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INSTRUMENTACIÓN

Tema 2: Sensores

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Tema 2. Sensores

• Sensores primariosS i ti• Sensores resistivos

• Sensores capacitivos• Sensores inductivos y electromagnéticos• Sensores generadores• Sensores digitales• Otros tipos de sensores

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Sensores primarios

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Sensores primarios

Recordemos lo que representan:

Magnitud eléctrica

SISTEMA SENSOR

PRIMARIO

Magnitud

física

Magnitud relacionada

SENSOR

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• convierten una magnitud física en otra más fácil de medir por un sensor

• no ofrecen una salida en forma de señal eléctrica

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Sensores primarios

SENSORES PRIMARIOS(según la magnitud de entrada que detectan):

• de temperatura:• bimetales

• de presión: • manómetro• tubo Bourdon• diafragma

• de caudal:• tubo de Pitot• caudalímetros de

obstrucción• rotámetros o

caudalímetros de área variable

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• diafragma

• de fuerza y par• de nivel

variable• caudalímetros de turbina• caudalímetros térmicos• caudalímetros de

desplazamiento positivo• vertederos de aforo

Sensores primarios de temperatura: bimetales

Bimetal: pieza formada por 2 metales con distinto coeficiente de dilatación térmica unidos firmemente, por ejemplo, mediante

ld d tó tid l i t tsoldadura autógena y sometidos a la misma temperatura.

Cuando se produce un cambio de T, la pieza se deforma según un arco circular uniforme.

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( )( )12BA TT3e2r

−α−α≈

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Uso como sensor primario:

Magnitud eléctricaBIMETAL

Temperatura DesplazamientoSENSOR

Características:• respuesta lenta

Otros usos:

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• actuadores para abrir o cerrar contactos (termostatos)• como protección en circuitos eléctricos (interruptores térmicos

por bimetal)


Uso como sensor completo:

Termómetros bimétalicos.

Constan de dos láminas de metalpegadas, con diferentes coeficientesde dilatación térmica. Cuando sesomete la lámina bimetálica a uncambio de temperatura, la dilatacióndiferencial provoca una flexión del

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diferencial provoca una flexión delconjunto en forma de arco circular.Basado en este sistema mecánicoBourdon Española suministra losmodelos TBM y TBO, atendiendo a laposibilidad de orientar la esfera.

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Sensores primarios de presión

Sensores primarios de presión:– manómetro

t b B dFuerzaesiónPr =– tubo Bourdon

– diafragma

La medida de presiones en líquidos o gases es frecuente en control de procesos

Para medir la presión se procede bien a su comparación con otra fuerza conocida bien a la detección de su efecto sobre un

SuperficieesiónPr

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fuerza conocida, bien a la detección de su efecto sobre un elemento elástico (deflexión)

Sensores primarios de presión: Manómetro

Manómetro de columna de líquido

ppgpph ref1

⋅ρ−

=

ManómetroPresión Desplazamiento

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Sensores primarios de presión: Tubo Bourdon

Tubo Bourdon

- tubo metálico de sección transversal no circular, que tiende a recuperar dicha forma cuando se aplica una diferencia de presión entre el interior y el exterior

(La diferencia de presiones provoca una deformación)

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Tubo Bourdon

Presión Desplazamiento


-- mejoras:mejoras:en espiral y helicoidalen espiral y helicoidal-- en espiral y helicoidalen espiral y helicoidal

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-- Características:Características:lineal para desplazamientos muy pequeñoslineal para desplazamientos muy pequeños-- lineal para desplazamientos muy pequeñoslineal para desplazamientos muy pequeños

-- se usa para altas presionesse usa para altas presiones

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- Uso como sensor completo:

Manómetro Tubo Bourdon.

Consiste en un tubo en forma de"C" que dibuja un anillo casicompleto, cerrado por un extremo.Al aplicar la presión al terminalabierto, el tubo tiende a

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,enderezarse y el movimiento estransmitido a la aguja indicadora.

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Sensores primarios de presión: Diafragma

- Diafragma: Placa circular flexible que se deforma debido a la diferencia de presiones entre sus dos carasdiferencia de presiones entre sus dos caras

- Se mide el desplazamiento del punto central del diafragma o su deformación .

DiafragmaPresión Desplazamiento o

Deformación

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- Para medir bajas presiones

Sensores primarios de caudal

- Caudal: cantidad de materia, en peso o volumen, que fluye por unidad de tiempo.- Las medidas de caudal están presentes en todos los procesos de transporte deLas medidas de caudal están presentes en todos los procesos de transporte de

materia y energía mediante fluidos, para controlar el proceso, como indicación o para determinar tarifas (agua, gas, gasolina..)

•Sensores primarios de caudal:•tubo de Pitot

•caudalímetros de obstrucción

•rotámetros o caudalímetros de área variable

•caudalímetros de turbina

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•caudalímetros térmicos

•caudalímetros de desplazamiento positivo

•vertederos de aforo

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Sensores primarios de fuerza y par

- Convierten la fuerza o el par en un desplazamiento, midiendo el efecto de una fuerza sobre un elemento elástico (célula de carga)efecto de una fuerza sobre un elemento elástico (célula de carga)

Célula de carga

Fuerza o Par Desplazamiento

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Sensores primarios de nivel

- Basados en flotador

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Sensores primarios de nivel

- de presión diferencial

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Bibliografía del tema 2,relativa a los sensores primarios:

Capítulo 1 del libro:“Sensores y acondicionadores de señal", Ramón Pallas Areny.

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Tema 2. Sensores

• Sensores primarios su salida no es eléctrica

• Sensores resistivos• Sensores capacitivos• Sensores inductivos y electromagnéticos• Sensores generadores• Sensores digitales

su salida sí es

una señal eléctrica

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• Otros tipos de sensores

Sensores

Información relevante de cada sensor:– NOMBRE– PARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLEPARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLE– MAGNITUD MEDIDA– FOTO / SÍMBOLO– FUNDAMENTO FÍSICO (FUNCIONAMIENTO)– MATERIAL QUE LO COMPONE– MODELO O ECUACIÓN DEL SENSOR– TIPO DE SALIDA (ANALÓGICA O DIGITAL)– TIPO DE COMPORTAMIENTO (LINEAL O NO LINEAL)

VENTAJAS

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– VENTAJAS– LIMITACIONES– APLICACIONES– CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO

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Sensores resistivos

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Sensores resistivos

SENSORES RESISTIVOS

se basan en la variación de la resistencia de un elemento a consecuencia de la variación de la magnitud a medir.

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Sensores resistivos

SENSORES RESISTIVOS, tipos:P t ió t– Potenciómetros

– Galgas Extensiométricas– Detectores de temperatura resistivos (RTD)– Termistores– Magnetorresistencias– Fotorresistencias– Higrómetros resistivos

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Higrómetros resistivos– Resistencias semiconductoras para detección de gases

Sensores resistivos

Ejemplo de estudio de un sensor resistivo:Ejemplo de estudio de un sensor resistivo:

– Fotorresistencias

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Sensor: fotorresistencia (LDR)

Información relevante que vamos a detallar de la LDR:– NOMBRE– PARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLEPARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLE– MAGNITUD MEDIDA– FOTO / SÍMBOLO– FUNDAMENTO FÍSICO (FUNCIONAMIENTO)– MATERIAL QUE LO COMPONE– MODELO O ECUACIÓN DEL SENSOR– TIPO DE SALIDA (ANALÓGICA O DIGITAL)– TIPO DE COMPORTAMIENTO (LINEAL O NO LINEAL)

VENTAJAS

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– VENTAJAS– LIMITACIONES– APLICACIONES– CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO

Fotorresistencias (LDR )

NOMBRE:fotorresistencia, fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuya siglas (LDR) se originan de su nombre en inglés light-dependentresistor

PARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLE:resistencia eléctrica (R)

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MAGNITUD MEDIDA:nivel de iluminación (densidad superficial de energía recibida expresada en lux)1 lux = 1lumen /m²

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FOTO:FOTO:

SÍMBOLO:SÍMBOLO:

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SÍMBOLO:SÍMBOLO:


FUNDAMENTO FÍSICO:Las fotorresistencias se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda entre 1mm y 10nm).

si ↑luz → ↓RLDR (cientos de Ω)

si ↓luz → ↑RLDR (>10MΩ)

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su fundamento físico es el efecto fotoeléctrico interno..

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FUNDAMENTO FÍSICO: efecto fotoeléctrico interno

La conductividad eléctrica en un material depende del número de portadores enLa conductividad eléctrica en un material depende del número de portadores enla banda de conducción. En un semiconductor, a la baja temperatura la mayorparte de sus electrones están en la banda de valencia, y se comporta caso comoaislante. Pero al aumentar la temperatura, y con ella la agitación de los electrones,dado que las bandas de valencia y de conducción están próximas (a diferencia delo que sucede en un aislante), cada vez hay más electrones que saltan de la bandade valencia a la de conducción, aumentando la conductividad. Si el semiconductorestá dopado, este salto es aún más fácil.

La energía necesaria para producir el salto puede venir de otras fuentes externasademás del calor como puede ser una radiación óptica o una tensión eléctrica

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además del calor, como puede ser una radiación óptica o una tensión eléctrica.En el caso de la radiación, si ésta tiene energía suficiente para permitir el salto delos electrones de una a otra banda, pero sin exceder el umbral necesario para quese desprendan del material, se tendrá efecto fotoeléctrico interno o fotoconductor,y a mayor iluminación mayor será la conductividad. Si se excediera dichoumbral, se tendría efecto fotoeléctrico externo.


FUNDAMENTO FÍSICO: efecto fotoeléctrico interno

B. Conducción

B V l i- - -

---

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B. Valencia-- -- - - -

- -- --

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MATERIAL QUE LO COMPONE:

Materiales semiconductores como el sulfuro de cadmio (CdS).

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MODELO:

αα−= EAR ·R = resistencia eléctrica

E = densidad superficial de energía recibida (lux)

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A y α = constantes dependientes de material sm

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TIPO DE SALIDA:

ANALÓGICA

TIPO DE COMPORTAMIENTO:

NO LINEAL

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VENTAJAS:VENTAJAS:

-gran sensibilidad

-bajo coste

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LIMITACIONES:

- respuesta espectral estrecha (se debe elegir un sensor específico en función de la longitud de onda que se quiere detectar)

- comportamiento muy no lineal

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APLICACIONES:

Medidas de luz con poca precisión y bajo coste:

•control de diafragma en cámaras fotográficas

•detección de fuego

•sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles en función de la luz ambiente

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2020


CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO:

DIVISOR DE TENSIÓNDIVISOR DE TENSIÓN

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DIVISOR DE TENSIÓN COMPARADORDIVISOR DE TENSIÓN + COMPARADOR

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Vref

2121



DIVISOR DE TENSIÓN DISPARADOR S h ittDIVISOR DE TENSIÓN + DISPARADOR Schmitt

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DIVISOR DE TENSIÓN SEGUIDORDIVISOR DE TENSIÓN + SEGUIDOR

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2222


EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR LDR EN UN ROBOT MOVIL:

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Más información:Web sobre Moway: http://coolab.umh.es/moway_web/moway.html

Video del hormiguero: http://www.youtube.com/watch?v=R8cEn8zLWAw

d i i blSensores de reactancia variable:

2 tipos:sensores capacitivossensores inductivos

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Sensores capacitivos

SENSORES CAPACITIVOS tiSENSORES CAPACITIVOS, tipos:

– Condensador variable– Condensador diferencial

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Condensador variable

NOMBRE:condensador variable, capacitor o capacitancia variable

PARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLE:Capacidad eléctrica (C)

MAGNITUD MEDIDA:El cambio en la capacidad eléctrica puede ser producido por uncambio en la constante dieléctrica del material o en la geometría delcondensador.

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condensador.

Por ello, son magnitudes medibles:• desplazamientos lineales y angulares• presión, fuerza, par y aceleración

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FOTO:

SÍMBOLO:

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SÍMBOLO:


FUNDAMENTO FÍSICO:

Cualquier fenómeno o magnitud que produzcauna variación de ε, A o d provocará un cambioen C que será detectado en un circuito (I,V).

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Ejemplo de condensador variable debido a un cambio en la constante dieléctrica:

FUNDAMENTO FÍSICO:

Ejemplo de condensador variable debido a un cambio en la constante dieléctrica:

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Ejemplos de condensadores variables debidos a cambios en su geometría:

FUNDAMENTO FÍSICO:

j p g

x

placamóvil

placafija

d

xw A x

l

ε2ε1

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xACxε

= ( )wx-A d

Cxε

= ( )[ ]x--ldwC 122

ox εεε

ε=

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Ejemplos de condensadores variables debidos a cambios en su geometría y/o suconstante dieléctrica:

FUNDAMENTO FÍSICO:

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Geometrías básicas de condensadores:CILÍNDRICO

PLANO DIFERENCIAL

FUNDAMENTO FÍSICO:

Die

léct

rico

Aε εA εAεh2π

C =

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dAε

C =x-d

εAC1 =

x+dεA

=C2

1

2

rr

lnC =

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Condensador diferencial

Consiste en dos condensadores variables dispuestos de tal modo queexperimenten el mismo cambio pero en sentidos opuestos:

C C

x-dεA

C1 =

x+dεA

=C2

d-x d+x

C1 C2

x

Su principal ventaja es que mediante un acondicionamiento adecuado de la señal

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p p j qde salida, se logra que ésta sea lineal. Por ejemplo, restando las tensiones decada uno de los condensadores variables C1 y C2. ver en pizarra


MATERIALES QUE LOS COMPONEN:

Múltiples materiales.

En general, son 2 placas conductoras separadas por un material dieléctrico.

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Sensores capacitivosMODELO del

CONDENSADOR VARIABLE:MODELO del

CONDENSADOR DIFERENCIAL:

C C

x-dεA

C1 =

x+dεA

=C2

d-x d+x

C1 C2

x

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TIPO DE SALIDA:

ANALÓGICA

TIPO DE COMPORTAMIENTO:

Puede ser lineal, según la magnitud medida y el circuito de acondicionamiento utilizado junto con el sensor.

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2929


VENTAJAS:VENTAJAS:

- Puede utilizarse para medir diferentes tipos de magnitudes.

- Múltiples aplicaciones: medidores de desplazamientos, detectoresde presencia y proximidad, acelerómetros: activación del sistemaairbag, detección de movimiento, etc.

- Bajo coste

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Bajo coste


APLICACIONES:

- Medida de desplazamientos lineales y angulares

- Detectores de proximidad: detectan metales y dieléctricos como papel, madera, vidrio y plástico

- Medidas de presión, fuerza, par y aceleración.

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3030



Puente de Wheastone en AC

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En el puente (a) la salida varía de forma no lineal con x. Pero si se trata de un sensor diferencialy se ponen sus dos impedancias en brazos adyacentes (puente (b)), entonces hayproporcionalidad entre VS y x.

Además, en la configuración de puente (b) las interferencias térmicas y de otros tipos, queafectan por igual en los dos brazos, se anulan. Esta es una de las razones de que los puentes dealterna sean el método de medida habitual para sensores diferenciales.

Sensores capacitivosEJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Detectores de proximidad capacitivos

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3131

Sensores capacitivosEJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote

Detección de movimiento en el espacio con el wiimote: El mando de la Wii(wiimote) tiene la capacidad de detectar la aceleración a lo largo de tres ejes mediante la( ) p g jutilización de un acelerómetro ADXL330.

acelerómetro ADXL330.Wiimote.

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¿Qué es el ADLX330?

El sensor ADXL330 es un acelerómetro completo de tres ejes acondicionado con salidas devoltaje de señal, todo montado en un CI monolítico. El rango del sensor es de ±3g . Sepuede medir la aceleración de la gravedad estática en las aplicaciones de detección deinclinación, así como la aceleración dinámica resultante de movimiento, choque ovibraciones.

Se trata de un acelerómetro tipo MEMS basado en un sensor capacitivo diferencial.MEMS (Microelectromechanical Systems) se refiere a la tecnología electromecánica,micrométrica y sus productos. El silicio es el material utilizado para crear la mayoría de loscircuitos integrados y por tanto también los sensores tipo MEMs.

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3232



aceleración

Celda

C1 < C2CapacidadesC y C

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Celdaunitaria

C1 y C2

ka xm

=F = k⋅x

F = m·a



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Otro sensor tipo MEMs basado en sensor capacitivo diferencias: giroscopio IDG-300.

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3434

Sensores capacitivosEJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO: iPhone

Detección de movimiento en el espacio en un móvil: Los teléfonos inteligentes(iPhone, Blackberry Storm) utilizan acelerómetros para detectar cuándo la pantalla gira de( , y ) p p gla orientación “retrato” a la posición “paisaje”. Además de facilitar otras aplicaciones, comoreordenar una lista al sacudirlo, por ejemplo.

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Sensores capacitivosEJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO: iPhone

Detección de movimiento en el espacio en un móvil.

Disposición de acelerómetros en el iPhone.

68Acelerómetro MEMS del iPhone: LIS302DL

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Sensores inductivos

SENSORES INDUCTIVOS tiSENSORES INDUCTIVOS, tipos:

– Basados en una variación de reluctancia– Basados en corrientes de Foucault– Basados en un cambio de M (LVDT y trafos variables)

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l é iSensores electromagnéticos

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Sensores electromagnéticos

SENSORES ELECTROMAGNÉTICOS• Definición:

S l it d fí i d d iSensores 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.

• Tipos:• Sensores basados en la ley de Faraday• Sensores basados en el efecto Hall

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Sensores generadores

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Sensores generadores

SENSORES GENERADORES• Definición:

Sensores generadores son aquellos que generan una señal eléctricaSensores generadores son aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica.

• Tipos:• Sensores termoeléctricos: termopares• Sensores piezoeléctricos• Sensores piroeléctricos• Sensores fotovoltaicos

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Sensores fotovoltaicos• Sensores electroquímicos

Sensores digitales

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Sensores digitales

SENSORES DIGITALES• Definición:

Of l did difi d º d t i d d bit- Ofrecen la medida codificada en un nº determinado de bits- Ofrecen una señal de valores discretos

• Tipos:• Codificadores de posición

• Incrementales• Absolutos

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Absolutos

• Sensores autorresonantes

“Sensores y acondicionadores de señal",Ramón Pallas Areny, Ed. Marcombo, 2007.

Bibliografía

Capítulos 2-8

Otra bibliografía complementaria:- Libro: “ Instrumentación Electrónica", Pérez et al.

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Libro: Instrumentación Electrónica , Pérez et al.- Revista Investigación y Ciencia, Mayo 2009- Diversas fuentes de internet

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