Sa Tema 15- Circuitos Acondicionadores 1

Circuitos acondicionadores de sensores

Tema 15 - 1

E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicacin de Vigo

Departamento de Tecnologa Electrnica

SENSORES Y ACONDICIONADORES

TEMA 15 (1)

CIRCUITOS ACONDICIONADORES DE SENSORES ANALGICOS

CIRCUITOS ADAPTADORES Y AMPLIFICADORES

Profesores: Enrique Mandado PrezAntonio Murillo Roldan


Tema 15 - 2



Se denominan acondicionadores los circuitos que con vierten una caracterstica del elemento sensor en una seal elc trica analgica, digital o temporal.

Se puede considerar tambin 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 electrnicos de interfaz ( Interface electronic circuits ) porque estn situados entre uno o mas sensores y u n procesador digital.

Los circuitos acondicionadores estn formados por u no o ms de los siguientes tipos de circuitos:

Circuitos adaptadores

Circuitos amplificadores

Circuitos de excitacin

Circuitos convertidores de parmetro y formato

DEFINICIN


Tema 15 - 3



TIPOS DE CIRCUITOS ACONDICIONADORES






Tema 15 - 4



Se denominan adaptadores a los circuitos que convie rten el cambio de una resistencia, una capacidad o una inductancia en una tensin elctrica.El conjunto formado por el elemento sensor y el cir cuito adaptador constituye un sensor modulador o pasivo.

Principales circuitos adaptadores:

- Divisor de tensin

- Puente de medida

CIRCUITOS ADAPTADORESDEFINICIN


Tema 15 - 5



DIVISOR DE TENSIN

VZZ

ZVo

21

2

++++====V

VO

Z1

Z2

CA / CC

El mtodo de medida basado en un divisor de tensin se denomina medida por deflexin.

CIRCUITOS ADAPTADORES


Tema 15 - 6



Se basan en la medida de la cada de tensin en bor nes de una resistencia, la corriente a su travs o ambos valo res. El divisor resistivo es adecuado cuando la variacin x de resistencia po r unidad de variacin de la variable de entrada es elevada. Por el contrario, no es apropiado en sensores en los que las variaciones de la resistencia son pequeas, porque exigen que se midan cambios muy pe queos 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 TENSIN


Tema 15 - 7



Se utiliza fundamentalmente en potencimetros (sin resistencia R de referencia), LDR y termistores.

En los termistores se puede linealizar la relacin entre Vo y RT si se elige un valor adecuado de R.

Tio RR

RVTv

+=)(

=L

LRRL

00

Lio RR

RVLv

+=)(

R Vo

Vi

L NTC )11(0

0

TTB

T eRR

=

R

-t

V i

V o

CIRCUITOS ADAPTADORESDIVISOR RESISTIVO DE TENSIN


Tema 15 - 8



El montaje diferencial cancela el efecto de las imp edancias parsitas que pueden existir en paralelo con el sensor. Adems la relacin entre la tensin de entrada y la de salida es lineal, aunque existe un trmino fijo en la expresin de la tensin de salida.

x

x

V

Vs

++=

2

1

2

1 x

V

Vs +=

~V

Vs

)1(0 xZ

)1(0 xZ +

Circuito diferencial

La relacin Vs/V no es lineal La relacin Vs/V es lineal

)1(0 xZ +~V

Vs

0Z

DIVISOR DE TENSIN DE ALTERNA



Tema 15 - 9



PUENTE DE WHEATSTONE

Puente de Wheatstonealimentado en tensin

)1(0 xRRr +=

Esta formado por dos divisores de tensin en parale lo y la tensin de salida es la diferencia entre las tensiones de salida de a mbos divisores.

Las RTD y las galgas extensiomtricas son los sensor es resistivos tpicos que utilizan el puente de Wheatstone.

El mtodo de medida basado en un puente de Wheatsto ne se denomina medida por comparacin.



Tema 15 - 10



Condicin 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


Tema 15 - 11



Para valores pequeos 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



Tema 15 - 12



Ejemplo: M edida de temperatura mediante una RTD

)1(0 tRRt +=

31

3

20

0

)1(

)1(

RR

RV

RtR

tRVVVV abO +

++

+==

RTD linealizada

Cuando V O es nulay T = 0C 31

3

20

0RR

R

RR

R

+=

+

)1()1( trr

trVVO

+++

=

Se suele hacer R 1 = R2 = R = r R0 y R3 = R0

r=R/R0

2)1( +

r

trVVO

+T

+V

R1

RtR3

R2

Vsa b

CIRCUITOS ADAPTADORESPUENTE DE WHEATSTONE RESISTIVO DE UN SOLO SENSOR


Tema 15 - 13



Se suele hacer R 1=R2=R3=R

+

+=

21

2

G3

3AB RR

RRR

REv

E

2R

R

14R

vAB+

=

E4

KE

2K

1

14

KvAB

+=

KR/R =

R+= RRG

K: factor de galga: deformacin unitaria ( L/L)

Ejemplo: Medida de fuerzas mediante una galga extensomtrica

VAB

AB

R1 RG

R3R

2

E

PUENTE DE WHEATSTONE RESISTIVO DE UN SOLO SENSOR



Tema 15 - 14



LINEALIZACIN ANALGICA

Para obtener una tensin 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



Tema 15 - 15



PUENTE DE DOS SENSORES

Vs

R R(1+x)

RR(1+x)

VeV2

V1

R1 R3

+2x

12

xVs = Ve

Para valores de x pequeos

x2

VeVs=


2x

dVedVsS ==

F F

F

GALGAS EXTENSIOMTRICAS

En este caso la tensin Vs es:

2K VeVs =



Tema 15 - 16



PUENTE CON DOS GALGAS EXTENSIOMTRICAS 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)



Tema 15 - 17



xVeVe2R

x)R(1

2R

x)R(1Vs =

--

+=


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 extensiomtricas

En este caso la tensin Vs es:

K VeVs =

CIRCUITOS ADAPTADORESPUENTE DE CUATRO SENSORES


Tema 15 - 18



PUENTE RESISTIVO ACTIVO

Vs+

-

Ve

R1R2

R3

R4

VeR1 (R3 + R4)

R1R3 - R2R4Vs =

R3 + R4

R3VeV =+

R1 + R2

R2(Ve - Vs)Vs-V +=



Tema 15 - 19



PUENTE RESISTIVO ACTIVO

Vex2

xVs

+=

Elemento sensor en R3 Elemento sensor en R2

2R

R - R(1 + x)Vs =

Si x es pequeo:

Ve2

xVs =

2x

S =

Si x es pequeo:

Ve2

xVs = -

2x

S = -

Ve +

-

RR

R(1+x)R

Vs +

-

Ve

RR(1+x)

RR

Vs



Tema 15 - 20



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



Tema 15 - 21



VAB

EA B +

-

Para ajustar el nivel de la variable medida que pro duce una tensin de salida nula se puede utilizar un potencimetro.


PUENTE DE WHEATSTONE CON AJUSTE DEL CERO


Tema 15 - 22



Se utiliza para eliminar la tensin fija que existe a la salida de un divisor de tensin, incluso cuando se basa en un sensor dif erencial. Si se utilizan brazos resistivos, sus capacidades parsitas 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 parsitas 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

=

Condensador diferencial

(lineal)

C1

C2

Vo

V

N=1

CIRCUITOS ADAPTADORESPUENTE DE ALTERNA CAPACITIVO


Tema 15 - 23



El circuito en puente es el ms adecuado cuando se utilizan topologas diferenciales. La salida es lineal en funcin de la variacin deinductancia si la distribucin es la de la figura. Si se sitan 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 pequeas.

t)sen(V2L

LVV m

0AB =

V(t) = V m sen( t)

L1 +L2 =2L o

Lo -L=L 1 R

AB

RLo ++++ L=L 2

i L

CIRCUITOS ADAPTADORESPUENTE DE ALTERNA INDUCTIVO


Tema 15 - 24



TIPOS DE CIRCUITOS ACONDICIONADORES






Tema 15 - 25



CIRCUITOS AMPLIFICADORES

Son circuitos que amplifican la seal proporcionada por un circuito adaptador o por un elemento sensor generador.

En funcin de las caractersticas de las seales que se deben amplificar se pueden utilizar amplificadores operacionales de aplicacin general, amplificadores operacionales de caractersticas mejoradas o amplificadores especiales, que se describen en los temas 13 y 14.


Tema 15 - 26



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 +

=01

0

Ro = Rto

CIRCUITOS AMPLIFICADORES PARA SENSORES MODULADORES

+

-R1

Rt

Vs

+V

+T

(a)

R1

V RoVs ==== [1 + (t-to)]


Tema 15 - 27



CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES MODULADORES MEDIANTE CIRCUITOS ADAPTADORES Y

AMPLIFICADORES

Se suelen realizar mediante un puente de Wheatstone y un amplificador de instrumentacin.

Ejemplo: Galga extensomtrica ( Strain gage)

E

+

-

+

-

+

-

Amplificador de instrumentacin

SENSORES RESISTIVOS DE PEQUEA SENSIBILIDAD


Tema 15 - 28



AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN

La mayora de los sensores suministran una seal muy pequea (algunos mV). En este caso la seal que generan se debe amplifica r mediante un amplificador de instrumentacin que, tal como se in dica en el tema 14, posee unas caractersticas que lo asemejan a un amplifica dor ideal:

- Impedancia de entrada muy alta (infinita) e impedancia de salida muy baja

(nula).

- Tensin 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 +



Tema 15 - 29



AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN (AI)+

-

+

-

+

-

R1

RG

R1

R2

R2

R3

R3

C

D

Vi-

Vi+

Vc

Vc

Vs

Configuracin tpica 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 vvR

R

R

R

R

Rvv 1

2

3

2

3 21

La tensin de salida V 0 en funcin de la tensin entre los dos terminales d e entrada es:



Tema 15 - 30



La medida de la corriente se puede realizar midiend o directamente la

cada de tensin en una resistencia de valor elevad o (Figura a) o

realizando una conversin corriente-tensin 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 in.

CIRCUITOS AMPLIFICADORES PARA SENSORES GENERADORES

AMPLIFICADOR ELECTROMTRICO


Tema 15 - 31



APLICACIN DEL AMPLIFICADOR ELECTROMTRICO CON SENS ORES PIROELCTRICOS

Los sensores piroelctricos poseen una elevada imped ancia de salida y proporcionan una

corriente muy pequea, lo que hace necesario amplif icar la seal generada por ellos

mediante un amplificador de alta impedancia de entr ada (amplificador electromtrico).

El modo tensin se implementa con un seguidor de te nsin y el modo corriente mediante un

convertidor corriente-tensin. En el modo corriente la constante de tiempo puede ser menor

y se obtienen mejores tiempos de respuesta.

RGCP vo

R fb

CP Vo

Cfb

iPiP

Modo tensin Modo corriente



Tema 15 - 32



AMPLIFICADOR DE CARGA

Es un circuito amplificador que se utiliza para sum inistrar una tensin

proporcional a la carga de un condensador (converti dor carga-tensin).

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 caracterst icas electromtricas,

es decir, que tiene unas corrientes de polarizacin prcticamente nulas.



Tema 15 - 33



APLICACIN DEL AMPLIFICADOR DE CARGA CON SENSORES PIEZOELCTRICOS

En los sensores piezoelctricos la utilizacin de l os amplificadores

electromtricos o de carga es imprescindible para r ealizar medidas

estticas porque en ellas el sensor genera una ener ga que se disipa sin

utilizar un condensador externo. Esto hace que la s eal de salida se

anule (hasta que se produce un nuevo cambio en la s eal de entrada).

En general, los amplificadores de carga son la mejo r opcin ya que para

obtener buenos resultados mediante amplificadores e lectromtricos es

necesario que estn situados prximos al sensor.



Tema 15 - 34



Mediante un amplificador de carga se consigue que la carga elctrica Q, producida por una fuerza constante F aplicada al se nsor, se acumule en forma de tensin en el condensador C A. Esta tensin 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 travs del amplificador.

F +

-

CA

Vo

R

ACQ

V ====

Q C +

-

CA

AA C

kF

C

QV

O==




Tema 15 - 35



Las tensiones de asimetra y las corrientes de pola rizacin del amplificador ocasionan una rpida disminucin de la tensin en b ornes del condensador debida a la integracin de los errores hasta llevar el ampli ficador a saturacin. Debido a ello el circuito deja de amplificar la carga y la seal de salida no sigue a la de entrada. Para resolver este problema hay que garantizar que el co ndensador C A est 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 tensin de salida se suele colocar una R en serie con la entrada aunque introduce retardos adicionales en la medida.



Sa Tema 15- Circuitos Acondicionadores 1

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