Sensores y Actuadores

1. Sensores y Actuadores Instrumentación Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas

2. Sensores Inductivos – Transformadores diferenciales (LVDT) • Si dos bobinas se encuentran próximas, una variación en la intensidad en una de ellas inducirá un potencial en la segunda que es proporcional a la intensidad que pasa por la primera. • Si N2Φ21 es el flujo magnético en la segunda bobina, la inductancia mutua que depende del material

3. Sensores Inductivos – Transformadores diferenciales (LVDT) • Potencial inducidoSegún la Ley de Faraday el potencial inducido V2 viene dado por, M21 depende del tamaño, forma, número de espiras y posición relativa de las dos bobinas y de la existencia de algún material ferromagnético entre ambas bobinas.

4. Sensores Inductivos – Transformadores diferenciales (LVDT) • Variación de inductancia debida al desplazamiento de un núcleo de material ferromagnético en el interior de una bobina formada por tres espiras: un primario y dos secundarios arrollados en oposición serie

5. Sensores Inductivos – Transformadores diferenciales (LVDT) • Funcionamiento del LDVT:Alimentando el primario con una tensión alterna y el núcleo en la posición central, la intensidad que circula induce en los secundarios la misma tensión.Cuando el núcleo se desplaza del centro una de las dos tensiones aumenta mientras que la otra disminuye (oposición serie).

6. Sensores Inductivos – Transformador Variable • Cualquier variación de la posición entre las bobinas del transformador de la figura supone una variación en la inductancia mutua y por tanto en la tensión inducida en el secundario.

7. Sensores Inductivos – Transformador Variable • La inductancia mutua depende del número de espiras de la bobina N2 y del flujo magnético Φ2, y éste último depende del campo magnético y del área. • En el transformador variable el área depende de la inclinación relativa α según • Por lo que la inductancia mutua M(α) en un transformador variable será,

8. Sensores Inductivos – Transformador Variable • Aplicando al primario una tensión senoidal de frecuencia ω, en el secundario la tensión inducida será, • La tensión inducida en el secundario tiene la misma frecuencia y amplitud proporcional al ángulo de inclinación → Aplicación inmediata en la medición de desplazamientos o en medición de posiciones angulares.

9. Sensores Generadores • Generan una señal eléctrica a partir de un magnitud física sin necesidad de una alimentación eléctrica. • Se basan en un efecto reversible  igual principio en el que se fundamentan ciertos actuadores  generan acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas.

10. Sensores Generadores - Termopares • Termopar – Sensor de temperatura formado por dos metales diferentes cuya característica principal es que se produce una tensión proporcional a la diferencia de temperaturas entre los puntos de unión de ambos

11. Sensores Generadores - Termopares El efecto termoeléctrico se basa en tres fenómenos: • efecto Seebeck • efecto Peltier • efecto Thompson

12. Sensores Generadores - Termopares • Efecto Seebeck Dos conductores diferentes formando un circuito cerrado y una de las uniones está a temperatura T1 y la otra a temperatura T2, aparece una fuerza electromotriz (f.t.e.m.) que da lugar a una corriente que se mantiene mientras las temperaturas sigan siendo diferentes

13. Sensores Generadores - Termopares • Relación entre la diferencia de temperatura y la f.t.e.m. viene dada por el coeficiente de Seebeck SAB • El coeficiente de Seebeck no es constante: T↑ SAB↑ • La intensidad que circula por los conductores depende de la resistencia • La f.t.e.m. no depende de la resistencia o sección de los conductores, solo depende de la diferencia de temperatura de las uniones y la naturaleza de los metales

14. Sensores Generadores - Termopares • Efecto Peltier Es el calentamiento o enfriamiento que se produce de una unión de dos metales cuando una circula una corriente. Al invertir la corriente se invierte el flujo de temperatura.

15. Sensores Generadores - Termopares • Efecto Thomson Es la liberación o absorción de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea al circular una corriente. Se absorbe calor al fluir corriente de la zona más fría a la más caliente y se libera si lo hace en sentido contrario.

16. Sensores Generadores - Termopares • Aproximación a la respuesta no lineal T1 y T2 temperaturas absolutas en A y B.C1 y C2 constantes que dependen de los materiales.

17. Sensores Generadores - Termopares Limitaciones del uso de termopares • La corriente que circule por el circuito debe ser mínima ya que los efectos Peltier y Thomson son reversibles. • El medio no debe atacar a los metales que forman el termopar. • Es necesario mantener una de las uniones a temperatura fija de referencia → cambio en esta temperatura  error. A pesar de los anteriores inconvenientes los termopares son los sensores más utilizados en la medición de temperatura.

18. Sensores Generadores - Termopares Ventajas en la utilización de los termopares • Estabilidad a largo plazo aceptable y elevada fiabilidad. • Para bajas temperaturas mejor exactitud que las RTD. • Alta velocidad de medida → milisegundos. • No necesitan alimentación  no existen problemas de autocalenta­miento como en las RTD  utilización en gases inflamables.

19. Sensores Generadores - Termopares Tipos de Termopares • Las uniones en los termopares interesa que cumplan: • resistividad elevada  alta resistencia y poca masa. • Coeficiente de temperatura baja. • Resistencia a la oxidación. Algunas aleaciones utilizadas: níquel(90)/cromo(10), cobre(57)/níquel(43).

20. Sensores Generadores - Termopares • La composición de los termopares se encuentra estandarizada y los tipos tienen una denominación ANSI: B, C, E, J, K, N, R, S, T. • Para cada tipo de termopar existe tablas donde se da la tensión frente a la diferencia de temperatura con respecto a la de referencia a 0ºC → 6 − 75 µV /ºC

21. Sensores Generadores - Termopares

22. Sensores Generadores - Termopares

23. Sensores Generadores - Termopares Necesidad de mantener una temperatura constante en una unión • Fijarla mediante hielo fundido  solución cara al necesitar mucho hilo de uno de los conductores.

24. Sensores Generadores - Termopares • Permitir que la temperatura de una de las uniones varíe con la temperatura ambiente pero se compensa con una tensión tensión similar

25. Sensores Generadores - Piezoeléctricos • Estos sensores se basan en el efecto piezoeléctrico → aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción un esfuerzo. • Algunas sustancias materiales como el cristal de cuarzo o turmalina exhiben este efecto • Más utilizados actualmente: • titanato de bario • metaniobato de plomo • titanato-circonato de plomo (PZT) estructura cristalina del PZT

26. Sensores Generadores - Piezoeléctricos • Efecto reversible  aplicación de un potencial a un material piezoeléctrico aparece una deformación.

27. Sensores Generadores - Piezoeléctricos • Material no piezoeléctrico S deformación, s inverso del módulo de Young y T esfuerzo mecánico (F/A) D densidad del campo eléctrico, ε constante dieléctrica y E campo eléctrico.

28. Sensores Generadores - Piezoeléctricos • Material piezoeléctrico d constante piezoeléctrica → relaciona la deformación con el campo eléctrico.

29. Sensores Generadores - Piezoeléctricos • Relación entre la fuerza y la intensidad que circula entre los electrodos de un material piezoeléctrico Modelo equivalente RLC

30. Sensores Generadores - Piezoeléctricos • Conexión de los terminales en el circuito equivalente → la capacidad piezoeléctrica Cp es mayor que la medible • Conexión de una carga Z al cristal piezoléctrico

31. Sensores Generadores - Piezoeléctricos Limitaciones de utilización • No utilizables en continua porque la resistencia del material piezoeléctrico no es infinita y la carga tiende a perderse. • Debe ser utilizado por debajo de la frecuencia de resonancia magnética para evitar un pico de resonancia fuerte. • La temperatura de utilización debe ser inferior a la de Curie → por encima todos los materiales dejan de ser piezoeléctricos. • Coeficientes piezoeléctricos son dependientes de la temperatura.

32. Sensores Generadores – Sensores Fotovoltáicos Efecto fotovoltaico cuando el efecto fotoeléctrico se da en una unión p-n se obtiene una corriente eléctrica que es función de la radiación incidente. Dispositivos basados en el efecto fotovoltaico • fotodiodo • fototransistor

33. Sensores Generadores – Sensores Fotovoltáicos • Fotodiodos

34. Sensores Generadores – Sensores Fotovoltáicos

35. Sensores Generadores – Sensores Fotovoltáicos • Curva de respuesta de un fotodiodo

36. Sensores Generadores – Sensores Fotovoltáicos • Modelo simplificado para un fotodiodo

37. Sensores Generadores – Sensores Fotovoltáicos • Tiempo de respuesta de un fotodiodo

38. Sensores Generadores – Sensores Fotovoltáicos Factores que afectan a la medida en un fotodiodo: • Longitud de onda de la radiación y respuesta espectral del material sensor. • Temperatura (ruido térmico). • Área: mejor señal ruido y peor tiempo de respuesta.

39. Sensores Generadores – Sensores Fotovoltáicos Aplicaciones de los fotodiodos: • Control de iluminación y brillo. • Control remoto por infrarrojos. • Enfoque automático y control de exposición en cámaras. • Codificadores de posición. • Medidas de distancia, espesor, transparencia. • Detectores de proximidad y presencia.

40. Sensores Generadores – Sensores Fotovoltáicos • Fototransistor

41. Sensores Generadores – Sensores Fotovoltáicos • Curva características de un fototransistor en función de la intensidad de luz incidente

42. Sensores Generadores – Sensores Fotovoltáicos • Circuito de acondicionamiento básico como interruptor electrónico

43. Sensores Generadores – Sensores Fotovoltáicos • Aplicación de los fotodiodos/fototransistor como sistema de medida óptico

44. Sensores Generadores – Sensores Fotovoltáicos • Aplicación de los fotodiodos/fototransitores como detectores de proximidad

45. Sensores digitales de posición - Incrementales El elemento consta de zonas con una propiedad que las diferencia y dispuestas equidistantes. ⇓ Un incremento en la posición  cambio en el sistema que detecta la propiedad cambiante y que está situado en un cabezal fijo. Constan de un disco o elemento lineal con poca inercia unido a la pieza móvil.

46. Sensores digitales de posición - Incrementales • Si el elemento es angular se cumple que la resolución del sensor medida como número de puntos es: • D = diámetro • X = anchura de cada sector

47. Sensores digitales de posición - Incrementales • Son sensores muy simples pero poseen los siguientes inconvenientes: • Se pierde la información sobre la posición si se corta la alimentación o se desconecta. • No se detecta el sentido si no existe un dispositivo adicional. • Necesidad de un contador para la interconexión con un computador.

48. Sensores digitales de posición - Incrementales Codificadores ópticos Resolución 100-6000 cuentas/vuelta. • Zonas opacas y transparentes  un emisor LED a un lado y un fotodetector en el otro lado.

49. Sensores digitales de posición - Incrementales • Zonas reflectantes y no reflectantes  emisor y fotodetector en el mismo lado.

50. Sensores digitales de posición - Incrementales • Detección del sentido de giro o desplazamiento mediante dos señales desfasadas.