SENSORES RESISTIVOS
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
CIRCUITOS ELECTRICOS I
ING: ALBERTO ALBUJA
TEMA:
SENSORES RESITIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
ALUMNO:
LOACHAMIN LOYA EDGAR SANTIAGO
NRC:
2807
Sangolquí, 28 de Octubre de 2013
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 1
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
INDICE
1. SENSORES RESISTIVOS
FUNCIONAMIENTO
INTRODUCCIÓN
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 2
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
SENSORES
Un sensor convierte una señal física de un tipo en una señal física de otra naturaleza. Por
ejemplo una termocupla produce un voltaje que está relacionado con la temperatura, así
mismo en una resistencia metálica se aprovecha el fenómeno de variación de la resistencia
con la temperatura para producir una señal de voltaje que sea proporcional a la
temperatura.
La diferencia entre los dos ejemplos está que para el caso de la termocupla se produce un
milivoltaje producto de la unión de dos materiales a una determinada temperatura, en el
segundo ejemplo la pura resistencia por si sola no puede hacer la conversión a voltaje sino
que requiere de un circuito y de una fuente de alimentación. En el primer caso tenemos al
elemento sensor sólo, en el segundo al elemento sensor más un circuito, en este segundo
caso la unión de los dos constituye el transductor. Tanto en el caso de la termocupla como
de la resistencia metálica se necesitan etapas adicionales de acondicionamiento como
amplificación y filtraje de la señal.
1.SENSORES RESISTIVOS
Los sensores moduladores del tipo resistivos, son aquellos que varían una resistencia en
función de la variable a medir. Se ha realizado una clasificación de estos sensores
en función de la variable a medir, tal como refleja la tabla siguiente:
1.2 TIPOS DE SENSORES RESISTIVOS
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 3
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
1.2.1 SENSORES POTENCIÓMETRICOS
Componente eléctrico cuya resistencia es función del desplazamiento de un elemento
móvil. Consiste en una resistencia fija con un contacto móvil deslizante lineal o giratorio
(cursor) que lo divide eléctricamente.
Los potenciómetros pueden ser lineales (Variación constante por unidad de longitud) o
logarítmicos, antilogarítmicos, senoidales (Poco utilizados actualmente).
La magnitud de entrada (x) es la posición del cursor con respecto uno de los terminales. El
valor de la resistencia entre el cursor y dicho terminal es la variable de salida.
En la donde:
- ρ: resistividad del material
- A: sección transversal del resistor
- L: longitud del resistor
- x: fracción recorrida de la longitud de la resistencia entre los terminales.
CARACTERISTICAS
Un potenciómetro es un dispositivo electromecánico que consta de una resistencia
de valor fijo sobre la que se desplaza un contacto deslizante, el cursor, que la divide
eléctricamente.
La aplicación más común de este dispositivo en instrumentación es como sensor de
desplazamiento de tipo resistivo. El movimiento del cursor origina un cambio en la
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
resistencia medida entre el terminal central y uno cualquiera de los extremos. Este
cambio de resistencia puede utilizarse para medir desplazamientos lineales o
angulares de una pieza acoplada al cursor. Para la obtención de una señal eléctrica
relacionada con el desplazamiento se alimenta en general, con una tensión
continua, adoptando la configuración de un simple divisor de tensión.
Los potenciómetros pueden utilizarse para medir diversas magnitudes físicas
siempre que sea posible convertirlas en un desplazamiento.
A pesar de que estos sistemas fueron los primeros que se emplearon en la
instrumentación industrial, hoy en día la aplicación del potenciómetro como sensor
de desplazamiento ha caído en desuso por diversos problemas:
- Mecánicos: anclajes, rodamientos, guías.
- Rozamiento: acorta la vida. Suele indicarse la vida mecánica en ciclos.
- Auto calentamiento: provoca errores, ya que la resistencia varía con la
temperatura.
- Vibraciones: puede provocar la pérdida de contacto del cursor sobre la
resistencia
Estos problemas han hecho que estos dispositivos hayan sido sustituidos por dispositivos
más fiables basados en procedimientos de detección ópticos como los codificadores de
impulsos.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
El fundamento teórico de los sensores potenciometricos es establecida por la ecuación de
Nernst, que se basa en la medida de los potenciales eléctricos en materiales o soluciones
para calcular la concentración de disoluciones iónicas, y consta básicamente de tres
elementos: dispositivo de medida de potencial, electrodo de referencia y el electrodo
selectivo-a-iones-a-caracterizar.
Dispositivo de medida de potencial es el instrumento utilizado para medir el voltaje de la
celda que forman el electrodo indicador y de referencia. En realidad es un voltímetro muy
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sensible que amplifica la débil señal eléctrica que producen los electrodos y permite
lecturas de hasta 0.1 mV con gran exactitud. Los electrodos de referencia suelen ser de
doble unión o de calomelano respecto a los cuales se miden las variaciones de potencial.
Finalmente, los electrodos selectivos a iones como su nombre indica son electrodos
sensibles a la presencia de un tipo de ión en la solución y permiten su cuantificación. El
término “selectivo’ quiere decir que son sensibles a una familia de iones de características
similares, pero de entre todos ellos tienen mayor afinidad por uno en concreto.
En los electrodos selectivos a iones (ISEs), la membrana es responsable tanto del
reconocimiento selectivo como de la transformación del potencial generado en una señal
eléctrica que se puede medir, es decir el receptor y el transductor están integrados en un
único-elemento.
El sistema en la figura actúa como una pila, de forma que al sumergir los dos electrodos en
la solución se establecerá un flujo momentáneo de iones en la interface existente entre la
membrana selectiva y la solución de trabajo, produciéndose una diferencia de potencial,
cuya magnitud depende de la cantidad de iones presente en la solución.
La diferencia de potencial medida es la suma de tres contribuciones: la interacción entre la
membrana sensora y el ión de interés, la interacción que se origina entre el elemento de
referencia y el medio donde está insertado, proporcionando un potencial constante si la
composición del medio de referencia y la temperatura no varían y por último la
denominada unión liquida, que se origina entre la solución de trabajo y la solución interna
del electrodo de referencia. Los clásicos electrodos de referencia empleados en
potenciometría, calomelano y Ag/AgCl fijan su potencial utilizando una solución de
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
cloruro de actividad constante. Frecuentemente es necesario el uso de una segunda
disolución de electrolito que se interpone, mediante un puente salino, entre esta disolución
interna de referencia y la muestra, con el fin de evitar la interacción entre ambas. Esta
unión liquida representa una interfase donde un electrolito se difunde en el otro, siendo la
causa del surgimiento de un potencial eléctrico, que contribuye al potencial de la celda,
denominado potencial de unión líquida. Esta diferencia de potencial suele ser pequeña y
normalmente-es-de-magnitud-desconocida.
Por otra parte, debido a que el potencial de interfase interno y el potencial del electrodo de
referencia interno son constantes, la medida del potencial que se genera en la celda
electroquímica, representa únicamente el cambio de potencial que se produce a través de la
superficie de la membrana del ISE, obteniéndose de esta forma información de la
concentración de iones en la muestra.
TIPOS DE POTENCIÓMETROS
Los potenciómetros se pueden clasificar atendiendo a diversos criterios:
Según elemento resistivo utilizado:
- Hilo bobinado: el elemento resistivo es un hilo arrollado sobre un soporte.
Excelente estabilidad térmica y capacidad para manejar niveles de potencia
considerables.
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 7
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
- No bobinados: el elemento resistivo puede ser cermet (aleación de cerámica
y metal), carbón, plástico conductivo, película metálica.
Por el tipo de desplazamiento que realice el cursor:
- Movimiento lineal: el cursor describe desplazamientos en línea recta. El
desplazamiento puede ir desde milímetros hasta varios metros.
- Rotatorios: pueden ser de una vuelta o multi-vuelta (3, 5, 10 o 15)
- Cuerda, “yo-yo” o de cable: permiten medir la posición y la velocidad de un
cable flexible arrollado en una bobina que está sometida a la tracción de un
muelle.
CIRCUITO EQUIVALENTE
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Consideremos el circuito de la figura formado por un potenciómetro lineal de resistencia
nominal R y de longitud de desplazamiento máximo, L. Sea l el desplazamiento actual
medido desde un punto tomado como referencia y sea
x=l/L la fracción del desplazamiento recorrido. Como el potenciómetro es lineal, a una
fracción de recorrido x, le corresponde una fracción equivalente de la resistencia nominal
R. Se obtienen así las relaciones: R1=Rx y R2=R (1-x).
El comportamiento del potenciómetro como elemento de un circuito depende de su de su
impedancia de salida, Ro. La figura de la derecha muestra el circuito equivalente Thevenin
visto entre el cursor y el extremo de referencia. La impedancia de salida cambia en función
de la fracción de desplazamiento x, llegando a ser hasta un 25% del valor nominal del
potenciómetro, justo a la mitad del recorrido. En el resto de posiciones, excepto en los
extremos, el efecto de la impedancia de salida va a influir sobre la tensión leída, es decir,
va a introducir un error respecto a la respuesta ideal.
EL POTENCIÓMETRO EN CARGA
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Analizando el circuito del potenciómetro con carga de la figura se obtiene la relación entre
la tensión de salida y el desplazamiento. Esta relación se ha representado gráficamente.
Vemos como al conectar una carga al potenciómetro se introduce en el sistema un error de
no linealidad. La magnitud de esta no linealidad depende de k, que es la relación entre la
resistencia de carga y la nominal del potenciómetro. Si RL es considerablemente mayor
que R, es decir, para un K suficientemente grande, la salida es prácticamente lineal como
se muestra en la figura para k=10. Si el valor de RL es similar al valor de R, (k=1) la salida
presenta un error de linealidad apreciable. En resumen para conseguir una respuesta lineal
se debe exigir al sistema que se acople una impedancia de entrada alta comparada con la
resistencia nominal del potenciómetro.
MEDIDA A TRES HILOS
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Además del error debido a la carga, otra fuente de error en los sistemas de medida
basados en potenciómetros es el cableado. En general, un cable presenta una
resistencia pequeña, pero la situación cambia cuando supera cierta longitud. La
figura muestra un sistema de medida a tres hilos en el que la señal de salida del
potenciómetro se envía a través de tres cables al punto donde se procesa la medida.
Despreciando el error debido a la carga, es decir, considerando que la impedancia
de entrada del medidor es muy elevada comparada con la impedancia de salida del
conjunto sensor Potenciométricos-cables. Del análisis de la expresión de vo se
deduce que se tiene un error de offset o error de cero, dado que para x=0 se tiene
una tensión distinta de cero. Por otro lado la sensibilidad se aparta de la ideal.
MEDIDA A CUATRO HILOS
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Para eliminar el error de offset puede utilizarse el circuito de medida a cuatro hilos de la
figura.
EJEMPLOS DE APLICACIÓN:
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GALGAS EXTENSIOMETRICAS
Variaciones de la resistencia de un conductor o semiconductor sometido a un esfuerzo
mecánico.
FACTOR DE GALGA
De la expresiones anteriores vemos que para lograr mayores cambios en ∆R, será
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
conveniente tener mayores longitudes de hilo (p.e con una disposición enzig-zag) y de
pequeña sección.
TIPOS DE GALGAS
Galgas metálicas: para su fabricación se emplean diversos conductores metálicos,
como las aleaciones constatan, karma, isoelestic y aleaciones de platino. Pueden ser
de:
- Hilo metálico. Son las más sencillas. Normalmente están adheridas a una
base de dimensiones estables. Introducen errores en la medida ante estados
tensiónales no longitudinales.
- Película metálica. Son las que se desarrollan por métodos de fotograbado.
Se fabrican de forma similar a la producción de circuitos impresos en bases
flexibles.
- Metal depositado. Son las aplicadas directamente sobre superficies
mediante métodos de evaporización o bombardeo químico. Se usan en los
diafragmas de los sensores de presión.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Galgas semiconductoras: se fabrican de silicio u otro material semiconductor.
El margen de medida es aproximadamente igual a 3000 µε mientras que las de metal se
extiende hasta aproximadamente 40000 µε. Su cambio resistivo es menos lineal que las de
metal y tienen una gran dependencia de la temperatura. Se usan en la fabricación de
sensores integrados de presión donde se implantan en micro diafragmas para medir
presión.
MODO DE EMPLEO
Para la correcta utilización de las galgas se debe de tener en cuenta lo siguiente:
Las galgas solo miden en una dirección, por lo que cuando se colocan se debe tener
cuidado de alinearlas teniendo en cuenta las marcas de alineación que presentan.
Solo proporciona la medida del estado tensional de la superficie que ocupa la galga,
no el de toda la superficie.
Si se desconoce la dirección de la tensión a que estará sometida la galga se podría
utilizar dos galgas dispuestas en la misma zona ortogonalmente.
La transmisión del esfuerzo de la superficie en que se va a medir hasta el metal
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
debe de realizarse sin pérdida de información, por lo que el sistema debe garantizar
la no absorción del esfuerzo. Para ello se emplean pegamentos de gran resistencia
mecánica que permiten un óptimo funcionamiento. También se debe tener una
cierta preocupación en la “pasivación” de la superficie expuesta mediante una capa
de material que la proteja frente a inclemencias ambientales.
Circuitos de medida
Se puede duplicar la sensibilidad en el voltaje de salida disponiendo dos galgasactivas una
a tracción y otra a compresión como se muestra en la figura.
Además se compensa el efecto de la temperatura.
Compensación de temperatura
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Las galgas son bastante sensibles a la temperatura (hasta 50 µε/ºC), por lo quese suelen
compensar mediante una galga pasiva conectada en la misma ramaque la activa y
físicamente próxima a ella, de forma que se encuentre a sumisma temperatura, pero no
sometida a esfuerzos, por ejemplo R3 galga activa y
R4 galga de compensación o bien R2 galga activa y R1 galga de compensación.
Utilización de los circuitos de medida
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
La utilización de los puentes de medida con galgas hay que tener en cuentadiversos
aspectos:
Equilibrado del puente. En ausencia de esfuerzos, la tensión de salida delpuente
debe ser nula. Se ajusta con el potenciómetro RPOT y RNULL.
Calibración del puente. Se coloca una resistencia RSH en paralelo con lagalga
activa. La deformación que simula esa resistencia está dada por laexpresión de la
figura. La resistencia del interruptor ha de ser muy baja, serecomienda el uso de
relés encapsulados al vacío.
Cableado del puente. En muchas ocasiones el puente no está en el mismolugar que
las galgas, por lo que las resistencias del cableado pueden afectar a lamedida. Este
efecto puede compensarse equilibrando el puente antes deutilizarlo para medir.
Otro efecto es la variación de la resistencia del cable con la temperatura. Eneste caso se
puede efectuar una medida a tres hilos.
Aplicaciones
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 18
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Las galgas pueden utilizarse para dos tipos de aplicaciones:
- Medir estados de deformación.
- Medir otras variables: principalmente peso y presión.
Para la medida de peso se emplean las denominadas células de carga (loadcells). Se trata
de piezas mecánicas de variada configuración, diseñada de talforma que en alguna parte de
su estructura, el peso aplicado se transforma enuna deformación proporcional que se mide
con dos o cuatro galgas. Losfabricantes especifican la sensibilidad del puente que
contienen como la tensiónde salida partido por la tensión de alimentación.
Variando la alimentación dentro del margen permitido por el fabricantepodemos
acondicionar la salida del puente al margen dinámico de entrada delamplificador al que
conectemos la salida.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
La medida de presión se realiza mediante un sistema de membrana quetransforma la
diferencia de presión entre sus dos caras en una deformación quese mide mediante un
puente de cuatro galgas en el que dos trabajan a tracción ydos a compresión, tal como se
muestra en la figura.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
FOTORRESISTENCIAS
Las fotorresistencias (LDR) son sensores resistivos basados ensemiconductores empelados
para la medida y detección de radiaciónelectromagnética.
Una LDR típica consiste en una fina capa semiconductora dispuesta sobre unsustrato
cerámico o plástico. La película semiconductora describe una pista en
zig-zag con contactos en los extremos. La forma de la película sensitiva tienenpor objeto
maximizar la superficie de exposición y al mismo tiempo mantener unespacio reducido
entre los electrodos para aumentar la sensibilidad.
Entre los materiales semiconductores más usados para realizar las LDRs seencuentran el
sulfuro de cadmio (CdS) y el seleniuro de Cadmio (CdSe). Estosmateriales son muy
utilizados sobre todo en los sensores fotoconductivos debajo coste; sin embargo su
respuesta es relativamente lenta, desde 10 ms avarios segundos. La tensión máxima que
pueden soportar puede llegar hasta
600 V y hay modelos capaces de disipar más de 1W.
Modelo
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 21
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Circuitos de medida
Las fotorresistencias (LDR) son sensores resistivos basados ensemiconductores empelados
para la medida y detección de radiaciónelectromagnética.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Una LDR típica consiste en una fina capa semiconductora dispuesta sobre unsustrato
cerámico o plástico. La película semiconductora describe una pista en
zig-zag con contactos en los extremos. La forma de la película sensitiva tienenpor objeto
maximizar la superficie de exposición y al mismo tiempo mantener unespacio reducido
entre los electrodos para aumentar la sensibilidad.
Entre los materiales semiconductores más usados para realizar las LDRs seencuentran el
sulfuro de cadmio (CdS) y el seleniuro de Cadmio (CdSe). Estosmateriales son muy
utilizados sobre todo en los sensores fotoconductivos debajo coste; sin embargo su
respuesta es relativamente lenta, desde 10 ms avarios segundos. La tensión máxima que
pueden soportar puede llegar hasta
600 V y hay modelos capaces de disipar más de 1W.
El acondicionamiento suele realizarse mediante un divisor de tensión, siendoaplicables las
consideraciones realizadas para las NTCs. Así, en aplicaciones demedida donde se busca
una respuesta lineal, la obtención del valor de R puedehacerse calculando el valor que lleve
a la máxima linealidad en el punto centraldel intervalo de medida.
El circuito de la figura se comporta como un detector de luz. Así cuando elnivel de luz
aumenta RL disminuye y Vo aumenta. Para detectar cuando el nivelde luz disminuye por
debajo de un determinado nivel de luz se intercambia lasposiciones de la LDR y de R.
Haciendo que el punto de inflexión coincida con el centro de nuestro intervalode medida,
se obtiene el valor de R, donde RLc es la resistencia de la LDR en elpunto central del
intervalo de medida. El valor de V debe limitarse para que noexista auto calentamiento,
resultando V = 2(δ∆TR)1/2.
Al igual que hacíamos en las NTCs se puede linealizar la respuesta de las
LDR conectando una resistencia en paralelo a costa de disminuir la sensibilidad.
Aplicaciones típicas
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 23
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Las aplicaciones típicas de las LDRs se centran en la medida de luz (fotometría)y en la
detección de cambios de luz. Las fotorresistencias son sensores bastantesensibles, sobre
todo con bajos niveles de iluminación, aunque en esta zona sudependencia con al
temperatura se hace muy acusada. Otro inconveniente es sulentitud de respuesta ya que
presentan constantes de tiempo del orden desegundos lo que limita su uso a aplicaciones de
baja frecuencia.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
SENSORES DE GASES DE OXIDOS METALICOS
Los sensores de gases están compuestos de óxidos metálicos, generalmente deestaño
(SnO2). Se utilizan para la detección de un buen número de gases deinterés industrial
como:
- Oxígeno.
- Gases combustibles: propano, metano, hidrógeno, etc.
- Gases tóxicos: monóxido de carbono, amoníaco.
- Disolventes orgánicos: alcohol, tolueno, etc.
- Contaminantes: CO2.
- Clorofluorocarbonos (CFC)
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 25
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Principio de funcionamiento
El óxido de estaño puro es un semiconductor tipo n debido a la existencia devacantes de
oxígeno, que actúan como donadores de electrones.
Cuando un cristal de SnO2 se calienta a una temperatura suficientementeelevada, la
superficie del cristal adsorbe oxígeno del aire. Los electronesdonadores de la superficie del
cristal son transferidos al oxígeno adsorbidoformándose una barrera de potencial que
impide el flujo de electrones. Dentrodel sensor la corriente eléctrica fluye a través de la
unión de los cristales deSnO2 (fronteras de grano). En las fronteras de grano el oxígeno
adsorbido formauna barrera de potencial que impide que los electrones se muevan
libremente Laresistencia eléctrica del sensor es debida a esta barrera de potencial.
En presencia de un gas reductor la densidad superficial del oxígeno cargadonegativamente
disminuye, por lo que la altura de la barrera de potencial en lasfronteras de grano se reduce
y por tanto se reduce también la resistencia eléctrica.
Características del sensor
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 26
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
La relación entre la resistencia del sensor, RS y la concentración de gas [C]puede
expresarse, en un cierto margen de la concentración del gas, por laecuación:
RS = K [C]-a
La figura muestra la respuesta del sensor de metano TGS 842 de la firma
Figaro [4]. Se observa como el sensor no solo es sensible al metano, sinotambién a otros
gases combustibles (escasa selectividad) Los valores deresistencia se expresan referidos a
la resistencia del sensor a 3500ppm demetano.
Puede conseguirse una mayor selectividad a un gas concreto en función de latemperatura
de los electrodos y del filtro interno que incorporen.
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 27
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
En la figura de la izquierda se muestra la respuesta temporal típica quepresenta este tipo de
sensores.
En el instante inicial de conexión de la alimentación, independientemente dela
concentración de gases, la resistencia del sensor cae bruscamente puesto queno se adhiere
el oxígeno. Esto podría ser interpretado como una concentraciónmuy elevada del gas a
detectar y provocar una falsa alarma. Ha de evitarse portanto la medida durante dicho
instante inicial. Cuando el gas a detectardesaparece la resistencia del sensor recupera su
valor original. La velocidad derespuesta depende del modelo de sensor y del tipo de gas.
Otros inconvenientes de los sensores de gas es la fuerte dependencia con latemperatura y
con la humedad del ambiente (ver figura). La temperaturaambiente afecta a la
característica de sensibilidad cambiando la velocidad de lareacción química, por lo que se
requiere emplear un circuito de compensación detemperatura. Así mismo la humedad
causa una reducción en RS.
Circuito de medida
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Los sensores de gases presentan cuatro terminales, dos corresponden al propiosensor y
otros dos, a los electrodos de calentamiento de forma que latemperatura sea la adecuada
para que tengan lugar las reacciones químicas.
Los electrodos de calentamiento tardan algún tiempo en alcanzar la temperaturanominal
desde que se alimenta el dispositivo (30-60s). La tensión decalentamiento suele ser pulsos
de una determinada duración.
Aplicaciones
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Las aplicaciones de los sensores de gases son principalmente para detectar unnivel
determinado de concentración de gas. Supongamos que se desea activaruna alarma cuando
la concentración de gas sea de 1500 ppm a 20ºC y 65% HR.
Como se observa en la figura, si la temperatura varía entre -10ºC y 40ºC el puntode alarma
se desplazará entre 600 ppm y 3400 ppm. Para compensar el efectode la temperatura se
utiliza una NTC linealizada mediante la resistencia R2 enparalelo. El comportamiento del
sensor de gas y el de la NTC es idéntico y elpunto de alarma no cambia.
Para evitar que se produzca una alarma en el instante inicial de conexión de laalimentación
se monta el circuito de la figura.
MAGNETORRESISTENCIAS
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Los sensores magnetorresistivos (MR) se fabrican depositando una películadelgada de una
aleación Ni-Fe (Permalloy) sobre una oblea de Si, formando asíuna lámina resistiva.
Durante el proceso de deposición, el material es sometido aun campo magnético externo
para alinear en una cierta dirección su vector demagnetización M.
Si se aplica un campo magnético H paralelo a la lámina de permalloy yperpendicular a la
corriente, el vector M gira acercándose a la dirección de lacorriente. El ángulo relativo α
entre M e i viene dado por la expresión:
sen2α = Hy2/Ho2
La resistencia de la lámina cambia en función del ángulo α según:
R = Ro +∆Ro cos2αdonde Ho es el llamado campo característico del material (debido a
lamagnetización inicial), Ro es la resistencia del material cuando M e i sonperpendiculares
(valor mínimo). El valor máximo de la resistencia se tendrácuando la corriente sea paralela
o antiparalela a la magnetización, mientras queel valor mínimo corresponderá a una
orientación perpendicular entre ambos.
Linealización del efecto magnetorresistivo
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
La linealización de la ecuación se realiza añadiendo tiras de Al (barber pole)sobre la
superficie de permalloy y a 45º respecto al eje longitudinal. Como el Altiene una
conductividad mucho mayor que el permalloy el efecto es una rotación de 45º de la
corriente cambiando el ángulo entre M e i de α a (α-45º).
La magnetización inicial (en ausencia de campo magnético) puede alterarse operderse por
la acción de campos externos de desmagnetización no deseados.
Para que no ocurra esto, de forma periódica se somete el sensor a pulsosexternos de
reorientación del vector M.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Acondicionamiento
Las láminas de material semiconductor magnetorresitivo se utilizan formandoestructuras
de puente o semipuente de Wheatstone. Con ello se tiene unaprimera compensación
térmica del subsistema sensor resultante. La figura de laizquierda muestra un puente de
Wheatstone en el que cada mitad del puenteestá formado por dos magnetorresistencias
sensoras con sensibilidad opuesta ala acción del campo magnético. Cada mitad del puente
se ajusta empleando unaresistencia adicional para tener una tensión Vb/2 de forma que Vo
= 0 cuando nohay campo externo aplicado.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Aplicaciones
El campo magnético terrestre puede considerarse uniforme en una región devarios
kilómetros cuadrados. Un objeto ferromagnético, como puede ser unvehículo, altera el
campo terrestre localmente, por lo que se puede detectar estaperturbación mediante un
sensor MR. Mediante un procesamiento posterior de laseñal analógica obtenida es posible
clasificar los vehículos por su tamaño.
Otras aplicaciones de interés son el diseño de medidores electrónicos delcampo magnético
terrestre (compás electrónico), acelerómetros, sensores devibración, medidores de posición
lineal y angular o sensores de corriente. En lafigura se recogen ejemplos prácticos de
aplicación.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
La disposición de los imanes en una rueda que gira permite la presencia oausencia de
campo magnético en las proximidades de la rueda. Este campomagnético es detectado por
un sensor MR generando una señal cuadrada defrecuencia igual a la velocidad angular de
la rueda.
El campo magnético que genera una corriente puede ser detectado por lossensores MR. El
sensor es un puente de Wheatstone formado por dosresistencias activas al campo
magnético creado por la corriente y dos pasivas.
Para ello la corriente incógnita (en CC o CA) se hace pasar a través de unconductor que se
encuentra integrado en el mismo encapsulado que el sensor.
Asimismo, en la industria del automóvil los sensores MR han encontrado ungran campo de
aplicación (medida de consumo de corriente en el circuito dealumbrado, detección de
fallos en lámparas, diseño de tacómetros, sistemas defrenado ABS, etc.)
2. SENSORES CAPACITIVOS
Sensores basados en la variación de la capacidad de un componente eléctrico o electrónico en
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
respuesta a la variación de alguna magnitud física.
Un condensador es un dispositivo eléctrico que está formado por dos conductores separados
por un material aislante (dieléctrico). Se caracteriza por almacenar cargas cuando se aplica una
tensión entre los dos conductores y la relación entre la cantidad de cargas almacenadas y la
tensión aplicada recibe la denominación de capacidad.
El valor de la capacidad depende de la disposición geométrica de los conductores y de las
características del material dieléctrico.
CARACTERISTICAS:
- Se utilizan para medir desplazamientos lineales y angulares, detectar objetos
próximos, medir el grado de humedad, de presión, de nivel y aceleración, etc.
- En general no les afectan las variaciones de temperatura (excepto si el dieléctrico es
agua), son muy estables en entornos hostiles y tienen muy bajo consumo.
- Necesitan circuitos de acondicionamiento especiales.
2.1PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LOS SENSORES CAPACITIVOS
Los sensores capacitivos constan de un condensador que genera un campo eléctrico. Este
condensador forma parte de un circuito resonador, de manera que cuando un objeto se
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
acerca a este campo, la capacidad aumente y el circuito empieza a resonar.
Un sensor capacitivo de forma cilíndrica apenas se puede distinguir del sensor inductivo,
pues los fabricantes emplean normalmente carcasas idénticas. Lo que hace el objeto, al
estar dentro del campo eléctrico, es aumentar la capacidad de esa área, y por lo tanto
cambiar la capacitancia de la misma; esto hace que el circuito interno del sensor entre en
resonancia.
Los sensores de proximidad capacitivos son similares a los inductivos. La principal
diferencia entre los tipos es que los sensores capacitivos producen un campo electroestático
en lugar de un campo electromagnético.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
La superficie de sensado del sensor capacitivo eta formado por dos electrodos concéntricos
de metal de un capacitor.
Cuando un objeto se aproxima a la superficie de sensado y este entra al campo
electroestático de los electrodos, cambia la capacitancia en un circuito oscilador.
Esto hace que el oscilador empiece a oscilar. El circuito disparador lee la amplitud del
oscilador y cuando alcanza un nivel específico la etapa de salida del sensor cambia.
Conforme el objeto se aleja del sensor la amplitud del oscilador decrece, conmutando al
sensor a su estado original.
OBJETIVO ESTANDAR Y LA CONSTANTE DIELECTRICA.
Los objetos estándar son especificados para cada sensor capacitivo. El objeto estándar se
define normalmente como metal o agua. Los sensores capacitivos dependen de la constante
dieléctrica del objetivo. Mientras más grande es la constante dieléctrica de un material es
más fácil de detectar.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
La grafica muestra la relación de loas contantes dieléctricas de un objetivo y la habilidad
del sensor de detectar el material basado en la distancia nominal de sensado (Sr).
Tabla de constantes dieléctricas.
2.2 SIMBOLOGÍA
- SENSORES DE 2 HILOS
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
- SENSORES DE 3 HILOS
- SENSORES DE 4 HILOS
COLOR Y NUMERACIÓN DE LOS HILOS
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
La norma EN 50 044 determina los colores de los hilos del sensor, distingue entre
sensores de proximidad polarizados y no polarizados, podemos diferenciar los siguientes
casos:
- Sensores de proximidad no polarizados tanto para CC o CA, con dos hilos de
conexión, estos pueden ser de cualquier color excepto verde/amarillo.
- Sensores de proximidad polarizados para CC, con dos hilos de conexión, el
terminal positivo debe marrón y el terminal negativo, azul.
- Sensores de proximidad de tres hilos, el terminal positivo debe ser marrón, el
terminal negativo azul y la salida debe ser negro.
En la siguiente tabla se indican las abreviaciones de los colores usadas.
En lo referente a la numeración de los terminales:
- Sensores de proximidad no polarizados, los terminales 1 y 2 tienen la función de
contacto normalmente cerrado y los terminales 3 y 4 la de contacto normalmente
cerrado.
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 41
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
- Sensores de proximidad polarizados para corriente continúa con dos terminales, el
terminal positivo debe identificarse con el 1. El número 2 para el contacto
normalmente cerrado y el 4 para el contacto normalmente abierto.
2.3 TIPOS DE SENSORES CAPACITIVOS
Los principales sensores capacitivos son:
- Sensores de condensador variable
- Sensores de condensador diferencial
- Sensores de diodos de capacidad variable
2.3.1SENSORES DE CONDENSADOR VARIABLE
CONDENSADORES DE PLACAS PLANAS PARALELAS
La capacidad C depende del área A de las placas, de la distancia d entre ellas y de la
constante dieléctrica ε (permitividad) del aislante, y viene dada por la expresión:
En la cual εo = 8,85 pF/m es la permitividad del vacío.
La impedancia Z del condensador es:
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Según se mida la impedancia o la admitancia y en función del parámetro que se modifica,
los sensores de condensador plano son o no lineales.
Si se mide la admitancia (proporcional a la capacidad C) se obtiene:
- Un sensor no lineal si se hace variar la distancia x entre las placas.
- Un sensor lineal si se modifica el área A de las placas.
- Un sensor lineal si se modifica la constante dieléctrica ε.
Es usual que existan condensadores con dos o más dieléctricos:
C = A / ( d1/ ε1 + d2/ε2)
La εr del aire se considera igual que la del vacío “1”. La εr del agua pura varía con la
temperatura y su valor es: εr = 88 a 0ºC y εr = 55,33 a 100ºC. Dicha diferencia se puede
utilizar para medir el nivel de agua de un depósito, el grado de humedad o la temperatura
ambiental.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Si el dieléctrico es un material ferroeléctrico y su temperatura es superior a la temperatura
de Curie, la εr es proporcional al recíproco de la temperatura, de acuerdo con la expresión:
En la cual:
- T es la temperatura del dieléctrico
- Tc es la temperatura de Curie
- k es una constante.
En este caso, la variación de la temperatura produce un cambio de la capacidad del
condensador.
CONDENSADORES CILINDRICOS (COAXIALES)
La capacidad C depende de los radios interno r1 y externo r2 de las dos placas del
condensador, de la altura de las mismas y de la constante dieléctrica ε del material aislante
colocado entre ellas, y su valor se obtiene mediante la expresión:
Ejemplo: Medida del nivel de áridos o granos
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
2.3.2 SENSORES DE CONDENSADOR VARIABLE
El empleo como sensor de un condensador variable tiene algunas limitaciones:
1ª limitación: No siempre se pueden despreciar los efectos de los bordes
La dispersión del campo en los bordes de los electrodos hace que la diferencia entre C1 y
C2 no sea proporcional a x.
Para evitar este efecto se utiliza un electrodo de guarda que rodea al electrodo 3, está al
mismo potencial que él y se desplazan conjuntamente.
Se consigue así que el campo eléctrico entre las placas de medida sea uniforme.
2ª Limitación: El aislamiento entre las placas debe ser elevado y constante
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
La humedad da lugar a la existencia de resistencias parásitas en paralelo con C y a variaciones
parásitas de la impedancia del condensador.
I. 3ª Limitación: Existencia de interferencias capacitivas debido a que solo se
puede poner a masa una de las dos placas
Para evitarlas se puede apantallar eléctricamente la placa y los cables conectados a ella con
respecto al entorno del sensor.
II. 4ª Limitación: Apantallamiento de los cables
Al apantallar los cables de conexión, para evitar interferencias capacitivas, se introduce una
capacidad en paralelo con el condensador. Esto disminuye la sensibilidad porque la magnitud a
medir solo hace cambiar la capacidad del sensor, que es una parte de la capacidad total.
III. 5ª Limitación: La posición relativa entre los conductores del cable y el
dieléctrico
Constituye una fuente de error adicional que puede ser muy grave si las variaciones de
geometría son importantes.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
2.3.3 SENSORES DE CONDENSADOR VARIABLE DIFERENCIAL
Un condensador diferencial está formado por dos placas metálicas fijas entre las que se
puede desplaza paralelamente otra placa de tal modo que forman dos condensadores
variables que experimentan el mismo cambio de su capacidad pero en sentidos opuestos.
Mediante un circuito de acondicionamiento adecuado que proporcione una tensión de
salida en función de la diferencia de capacidades se obtiene una salida lineal y un aumento
de la sensibilidad.
2.4 VENTAJAS DE LOS SENSORES CAPACITIVOS
- Tienen un error por carga mínimo, porque no existe contacto mecánico
directo. No hay errores de fricción, ni de histéresis y además, no hay que
hacer mucha fuerza para desplazar al elemento móvil.
- La estabilidad y la reproducibilidad son muy elevadas porque el valor de C
no depende de las propiedades de las placas, ni de los cambios de
temperatura. Además los efectos del envejecimiento son mínimos y no
existen derivas temporales.
- Si el dieléctrico es aire, la constante dieléctrica varía poco con la
temperatura.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
- Proporcionan elevada resolución para medir desplazamientos.
- No producen campos magnéticos y los campos eléctricos son pequeños, en
contraposición con los sensores inductivos.
- La energía consumida es mínima.
2.5 APLICACIONES A LA IMPLEMENTACIÓN DE SENSORES DE
MEDIDA
- Medida de desplazamientos muy pequeños (hasta 10-10 mm), debido a que no
hay errores de fricción.
- Medida de variables que se pueden convertir en un desplazamiento como por
ejemplo la presión, la fuerza, el par, la aceleración, etc.
- Medida de magnitudes que provocan un cambio de las características del
dieléctrico, como por ejemplo la humedad y la temperatura (dieléctricos
ferroeléctricos).
Ejemplo: Sensor de medida de presión.
2.6 CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES
CAPACITIVOS
Convierten la variación de capacidad en la variación de un parámetro de una señal
eléctrica: amplitud de una señal sinodal de frecuencia constante, frecuencia de una señal
sinodal o de una onda cuadrada, anchura de impulsos de frecuencia constante, etc.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Para ello el condensador forma parte de un circuito electrónico.
2.6.1 CIRCUITOS DE SEÑALES SENOIDALES DE FRECUENCIA
CONSTANTE
Generan una señal analógica alterna que contiene la información en la amplitud:
- Divisor de tensión alimentado en alterna
- Amplificador de alterna
- Puente de alterna
2.6.1.1 DIVISOR DE TENSIÓN ALIMENTADO EN ALTERNA
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
2.6.1.2 AMPLIFICADOR DE ALTERNA
El esquema básico de un amplificador de señales analógicas variables se puede utilizar
para linealizar la relación entre la tensión de salida y la capacidad de un sensor capacitivo
en el que se varía la distancia entre las placas. En la práctica presenta problemas de
estabilidad.
2.6.1.2 PUENTE DE ALTERNA
La configuración en puente se emplea para eliminar la tensión fija que aparece a la salida de un
divisor de tensión, incluso cuando se basa en un sensor diferencial. Si se utilizan brazos
resistivos, sus capacidades parásitas introducen errores. Por ello se utilizan puentes de alterna
con transformador, que reducen dichos efectos.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
2.6.2 CIRCUITO GENERADOR DE ONDAS CUADRADAS DE
FRECUENCIA VARIABLE
- No se pueden utilizar en sistemas en los que se necesite elevada precisión.
- En dicho tipo de sistemas se utilizan demoduladores síncronos
2.7 APLICACIONES A LOS SENSORES TODO-NADA DETECTORES
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 51
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
DE OBJETOS (PROXIMITY DETECTORS)
FUNDAMENTOS
El método más común es utilizar el condensador como elemento modulador de un circuito
oscilante que genera una señal alterna cuya frecuencia es función del valor de la capacidad.
Esta señal se aplica a un convertidor frecuencia/ tensión que proporciona una señal
analógica que lleva la información en su amplitud.
La capacidad entre dos placas conductoras aisladas varía al aproximarse un objeto a ellas.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
- La cara frontal es metálica y constituye una de las placas del condensador (cabeza
sensora).
- El condensador forma parte del bucle de realimentación de un oscilador de alta
frecuencia.
- Cuando no hay objeto, la capacidad es baja y la amplitud de la oscilación es
pequeña. Cuando se aproxima un objeto aumenta la capacidad y con ello la
amplitud de la oscilación.
- La salida del oscilador se aplica a un rectificador + filtro que proporciona una
tensión continua. Su salida se conecta a un comparador con histéresis para evitar las
oscilaciones de la salida del sensor cuando el objeto se encuentra en el límite de
detección.
- El amplificador de salida (Driver) puede estar realizado con transistores NPN o
PNP tal como se indica en el tema 2, en el que se estudian los circuitos de salida de
los sensores todo- nada.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
2.8 CAMPO DE TRABAJO O REGIÓN DE DETECCIÓN (SENSING
RANGE)
Zona, situada en las proximidades de la cara activa del sensor, en la que el fabricante
garantiza que el sensor detecta un objeto normalizado o patrón que es un cuadrado de acero
ST37 conectado a masa de un milímetro de espesor y un lado de longitud igual al diámetro
de la cara sensible del sensor o a tres veces la distancia de detección nominal del sensor, el
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
mayor de ambos.
Como se puede observar en ella, el campo de trabajo abarca una región espacial delimitada
por las dos curvas, y el punto de corte de ambas coincide con la distancia de detección
nominal del sensor.
De acuerdo con la forma constructiva los sensores de proximidad capacitivos, al igual que
los sensores inductivos, pueden ser:
- Sensores enrasables
- Sensores no enrasables
2.8.1 SENSORES ENRASABLES
Se fabrican con una malla metálica alrededor de la cara activa del sensor, Esto concentra el
campo electroestático del condensador abierto en la parte frontal del sensor, lo que permite
montarlo a ras del material que lo rodea sin que el sensor lo detecte. Debido a la alta
concentración del campo electroestático, este tipo de forma constructiva es adecuada
también para detectar objetos implementados con un material de baja permitividad. Por la
misma razón los sensores enrasables son sensibles a la suciedad y a la humedad depositada
en la cara activa del sensor, lo que puede dar lugar a activaciones erróneas de la señal de
salida del sensor.
2.8.2 SENSORES NO ENRASABLES
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 55
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
El campo electroestático no está tan concentrado como en los enrasables. Por ello solo son
adecuados para la detección de materiales de elevada permitividad y también para
discriminar entre materiales de alta y baja permitividad. Este tipo de sensores incluyen
frecuentemente un condensador auxiliar que compensa el efecto de las condiciones
ambientales que modifican la capacidad del sensor para que funcione correctamente
incluso en presencia de agua pulverizada, polvo, suciedad, etc. Además el campo
electroestático de compensación es de baja potencia y en consecuencia solo existe en las
proximidades de la cara activa del sensor.
En muchas aplicaciones reales los objetos metálicos no se conectan a masa y además en
múltiples ocasiones los objetos son aislantes. Por ello, es necesario tener en cuenta que en
las capacidades indicadas en la figura se producen distintos efectos según el tipo de
material con que esté realizado el objeto y si está o no conectado a la masa del circuito.
En la práctica se pueden tener tres tipos de situaciones:
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 56
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
2.8.2.1 OBJETO METÁLICO FLOTANTE
En este caso el circuito que forman los condensadores es el de la figura. El objeto hace de
la otra cara del condensador de los condensadores CB y CC. Esto hace que, debido a que
disminuye la distancia entre las placas de los condensadores CB y CC, el valor del
condensador equivalente aumente a medida que se acerca el objeto al sensor y que
disminuya si se aleja.
2.8.2.2 OBJETO METÁLICO CONECTADO A MASA
El circuito que forman los condensadores es en este caso el de la figura. El condensador
CD está cortocircuitado. El condensador CA disminuye a medida que el objeto se acerca y
su efecto se suma al de los condensadores CB y CC que aumentan su capacidad a medida
que el objeto se acerca. En este caso la variación de capacidad total es máxima y por eso
este tipo de objeto se detecta a mayor distancia.
2.8.2.3OBJETO AISLANTE (NO CONDUCTOR)
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 57
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
En este caso el condensador CD es un circuito abierto y el circuito que forman los
condensadores es el de la figura. El efecto más importante es el del condensador CA cuya
capacidad aumenta al acercarse el objeto porque se eleva la permitividad del dieléctrico
debido a que el aire pasa a ser sustituido por el objeto. Por ello el pará- metro que más
influye es la permitividad del objeto. Para detectar objetos realizados con materiales de
baja permitividad es necesario realizar un ajuste cuidadoso del oscilador. Si la permitividad
es muy pequeña no son detectables.
2.9 SENSORES DE DIODOS DE CAPACIDAD VARIABLE
FUNDAMENTO
La unión P- N se comporta como un condensador de placas planas paralelas separadas por
la zona de transición, cuando se la polariza inversamente. La anchura de la zona de
transición depende del valor de la tensión inversa que se aplica a la unión. Se modifica de
esta forma la capacidad del condensador.
Los diodos que utilizan este principio se denominan varactores y se les conoce también por
su denominación inglesa de Varicap (Variable Capacitor).
Este tipo de sensor se utiliza para desarrollar equipos de radio de sintonía automática
mediante un microcontrolador.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
APLICACIÓN
3. SENSORES INDUCTIVOS
Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar
materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para
aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia o ausencia de objetos
metálicos en un determinado contexto: detección de paso, de atasco, de codificación y de
conteo.
COMPONENTES DE UN SENSOR INDUCTIVO
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 59
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
3.1 PRINCIPIO DE OPERACIÓN
I. Una corriente eléctrica que circula a través de un conductor crea un campo
magnético a su alrededor. Este campo magnético se simboliza con líneas de fuerza
o de campo que son circunferencias contenidas en un plano perpendicular al
conductor y cuyo sentido se establece con la regla de la mano derecha.
Se denomina (B) a la intensidad del campo magnético es decir el número de líneas
de fuerza por unidad de superficie.
Se denomina flujo magnético Ø al número total de líneas que atraviesa una
superficie A:
Ø = B · A
II. FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA
La fuerza electromotriz inducida en un circuito está relacionada con la variación de
flujo magnético con el tiempo y viene dada por la ley de Faraday:
En la que L es el coeficiente de autoinducción o inductancia:
III. La inductancia L solo depende de las características físicas del conductor. Para el
cálculo de la inductancia de una bobina se utiliza la ley de Ampère que
establece:
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
La circulación del campo magnético B creado por un conductor arrollado en
forma de bobina de N espiras viene dada por la ecuación:
IV. Dado que B= Ø /A, a partir de B l= μ I N se tiene:
A partir de la cual, teniendo en cuenta que l, μ, A y N son constantes, se obtiene la
expresión:
V. RELUCTANCIA
De la propia definición de L se obtiene:
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Se denomina reluctancia a:
Cualquier modificación de N, μ, l o A puede utilizarse para variar la inductancia o
la reluctancia.
2.2 SIMBOLOGÍA
- SENSORES DE 2 HILOS
- SENSORES DE 3 HILOS
- SENSORES DE 4 HILOS
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
COLOR Y NUMERACIÓN DE LOS HILOS
La norma EN 50 044 determina los colores de los hilos del sensor, distingue entre sensores
de proximidad polarizados y no polarizados, podemos diferenciar los siguientes casos:
Sensores de proximidad no polarizados tanto para CC o CA, con dos hilos de
conexión, estos pueden ser de cualquier color excepto verde/amarillo.
Sensores de proximidad polarizados para CC, con dos hilos de conexión, el
terminal positivo debe marrón y el terminal negativo, azul.
Sensores de proximidad de tres hilos, el terminal positivo debe ser marrón, el
terminal negativo azul y la salida debe ser negro.
En la siguiente tabla se indican las abreviaciones de los colores usadas.
COLOR ABREVIACIÓN
black (negro) BK
brown (marrón) BN
red (rojo) RD
yellow (amarillo) YE
green (verde) GN
blue (azul) BU
grey (gris) GY
white (blanco) WH
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 63
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
gold (dorado) GD
green/yellow
(verde/amarilo)GNYE
En lo referente a la numeración de los terminales:
- Sensores de proximidad no polarizados, los terminales 1 y 2 tienen la función de
contacto normalmente cerrado y los terminales 3 y 4 la de contacto normalmente
cerrado.
- Sensores de proximidad polarizados para corriente continúa con dos terminales, el
terminal positivo debe identificarse con el 1. El número 2 para el contacto
normalmente cerrado y el 4 para el contacto normalmente abierto.
3.3CLASIFICACIÓN DE LOS INDUCTORES
Sensores de inductancia variable
Basados en la variación de la autoinducción (Self-inductance)
Sensores de reluctancia variable (Variable reluctance)
Basados en la variación de la inductancia mutua (Mutual inductance)
- LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
- Transformadores variables (Variable transformers)
Sensores magnetoelásticos.
Sensores basados en el efecto Wiegand.
Sensores basados en las corrientes de Foucault.
INDUCTANCIA DE UN CIRCUITO
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Relación entre el flujo magnético y la corriente eléctrica que lo genera. Si se trata de la
corriente que circula por el propio circuito, se denomina autoinducción (L) y si es en otro
circuito se denomina Inducción mutua.
3.3.1 SENSORES INDUCTIVOS DE INDUCTANCIA VARIABLE VARIACIÓN
DE LA AUTOINDUCCIÓN
3.3.1.1 SENSORES NO DIFERENCIALES
El desplazamiento es la variable más utilizada para variar una autoinducción:
- Sensores de núcleo móvil: Se modifica μ.
- Sensores de entrehierro variable: se modifica l.
El núcleo puede ser de aire o de hierro. Con un núcleo de aire se trabaja a frecuencias más
altas que con uno de hierro, pero las variaciones de la inductancia que se consiguen son
pequeñas.
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 65
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
3.3.1.2 SENSORES DIFERENCIALES
CONSIDERACIONES IMPORTANTES
Las expresiones indicadas anteriormente para la variación de la autoinducción solo son
válidas si se cumplen las siguientes condiciones:
- No hay campos magnéticos parásitos (apantallamiento).
- Se trabaja a una temperatura inferior a la de Curie.
- La relación entre L y R es constante en todo el dispositivo (el flujo magnético no es
disperso).
VENTAJAS
- Muy estables en entornos hostiles (por ejemplo entornos húmedos)
- Alta sensibilidad
APLICACIONES
Se utilizan en ambiente industrial para medir desplazamientos u otras variables que se
puedan convertir en un desplazamiento (fuerza, presión, etc.), posición, proximidad de
objetos metálicos férricos, etc.
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 66
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
CIRCUITOS BÁSICOS DE ACONDICIONAMIENTO MEDIANTE SEÑALES
SENOIDALES DE FRECUENCIA CONSTANTE
- Divisores de tensión: medida de tensión en un sistema excitado por corriente o de
corriente en un sistema excitado por tensión).
- Puentes de alterna: es el más adecuado cuando se utilizan topologías diferenciales.
- En ambos casos la salida que se obtiene no suele ser lineal.
SENSORES INDUCTIVOS INDUSTRIALES TODO-NADA
Los sensores inductivos basados en la variación de la autoinducción se pueden utilizar
como sensores todo-nada (detectores) de proximidad de objetos férricos.
3.3.2 SENSORES INDUCTIVOS DE RELUCTANCIA VARIABLE
VARIACIÓN DE LA INDUCTANCIA MUTUA
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
TRANSFORMADOR DIFERENCIAL VARIABLE LINEAL (LVDT)
Se basa en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de los dos
secundarios conectados en oposición (M2 – M2’), debida al desplazamiento, a lo largo de
su interior, de un núcleo de material ferromagnético que está unido a la pieza cuya posición
se quiere medir.
El primario está alimentado por una tensión alterna y los secundarios están situados
simétricamente con respecto a él. En cada secundario se inducen tensiones iguales cuando
el núcleo está situado en su posición central. Al desplazarse el núcleo una de las tensiones
crece y la otra se reduce en la misma magnitud.
FUNCIONAMIENTO
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Si el secundario no tiene carga, la tensión V0 es proporcional a (M2 – M2’) y por lo tanto
al desplazamiento del vástago (δ) y está desfasada 90º con respecto a la corriente que
atraviesa el primario.
El desfase entre V0 y V1 depende de la frecuencia.
Además, la relación (V0/V1) aumenta al elevar la frecuencia de alimentación (la
sensibilidad aumenta con la frecuencia).
En la que k es una constante específica de cada LVDT
Si el secundario está cargado, la sensibilidad aumenta al hacerlo la resistencia de carga.
También aumenta inicialmente con la frecuencia, pero disminuye a partir de una
determinada frecuencia fn, a la cual el desfase entre e0 y e1 es nulo.
CONSIDERACIONES IMPORTANTES
- Debido a las capacidades parásitas entre el primario y los secundarios (que no
dependen de la posición del vástago) y a la falta de simetría de los bobinados, la
tensión de salida en la posición central no es cero.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
- Dichas capacidades hacen que se generen armónicos en la salida que se eliminan
con un filtro paso bajo.
- Al aumentar la temperatura se eleva la resistencia eléctrica del primario y si se
alimenta a tensión constante disminuye la corriente y con ella la tensión de salida.
Por ello es mejor alimentar con corriente constante.
- Se construye con núcleos de aleación de hierro y níquel, y se lamina
longitudinalmente para reducir las corrientes de Foucault. El vástago no debe ser
magnético y todo el conjunto se apantalla magnéticamente para hacerlo inmune a
campos externos.
CARACTERÍSTICAS
- Resolución teórica infinita, alta repetibilidad y linealidad
- Vida ilimitada y alta fiabilidad debidas al reducido rozamiento entre núcleo y los
devanados
- Aislamiento entre el elemento sensor (vástago) y el circuito eléctrico
CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO
Generador de alterna, demodulador y filtro paso-bajo.
APLICACIONES
- Se utiliza para realizar medidas de desplazamiento así como de otras variables, por
ejemplo presión, etc., que provocan el movimiento del núcleo.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
TRANSFORMADORES VARIABLES
FUNDAMENTO
Están basados en la variación de la inductancia mutua entre uno o varios devanados,
mediante el desplazamiento lineal o angular de alguno de ellos. A uno de los devanados
considerado primario se le aplica una tensión alterna senoidal y la variación de la
inductancia mutua hace que varíe la tensión inducida en todos los secundarios.
TIPOS DE TRANSFORMADORES VARIABLES
- De 1 primario y 1 secundario.
- Síncronos trifásicos (Syncros).
- Resolucionadores (Resolvers).
- Inductosyn
TRANSFORMADOR VARIABLE MONOFÁSICO
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
La salida tiene la misma frecuencia que la entrada y su amplitud varía de forma no lineal
en función del ángulo α
Ejemplo: Potenciómetro de inducción
Dos devanados concéntricos: uno fijo (estator) y otro móvil (rotor)
TRANSFORMADOR VARIABLE TRIFÁSICO SÍNCRONO
Transformador que consta de un estator cilíndrico de material ferromagnético, que tiene
tres devanados dispuestos a 120º conectados en estrella, y un rotor en forma de H también
de material ferromagnético, con uno (o tres) devanados que gira solidariamente con el eje
cuya rotación se quiere medir.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
Las tensiones S1, S2 y S3 están en fase y sólo cambia la envolvente, cuya amplitud es
proporcional al seno del ángulo “α” más o menos 120º. Las tres tensiones representan el
ángulo α en formato syncro.
APLICACIONES
Se utilizan en servosistemas de posición angular en sistemas de radar, robótica,
posicionamiento de placas solares, etc.
El rotor del transmisor TX se pone en una posición y el rotor del receptor TR está libre. Si
las posiciones de ambos son diferentes se crea un par sobre el rotor de TR que le hace girar
hasta que se anulan las corrientes a través de su estator.
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
TRANSFORMADOR VARIABLE RESOLUCIONADOR (RESOLVER)
Transformadores variables cuyo estator y rotor están constituidos por dos devanados que
forman un ángulo de 90º entre ellos. El ángulo se representa con el valor de dos tensiones.
La conexión y la denominación dependen de la aplicación.
En el resolucionador se disponen dos devanados en el rotor (R1 y R2) a 90º y dos
devanados en el estator (E1 y E2) también a 90º. Normalmente se cortocircuita un
devanado del estator y se obtiene el ángulo en los dos devanados del rotor.
Si E1 se excita con una señal senoidal y E2 no se alimenta o se cortocircuita, al desplazarse
el rotor varían las tensiones inducidas en los secundarios:
TRANSFORMADOR VARIABLE INDUCTOSYN
Marca registrada (Farrand Industries Inc.) de un transformador que se puede implementar
con desplazamientos angulares y lineales. Consiste en un estator rectangular sobre acero
inoxidable y un elemento móvil de la misma forma que se desliza sobre él.
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 74
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
TRANSFORMADOR VARIABLE RESOLVER
La tensión inducida Vs en el elemento móvil depende de su posición en relación con el
estator. La expresión de Vs en el Inductosyn lineal es:
En la que P es el paso cuyo valor suele ser de 2mm.
La tensión inducida Vs es máxima cuando la posición del estator y el elemento móvil
coinciden. El flujo inducido y Vs son nulos cuando la diferencia es P/4. Vs es mínima
cuando la diferencia es P/2.
APLICACIÓN
Se utiliza para controlar la posición de los discos de un computador y la posición de la
herramienta de un sistema de control numérico
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 75
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SENSORES RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS
3.3.3 SENSORES MAGNETOELÁSTICOS
Elementos sensores basados en la variación de la inductancia por efecto Villari, que
establece que cuando se aplica un esfuerzo a un material ferromagnético se producen
cambios reversibles de sus curvas de magnetización. De la misma forma, durante la
magnetización se producen cambios de forma y de volumen del material.
CARACTERÍSTICAS
En algunos materiales la dependencia entre la tensión mecánica σ y la curva de
magnetización es lineal cuando se les somete a compresión o a tracción:
APLICACIONES
La variación de la permeabilidad relativa provoca un cambio de la inductancia. Se fabrican
células de carga en las que hay una bobina cerrada sometida a compresión, tracción o
ambas a la vez. Se utilizan para la medida de fuerza, par y presión en automóviles e
industrias mecánicas.
3.3.4 SENSORES DE EFECTO WIEGANG
CIRCUITOS ELECTRICOS I Página 76