Source: https://www.scribd.com/document/343208029/Sensores-y-Transductores
Timestamp: 2018-12-17 13:21:38+00:00

Document:
ME 5250 Mecatrónica
Profesora: Sandra L. Ordoñez E.
Transductor: Dispositivo que convierte un tipo de energía en otro tipo de energía.
Sensor: Dispositivo que convierte un tipo de energía en una señal generalmente eléctrica o
Todo sensor es transductor pero no todo transductor es sensor.
Todos los sensores deben satisfacer la 1ª ley de instrumentación: el instrumento de medición no
debe afectar el evento que se está midiendo.
Para definir el rendimiento y calidad de un transductor estos se especifican estática (señal que
varía poco con el tiempo, por ejemplo DC o frecuencias bajas) y dinámicamente (señal que varía
rápidamente con el tiempo) en términos de:
a) Rango: el rango es el mínimo valor que pueda medir y el máximo valor que pueda medir.
Por ejemplo, rango = 0-50 psig.
b) Span: es el valor máximo de su rango menos el mínimo. Por ejemplo, si el rango es 10-
50psig, entonces el span será 40psig.
c) Exactitud (accuracy): medida de cuan cerca esta el valor medido del valor real.
d) Precisión (precision): se refiere a que tan reproducible es una medida.
e) Resolución (resolution): cantidad incremental más pequeña que se puede detectar.
f) Repetibilidad (repeatability/reproducibility): describe la habilidad del transductor a
entregar la misma lectura de salida.
g) Tiempo de respuesta: Tiempo requerido para que un cambio en la entrada sea observable
h) Sensibilidad: razón de cambio de la salida a los cambios de la entrada
i) Linealidad: medida de la constancia de la razón entrada/salida
Los variables más comúnmente medidas por un transductor son: posición, temperatura, presión,
flujo, nivel, velocidad, fuerza y aceleración.
1. Transductores de posición, desplazamiento y proximidad
La posición-desplazamiento-proximidad de un objeto es de vital importancia en sistemas de
servocontrol que demandan un posicionamiento preciso como en robots, el movimiento de un
disco duro, el movimiento de los cartuchos de una impresora, etc.
Los transductores de posición comparan el movimiento de un objeto con respecto a un punto de
referencia. Los transductores de desplazamiento comparan el movimiento de un objeto respecto a
si mismo (a su posición anterior), y los sensores de proximidad comparan la cercanía de un objeto
respecto al transductor.
Los transductores de posición, desplazamiento o proximidad mas comúnmente usados son:
de carbón.3125°. Como parte del mecanismo que mueve el panel se encuentra un eje que rota 250° cuando el panel se mueve de un extremo a otro. Potenciómetro de Potenciómetros cerámicos Potenciómetro carbón carbón/cermet El voltaje de salida varía con la posición lineal del wiper. Este se mueve 0. Dependiendo de la forma en que el alambre se encuentre enrollado. este tipo de potenciómetros no se puede rotar demasiado rápido pues le adiciona ruido a la señal. o con la posición angular dependiendo del tipo de potenciómetro. o. Como 0.1cm: 0. Por ejemplo.125°/cm.1 Potenciómetros. plástico conductivo y otros que entregan resoluciones mayores y evitan el ingreso de ruido a la señal medida.1cm x 3. Cree usted que este potenciómetro puede ser usado para esta aplicación? Resolución del potenciómetro que tengo = 300°/1000 = 0.3° La relación entre el movimiento rotacional y el lineal de la aplicación seria: 250°/0. entonces la respuesta es que si se puede usar ese potenciómetro para esa aplicación. Un aspecto a tener en cuenta cuando se escoge un potenciómetro para una aplicación es su resolución la cual depende del desplazamiento máximo (full-scale) y su numero de vueltas. Se tiene disponible un potenciómetro que tiene un desplazamiento de plena escala de 300°.8m = 312. y esto seria la resolución requerida para el potenciómetro. la salida de voltaje tendrá una relación lineal o no lineal que puede ser aprovechada en diferentes tipos de aplicaciones. este tipo de potenciómetro tiene algunas desventajas. Sin embargo.5°/m. 2 1. Resolución = desplazamiento “full-scale” / No.125° = 0. 3. Los potenciómetros pueden ser de una vuelta (y miden desplazamientos de hasta 357°) o de múltiples vueltas (que miden desplazamientos de hasta 3500° lo que equivale a casi 10 vueltas). Existe otro tipo de potenciómetros hechos de metal cerámico. Con la resolución requerida de 0. con 1000 vueltas de alambre. Se necesita saber su posición con una resolución de 0. . de vueltas Ejemplo: Se necesita medir la posición de un panel de metal.1cm.3125°.8m.3° < 0.
Tiene vida mecánica prácticamente infinita (importante para aplicaciones de alta- confiabilidad como en vehículos espaciales. aviación. No tiene fricción . Algunas ventajas del LVDT son: . Alimentación Portadora de LVDT Demodulador Amplificador DC excitación Filtro pasa-bajos . Resolución infinita (limitada por la capacidad del sistema electrónico al que se conecta el LVDT) . 3 1. Provee aislamiento eléctrico entre la fuente y la salida Este tipo de transductor requiere cierto tipo de instrumentación para obtener la lectura de posición-desplazamiento. misiles. equipos críticos industriales) .2 Transformadores diferenciales lineales LVDT Es un dispositivo electromecánico que produce una señal eléctrica de salida proporcional al desplazamiento de un núcleo magnético a través de un tubo central.
El código puede ser binario o BCD (dinary-coded decimal).3 Optical Encoders (codificadores ópticos) Encoder incremental Principio de funcionamiento Codificador absoluto Un encoder es un dispositivo que proporciona una salida digital como resultado de un desplazamiento lineal o rotacional. se puede interpretar como una lectura adicional y generar errores. este entrega una salida en forma de palabra binaria única de varios dígitos para representar una posición angular determinada. El encoder óptico incremental provee un pulso de salida cada vez que el eje rota una distancia predeterminada. Otro tipo de encoder incremental es el de cuadratura (quadrature). Sin embargo. el cual tiene dos canales de salida en cuadratura. Esta información permite determinar si el canal A adelanta al canal B y como consecuencia determinar la dirección de rotación. algunas veces llamado también encoder incremental de una sola pista o single-track incremental encoder porque posee una sola salida (el numero de pulsos) y no puede determinar información como la dirección de rotación. Aunque el RVDT es capaz de rotar continuamente. El encoder óptico absoluto provee una salida con un código único para cada posición. En cuanto al encoder absoluto. 1. Para . Existen dos categorías: Incrementales o absolutos. Esto permite contar las perforaciones y determinar el estado de las perforaciones del otro canal. las palabras binarias clásicas no son tan usadas debido a que cuando un bit se activa o se desactiva momentáneamente para cambiar la palabra. La forma básica de un encoder incremental consiste en poner a girar un disco perforado y un rayo de luz que detecte y cuente las perforaciones y de esta manera determinar el cambio de posición angular. La salida será entonces un número de pulsos proporcional al ángulo rotado por el disco. Este tipo de encoder es el tacómetro. la mayoría de estos tienen un rango de ±40°. 4 Un transformador diferencial variable rotacional RVDT es un dispositivo que produce un voltaje que varia linealmente con la posición angular del eje.
33 pulsos/grado 475/3. Este tipo de sensor se puede usar para medir campo magnético o para medir movimiento como se muestra a continuación: Sensor Hall Imán 1. Esta combinación crea un campo eléctrico. . Ejemplo de encoder incremental: Un encoder incremental posee 1200 pulsos por revolución.33 = 0. Si se cuentan 475 pulsos.5 Sensores capacitivos Un sensor de proximidad capacitivo consiste en una placa metálica que al ponerse en paralelo con el objeto metálico (del cual deseo medir su proximidad) forma una capacitancia la cual varia su campo eléctrico cuando la distancia de las placas (la placa y el objeto) varia.30° 1. El principio de estos sensores se basa en poner un campo magnético en unas placas y en medio de ellas pasa una corriente.4 Sensor de campo magnetico de efecto Hall El efecto Hall surge de lo que se conoce como la fuerza de Lorentz. cuanto se ha movido el eje? 1200 (pulsos/rev) x 1 (rev/360°) = 3.64° La resolución del encoder en grados seria 1/3.33 = 142. que es la fuerza que experimenta una partícula cargada cuando esta se mueve en un campo magnético. 5 solucionar este problema se invento un código llamado Grey code donde el bit que cambia lo hace a posiciones sucesivas evitando el error generado por el código binario.
Usualmente estos dispositivos se ponen en un puente de Wheatstone para medir cual fue el cambio de resistencia debido a la deformación. . Posee un factor de proporcionalidad llamado “Gauge (or gage) factor”.6 Strain-gauges o sensores de deformación Se utilizan para medir fuerza (analizar fuerzas en estructuras) o deformaciones. Este dispositivo cambia su resistencia R cuando se deforma. Una de sus ventajas es que también cambia su valor resistivo con temperatura y usualmente el cambio en resistencia por temperatura es mucho mayor que el cambio en resistencia debido a la deformación. Este dispositivo es muy sensitivo y puede dañarse al momento de ser adherido. Este dispositivo se adhiere con un pegante especial a la superficie del dispositivo al cual le voy a medir su deformación. Entre más grande es GF. Por esta razón normalmente se ponen dos strain-gages en posiciones opuestas sobre la misma superficie para que de esta manera uno se deforme (el “active” gage) y el otro (el “dummy” gage) no pero ambos tendrán el cambio por la temperatura. mas sensitivo es el strain gage. 6 1.
y son de alta confiabilidad. haciendo que las dos cintas (que se encuentran . la amplitud de la corriente alterna cambia. Como ventajas de este tipo de sensores se encuentran: son económicos.9 Interruptores de proximidad Estos tipos de interruptores requieren el contacto con el objeto a detectar para poder ser activados mecánicamente. Dado que los dos materiales tienen diferente coeficiente de expansión. Este cambio de inductancia se mide usando un circuito resonante y puede ser usado para activar un interruptor. 1. 1. 2.7 Sensores de proximidad de corrientes de Eddy Estos sensores se usan para medir la proximidad de objetos metálicos. Como resultado. Si un objeto metálico se aproxima a ese campo magnético se generan unas corrientes llamadas corrientes de Eddy que a su vez producen su propio campo magnético afectando al campo magnético propio de la bobina. Temperatura 3. 7 1. la cual creara un campo magnético. existen otros tipos como el reed switch que requiere un acercamiento de un objeto magnético para activarse. el cambio de temperatura produce una deformación (expansión) del material. con alta sensitividad a desplazamientos pequeños. Fuerza El dispositivo que se usa normalmente para medir fuerza es la celda de carga (load cell) la cual esta basada en strain-gages con un puente de wheatstone como se mencionó anteriormente.8 Interruptores de proximidad inductivos Estos dispositivos cambian el valor de su inductancia ante la proximidad de un objeto metálico. Sin embargo. Strain-gauges Celda de carga 3. son de pequeño tamaño. cuando uno de ellos es expandido por temperatura el otro no. El principio de funcionamiento consiste en que se induce una corriente alterna en una bobina. Cuando el material se calienta o se enfría.1 Cintas bimetálicas Estas cintas se fabrican de materiales con diferentes coeficientes de expansión. o los dispositivos fotosensitivos que detectan el objeto cuando este interrumpe un rayo de luz.
Esta expansión no puede ser medida así que solo se utiliza para activar algún interruptor. 8 unidas) se doblen. Resistance-Temperature Curve for a 100 Ω Platinum RTD. niquel y aleaciones de niquel y cobre. 3.00385 . Las RTDs se fabrican de materiales como platino.00392 //° para platino) y Ro es la resistencia a la temperatura de referencia (To).2 Resistencias detectoras de temperatura (RTDs) Estos dispositivos aprovechan el principio que explica que la resistividad de los materiales aumenta cuando aumenta la temperatura. a = 0. Estos sensores de temperatura son altamente estables y entregan respuestas reproducibles por largos periodos de tiempo. La relación entre la resistencia del material y la temperatura esta dada por: RT = Ro (1+(T-To)) Donde  es el coeficiente de resistividad por temperatura (0. Se utilizan para medir rangos de 0 a 450C aunque algunos pueden medir hasta 800C.
La resistencia térmica de los termistores es altamente no lineal. Se puede medir temperatura con una resolución de fracciones de °C. El coeficiente de resistividad de los termistores es negativo. son pequeños y robustos por lo que permiten monitorear temperaturas de un punto.3 Termistores Los termistores son dispositivos resistivos fabricados de semiconductores como los óxidos de manganeso. Sin embargo. por lo cual la resistencia sube al disminuir la temperatura. Ro es la resistencia del termistor a temperatura To. y  es una constante (Kelvin) con valores típicos de 3000<<5000 Los termistores ofrecen muchas ventajas como por ejemplo. Estos producen grandes cambios en resistencia según varía la temperatura. La relación entre temperatura y resistencia para un termistor esta dada por:  1 1     R (T )  Ro  e  T To  Donde: R(T) es la resistencia del termistor a temperatura T. no se pueden usar en temperaturas muy altas (deben ser menores de 600°F  350°C). su no-linealidad es su mayor desventaja. 3. 9 3. níquel o cobalto. A este contacto se le llama junta y allí ocurrirá una diferencia de potenciales.4 Termocuplas o termopares Estos son sensores de temperatura que consisten en unir dos materiales diferentes en un contacto termal. responden rápidamente a cambios de temperatura y su cambio en resistencia es bastante grande por cada cambio de grado de temperatura. Sin embargo. Típicamente se usan para medir temperaturas no más altas de 100°C. . La principal ventaja de los termistores es que son muy sensitivos y precisos.
Esto se hace con un amplificador de instrumentación que trae internamente el compensador de junta fría. cuando se requiere añadir cable a la termocupla (para llevar la señal más lejos antes de . (Vo ) A / B  (Vo ) A / C  (Vo ) C / B (Vo ) A / B  (Vo ) A / C  (Vo ) B / C Métodos de compensación: Usualmente la referencia se hace a 0C haciendo un baño en hielo como se muestra en la figura. También se usa un bloque isotermal (que se encuentra todo a la misma temperatura). Es muy importante entender que si yo le añado un cable de cualquier material diferente al de la termocupla. La compensación también puede hacerse por hardware. Por software: se ingresan las tablas de calibración en un programa y éste calcula la verdadera temperatura. Este procedimiento sería: . Vref . obviando el cálculo y programación mencionados arriba. Medir V de salida y restar el V ref para hallar el voltaje V1 de la junta de medición J 1 y convertirlo a temperatura Tj1. 10 Un circuito de termopares fabricado de materiales A y C genera un voltaje (V o)A/C cuando se expone a una temperatura T1 y T2 y un circuito similar fabricado de materiales C y B genera un voltaje (Vo)C/B. Este método es muy exacto porque se puede controlar fácilmente que la temperatura sea realmente 0C. una RTD o un termistor) para medir la temperatura de referencia. Por ejemplo. A continuación se muestra un cuadro comparativo de los diferentes tipos de sensores de temperatura. Entonces. mostrando sus ventajas y desventajas. el AD594/AD595 de Analog devices. Medir RT (del sensor de referencia) para hallar T ref y convertir Tref a su voltaje equivalente de referencia de la junta. Por esta razón. se va a inducir otro voltaje que va a variar mi medida real y voy a tener un error. se pone un sensor de temperatura diferente (IC de estado sólido.
Fast response. tipo J. Non-linear Inexpensive. vacío + Vo = KP1 P1 -  Presión manométrica o presión gage: Es cuando la referencia es la presión atmosférica. Passive. Sus unidades son psia. Require excitation. diafragma P. Non-linear current. Fine resolution. Fast response. Lead resistance. Capabilities Limitations Thermocouples W  ide range. RTDs Very rugged. o incluso para conectarla. que suministran los diferentes fabricantes. Presión Definiciones: Presión absoluta (absolute pressure): Es la presión medida respecto a vacío perfecto (0 presión). Non-linear Thermistors Very repeatable. Accurate Slow response. es imprescindible usar los conectores y extensiones del mismo tipo de la termocupla. Low Require excitation. 4.663 cm/s2 . CJC (cold junction compensation). tipo K. Narrow range. tipo E. atmosférica + Vo = K(P1-Patm) P1 -  Presión diferencial: Presión medida respecto a otra presión. Por ejemplo. etc. Sus unidades son psig. 11 la compensación). diafragma P2 + Vo = K(P1-P2) P1 -  Columna de líquido: (“head” de presión) P = gh  = densidad del líquido  h = altura de la columna de líquido h g = constante gravitacional (convierte masa en peso) = 980.
el cual puede ser medido con un potenciómetro o LVDT. la cámara se expande.com/designstandards/sensors/diaphragm/diaphragm_intro. Tomado de: http://www. Este sensor se estira (en el caso del lineal) o gira (desenroscándose. en el caso de los helicoidales y espiral) cuando se aplica presión en su entrada.com/designstandards/sensors/bourdon_tubes/bourdon_intro. Este tubo entonces convierte presión a desplazamiento. Cuando la presión dentro de ellas excede la presión externa. LVDT) se puede medir la deflexión de esta membrana y relacionarla con la presión. o conectado a una aguja (en el caso de los gages o manómetros). Este sensor se puede conectar a un interruptor (switch) para que se active a cierto nivel de presión. Diafragma Diafragma unido a un LVDT Tomados de: http://www. 12 Unidades de presión y tabla de conversión: Sistema métrico: Pa (Pascal) = N/m2 Sistema inglés: psi = lb/in2 1 mmHg = Torr = 13332Pa 1 atm = 760 mmHg = 1. 4.1 Diafragma (Diaphragm) El principal sensor de presión utilizado es el diafragma que es una membrana que se deforma con la presión y por medio de un sensor de desplazamiento (potenciómetro.2 Tipo Bourdon Un tipo de sensor de presión que se usa comúnmente es el tipo Bourdon.efunda.cfm .01325x105 Pa 4.cfm También están las cápsulas y fuelles (bellows) que son cámaras selladas hechas de metal. La cantidad de movimiento de este tubo es proporcional a la presión.efunda.
por lo que el material empieza a crear oscilaciones mecánicas que se transmiten a la otra capa que es la que detecta en sí la presión. 5. podemos tener un capacitor. y los no- invasivos son los que no tienen contacto directo con la variable a medir. Este tipo de sensor se usa para medir transitorios (o transientes) de presión.1 Platinas de orificio (Orifice plates) Este tipo de sensor es uno de los más usados en la industria. Una de ellas se excita con un voltaje alterno. Están hechos de un material llamado Polyvinylidene fluoride (PVDF). Si a esto se le añaden dos láminas de metal en sus extremos. Sensores de flujo Básicamente hay dos tipos de sensores de flujo. se mide la presión de alta y la presión de baja y luego se saca la relación entre el diferencial de presión y el flujo: QK P2  P1 P2 D D/2 P1 Diámetro (D) Q Este tipo de sensor es bastante simple.com/200/TechZone/SystemInstrumen/Article/True/6438/TechZone-SystemInstrumen 4. La forma de usarlo es en delgadas capas.3 Piezoeléctrico Estos son materiales (generalmente cristales de cuarzo u otros cristales) que cuando se comprimen o estiran. en lugar de presiones estáticas. Se ponen unas placas circulares obstruyendo el flujo. Cuando hay presión externa. 13 http://www.4 Sensor táctil (ver libro guía) Estos son los sensores usados en touchscreens. . no tiene partes en movimiento y es bastante económica pero tienden a desprenderse y generan muchas pérdidas en el sistema. haciendo que uno de ellos sea más positivo que el otro (se concentran las cargas en los extremos). sus extremos se cargan eléctricamente. En el caso de los sensores de flujo. Estos se localizan en contacto directo con la variable a medir. las oscilaciones mecánicas varían afectando también el voltaje de esa capa.hydraulicspneumatics. los invasivos (intrusive) y los no- invasivos (nonintrusive). 4. 5. los invasivos crean una obstrucción en el flujo para poder medirlo. Los invasivos son los que utilizan la energía del fluido para producir un efecto que se puede medir. afectando en la mayoría de ocasiones el proceso o sistema.
2 Tubo Venturi El principio es igual al de las platinas de orificio pero éste tubo hace un cambio de presión más suave (menos abrupta) por lo que el error es menor y no se desprende como las platinas de orificio.3 Turbina En este tipo de sensor se usa un rotor multiaspa que gira cambiando su velocidad respecto al flujo. Tomado de: http://www. nivel alto). Tomado de: http://www. La medida discreta es la que se hace por medio de sensores ópticos o interruptores de nivel que se localizan en puntos exactos donde se quiere limitar el nivel (nivel bajo. La medición directa es aquella que se hace midiendo la posición del . 14 5. Se mide la rotación de las aspas con un sensor magnético por lo que la turbina nos dará una frecuencia proporcional al flujo.com/document/pds/flowfund. así como contínuo o discretamente. nos entregan el valor del nivel del líquido continuamente. Los medidores continuos como su nombre lo indica. Nivel El nivel de líquido de un tanque puede ser medido directa o indirectamente.com/document/pds/flowfund.rosemount. y solo nos entregan una señal de on/off.pdf Este sensor es bastante costoso si lo comparamos con las platinas de orificio.pdf 5. Existen otros tipos de sensores de flujo como el rotámetro y los tubos pitot. 6.rosemount.
strain-gages). 15 líquido por medio de flotadores (conectados a potenciómetros. capacitancia. mientras que la indirecta es aquella que usa alguna variable relacionada con el nivel como por ejemplo la presión diferencial o la presión de la columna. radar. . LVDT. Otros tipos de medidores de nivel incluyen: RF.
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