variable) Sensores inductivos Acondicionamiento (L variable) Medida por comparación Puente de Hay R1 Puente de Maxwell C1 R2 R1 R2 C1 Lx Lx R3 R3 Rx Rx Más adecuado para Q>10 Circuitos de acondicionamiento Similar a los capacitivos Medidas en puente Integración en el oscilador (muy habitual en proximidad) Us L-L Ue R R L+L Ej. diferencial

Sensores inductivos Transformador diferencial de variación lineal Linear Variable Differential Transformer RVDT: Rotary Variable Differential Transformer Uexc Uexc U1 U2 U1 U2 U1-U2 U1-U2 U1 Uexc Uexc U2 U1 U2 U1-U2

Sensores inductivos Transformador diferencial de variación lineal LVDT Uexc Uexc Uexc Uexc Uexc U1 U2 U1 U2 U1 U2 U1 U2 U1 U2 Uexc U1 -U2 U1-U2

Sensores inductivos LVDT Excitación: Fuente senoidal 1-10kHz de unos pocos V con baja distorsión armónica (<2-3%) y baja variación con la temperatura Rozamiento muy bajo Coste relativamente bajo Muy fiable Linealidad muy elevada hasta el 0,05% Alcances desde mm. Hasta algunas decenas de cm. Buena estabilidad Sensibilidad 0,02mV/V/0,001cm a 5mV/V/0,001cm Tiempo de respuesta relativamente pequeño Frecuencia máxima 2kHz (resonancia) Variación con la temperatura 12 ppm/°C. (Potenciómetros 20-40 ppm/°C)

Sensores inductivos Se pierde el sentido LVDT Usalida=U1-U2 Desp. positivo U2 U1 Ue U2 U1 Usalida=U1-U2 Desp. negativo U2 Se pierde el sentido

Sensores inductivos LVDT Ejemplos Ue Us Us Ue - Ue Us + Desm. Ue Desm. (G) Ue Us Us Divisor (G) Desm. Desm. - Ejemplos AD598 de Analog Devices Ue Us Divisor (G) Desm. +

LVDT-Aplicaciones