Sensores

Sensores 2

Errores de medida• Errores de medida o sistemáticos

– Error sobre una señal de referencia.– Errores ligados a la calibración.– Errores debidos a las magnitudes de influencia.– Errores debidos a las condiciones de alimentación.– Errores debidos a las condiciones de uso.– Errores en el tratamiento de la señal de salida.

El desvío no puede ser calculado pero puede ser corregido o compensado

Sensores 3

Errores de medida• Errores accidentales e incertidumbre en la medida.

– Errores ligados a las indeterminaciones intrínsecas de las características del sensor.

– Errores debidos a señales parásitas de carácter aleatorio.– Errores debidos a magnitudes de influencia no controladas.

El desvío proviene de la variación de un parámetro no controlado, y sólo puede ser estimado.

Sensores 4

Errores de medida• Los errores accidentales conllevan una dispersión de los

resultados cuando las medidas se realizan en diferentes momentos.

• Con un tratamiento estadístico se puede conocer el valor más probable y los límites de la incertidumbre.

Valor medio

n

mm

n

ii∑

== 1

Dispersión

( )n

mmn

ii∑

=

−= 1

2

2σ

Probabilidad de cada resultado (ley normal)

( )( )

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡ −−

=2

2

2

21 σ

πσ

mm

emP

Probabilidad de resultados entre m1 y m2

( ) ∫=2

1

m

m21 )( dmmpmmP

%73.99)3(%45.95)2(

%27.68)(

=±=±

=±

σσσ

mPmPmP

Sensores 5

Errores de medida• Las cualidades esenciales de un sensor se expresan por

su fidelidad y exactitud, es decir su precisión.– Fidelidad: incertidumbres de medida pequeñas.– Exactitud: errores sistemáticos reducidos. Valor de la media muy

próximo al verdadero.– Precisión: indica la aptitud de un sensor a proporcionar un valor

de medida próximo al real. Un sensor preciso es fiel y exacto.

Sensores 6

Errores de medida

a) Sensor ni fiel ni exacto

b) Sensor fiel pero no exacto

c) Sensor exacto pero no fiel

d) Sensor fiel y exacto

Sensores 7

Errores de medida• La imprecisión de un sensor

es debida a la suma de varios errores elementales:– Error de cero.– Error sobre sensibilidad.– Error de resolución.– Error de reversibilidad.– Histéresis.– Error de calibración.– Error de repetibilidad.– Intercambiabilidad.

• La utilización continuada del sensor puede deteriorar o modificar las características:– Resistencia a la fatiga.– Duración de vida.

Sensores 8

Errores de medida

Sensores 9

Errores de medida

Sensores 10

Clasificación de sensores

• Según la naturaleza de la señal eléctrica de salida:– Sensores analógicos.– Sensores numéricos o

digitales.– Sensores lógicos.

• Según el origen de la señal de salida:– Activos.– Pasivos.

Sensores 11

Sensores activos• Funcionan como generador.• Principios básicos en los que se basan:

– Efecto termoeléctrico.– Efecto piroeléctrico.– Efecto piezoeléctrico.– Efecto de inducción electromagnética.– Efecto fotoeléctrico.– Efecto fotoemisivo.– Efecto fotovoltaico.– Efecto Hall.– Efecto Peltier.

Sensores 12

Sensores pasivos• Funcionan como modulador, la impedancia del sensor

es sensible a variaciones de la magnitud de medida.• La característica eléctrica sensible puede ser:

– Resistividad.– Constante dieléctrica.– Permeabilidad magnética.

• Necesitan acondicionamiento de señal.– Montaje potenciométrico o en puente.– Osciladores.

Sensores 13

Sensores pasivos

• Montaje potenciométrico.– Es el más simple.– Sensible a variaciones de alimentación y

perturbaciones.

Sensores 14

Sensores pasivos• Montaje en puente.

– Doble potenciómetro con medida de tensión diferencial.– Se reduce la sensibilidad a derivas de tensión y ruidos.– Para sensores resistivos se utiliza el puente de Wheastone.

Equilibrio:2341 si 0 ZZZZVm ⋅=⋅=

( ) ( )4231

2341

ZZZZZZZZVm +⋅+⋅−⋅

=

Sensores 15

Sensores pasivos• Si el sensor está alejado de las otras resistencias hay

que tener en cuenta la resistencia de los cables de conexión, pudiendo desequilibrar el puente.

Montaje a tres hilos Montaje a dos hilos de compensación

Sensores 16

Sensores pasivos

Puente de Nermst Puente de Sauty

Puente de Maxwell Puente de Hay

Sensores capacitivos

Sensores inductivos

Sensores 17

Sensores pasivos

• Osciladores.– Suministran una señal cuya frecuencia

modula la magnitud medida. Existen dos tipos fundamentalmente:

• Senoidales.• Relajación (señales cuadradas).

Sensores 18

Criterios de selección

• Es conveniente conocer:– Sensores disponibles en el mercado.– Características generales.– Ventajas e inconvenientes específicos.

• En la selección existen tres etapas:– Definición de especificaciones.– Selección de la tecnología.– Selección del producto.

Sensores 19

Criterios de selección• Definición de especificaciones.

– Naturaleza y tipo de la magnitud a medir.– Tipo de sensor buscado teniendo en cuenta la naturaleza de la

señal de salida.– Características metrológicas esenciales

• Alcance de medida.

• Precisión.

• Rapidez de respuesta.

• Condiciones de uso

Gama de temperaturas.

Sobrecargas admisibles.

Duración de vida.

Protecciones (polvo, humedad...)

• Especificaciones geométricas.

• Especificaciones económicas.

• Otras especificaciones:

Alimentación.

Consumo.

Masa...

Sensores 20

Criterios de selección

Sensores 21

Principios de medida• Medida por intervalo de tiempo.• Medida por deformación, variación de longitud o forma.• Medida por un par o una fuerza.• Medida por presión.• Medida acústica.

– Variación de frecuencia de un sistema vibrante.– Variación de velocidad de propagación de una onda acústica.– Medida del tiempo que tarda una señal en recorrer una

distancia.– Frecuencias audibles y utrasónicas.

Sensores 22

Principios de medida

• Medida por óptica geométrica.– Propagación rectilínea.– Rotación de haz reflejado.

• Medida por óptica ondulatoria (fenómenos de interferencia y polarización).

• Medida por ondas electromagnéticas.– Resonancia nuclear.– Corrientes de Foucault.– Difracción y absorción de rayos X...

Sensores 23

Principios de medida• Medida por efecto magnético.

– Efecto Wiegand.– Efecto Hall.

• Medida por efecto térmico.• Medida por efecto termodinámico.• Medida por efecto piezoeléctrico y piezorresistivo.• Medida por inducción de la fuerza contraelectromotriz.• Medida por termoelectricidad (efecto Seebeck).

Sensores 24

Principios de medida

• Medida por electroquímica.• Medida por fotoelectricidad.• Medida por contacto eléctrico.• Medida por potenciómetro.• Medida por extensiometría.• Medida por capacidad.

Sensores 25

Sensores de posición, desplazamiento y proximidad

• Muy utilizados (máquina herramienta, prensas...).• Se pueden usar para medir indirectamente otras

magnitudes físicas.• Métodos para medida de desplazamientos y

posiciones:– Señal función de la posición de una de las partes del sensor

fija al objetivo móvil.• Potenciómetros.• Inductancias de núcleo móvil.• Condensadores de armadura móvil.• Transformador de acoplo variable.

– Codificadores incrementales.

Sensores 26

Sensores de desplazamiento

Sensores 27

Detectores de posición

Característica fundamental:

Tensión y corriente máxima que pueden cortar.

Sensores 28

Detectores de proximidad

• No tienen unión física con el objeto a detectar.• Distancias desde 1mm a varios metros.• Aplicaciones principales:

– Control de presencia, ausencia y fin de carrera.– Detección de paso.– Posicionamiento y conteo de piezas.– Barreras de protección, sistemas antirrobo.

Sensores 29

Detectores de proximidad• Se utilizan sobre todo:

– Cuando la velocidad del objeto a detectar es rápida.– En entornos hostiles: polvo, aceite, humedades...– Cuando las piezas a detectar son pequeñas o frágiles.

• Según la tecnología pueden ser:– Inductivos.– Capacitivos.– Fotoeléctricos.– Ultrasónicos.– Magnéticos.– Efecto Hall.– Magnetorresistivos.

Sensores 30

Detectores de proximidad

• Inductivos.

Sensores 31

Detectores de proximidad

• Inductivos.

Sensores 32

Detectores de proximidad

• Capacitivos.

Sensores 33

Detectores de proximidad

• Fotoeléctricos.

EMISOR RECEPTOR HAZLámpara de incandescencia Fotorresistivo Visible

Diodo electroluminiscente Fotorresistivo Infrarrojo

Diodo electroluminiscente(impulsos de corriente)

Fotovoltaico Infrarrojomodulado

Sensores 34

Detectores de proximidad

• Fotoeléctricos.

Sensores 35

Detectores de proximidad

• Magnéticos.

Sensores 36

Sensores de proximidad

• Son sensores de desplazamiento sin unión física al objeto en movimiento.

• Ventajas:– Banda pasante ancha.– Finura elevada.– Gran fiabilidad (sin desgaste ni histéresis).– Aislamiento galvánico.

• Inconvenientes:– Alcance de medida pequeño (algunos mm).– Funcionamiento no lineal.– Respuesta dependiente del entorno y del objeto.

Sensores 37

Sensores de proximidad

• Tecnologías empleadas:– Inductivos.– De reluctancia variable.– De corrientes de Foucault.– De efecto Hall.– Magneto-resistivos.

Sensores 38

Sensores analógicos de desplazamiento

• Las variaciones en su señal de salida reflejan el desplazamiento del objeto móvil.

• El objeto está unido físicamente a una parte del sensor.• La información puede ser de desplazamiento lineal o de

rotación.• Utilización:

– Servosistemas.– Medida y control.– Mediciones de otras magnitudes físicas (fuerza, par,

deformación, velocidad, aceleración...)

Sensores 39

Sensores analógicos de desplazamiento

• Tecnologías.

Sensores 40

Sensores de desplazamiento

• De inductancia variable.– El elemento móvil es un núcleo ferromagnético cuyo

desplazamiento modifica el coeficiente de autoinducción de una bobina.

Sensores 41

Sensores de desplazamiento

• De inductancia variable.– Se puede mejorar la linealidad de la respuesta con la

asociación en oposición de dos bobinas cuyos coeficientes varían en sentido contrario para un mismo desplazamiento.

Sensores 42

Sensores de desplazamiento

• Transformador diferencial (LVDT).

Sensores 43

Sensores de desplazamiento

• Transformador diferencial (LVDT).– Ventajas:

• Fiabilidad y robustez.• Manejabilidad y ligereza.• Aislamiento galvánico entre primario y secundarios.• Separación física total entre el equipo móvil y el

transformador, permitiendo su uso en condiciones ambientales agresivas.

• Excelente resolución (del orden de 0.1 μm).• Ausencia de histéresis, excelente repetibilidad.• Costo y consumo pequeños (mW).• Integración de funciones en el sensor.

Sensores 44

Sensores de desplazamiento

• Sincro.( )

( ) ( )( ) ( )( ) ( )Φ−−⋅⋅=

Φ−+⋅⋅=Φ−⋅⋅=

=

tEkEtEkE

tEkE

tEV

tS

tS

tS

r

ωαωωαω

ωαω

ω

cos120coscos120cos

coscos

cos

3

2

1

(rad/seg).rotor deltensión Pulsación rotor. tensión máximoValor

(idem). ecundarioprimario/sRelación ntos.arrollamie los de depende propio. Desfase

S2. ntoarrollamierotor Angulo

====Φ=

ω

α

Ek

t

Sensores 45

Sensores de desplazamiento

• Sincro detector.

Sensores 46

Sensores de desplazamiento

• Resólver.

Resólver transmisor. Sincrodetector de dos resólvers.

Sensores 47

Sensores de desplazamiento

• Capacitivos.

TIPO DECONDENSADOR

MODO DEDESPLAZAMIENTODE LA ARMADURA

SUPERFICIESUPERPUESTA

DESVIO ENTREARMADURAS

DESPLAZAMIENTOMEDIDO

En su plano Variable Constante AngularPlano

Perp. a su plano Constante Variable Rectilíneo

Cilíndrico Paralelo al eje Variable Constante Rectilíneo

Sensores 48

Sensores digitales de desplazamiento

• Señal de salida númerica.• Tecnologías:

– Codificadores ópticos: incrementales y absolutos.– Codificadores sincro-máquinas.– Codificadores a contacto.

Sensores 49

Sensores digitales de desplazamiento

• Codificadores ópticos.– Partes de las que se componen:

• Emisor de luz (infrarroja) o diodos electroluminiscentes (LED).• Elementos de codificación: Regla o disco con zonas transparentes

y opacas.• Receptor de luz: Fotodiodos o fototransistores.

– Resolución finita (salida numérica).– Dificultad en realizar alineamiento entre fuente y receptor.– Sensibles a choques, vibraciones y temperatura.– Precio relativamente elevado.

Sensores 50

Sensores digitales de desplazamiento

• Codificadores ópticos incrementales.

Sensores 51

Sensores digitales de desplazamiento

• Codificadores ópticos incrementales.

Sensores 52

Sensores digitales de desplazamiento

• Codificadores ópticos absolutos.

Sensores 53

Sensores de desplazamiento

• Selección.

MEDIDA DE UN DESPLAZAMIENTO

SEÑAL DE SALIDASin unión física Con unión física

LógicaAnalógicaDigital

Detector de proximidadSensor de proximidad-----

Detector de posiciónSensor de desplazamientoCodificador de desplazamiento

Sensores 54

Sensores de desplazamiento

• Selección de un detector de posición.

Sensores 55

Sensores de desplazamiento

• Selección de un detector de proximidad.

Sensores 56

Sensores de desplazamiento

• Selección de un sensor digital de desplazamiento.

Sensores 57

Sensores de desplazamiento

• Selección de un sensor analógico de desplazamiento.

Sensores 58

Sensores de velocidad

• Clasificación según:– Tipo de desplazamiento del objeto: rectilíneos y

angulares.– Tipo de señal de salida: analógicos y digitales.– Tipo de recorrido para los lineales:

• Ilimitado. Sin unión mecánica con el objeto.• Limitado. Con unión mecánica con el objeto.

– Posición del sensor respecto al objeto:• Exterior. Tacómetros y tacodinamos.• Interior para los girómetros.

Sensores 59

Sensores de velocidad

Sensores 60

Sensores de velocidad

• Velocidad lineal.– Recorridos limitados:

• Tacómetro lineal de hilo.• Tacómetro lineal electromagnético.

– Recorridos ilimitados:• Tacómetros lineales de ultrasonidos.• Tacómetros lineales de ondas luminosas (láser).• Tacómetros lineales de hiperfrecuencias (radar).

Sensores 61

Sensores de velocidad

• Velocidad angular.– El cuerpo de prueba es un disco solidario con el eje cuya

velocidad se quiere medir, en el disco hay referencias dispuestas periódicamente.

– Tecnologías utilizadas:• Detección inductiva por reluctancia variable.• Detección inductiva por corrientes de Foucault.• Detección por efecto Hall.• Detección capacitiva.• Detección magnetorresistiva.• Detección fotoeléctrica.

– Tacodinamos analógicas de corriente continua y alterna.

Sensores 62

Sensores de velocidad

• Selección de un sensor de velocidad lineal.

Sensores 63

Sensores de velocidad

• Selección de un sensor de velocidad angular.

Sensores 64

Sensores de aceleración• Los sensores de aceleración, vibraciones y choques se

usan principalmente para vigilancia de máquinas rotativas.

• Se basan en la medida de una fuerza o un desplazamiento.– Fuerza:

• Piezoeléctricos.• Piezorresistivos.• Servocontrolados.

– Desplazamiento:• Potenciométricos.• Inductivos.

Sensores 65

Sensores de aceleración

• Clasificación de acelerómetros según el fenómeno analizado

Sensores 66

Sensores de aceleración

• Acelerómetros piezoeléctricos

•Sin pieza móvil (sin desgaste).

•No necesita fuente de alimentación.

•Necesidad de un amplificador de carga.

•Aceleraciones constantes o bajas frecuencias no se pueden medir.

•Medidas entre 0ºK y 800ºC.

Sensores 67

Sensores de aceleración

• Acelerómetros piezorresistivos.

•Se pueden medir aceleraciones constantes.

•Sin pieza móvil (sin desgaste).

•Gran sensibilidad.

•Sensibilidad despreciable a deformaciones de base y transitorios de temperatura.

•Acondicionamiento de señal clásico.

•Sensibilidad variable.

•Frecuencia de resonancia de 200 KHz.

•Temperatura limitada a 120ºC.

Sensores 68

Sensores de aceleración

• Otros acelerómetros.– Servocontrolados.– De potenciómetro.– Inductivos.

Sensor de aceleración piezoeléctrico

Sensores 69

Sensores de aceleración

• Comparación de características metrológicas.

Sensores 70

Sensores de aceleración

• Selección de un acelerómetro

Sensores 71

Sensores de temperatura

• Reglas para la selección de un sensor de contacto.

Sensores 72

Sensores de temperatura

• Dispositivos que permiten la evaluación de la temperatura.

Sensores 73

Sensores de temperatura

• Termopares.

Sensores 74

Sensores de temperatura

• Termopares.

Sensores 75

Sensores de temperatura

• Termopares. Medida de la tensión de Seebeck.

Sensores 76

Sensores de temperatura

• Termopares. Utilización de hielo para obtener 0ºC en la referencia.

Sensores 77

Sensores de temperatura

• Termopares. Medida de tensión Seebeck con un termopar J

Sensores 78

Sensores de temperatura

• Termopares. Empleo de un bloque isotérmico.

Sensores 79

Sensores de temperatura

• Termopares. Supresión del vaso con hielo.

Sensores 80

Sensores de temperatura

• Termopares. Ley de los metales intermedios.

Sensores 81

Sensores de temperatura

• Termopares. Compensación hardware.

Sensores 82

Sensores de temperatura

• Termopares.

Sensores 83

Sensores de temperatura

• De resistencia metálica.

Materiales para medir muy bajas temperaturas

Sensores 84

Sensores de temperatura

• Pirómetros ópticos.

Sensores 85

Sensores de temperatura

• Preselección.

Sensores 86

Sensores de temperatura

• Gama de temperaturas de diversos sensores

Sensores 87

Sensores de temperatura

• Selección.

Sensores 88

Sensores y detectores de nivel

• Clasificación.– Tipo de instalación.

• En cuba o depósito (abierto o cerrado bajo presión).• Exterior: Lagos, canales, pozos...

– Naturaleza del producto medido.• Fluido (líquido).• Sólido (granulado, polvo).

– Tipo de señal de salida.• Analógicos (sensores de nivel).• Lógico (detectores de nivel).

– Modo de unión.• Con contacto.• Sin contacto.

Sensores 89

Sensores y detectores de nivel

• Tecnologías empleadas.– Métodos hidrostáticos.

• Dispositivos de flotador.• Dispositivos de inmersión.• Dispositivos de palpador electromecánico.• Dispositivos manométricos.

– Métodos eléctricos.– Métodos caloríficos.– Métodos basados en la radiación.

• Radiación gamma.• Ultrasonidos.• Ópticos.• Hiperfrecuencias.

Sensores 90

Sensores y detectores de nivel

• Preselección.

Sensores 91

Sensores y detectores de nivel

• Selección del método de medida.

Sensores 92

Sensores y detectores de nivel

• Características de algunos sensores.

Sensores 93

Sensores y detectores de nivel

Sensores 94

Sensores y detectores de nivel

Sensores 95

Sensores y detectores de nivel

Sensores 96

Sensores de presión

PRESIÓNCRECIENTE

PRESIÓNATMOSFÉRICA

VACÍOABSOLUTO

PRESIÓNRELATIVAPOSITIVA

PRESIÓN RELATIVANEGATIVA (VACÍO)

PRESIÓNDIFERENCIAL

PRESIÓNABSOLUTA

Diferentes medidas de presión

Sensores 97

Sensores de presión

Presión dinámica en líneas de inyección de motores dieselPresión máxima en cilindros de motores dieselPresión máxima en cilindros de motores de gasolinaSistemas de pintura industrial por "spray"Golpes de agua en sistemas de extinción de incendiosAutomóviles: inyección de fuel, refrigeraciónAutomóviles: transmisión hidráulicaAceite de lubrificación en motores y generadores dieselAceite de lubrificación en turbinas y generadores hidráulicosMonitorizado del nivel del agua en tanques y depósitosPresión atmosférica a nivel del marBombas de mantenimiento de nivel, estaciones de depuraciónCrecimiento de cristales de silicioPresión barométrica a 18.000 metros de altitudReacciones tipo plasma CVD (fabricación de semiconductores)Deposición de silicio dopado (fabricación de semiconductores)Establecimiento de geometría (fabricación de semiconductores)Pasivación óxidos de silicio (fabricación de semiconductores)Mínima presión de vacío que se puede medir actualmente

10.0004.0001.2001.00080010090705030

14,6961041

0,50,01

0,00020,00005

0,0000002

Presión, psi Proceso

(1 psi = 1 Lb/in2 = 0,068946 bares; 1 bar = 14,504 psi)

Presiones en procesos industriales

Sensores 98

Sensores de presión

• Cuerpos de prueba.

Sensores 99

Sensores de presión

• Algunos tipos de sensores

Resistivo. Piezoeléctrico. Inductivo.

Sensores 100

Sensores de fuerza

• Cuerpos de prueba.

Sensores 101

Sensores de par

• Cuerpos de prueba.

Sensores 102

Sensores de presión, fuerza, peso y par

• Métodos de transducción.

Sensores 103

Sensores de presión, fuerza, peso y par

• Selección. Materiales existentes.

Sensores 104

Sensores de presión, fuerza, peso y par

• Elección del modo de transducción (1).

Sensores 105

Sensores de presión, fuerza, peso y par

• Elección del modo de transducción (y 2).

Sensores 106

Sensores de presión

• Comparación de características de sensores resistivos.

Sensores 107

Sensores de presión

• Elección del cuerpo de prueba.

Sensores 108

Sensores de presión

• Gama de presiones de manómetros.

Sensores 109

Sensores y detectores de caudal

• Clasificación (1).– Tipo de instalación.

• Canalización cilíndrica para líquidos y gases.• Canales abiertos para líquidos.• En atmósfera (velocidad del aire).

– Naturaleza del elemento transportado.• Fluido (líquido, gas)• Sólido (granos, polvo...).

Sensores 110

Sensores y detectores de caudal

• Clasificación (2).– Señal de salida eléctrica.

• Analógicos. Sensores de caudal.• Numéricos (tren de impulsos). Contadores de caudal.• Lógicos. Detectores de flujo.

– Magnitud a medir.• Caudal volumétrico.• Caudal másico.• Velocidad de circulación del fluido.• Presión diferencial.

Sensores 111

Sensores de caudal.

• Caudalímetros mecánicos.– Caudalímetros de flotador rotativo.– Contadores volumétricos.

• De paletas.• De pistones.• De ruedas ovales.

– Contadores de velocidad. De turbina (o hélice).– Controladores de circulación.

• De flotador rotativo.• De núcleo sumergido.• De compuerta.

Sensores 112

Sensores de caudal

• Caudalímetros estáticos.– Caudalímetros de órgano deprimógeno.– Caudalímetros de sonda.– Caudalímetros electromagnéticos.– Caudalímetros de ultrasonidos.– Caudalímetros de efecto Vortex.– Caudalímetros térmicos.

Sensores 113

Sensores de caudal

• Contador volumétrico de ruedas ovales.

Sensores 114

Sensores de caudal

• Contador de velocidad de turbina axial.

Sensores 115

Sensores de caudal

• Contador de velocidad de turbina vertical (entrada única).

Sensores 116

Sensores de caudal

• Contador de velocidad de turbina vertical (entrada múltiple).

Sensores 117

Sensores y detectores de caudal

• Controlador de circulación de compuerta.

Sensores 118

Sensores de caudal

• Caudalímetros de órgano deprimógeno.

Sensores 119

Sensores de caudal

• Caudalímetro de sonda.

Sensores 120

Sensores de caudal

• Caudalímetro electromagnético.

Sensores 121

Sensores de caudal

• Caudalímetros de ultrasonidos.

De efecto de paso De efecto Doppler

Sensores 122

Sensores de caudal

• Preselección.

Sensores 123

Sensores de caudal

Sensores 124

Sensores de caudal

Sensores 125

Sensores de caudal