TEMA 5: SENSORES Y TRANSDUCTORES

1. TEMA 5: SENSORES Y TRANSDUCTORES

2. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Sistemas electrónicos de medida y regulación • Sensores y transductores • Sensores de posición, distancia y desplazamiento • Sensores de temperatura • Sensores de velocidad • Sensores de presión • Sensores de proximidad • Reguladores • Preaccionadores y actuadores • Distintas tecnologías

3. Variables de perturbación Entradas Salidas SISTEMA Variables de estado Sensores y transductores • Sistemas electrónicos de medida y regulación: Sistema: conjunto formado por una serie de elementos para realizar una función dada. Variable de entrada: son señales que llegan al sistema desde el exterior. Pueden ser variables o fijas Variable de salida: es la respuesta del sistema. Variables de perturbación: Son señales no deseadas y hay que tratar de minimizar sus efectos. Variables de estado: son el conjunto mínimo de variables del sistema capaces de definir de manera única al sistema, en el sentido que permita conocer la variable de salida para cualquier variable de entrada.

4. Sensores y transductores • Sistemas electrónicos de medida y regulación: Ejemplo: Si se desea posicionar una antena mediante un mando eléctrico, la variable de entrada sería la tensión eléctrica suministrada al motor de giro por un operador. Una variable de perturbación sería el viento que podría modificar la posición alcanzada. La variable de salida sería la posición de la antena y las variables de estado las distintas posiciones del potenciómetro para cada posición de la antena.

5. E S CONTROL PROCESO Comparador E S Control Proceso Realimentación Sensores y transductores • Sistemas de control continuo: Sistemas de cadena abierta: no existe vigilancia sobre la señal de salida. Problema: es incapaz de resolver los problemas causados por las posibles perturbaciones Sistema de cadena cerradao realimentada: recibe información desde la salida para determinar si ésta se ha ejecutado correctamente. Para ello, se establece una realimentación desde la salida hacia la entrada.

6. Detector de error Xc Xe S Xs Transductor de entrada Regulador Accionador Proceso Transductor de salida Realimentación Sensores y transductores • Sistemas de control continuo: Servosistema: sistema de cadena cerrada y entrada variable. Servomecanismo: servosistema en el que la salida es una magnitud física como posición, velocidad, temperatura, etc. La estructura general de un servosistema es el siguiente:

7. V Verr Vc Regulador Dinamo tacométrica Motor Sensores y transductores • Sistemas de control continuo: Ejemplo: Un ejemplo práctico de servomecanismo puede ser un regulador de velocidad de un motor.

8. Comparador Xe + Xs A - B Sensores y transductores • Sistemas de control continuo: • Función de transferencia: FDT FDT total: relaciona la señal de salida con la entrada. Indica la estabilidad del sistema. FDT de error: relaciona la señal de error con la señal de entrada. Se utiliza para determinar la precisión de un servosistema. FDT de lazo abierto: es la función de transferencia que se obtiene si al lazo cerrado se le desconecta la red de realimentación.

9. Xe Ordenador Xc Proceso Xs Xr Realimentación Sensores y transductores • Sistemas de control por ordenador:CPC Consiste en la introducción de un ordenador como elemento constituyente del sistema de control. De los elementos que componen un servosistema, el más importante era el regulador, ya que determinada muchas de las características del sistema. Se empieza a utilizar un ordenador como elemento regulador de control. Este hecho da lugar a las técnicas de análisis y diseño de sistemas de control digital, también denominadas sistemas muestreados o discretos de control.

10. Xe Vin Ordenador Vcn Ve(t) Proceso Vs(t) A/D D/A Vr(t) Realimentación D/A Sensores y transductores • Sistemas de control por ordenador:CPC El ordenador asume la función del comparador y del regulador analógico. La distinta naturaleza de las señales implica que debe existir otro bloque más, capaz de realizar la conversión entre ambos tipos de señales. Estos bloques están implementados físicamente por los convertidores analógicos-digitales (A/D) o digital-analógico (D/A). A estos bloques también se les denomina interfaces.

11. Sensores y transductores • Sistemas de control por ordenador:CPC • Ventajas: • Mayor calidad: se pueden obtener señales de control muy complejas a partir de las señales de error, sin necesidad de cambiar ningún elemento del sistema. • Mayor exactitud: esto se debe a la mayor capacidad de cálculo del ordenador. • Control múltiple: Un mismo elemento puede ser utilizado para realizar el control de varios procesos simultáneamente. • Mayor versatilidad del sistema: se puede cambiar la acción de control sin más que cambiar el programa en ejecución. • Acciones complementarias: es posible realizar una serie de acciones complementarias como visualización instantánea de todas las variables de proceso, presentación, análisis estadístico, simulaciones, etc.

12. Sensores y transductores • Sistemas de control por ordenador:CPC • Inconveniente: • Seguridad de funcionamiento. Es habitual que un mismo ordenador realice esta función para distintos procesos, por lo que una avería del mismo, dejará todo el sistema paralizado. Suele aumentarse la seguridad duplicando o triplicando la alimentación, la programación, etc.

13. BY-PASS Comparador Ver(t) Proceso Regulador Xe Vin Ordenador Ven A/D D/A Vr(t) Realimentación D/A Sensores y transductores • Sistemas de control por ordenador:CPC • Para evitar este problema se ha desarrollado el control analógico-digital o control de punto de referencia (DAC). • El ordenador está encargado únicamente de la generación de las señales de referencia. Estas señales actúan sobre comparadores de control continuo, que junto con los reguladores mantienen íntegro el concepto de control continuo. Para asegurar su funcionamiento, se realiza la conexión directa (by-pass) de las variables de entrada al comparador.

14. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Sistemas electrónicos de medida y regulación • Sensores y transductores • Sensores de posición, distancia y desplazamiento • Sensores de temperatura • Sensores de velocidad • Sensores de presión • Sensores de proximidad • Reguladores • Preaccionadores y actuadores • Distintas tecnologías

15. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Sensores y transductores • El transductor es un dispositivo que convierte una señal de una forma física determinada en otra señal de forma física diferente. Es un dispositivo que convierte un tipo de energía en otro. • El sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transducible, que es función de la variable medida.

16. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Sensores y transductores • El transductor es un dispositivo que convierte una señal de una forma física determinada en otra señal de forma física diferente. Es un dispositivo que convierte un tipo de energía en otro. • El sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transducible, que es función de la variable medida.

17. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Sensores y transductores • El transductor es un dispositivo que convierte una señal de una forma física determinada en otra señal de forma física diferente. Es un dispositivo que convierte un tipo de energía en otro. • El sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transducible, que es función de la variable medida.

18. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Clasificación: • Señal de salida. Puede ser analógica o digital. En los analógicos, la información variará de forma continua, la información está en la amplitud (por ejemplo un potenciómetro). En una salida digital, la salida variará de forma discreta y hará que la transmisión de su salida sea más fácil (por ejemplo un codificador de posición). • Parámetro variable. Resistencia, capacidad, inductancia, añadiendo luego los sensores generadores de tensión, carga o corriente, y así se hablará de sensores de tipo resistivo, inductivo, capacitivo, etc. • Magnitud medida. Se habla así de sensores de posición, distancia, desplazamiento, temperatura, presión, fuerza, velocidad y presencia. Esta clasificación permite escoger el dispositivo correcto dentro de un sistema de control.

19. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Elección de un sensor: • Magnitud a medir: conociendo cuál ha de ser el margen de medida, la exactitud deseada, la estabilidad, el tiempo de respuesta y las magnitudes que pueden interferir. • Características de alimentación: tensión, corriente, potencia disponible, frecuencia (si es alterna), estabilidad. • Características ambientales: teniendo en cuenta los márgenes del fabricante. • Otros factores: vida media, coste de fabricación, coste de mantenimiento, tiempo de instalación, situación en caso de fallo.

20. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Sistemas electrónicos de medida y regulación • Sensores y transductores • Sensores de posición, distancia y desplazamiento • Sensores de temperatura • Sensores de velocidad • Sensores de presión • Sensores de proximidad • Reguladores • Preaccionadores y actuadores • Distintas tecnologías

21. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Sensores de posición, distancia y desplazamiento • Medida de grandes distancias: radar • Medida de distancias cortas: ultrasonidos • Medida de pequeños desplazamientos: • Sensores de tipo resistivo: • Potenciómetro • Galgas extensiométricas • Sensores de tipo inductivo • Sensores de tipo capacitivo • Medida de ángulos • Sensores inductivos: resolver • Sensores digitales: • Codificadores incrementales • Codificadores absolutos

22. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Medida de grandes distancias: radar • Miden señales a distancias entre 100 metros y 10 Kilómetros. • El radar es básicamente un transmisor de radiaciones electromagnéticas a frecuencia muy elevada (5-20KHz) generadas por un oscilador modular a impulsos. • Estas radiaciones son emitidas por una antena y un receptor amplifica los ecos recibidos del objeto cuya distancia se desea medir. • Esta distancia se puede calcular como: • El tiempo es de ida y vuelta, por tanto hay que dividirlo entre dos.

23. Transmisor Generador de pulsos Contador Q S Receptor Detector R Display Objeto SENSORES Y TRANSDUCTORES • Medida de distancias cortas: ultrasonidos • Sensores que miden distancias entre 1 centímetro y 10 metros • Los ultrasonidos son radiaciones mecánicas de frecuencia superior a las audibles (20KHz). Toda radiación, al incidir sobre un objeto, en parte se refleja, en parte se transmite y en parte es absorbida.

24. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Medida de pequeños desplazamientos: • Sensores de tipo resistivo: • Potenciómetro • Galgas extensiométricas • Sensores de tipo inductivo • Sensores de tipo capacitivo

25. R x l Medida de pequeños desplazamientos • Sensores de tipo resistivo: • Potenciómetro: • Galgas extensiométricas:

26. Medida de pequeños desplazamientos • Sensores de tipo inductivo: Consiste en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de los dos secundarios al desplazarse a lo largo de su interior un material ferromagnético, arrastrado por un vástago no ferromagnético, unido a la pieza, cuyo movimiento se desea medir.

27. Placas móviles Placas fijas Medida de pequeños desplazamientos • Sensores de tipo capacitivo: Están formado por dos condensadores variables dispuestos físicamente de tal modo que experimentan el mismo cambio pero en sentidos opuestos. Los sensores capacitivos diferenciales se emplean para medir desplazamientos entre 10 y10mm, con valores de capacidad del orden de 1 a 1000pF

28. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Sensores de posición, distancia y desplazamiento • Medida de grandes distancias: radar • Medida de distancias cortas: ultrasonidos • Medida de pequeños desplazamientos: • Sensores de tipo resistivo: • Potenciómetro • Galgas extensiométricas • Sensores de tipo inductivo • Sensores de tipo capacitivo • Medida de ángulos • Sensores inductivos: resolver • Sensores digitales: • Codificadores incrementales • Codificadores absolutos

29. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Medida de ángulos • Sensores inductivos: resolver • Sensores digitales: • Codificadores incrementales • Codificadores absolutos

30. Medida de ángulos • Sensores inductivos: resolver El giro de la bobina móvil hace que el acoplamiento con las bobinas fijas varíe, consiguiendo que la señal resultante en éstas dependa del seno del ángulo de giro

31. Medida de ángulos • Sensores inductivos: resolver La bobina móvil excitada con tensión V sen(wt) y girada un ángulo Ø induce en las bobinas fijas situadas en cuadratura las siguientes tensiones: V1 = V sen(wt) sen ØV2 = V sen(wt) cos Ø

32. Sectores equidistantes Cabezal de lectura fijo Eje Regla giro Disco Desplazamiento lineal Acoplamiento Medida de ángulos • Sensores digitales: • Codificadores incrementales • Codificadores absolutos: El disco se divide en un número de sectores (potencia de 2) codificándose cada uno de ellos con un código binario

33. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Sistemas electrónicos de medida y regulación • Sensores y transductores • Sensores de posición, distancia y desplazamiento • Sensores de temperatura • Sensores de velocidad • Sensores de presión • Sensores de proximidad • Reguladores • Preaccionadores y actuadores • Distintas tecnologías

34. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Sensores de temperatura • Sensores resistivos • RTD • Termistores • Sensores termoeléctricos • Efecto Seebeck • Efecto Thomson • Efecto Peltier

35. Sensores de temperatura • Sensores resistivos • RTD:(Resistance Temperatura Dependent). Detectores de temperatura basados en la variación de su resistencia eléctrica. La resistencia aumenta con la temperatura. La dependencia se expresa mediante: • Termistores:A diferencia de las RTD, que están basadas en conductores, los termistores se basan en semiconductores. Si su coeficiente de temperatura es negativo, se denominan NTC (Negative Temperature Coeficient), mientas que si es positivo se denominan PTC (Positive Temperature Coefficient )

36. +V Amplificador B A 37 Sensores de temperatura • Sensores resistivos: • Los termistores tienen numerosas aplicaciones; entre ellas se propone un termómetro digital. El sistema de control se basa en que la tensión entre los puntos A y B del puente de Wheatstone variará en función del NTC.

37. A A T+T T+T T T B B A Absorbe calor Cede calor T-T T+T B Sensores de temperatura • Sensores termoeléctricos • Efecto Seebeck • Efecto Thomson • Efecto Peltier Efecto Seebeck en un termopar: aparece una corriente o una diferencia de potencial cuando hay dos uniones a diferente temperatura. Efecto Peltier: al hacer circular corriente por un circuito de termopares, una unión se enfría y la otra se calienta.

38. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Sistemas electrónicos de medida y regulación • Sensores y transductores • Sensores de posición, distancia y desplazamiento • Sensores de temperatura • Sensores de velocidad • Sensores de presión • Sensores de proximidad • Reguladores • Preaccionadores y actuadores • Distintas tecnologías

39. SENSORES Y TRANSDUCTORES a partir de un codificador incremental obtiene m impulsos por cada vuelta. Si se contabilizan N impulsos durante un intervalo T, la velocidad angular es: • Sensores de velocidad: • De tipo digital (tacómetro): • Por ultrasonidos: Efecto Doopler

40. Móvil ft Transmisor fr ft fr Mezclador Filtro paso alto Contador Base de tiempos Sensores de velocidad • Por ultrasonidos: Efecto Doopler Diseño en bloque de un radar de tráfico.

41. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Sistemas electrónicos de medida y regulación • Sensores y transductores • Sensores de posición, distancia y desplazamiento • Sensores de temperatura • Sensores de velocidad • Sensores de presión • Sensores de proximidad • Reguladores • Preaccionadores y actuadores • Distintas tecnologías

42. Potenciómetro Presión baja Tubo Bourdon Presión alta +V- SENSORES Y TRANSDUCTORES • Sensores de presión: • Tubo Bourdon • Piezoeléctricos: El efecto piezoeléctrico descubierto en 1881 por Jacques y Pierre Curie, es un efecto que consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformase bajo la acción de un esfuerzo. Materiales piezoeléctricos naturales: cuarzo y la turmalina. Sustancias sintéticas: cerámicas. Tubo metálico de sección transversal no circular, obtenido a base de aplanar un tubo de sección circular, que tiende a recuperara dicha forma cuando se aplica una diferencia de presión entre el interior y el exterior. La señal eléctrica se obtiene mediante un sensor de desplazamiento.

43. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Sistemas electrónicos de medida y regulación • Sensores y transductores • Sensores de posición, distancia y desplazamiento • Sensores de temperatura • Sensores de velocidad • Sensores de presión • Sensores de proximidad • Reguladores • Preaccionadores y actuadores • Distintas tecnologías

44. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Sensores de proximidad: • Sensores de tipo resistivo • Sensores de tipo inductivo: • Sensores de tipo óptico

45. Vcc Vcc Relé R1 R2 LDR V Sensores de proximidad • Sensores de tipo resistivo: Fotorresistencias LDR. Las siglas inglesas corresponden a Light Dependent Resistor. Están basadas en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda entre 1mm y 10nm).

46. Sensores de proximidad • Sensores de tipo inductivo: Basados en el fecto Hall: cuando por un conductor circula corriente y se le aplica un campo magnético en dirección perpendicular a ésta, aparece una diferencia de potencial transversal. A la tensión obtenida se le denomina tensión Hall, y depende del grosor t del material en la dirección del campo magnético aplicado, de la corriente primaria I, del campo magnético aplicado B y de las propiedades eléctricas del material, recogidas en el coeficiente A. Estos parámetros se relacionan mediante la expresión:

47. Sensores de proximidad • Sensores de tipo inductivo:

48. Sensores de proximidad • Sensores de tipo inductivo: Sensores basados en un cambio de inductancia debido a la presencia de un objeto metálico

49. Sensores de proximidad • Sensores de tipo óptico: • Sensores basados en el efecto fotovoltaico  fotodiodos. Se basan en el efecto fotovoltaico (generación de un potencial cuando una radiación ioniza una zona donde hay una barrera de potencial). Así, según sea la radiación incidente, se produce un cambio en el potencial de contacto de la unión p-n o en la corriente de cortocircuito. • Utilizados como detectores de presencia, se basan en la interrupción del haz de luz por parte del objeto. Tienen un alcance de hasta 50m en condiciones ideales, pero puede verse disminuido este alcance si hay humo, polvo o si se acumulan partículas contaminantes sobres las partes ópticas.

50. SENSORES Y TRANSDUCTORES • Sistemas electrónicos de medida y regulación • Sensores y transductores • Sensores de posición, distancia y desplazamiento • Sensores de temperatura • Sensores de velocidad • Sensores de presión • Sensores de proximidad • Reguladores • Preaccionadores y actuadores • Distintas tecnologías