Sensores Analógico-Digitales

Universidad Tecnológica Metropolitana Facultad de IngenieríaEscuela de Informática

Sensores Analógico/DigitalesInformática Industrial

Integrantes: Mario Ibarra T. Diego Navia F.

Francisco Ramirez F.Ricardo Lopez N.

Profesor: René Peña2do Semestre 2014


Tabla de Contenidos

Tabla de ContenidosIntroducciónObjetivo¿Qué es un sensor?Resolución y precisiónSensor análogoSensor DigitalCodificadores de posicionesSensores de AutorresonantesConclusiónBibliografía


Introducción

Temperatura, humedad, electricidad, ondas, movimiento... Toda manifestación de la energía cuantificada, todo lo que el ser humano puede detectar por medio de los sentidos. Nos han dicho que la tecnología es la superación de la inteligencia filosófica, que es la superación del pensamiento griego, que es la era del futuro. Pero no es nada más que la extensión de los 5 sentidos del ser humano combinado con las espectaculares características de los infinitos seres vivos que conviven con nosotros en este mundo. Un ejemplo de esto son las cámaras de infrarrojo, que no es más que la extensión de la visión combinada con la particularidad visión que tienen las serpientes, midiendo la temperatura ambiente.

Dentro de los avances tecnológicos de nuestra época, podemos percatar la inmensa variedad de detectores que existen y, nos demos cuenta o no, convivimos con ellos a diario, en nuestros teléfonos celulares, nuestras televisiones, el automóvil que nos transporta todos los días, e incluso el poste de la esquina de nuestras casas que nos ilumina cuando cae el sol.

Precisamente acerca de los sensores es que trata el presente artículo que le acompaña, detallando las características, las aplicaciones, sus mecanismos de funcionamiento, etc. en resumen... el sencillo pero espectacular mundo de los sensores.

No debemos olvidar el costo social de abusar de los sensores, al utilizarlos en la mayoría de las cosas buscando desde bienestar hasta una posición socio-económica en el actual modelo regido por el consumo exacerbado.


Objetivo

Dar a conocer una peculiaridad de la tecnología, los sensores análogos y digitales. Dentro de lo que es necesario detallar sus características, los distintos tipos que existen y sus aplicaciones a rasgos generales.

Objetivos Específicos

● Exponer qué es un sensor en términos generales.

● Especificar y determinar características de sensores analogicos.

● Especificar y determinar características de sensores digitales.

● Dar a conocer las aplicaciones de los distintos tipos de sensores.


¿Qué es un sensor?

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.

Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra.

Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, robótica, industria aeroespacial, medicina, industria de manufactura, etc.

Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.

Resolución y precisión

La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida.La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al medir una distancia la resolución es de 0,01 mm, pero la precisión es de 1 mm, entonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de 0,01 mm, pero no puede asegurarse que haya un error de medición menor a 1 mm. En la mayoría de los casos este exceso de resolución conlleva a un exceso innecesario en el coste del sistema. No obstante, en estos sistemas, si el error en la medida sigue una distribución


normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos, la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión.

Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de entrada que puede observarse en la magnitud de salida.

Sensor análogo

Como definición de un sensor analógico es posible describir lo siguiente: un sensor se entiende como transductor en la medida que se tenga una variable a medir y se requiera de una señal eléctrica de salida, donde la salida está descrita por un rango eléctrico continuo (dependiendo del objeto a sensar) como se aprecia en la figura siguiente.

Esquema de sensor analógico básico

El sensor analógico debe poseer ciertas propiedades indispensables como: calibración, rango de funcionamiento, confiabilidad, velocidad de respuesta, exactitud, precisión, sensibilidad, linealidad entre otros. Esto con el fin de que el control de la variable que se mida, se lleve a cabo de la mejor manera y en el menor tiempo posible.

Además tiene la particularidad que está todo el tiempo sensando, lo que le obliga a estar en contacto con la materia que se encuentra midiendo, no parando de transmitir en ningún momento.

Es posible clasificar los sensores en las distintas categorías que se detallan a continuación:

● Funcionamiento○ deflexión: la deformación de un tipo de material se emplea para medir una

magnitud física.○ Comparación: se basa en la comparación de fuerza aplicada , este funcionamiento

se puede ver en balanzas, donde el operario deja un peso sobre una superficie sobre el sensor, que medirá la presión obtenida con tal masa.


● Aporte de energía: Se pueden dividir en moduladores (activos) y genera dores (pasivos); los modulares se caracterizan por utilizar una fuente de energía auxiliar para alimentar la señal de salida, mientras que en los pasivos la energía de la señal de salida es suministrada por la entrada.

● Tipo de salida:esta clasificación se hace según el tipo de salida que corresponda al modelo de sensor, pudiendo ser análoga o digital.

● Orden: Esta clasificación se hace según el número de elementos almacenadores de energía independientes que contenga el sensor, pudiendo ser primero, segundo o de orden superior.

● Tipo de variable física a medir: la clasificación subdivide a los sensores de acuerdo a la magnitud física por medir, tal es el caso de caudal, temperatura, presión, nivel, entre otros.

Ahora se detallará una tabla donde se clasifican los distintos tipos de sensores analógicos.

Señal de salida Magnitud física Transductor

analógica posición lineal o angular Potenciómetro

analógica pequeñas deformaciones o posiciones

-Transformadores diferenciales-Galgas extensiométricas

analógica Velocidad lineal o angular Dinamos Tacómetricas

analógica Aceleración acelerómetro

analógica Fuerza y par Medición indirecta (mediante galgas o transformadores diferenciales)

analógica Nivel Capacitivo

analógica Presión - Membrana + detector de desplazamiento- Piezoeléctrico

analógica Caudal - Presión diferencial- De turbina- Magnético

analógica Temperatura - Termo resistencias


- Resistencias NTC- Resistencias PTC

analógica Sensores de presencia o proximidad - Inductivo- Capacitivo- Ultrasonido

Sensor Digital

El sensor digital es similar en estructura al análogo, pero difieren en las variables de salida, donde el sensor digital tiene solamente 2 salidas; 1 ó 0, verdadero o falso, abierto o cerrado, etc.

La creciente presencia de sistemas digitales para el tratamiento y presentación de la información en los sistemas de medida y control, hace muy atractivos aquellos sensores que ofrecen directamente a su salida una señal en forma digital, por la simplificación que suponen en el acondicionamiento de señales y su mayor inmunidad a las interferencias electromagnéticas en determinados casos.

Se distingue aquí dos tipos de sensores digitales. Los primeros ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica; este grupo lo forman los codificadores de posición. El segundo tipo es el de los sensores que se basan en un fenómeno físico de tipo oscilatorio, translúcido posteriormente por un sensor modulador convencional. Los sensores de este grupo se denominan autorresonantes, de frecuencia variable, o casi digitales, y necesitan un circuito electrónico posterior (un contador) para ofrecer la señal digital deseada. Se diferencia de los osciladores variables en que estos últimos incorporan un sensor modulador en un oscilador, mientras ahora se trata de un oscilador no electrónico del que se mide una de las variables mediante un sensor modulador. Una excepción son los termómetros digitales de cuarzo, que emplean un sensor generador.

Es de destacar que no hay prácticamente ningún fenómeno cuya transducción dé directamente una salida. Lo que se hace propiamente es convertir una magnitud análoga de entrada en una señal digital por medio de un sensor, sin necesidad de convertir una tensión análoga en su equivalente digital.


Codificadores de posiciones

En esta categoría se distinguen 2 configuraciones distintas de sensores:

● Codificadores incrementales: La medida de posiciones lineales y angulares ha sido hasta el momento el único campo con abundantes desarrollos comerciales de

sensores con salida digital, incluso antes de la era del microprocesador. Aun así, un grupo de estos sensores, los denominamos codificadores incrementales, es de tipo "casi digitales", pero por razones de afinidad los trataremos aquí.

● Codificadores absolutos: Los codificadores de posición absolutos ofrecen a su salida una señal codificada correspondiente a la posición de un elemento móvil, regla o disco, con respecto a una referencia interna. Para ello, el elemento móvil dispone de zonas con una propiedad que las distingue, y a las que se asigna un valor binario "0" o "1". Pero, a diferencia de los codificadores incrementales, hay varias pistas con zonas diferenciadas y están agrupadas de tal forma que el sistema de lectura obtiene directamente, en cada posición del elemento móvil, el número codificado que da su posición.

Sensores de Autorresonantes

Los sensores basados en un fenómeno físico resonante ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de interés que afecta a la frecuencia de oscilación. Todos requieren un frecuencímetro-contador para medir bien la frecuencia o bien el periodo de oscilación. La elección de uno u otro método depende de la resolución deseada y del tiempo disponible para la medida. Las estructuras resonantes basadas en monocristales de silicio se prestan bien a la realización de circuitos integrados.

En sensores se emplean tanto osciladores armónicos como de relajación. En los primeros hay una energía almacenada que cambia de una u otra forma de almacenamiento, por ejemplo de energía cinética en el movimiento de una masa a energía potencial en la tensión de un muelle. En los segundos hay una única forma de almacenamiento, y la energía almacenada se disipa periódicamente mediante algún mecanismo de puesta a cero.

● Resonadores de cuarzo: Dado que el cuarzo es inerte, si se emplea un monocristal de gran pureza la estabilidad de la resonancia mecánica a largo plazo es muy alta. La estabilidad a corto plazo depende del factor de calidad Q (alta rigidez, poca histéresis) y la inductancia equivalente, que son muy elevados. Una estabilidad a corto plazo elevada permite diseñar sensores de alta resolución, mientras que una gran estabilidad a largo plazo significa que se necesitarán menos recalibraciones.


● Termometros digitales de cuarzo: Los valores del circuito equivalente de la figura 5.11a dependen de la temperatura. Por lo tanto, la frecuencia de oscilación presenta una deriva térmica. Pero si se emplea un cristal de cuarzo cortado con precisión, la relación temperatura-frecuencia es muy estable y tiene una gran repetibilidad. De esta Forma, midiendo la frecuencia de oscilación es posible determinar la temperatura a la que está sometido el elemento L.

● Micro balanzas basadas en resonancia de cuarzo: Si sobre un cristal de cuarzo dispuesto en un oscilador se deposita una pequeña masa, la frecuencia de resonancia se reduce. Si la frecuencia de oscilación era f0, el área del cristal A, su densidad p, y la masa depositada Am, el desplazamiento de frecuencia viene dado en primera aproximación por la ecuación de Sauerbrey.

● Sensores de fuerza de y presión basados en en resonancia de cuarzo: Para medir presiones, se puede transmitir el esfuerzo mecánico desde un diafragma o fuelle a una varilla de cuarzo, o también emplear directamente un diafragma de cuarzo como resonador. En ambos casos, un cristal similar, próximo pero no sujeto al esfuerzo mecánico, permite compensar los efectos de la temperatura.

● Galgas acústica: Si la posición de uno de los extremos se hace variable mediante un soporte móvil, el período de oscilación es directamente proporcional al desplazamiento. Si se aplica una fuerza, la frecuencia de oscilación resultante es directamente proporcional. Sensores basados en cilindros vibrantes: Si en lugar de un hilo o una cinta vibrante se emplea un cilindro metálico con paredes delgadas (75 um) y un extremo ciego, la frecuencia de oscilación dependerá de las dimensiones y material del cilindro, y de cualquier masa que vibre con sus paredes. Utilizando, igual que antes, un excitador electromagnético para mantener la oscilación, se puede medir la diferencia de presión entre las dos caras del cilindro, porque la diferencia de presiones entre ambos lados de las paredes produce una tensión mecánica en éstas. Se puede medir la densidad de un gas porque el gas cerca de las paredes vibra al hacerlo éstas. Para líquidos corrosivos es mejor emplear un cilindro de vidrio o cerámico y el excitador piezoeléctrico, ya que los electromagnéticos no sirven. La aplicación más extendida de este método es, sin embargo, la medida continua de la densidad de líquidos consiste en dos conductores en paralelo, como por los que fluye el líquido, sujetos por cada extremo a una base fija y acoplados al conducto principal, con una junta flexible en cada extremo.

● Sensores basados en dispositivos de ondas superficiales (SAW): Las ondas superficiales en la superficie de un líquido al producir en ella una perturbación, se producen también en las superficies de los sólidos. Lord Rayleiigh analizó estas ondas en 1885 y las aplicó a la interpretación de los sismogramas. Aunque estas ondas son distintas en los sólidos


que en los líquidos, en ambos casos se atenúan con la profundidad. Una forma de producir una perturbación en la superficie de un sólido, ciertamente mucho menos convulsiva que los terremotos, consiste en disponer dos electrodos metálicos interdigitados en la superficie de un material piezoeléctrico.

● Caudalímetro de Vórtice: La detección de la presencia de oscilaciones en el flujo de un fluido permite obtener también una señal de frecuencia variable, la que depende de la velocidad del fluido. Dichas oscilaciones pueden ser forzadas o naturales. El método de las oscilaciones forzadas, empleados sobre todo para gases, consiste en colocar en la tubería un conducto acanalado, de tal forma que convierta el flujo en helicoidal con un punto de velocidad máxima que se va desplazando. La frecuencia de paso de este núcleo de baja presión por una zona dada es proporcional a la velocidad y, por lo tanto, al caudal volumétrico, e independiente de la temperatura, presión y humedad del gas. La detección se puede hacer mediante un elemento piezoeléctrico, si se mide presión, o con un termistor.


Conclusión

Dentro del desarrollo y explicación de las características, tipos y demás detalles de los sensores se han dejado entrever las aplicaciones de los mismos. En lo cual es posible destacar, más que en la particularidad de un artefacto, lo expuesto a comienzos del trabajo, siendo aquello la premisa de los sensores como extrapolación de los sentidos de los seres humanos. Todos los sensores están fundados en esta base funcional que desencadena reacciones a partir de estímulos del ambiente -como los sentidos-, y además es posible cuantificar las variaciones del ambiente, respecto de muchas variables (humedad, electricidad, fricción, composición química, luminosidad, etc. etc. etc.).


Bibliografía

❏ “Sensores analógicos utilizados en la automatización industrial”, Pablo antonio Chaves Campo, Escuela de Ingeniería eléctrica, Universidad de Costa Rica

❏ “Sensores”, José Roberto Vignoni, Universidad nacional de la plata

❏ “Compilado de apuntes”, Facultad de ingeniería, Universidad Tecnológica Nacional

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