Según el aporte de energía, los sensores se pueden considerar generadores o moduladores. En los sensores moduladores, su funcionamiento se basa en la variación de alguno de sus parámetros eléctricos y requieren de una alimentación externa para realizar la medida a consecuencia de esto, la mayor parte de la energía de la señal de salida procede de otra fuente auxiliar. En cambio en los sensores generadores, la energía de salida es suministrada por la señal de entrada.
1.- SENSORES RESISTIVOS:
Los sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son probablemente los más abundantes. Esto se debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material. En consecuencia ofrecen una solución válida para numerosos problemas de medida.Para la clasificación de diversos sensores de esta clase se toma como criterio el tipo de magnitud física a medida. El orden seguido es el de variables mecánicas, térmicas, magnéticas, ópticas y químicas.
Se usan para medir desplazamientos. Pueden ser de carbón o enrollados. Los primeros son de tipo analógico, mientras que los otros son discretos. El detalle de estos es que como siempre están en movimiento, se desgasta el material y con el tiempo se vuelve inutilizable.
Se usan para medir esfuerzos, fuerzas. Trabajan en la zona elástica de los materiales, las deformaciones que pueden medir están en el orden de los micrómetros. Son económicos y muy versátiles para muchos propósitos idustriales, pero se debe cuidar el margen elástico, el esfuerzo aplicado debe ser transversal a la galga y hay que tomar en cuenta que su valor se ve afectado por la temperatura pues es un resistor.
La termorresistencia trabaja según el principio de que en la medida que varía la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta modificación puede relacionarse con la variación de temperatura.Las termorresistencias de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo que se llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad.La relación fundamental para el funcionamiento será así:
R0=Rt(1+αt)
donde:
Los termistores también son resistencia que varían su magnitud con la temperatura. Se diferencian de las termorresistencia por que están basadas en semiconductores. Por tanto su característica no es lineal, aunque dentro de un margen adecuado pueda ser considerada de es amanera.
La magnetorresistencia es una propiedad que tienen ciertos materiales de variar su resistencia cuando son sometidas a un campo magnético. En esto se basan los sensores de magnetorresistencia, miden variables magneticas en funcion de la variación de resistencia q dicha variable ocasiona sobre el material.
Propiedades:
* Solo componentes con terminales.
* Sensores de diferente tamaño.
* Impermeables o sobre sustrato de cerámica.
* Sensitivos en el espectro visible.
Aplicaciones:
* Control de iluminación.
* Retrovisor de automóvil automático.
1.7.- Higrómetros resistivos (Variables químicas):
El higrómetro se utiliza para medir humedad. Se basan en la variación de resistencia que experimentan los materiales por la humedad, como el vapor de agua en un gas o el agua absorbida en un líquido o sólido.
Los circuitos de acondicionamiento para sensores son necesarios si tomamos en cuenta que al medir no queremos alterar el valor de dicha variable, es decir para medir voltaje, el método usado es colocar una gran impedancia en paralelo y se mide el voltaje referido a esa nueva impedancia pero a la vez se está agregando resistencia al circuito y por lo tanto se está alterando la medición. De forma similar actúan los sensores, y necesitan un circuito apropiado para conectarse a la red de la cual se quiere extraer la información, esto es debido a que en el caso de los sensores de resistencia variable no se mide directamente dicha variación de resistencia sino algún parámetro eléctrico afectado por ese efecto, como lo es la variación de voltaje o corriente, por ejemplo. Al hablar de un puente de weatstone nos referimos a un circuito que trata de establecer un equilibro de voltaje entre un conjunto de resistencias y el sensor de resistencia variable y lo que se mide es la desviación de ese equilibrio que está en función de la variación de la resistencia del sensor, este tipo de arreglo requiere de una conexión específica para lograr los mejores resultados, además posee buena sensibilidad y linealidad. Luego para medir ese cambio de voltaje de la forma más adecuada, optima y económica, se estila usar amplificadores para sensores, un amplificador muy común y muy efectivo es el amplificador de instrumentación, que es un tipo de amplificador que cumple con ciertos requisitos como son, alta impedancia de entrada, alto rechazo en modo común, ganancia estable y variable con una sola resistencia y que no se contraponga “ganancia-ancho de banda”, tensión y corriente de fuga muy bajas, baja deriva e impedancia de salida baja, todo esto a la misma vez de forma que se obtenga el mejor valor de medida posible.
2.- SENSORES DE REACTANCIA VARIABLE:
Este tipo de sensores basan su importancia en los beneficios que traen sobre los resistivos, como por ejemplo, un mínimo efecto de carga, que es muy fundamental para obtener una buena medida, permiten mejor medida de desplazamientos lineales y angulares y de humedad, además que su característica no lineal se puede compensar fácilmente con sensores diferenciales, pero como no todo es perfecto, estos poseen una limitante y es la frecuencia de la variable a medir, pues no pueden medir alguna variable cuya frecuencia sea mayor a la de la alimentación usada para el sensor.
Hay varios métodos electrónicos para detectar proximidad, basados en cambios de la capacidad. Uno de los más simples incluye el condensador como parte de un circuito oscilador diseñado de modo que la oscilación se inicie solamente cuando la capacidad del sensor sea superior a un valor umbral preestablecido. La iniciación de la oscilación se traduce luego en una tensión de salida, que indica la presencia de un objeto. Este método proporciona una salida binaria, cuya sensibilidad de disparo dependerá del valor umbral.La capacidad varía como una función de la distancia para un sensor de proximidad basado en los conceptos anteriores. Es de interés destacar que la sensibilidad disminuye significativamente cuando la distancia es superior a unos pocos milímetros y que la forma de la curva de respuesta depende del material objeto de detección. En condiciones normales, estos sensores son accionados en un modo binario, de modo que un cambio en la capacidad mayor que en un umbral preestablecido T indica la presencia de un objeto, mientras que los cambios por debajo del umbral indican la ausencia de un objeto con respecto a los límites de detección establecidos por el valor de T.
. Forma de onda del circuito oscilador ante variaciones en la proximidad del objeto a detectar.
Sensor capacitivo con variación del área entre placas paralelas.
Sensor capacitivo con variación de la distancia entre placas paralelas.
Sensor capacitivo con variación en el dieléctrico entre placas paralelas.
2.1.1.- Condensador variable:
Un condensador variable es aquel en el cual se pueda cambiar el valor de su capacidad. Para tener condensador variable hay que hacer que por lo menos una de las tres variables (constante dielectrica, distancia entre placas y area de placas) cambie de valor. De este modo, se puede tener un condensador en el que una de las placas sea móvil, por lo tanto varía d y la capacidad dependerá de ese desplazamiento, lo cual podría ser utilizado, por ejemplo, como sensor de desplazamiento.
2.1.2.- Condensador diferencial:
Con los capacitares diferenciales ocurre de forma similar a los anteriores pero en estos se trabaja más la acción provocada por capacitares de tres placas y/o tres contactos, al mover la placa central, se estará aumentando la capacidad de un lado mientras se disminuye del otro lado de los contactos, de esa forma se logra hacer mediciones de hasta 10^(-13) y de forma lineal, que es una de sus principales características.
2.1.3.- Acondicionamiento: divisor de tensión, amplificador de carga, amplificador de transconductancia:
Al igual que los sensores resistivos, este tipo de sensores necesita un acondicionamiento para medir de mejor forma, se puede usar un divisor de tensión entre el capacitor y otra impedancia ya conocida, un amplificador de carga también es útil cuando se requiere de mediciones pequeñas, y el amplificador de transconductancia es como un arreglo de OPAM's pero de impedancia de salida alta y funciona como amplificador de corriente controlado por voltaje, así el pequeño voltaje causado por la variación de un capacitor diferencial será transformado a un equivalente en corriente para luego ser usado.
2.2.- SENSORES INDUCTIVOS:
Los sensores inductivos son aquellos que producen una modificación de la inductancia o inductancia mutua por variaciones en un campo magnético. Esta variaciones pueden ser fruto de perturbaciones en el campo, o modificación de la distancia de influencia del campo. Solo hablaremos de dos tipos: la reluctancia variable y la inductancia mutua.
2.2.1.- Reluctancia variable:
Los sensores inductivos basan su funcionamiento en el cambio de la reluctancia total de un circuito magnético cuando se modifican las distancias de los entrehierros.
2.2.2.- Inductancia mutua (LVDT):
Este dispositivo cambia la inductancia mutua entre un primario y dos secundarios, pero su salida es un cambio de voltaje modulado, posee varias ventajas que lo hacen atractivo, resolución infinita, bajo roce lo que permite que dure más tiempo y tenga alta fiabilidad, ofrece aislamiento eléctrico entre el primario y los secundarios, alta linealidad entre otros. Es muy usado en la construcción de acelerómetros.
2.2.3.- Acondicionamiento:
Para este tipo de sensores se pueden usar los circuitos antes vistos, divisores de voltajes, puentes de weatstone, pero para el de inductancia mutua se necesita de un amplificador de portadora y detección coherente, pero sin la etapa de amplificación pues la salida de estos sensores es lo suficientemente grande para poder ser manipulada sin perder información.
3.- SENSORES ELECTROMAGNETICOS:
Los sensores electromagnéticos son aquellos en los que una magnitud física puede producir una alteración de un campo magnético o de un campo eléctrico, sin que se trate de un cambio de inductancia o de capacidad.
3.1.- Basados en la ley de Faraday:
En un circuito o bobina con N espiras que abarque un flujo magnético, si éste varía con el tiempo se induce en él una tensión o fuerza electromotriz, e.
El flujo puede ser variable de por si (por ejemplo, cuando es debido a una corriente alterna), o bien puede ser que varíe la posición del circuito con respecto al flujo siendo éste constante. Los tacómetros de alterna son del primer tipo, mientras que los tacómetros de continua, los medidores de velocidad lineal y los caudalímetros electromagnéticos son del segundo tipo.
3.2.- Basados en el efecto Hall:
Genera una tensión de salida dependiendo de la influencia de un campo magnético sobre él. Lo limitan la temperatura y la existencia de un error de cero que depende de inexactitudes físicas del sensor, mas trae ventajas como inmunidad frente a condiciones ambientales y así como los basados en la ley de faraday no requieren de contacto físico para realizar las mediciones.
Tiene como limitación:
*La temperatura cambia la resistencia del material.
*Hay un error de cero debido a inexactitudes físicas.
Tiene como ventajas:
*Salida independiente de la velocidad de variación del campo magnético.
*Inmune a las condiciones ambientales.
*Sin contacto. Se puede aplicar a la medida de campos magnéticos, medida de desplazamientos
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