Principios físicos del sensado

Sensores Resistivos

Deformimetro, sensor de deformación, galgas extensiométricas óStrain Gaige

El deformimtero de resistencia eléctrica es un alambre metálico, cinta metálica o una tira de material semiconductor en forma de oblea que se adiere a una superficie como si fuera una estampilla postal. Cuando se somete a un esfuerzo, la resistencia R cambia y el cambio de resistencia ∆R/R es proporcional al esfuerzo ε, es decir:

∆R/R=G ε G es conocido como factor de calibración

Sensores Capacitivos

Sensores Capacitivos

La capacitancia de un capacitor de placas paralelas esta dada por :

Donde εr es la constante de permitividad relativa del material dieléctrico y ε0 es una constante conocida como constante dieléctrica de espacio libre, A es el área de sobreposición de dos placas y d es el espacio de separación entre placas.

∗ 0 ∗

Los sensores capacitivos monitorean el cambio en cualquiera de sus variables en la ecuación, ya sea εr , A ó d.

En un desplazamiento que modifica la separación entre sus placas (figura a) si la separación aumenta por un desplazamiento x la capacitancia se modifica a

Por lo tanto el cambio de capacitancia ∆C esta dada por:

Como puede observarse la relación de cambio ∆C es no lineal

Esa no linealidad se puede eliminar utilizando lo que se conoce como sensor de desplazamiento asimétrico como el que se muestra en la siguiente figura:

Este sensor cuenta con tres placas, como resultado del desplazamiento de la placa central es un aumento en el capacitor C1 y una disminución en el capacitor C2 de la siguiente manera:

Si C1 es uno de los brazos de un puente de CA y C2 es el otro, el voltaje de desequilibrio es proporcional a x.

Este tipo de sensor por lo general se utiliza para monitorear desplazamientos desde unos cuantos milímetros hasta unos cientos de milímetros.

Los sensores capacitivos también se utilizan como sensores de presencia, éste es influenciado por variaciones de capacidad cuando cualquier material sólido, liquido (agua, madera, metal, café, polvo, etc.) se encuentra en presencia de su campo eléctrico

Elementos de un sensor capacitivo1. Oscilador 2. Convertidor de frecuencia a voltaje3. Detector de umbral4. Acoplamiento de salida

Los sensores capacitivos se utilizan principalmente como interruptores de límite que sean sensibles a todo tipo de materiales , como controles de máximo y mínimo de niveles de líquidos, polvos, granos, etc. en silos y contenedores.

Modelos

Sensores de Efecto HALL

Efecto HALL Cuando una placa metálica por la que pasa una corriente I se

coloca en un campo magnético perpendicular a I, aparece una diferencia de potencial entre puntos opuestos en los bordes de la placa.

Este campo, denominado Campo de Hall, es la resultante de fuerzas ejercidas por el campo magnético sobre las partículas de la corriente eléctrica, sean positivas o negativas

Este fenómeno permite la acumulación de cargas en un lado de la placa y en el otro el otro lado de la placa la acumulación de cargas opuesta, creándose entonces una diferencia de potencial dado por:

donde Kh es el coeficiente de Hall

B es la densidad de campo magnético I corriente que circula por la placa y t es el espesor de la placa Por lo tanto cuando una fuente de corriente se utiliza en un sensor

determinado, el voltaje HALL será medida de la densidad de campo magnético y de esta manera, la medida del potencial permite determinar si se trata de un campo positivo o negativo.

Principalmente existen dos tipos de sensores de efecto HALL: Sensores lineales : UGN3501, A1321

Sensores de umbral Sensores de umbral retentivos :US1881

Sensores de umbral no retentivos: 0H090U

Los sensores lineales de efecto Hall tienen a su salida un voltaje Vocon un rango de 0 a VCC. Cuando no hay campo su voltaje es 1/2VCC o Voff, cuando el campo es positivo o norte el Vo es mayor de 1/2VCC y cuando es negativo o sur es menor a Voff.

Sus aplicaciones son diversas de las cuales destacan

Medidore de corriente

Alta corriente

Pequeña corriente

Detector de huecos

Detector de dientes

Como brújula

Para agregar orientación geográfica, podemos utilizar el módulo CMPS10 de Devantech, que determina un ángulo respecto al campo magnético de la Tierra.

Este módulo es suficientemente sensibles como para detectar el campo magnético terrestre. Tiene una resolución de 0,1 grados y una precisión de 3 a 4 grados. Se puede conectar con facilidad a un microcontrolador, utilizando una interfaz I2C. También tiene una salida en la que indica el ángulo con un pulso de ancho modulado.

Sensores piro eléctricos

Los materiales piroeléctricos son materiales cristalinos que generan una carga como respuesta al flujo calorífico.

Construcción Si el material se calienta en un campo eléctrico a una temperatura de

610°C y se deja el campo eléctrico mientras se deja enfriar, entonces los dipolos del material se alinean y éste se polariza, aún cuando el material se retire del campo.

El sensor pieroeléctrico se comporta como un generador de carga, el cual genera cuando hay un cambio en la temperatura como resultado de la incidencia de luz infrarroja. Su ecuación característica es:

∆ ∆

Donde Kp es la constante de sensibilidad del cristal. EL circuito equivalente del sensor corresponde a un capacitor en paralelo con una resistencia de fuga

Para detectar el movimiento de un ser humano o de otra fuente calorífica el elemento sensor debe diferenciar entre la radiación calorífica del ambiente y la que produce la fuente en movimiento, para ello se utiliza un elemento de doble sensor como el que se muestra en la figura

Sensores piezo eléctricos

Cuando un material piezo eléctrico se estira o se comprime genera cargas eléctricas, en una de sus caras en forma positiva y en la cara opuesta se carga en forma negativa, produciendo una diferencia de potencial.

La carga neta q en una superficie esproporcional a la fuerza aplicada F

Donde S es una constante denomidadasensibilidad de carga; pejem, el cuarzotiene una sensibilidad de carda de 2.2 pC/N

El circuito equivalente de un sensor piezo eléctrico es un generadora de carga en paralelo con una capacitancia Cs y resistencia Rs que genera una corriente de fuga, es por eso que al conectarse a un circuito el equivalente queda como en la siguiente figura:

Los sensores piezoeléctricos se usan para medir presiones, fuerzas y aceleración; sin embargo, las aplicaciones deben de ser tales que la carga producida por la presión no tenga mucho tiempo para su descarga espontánea o fuga y por lo tanto en general se les utiliza para medir presiones transitorias en vez de medir presiones permanentes

Referencias

Baxter Larry K. (1997), Capacitive Sensors: Design andApplications, USA: IEEE Press, ISBN 0-7803-5351-X.Bolton William (2006), Mecatrónica-Sistemas de ControlElectrónico en la Ingeniería Mecánica y Eléctrica (3ª Edición),México: Alfaomega, ISBN 970-15-1117-4.Creus Sole, Antonio (2006), Instrumentación industrial (7ªedición), México: Alfaomega-Marcombo, , ISBN 84-267-1361-5.Pallás-Areny Ramón (2007), Sensores y acondicionadores deseñal (4ta. Edición), México: Alfaomega-Marcombo, ISBN 978-970-15-1231-9.