Introducción a la Electrónica

1. Introducción a la Electrónica SENSORES Introducción a la Electrónica - 2008

2. Que es un sensor? • Un sensor es un dispositivo que convierte un fenómeno físico a un senal medible (tensión, corriente) Temperatura Presión Posición Intensidad de luz sonido Fuerza, tensión Tensión Corriente Introducción a la Electrónica 2008

3. Caracterización de sensores • Accuracy: Es la máxima difrerencia entre el valor indicado y el valor real • Resolución – Es el minimo incremento que el sensor puede detectar. • Repetitividad: La medida de un mismo valor es realizada y repetida con pequena • Linealidad • Precision – Se considera la resolución, precisión y repetitividad. • Rango - es el valor limit que el sensor puede • Respuesta dinamica: es el rango de frecuencia que un sensor puede operar (ej. Oido humano 10Hz-16 Khz) • Lugar de aplicación: existen sensores que no pueden operar en condiciones ambientales severas. • Calibración • Costo Introducción a la Electrónica 2008

4. Sensor de desplazamiento angular El potenciometro Introducción a la Electrónica 2008

5. El potenciometro Conectado como divisor de voltaje, entrega una tensión proporcional a su posición angular Introducción a la Electrónica 2008

6. Sensor de posición angular Disco ranurado Puede medir posición relativa y/o posición absoluta. Introducción a la Electrónica 2008

7. Posición lineal Potenciometro lineal (similares a los utilizados en equalizadores de equipos de audio) Introducción a la Electrónica 2008

8. Posición lineal • Transformador variable diferencial linear (LDVT) diferencial Se aplica una tensión alterna, y la tensión inducida en cada bobinado secundario dependera de la posición del nucleo magnetico Nucleo movil Introducción a la Electrónica 2008

9. Sensores de fuerza y momento • Strain gauges: miden fuerza sobre un material midiendo la variación de su resistencia Introducción a la Electrónica 2008

10. Strain gauges Gauge factor Introducción a la Electrónica 2008

11. Circuito de medición • Puente de Weasthone: La variación de resistencia es muy pequena. El uso del puente de Weasthone permite medir estas pequenas variaciones R2 se ajusta para obtener V0=0volts. El valor de la Rstrain se puede calcular con Introducción a la Electrónica 2008

12. Sensor piezoeléctrico Un cristal al ser sometido a una presión desplaza una pequena cantidad de carga. Efecto piezoelectrico Otras aplicaciones: microfonos, parlantes Introducción a la Electrónica 2008

13. Sensado de temperatura • Termistores • Resistencias NTC (coeficiente negativo de temperatura) . (ver NTC_20....pdf) • Resistencias PTC (coeficiente positivo de temperatura) . • RTD: resistive temperature detectors • Termocuplas • Circuitos integrados Introducción a la Electrónica 2008

14. Termistores • Son elementos cuya resistencia varia con la temperatura. • Estos dispositivos son muy sensibles a la variación de temperatura. • Su respuesta es no-lineal. Introducción a la Electrónica 2008

15. Termistores • Self-heating Parámetros importantes • Resistencia a T=25grados. • Coeficiente de disipación térmica Introducción a la Electrónica 2008

16. RTD • Resistive temperature detector: cuando un metal es calentado su resistencia se incrementa. R=función(T) RTD de platino (PT100) Introducción a la Electrónica 2008

17. RTD Introducción a la Electrónica 2008

18. Termocuplas • Efecto Seebeck: Un gradiente de temperatura a lo largo de un conductor crea una fuerza electromotriz. • Si dos conductores de metales diferentes son unidos en un punto, una FEM es creada en los terminales abiertos. Esta tensión es dependiente de las temperaturas T1 y T2. Introducción a la Electrónica 2008

19. Termocuplas Introducción a la Electrónica 2008

20. Compensación juntura fria En lugar de mantener la juntura de referencia a un temperatura conocida o medirse esta temperatura Compensar las variaciones de la tensión generada en la juntura de referencia, insertando en el circuito de medición una tensión de variación igual y opuesta a esta tensión. Introducción a la Electrónica 2008

21. Tipos de termocuplas Introducción a la Electrónica 2008

22. Termocuplas Introducción a la Electrónica 2008

23. Conexión de termocuplas Conexión directa a un instrumento Puede generarse una juntura adicional, agregando un cable de cobre a la salida del instrumento (juntura Cu-Cu en el borne, que no genera potencial), y desplazar la juntura de conexión al instrumento fuera del borne (juntura que se llamará de referencia). Al insertar un voltímetro en el circuito para efectuar la medición, aparecen nuevas junturas en la conexión entre el voltímetro y la termocupla. Introducción a la Electrónica 2008

24. Sensores de estado solido • Dos diodos idénticos a la misma temperatura LM335 Rango Temp: -40 a 100 grados Introducción a la Electrónica 2008

25. Sensores de Temperatura Introducción a la Electrónica 2008

26. Sensores de nivel • Capacitor de placas paralelas La capacidad depende de la distancia entre placas, la constante dielectrica del material entre placas y la sección de las placas. Introducción a la Electrónica 2008

27. Sensores de nivel • Medición de nivel en materiales no conductores Las constantes dialectricas del liquido y el aire son conocidas. La sección de las placas se mantiene constante La capacidad es función del nivel del liquido La capacidad en forma aproximada esta definida como Introducción a la Electrónica 2008

28. Fotocelulas (LDR) • LDR ( resistencia variable por iluminación) Son dispositivos que varían su resistencia con el nivel de iluminación • Nivel de iluminación (en lux) • Una lampara de 60 watts a 1 metro de distancia – 50 lux • Luz de luna – 0.1 Lux • Luz de sol - 30000 Lux • Tubo fluorescente – 500 Lux Introducción a la Electrónica 2008

29. LDRs Respuesta espectral Mayor nivel de iluminación, menor resistencia Introducción a la Electrónica 2008

30. LDRs - Aplicaciones Introducción a la Electrónica 2008

31. LDRs - Aplicaciones Introducción a la Electrónica 2008

32. LDRs - Aplicaciones Introducción a la Electrónica 2008

33. Adquisición de datos Conversión A/D Acondicionamiento de senal SENSOR Dato en formato digital Variable eléctrica (tensión, corriente, resistencia, capacidad) Tension Variable física • Procesamiento de datos • Almacenamiento • Visualización Introducción a la Electrónica 2008

34. Acondicionamiento de señales Introducción a la Electrónica 2008

35. Acondicionamiento de senal AMPLIFICACIÓN: La senal generada por los sensores es de baja magnitud. Esta debe ser amplificada antes de ser transmitidas. FILTRADO: Filtros deben ser incluidos para eliminar interferencias no deseadas ( ruido de línea 50/60 Hz,…) FILTRADO ANTIALIASING: tambien se utilizan filtros para eliminar las componenes de alta frecuencia de la senal. Ver Teorema de Nyquist. AISLAMIENTO: se utiliza para separar la fuente de senal (sensor) del dispositivo medidor (aislamiento por transformador, óptico, capacitivo) MULTIPLEXADO: Senales provenientes de diferentes sensores pueden ser procesadas por un único conversor. Introducción a la Electrónica 2008

36. Acond. de senal: termpocuplas • Hardware: se adiciona una tensión de desplazamiento de signo contrario. • Software: • Se mide la temperatura de la juntura de referencia y se calculá la tensión equivalente de la termocupla a esa temperatura utilizando tablas de temperatura o polinomios. • Se mide el voltaje de salida de la termocupla y se le suma el voltaje de la juntura de referencia calculado en el paso 1. • El voltaje resultante es convertido a temperatura utilizando polinomios o tablas.. Introducción a la Electrónica 2008

37. Acondicionamiento de senal Conexionado de RTD con 2 y 4 cables La tensión medida es afectada por la resistencia del cableado La tensión medida NO es afectada por la resistencia del cableado Desventaja: MAS COSTOSO. Necesito un conductor de 4 hilos. Introducción a la Electrónica 2008

38. Senales de corriente • Algunos sensores utilizados en control de procesos aplicaciones de monitoreo generán una senal de 4 to 20 mA or 0 to 20 mA. • Menos sensible al ruido y caida de tensión en el cableado. • El sistema de acondicionamiento de senal debe convertir la senal de corriente a tensión Ejemplo: Medidor de temperatura Introducción a la Electrónica 2008

39. Conversión corriente-tensión La senal de corriente del sensor de 0-20mA es convertida a 0-10volts Introducción a la Electrónica 2008

40. Amplificación Requerimientos • Elevada impedancia de entrada • Elevada ganancia diferencial • Elevado rechazo de senal en modo común (RRMC) Introducción a la Electrónica 2008

41. Amplificador de instrumentación Introducción a la Electrónica 2008

42. Adquisición de datos 0 1 0 0 . . 1 Filtro anti-aliasing Sample & hold Cuantización Palabra digital senal analógica acondicionada Respuesta filtro anialiasing Criterio de Nyquist: una senal debe ser muestreada al doble de su máxima componente de frecuencia Espectro entrada fmin fmax frecuencia Introducción a la Electrónica 2008