Sensores Analógico-Digitales

Universidad Tecnológica Metropolitana Facultad de Ingeniería Escuela de Informática

Sensores Analógico/Digitales Informática Industrial

Integrantes: Mario Ibarra

T. Diego Navia F. Francisco amire! F. icardo "ope! N. Profesor: en# $e%a &do 'emestre &()*

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Tabla de +ontenidos

Tabla de Contenidos Introducción Objetivo ¿Qué es un sensor? Resolución y precisión Sensor análogo Sensor igital Codi!icadores de posiciones Sensores de "utorresonantes Conclusión #ibliogra!$a

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Introducción Temperatura, -umedad, electricidad, ondas, movimiento... Toda manifestación de la energía cuantificada, todo lo ue el ser -umano puede detectar por medio de los sentidos. Nos -an dic-o ue la tecnología es la superación de la inteligencia filosófica, ue es la superación del  pensamiento griego, ue es la era del futuro. $ero no es nada más ue la e/tensión de los 0 sentidos del ser -umano combinado con las espectaculares características de los infinitos seres vivos ue conviven con nosotros en este mundo. Un e1emplo de esto son las cámaras de infrarro1o, ue no es más ue la e/tensión de la visión combinada con la particularidad visión ue tienen las serpientes, midiendo la temperatura ambiente. Dentro de los avances tecnológicos de nuestra #poca, podemos percatar la inmensa variedad de detectores ue e/isten 2, nos demos cuenta o no, convivimos con ellos a diario, en nuestros tel#fonos celulares, nuestras televisiones, el automóvil ue nos transporta todos los días, e incluso el poste de la esuina de nuestras casas ue nos ilumina cuando cae el sol. $recisamente acerca de los sensores es ue trata el presente artículo ue le acompa%a, detallando las características, las aplicaciones, sus mecanismos de funcionamiento, etc. en resumen... el sencillo pero espectacular mundo de los sensores.  No debemos olvidar el costo social de abusar de los sensores, al utili!arlos en la ma2oría de las cosas buscando desde bienestar -asta una posición socio3económica en el actual modelo regido  por el consumo e/acerbado.

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Objetivo Dar a conocer una peculiaridad de la tecnología, los sensores análogos 2 digitales. Dentro de lo ue es necesario detallar sus características, los distintos tipos ue e/isten 2 sus aplicaciones a rasgos generales. Objetivos Específicos

4 E/poner u# es un sensor en t#rminos generales. 4 Especificar 2 determinar características de sensores analogicos. 4 Especificar 2 determinar características de sensores digitales. 4 Dar a conocer las aplicaciones de los distintos tipos de sensores.

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¿Qué es un sensor? Un sensor es un dispositivo capa! de detectar magnitudes físicas o uímicas, llamadas variables de instrumentación, 2 transformarlas en variables el#ctricas. "as variables de instrumentación  pueden ser por e1emplo5 temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, despla!amiento, presión, fuer!a, torsión, -umedad, movimiento, p6, etc. Una magnitud el#ctrica  puede ser una resistencia el#ctrica 7como en una TD8, una capacidad el#ctrica 7como en un sensor de -umedad8, una Tensión el#ctrica 7como en un termopar8, una corriente el#ctrica 7como en un fototransistor8, etc. Un sensor se diferencia de un transductor en ue el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo ue puede decirse tambi#n ue es un dispositivo ue aprovec-a una de sus propiedades con el fin de adaptar la se%al ue mide para ue la pueda interpretar otro dispositivo. +omo por e1emplo el termómetro de mercurio ue aprovec-a la  propiedad ue posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor tambi#n puede decirse ue es un dispositivo ue convierte una forma de energía en otra. 9reas de aplicación de los sensores5 Industria automotri!, robótica, industria aeroespacial, medicina, industria de manufactura, etc. "os sensores pueden estar conectados a un computador para obtener venta1as como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.

Resolución y precisión "a resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada ue se aprecia en la magnitud de salida. 'in embargo, la precisión es el má/imo error esperado en la medida. "a resolución puede ser de menor valor ue la precisión. $or e1emplo, si al medir una distancia la resolución es de (,() mm, pero la precisión es de ) mm, entonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de (,() mm, pero no puede asegurarse ue -a2a un error de medición menor a ) mm. En la ma2oría de los casos este e/ceso de resolución conlleva a un e/ceso innecesario en el coste del sistema. No obstante, en estos sistemas, si el error en la medida sigue una distribución

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normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos, la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión. 'in embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede asegurarse ue el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de entrada ue puede observarse en la magnitud de salida.

Sensor análogo +omo definición de un sensor analógico es posible describir lo siguiente5 un sensor se entiende como transductor en la medida ue se tenga una variable a medir 2 se reuiera de una se%al el#ctrica de salida, donde la salida está descrita por un rango el#ctrico continuo 7dependiendo del ob1eto a sensar8 como se aprecia en la figura siguiente.

 Esquema de sensor analógico básico

El sensor analógico debe poseer ciertas propiedades indispensables como5 calibración, rango de funcionamiento, confiabilidad, velocidad de respuesta, e/actitud, precisión, sensibilidad, linealidad entre otros. Esto con el fin de ue el control de la variable ue se mida, se lleve a cabo de la me1or manera 2 en el menor tiempo posible. :demás tiene la particularidad ue está todo el tiempo sensando, lo ue le obliga a estar en contacto con la materia ue se encuentra midiendo, no parando de transmitir en ning;n momento. Es posible clasificar los sensores en las distintas categorías ue se detallan a continuación5 4 Funcionamiento < defle/ión5 la deformación de un tipo de material se emplea para medir una magnitud física. < +omparación5 se basa en la comparación de fuer!a aplicada , este funcionamiento se puede ver en balan!as, donde el operario de1a un peso sobre una superficie sobre el sensor, ue medirá la presión obtenida con tal masa.

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4 :porte de energía5 'e pueden dividir en moduladores 7activos8 2 genera dores 7pasivos8= los modulares se caracteri!an por utili!ar una fuente de energía au/iliar para alimentar la se%al de salida, mientras ue en los pasivos la energía de la se%al de salida es suministrada por la entrada. 4 Tipo de salida5esta clasificación se -ace seg;n el tipo de salida ue corresponda al modelo de sensor, pudiendo ser análoga o digital. 4 >rden5 Esta clasificación se -ace seg;n el n;mero de elementos almacenadores de energía independientes ue contenga el sensor, pudiendo ser primero, segundo o de orden superior. 4 Tipo de variable física a medir5 la clasificación subdivide a los sensores de acuerdo a la magnitud física por medir, tal es el caso de caudal, temperatura, presión, nivel, entre otros. :-ora se detallará una tabla donde se clasifican los distintos tipos de sensores analógicos. 'e%al de salida

Magnitud física

Transductor  

analógica

posición lineal o angular

$otenciómetro

analógica

peue%as deformaciones o  posiciones

3Transformadores diferenciales 3?algas e/tensiom#tricas

analógica

@elocidad lineal o angular

Dinamos Tacómetricas

analógica

:celeración

acelerómetro

analógica

Fuer!a 2 par

Medición indirecta 7mediante galgas o transformadores diferenciales8

analógica

Nivel

+apacitivo

analógica

$resión

3 Membrana A detector de despla!amiento 3 $ie!oel#ctrico

analógica

+audal

3 $resión diferencial 3 De turbina 3 Magn#tico

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analógica

Temperatura

3 Termo resistencias 3 esistencias NT+ 3 esistencias $T+

analógica

'ensores de presencia o pro/imidad

3 Inductivo 3 +apacitivo 3 Ultrasonido

Sensor Digital El sensor digital es similar en estructura al análogo, pero difieren en las variables de salida, donde el sensor digital tiene solamente & salidas= ) ó (, verdadero o falso, abierto o cerrado, etc. "a creciente presencia de sistemas digitales para el tratamiento 2 presentación de la información en los sistemas de medida 2 control, -ace mu2 atractivos auellos sensores ue ofrecen directamente a su salida una se%al en forma digital, por la simplificación ue suponen en el acondicionamiento de se%ales 2 su ma2or inmunidad a las interferencias electromagn#ticas en determinados casos. 'e distingue auí dos tipos de sensores digitales. "os primeros ofrecen directamente una se%al digital a partir de una entrada analógica= este grupo lo forman los codificadores de posición. El segundo tipo es el de los sensores ue se basan en un fenómeno físico de tipo oscilatorio, transl;cido posteriormente por un sensor modulador convencional. "os sensores de este grupo se denominan autorresonantes, de frecuencia variable, o casi digitales, 2 necesitan un circuito electrónico posterior 7un contador8 para ofrecer la se%al digital deseada. 'e diferencia de los osciladores variables en ue estos ;ltimos incorporan un sensor modulador en un oscilador, mientras a-ora se trata de un oscilador no electrónico del ue se mide una de las variables mediante un sensor modulador. Una e/cepción son los termómetros digitales de cuar!o, ue emplean un sensor generador. Es de destacar ue no -a2 prácticamente ning;n fenómeno cu2a transducción d# directamente una salida. "o ue se -ace propiamente es convertir una magnitud análoga de entrada en una se%al digital por medio de un sensor, sin necesidad de convertir una tensión análoga en su euivalente digital.

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Codiicadores de posiciones %n esta categor$a se distinguen & con!iguraciones distintas de sensores' ( Codificadores incrementales:  )a *edida de posiciones lineales y angulares +a sido +asta el *o*ento el ,nico ca*po con abundantes desarrollos co*erciales de sensores con salida digital- incluso antes de la era del *icroprocesador. "un as$- un grupo de estos sensores- los deno*ina*os codi!icadores incre*entales- es de tipo /casi digitales/pero por ra0ones de a!inidad los tratare*os a1u$. ( Codificadores absolutos' )os codi!icadores de posición absolutos o!recen a su salida una se2al codi!icada correspondiente a la posición de un ele*ento *óvil- regla o disco- con respecto a una re!erencia interna. 3ara ello- el ele*ento *óvil dispone de 0onas con una propiedad 1ue las distingue- y a las 1ue se asigna un valor binario /4/ o /5/. 3ero- a di!erencia de los codi!icadores incre*entales- +ay varias pistas con 0onas di!erenciadas y están agrupadas de tal !or*a 1ue el siste*a de lectura obtiene directa*ente- en cada posición del ele*ento *óvil- el n,*ero codi!icado 1ue da su posición.

Sensores de !utorresonantes "os sensores basados en un fenómeno físico resonante ofrecen una frecuencia de salida ue depende de una magnitud de inter#s ue afecta a la frecuencia de oscilación. Todos reuieren un frecuencímetro3contador para medir bien la frecuencia o bien el periodo de oscilación. "a elección de uno u otro m#todo depende de la resolución deseada 2 del tiempo disponible para la medida. "as estructuras resonantes basadas en monocristales de silicio se prestan bien a la reali!ación de circuitos integrados. En sensores se emplean tanto osciladores armónicos como de rela1ación. En los primeros -a2 una energía almacenada ue cambia de una u otra forma de almacenamiento, por e1emplo de energía cin#tica en el movimiento de una masa a energía potencial en la tensión de un muelle. En los segundos -a2 una ;nica forma de almacenamiento, 2 la energía almacenada se disipa  periódicamente mediante alg;n mecanismo de puesta a cero. 4 esonadores de cuar!o5 Dado ue el cuar!o es inerte, si se emplea un monocristal de gran pure!a la estabilidad de la resonancia mecánica a largo pla!o es mu2 alta. "a estabilidad a corto pla!o depende del factor de calidad B 7alta rigide!, poca -ist#resis8 2 la inductancia euivalente, ue son mu2 elevados. Una estabilidad a corto pla!o elevada

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 permite dise%ar sensores de alta resolución, mientras ue una gran estabilidad a largo pla!o significa ue se necesitarán menos recalibraciones. 4 Termometros digitales de cuar!o5 "os valores del circuito euivalente de la figura 0.))a dependen de la temperatura. $or lo tanto, la frecuencia de oscilación  presenta una deriva t#rmica. $ero si se emplea un cristal de cuar!o cortado con precisión, la relación temperatura3frecuencia es mu2 estable 2 tiene una gran repetibilidad. De esta Forma, midiendo la frecuencia de oscilación es posible determinar la temperatura a la ue está sometido el elemento ". 4 Micro balan!as basadas en resonancia de cuar!o5 'i sobre un cristal cuar!o dispuesto en un oscilador se deposita una peue%a masa, la frecuencia resonancia se reduce. 'i la frecuencia de oscilación era f(, el área del cristal :, densidad p, 2 la masa depositada :m, el despla!amiento de frecuencia viene dado  primera apro/imación por la ecuación de 'auerbre2.

de de su en

4 'ensores de fuer!a de 2 presión basados en en resonancia de cuar!o5 $ara medir presiones, se puede transmitir el esfuer!o mecánico desde un diafragma o fuelle a una varilla de cuar!o, o tambi#n emplear directamente un diafragma de cuar!o como resonador. En ambos casos, un cristal similar, pró/imo pero no su1eto al esfuer!o mecánico, permite compensar los efectos de la temperatura. 4 ?algas ac;stica5 'i la posición de uno de los e/tremos se -ace variable mediante un soporte móvil, el período de oscilación es directamente proporcional al despla!amiento. 'i se aplica una fuer!a, la frecuencia de oscilación resultante es directamente proporcional. 'ensores basados en cilindros vibrantes5 'i en lugar de un -ilo o una cinta vibrante se emplea un cilindro metálico con paredes delgadas 7C0 um8 2 un e/tremo ciego, la frecuencia de oscilación dependerá de las dimensiones 2 material del cilindro, 2 de cualuier masa ue vibre con sus paredes. Utili!ando, igual ue antes, un e/citador electromagn#tico para mantener la oscilación, se puede medir la diferencia de  presión entre las dos caras del cilindro, porue la diferencia de presiones entre ambos lados de las paredes produce una tensión mecánica en #stas. 'e puede medir la densidad de un gas porue el gas cerca de las paredes vibra al -acerlo #stas. $ara líuidos corrosivos es me1or emplear un cilindro de vidrio o cerámico 2 el e/citador   pie!oel#ctrico, 2a ue los electromagn#ticos no sirven. "a aplicación más e/tendida de este m#todo es, sin embargo, la medida continua de la densidad de líuidos consiste en dos conductores en paralelo, como por los ue flu2e el líuido, su1etos por cada e/tremo a una base fi1a 2 acoplados al conducto principal, con una 1unta fle/ible en cada e/tremo.

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4 'ensores basados en dispositivos de ondas superficiales 7':85 "as ondas superficiales en la superficie de un líuido al producir en ella una perturbación, se  producen tambi#n en las superficies de los sólidos. "ord a2leiig- anali!ó estas ondas en )0 2 las aplicó a la interpretación de los sismogramas. :unue estas ondas son distintas en los sólidos ue en los líuidos, en ambos casos se aten;an con la profundidad. Una forma de producir una perturbación en la superficie de un sólido, ciertamente muc-o menos convulsiva ue los terremotos, consiste en disponer dos electrodos metálicos interdigitados en la superficie de un material pie!oel#ctrico. 4 +audalímetro de @órtice5 "a detección de la presencia de oscilaciones en el flu1o de un fluido permite obtener tambi#n una se%al de frecuencia variable, la ue depende de la velocidad del fluido. Dic-as oscilaciones pueden ser for!adas o naturales. El m#todo de las oscilaciones for!adas, empleados sobre todo para gases, consiste en colocar en la tubería un conducto acanalado, de tal forma ue convierta el flu1o en -elicoidal con un  punto de velocidad má/ima ue se va despla!ando. "a frecuencia de paso de este n;cleo de ba1a presión por una !ona dada es proporcional a la velocidad 2, por lo tanto, al caudal volum#trico, e independiente de la temperatura, presión 2 -umedad del gas. "a detección se puede -acer mediante un elemento pie!oel#ctrico, si se mide presión, o con un termistor.

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Conclusión Dentro del desarrollo 2 e/plicación de las características, tipos 2 demás detalles de los sensores se -an de1ado entrever las aplicaciones de los mismos. En lo cual es posible destacar, más ue en la particularidad de un artefacto, lo e/puesto a comien!os del traba1o, siendo auello la premisa de los sensores como e/trapolación de los sentidos de los seres -umanos. Todos los sensores están fundados en esta base funcional ue desencadena reacciones a partir de estímulos del ambiente 3como los sentidos3, 2 además es posible cuantificar las variaciones del ambiente, respecto de muc-as variables 7-umedad, electricidad, fricción, composición uímica, luminosidad, etc. etc. etc.8.

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"ibliogra#a 'ensores analógicos utili!ados en la automati!ación industrialG, $ablo antonio +-aves +ampo, Escuela de Ingeniería el#ctrica, Universidad de +osta ica ❏

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'ensoresG, Hos# oberto @ignoni, Universidad nacional de la plata

+ompilado de apuntesG, Facultad de ingeniería, Universidad Tecnológica  Nacional ❏