Tabla de contenido
Capítulo 2:
SENSORES Y TRANSDUCTORES
2.1 Sensores y Transductores
E
l termino sensor se refiere a un elemento que produce una señal relacionada con la cantidad que se está midiendo. Por ejemplo, en el caso de un elemento para medir temperatura mediante resistencia eléctrica, la cantidad que se mide es la temperatura y el sensor transforma una entrada de temperatura en un cambio en la resistencia. Con frecuencia se utiliza el término “transductor” en vez de sensor. Los transductores se definen como el elemento que al someterlo a un cambio físico experimenta un cambio relacionado. Es decir, los sensores son transductores. Sin embargo, en un sistema de medición se pueden utilizar transductores, además de sensores, en otras partes del sistema para convertir señales de una forma dada en otra distinta.
En este capítulo se estudiaran los transductores, en particular los que se utilizan como sensores
2.2 Terminología del funcionamiento
L
os siguientes términos se emplean para definir el funcionamiento de los transductores • •
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Rango y margen. El rango de un transductor define los límites entre los cuales puede variar la entrada.
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Error. El error es el la diferencia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la cantidad que se mide.
Sensibilidad. Es la relación que indica qué tanta salida se obtiene por unidad de entrada, es decir, salida/entrada. •
Error=valor medido-valor real •
Exactitud. La exactitud es el grado hasta el cual un valor producido por un sistema de medición podría estar equivocado
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Error por histéresis. Los transductores pueden producir distintas salidas de la misma magnitud que de mide, si dicha magnitud se obtuvo mediante un incremento o una reducción continuos. Error por no linealidad. Este error se define como la desviación máxima respecto a la línea recta correspondiente.
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Repetibilidad/Reproducti vidad. Estos términos se utilizan para describir la capacidad del transductor para producir la misma salida después de aplicar varias veces el mismo valor de entrada.
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Banda/Tiempo muerto. Es el rango de valores de entrada durante los cuales no hay salida.
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Resolución. Es el cambio mínimo del valor de la entrada capaz de producir un cambio observable en la salida.
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Estabilidad. La estabilidad de un transductor es su capacidad para producir la misma salida cuando se emplea para medir una entrada constante en un periodo.
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Impedancia de salida. Cuando un sensor que produce una salida eléctrica se vincula con un circuito electrónico, es necesario conocer la impedancia de salida dado que ésta se va a conectar en serie o en paralelo con dicho circuito.
2.3 Desplazamiento, posición y proximidad Los sensores de desplazamiento miden la magnitud que se desplaza un objeto; los sensores de posición determinan la posición de un objeto en relación con un punto de referencia. Los sensores de proximidad son una modalidad de sensores de posición y determinan en qué momento un objeto se mueve dentro de una distancia crítica del sensor. Los anteriores son dispositivos cuyas salidas son, en esencia, del tipo todo o nada (encendido o apagado). Al elegir un sensor de desplazamiento, posición o proximidad, deberá tener en cuenta lo siguiente: ♣ La magnitud del desplazamiento: ¿estamos hablando de fracciones de
milímetros, de varios milímetros o quizás de metros? En el caso de un sensor de proximidad ¿que tanto debe aproximarse un objeto para detectarlo? ♣ Si el desplazamiento es lineal o angular, los sensores de desplazamiento lineal sirven para monitorear el grosor u otras dimensiones de materiales en forma de hoja, la separación de rodillos, la posición o la existencia de un parte, dimensiones de ésta, etc; los métodos de desplazamiento angular sirven para monitorear el displazamiento angular de ejes.
♣ La resolución que se necesita. ♣ La exactitud que se necesita. ♣ El material del que está hecho el objeto que se mide; algunos
senssores sólo funcionan con materiales magnéticos, otros sólo con metales y algunos otros sólo con aislantes. ♣ El costo. Los sensores de desplazamiento y de posición se pueden clasificar en dos tipos básicos: sensores de contacto, en los cuales, el objeto que se mide está en contacto mecánico con el sensor, y sensores sin contacto, en los que no hay contacto físico entre el objeto y el sensor. En los métodos de desplazamiento lineal por contacto, en general se utiliza un eje sensor en contacto directo con el objeto que se monitorea. El desplazamiento de este eje se monitorea mediante un sensor. Su movimiento se aprovecha para provocar cambios de voltaje eléctico, resistencia, capacidad o inductancia mutua. En el caso de los métodos de desplazamiento angular, en los que se utiliza una conexión mecánica mediante la rotación de un eje, la rotación del elemento transductor se activa directamente mediante engranajes. En los sensores que no hay contacto se recurre al objeto medido en las proximidades de dichos sensores, o quizá cambios en la presión del aire del sensor, o quizá cambios de inductancia o capacitancia. Los siguientes son ejemplos de sensores de desplazamiento de uso común.
2.4 velocidad y movimiento Entre las aplicaciones de los detectores de movimiento figuran los sistemas de seguridad utilizados para detectar la presencia de intrusos, asi como juegos y aparatos interactivos; como las pantallas de los cajeros automáticos que se avtivan cuando alguien se aproxima a ellos. 1. El codificador diferencial: se usa para medir la velocidad angular
determinada por la cantidad de pulsos producidos por segundo 2. Tacogenerador: sirve para medir la velocidad angular 3. Sensores piroeléctricos: los materiales piroeléctricos, como el
tantalato de litio, son materiales cristalinos que generan una carga como respuesta al flujo calorífico.
Los sensores piroeléctricos están formados por un cristal piroeléctrico polarizado cuyas caras tienen delgadas capas de metal como electrodos.
2.5 Fuerza
La balanza de resorte es un ejemplo de sensor de fuerza; en ella se aplica una fuerza, un peso, al platillo y ésta provoca un desplazamiento, es decir, el resorte se estira. El desplazamiento es entonces, una medida de fuerza. Las fuerzas por lo general se miden con base en un desplazamiento.
2.6 Presión de fluidos En muchos de los dispositivos utilizados para monitorear la presión de fluidos de procesos industriales se monitorea la deformación elástica de diafragmas, capsulas, fuelles y tubos. Los tipos de medición que se necesitan son: presión absoluta, en cuyo caso la presión que se mide es relativa a una presión cero, es decir, al vacío; presión diferencial, con la cual se mide una diferencia de presiones, y presión manométrica, en la que la presión se mide en relación a la presión barométrica. Sensores plezoeléctricos: Cuando un material plezoeléctrico se estira o se comprime genera cargas eléctricas; una de sus cargas se carga en forma positiva y la carga opuesta se carga en forma negativa. En consecuencia, se produce un voltaje. Los materiales plezoeléctricos son cristales iónicos que al estirarlos o comprimirlos producen una distribución de carga en el cristal que origina un desplazamiento neto de carga; una de las cargas del material se carga positivamente y la otra, negativamente. La carga neta “q” en una superficie es proporcional a la cantidad “x” que las cargas hayan sido desplazadas
y, dado que el desplazamiento es proporcional a la fuerza aplicada “F”. q = kx = SF Donde K es una constante y S una constante denominada sensibilida de carga.
Sensor táctil: El sensor táctil o de tacto es una forma particular de sensor de presión. Se utiliza en “las yemas de los dedos” de las “manos” de los robots para determinar en que momento la “mano” tiene contacto con un objeto. También se utiliza en pantallas “sensibles al tacto” donde se requiere detectar contactos físicos.
2.7 Flujo de líquidos
2.8 Nivel de líquidos
2.9 Temperatura
2.10 Sensores de luz
2.11 Selección de sensores
2.12 Introducci贸n de datos mediante interruptores
Problemas
Bibliografía