4.Sensores y Transductores

5/25/2018 4.Sensores y Transductores

1/24

F. Hugo Ramrez LeyvaCubculo 3

Instituto de Electrnica y Mecatrnica

[email protected]

Octubre 2013

4. Sensores y transductores

1


2/24

Contenido de tema

2

1. Amplificador diferencial bsico.

2. Mejoras del amplificador diferencial

bsico.

3. Amplificador de instrumentacin.4. Amplificador bsico de puente


3/24

Sensor Actuador

19/05/20143

El mundo real es por naturaleza analgico En la mayora de los casos es ms adecuado el

procesamiento digital.

Es preciso intercalar en la entrada y en la salida delsistema digital unos interfaces convertidores

analgico-digital (ADC) y digital analgico (ADC). Con al DAC y el ADC se puede hacer el procesador

digital y que ste interaccionar con su entorno


4/24

Sensor Actuador

19/05/20144

Sensor. Convierte un parmetro fsico en una cantidad elctrica Transductor: Dispositivo usado en mediciones, que hace

corresponder una magnitud de entrada a una magnitud de salida segnuna relacin determinada.

Acondicionamiento. Interfaz de entrada en la que se usan

amplificadores operacionales para acondicionar la seal provenientedel sensor.

Procesamiento. Se encarga de digitalizar la sea analgica,procesarla con un microcontrolador o microprocesador, yposteriormente convertirla a un voltaje analgico.

Convertidor Analgico Digital (ADC)

El convertidor digital Analgico (DAC) Interfaz de salida. Sirve como aislamiento entre el uC y las

cargas de alto voltaje o alta corriente. Dispositivos de interfaz de salidatpicos son los Triacs, SCR, transistores de potencia, relevadores, etc.

Carga. Motores calderas, bombas, unidades de aire acondicionado,

calentadores etc.


5/24

Caractersticas de un Sensor

19/05/20145

Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puedeaplicarse el sensor.

Precisin: es el error de medida mximo esperado.

Offset o desviacin de cero: valor de la variable de salida cuando lavariable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valoresnulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro puntode referencia para definir el offset.

Linealidad o correlacin lineal.

Sensibilidad de un sensor: relacin entre la variacin de la magnitud desalida y la variacin de la magnitud de entrada.

Resolucin: mnima variacin de la magnitud de entrada que puedeapreciarse a la salida.

Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuntovare la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema paraseguir las variaciones de la magnitud de entrada.

Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud deentrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden sercondiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otrascomo el envejecimiento (oxidacin, desgaste, etc.) del sensor.

Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.


6/24

Clasificacin de los Sensores

19/05/20146

1. Segn el principio defuncionamiento

2. Segn el tipo de seal

elctrica que generan

3. Segn el Rango deValores que

proporcional

4. Segn el nivel de

integracin5. Segn el tipo de

variable fsica medidahttp://micronova.wordpress.com/2010/03/17/clasificacion-de-los-sensores/


7/24

Segn el principio de funcionamiento

19/05/20147

Pasivos Resistivos (Resistencia variable)

Potenciomtricos

Termoresistivos

Fotoresistivos

Extensiomtricos

Magnenetoresistivos

Electroqumicos

Capacitivos (Capacitanciavariable)

Inductivos (Inductancia Variable)

Reluctancia Variable

Permeancia Variable

Magnetoresistivos Transformador Variable

Optoelectrnicos

Dispositivos electrnicosdetectotes de luz. Foto diodo,Foto transistor

Par emisor / detector de luz.

Otros

Activos Piezoelctricos

Fotoelctricos u optoelctricos Fotoemisivos

Fotovoltaicos

Termoelctricos (Termopares)

Magnetoelctricos Electromecnicos

Semiconductores Otros

http://www.arqhys.com/construccion/galgas-extensiometricas.html


8/24

Clasificacin de los Sensores

19/05/20148

Segn el tipo de seal elctricaque generan Analgicos

Digitales

Temporales

Segn el Rango de Valores queproporcional De medida

Todo o nada (On-Off)

Segn el nivel de integracin Discreto

El acondicionamiento se hace porseparado

Integrado El acondicionamiento y el sensor

estn en el mismo chip.

Inteligente Sensor que tiene al elemento de

sensado, acondicionamiento yprocesador en un mismo CImonoltico o hbrido.

Segn el tipo de variable fsicamedida Presin

Temperatura

Humedad

Fuerza

Aceleracin

Velocidad

Caudal

Presencia o ausencia deobjetos

Nivel de slidos o lquidos

Posicin de objetos

Desplazamiento de objetos Otros


9/24

Actuadores

19/05/20149

Generan el movimientode los elementos delrobot segn las ordenesdadas por la unidad de

control. Tipos deactuadores: Neumticos (aire).

Hidrulicos (aceite).

Elctricos (motores).

Caractersticas msimportantes: Potencia, controlabilidad,

peso y volumen,

precisin, velocidad,mantenimiento costo.


10/24

Acondicionamiento de Seales

19/05/201410

Por lo general, la seal desalida de los sensores noes apta para su lecturadirecta y a veces tampocopara su procesado, por lo

que se usa un circuito deacondicionamiento.

Algunos ejemplos son elpuente de Wheatstone,amplificadores y filtroselectrnicos que adaptan laseal a los nivelesapropiados para el resto dela circuitera.

En el acondicionamiento seusan amplificadores

operacionales para realizarla ada tacin de la seal


11/24

Sistemas de adquisicin de datos

11

El mundo tcnico estasiendo cada vez masdigital debido a que lasseales son masconvenientes para su

procesamiento Las seales de los

sensores seacondicionananalgicamente se

digitalizan se procesan yconvierten nuevamentea analgicas.

El proceso dedigitalizacin es

realizado por losconvertidores Analgicos


12/24

Conversin ADC y DAC

12

Las seales analgicas soncontinuas en tiempo, elvalor de estas seales estadeterminada cada instantede tiempo. x(t)

La conversin analgicadigital convierte l seal x(t)en una seal discreta de lamisma x(n)

La seal digital es discreta

en tiempo, lo que significaque el valor de la seal solocambia en ciertos instantesde tiempo

El tiempo en el cual ocurrenlos cambios se le llamaPeriodo de Muestreo(Ts)


13/24

Conversin ADC y DAC

13

Para garantizar unacorrecta digitalizacin yreconstruccin, esnecesario cumplir con elteorema del muestreo.

La frecuencia de muestreodebe ser del doble de lamxima frecuencia adigitalizar.

Si no se cumple se genera

el fenmeno de Aliasing, osubmuestreo.

Una forma de prevenir esteefecto, es el poner en laentrada un filtro pasa bajas


14/24

Conversin ADC y DAC

14

La conversinAnalgica Digitaladems de cuantizar entiempo y amplitud.

Esto se debe a que setiene una cantidadlimitada de bits pararepresentar a la sealdigitalizada

En la figura se observala forma en que sedigitaliza una seal conun convertidor de 2 bits


15/24

Convertidores Analgicos

Digitales

15

En el mercadoexisten varios tiposde convertidoresanalgicos digitales.

Estos son:

Aproximacionessucesivas(successiveapproximationsregister SAR)

Pipeline

Sigma delta (delta-sigma)

Flash

Integrados


16/24

Convertidor Digital Analgico

16

Los DAC son usadospara recuperar lasseales analgicas apartir del cdigo

digital Este proceso a veces

se le llamareconstruccin de laseal analgica

Cada valor digital estarelacionado al valordefinido en la sealanalgica como se ve

en la figura


17/24


17

Despus de la conversin digital se obtienen unserie de pulsos con amplitud proporcional a la sealal momento de muestreo

El puso se mantiene constante hasta el siguientepulso (Retenedor de orden Cero ZOH)

A la salida del convertidor se le pone un filtro pasabajas para mejor su respuesta


18/24


18

Filtro de correccin Reconstructor de escalera filtro desuavizado


19/24

Tarjetas de Adquisicin de Datos

(TAD)

19

La adquisicin de datos (DAQ) es el proceso de medircon una PC un fenmeno elctrico o fsico como voltaje,corriente, temperatura, presin o sonido.

Un sistema DAQ consiste de sensores, hardware demedidas DAQ y una PC con software programable.

Comparados con los sistemas de medidas tradicionales,los sistemas DAQ basados en PC aprovechan lapotencia del procesamiento, la productividad, lavisualizacin y las habilidades de conectividad de lasPCs estndares en la industria proporcionando una

solucin de medidas ms potente, flexible y rentable.


20/24

DAC

20

El hardware DAQ acta como la interfazentre una PC y seales del mundoexterior. Funciona principalmente comoun dispositivo que digitaliza sealesanalgicas entrantes para que una PC

pueda interpretarlas. Los tres componentes clave de un

dispositivo DAQ usado para medir unaseal son el circuito deacondicionamiento de seales,

convertidor analgico-digital (ADC) y unbus de PC.

Varios dispositivos DAQ incluyen otrasfunciones para automatizar sistemas demedidas y procesos. Por ejemplo, los

convertidores digitales-analgicos(DACs), las lneas de E/S y los


21/24

Componentes de un Dispositivo

DAQ

21

Convertidor Analgico Digital(ADC) Un ADC realiza "muestras" peridicas

de la seal a una razn predefinida.Estas muestras son transferidas a unaPC a travs de un bus, donde la sealoriginal es reconstruida desde lasmuestras en software.

Bus de la PC Los dispositivos DAQ se conectan a

una PC a travs de una ranura o

puerto. El bus de la PC sirve como lainterfaz de comunicacin entre eldispositivo DAQ y la PC para pasarinstrucciones y datos medidos. Losbuses de PC ms comunes son USB,PCI, PCI Express y Ethernet.

Recientemente esta disponible el802.11 Wi-Fi para comunicacin


22/24

Acondicionamiento

22

El acondicionamiento se puederealizar dentro o fuera Los tipos son:

Amplificacin de la TAD.Aumenta el nivel de la seal

analgica

Filtrado Elimina seales elctricas

indeseadas

Aislamiento Evita que la seal elctrica a medir

pueda daar al operador o al equipo. Protege a la seal a medir de

influencias no deseadas

Multiplexacin Permite la seleccin de diferentes

seales a ser procesadas por la TADhttp://www.sc.ehu.es/acwamurc/Transparencias/%284%29TAD.

pdf


23/24

Procesamiento y anlisis

23


24/24

24

4.Sensores y Transductores

Documents

Transcript of 4.Sensores y Transductores