Source: https://www.scribd.com/doc/44099188/3838277-sensores-varios-tipos
Timestamp: 2016-07-25 18:31:01+00:00

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. 57 15...............................................................................................3 Categorias de los Amplificadores.......................................2.......................................1 Sensor de Corriente Inductivo.......................................1 Acondicionador de Señal de un Shunt .............................1..........5 Procesado y compresión de video ................ 51 9.................................................................................................................................................1 CCD (Charge-Coupled Device) ............. 59
......... 53 11...................................3 Formatos de los sensores de imagen ............. Sensores de Luz ............................................................................................................... Sensores de Humo .............. 50 9........1 Fotodiodos........................... 39 6.......................................................................................................................1................8....................................1........................................1 Medición de la Aceleración ..2 Sensores de Imagen................2....................2........................................................................................................................ 40 6................................ 39 6.............1........................................... 56 14................4 Giróscopos monolíticos........2............................................................................................................................... 43 8.. 49 9.............. 50 9................... 46 8.... Acondicionadores ......................... 42 6...........2 Amplificador Operacional “Real” ............................................................ Sensores de Corriente Eléctrica ............................1..........................5 Otros Desarrollos .................................................... Sensores de Gases............................... 43 6.........................................................................Procesadores 5............................... 56 14........................................3 Encoders ópticos ..................................................................................................................................1.........5 Medición de Energía .................................................................... 54 12...................................1 Consideraciones sobres los Amplificadores Operacionales: .................................... Procesadores en un sistema de adquisición de señal ................................... 56 14...... 51 9...................................................................................................2 Foto interruptores reflectivos ................... 41 6...............1 Amplificador Operacional “Ideal” ......................................................................................... 45 8..................... 45 8..........................................................................................................................................2 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) ......................8.....................................................4................................. 51 9.3 Medida inercial de la velocidad y la posición ......................... 51 10....................................................................................................................................................................................................................................................................................Sensores – Acondicionadores .............................................................................1 Medida de la velocidad angular ........................................................................................... 38 5.. 55 14................................... 38 6 Sensores de Movimiento (Posición...................................................................................................... Velocidad y Aceleración) ...........................................................4 Otras Aplicaciones . 41 6.................... 45 8........................................................ Sensores de Conductividad................................................ 45 8..................................................................................................................................................................................2 Medida de Inclinación......................... 39 6........................................................................................................................... 54 13..3 Sensores de corriente por campo magnético .......... 46 8...1 Acelerómetros Capacitivos ........................................ 50 9..................................................................................................................... 48 8............................................................................................... 42 6................2 Selección de la Resistencia Sensor de Corriente (Shunt) ...............................2....................................................3 Funcionamiento del sensor micromecanizado................................................................................................................... 58 DSP .......3 Fabricantes de sensores de imagen....................................... 58 Microcontroladores: .....................2 Sensor de Corriente Resistivo ................................................1........................................................................4 Bobina Rogowsky ............2........ 51 9...........................................................................................................................................................................2........ 56 14............................................................................................................................................... Sensores Biométricos ...............
para poder medir magnitudes físicas. fuerte o flojo.Sensores – Acondicionadores .. 1. ya normalmente los sensores ofrecen una variación de señal muy pequeña y es muy importante equilibrar las características del sensor con las del circuito que le permite medir.
. Hay que remarcar que dicha recopilación se ha centrado en los productos que distribuye SILICA. Pero no se puede hablar de los sensores sin sus acondicionadores de señal. El hombre experimenta sensaciones como calor o frío. agradable o desagradable.Procesadores
Un sensor es cualquier dispositivo que detecta una determinada acción externa. Además los sensores pueden ser activos o pasivos. así como su evolución. pero se pueden distinguir las siguientes definiciones: • Sensor: Es un dispositivo que recibe una señal o estímulo y responde con una señal eléctrica. caliente. fresco. o Sensor activo: Es un sensor que requiere una fuente externa de excitación como las RTD o células de carga. que día a día ha ido necesitando el empleo de magnitudes medibles más exactas. tórrido. • Transductor: Es un convertidor de un tipo de energía a otra.1 Tipos de Sensores Existe una gran cantidad de sensores en el mercado. por lo que hay que consultar en cada momento el estado actual de los mismos. Sensores Electrónicos
Los sensores electrónicos han ayudado no solo a medir con mayor exactitud las magnitudes. Y poco a poco le ha ido añadiendo adjetivos a estas sensaciones para cuantificarlas como frígido. Los sensores existen desde siempre. acondicionar.. procesar y actuar con dichas medidas. sino a poder operar con dichas medidas.
1. Este trabajo pretende hacer una recopilación de los sensores. de los que se pueden enumerar los siguientes: ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Temperatura Humedad Presión Posición Movimiento Caudal Luz Imagen Corriente Conductividad ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Resistividad Biométricos Acústicos Imagen Aceleración Velocidad Inclinación Químicos . tibio. acondicionadores y procesadores actuales. Por supuesto. pesado o no. la rápida evolución de estos componentes hace que este trabajo nunca esté al día ni terminado. duro o blando.2 Terminología En general se habla de sensores. templado. porque el hombre los tiene incluidos en su cuerpo y de diferentes tipos. y nunca mejor dicho. o Sensor pasivo: Es un sensor que no requiere una fuente externa de excitación como los termopares o fotodiodos.
pasando por filtros o por procesadores analógicos. Por lo que se tendrán que ver las nuevas tecnologías de adaptación de estos sensores que como parte de una cadena de dispositivos.
. forman un sistema.3 Acondicionadores y Procesadores de señal No se puede hablar de los sensores.
Durante la descripción de los diferentes tipos de sensores se irán viendo los circuitos más apropiados que forman parte de esta cadena. como acondicionadores de señal. sin ver como se pueden adaptar a un sistema de adquisición y control. como componentes electrónicos básicos. Estos adaptadores. son los amplificadores operacionales en sus diferentes estructuras de montaje. convirtiendo estas señales de analógico a digital para posteriormente ser procesados los datos con un DSP o Microcontrolador y actuando por medio de las salidas lógicas del procesador o por medio de un convertidor digital a analógico.Sensores – Acondicionadores .Procesadores 1.
2. pero es medida cuidadosamente por algún tipo de termómetro absoluto. tienen una estabilidad bastante buena a lo largo del tiempo. este voltaje se añade al voltaje del termopar y entonces la suma corresponde al voltaje normal tabulado para un termopar de referencia de punto de hielo.
. 3.3 Sensores de Temperatura con Termopares Los termopares son baratos y robustos.2 Tipos de Sensores de Temperatura 1. Simplemente. dan una diferencia de potencial que es una función repetible de la temperatura. Semiconductores: Se basan en la variación de la conducción de una unión p-n polarizada directamente. El voltaje resultante depende de las temperaturas. de una manera repetible. Debido a su pequeño tamaño. debido a sus distintos comportamientos eléctricos. Funcionan sobre rangos de temperatura criogénos. están caracterizadas por un coeficiente de resistividad positivo PTC (Positive Termal Coefficient). en las aplicaciones prácticas donde los requisitos de exactitud no necesitan mantener las normas primeras. De todas maneras. También lo son las NTC (Negative Termal Coefficient).Sensores – Acondicionadores . hasta los dispositivos semiconductores más complejos. La temperatura de la unión de referencia se permite cambiar con el entorno del sistema de medida. como se muestra en la figura. Termopares: Los termopares utilizan la tensión generada en la unión de dos metales en contacto térmico. Resistivos: Lo constituyen las RTD (Resistance Temperature Detector) o PT100 basadas en la dependencia de la resistividad de un conductor con la temperatura. La diversidad de sus aplicaciones ha condicionado igualmente una gran proliferación de dispositivos sensores y transductores. ésta se ha de medir para incluir indirectamente su efecto en la medida deseada. Debido a que el número de electrones libres en un metal depende de la temperatura y de la composición del metal. Se puede usar una medida del voltaje del termopar combinada con una temperatura de referencia conocida para calcular la temperatura de la unión medida. Substitución de la Temperatura de Referencia para Referencia del Punto de Hielo. desde la sencilla unión bimetálica de los termostatos. Voltaje del termopar con Referencia a 0º C. Puesto que el termopar es básicamente un dispositivo de medida diferencial. 2. T1 y T2. Sin embargo. se usa una técnica de medida alternativa mostrada en la figura siguiente. tiene una linealidad y exactitud razonable. se necesita una temperatura de referencia conocida para una de las uniones. dos metales de desigual isotermo. Los termopares están fabricados de materiales especialmente seleccionados que se han caracterizado exhaustivamente en términos de voltaje con la temperatura de comparación.1 Introducción Probablemente sea la temperatura el parámetro físico más común que se mide en una aplicación electrónica.Procesadores
2. que normalmente es la del punto de agua/hielo de 0°C. responden rápidamente a los cambios de temperatura. en la practica se usa un método termoeléctrico para medir la temperatura de referencia y poner el voltaje de salida para que corresponda a un termopar referido a 0°C. que se llaman termistores y están caracterizadas por un coeficiente de temperatura negativo. 2. incluso en muchos casos en que el parámetro de interés no es la temperatura. así la temperatura de la otra unión será deducida del voltaje de salida. Sensores de Temperatura
para termopares tipo J que tienen un amplificador de instrumentación y un compensador lineal. AD594
Analog Devices dispone de unos circuitos integrados acondicionadores de señal para termopares. como el AD594. Material de la unión Rango Típico (ºC) Pt6%/Rodio – Pt(30%)/Rodio 38 a 1800 Tungsteno(5%)/Renio–Tungsteno(26%)/Renio 0 a 2300 Cromo. Acondicionador de señal de un termopar Analog Devices con la división denominada Iomation tiene una serie de acondicionadores de señal en forma de módulos híbridos y en concreto para termopares tiene el módulo 1B51 aislado para aplicaciones industriales. mostrado en la figura siguiente. su sensibilidad y la designación estándar. se alimenta a +5V y suministra una salida de 10mV/ºC.
2. aunque el hecho de ser predecible y repetible.7 16 76 55 39 11. Además.
El hecho de que los termopares sean dispositivos de bajo nivel de tensión.Constantan -184 a 400 Sensibilidad (µV/ºC) 7.Procesadores En la tabla siguiente se muestra los distintos tipos de termopares con su rango típico.Sensores – Acondicionadores . una salida de alarma de rotura o desconexión del termopar.7 10. lo que permite que puedan ser compensados analógicamente y/o digitalmente.Constantan 0 a 982 Hierro – Constantan 0 a 760 Cromo – Aluminio -184 a 1260 Pt(13%)/Rodio – Pt 0 a 1593 Pt(10%)/Rodio – Pt 0 a 1538 Cobre.1 Acondicionadores de señal para Termopares. la linealidad en algunos tipos es pobre.4 45 Designación B C E J K R S T
En la figura siguiente se muestra la curva de algunos termopares con sus características eléctricas. hace que el acondicionador de señal sea totalmente imprescindible. a la vez que de baja impedancia. donde dan una solución completa.3.
que entrega una salida de 5mV/ºC cuando se utiliza una RTD de 1kΩ.Sensores – Acondicionadores . un amplificador de ganancia programable y un filtro digital. La primera propuesta de Analog Devices es con un amplificador de instrumentación y su circuitería adicional.38 0. Texas Instruments dispone de un completo acondicionador de RTD con un transmisor 4-20 mA. Típicamente tienen una resistencia entre 20Ω y 20kΩ. La ventaja más importante es que son lineales dentro del rango de temperatura entre –200ºC y 850ºC.
. Material Platino Níquel Cobre Níquel-acero Rango de temperatura (ºC) -200 a + 850 -80 a 320 -200 a +260 -200 a +260 Variación coef (%/ºC a 25ºC) 0.
La tercera propuesta es por medio de una familia de convertidores sigma-delta que incluyen acondicionan la señal de una RTD.2 Acondicionadores de señal para las RTD
Hay muchas maneras de acondicionar la señal que se recibe de una RTD. figura de la izquierda y la segunda propuesta algo similar con el circuito ADT70 perfectamente adecuado para acondicionar las PRTD de Pt. con una fuente de corriente de 400µA.Procesadores 2.1 RTD (Resistance Temperature Detector)
Los dispositivos RTD más comunes están construidos con una resistencia de platino (Pt).4.4 Sensores de Temperatura con elementos Resistivos
2. aunque también se utilizan otros materiales cuyas características se recogen en la tabla siguiente.67 0.4.46
La gráfica muestra la respuesta de la resistencia de la RTD con la temperatura y la comparativa respecto a un termopar tipo S. llamadas también PRTD.
2.39 0. disponen de una salida serie hacia un microcontrolador o DSP.
3 Termistores
Otros sensores resistivos mucho más económicos que las RTD son los termistores. El efecto de Coeficiente Negativo con la Temperatura puede resultar de un cambio externo de la temperatura ambiente o un calentamiento interno debido al efecto Joule de una corriente que fluye a través del termistor.Procesadores
. estos últimos son los más usados y se denominan NTC.4 NTC (Negative Termal Coefficient)
Los termistores NTC son resistencias sensibles a la temperatura. Ni. la familia AduC8xx que incluye todo un sistema completo de adquisición de precisión. así como un microcontrolador con memoria Flash que puede procesar y visualizar los datos. Fe y están moldeados en un cuerpo cerámico de varios tamaños.4.Sensores – Acondicionadores .4. como se muestra en el ejemplo con los Microconverters de Analog Devices. Cu. pueden tener un coeficiente de temperatura positivo o negativo. típicamente tienen una resistencia entre 50Ω y 1M Ω a 25ºC y una sensibilidad del 4%/ºC a 25ºC. están fabricados de una mezcla de óxidos de Mn.
Características más comunes de los Termistores o NTC y circuito de linealización.
Los termistores se pueden conectar directamente a la entrada de un convertidor A/D de un microcontrolador cualquiera para procesar la señal. aunque no son lineales son mucho más sensibles. La curva del termistor se puede linealizar con una resistencia montada en paralelo con la NTC.
Pero además de la variación con T. mantiene una fuerte dependencia de Isat con la temperatura. lo que la conveniente de la no linealidad. la tensión varía a razón de -2. Si se toman N transistores idénticos al primero sobre los que se reparte igualitariamente la misma corriente Ic. lo que hace que no sea directamente utilizable debido a la compleja forma de dependencia con la temperatura. se tendrá una tensión proporcional a la temperatura absoluta pero sin tener dependencia alguna con Isat. como se muestra en la figura siguiente.Procesadores 2. T = temperatura Isat = corriente de saturación. como lo será igualmente la caída de tensión sobre la resistencia R (que representa la diferencia entre V y Vn de las ecuaciones anteriores).
2. cuya corriente será proporcional a la temperatura absoluta. k = constante de Boltmann. Si se recuerda la ecuación característica de funcionamiento de un diodo. a corriente constante. Considerando el diodo formado por la unión base-emisor de un transistor bipolar. un espejo de corriente PNP y una resistencia estable con la temperatura.
.Sensores – Acondicionadores . De esta ecuación se desprende que. e inversa con la temperatura. I = Isat x eq/kT*V Donde : q = carga del electrón.4 PTC (Positive Temperature Coefficient) Los termistores PTC son resistencias que principalmente están compuestas de bario y estroncio con titanio. la corriente de conducción de una unión p-n polarizada directamente. aunque son muy poco utilizados.5 Sensores de Temperatura con Semiconductores Como anteriormente se ha mencionado. La adición de dopantes hace que la componente semiconductora dé una característica de resistencia con respecto a la temperatura.4. responde exponencialmente con la tensión de forma directa.2 mV por cada grado centígrado (ºC). puede construirse un circuito conteniendo N+1 transistores NPN.
Si se toma la tensión diferencia entre ambos conjuntos.
1 Sensores de Temperatura con Salida en Corriente
El circuito descrito en la figura anterior es la base del sensor de temperatura “band-gap”. No necesitan calibración alguna o ajuste externo. que son dispositivos de dos terminales cuya corriente de salida es proporcional a la temperatura. variando a razón de 1µA por cada ºK de variación y un offset de 273. Pero las fuentes de ruido también
Configuración básica del circuito sensor de temperatura AD590.2µA a una temperatura de 273. AD592 y AD2626 de Analog Devices. en el que se apoyan dispositivos tales como el AD590. tanto más cuanto más alejado se encuentre el sensor del circuito de amplificación. desacoplos en las alimentaciones. considerablemente pequeña. es dividida por una red de resistencias para fijar un offset de 273. La figura siguiente se muestra una aplicación típica para medir de -55 a +100ºC con una salida de 100mV/ºC. el AD524 es un amplificador de instrumentación con una ganancia de 10 con lo que el rango de salida se corresponde con una tensión de -5. Se deberá proteger cuidadosamente el diseño del circuito impreso (masas analógicas y digitales separadas.500V.2ºK (0ºC) en el caso del AD590. Los ruidos pueden afectar la medida y pueden proceder del propio circuito como los transitorios en la alimentación o ruidos digitales.). puede verse afectada por el ruido.5V a 10V (para temperaturas desde -55ºC a +100ºC con una resolución de 100mV/ºC).6. Esta tensión.Sensores – Acondicionadores .2mV para obtener la tensión de 0V a 0ºC (273ºK). de 2. La salida de la referencia de tensión AD580. pero para un rango de entrada de 10mV/ºC. etc.
debe hacerse de tal manera para no añadir efectos indeseados. No necesita calibración o ajuste externo asegurando una precisión mejor que 1ºC en todo el rango completo de trabajo. para que sea efectivo. la propia red eléctrica o incluso emisiones de radio (y ser “rectificadas” por el propio sensor que se comporta como una fuente de corriente de alta impedancia). que puede cuantificarse menor que 0. Los AD22100 y AD22103 con salida radiométrica con la tensión de alimentación.
2.1ºC sobre la temperatura ambiente.
b) Incorrecto Conexión del cable apantallado de un sensor. una buena solución puede ser el empleo de cables trenzados. proporcionan una salida digital serie con modulación de ancho de pulsos.
. Por regla general.Sensores – Acondicionadores . 100 mV corresponde a una temperatura de 10ºC y 1000mV corresponde a 100ºC. con lo que se eliminan los ruidos en modo diferencial o el uso de cable apantallado. Para reducir todas estas influencias externas. Estas fuentes de ruido pueden ser ruidos industriales.6. debidos a las tensiones generadas en los bucles de masa. las pantallas solo deben conectarse a masa en uno de los extremos. que puede funcionar a 3V e incorporan el terminal “shutdown” para dejar el dispositivo en muy bajo consumo. Así. lo que eliminan la necesidad de tensiones de alimentación altamente estables o de referencias de precisión cuando se emplea como entrada de un conversor A/D. La salida es directamente 10mV por grado. los circuitos de Analog Devices TMP03 con salida colector abierto y el TMP04 con salida lógica CMOS. es decir.2 Sensores de Temperatura con Salida en Tensión
El sensor más elemental que entrega directamente una tensión proporcional a la temperatura es el TMP35 de Analog Devices.3 Sensores de Temperatura con Salida Digital
La incorporación de dispositivos digitales integrados junto con el sensor reduce el número de componentes externos en las aplicaciones. Pero el apantallamiento. Su bajo consumo (menor que 150µA) elimina los efectos indeseados debidos al autocalentamiento.6.
Aplicación de los sensores radiométricos AD22100. PWM.Procesadores pueden ser externas y acoplarse o inducirse sobre el propio sensor o sobre el cable.
La construcción básica del chip sensor se muestra en la figura siguiente.Procesadores
Otros dispositivos sensores de temperatura pueden tener una salida I2C o pueden incorporar un convertidor A/D sigma-delta.
. Las propiedades de estos sensores de temperatura están basadas en el comportamiento estable del silicio.4 Sensores de Silicio con efecto Resistivo
La familia de sensores de temperatura de silicio de Infineon y Philips KTY son de alta exactitud.6.Sensores – Acondicionadores . son una alternativa a los sensores más convencionales basados en la tecnología NTC o PTC.
2. El montaje cónico de distribución de la corriente a través del cristal recibe el nombre de ‘resistencia extendida’. Esto significa que tienen un coeficiente de temperatura qué es casi constante en todo el rango de temperatura. La ventaja de este montaje es que se reduce la dependencia de la tolerancia de fabricación de las resistencias del sensor. Característica del KTY81. Esto significa que las derivas por la temperatura son despreciables durante la vida del equipo. lineales y con una excelente estabilidad a lo largo del tiempo. Los sensores de temperatura de silicio muestran una característica casi lineal comparada con la característica exponencial de las NTC. como el LM75 de Philips o el AD7415 de Analog Devices o su homologo con SPI el AD7314. Esta característica se puede utilizar cuando el sensor se usa como compensación de temperatura para un microprocesador con conversor de A/D integrado.
Polaridad: El tipo de montaje de dos sensores en serie. pero con polaridad opuesta. El voltaje en el sensor.
Circuito equivalente de los KTY. pero con polaridad opuesta. pero en algunas aplicaciones es necesario mejorar esta linealización. se ha aplicado en la serie KTY81/82. no tienen polaridad. con lo que hay que respetar la polaridad del sensor. como en sistemas de control que requieren una alta exactitud. La resistencia de la combinación en paralelo (RP.
. Este montaje es para corrientes altas y temperaturas por encima de 100ºC. su resistencia varía un poco según la dirección de la corriente. Una manera simple de hacer esto. RT) y la resistencia RS es igual a la resistencia RL de linealización óptima. figura (b). El KTY84 esta diseñado específicamente para el funcionamiento a temperaturas de 300 °C. figura (a). es en una función lineal con la temperatura y el voltaje de salida será linealmente proporcional a la temperatura.Procesadores
Sección transversal de un cristal de un sensor KTY. consiste en dos sensores simples conectados en serie. se puede conectar una resistencia de linealización en serie con el sensor. estos sensores son. En este caso. la linealización se puede conseguir por una combinación de resistencias serie/paralelo con el sensor. Tipo KTY81-1 KTY81-2 KTY82-1 KTY82-2 KTY83-1 KTY84-1 KTY85-1 R25ºC (Ω) 1000 2 000 1000 2000 1000 1000 (R100) 1000 Tolerancia disponible (∆R) ±1% a ±5% ±1% a ±5% ±1% a ±5% ±1% a ±5% ±1% a ±5 ±3% a ±5% ±1% a ±5% Rango de Temperatura (ºC) -55º a 150º -55º a 150º -55º a 150º -55º a 150º -55º a 175º -40º a 300º -40º a 125º Encapsulado SOD70 SOD70 SOT23 SOT23 SOD68 (DO-34) SOD68 (DO-34) SOD80
Linealización: La característica de resistencia/temperatura de los sensores de temperatura de silicio es casi lineal.Sensores – Acondicionadores .
Un segundo montaje. Si el circuito está alimentado por una fuente de tensión constante. que tiene la ventaja de tener una resistencia que es independiente de la dirección de la corriente. El KTY83/84/85 usan el montaje más básico de un solo sensor. por lo que hay que tener en cuenta la polaridad. La resistencia final de la combinación en paralelo. será de nuevo una función casi lineal de la temperatura. entonces se puede usar un voltaje fijo de 5 o 12 V para conseguir una corriente de trabajo de 1mA. por ejemplo. figura (c). una fuente de corriente es demasiado cara. (b) Con una resistencia ‘RL' en serie con el sensor y alimentado por una fuente de tensión constante. (c) Con una resistencia ‘RS' en serie y una resistencia ‘RP' en paralelo y alimentado por una fuente de tensión constante. calculada previamente. En la práctica.
Tres formas de linealización: (a) Con una resistencia ‘RL' en paralelo con el sensor. por consiguiente. RL x RT / (RL +RT). es poner la resistencia del sensor ‘RT' en paralelo con una resistencia fija ‘RL'.
que indican cuando está por encima o por debajo de un rango específico de temperatura. el primer fabricante ha sido Analog Devices.
.Sensores – Acondicionadores . La temperatura de trabajo es de -55ºC hasta +150ºC.59 mV /ºK. son seleccionados por el usuario por tres resistencias externas.Procesadores Compensación de temperatura en un convertidor A/D integrado en un microcontrolador: Cuando un convertidor A/D está integrado en un microcontrolador. que con el TMP01 ha empezado una familia de termostatos programables. se requiere una compensación de la temperatura.
Diagrama de bloques funcional del TMP01.4 Termostatos
Algunos sensores de temperatura han sido especializados en el tipo “termostato” y además programables.6.127 V y 1. Ambos puntos de disparo (alta/baja temperatura) y el ciclo de histéresis.
TERMOPARES Rango muy grande: –184ºC a +2300ºC Alta Precisión y Repetibilidad Necesita Unión Fría de Compensación Bajo Voltage de Salida RTDs Rango: –200ºC a +850ºC Buena Linealidad Requiere Excitación Bajo Costo TERMISTORES Poco Rango: 0ºC a +100ºC Pobre Linealidad Requiere Excitación Alta Sensibilidad SEMICONDUCTORES Rango: –55ºC a +150ºC Linealidad: 1ºC Precisión: 1ºC Requiere Excitación Salida Típica 10mV/K.5V. combinada con dos comparadores pareados y una tensión proporcional a la temperatura absoluta (VPTAT) con un coeficiente de temperatura de 5mV/ºK. 20mV/K o 1µA/K
2.886 V sobre un rango de temperatura entre 0º y 100°C. La pendiente lineal de VT = 7. Los comparadores comparan la VPTAT con los puntos de disparo externos y cuando han superado respectivamente el punto de umbral dan salida a los transistores de colector abierto capaces de entregar 20mA. Este divisor de tensión proporciona un voltaje proporcional y lineal a la temperatura. El TMP-01 contiene un sensor de temperatura que genera una tensión de salida proporcional a la temperatura absoluta y también dos comparadores con dos salidas. Este voltaje se usa como referencia de tensión para el convertidor A/D. con la VT entre 1. usando un sensor de temperatura KTY81-210 en serie con una resistencia de linealización RS. El TMP-01 contiene una tensión de referencia de 2. La figura muestra una configuración típica.
15 ). y tiristores. Por esto.
. 3. para 2 ºC de histéresis. para determinar los valores Vsethigh y Vsetlow. Todos estos componentes minimizan la corriente de salida. con los valores SETHIGH y SETLOW. Mosfets. no pueden ser gobernadas directamente por el TMP-01. Seleccionar los valores de referencia de las temperaturas. Calcular la corriente de histéresis Ivref. 2. utilizando el factor de VPTAT de 5mV/ºK=5mV (ºC + 273.5 V -Vsethigh) /Ivref R2(kohm) = Vsethigh Vsetlow)Ivref R3(kohm) =Vsetlow/Ivref Evidentemente el total de las resistencias (R1 + R2 + R3) es igual a la resistencia de carga necesaria para la corriente de histéresis Ivref determinada al principio del procedimiento. la de un ventilador. ahora igual a la VPTAT (Tensión de salida del sensor de temperatura) sumada al offset de histéresis. 4. que son capaces de entregar 20 mA continuamente.Sensores – Acondicionadores . la de una resistencia de calentamiento.6 V x 0.020A = 12 mW El incremento de la temperatura en el encapsulado SOIC debido al auto calentamiento será: ∆T = Pdiss x Tja = 0. Histéresis del TMP-01.9 ºC en exceso.15)(5 mV/ºC) Vsetlow = (Tsetlow + 273. el cual a +25ºC da un valor de 1.9 ºC (Tja = Resistencia térmica unión-ambiente) Es decir. Darlingtons.. que afectará directamente en la precisión del TMP-01 y en este ejemplo hará que el circuito conmute la salida a "OFF" 1. Entonces el comparador pasa a "OFF" desactivando la salida de colector abierto. Efectos de autocalentamiento: En algunas aplicaciones el usuario debe considerar los efectos de auto calentamiento debido a la potencia disipada por las salidas de colector abierto. es el número de grados en que ha de sobrepasarse el punto seleccionado de temperatura original que debe ser sensado por el TMP-01 antes que el comparador sea puesto a cero y la salida inhabilitada. 2. Este efecto se puede minimizar haciendo que la potencia se disipe en un transistor externo.. Las ecuaciones utilizadas para calcular las resistencias son: Vsethigh = (Tsethigh + 273. 1. haya vuelto al punto de tensión programada. que permite determinar todos los valores necesarios.. La disipación total con salidas en carga máxima será: Pdiss = 0. bajando considerablemente el error producido por el auto calentamiento del TMP-01. La corriente de histéresis se calcula de la siguiente manera: Ihis = Ivref = 5 µA/ºC + 7 µA Por ejemplo. IGBTs. Calcular los valores individuales de las resistencias del divisor de tensión. Conmutación de cargas con las salidas de colector abierto: En la mayoría de aplicaciones de medición y control de la temperatura se requiere algún tipo de conmutación.Procesadores Histéresis de la temperatura: La histéresis de temperatura.15)(5 mV/ºC) R1 (kohm) = (Vref . y normalmente son corrientes superiores a 1 A. Para un fácil cálculo.012 W x 158 ºC/W = 1. Ivref = 17 µA Seguidamente. La salida del comparador permanecerá "ON" hasta que la tensión de entrada.Vsethigh) /Ivref = (2. Analog Devices ha creado un software gratuito. sin necesidad de ninguna operación matemática. la de un relé para la desconexión del equipo. sino que se pueden utilizar relés. Programación del TMP-01: Un divisor de tensión con tres resistencias se utilizan para fijar los valores de referencia de la temperatura y se programan de la siguiente manera: 1.49V. Seleccionar la histéresis de la temperatura. La figura muestra el ciclo de histéresis para los dos comparadores. etc.
Sensores – Acondicionadores .
Salida con un convertidor tensión/frecuencia. Salida proporcional de la temperatura: La salida en tensión del sensor VPTAT es de baja impedancia con un coeficiente de temperatura de 5 mV/K.Procesadores
. por ello es necesario interconectar algunos elementos como amplificadores operacionales que a continuación se muestran:
Salida con “buffer” OP177. y puede entregar 500 µA a 50 pF (max). es necesario transmitir dicha tensión a una central de procesos. En la mayoría de aplicaciones.
dos comparadores y una resistencia de 100 Ohm para producir un calentamiento total del circuito.6. Cualquier variación de flujo de aire.5 Aplicación de control de flujo de aire en ventiladores
El TMP12 incluye un sensor de temperatura.
.Sensores – Acondicionadores . Se pueden programar con resistencias externas los umbrales de tensión y la histéresis. produce un enfriamiento del circuito que se detecta por el sensor y se puede controlar el ventilador.Procesadores
. Además un circuito acondicionador y linealizador dan una salida estándar.. higrómetros.
3. en función de la humedad relativa de la atmósfera ambiente. sistemas respiratorios en medicina. 2. Sensores de Humedad Resistivos: Un electrodo polímero montado en tandem sensa la humedad en el material..Sensores – Acondicionadores .1 Acondicionadores de señal para sensores de Humedad
Estos sensores proporcionan una señal de tensión proporcional a la humedad relativa y puede ser acondicionada por la entrada del convertidor A/D de cualquier microcontrolador. humificadores.
Sensor de Humedad con acondicionador de señal. incubadoras. Sensores de Humedad Capacitivos: El sensor de los sensores lo forma un condensador de dos láminas de oro como placas y como dieléctrico una lámina no conductora que varia su constante dieléctrica. Aplicaciones: Alarmas en lavadoras. etc. acondicionadores de aire. El valor de la capacidad se mide como humedad relativa. Philips fabrica este tipo de sensores. Sensores de Humedad
consiste de cuatro elementos resistivos conectados en forma de puente.
4. Sensores de Presión Piezo-Cerámicos/Multicapa: La combinación de la tecnología piezo-cerámica y multicapa se utiliza para producir una señal eléctrica.
1. El detector mide la diferencia entre las salidas de dos divisores potenciométricos conectados a través de la fuente de alimentación. Christie en 1833). y por lo tanto una variación de su resistencia interna.1 Sensores de Presión Resistivos Cualquier sistema de medida de presión tipo resistivo.Procesadores
. Sensores de Presión Resistivos: Una presión sobre una membrana hace variar el valor de las resistencias montadas en puente de Wheatstone apareadas. cuando se aplica una fuerza mecánica en el sensor. requiere de una tensión estable de excitación y normalmente está formado por un puente de Weatstone (desarrollado por S.H. Circuito básico de un puente de Wheatstone.
2. Este simple montaje. hace actuar un único elemento piezo-resistivo semiconductor.Sensores – Acondicionadores . Sensores de Presión
1. Sensores de Presión con Semiconductores: Una variación de presión sobre una membrana. Las Células de Carga y las Galgas Extensiométricas son elementos metálicos que cuando se someten a un esfuerzo sufren una deformación del material. una fuente de excitación (tensión o corriente) conectada a una de las diagonales y un detector de tensión o corriente conectado en la otra diagonal. Motorola fabrica sensores de presión con su familia MPX.
Sensores – Acondicionadores . pero la no linealidad permanece la misma que el ejemplo anterior. si Vb=10V. En casos especiales. Para el ejemplo dado en el parágrafo anterior. pero para pequeños rangos de X es suficientemente lineal para algunos de casos.Procesadores Para la mayoría de aplicaciones de sensores se emplean puentes.1% para el rango de salida de 0 a ±5mV. Dos Galgas Extensiométricas idénticas. la sensibilidad será ± 500µV/V y ±5mV/V. la relación entre la salida del puente y X no es lineal. y el máximo valor de X es ± 0. la desviación de una o más resistencias en un puente. pero una de ellas (R1) es variable por un factor. Por ejemplo. se puede volver a doblar la salida.
Circuito en Puente de resistencias con un solo elemento variable. La sensibilidad puede ser doblada si dos idénticos elementos se utilizan como variables. La salida del puente. la naturaleza complementaria de los cambios de resistencia da una salida lineal. y del 1% para el rango de 0 a ± 50mV (que es un valor X de ± 0. donde X es una desviación fraccionaria alrededor de cero.
Circuito en Puente de resistencias con dos elementos variables.002. En la figura se muestra un puente con cuatro resistencias variables. dos de las cuales se incrementan y las otras dos decrece en la misma relación. montadas en oposición configuran este circuito. La salida se duplica. La Sensibilidad de un puente es la relación del máximo cambio esperado en el valor de salida a la tensión de excitación. Como la ecuación indica. la salida del puente será lineal entre 0.02). En la figura se muestra como utiliza las resistencias R1 y R3 como variables. tendrá cuatro veces la salida de un puente con un solo elemento variable y además.
. En la siguiente figura se muestra un puente con todas las resistencias iguales. desde un valor inicial puede ser medido como una indicación de magnitud (o un cambio) de la medida. (1+X).
Circuito en Puente de resistencias con todos los elementos variables.
la salida será doble. AMP01. tiene baja impedancia de salida. AMP04.1 Acondicionadores de señal para una Célula de Carga
La utilización de un amplificador operacional de instrumentación en modo diferencial. que nos dará la tolerancia de la sensibilidad. La ganancia es doble que la salida de un puente con un solo elemento variable. es el método más comúnmente utilizado para la salida de una Célula de Carga. y como que es de naturaleza complementaria también será lineal.Procesadores En la figura siguiente se muestra un puente empleando un potenciómetro en una de las ramas. La posición del potenciómetro es la medida del fenómeno físico.
4. Actualmente con la rápida implantación de los convertidores sigma-delta. se han podido integrar en un solo circuito todo un conjunto de elementos que resuelven en la mayoría de casos todos los circuitos externos. En la figura se muestra este circuito. y lineal. Puesto que es una versión con dos elementos variables. debido a sus buenas prestaciones y a su bajo coste. Analog Devices dispone de una gama de amplificadores operaciones de instrumentación como el AD624. donde es imprescindible utilizar una referencia de tensión de precisión. Como que la salida del puente activo es un amplificador operacional. AMP02. La tensión de salida es igual en magnitud y opuesta en polaridad para incrementar la tensión a través de Rx. En la siguiente figura se muestra una aplicación
Circuito en Puente de resistencias activo. el amplificador operacional de instrumentación de alta linealidad y bajo ruido.
Circuito en Puente de resistencias con una rama potenciométrica.1. Aplicación típica de una Célula de Carga para pesaje. se puede montar un puente activo. el amplificador operacional produce un cero añadiendo una tensión en serie con la rama variable. Por ultimo. Con un circuito como este se pueden obtener 14 bits.Sensores – Acondicionadores . y esta es intrínsecamente lineal con X.
El efecto de la temperatura es típicamente ± 0. la serie MPX utiliza solamente un único elemento piezoresistivo implantado en un diafragma de silicio que sensa la tensión mecánica inducida en el diafragma por una presión externa.2 Sensores Piezoeléctricos Los sensores piezoeléctricos entregan una tensión cuando se les aplica una fuerza y pueden ser acondicionados con un circuito tal como se muestra en la figura siguiente.
4. mientras que el efecto sobre la tensión de offset. cuyas prestaciones y su bajo precio son parte de la tecnología asociada. hace que estos dispositivos sean altamente competitivos. el AD7730. de una familia de convertidores. Un diseño único dotado de un ajuste con láser controlado por ordenador. La salida es un voltaje analógico proporcional a la presión de entrada y al voltaje de alimentación radiométrico.
Aplicación típica de una Célula de Carga con un completo acondicionador de señal AD7730.3.1 Funcionamiento
El funcionamiento de los sensores de presión de la serie MPX de Motorola está basado en el diseño patentado del calibrador de fuerza. 4.Sensores – Acondicionadores .
4. es de ± 1 mV como máximo. La alta sensibilidad y una excelente repetibilidad a largo plazo hacen que sean las unidades más apropiadas para la mayoría de aplicaciones. A diferencia de los sensores de presión más convencionales que utilizan las cuatro resistencias exactamente apareadas en una configuración de puente de Wheaststone.Procesadores típica de una célula de carga con un completo acondicionador de señal de Analog Devices. dando la medición de presión muy exacta sobre un rango amplio de temperatura. sobre un rango de temperatura similar.3 Sensores de Presión con Semiconductor Infineon y Motorola fabrican una serie de sensores de presión con semiconductores. La precisión es muy buena debido al ajuste de las resistencias de calibración y compensación con láser controlado por ordenador.5% del fondo de escala sobre un rango de temperatura de 0 a 85 ºC.
No obstante. Elección del encapsulado: Se puede pedir como un elemento básico para un montaje particular. El empleo de unidades sin la compensación de la temperatura permite realizar una compensación externa al grado deseado. El “offset” no depende de las resistencias apareadas. o en conjunción con uno o dos tubos de conexión de la presión diseñados por Motorola. Una red simple de resistencias se puede utilizar para un rango estrecho de temperatura. que causa a su vez un cambio en el voltaje de salida en proporción directa a la presión aplicada. biomedicina y aplicaciones industriales. se produce un cambio de resistencia en la galga extensiométrica. 3..3. Elemento sensor básico. y a una presión de referencia cero (vacío). para que estén preparados para encontrar los requerimientos de compatibilidad biomédica. La tensión mecánica establece un campo eléctrico transversal en la resistencia. 4. se requiere que el dispositivo esté compensado si se utiliza sobre un rango de temperatura extensa. puntos 1 y 3 de la siguiente figura. diferencial y manométrica.
4. Aplicaciones: Barómetros. Los materiales del encapsulado pueden ser intercambiables. Esta alineación se logra en un único paso fotolitográfico.3 Estructura básica
Al aplicar presión al diafragma. Utilizando un único elemento elimina la necesidad de emparejar exactamente las cuatro resistencias de un puente de Wheatstone que son sensibles a la temperatura y a esfuerzos mecánicos. Elección de las Especificaciones: Los sensores de presión MPX están disponibles en varios rangos de presión para adaptarse a una variedad amplia de sectores tales como automoción. Altímetros. 2. Los Sensores X-ducer™ es un sistema Patentado por Motorola. Sensor Absoluto: P1-P(vacío)
. que están localizados en el punto medio de la resistencia. fácil de controlar. sino de la exactitud de la alineación de los elementos donde se recoge la tensión. son necesarias redes compensadoras más complejas. La galga extensiométrica es una parte integral del diafragma de silicio. o manométrica (gauge). Detección de fugas. los parámetros de salida de la galga extensiométrica dependen de la temperatura. que está sensando como un voltaje en los puntos 2 y 4.4 Tipos de medición
Los sensores de presión de Motorola están disponibles en tres diferentes configuraciones que permiten una medición de presión absoluta. absoluto.3. y la presión que se ejerce en el diafragma está aplicada en un ángulo recto con respecto al flujo de corriente. aplicada al otro lado. Al mismo tiempo. Una corriente de excitación circula longitudinalmente a través de la resistencia. sin embargo.Procesadores
4.2 Posibilidades de elección
1. Elección de la Medición: Los dispositivos están disponibles para medición de presiones en modo diferencial.3. y por lo tanto no se introducen los errores típicos debidos a diferencias de expansiones térmicas. por ejemplo de 0 ºC a 85 ºC. Para rangos de temperatura de -40 ºC a + 125 ºC. simplifica el conjunto de circuitos adicionales necesarios para lograr la calibración y compensación en temperatura.. con calibración y compensación de temperatura interno o con un circuito de acondicionamiento de señal completo incluido en el chip. Elección de la Complejidad del Chip: Los sensores de presión MPX están disponibles como un elemento sensor básico.Sensores – Acondicionadores .
4. Los sensores de presión absoluta: miden la diferencia entre la presión externa aplicada a un lado del diafragma.
0 a 11. Aplicaciones: Flujo de aire. Sensor Manométrico: P1-P(ambiente)
Sección de un sensor de presión Diferencial. además de la compensación y calibración en temperatura en el chip con la serie MPX2000. Aire húmedo. está diseñado para aceptar simultáneamente dos fuentes de presión independientes. con acondicionador de señal de salida de 0-5V. Agua (pH 9.5 Tipos de complejidad del chip
MPX100 Sin Compensar en Temperatura. Las características de trabajo de los sensores de presión de la serie MPX.5 PSI.45 psi) hasta 1000 kPa (150 psi).
4. un lado del sensor está abierto a la atmósfera.. donde la presión atmosférica se utiliza como referencia. La salida es proporcional a la diferencia de presión a las dos fuentes. MPX5100 Calibrados y Compensados en Temperatura. unas técnicas de metalización de película delgada y un ajuste con láser interactivo que le dan una especial tecnología al sensor. Para el MPX200 corresponde 30 PSI. incorporando un proceso bipolar lineal. las pruebas de fiabilidad y homologación están basadas en el uso de aire seco como medio de presión. es un caso especial de presión diferencial.. Los otros medios que no sean aire seco pueden tener efectos adversos en las características y estabilidad a largo plazo.. Motorola ha integrado circuitos dentro del sensor. Para el MPX100 corresponde a 15 PSI (una atmósfera). Para el MPX50 corresponde a 7. La sección transversal de la estructura diferencial muestra un gel de silicona que aísla la superficie del “dado” y los hilos de conexión de los entornos duros. Nivel de líquidos.6 Acondicionador de la señal interno
Para hacer más fácil el trabajo. De 10 kPa (1. Sensor Diferencial: P1 . Aplicaciones: Presión sanguínea. mientras que permite que la señal de presión sea transmitida al diafragma de silicio. El acondicionamiento de la señal se hace por medio de cuatro etapas de amplificación.Procesadores Los sensores de presión diferencial: son parecidos a la bajada de presión a través de una válvula o filtro en un conducto de aire. son como una medición de presión arterial.3. MPX2100 Calibrados y Compensados en Temperatura.
.3. Aire seco.Sensores – Acondicionadores . Presión de ruedas. ofrece actualmente un acondicionador de la señal con un amplificador que se ha integrado en el chip de la serie MPX5000 para permitir una interconexión directa a cualquier microcontrolador que tenga un convertidor A/D..0)
La familia empieza con el MPX10 que corresponde a una deflexión del diafragma a fondo de escala aproximadamente a 15 PSI.P2 Los sensores de presión manométrica. Para el MPX700
4. Control de filtros de aire .
8 Aplicaciones de medida de Presión
Existen muchas aplicaciones donde la medida de la presión es fundamental para controlar un sistema hidráulico o neumático.7 Montaje y opciones de los sensores de Presión de la Serie MPX de Motorola
Motorola ofrece una variedad amplia de dispositivos sensores de presión que incorporan tubos de conexión con retención y orejas laterales para su sujeción.3.
4. tamaño muy común que hace una instalación relativamente simple.2.Sensores – Acondicionadores .
. Todo ello con un sistema de adquisición de datos con microcontrolador. También se puede utilizar como altímetro midiendo la presión atmosférica. Los tubos tienen 1/8" (3 mm) de diámetro.Procesadores
Magnéticos: Lo forman los Detectores de Proximidad Magnéticos.1 Señales de formato Sincro
Un Sincro es un transductor electromagnético rotacional (precursor del Resolver) que detecta el desplazamiento angular. Tienen una vida limitada. El Sincro consiste de un estator fijo.Sensores – Acondicionadores . una posición lineal o angular. debido a su tamaño.2. 5. Inductivos: Lo forman los Detectores de Proximidad Inductivos.
. que pueden ser los de Efecto Hall y los Resistivos. Se sitúan en puntos estratégicos a detectar. los Sincros y Resolvers. Sensores de Posición
Los sensores de posición pueden dar según su construcción o montaje. los RVDT (Rotatory Variable Differential Transformer) y LVDT (Lineal Variable Differential Transformer). Solo pueden detectar posiciones determinadas.Procesadores
5. Potenciométricos: Lo forman los Potenciómetros lineales o circulares. Conmutan directamente cualquier señal eléctrica. Esencialmente trabajan con el mismo principio que un transformador en rotación. Electromecánicos: Lo forman los Finales de Carrera o Microrruptores. Los Inductosyn. en sistemas industriales y máquinas en general. que contiene tres bobinados conectados en estrella. Ópticos: Lo forman las Células fotoeléctricas y los Encoders. separados 120º.
5.1 Sensores de Posición Inductivos
5.2 Sincros y Resolvers Los sincros y los resolvers son transductores para la medida de ángulo de un eje y la posición de un sistema servo.
En la figura se muestra la estructura electromecánica de un sincro y la representación eléctrica equivalente. típicos en aplicaciones industriales..c. y se conecta a los terminales exteriores con escobillas. El rotor contiene un bobinado es excitado con una referencia a.
sen ϖt = frecuencia de excitación.c.S2 = AR sen ϖt sen (θ+ 240º) Donde. El voltaje de excitación es de la siguiente forma: A sen ϖt
. separados 90º. θ = ángulo del eje del Sincro.
Voltajes de salida de un Sincro para dos ángulos distintos (0º y 130º). será proporcional al seno del ángulo θ entre el eje de la bobina del rotor y el eje de la bobina del estator. En la figura siguiente se muestra los voltajes de entrada o referencia y salida para dos posiciones diferentes (ángulos) del eje de un Sincro.Sensores – Acondicionadores . Los más modernos Resolvers son sin escobillas “brushless”.S3 = AR sen ϖt sen (θ+ 120º) S1 . se aplica al estator (bobinado del primario).S1 = AR sen ϖt sen θ S2 . Nota: Las salidas S1. El voltaje inducido en un par de terminales del estator será la suma o la diferencia de los voltajes.2.
5. en una vuelta es inducido un voltaje en el rotor que más tarde induce un voltaje en dos bobinados seno y coseno. aplicado a los terminales R1 y R2. R = relación de transformación del transductor. A = amplitud del voltaje de la señal de excitación. moviendo el eje para un ángulo creciente como viéndolo desde el final del eje del transductor. es de la siguiente forma: A sen ϖt Los voltajes que aparecerán a través de los terminales del estator serán: S3 .Señales de formato Resolver
Un Resolver es un transductor rotacional electromagnético que detecta un desplazamiento angular. Nota: El estándar para la rotación de los Sincros es contar en dirección de las agujas del reloj (CCW).
Los voltajes inducidos (en los secundarios) son modulados en amplitud por el seno y el coseno del ángulo Θ del rotor relativo al del estator. El voltaje de excitación del rotor. dependiendo de la fase.Procesadores El voltaje inducido en un estator por el rotor. S2 y S3 para Sincros son señales de fase coherente. que están localizados en el estator (secundarios). a través de las dos bobinas concernientes. Una señal de excitación de referencia a.2 .
referencia 26 V rms. varias frecuencias entre de 400 Hz a 10. A = amplitud del voltaje de la señal de excitación. moviendo el eje para un ángulo creciente como viéndolo desde el final del eje del transductor.000 Hz.8 V rms entre líneas.3 Modelos estándares de Sincros y Resolvers
Los Sincros están disponibles en dos rangos de voltaje estándar: (a) Señales de 90 V rms entre líneas.000 Hz. θ = ángulo del eje del Resolver.8 V rms entre líneas.2. sen ϖt = frecuencia de excitación. frecuencia nominal 400 Hz. AD2S83 y uno oscilador de referencia para los Resolvers AD2S99. (c) Señales de 11. Los tres más estándares son: (a) Señales de 11. (b) Señales de 11. varias frecuencias entre de 400 Hz a 10. (b) Señales de 26 V rms entre líneas.2.S4 = AR sen ϖt cos θ donde: R = relación de transformación del transductor.4 Convertidores de Resolver a digital
Analog Devices fabrica una familia de convertidores de Resolver a Digital con el AD2S80.000 Hz
5. Los Resolvers están disponibles en una variedad de voltajes.Sensores – Acondicionadores .8 V rms. varias frecuencias entre de 400 Hz a 10.S1 = AR sen ϖt sen θ Coseno : S2 .
5. referencia 115 V rms. frecuencia nominal 400 Hz o 60 Hz. referencia 26 V rms. AD2S82. referencia 26 V rms. Nota: Las salidas S1.
. S2 y S3 para Resolvers son señales de fase coherente. A continuación se muestra un diagrama de un sistema de servo-posición utilizando un Resolver y un convertidor de resolver a digital.Procesadores Los voltajes que aparecerán a través de los terminales del estator serán: Seno : S3 . referencia 11. En la figura se muestra una representación eléctrica equivalente y el diagrama de señales de formatos de salida típica de un Resolver. es contar en dirección de las agujas del reloj (CW).8 V rms entre líneas.
Nota: El estándar para la rotación de los Resolvers.
Bobinado del LVDT y voltaje de salida con respecto a la posición. Los secundarios típicamente están conectados en serie en oposición uno de otro. el rango lineal nominal puede ser desde ± 0. el voltaje de salida empieza con una polaridad. V1-V2 será de polaridad opuesta (180º de desfase). Si el núcleo se mueve en dirección opuesta. los LVDT son transformadores con núcleo movible.3. De este modo. el voltaje final será cero. Para una selección de LVDT típica. y el voltaje del secundario 2 decrece. decrece completamente a cero. resolución esencialmente infinita.Sensores – Acondicionadores .Procesadores
AD2S80 de Analog Devices conectado a un Resolver 5. Aplicando una señal alterna de excitación al bobinado del primario. en sistemas industriales y militares. tienen una larga vida mecánica. Los LVDT típicamente están diseñados para dar un voltaje de salida lineal alrededor de cero (dentro del ± 0. con cuerpo correspondiente a longitudes desde 1 pulgada hasta 30 pulgadas. los voltajes inducidos en ambos son iguales y puesto que están conectados en serie en oposición. Aunque los LVDT son robustos y exactos. trabajan con el mismo principio. como que el núcleo de ferrita se mueve a lo largo de sus eje dentro del LVDT. después incrementa con polaridad opuesta.25% sobre un rango lineal especificado de recorrido).1 Como trabajan los LVDT
Un LVDT es un dispositivo electromecánico que consiste de dos componentes: Un cuerpo hueco cilíndrico que contiene dos bobinados secundarios idénticos los cuales están posicionados en ambos lados del bobinado central primario y un núcleo de ferrita cilíndrico se mueve libre longitudinalmente dentro de la bobina.
5. y aislamiento entre entrada y salida. por esto se inducen voltajes en los secundarios. el voltaje incrementa.3 RVDT y LVDT (Rotatory and Lineal Variable Differential Transformers) Son unos transductores muy populares utilizados para medir desplazamientos rotatorios (angulares). Están muy difundidos en su uso y se pueden explicar por el número de características de las cuales hacen a los transductores estar más cercanos a los ideales: trabajan sin fricción. todo de una manera continua y suave. Si el núcleo se mueve en dirección del secundario 1. Sencillamente. Aunque los RVDT en construcción son diferentes de los LVDT.05 pulgadas hasta ± 10 pulgadas. solo producen salidas de bajo voltaje (la
. de este modo el voltaje neto final V1-V2 será de la misma polaridad (en fase) como el de referencia. genera un campo magnético que se acopla a los bobinados del secundario a través del núcleo de ferrita móvil. son muy robustos. Cuando el núcleo está centrado entre los dos secundarios.
la temperatura. Si el desplazamiento angular se mantiene en ± 5º el error de linealidad se reduce por debajo del 0. Se encuentran en sistemas de metrología. El eje está soportado por cojinetes de bolas que minimizan la fricción y la histéresis mecánica. como células de carga. Otras aplicaciones de estos transductores. Como
. Con la introducción del AD698.c.
5. donde tiene cuatro secciones: oscilador/excitador.2 Como trabajan los RVDT
Mientras que los LVDT miden desplazamiento linear. Este desplazamiento de fase ocurre debido a la ligera asimetría interna del bobinado del LVDT y el efecto LRC del cable externo.c. No obstante. El demodulador rectifica a media onda la señal a. desfasadas 180º a un simple voltaje d.c. El desplazamiento de fase del primario al secundario requiere un ajuste externo: Puesto que la técnica de demodulación síncrona requiere que la excitación del primario sirva como referencia al demodulador. después se filtra con pasa bajos para producir una salida d. Los cambios de impedancia con las diferentes posiciones del núcleo o con las fluctuaciones a temperaturas ambientes.1% a fondo de escala. sensores de presión utilizando LVDT internamente. El modo más común utilizado para acondicionar la señal LVDT es la técnica de demodulación síncrona. cualquier desplazamiento de fase causada por la circuitería del primer paso de acondicionamiento de señal. Es un completo convertidor monolítico de LVDT a salida en voltaje en continua.3. cuya magnitud indica el movimiento (posición) lejos de la posición central y cuyo signo indica la dirección.3. utiliza un número elevado de componentes discretos e integrados. como se muestra a continuación.c.. se dedican a transformar las dos señales a. amplificador de entrada. en actuadores hidráulicos. la excitación del primario sirve como referencia para el demodulador.4 Acondicionamiento de Señal de los LVDT
La mayoría de tareas de un acondicionador de señal LVDT. es el necesitar un oscilador estable con el tiempo. el dispositivo típico tiene un error de linealidad de 0.3 y 0. En demodulación sincrona. Los transductores LVDT y RVDT son utilizados extensamente en medición y aplicaciones de control de medida de desplazamientos desde micro pulgadas hasta varios pies.08 mV por voltio de excitación por milímetro de desplazamiento) y por lo tanto necesitan mucho cuidado al realizar la amplificación. El método de conversión de las señales LVDT. Introducción del desplazamiento del ángulo de fase por la entrada amplificador “buffer”: El ángulo de fase del voltaje de salida comparada con el de la entrada desplazada típicamente menos de un grado sobre el rango lineal del LVDT. el desplazamiento de fase entre el primario y el secundario introduce errores.c. que representa la posición longitudinal. Puesto que la salida de voltaje del LVDT es directamente proporcional al voltaje del bobinado del primario. Por lo tanto se requiere alguna forma de demodulación para acondicionar la conversión de a. demodulador y filtro pasa-bajos.2% a fondo de escala.Procesadores sensibilidad está entre 6. El máximo rango de medida de posición angular es aproximadamente ± 60º.c. y que pueda tener la carga de la impedancia del primario del LVDT. los RVDT miden desplazamiento angular. La impedancia del primario del LVDT varía con la temperatura y la posición del núcleo: La fuente de excitación puede tener una impedancia de salida baja para minimizar cualquier voltaje resultante de los cambios en la impedancia del primario del LVDT. en posición de válvulas. cualquier fluctuación natural a la excitación afecta a la salida del LVDT. Hay un número mayor de inconvenientes asociados con los acondicionadores de señal que utilizan la técnica de demodulación en lazo abierto: Requiere un oscilador extremadamente estable: Los más serios inconvenientes de este método de demodulación.Sensores – Acondicionadores .
5. Cuando los RVDT trabajan en el rango de los ± 40º. a d. Analog Devices da soporte a las aplicaciones de acondicionamiento de señal de los LVDT. hará aumentar el error de salida.
Solución de acondicionador de señal LVDT con el AD698.
para la medición y el control exacto de distancias lineales. es un transductor para la medición y el control angular. Por otra parte. se examina mejor el Inductosyn Lineal.005 pulgadas y está situada una pantalla electrostática situada entre ellas. Ruido en las líneas de señal: Si el tratamiento electrónico está localizado a alguna distancia del transductor. Sensotec.05 segundos de arco.. Tesa. etc.5 segundos de arco.. está fija a lo largo del eje de medición (por ejemplo. 90º.5 Fabricantes de LVDT
Lucas Schaevitz. Para entender el principio de operación. El deslizador y la regla están separados por una brecha cercana a las 0. El paso cíclico de la forma de onda tiene generalmente 0. este tipo de circuito muchas veces requiere un ajuste manual de la fase. La regla consiste en una base de material tal como el acero. está colocado de modo que se pueda mover a lo largo de la regla y está asociado con el dispositivo que va ha ser posicionado (por ejemplo. el deslizador.0001 pulgadas) y ahora es utilizado por la mayoría de compañías de Control Numérico y Máquinas Herramienta para control y medición de ejes. con repetibilidad de 0.Sensores – Acondicionadores .1 Inductosyn Lineal
El sistema Inductosyn Lineal consiste en dos partes acopladas magnéticamente y es similar en operación en un Resolver.
Relación entre el deslizador y la regla del Inductosyn Lineal. El Inductosyn Rotatorio. la bancada de una máquina herramienta). Por una parte. Pegado a la base está un circuito impreso formando una forma de onda rectangular continua. y estas pueden también captar ruido.
. De hecho la regla está hecha generalmente de secciones de 10 pulgadas que se unen una a continuación de la otra hasta llegar a la longitud a medir. Es conocido como el más exacto. En este capítulo se examinan los principios básicos de los Inductosyn y su papel tradicional. Estas dos pistas están formadas por una forma de onda exactamente igual al cíclico que la regla.4 Inductosyns® Lineales y Inductosyn® Rotatorios Los Inductosyn Lineales lo desarrolló la empresa Farrand Control Inc. la regla. con una precisión de 0. 0. Solartron (Schlumberger Transducer). el aluminio.Procesadores resultado. El deslizador tiene normalmente 4 pulgadas de largo y tiene dos pistas de circuito impreso idénticas separadas en la superficie que se encara con la regla. añadiendo a la complejidad del diseño un coste.
5.1 pulgada. como su nombre indica. el acero inoxidable. Se ha demostrado que es uno de los más exactos transductores de su tipo (0. el transportador de una máquina herramienta). Transcoil. la excitación y las señales de salida del LVDT se pueden llegar a atenuar a través de las líneas de transmisión. Tanto para el Inductosyn Lineal como para el Inductosyn Rotatorio es conveniente añadir a ellos mismos un convertidor a formato digital. cubierto por una capa aislante.
5.2 pulgadas o 2 mm. Un diagrama de la relación entre el deslizador y la regla se muestra en la figura siguiente. 5. Kavlico.3. basado en los mismos principios que el Inductosyn Lineal.. RDP.1 segundos de arco y sensibilidad de 0.4. pero una pista está desfasada 1/4 de paso cíclico de la otra.
720.5 Sensores de Posición Resistivos Los potenciómetros se utilizan también como sensores de posición. Después se encuentra el bobinado.
. 512. y estabilidad con el tiempo. Si a la regla se le aplica un voltaje AC (que es normalmente entre 5 kHz y 10 kHz) V senωt. ya que existe un contacto mecánico entre la resistencia y el terminal del cursor. que sus principales ventajas son el bajo coeficiente de temperatura. bajo ruido. El funcionamiento es el mismo que en el caso del Resolver. el elemento más popular es el carbón. Bourns fabrica una serie de potenciómetros especializados para este trabajo. 2000 o 2048 polos (2 polos = 1 ciclo). Las consideraciones a tener en cuenta son el número de maniobras que va a realizar. El rotor corresponde a la regla del Inductosyn Lineal y es un disco con una pista completa con una forma de onda rectangular. los voltajes del estator serán: V sen ϖt sen (Nθ/2) y V sen ϖt cos (Nθ/2)
Donde.2 Inductosyn Rotatorio
El estator de un Inductosyn Rotatorio corresponde al deslizador de un Inductosyn Lineal.Procesadores El principio de operación no es muy diferente del Resolver. Cuando el rotor del Inductosyn Rotatorio es excitado por un voltaje AC. el cursor da una salida proporcional al ángulo del eje. Los Inductosyn vienen en diámetros de 3. alta disipación. θ es el ángulo de rotación del rotor con respecto al del estator y N es el número de polos del rotor. pero tiene un precio superior. 7 y 12 pulgadas y tienen 256. Otro elemento utilizado es el plástico conductor que mejora en todas las características respecto a los demás elementos. su mejor característica es el precio. y también el plástico conductor que a parte de la linealidad ofrece una vida muy larga. Estas unidades se pueden suministrar separadamente estator y motor o completamente montadas. utilizan como elemento resistivo el bobinado que es muy lineal. 360. el cermet es una combinación de un material CERámico y METal que mejora muchísimo las características del carbón. A continuación se muestra un Inductosyn Rotatorio. Mediante una tensión DC de referencia muy estable.
Rotor y estator de un Inductosyn Rotatorio 5. pero como inconvenientes tiene las variaciones de temperatura y su vida. Vsenϖt (normalmente de 5 kHz a 10 kHz). entonces la salida del bobinado del deslizador será: V sen ϖt sen (2πX/S) y V sen ϖt cos (2πX/S)
Donde X es el desplazamiento lineal del deslizador y S es la longitud cíclica.4. para calcular la vida del mismo. Existe en el mercado una variedad de elementos resistivos que se utilizan en los potenciómetros.Sensores – Acondicionadores . tiene dos formas de onda rectangulares impresas radialmente sobre el disco. su vida mecánica.
que se basa en la propiedad de un material que cambia su resistividad por la presencia de un campo magnético externo (las unidades comunes utilizadas para los campos magnéticos se muestran en la siguiente tabla. cuando no está presente un campo magnético externo.6 Sensores Magnéticos Existen dos tipos de sensores magnéticos: Magneto-resistivos y de Efecto Hall. que frecuentemente requieren sensores de posición capaces de detectar desplazamientos en la región de las décimas de milímetro (o a veces menor) y en sistemas de ignición electrónica donde se tiene que poder determinar con gran precisión la posición angular de un motor de combustión. etc. tal como detección de velocidad de una rueda para el ABS. entonces. 1 kA/m = 1. Un ejemplo donde las propiedades de los sensores magnetorresistivos pueden ser útiles es en las aplicaciones de automoción. dado por: R = RO + ∆RO cos2α
Efecto Magnetoresistivo del ‘permalloy’. Otro ejemplo. Philips utiliza Ni19Fe81. cada valor de R no está asociado necesariamente con un único valor de H.
RO y ∆RO son parámetros del material y para lograr las características óptimas del sensor. bajo condiciones ambientales extremas en aplicaciones de automoción o maquinaria (ruedas dentadas. Si se aplica un campo magnético externo ‘H’ paralelo al plano del permalloy. levas. en la medición de posición de válvulas o de los pedales. en un amplio rango de temperatura de trabajo. el efecto MR se puede utilizar para la medición angular y la velocidad rotacional. varillas de metal. la resistencia ‘R’ del ‘permalloy’ cambiará en función del ángulo de rotación α.
5.1 Sensores Magnetorresistivos
El efecto magneto-resistivo data de 1856. Otra aplicación de los sensores magnetorresistivos es la medición de velocidad rotacional. Suponiendo que. Como resultado. donde Thomson observó este efecto aunque no se encontró ninguna aplicación práctica. y con una baja sensibilidad a la tensión mecánica.Procesadores 5. con un ‘offset’ muy bajo y estable. pero perpendicular al flujo de la corriente ‘I’. ∆RO es del orden del 3%.25 mTesla (en el aire) 1 mT = 10 Gauss Unidades magnéticas más comunes En la figura se muestra el principio de trabajo básico de un sensor MR.). donde no se requiera la linealización de la característica del sensor. es decir. son un excelente medio de medida tanto en desplazamiento lineal como en angular. en sistemas de control de motores y en detectores de posición para la medición de la posición de un chasis. el permalloy tiene un vector de magnetización interno paralelo al flujo de la corriente ‘I’ de izquierda a derecha. el vector de magnetización interno del permalloy rotará alrededor de un ángulo α. con una tira de material ferromagnético llamado permalloy (20% de Fe. Por lo tanto. Con este material. 80% de Ni). La gama de sensores magnetorresistivos de Philips está caracterizada por su alta sensibilidad en la detección de los campos magnéticos.6. corrección del campo de la tierra y detección de tráfico. hay cuatro tiras de
. el cual tiene un valor alto de RO y una baja magneto-restricción. Es obvio que es una ecuación cuadrática. En la serie de sensores KMZ. que la característica de la resistencia/campo magnético no es lineal. es en la instrumentación y control de equipos.
Resistencia del ‘permalloy’ en función de un campo externo. Debido a su alta sensibilidad los sensores magnetorresistivos pueden medir campos magnéticos muy débiles y son ideales para aplicaciones en brújulas electrónicas. Básicamente. Posteriormente con los semiconductores se empezó a utilizar como detectores de movimiento. Los sensores magnetorresistivos (MR) utilizan el efecto magneto-resistivo.Sensores – Acondicionadores .
Información dada para trabajar con campo auxiliar conmutado. (mV/V) (kA/m) 16 22 4 4 1.5 H= 100(3) -0. Están conectadas en una configuración en puente de Wheatstone.5 2 2 Linealiza el efecto MR Si Si Si Si Si No Si Si Bobina interna No No No No No No Si Si Aplicaciones
Detección de metal.2 (V) ≤9 ≤9 ≤12 ≤12 ≤10 ≤12 ≤8 ≤8 Sens. Compass.8 16 16 Volt.5 ±8 ±1 ±1 Resistencia del Puente (kΩ) 1.5 ±1. Además se incluyen dos resistencias RT.Procesadores ‘permalloy’ que están ordenadas en forma de laberinto en el silicio. velocidad rueda Medida angular Control de tráfico. (2). Fuerza del campo recomendada.
Notas : (1). el que se duplica la señal de salida y que el sensor se puede alinear en fábrica.4 2. que son para ajustar el ‘offset’ del sensor casi a cero durante el proceso de producción. control de tráfico Posición angular y lineal.0 a +2. navegación.5 a + 7.0 -2.1 2. 1 kA/m corresponde a 1. que tiene las siguientes ventajas: la reducción de la deriva por temperatura.0 -7. junto con sus aplicaciones típicas.3 2. de Offset (mV/V) ±1.5 a + 0.
Circuito básico con ajuste de ‘offset’ y compensación de temperatura.5 ±1.2 1.0 a +2.2 a + 0.Sensores – Acondicionadores .1 1.5 ±1.5 -0.
.5 2.5 ±1.2 a + 0. también se muestra la estructura de las cuatro tiras de permalloy.5 a +0. como se muestra en la figura.2 -0. Tipo
KMZ10A KMZ10A1 KMZ10B KMZ10B1 KMZ10C KMZ41 KMZ50 KMZ51 Rango del Campo (Ka /m)(1) -0. En el aire.25 mTesla.05 -2. metales.
En la tabla siguiente se muestran las características de la familia de sensores magnetorresistivos KMZ de Philips. (3).
con los sensores midiendo las componentes X e Y del campo medido (terrestre).5º 1. pero a 90º el uno del otro. es indicar puramente la dirección N. cuando un coche está yendo por una cuesta arriba o abajo. que controlan una unidad de ‘display’ a través de un multiplexor.7º 12. con dos sensores magnetorresistivos de Philips alineados en un mismo plano.8º 2. Se pueden utilizar simples comparadores para obtener tres señales digitales. solo es necesario mostrar las ocho direcciones. NE E. Para esta simple aplicación.8º 23. Esto configura una brújula bidimensional. Ambos sensores suministran una única onda senoidal cuando rotan giran en el campo geomagnético de la Tierras. En este caso. Angulo α 10º 18. mientras que otra señal del sensor invertida. Esta función básica se encuentra típicamente en ayuda a la navegación. dependiendo de nivel de precisión requerido y de las influencias ambientales esperadas. Brújula simple de 8 segmentos La función principal de una aplicación de una simple brújula. Este efecto.5º 5.2 Brujula Electrónica
La brújula electrónica es una aplicación típica de la medición de campos débiles.3º 16. A. similar al visto en brújulas convencionales. etc. para incluir diversas técnicas de compensación.9º 11.
Diagrama de bloques simplificado de una brújula electrónica. Los sistemas de alta precisión eliminan este problema utilizando una brújula tridimensional y un sensor de gravedad.2º
5º 9. las dos señales de salida se pueden comparar unas con otras para lograr tres señales digitales.Procesadores
5.9º 33. Estas dos brújulas dimensionales son sensibles al ángulo α entre la superficie de la Tierra y el plano de medición del sensor: un cambio en este ángulo cambiará la alineación entre el eje de sensibilidad del sensor y el campo de la Tierra y por lo tanto afectará a la salida del sensor. para distinguir entre las ocho posiciones de la brújula.Sensores – Acondicionadores . por ejemplo. Estas dan las informaciones básicas de N.
. determina si la señal del sensor está cambiando positiva o negativamente y se incluye en la comparación. se puede observar claramente en aplicaciones de automoción.6.7º
15º 26. E y O. S. SO.3º 4. en conductores de coches que requieren solamente unas indicaciones de su orientación y no una exacta indicación de su dirección.5º
Desajustes típicos en sistemas de brújula para diferentes ángulos α En el circuito de control se pueden incorporar diversos niveles de complejidad.).
si es necesario. donde las velocidades bajan rápidamente. También. En las figuras siguientes se pueden ver la colocación de sensor en la carretera y los espectros detectados al pasar un Opel Kadett. desde el lateral de la carretera. creará aún un cambio medible en la fuerza del campo geomagnético y en la densidad del flujo. los hacen costosos e ineficientes.
El campo local geomagnético fue calibrado a cero. A. También tienen la ventaja de indicar posibles incidentes. El módulo sensor también demostró ser lo suficientemente sensible para detectar y distinguir motos (hasta con motor. Incluso con el mayor uso del aluminio en la fabricación de vehículos. por debajo del promedio. Estos sistemas de medición inductivos tienen gran número de desventajas: baja sensibilidad. hace que un sistema de control magneto-resistivo sea un método barato y más eficiente para la detección de tráfico. tienen mayor sensibilidad magneto-resistiva en la medición y se puede dar una información del tipo de vehículo. Mediciones en la carretera Se montó una prueba de campo. debido al tamaño y la colocación del sensor. Estos sistemas monitorizan el flujo de tráfico. en ciertas secciones del camino.6. En comparación con los métodos inductivos. Aunque se utilizan sistemas computerizados altamente sofisticados para analizar las diversas entradas en los sistemas de tráfico. necesitan ocupar una gran área de la carretera durante la instalación. furgonetas y camiones).Sensores – Acondicionadores . con un módulo sensor tridimensional. los sistemas pueden ser instalados más fácilmente y rápidamente en cualquier tramo de la carretera o incluso en el lateral de la carretera. utilizando las técnicas de medición de campos débiles con sensores magneto-resistivos. Como que prácticamente cada vehículo fabricado contiene un alto número de componentes ferromagnéticos. permitiendo que signos indicadores de camino controlen el flujo y la velocidad del tráfico.
5. Combinado con el bajo consumo. puede ser detectado un campo magnético específico para cada modelo de cada fabricante. que producen espectros como los de la figura siguiente. los sistemas de control de tráfico se están convirtiendo en más necesarios para evitar atascos. marco y ruedas de aluminio). primero para medir las señales de diferentes vehículos y después para discriminar valores de señal en tres categorías de vehículos (coches. Con simples modificaciones a estos sistemas permiten ser utilizados para mejorar la seguridad y también para monitorizar el tráfico en tierra de los aeropuertos. el promedio de velocidad y la densidad. se situó un módulo en la carretera bajo el vehículo y para su comparación se hizo una segunda prueba.3 Detección de Tráfico
Como que el número de vehículos utilizando vías ya congestionadas aumenta constantemente. situando un módulo en el lateral de la carretera. actualmente esta información de entrada se obtiene desde sistemas de detección inductivos. En la primera prueba. También son más vulnerables debido a la tensión térmica del pavimento. de modo que solamente sería registrado el desajuste en el campo provocado por el vehículo cuando pasa. alto consumo.
los campos magnéticos externos fuertes pueden perturbar al sensor suficientemente para producir resultados ambiguos.6. hay el peligro que el campo auxiliar excediera al campo requerido y se produciría un cambio en la característica del sensor. produciendo una histéresis en la salida del sensor. Fuera de esta área. como fluctuaciones en el campo transversal.
Salida del sensor en el campo de un imán permanente.
Salida del Sensor en un campo magnético fuerte. está definida aproximadamente por la longitud del imán. que se puede igualar a la posición del imán respecto al sensor. ya que cuando un imán se mueve sobre el objetivo a detectar. El principio es muy similar al que se utiliza para la medición angular. Detector de Proximidad utilizando un sensor magnetoresistivo. es posible utilizar el sensor junto con un comparador. los cambios en los vectores de magnetización internos de las tiras de ‘permalloy’ del sensor. En este montaje el sensor tiene una salida negativa. con un gran número de aplicaciones posibles. Cuando un sensor magneto-resistivo está situado en un campo magnético permanente. figura siguiente. En la figura anterior se muestra uno de los montajes más simples utilizando una combinación de sensor e imán para mediciones de desplazamiento lineal. el campo axial producido por el imán se hace más débil y cerca de los polos cambian de dirección. que se puede pasar hacia la entrada inversora de un comparador. Orientando el eje del sensor a 45º respecto al eje del imán permanente. debajo de un cierto nivel. se alinean ellos mismos con el campo magnético externo. generalmente está expuesto a campos en ambas direcciones X e Y.Procesadores
5.4 Medida de Posición lineal y de Proximidad
La gran sensibilidad de los sensores magneto-resistivos sirven para los sistemas de medición de posición lineal. entonces se puede ver que cualquier movimiento en la dirección Y. para ambos montajes del imán. Los niveles de conmutación del sensor son muy importantes en esta aplicación. y para la medición de una posición lineal se puede adaptar y modificar fácilmente para producir un sensor de proximidad. tal como se muestra en la figura. como un detector de proximidad. La salida resultante es claramente indicativa de la distancia ‘d’ entre el imán y el sensor.Sensores – Acondicionadores . Si se utiliza un campo magnético fuerte o el sensor está situado muy cerca del imán. Si el imán está orientado de tal modo que el eje del campo auxiliar en la dirección X es paralelo a las tiras de permalloy del sensor.
. El punto básico puede ser utilizado para la medición de la posición de un punto. La región lineal de la salida sinusoidal del sensor. cambiando así su resistencia.
el imán rueda delante del sensor y el ángulo del campo externo cambia con relación al campo interno de las tiras del ‘permalloy’. si hay un microprocesador en el sistema. como se explicó anteriormente el efecto magnetorresistivo es de naturaleza angular. Si la señal de salida es aceptable en la aplicación (por ejemplo. Para lograr una medida exacta. que permite reducir las tolerancias del sistema y el ajuste del sensor.5 Medición Angular
El principio de la medición angular con un sensor magneto-resistivo es esencialmente simple. Si se posicionan con precisión mecánicamente entre sí a 45° el uno del otro. la deriva magnética con la temperatura. una sola rotación del objetivo (360°) se traduce en una señal de salida de 720º (2 ondas senoidales completas). que puede convertir la curva senoidal de salida a una relación lineal) el rango del ángulo se puede extender a ±35°.
. pero no afecta en la mitad del rango. Montaje del sensor y el imán. en aplicaciones de medida angular. alineándose con el campo externo.
Medición de un ángulo con el sensor KMZ10B.
Alineación de los Vectores de campo magnético internos del sensor con respecto a diferentes campos externos desde 0 hasta 100 kA/m.Procesadores
5. Esto se hace aplicando un campo externo muchísimo mayor que el campo interno para que el sensor sea ‘saturado'. 2α se puede calcular fácilmente. delante del sensor (y se posiciona para que su vector de magnetización interno esté en paralelo al imán en el punto de referencia). entonces electrónicamente sus señales de salida están desfasados 90°. Si se usa un sensor en el modo no-linealizado. La resistencia de las tiras de ‘permalloy’ depende del ángulo α entre el vector de magnetización interno de la tira de ‘permalloy’ y la dirección de la corriente a través de éste. Al usar una combinación de sensor/imán.6. Por consiguiente. La única precaución que se tiene que tomar con esta técnica. Esto significa que la señal de salida del sensor magneto-resistivo sólo ofrece buena linealidad dentro del rango del ángulo de ±15° (donde sen α = α). se usan dos sensores. En este montaje mecánico. la tendencia magnética con el tiempo. las señales de salida de los dos sensores representan el sen2α y el cos2α respectivamente y como que sen2α/cos2α = tan2α. con los sensores actuales. en el plano del sensor. entonces.Sensores – Acondicionadores . Para extender el rango del ángulo. aproximadamente. la única condición es que el vector de magnetización interno del ‘permalloy’ siga directamente al campo externo. véase la figura anterior. Para obtener una solución para ángulos en el rango de ±90°. de la relación básica: (R = RO + ∆RO cos2α) se puede mostrar fácilmente que: R ≈ sen2α. el ángulo se mide directamente detectando la dirección del campo y el montaje es independiente de: la fuerza de campo del imán. esto normalmente se logra teniendo una fuerza de campo magnético de 100 kA/m. Esto causa que el vector de magnetización interno del sensor ruede con un ángulo α. y las tolerancias mecánicas. el imán se pone en el objetivo. Ésta es la solución adoptada por Philips en los módulos KM110B. es asegurar las direcciones del campo durante el ajuste las direcciones del campo después del ensamblaje. La resolución se reduce en los extremos del rango. Cuando el objetivo gira.
. Esto significa que la señal de salida de este sensor es independiente de la posición relativa del sensor con respecto al imán en dirección lateral. Están formados por estructuras del puente monolíticas.
La excelente característica de este sensor magnético. Los resultados óptimos se logran usando imanes permanentes o ruedas dentadas con polos magnéticos. unidades de suspensión activa. Son sensibles a la dirección del campo magnético aplicado. optimizados para la detección de posiciones angulares. alineados con un desfase de 45° de sus direcciones de sensibilidad magnética. es que es sensible a la orientación del campo magnético y no a su intensidad. para una resolución de 360 grados. GMR B6.Procesadores
Medición de un ángulo con dos sensores KMZ10B. Las aplicaciones típicas de los sensores magnetorresistivos para la medición de ángulos son: Automoción (posición de pedales. control de retorno de los cinturones de seguridad y detección de desgastes). En la figura se muestra el esquema real del sensor KMZ41 de Philips. donde la precisión del ángulo es vital). axial o rotatoria. Maquinas de juego (joysticks). Electromedicina (escaners. en forma de puente de Wheatstone completo (formado por 4 resistencias). pero no a su intensidad.Sensores – Acondicionadores .6 Sensor Magnetico-Resistivos Gigante (GMR) para la medida de ángulos
Los sensores de ángulo GMR de Infineon están basados en una tecnología multicapa. GMR C6. con tal de que el campo esté en un rango entre 5… 15 kA/m. sistemas de autonivelación.6. conectadas como dos puentes de Wheatstone individuales. produciendo los requerimientos de un desfase eléctrico de 90°. control de válvulas. en el rango de varios milímetros. para una resolución de 180 grados y dos medios puentes de Wheatstone (formado por 2 resistencias). esto se logra usando los adelantos en la tecnología de fabricación de los sensores magneto-resistivos. etc. Tiene 8 redes de material magneto-resistivo. Como que los sensores tienen que estar alineados mecánicamente a 45º (muy exactamente).
Este fenómeno se denomina Efecto Hall. el campo magnético. con la familia AD22xxx.Procesadores 5.Sensores – Acondicionadores .H.
. Si una corriente fluye en un conductor (o semiconductor) y se le aplica un campo magnético perpendicular a dicha corriente. particularmente en aplicaciones de posición y movimiento. Analog Devices ha integrado en un solo dispositivo el sensor y la circuitería de acondicionamiento para minimizar las derivas debidas a la temperatura asociadas a las características de la célula de silicio. VH es una función de la densidad de corriente. El efecto Hall se usa para hacer sensores de movimiento. may en 1879.7 Sensores de Efecto Hall El fenómeno Efecto Hall fue descubierto por E. entonces la combinación de corriente y campo magnético genera un voltaje perpendicular a ambos. y la densidad de carga y movilidad portadora del conductor. lineal o rotatorio.
los Encoders Incrementales y Encoders Absolutos. formados por un disco que tiene dibujados segmentos para ser detectados por los sensores.Procesadores 5. que por reflexión permiten detectar dos tipos de colores.
. blanco y negro normalmente. La diferencia es que se necesita varios sensores ópticos y el disco debe de tener una codificación tipo Manchester. reflectivos y los encoders ópticos. Existen dos tipos de encoders.1 Foto-interruptores de barrera
Están formados por un emisor de infrarrojos y un fototransistor separados por una abertura donde se insertará un elemento mecánico que producirá un corte del haz.3 Encoders ópticos
Con los foto-interruptores y los reflectivos se pueden montar los encoders ópticos.8.
5.8.2 Foto interruptores reflectivos
Están formados por un emisor y un receptor de infrarrojos situados en el mismo plano de superficie.Sensores – Acondicionadores . sobre un elemento mecánico. Encoders Absolutos: permiten conocer la posición exacta en cada momento sin tener que dar una vuelta entera para detectar el punto cero del disco.
5. La salida será 0 o 1.8.
5.8 Sensores Ópticos Los sensores ópticos los forman los fotointerruptores de barrera. por ejemplo. Encoder Incrementales: permiten que un sensor óptico detecte el número de segmentos que dispone el disco y otro sensor detecte la posición cero de dicho disco.
Velocidad / Cambio de velocidad. Aplicaciones: Aceleración / Desaceleración (Air Bag). este importante desarrollo del acelerómetro no podía haber ocurrido en un tiempo mejor. 2. Actividad sísmica. que consiste en una masa fija m. vibración y choques). Detección prematura de fallos en un equipo en rotación. Piezo-eléctricos: Una deformación física del material causa un cambio en la estructura cristalina y así cambian las características eléctricas. g (1g = 9.Sensores – Acondicionadores . encontramos que a=k*x/m y podemos derivar la magnitud de la aceleración observando el desplazamiento x de la masa fija. Solamente la superficie micromecanizada
. Si la masa se desplaza una distancia x. Piezo-resistivos: Una deformación física del material cambia el valor de las resistencias del puente. Substituyendo en la ecuación de Newton. Efecto Hall: La corriente que fluye a través de un semiconductor depende de un campo magnético.1 Acelerómetros Capacitivos Analog Devices con el acelerómetro monolítico ADXL50. sistemas antibloqueo de frenos y "airbag". Choques / Vibraciones.1 Medición de la Aceleración Las técnicas convencionales para detectar y medir la aceleración se fundamenta en el primer principio descubierto por Newton y descritos en su Principio de Newton en 1687.8m/s²) 6. La unidad de medida es: m/s². cierre de puertas automática.1. Electromecánicos: Una masa con un resorte y un amortiguador. 4. El elemento sensor estaba complementado con una circuitería de acondicionamiento de señal con salida de voltaje proporcional a la aceleración. La Aceleración es el cambio de la velocidad. es un minúsculo sensor de aceleración de movimiento en un circuito integrado de silicio de bajo coste. Muchos acelerómetros operan detectando la fuerza ejercida en una masa por una limitación elástica.Procesadores
6 Sensores de Movimiento (Posición. con un muelle con una rigidez k (constante). Los sensores de movimiento permiten la medida de la fuerza gravitatoria estática (cambios de inclinación). así también trabajan los modernos acelerómetros micromecanizados. Posteriormente se ha mejorado la circuitería dando una salida digital con el ADXL202. Capacitivos: El movimiento paralelo de una de las placas del condensador hace variar su capacidad. 6. donde F es la fuerza. 3. Detección y medida de manipulaciones. y la medida inercial de la velocidad y la posición (la velocidad midiendo un eje y la posición midiendo los dos ejes). la medida de la aceleración dinámica (aceleración. La aceleración constante de una masa implica una fuerza (F = m * a).
Considerando un sistema mecánico simple. Este principio fundamental se utiliza hasta en el más sofisticado y caro acelerómetro electromecánico. se convirtió en la primera compañía que ha fabricó en producción de alto volumen un acelerómetro para aplicaciones en automoción como son los sistemas de suspensión activos. la aceleración debida a la fuerza restauradora del muelle es F = k * x. Velocidad y Aceleración)
1. a es la aceleración y m es la masa. 5. El sensor lo forma una superficie micromecanizada.
que varía desde 2. no obstante están libres para moverse. de placas paralelo. la masa desplaza las minúsculas placas del condensador. El resultado es un sistema de medición de aceleración completo en un espacio más pequeño de 10 mm². Este cambio de capacidad es detectado y procesado para obtener un voltaje de salida fácil de utilizar utilizando una tecnología BiCMOS (BiMOS II).Sensores – Acondicionadores .
. única de Analog Devices asegura que el sistema trabajará en el instante necesario. Los otros elementos están libres para moverse. Esta característica esencial.
6.Procesadores puede dar la combinación de alta seguridad en su funcionamiento y tamaño pequeño.5 a 5 mm de lado. ejerce una fuerza a la masa central. La aceleración o desaceleración en el eje “SENSOR”. cada uno actúa como una placa de un condensador variable. está diseñado para hacerse una autocomprobación continua con la aplicación de un comando digital. la superficie micromecanizada crea estructuras pequeñas que están cerca de la superficie del silicio. provocando un cambio de capacidad. Al moverse libremente. La superficie micromecanizada no se debe confundir con el procesado del volumen micromecanizado utilizado para crear acelerómetros piezorresistivos que hay actualmente en el mercado. La superficie micromecanizada es una técnica de procesamiento utilizada para fabricar estructuras mecánicas extremadamente pequeñas de silicio. lo forman una serie de filamentos finos. Estas dimensiones tan pequeñas también dejan sitio para la inclusión de todo el conjunto de circuitos de acondicionamiento de la señal necesaria en el mismo chip. La estructura del sensor se hace una autoprueba. Los delgados y largos brazos de la "H" están fijos al substrato. el movimiento del elemento micromecanizado en el acelerómetro es menor de 1 mm². En realidad. representan un avance muy importante. La superficie micromecanizada involucra depositar películas delgadas en el substrato. con una masa central. El silicio que se prueba a sí mismo: ¿Cómo puede probar un sistema "airbag" electromecánico para asegurar que está siempre listo para jugar su papel de salvamento?. La respuesta es muy simple: no puede. Por esto los acelerómetros monolíticos de Analog Devices con su modo de autocomprobación natural.1.3 Funcionamiento del sensor micromecanizado
Cuando se observa el sensor micromecanizado parece una "H". El elemento sensor del acelerómetro mide cerca de 1 mm². Esculpir un volumen micromecanizado a través de un substrato relativamente grueso. Utilizando los mismos pasos para hacer circuitos electrónicos convencionales.
exactamente y a bajo coste. con el elemento sensor micromecanizado. Los elementos más dispuestos a dañarse son los dispositivos de almacenamiento masivo (con la consecuente pérdida catastrófica de información almacenada).
6. Las aplicaciones militares incluyen ingeniosos sistemas de detonación para mísiles y bombas. Por otra parte.5 Otros Desarrollos
El ADXL105 forma parte de una familia que incluye una sensibilidad de escala completa de ± 5 g. manifestada de muchas maneras (gravedad. un movimiento repentino puede provocar fácilmente un problema. También puede ser utilizado para monitorizar máquinas de salud. un cronómetro y un registro de información) se incluyera en la consignación. El delicado mecanismo que lee y escribe información a los discos. es posible avisar de algún fallo inminente. orientados o no en la misma posición ortogonal. abre numerosas aplicaciones para los acelerómetros. discos duros particularmente. En este caso un acelerómetro forma parte del sistema difuso. También está en desarrollo una familia de sensores de diferentes rangos.
. y actividad sísmica). Tales grabadoras podrían ser la norma para transportar delicados y caros objetos. Es decir se pueden construir sensores de doble eje. ¿y de quien es la culpa?. permitiendo medir vectores de aceleración en el plano de superficie del chip y con una salida digital. se pueden alinear dos o más sensores en el mismo plano.1. la detección de impacto por la rápida desaceleración asociada. es posible incorporar varios en un mismo chip. como el ADXL202. por la aplicación de una fuerza igual pero opuesta creada por la aplicación de un voltaje en las placas del condensador. maquinas de rotación para mostrar las características de vibración. estas preguntas se podrían responder fácilmente. estos son algunos ejemplos..Procesadores El dispositivo realmente trabaja en un lazo de control electrónico de fuerza/balanceo. Un acelerómetro puede detectar el "ataque del daño potencial". con una resolución de 10mg. monitorizando continuamente las vibración de una máquina.. La medición de la aceleración continuamente. estableciendo el instante preciso en que la carga explosiva debe ser detonada produciendo el daño máximo sobre el objetivo.
6. vibración. Si una grabadora de mano (que consista de un acelerómetro. La continua variación de salida del acelerómetro sería rápidamente analizado.Sensores – Acondicionadores . Muchos de nosotros hemos tenido la decepcionante experiencia de abrir un paquete grande y nos hemos encontrado los delicados contenidos totalmente maltratados debido a golpes externos. flota sobre los discos. ¿Cómo ocurrió el daño?. grietas o fatigas de las máquinas. sistemas de ventilación y aire acondicionado. Este lazo de control evita el movimiento de la masa en aceleración. contrarrestar los choques y evitar que se dañe el disco. Los fabricantes de ordenadores portátiles continuamente buscan formas para hacer sus productos más seguros.. permitiendo sensar señales redundantes para detectar fallos en aplicaciones seguras. Las aplicaciones varían según el tipo de máquina: desde una aeronave. Este voltaje aplicado es directamente proporcional a la aceleración.4 Otras Aplicaciones
La aceleración es una cantidad física fundamental. sistemas de calentamiento..1. destruyéndose igualmente la información.
pero es muy fácil de hacer usando un acelerómetro ¡
6. Si se cambia la inclinación (a lo largo del eje sensible de un acelerómetro) se cambia el vector de aceleración: θ = arcsen[(V(out)-V(cero g)) / (1 g x factor de escala factor(V/g))] ! Esto parece complicado. Control dinámico de Vehículos (control de deslizamiento). La exactitud Posicional se degrada a 20m después de 10 segundos de integración. pero la exactitud se degrada proporcionalmente al cuadrado del tiempo de integración.8 m/s2 = 1 g. se mide el campo gravitatorio estático de la Tierra. Ascensores (mejora la precisión posicional usando la medida inercial entre puntos de localización de referencia conocidos)
.2 Medida de Inclinación Para medir la inclinación. Se conoce la aceleración en la tierra. Es posible una exactitud Posicional de 2cm sobre un segundo.3 Medida inercial de la velocidad y la posición Midiendo la aceleración se puede determinar la velocidad y la posición. La Aceleración Integrada: una para velocidad. dos veces para la distancia.Sensores – Acondicionadores . que es de 9.Procesadores
6. Aplicaciones: Mejora la precisión de los sistemas GPS (determina la posición del coche cuando el GPS pierde la señal en un túnel). Medida Relativa desde una posición inicial: Velocidad = A * t Distancia = (A / 2) * t^2
Puede ser exacta para periodos cortos de tiempo.
La velocidad angular se determina por la medida de la aceleración de Coriolis. girando el objeto en un plano ortogonal a su movimiento periódico causa una fuerza de traslación en la otra dirección ortogonal. ω es la velocidad angular aplicada
La Velocidad aplicada por medio una estructura rígida resonando a 18KHz acoplada a un marco de un acelerómetro. La velocidad angular se mide midiendo la fuerza de Coriolis
¿Cuál es la fuerza de Coriolis?: Cuando un objeto se mueve de una manera periódica (oscilando o girando). por los sensores de velocidad de las ruedas. El funcionamiento diferencial permite el rechazo de muchos errores. La mayoría de los sistemas VDC también incluyen acelerómetros de bajos g.
Aplicaciones: Control Dinámico de un Vehículo (VDC).
.Procesadores 6.1 Medida de la velocidad angular La velocidad angular mide la rapidez en que gira un objeto alrededor de un eje. para ver si el vehículo se está deslizando. Mide la velocidad sobre el eje vertical de un vehículo y compara el valor predictivo. 6. Acor = 2 * (ω velocidad de la masa) donde. que se usan para medir si el deslizamiento del vehículo es longitudinal para el control ABS o lateral para detectar perdida de tracción. Puede medir cambios de inclinación o cambios de dirección integrando la velocidad angular.4 Giróscopos monolíticos Analog Devices ha fabricado el primer giroscopio monolítico para realizar medidas angulares (mide la velocidad en que gira sobre su propio eje). La aceleración de Coriolis estará en la misma frecuencia y fase que el resonador. Integrando la velocidad angular se miden los cambios de inclinación o cambios de dirección. La familia ADXRS150 usa dos traviesas (masas) resonando en antifase.Sensores – Acondicionadores .4. con tal que la baja velocidad de vibración externa pueda cancelarse.
Existe una variedad de sistemas para la medición de caudal. Semiconductores: Por diferencia de presión utilizan un sensor de presión diferencial entre dos puntos separados de medida en un tubo. por vibraciones (un elemento mecánico vibra al paso del caudal y se mide la frecuencia). dependiendo de los líquidos y de los caudales. 4. 1.
.Sensores – Acondicionadores . 3.
Dos montajes para la aplicación de medida de caudal por diferencia de presión. por turbina (contando las vueltas). serie MPX. Motorola fabrica sensores de Presión de medida diferencial. por turbulencias (mediante el paso del caudal a través de un cilindro donde gira un cuerpo magnético y al dar vueltas conmuta un interruptor magnético exterior y se cuentan los pulsos). Ultrasonidos: Aplicando un emisor y un receptor de ultrasonidos. Electromecánicos: Por pistones (midiendo el volumen de cada pistonada).Procesadores
7. Magnéticos: Aplicando un campo magnético perpendicular al caudal. 2.
Bajo consumo Son más caros. Buena linealidad. Proporciona aislamiento.
Analog Devices fabrica el acondicionador de bobina Rogowski ADE7759. se forma un campo magnético alrededor del mismo. Tiene todas las ventajas del Transformador de Corriente. Capaz de medir altas corrientes. Tiene problemas de saturación DC. un inductor con inductancia mutua con la corriente primaria. Bajo costo. Inmune al problema de la saturación DC. Consumo medio. Baja disipación comparada con la del Shunt. Buena linealidad. Necesita un integrador. Baja linealidad. Para analizar el funcionamiento de la bobina Rogowski primero hay que ver repasar algunos efectos de la corriente y el campo magnético. Variación alta con la temperatura
.Sensores – Acondicionadores . No está aislado. Un desfase de 0.1º produce un error en la facturación. Efectos Alta disipación de potencia en forma de calor. pero es más barato.
Voltaje inducido en una bobina por el cambio del campo magnético: Los cambios del campo magnético dentro de la bobina inducen una fuerza electromotriz.4 Bobina Rogowsky La bobina Rogowski se basa en un modelo simple. Necesidad de aislamiento galvánico. Se necesita emparejar la fase. Es difícil tener un integrador que sea muy estable con el tiempo. No útiles para grandes corrientes. Sensor de Corriente Shunt Características De 100 a 500µΩ. Campo magnético inducido por un conductor: Cuando pasa una corriente a través de un conductor. La magnitud del campo magnético es directamente proporcional a la corriente.Procesadores 8.
Combinando las dos formulas anteriores da El voltaje de salida es proporcional a di/dt. Inmune a la saturación DC. Bueno para altas corrientes. La fuerza electromotriz es un voltaje y es proporcional a los cambios del campo magnético dentro de la bobina.
especialmente preparado para la medición de energía y captura de señal formado por 6 canales con entrada diferencial con amplificador de ganancia programable. con los módulos de usuario configurables del PsoC.Sensores – Acondicionadores . utilizando el software PsoC Designer gratis desde la web: www.com/energymeter
Usando un microcontrolador PsoC de Cypress.analog. que procesará los datos y los mostrará en un visualizador LCD y podrá enviar la lectura medida automáticamente por cualquiera de los sistemas de comunicación actuales.com
. con unos completos circuitos acondicionadores de señal como la familia ADE775x de Analog Devices. http://www.Procesadores 8.cypressmicro. convertidor sigma/delta de 16 bits. es posible integrar en él una EEPROM. la RTC. que se denomina AMR (Automatic Meter Reading). Estos circuitos pueden mandar las medidas digitalizadas a un microcontrolador. preparado para ser conectado a un DSP. se puede medir la potencia energética. procesa la medición dando como resultado unos impulsos proporcionales a la potencia para atacar directamente a un contador de energía mecánico. un driver LCD (16x2) y driver de IRDA.5 Medición de Energía Aprovechando diversas maneras de medir la corriente y midiendo la tensión de la red eléctrica. Analog Devices tiene un completo acondicionador de señal trifásico AD73360.
El siguiente esquema muestra otro circuito que además de medir la corriente y la tensión.
de 1000 MΩ para obtener una tensión de 30 mV y para una corriente de 10 nA obtendremos una tensión de salida de 10V. impresoras láser). Ambas tecnologías convierten la luz incidente (fotones) en carga electrónica (electrones) por el mismo proceso de foto-conversión. Optoelectrónicos: Un fotodiodo convierte la intensidad luminosa en corriente eléctrica. como el AD549.001 fc CORRIENTE 30 mA 3 mA 0. ILUMINACION Sol directo Cielo nublado Anochecer Noche con Luna llena Noche sin Luna 1000 fc 100 fc 100 fc 0. El modo de trabajo lineal más preciso se obtiene con el sistema denominado fotovoltaico. para valores de iluminación superiores se tendrá que reducir el valor de dicha resistencia. 3. lector de códigos de barras. AD795 y AD645 de Analog Devices.1 Fotodiodos Los fotodiodos generan una pequeña corriente proporcional al nivel de iluminación. implica poner una resistencia de realimentación en el amplificador operacional muy alta. Ambas tecnologías pueden incorporar sensores “photogate” o “photodiode”. En medicina (detección de rayos X. Generalmente. sobre todo a
. con una muy baja corriente de “Bias” de hasta 1pA.Sensores – Acondicionadores . por ejemplo. Un amplificador operacional con entrada FET es la mejor elección para este tipo de aplicación. AD546.Procesadores
9. El circuito equivalente de un fotodiodo se muestra en la figura. analizador de partículas en la sangre).1 fc 0.
9. La corriente obtenida para diferentes intensidades de luz se muestra en la tabla siguiente. 2. Resistivos (LDR): Varían la resistencia interna en función de la intensidad luminosa recibida. Algunas de las aplicaciones típicas son: En la industria (sensores de posición.03 mA 3000 pA 30 pA
Para detectar una corriente de 30 pA.
Circuito equivalente de un fotodiodo conectado a un opamp. Sensores de Imagen CCD y CMOS: Un conjunto de sensores (píxel)
9. los sensores “photodiode” son más sensibles. Sensores de Luz
1. ambos son de silicio y son similares en cuanto a sensibilidad al espectro visible y cercanos al IR. En óptica (auto-foco.2 Sensores de Imagen Existen dos tipos de sensores de imagen (CCD y CMOS). control de flash). Entonces. En comunicaciones (receptores de fibra óptica).
336 píxels) VGA (Video Graphics Array): 640 x 480 (307.2.html?ct=hp.com/
9.200 pixels) QVGA (Quarter Video Graphics Array): 320 x 240 (76.5 Procesado y compresión de video 51
9. rojo.2.2. verde.2.jsp?nodeId=01M938563451529 Philips con la serie OM68xx http://www.philips. pero necesitan voltajes de alimentación altos y el consumo es alto. Técnicamente es factible pero sería muy caro integrar toda la circuitería de control de una cámara. 1280 x 1024 (1.800 píxels) CIF (Common Intermediate Format): 352 x 288 (101.3 Fabricantes de sensores de imagen
Micron con la serie MI-xxxx http://www.com/imaging/index. normalmente cubriendo cada píxel individualmente con un color de filtro (ej.semiconductors.Sensores – Acondicionadores . están mucho más avanzados que los CCD.
9.800 píxels) QSIF 160 x 120 (19. Extended Graphics Array. azul).
9.Procesadores la luz azul.800 píxels) SVGA (Super Video Graphics Array) tienen varios formatos estándar: 800 x 600 (480.400 pixels) QCIF (Quarter Common Intermediate Format): 176 x 144 (25. Permiten la integración de toda la circuitería de control en el propio chip. 1024 x 768 (786. pero desde el punto vista de la detección.300 píxels) QQCIF (Quarter Quarter Common Intermediate Format): 88 x 72 (6. Los sensores CCD son de bajo ruido. El consumo es menor en los dos modos: trabajo y espera. proporcionando una excelente calidad de imagen.pl Motorola con la serie MCM2xxxx http://e-www.1 CCD (Charge-Coupled Device)
La tecnología CCD tiene ahora casi 25 años y usa un especializado proceso VLSI.000 pixels). 1600 x 1200 (2-megapixel)
9.400 pixels) o XGA.3 Formatos de los sensores de imagen
SIF 320 x 240 (76.micron. El acceso aleatorio permite el “pan/zoom/windowing” electrónico. Así que se necesitan varios chips para realizar una cámara con CCD. Utilizan un bajo voltaje de alimentación.2. Pueden hacerse sensores de colores de la misma manera con ambas tecnologías. que es una condensada malla de electrodos de polysilicio que se forma en la superficie del sensor.motorola.2 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
Los sensores de imagen CMOS detectan la luz de la misma manera que los sensores CCD.com/webapp/sps/site/taxonomy.200 píxels) QQSIF 80 x 60 (4.3-megapixel). El costo es menor por el proceso de fabricación CMOS.
En el caso de salida con señal analógica. que son circuitos dedicados para compresión y descompresión de video digital CCIR-601SI a 350:1 a tiempo real. utilizando el algoritmo de compresión Wavelet.kodak.machinevisiononline.Procesadores Los sensores de imagen están teniendo una gran expansión gracias a los mercados de las cámaras fotográficas y de video digitales.Sensores – Acondicionadores .analog. La teoría del Wavelet en que están basados los ADV601. video porteros) y las aplicaciones industriales (robótica. se puede procesar la imagen comprimiéndola en una de serie de estándar. visión en automoción. imagen en aplicaciones médicas. con niveles de calidad de imagen muy altos.imageprocess.shtml
. JPEG: (Joint Photographic Experts Group) ISO 10918-1 M-JPEG: (Motion JPEG)
Para procesar y comprimir video digital se usan también los ADV601 y ADV601LC de Analog Devices.com www. es explícitamente un nuevo aparato matemático introducido por Morlet y Grossman en sus trabajos de geofísica durante los años ochenta. También se está integrando en algunos casos la óptica con el sensor. 9). por ejemplo). lápices inteligentes. Más tarde se ha visto un gran crecimiento en aplicaciones de procesado de señal y de imagen. OCR.com http://www. MPEG. que es está basado en la transformada de Wavelet bi-ortogonal (7. etc). como JPEG. identificación. pueden tener una salida de señal analógica (video compuesto) o digital (USB.. cámaras de PC.com/US/en/digital/dlc/book3/chapter1/index.semiconductors. Esta teoría se puso muy popular en físicas teóricas y en matemática aplicada.org/ www. Los sensores se están integrando junto con circuitería adicional de procesado. lector de código de barras..philips.com http://www. así como el circuito cerrado de televisión (seguridad. Para mayor información: www.
Organizaciones de Biometría y Forums Consorcio en Biometría: www. www. reconocimiento facial (Facial recognition).bioapi.afb.
Motorola proporciona un diseño de referencia completo con el microprocesador ColdFire de 32 bits MCF5249 (RDM5249FINGERPRINT).us/digital.cs. con todo tipo de detalles y software.biometrics. Sensores Biométricos
Los Sensores Biométricos se basan en sensores de imagen CMOS.htm NIST: www.Sensores – Acondicionadores . escáner de la Retina (Iris Scans).state.ibia.org Reconocimiento Facial: www.org Asociación para Biometría. escáner de la mano (Hand geometry). que posteriormente procesan la imagen obtenida con un DSP para identificar los puntos necesarios para usarlos como identificación.nist.edu/biometrics International Biometric Industry Association: www.ct.org BioAPI Consortium (sucesor de HA-API): www.nl/~peterkr/FACE/face. También hay disponible una nota de aplicación AN2382.org.gov
.rug. Aplicaciones: Sensor de la huella digital (Fingerprints).sjsu.dss.html Connecticut's biometric imaging project: www.Procesadores
10.uk National Biometric Test Center: www.engr.
Semiconductores : La absorción de Oxigeno en la superficie del substrato varía el flujo de electrones. con material radioactivo. Un fabricante es Humirel.
12. Los hay de diferentes tipos. Los diodos los suministra Infineon con el emisor SFH203 y el receptor SFH484. amoníaco. sensibles al monóxido de carbono. Sensores de Gases
1. Un fabricante es Figaro Engineering Company. Resistivos : El sensor lo forma una resistencia NPC (Negative Pollution Coefficient).
.Sensores – Acondicionadores . con coeficiente de polución negativo. alcohol y gasolina. 2.Procesadores
11. Sensores de Humo
• Iónicos: Los sensores de humo iónicos se basan en una cámara iónica. que envía una alarma y dispone un driver de led y zumbador. que cuando entra humo en dicha cámara se produce un cambio de ionización y se procesa la señal a través de un completo circuito integrado de Motorola. que se procesa a través de un circuito de Motorola que envía una alarma y además dispone un “driver” de led y de zumbador.
cámara que cuando entra humo hay una interrupción del haz de infrarrojos. que según sea más alta la concentración de gas en el aire más disminuye dicha resistencia. o al propano y metano. CO y CH4.
con lo que hay que utilizar un acondicionador de entrada de muy alta impedancia. REDOX (Oxidación-Reducción). todos ellos se basan en elementos de muy alta Impedancia.
.Sensores – Acondicionadores . se pueden encontrar en Analog Devices. Sensores de Conductividad
Sensores de conductividad.Procesadores
Los acondicionadores para este tipo de aplicación. pH.
como los amplificadores de instrumentación.Impedancia de entrada infinita. así como en Philips Semiconductors.Rechazo en modo común infinito
14. empezando por el uso de amplificadores operacionales integrando varios de ellos en uno sólo. .1 Consideraciones sobres los Amplificadores Operacionales:
14.1.1 Amplificador Operacional “Ideal”
Un amplificador operacional “ideal” tiene: .
También las cadenas de acondicionamiento se han ido reduciendo drásticamente y día a día hay que ir viendo los nuevos productos que compiten en coste con los “actuales” y mejoran sus prestaciones. 14. a un microprocesador o DSP. como Analog Devices.Ningún error en DC . ST. de los principales fabricantes de circuitos analógicos.Procesadores
14. La alta integración de los circuitos está desplazando los montajes con muchos componentes a diminutas placas con mayor precisión en el proceso analógico.Impedancia de salida cero. como dice su palabra prepara la señal que vamos a procesar antes de entrarla a un convertidor A/D.1. Texas Instruments y BurnBrown (comprada por TI). . Acondicionadores
Los acondicionadores de señal.Ganancia infinita en lazo abierto en todas las frecuencias.2 Amplificador Operacional “Real”
Además se pueden encontrar en una cantidad de circuitos acondicionadores.Sensores – Acondicionadores .
Dobla por cada 10ºC de incremento en temperatura .Impedancia de entrada típica 1012 ohms Bajo ruido (Low noise) Están caracterizados por una baja densidad de tensión de ruido (<10 nV por raíz de Hz) y una baja densidad de corriente de ruido.Pequeña señal / ancho de banda . El rango típico de corriente de “bias” según la tecnología de los amplificadores operacionales son: BJT (Bipolar Junction Transistor): . .Varía linearmente con al temperatura . Los amplificadores con transistores de efecto de campo (FET) son los que tienen mejor estas características. Alta Velocidad (High speed) Están caracterizados por: .Impedancia de entrada típica de centenaries de Megaohms FET (Field Effect Transistor): . In .1.Corriente de ruido de entrada.Tensión de ruido de entrada.Slew rates > 50 V/ms .High gain bandwidth product >10 MHz .Típicamente de 10 nA a 10 mA .Tensión de “offset” de entrada.Procesadores Parámetros típicos en DC.Slew rate Los valores de estos parámetros determinarán las aplicaciones para las que un amplificador está mejor preparado.Corriente de “bias” de entrada. El rango típico de los voltajes de offset de entrada de los amplificadores operacionales son: • Chopper < 1 µV • Bipolares de Precisión 10 .000 µV Baja corriente de “bias” (Low bias current) Están caracterizados por una muy baja corriente de “bias” y una muy alta impedancia de entrada. o en la entrada o en la salida o de ambos. Rail-to-Rail Un verdadero amplificador operacional Rail-to-Rail puede oscilar dentro de unos pocos milivoltios de alimentación.
.Settling times < 100 ns Alimentación única (Single supply) Los amplificadores operacionales se usan en aplicaciones de muy bajo consumo (5µA a 150µA) y bajo voltaje (1.Sensores – Acondicionadores .3 Categorias de los Amplificadores
Los amplificadores operacionales se pueden clasificar en las siguientes categorías: Precisión (Precision): Están caracterizados por una baja tensión de “offset” y baja deriva del “offset” por temperatura.
14. Ib Parámetros típicos en AC. En .8V a 5V). . <10pA por raíz de Hz.25 µV • Bipolares de Propósito General 50 – 500 µV • FET 50 – 1.Típicamente << 1 pA . EOS o VOS .000 µV • Bipolares de Alta Velocidad 100 – 2.
Philips. Motorola.
.Sensores – Acondicionadores . desarrollando un microcontrolador con periféricos programables. 10 o hasta 12 bits) como Hitachi. Primero hay ver los tipos de procesadores que se pueden escoger. ST y Texas Instruments. Convertidores Analógicos Digitales del tipo Sigma/Delta. como los Microconverters de Analog Devices y los de Texas Instruments. Además se tiene que tener en cuenta el consumo y por supuesto el precio. como Amplificadores Operacionales. Comparadores. Microcontroladores: Todos los fabricantes de microcontroladores incluyen periféricos con ADC (Convertidores A/D de 8. Procesadores en un sistema de adquisición de señal
Una vez vistas la función de los acondicionadores. de Aproximaciones Sucesivas. Pero un caso especial es el de Cypress que ha entrado en la cuarta generación de microcontroladores. podemos ver los procesadores avanzados (que incluyen periféricos de precisión para adquisición de datos) que se pueden utilizar dentro de un sistema de adquisición de señal y sobre todo.
Actualmente se integran convertidores AD de precisión en un microcotrolador. los microcontroladores o los DSP. con los que se puede integrar un sistema de adquisición de señal completamente integrado. Hay muchos a la hora de elegir y se tendrán en cuenta sus características para tener una aplicación adecuada. tanto analógicos como digitales y especialmente se hace referencia a los bloques analógicos que se pueden programar. después se tendrá en cuenta en número de bits y la velocidad de proceso que ha de tener el procesador y por último los periféricos que además deben de contener.Procesadores
15. especialmente dedicados para la adquisición de señal. Hasta los más recientes microcontroladores Flash de Motorola de 8 bits y 8 pins incluyen un ADC de 8 bits.
También el siguiente ejemplo de un medidor de energía con un DSP de Motorola.
. Motorola y Texas Instruments. Los DSP incluyen periféricos con ADC de alta precisión y alta velocidad. Analog Devices. especialmente diseñados para el control de motor principalmente.Procesadores
DSP Silica es distribuidor de los tres principales fabricantes de DSP.Sensores – Acondicionadores . que incluye convertidores A/D de 10 bits.
Sensores – Acondicionadores .com
.infineon.com www.xicor.com www.hitachi.Procesadores
Toda la información relacionada está obtenida de las páginas web de los fabricantes de semiconductores relacionados a continuación y simplemente es una recopilación de información en el día de hoy para orientar al diseño con sensores.philips.com www.onsemi.com www.com www.com www.ti. Para más información visitar: www.com www.com www.mot-sps.analog.semiconductors.silica.st.ads.com www.com www.com www.cypressmicro.
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