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SENSORES INDUCTIVOSIng. Jos Mendoza Rodrguez

METROLOGIA E INSTRUMENTACION ii

El transformador diferencial lineal (LVDT)

Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IIEl transformador diferencial lineal (LVDT) es un transductor electromecnicocuya entrada es el desplazamiento mecnico de un ncleo y la salida unatensin ac proporcional a la posicin del ncleo.Los LVDT puede medir desplazamiento desde 100m hasta 25 cm. Ofrecebuena exactitud, linealidad, sensibilidad, resolucin infinita as como funcionamiento sin friccin. La tensin de excitacin tpicamente vara entre 2 Vrms y 24 Vrms y la frecuencia entre 20 Hz y 20 kHz.Cuando el devanado primario es energizado por una fuente ac externa, seinducen tensiones en las dos bobinas secundarias. Estas bobinas estnconectadas en serie-oposicin de forma que las dos tensiones tienen polaridadopuesta. La salida es la diferencia entre estas dos tensiones, y ser nula cuando el ncleo se encuentre en la posicin central.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

Caractersticas de salidaIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IISi el ncleo se desplaza la tensin inducida se incrementar en el sentido del movimiento y disminuir en el sentido contrario. Esto da lugar a una tensin diferencial que vara linealmente con los cambios en la posicin del ncleo. La fase de la tensin de salida cambia bruscamente en 180 cuando el ncleo se mueve desde la posicin central de un sentido a otro, por lo que midiendo la fase de la salida podemos detectar la direccin del movimiento.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

AcondicionamientoIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IILa figura muestra el esquema bsico de un circuito de acondicionamiento realizado con componentes discretos. En los comparadores 1 y 2 se obtiene una seal cuadrada con la misma fase que vab y vexc, respectivamente. Si las fases son iguales la puerta EXOR proporciona una salida a nivel bajo y se selecciona el canal 0 del multiplexor analgico (MPX); si por el contrario, las seales estn desfasadas 1800, la salida de la puerta estar a nivel lgico alto y el canal seleccionado en el MPX es el 1. Al canal 0 del MPX se llevar el valor medio de la seal (para ello se habr rectificado y filtrado) y, al canal 1, ese mismo valor pero multiplicado por -1, es decir, con el mismo valor absoluto pero de signo contrario.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

AjustesIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IIPara garantizar la independencia de los ajustes de cero y valor mximo(alcance) del sistema se pueden incluir una etapa adicional en el sistema de amplificacin y offset situada detrs del multiplexor e inmediatamente antes del filtro. Un pequeo amplificador con ganancia ajustable y nivel de continua variable puede fijar el valor de salida para el punto central (0 V) y para uno de los extremos de medida (+Vmx o Vmx); el sistema a utilizar puede ser como el de la figura. Obsrvese que dada la ganancia negativa de la etapa de amplificacin, los signos de la salida estarn cambiados respecto de los de la figura anterior.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

Ejemplo: AD698Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IIExisten CI especficos para realizar el acondicionamiento del LVDT como el NE5521 de Philips o el AD698 de Analog Devices. La figura muestra el diagrama de bloques del AD698. Decodifica la seal del LVDT mediante una demodulacin sncrona de la entrada modulada en amplitud, A, y una referencia fija, B. Calcula el cociente entre la salida del LVDT y la entrada de excitacin con objeto de cancelar las derivas en la amplitud del oscilador.A partir de la hoja de datos del fabricante se puede ver como seleccionar los componentes externos para obtener la frecuencia y amplitud del oscilador, tensin de fondo de escala y caractersticas adicionales como el ajuste del offset.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

AplicacionesIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IISENSORES ELECTROMAGNETICOSIng. Jos Mendoza Rodrguez

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Sensores basados en el efecto HallIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IILos sensores magnticos detectan una variacin en el campo magntico en respuesta a la variacin de alguna magnitud fsica. Estn basados en el efecto Hall, por lo que se conocen tambin como sensores de efecto Hall. Se caracterizan principalmente por:- Dispositivos de estado slido- No tienen partes mviles- Compatibilidad con otros circuitos analgicos y digitales- Margen de temperatura amplio- Buena repetibilidad- Frecuencia de funcionamiento relativamente alta (100 kHz).Se utilizan principalmente como sensores de posicin, velocidad y corriente elctrica.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IILa figura muestra una fina lmina de material semiconductor (elemento Hall) de espesor t, a travs de la cual circula una corriente elctrica de control I. En ausencia de campo magntico, la distribucin de la corriente es uniforme y no se tiene una diferencia de potencial en los terminales de salida. En cambio, en presencia de un campo magntico de densidad B, los electrones se ven sometidos a una fuerza de Lorentz resultando una diferencia de potencial en la salida VH denominada tensin Hall, cuyo valor es proporcional a la corriente y al campo magntico.El campo elctrico Ex da lugar a la circulacin de una corriente I . Suponiendo que la lmina de un metal o de un semiconductor tipo n (los portadores de carga mayoritarios son electrones), la carga q se ve sometida a una fuerza electromagntica: F=q (v xB) que obliga a la carga a desplazarse hacia la parte superior de la lmina, quedando polarizada negativamente y parte inferior positivamente. Esta separacin de cargas produce un campo electrosttico Ey y una fuerza electrosttica F=qEy que se opone a F. Cuando F y F estn en equilibrio los portadores de carga se mueven paralelos a Ex como en ausencia de campo magntico.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

El efecto HallIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

Sensor Hall de salida linealIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IIAtendiendo al tipo de salida, los sensores Hall se dividen en dos grupos: Sensores Hall de salida lineal. Sensores Hall de salida digital (interruptores Hall).La figura muestra la estructura bsica de un sensor Hall de salida lineal. La tensin de salida del elemento Hall requiere un acondicionamiento que consiste bsicamente en una etapa de amplificacin diferencial, dado que la tensin Hall es de muy bajo nivel (30V/G), y una compensacin de temperatura. Tambin suelen integrar un regulador de tensin a fin de poder trabajar con amplio margen de tensiones de alimentacin y mantener la corriente constante, de forma que la tensin de salida refleje slo la intensidad del campo magntico.Para permitir un mejor interfaz con otros dispositivos, a la salida del amplificador diferencial se aade un transistor en emisor abierto, colector abierto o push-pull.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

Caracterstica de transferenciaIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IIEl campo magntico medido puede ser positivo o negativo, por lo que la salida del amplificador es una tensin positiva o negativa. Esto requiere disponer, en principio, de fuentes de alimentacin tanto positivas como negativas. Para evitar esta situacin en el amplificador diferencial se incorpora una tensin de polarizacin (null offset), de forma que con un campo magntico nulo se tenga, en la salida, una tensin positiva.Otras caractersticas importantes de los sensores Hall lineales son: Sensibilidad (mV/G). Es la pendiente de la caracterstica de transferencia. En la mayora de los sensores Hall lineales la sensibilidad y el offset son proporcionales a la tensin de alimentacin. Se dice que son sensores ratiomtricos. Alcance (span). Define el margen de salida del sensor.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

Circuitos de interfazIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

Sensor Hall de salida digitalIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IISi al sensor lineal aadimos un comparador Schmitt-Trigger se obtiene un sensor Hall de salida digital (interruptor Hall), cuyo diagrama de bloques bsico se muestra en la figura.En ausencia de campo magntico, el transistor de salida est cortado (estado off). Cuando el campo magntico, perpendicular a la superficie del chip, est por encima de un determinado valor umbral de operacin (BOP) el transistor de salida conmuta a saturacin (estado on), pudiendo conducir corriente.Si ahora vamos reduciendo el campo magntico, para un valor inferior al punto BRP de la caracterstica (release point) el transistor se corta. Para evitar posibles conmutaciones errneas que se puedan producir en la salida como consecuencia de pequeas variaciones en la densidad de flujo magntico, el circuito tiene una cierta histresis (la diferencia entre los puntos OP y RP).Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

Circuitos de interfazIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IILa salida de un sensor Hall lineal suele ser una configuracin en emisor abierto (fuente de corriente) pudindose conectar con facilidad a componentes estndar.Son bastante frecuentes las aplicaciones donde la salida se lleva a un circuito comparador o a un amplificador. La figura muestra ejemplos de circuitos de interfaz bsicos. Empleando un circuito comparador con alimentacin simple (por ejemplo el LM339 o equivalente) se puede obtener un interruptor digital con punto de funcionamiento ajustable. La resistencia RH proporciona la histresis a los circuitos comparadores.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

Configuraciones de medidaIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IIDado que las caractersticas varan con la temperatura y de un sensor a otro, los fabricantes dan unos valores mximos y mnimos de densidad de flujo magntico para la conmutacin de la salida del sensor Hall, BOP y BRP respectivamente. Segn el valor de BOP y BRP, los interruptoresHall pueden ser: Unipolares: tanto el valor mximo de BOP como el mnimo de BRP son positivos. Bipolares: el valor mximo de BOP es positivo y el mnimo de BRP negativo. Si el estado de la salida se mantiene en ausencia de campo magntico el sensor se denomina latch bipolar.En los sensores unipolares la direccin del desplazamiento del circuito magntico con respecto al sensor puede ser: Frontal (Head-on mode): la direccin de movimiento del imn es perpendicular a la cara activa del sensor, por lo que las lneas de flujo magntico atraviesan dicha cara activa. La densidad del campo magntico es inversamente proporcional a la distancia de separacin. Es un modo simple, funciona bien y es relativamente insensible al movimiento lateral. Lateral (Slide-by mode): la direccin de movimiento del imn es paralela a la cara activa del sensor. La curva en este caso tiene forma de campana. Lgicamente se tendr una curva para cada distancia de separacin (gap) entre el plano del imn y el del sensor.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

Configuraciones de medidaIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IILos modos bipolares pueden adoptar tambin diferentes configuraciones. La figura a) muestra el ejemplo de un modo bipolar lateral en el que se tiene un imn en anillo con dos pares de polos. Dependiendo de la aplicacin se puede disponer de diferente nmero de pares de polos. El movimiento de rotacin del imn da lugar a una densidad de campo magntico con una forma de onda senoidal. Si se emplea con un sensor Hall de salida digital, en cada revolucin se obtiene un pulso de salida por cada par de polos. Cuantos ms pares de polos la amplitud de la onda es menor.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IICon objeto de incrementar la densidad del flujo magntico, es frecuente el empleo de piezas polares o concentradores de flujo. Cuando se aaden a un sistema magntico ofrecen un camino de menor resistencia a las lneas de flujo. Cuando se colocan enfrentadas a la cara de un imn, la densidad de flujo en el aire entre ambas se incrementa. La figura b) muestra la variacin del campo magntico en el modo unipolar frontal. El hecho de aadir la pieza polar aporta tres beneficios: un incremento en la densidad de flujo magntico, la distancia de actuacin del sensor es mayor (para un nivel de flujo constante) y se puede emplear un imn con una intensidad de campo menor, por tanto, ms barato. Estos concentradores suelen estar integrados en el sensor.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IIAplicaciones en automvilesAplicaciones industrialesSensor Hall digitalSensor Hall linealSensor Hall digitalSensor Hall linealCigealrbol de levasEncendidoMotor de arranqueABSAjuste de asientosBloqueo de cerraduraControl de traccinElevalunasTecho corredizoAjuste de espejosAjuste de asientosCinturones de seguridadControl de suspensinMedida de corrienteNivel de liquidoGestin de la bateraDireccin asistidaFrenosAjuste de faros

Motores DC sin escobillasVentiladoresMedida de velocidadInterruptor sin contactosNivel de lquidosFlujo de lquidosInterruptor de presinInterruptor de rotacinMedida de corrienteMedida de posicinMedida de distanciaMedida de presinMedida de fuerzaMedida de campo magnticoMedida de parIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

Aplicaciones en el automvilLas buenas caractersticas de los sensores basados en el efecto Hall, unidas a la bajada de precio que estos dispositivos han experimentado han dado lugar a un importante crecimiento en el nmero de aplicaciones. Uno de los campo de aplicacin ms importantes est en la industria del automvil.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

Medida de corrienteIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IIUn sensor de corriente con salida analgica puede realizarse mediante un ncleo de ferrita y un sensor Hall lineal montados en un encapsulado plstico. La corriente que circula por un conductor, crea un campo magntico. Este campo magntico es llevado por el ncleo de ferrita a un sensor Hall, que convierte dicho campo en una tensin de salida proporcional a la corriente en el conductor.La medida de corriente puede realizarse en bucle abierto o en bucle cerrado. En la figura se muestra el esquema de un sensor Hall de corriente en bucle cerrado. La tensin Hall es amplificada y despus excita una etapa en push-pull cuya corriente de salida circula por una bobina secundaria arrollada en el ncleo magntico. El campo magntico creado en la bobina secundaria cancela el flujo del primario, manteniendo un nivel de flujo en el ncleo prximo a cero. El valor de la corriente IS se puede obtener midiendo la cada de tensin en una resistencia RM. Los fabricantes suelen especificar un valor mnimo de RM, que garantice la adecuada disipacin de potencia del circuito y un valor mximo de RM que evite la saturacin del circuito.La medida en bucle cerrado, al trabajar con un flujo magntico aproximadamente nulo, permite eliminar la influencia de las no linealidades del ncleo magntico y reducir los efectos de la sensibilidad a la temperatura en el elemento Hall.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

Detector de dientes de engranajeIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION IIEste dispositivo est encapsulado en una carcasa tipo sonda, permite detectar con gran precisin el movimiento de un objetivo de material ferromagntico. La figura muestra su aplicacin como sensor de dientes de engranaje. Cuando el diente del engranaje pasa por la cara del sensor, detecta un cambio en el nivel del flujo y traslada este cambio a la tensin de salida, que conmuta entre la tensin de alimentacin y la tensin de saturacin del transistor de salida.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II

Medida de variables fsicasIng. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II Medida de presin. Cuando se expande o contrae el fuelle se mueve el imn hacia las proximidades del sensor Hall, proporcionando una tensin de salida proporcional a la presin. Medida de nivel de un lquido. El imn est unido al flotador de forma que cuando el nivel del tanque vara, el sensor Hall detectar estas variaciones y dar en su salida una tensin proporcional. De esta forma se evitan conexiones elctricas en el interior del tanque. El material del tanque ha de ser no ferromagntico. Media de flujo: el agua mueve unas aspas en las que se tienen dos pares de polos. Cuando estos imanes pasan por el sensor Hall, este genera dos pulsos de tensin por revolucin. De esta forma se puede controlar la cantidad de agua que circula, haciendo un uso ms eficiente de la misma.Ing. Jos Mendoza RodrguezMETROLOGIA E INSTRUMENTACION II