Sensors

Jordi Jordi Jordi Jordi MaynéMaynéMaynéMaynéEnginyer d’Aplicacions

Jordi.Mayne@silica.com

SILICA (Avnet Iberia)

02

Historia de los Sensores

Luz

Presión

Temperatura

Sonido

Olor

03

Tipos de Sensores con Semiconductores

� Temperatura� Humedad� Presión� Posición� Movimiento� Caudal� Luz� Corriente� Tensión � Conductividad� Biométricos� Químicos � Imagen

� Acústicos� Aceleración� Velocidad� Gas� Inclinación� ...

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Terminología

� Sensor: Es un dispositivo que recibe una señal o estímulo y responde con una señal eléctrica. Además los sensores pueden ser activos o pasivos.� Sensor activo: Es un sensor que requiere una fuente externa de

excitación como las RTD o células de carga.� Sensor pasivo: Es un sensor que no requiere una fuente externa

de excitación como los termopares o fotodiodos.

� Transductor: Es un convertidor de un tipo de energía a otra.

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Tipos de sensores con semiconductores

� Altamente integrado para sistemas de control

� Programable

Sensor Remoto

� Muy completo, sin acondicionador de señal externo

� Programable

Salida Digital

� Inmunidad al ruido

� Encapsulado pequeño

Salida en PWM

� Programable, simple y fácil de usar

� Amplio gama y número de “set-points”

Controlador de “Set Point” programable

� No requiere componentes externos activos

� Características adicionales, como la alarma de rotura del sensor o de hilos de conexión.

Con acondicionador de señal

� Radiométrica y No-Radiométrica

� Implementación flexible de las aplicaciones

Salida en Tensión

� Inmune a los errores de resistencia de los hilos de conexión

� Es posible medir a largas distancias

Salida en Corriente

HotCold

Data

Clock

Data

Clock

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Acondicionadores de señal + Proceso

Sensor Atenuador Cambiode nivel Filtro Amplifi

cadorA/D

ProcesadorDAC

Cada día mayor integración

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Convertidores A/D

� SAR (Convertidor de Aproximaciones Sucesivas)� Económicos los de baja resolución.

� Rápidos.

� Sigma/Delta� Económicos los de alta resolución � Muchos incluyen filtro digital � Algunos con amplificador Ganancia Variable� Fuente de Corriente interna� Bajo consumo� Limitados en ancho de banda

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Sensores de Temperatura

� Electromecánicos: Termopares (utilizan la tensión generada en la unión de dos metales en contacto térmico)

� Resistivos: RTD (Resistance Temperature Detector) o PT100 PTC (Positive Termal Coefficient). Termistores o NTC (Negative Termal Coefficient)

� Semiconductores: Se basan en la variación de la conducción de una unión p-n polarizada directamente.

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Sensores de Presión

� Resistivos

� Piezo-cerámicos

� Semiconductores

010

Sensores de Presión Semicoductores

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Sensores de Presión

� Sensores de presión absoluta (miden la diferencia entre la presión externa y a una presión de referencia cero (vacío). Aplicaciones: Barómetros, Detección de fugas, Altímetros...

� Sensores de presión diferencial (la salida es proporcional a la diferencia de presión delas dos entradas). Aplicaciones: Flujo de aire, Control de filtros de aire ...

� Sensores de presión manométrica (es un caso especial de presión diferencial, donde la presión atmosférica se utiliza comoreferencia). Aplicaciones: Presión sanguínea, Nivel de líquidos, Presión de ruedas...

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Aplicación del Sensor de Presión

ADuC814DriverLCD

LCD

El software

bomba,valvula,

convierte,display

Sensor presión

Bomba

valvula

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Sensores de Humedad

� Capacitivos

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Sensores de Posición

� Electromecánicos (Finales de Carrera o Microrruptores): � Conmutan directamente cualquier señal eléctrica.� Tienen una vida limitada.� Solo pueden detectar posiciones determinadas, debido a su tamaño.

� Magnéticos (Detectores de Proximidad Magnéticos):� Efecto Hall.� Resistivos.

� Inductivos (Detectores de Proximidad Inductivos)� Sincros y Resolvers.� RVDT (Rotatory Variable Differential Transformer)

LVDT (Lineal Variable Differential Transformer). � Inductosyn.

� Potenciométricos (Potenciómetros lineales o circulares).

� Ópticos (Células fotoeléctricas y Encoders ópticos).

015

Sensores de Posición Magnéticos

• Efecto Hall

• Magneto- Resistivos

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Sensores Inductivos

� Sincros y Resolvers

017

Sensores Inductivos para medida de desplazamientos

� RVDT (Rotatory Variable Differential Transformers)

� LVDT (Lineal Variable Differential Transformers)

018

Sensores Inductivos para medida de desplazamientos - 2

� Inductosyn Lineal: Desarrollado por la empresa Farrand Control Inc. para la medición y el control exacto de distancias lineales. Utilizado por la mayoría de compañías de Control Numérico y Máquinas Herramienta para control y medición de ejes.

� Inductosyn Rotatorio , es un transductor para la medición y el control angular, basado en los mismos principios que el Inductosyn Lineal.

019

Sensores Ópticos

� Foto-interruptores

� Reflectivos

020

Encoders Incrementales y Absolutos

021

Sensores de Movimiento

� Efecto Hall

� Magneto-Resistivos

� Acelerómetros

022

Los Acelerómetros permiten

• Medida de la fuerza gravitatoria estática– ej. Inclinación

• Medida de la aceleración dinámica– ej. Vibración y choques

• Medida inercial de la velocidad y la posición– Para la velocidad midiendo un eje– Para la posición midiendo dos ejes

023

¿Cómo trabajan los Acelerómetros?

• La Aceleración puede ser medida usando un simple sistema de masa/resorte.

– Fuerza = Masa * Aceleración– Fuerza = Desplazamiento * Constante del Resorte

así que… – Desplazamiento = Masa * Aceleración / Constante del Resort e

MASA

Aceleraciónañadida

MASA

Cambio en Desplazamiento

024

¿Cómo trabajan los Acelerómetros?

• Se usa el Silicio para hacer el resorte y la masa. • Se le añanden segmentos para hacer un condensador variable diferencial.• Se mide el cambio de desplazamiento, midiendo el cambio en la

capacidad diferencial.

MASA

Resorte

SENSOR en REPOSO

Puntos fijos

Anclaje alSubstrato

CS1 < CS2

AceleraciónAplicada

Respuesta a una Aceleración Aplicada(el movimiento mostrado es muy exagerado)

025

Fabricantes de Acelerómetros

026

Medida de Inclinación

La Aceleración mide el campo gravitatorio estático de la Tierra.Que és de 9.8 m/s 2 = 1g

Cambiando la inclinación, a lo largo del eje sensibl e del sensor, cambia el vector de aceleración:

θθθθ = arcsen[(V(out)-V(cero g)) / (1 g x factor de escala factor(V/ g))]! Esto parece complicado, pero es muy fácil de hacer,

usando un Acelerómetro ¡

027

Aplicaciones

Roll Over: 2-8 gAxial, Skew

Crash Detection:Front: 20-250 gSide: 40-250 g

Vibration: 8-10 gMotor stability

Pedometer: 20-30 gPace, Physiology

Inertial Navigation: 500 mg-1gAvionics, Military, GPS

Seismometry: 0.002-2 gGeophones, Seismic Switches

1 g = 9.8 m/s2

Tilt/Inclinometer: 0-1 gPDA, Cell phone

Game Controller: 1-2 gVirtual Reality, Joysticks

Freefall Detection: 1-2gMobile HDD, Cell phone

40g

20g

10g

2g

Bullet: >5000 g

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Medida inercial de la Velocidad y la Posición

Aceleración Integrada: una para velocidad, dos veces p ara la distancia.

Medida Relativa desde una posición inicial:

Velocidad = A * t Distancia = (A / 2) * t^2

Puede ser exacta para periodos cortos de tiempo, pero l a exactitud se degrada proporcionalmente al cuadrado del tiempo de in tegración.

• Es posible una exactitud Posicional de 2cm sobre un segundo.

• La exactitud Posicional se degrada a 20m después de 10 segundos de integración

Aplicaciones: Mejora la precisión de los sistemas GPS (determina la posición del coche cuando el GPS pierde la señal en un túnel ). Control dinámico de un Vehículos (control de deslizamiento).

Ascensores (mejora la precisión posicional usando l a medida inercial entre puntos de localización de referencia conocidos)

029

Medida de la Velocidad Angular

�La Velocidad angular mide la rapidez en que gira un objeto alrededor de un eje.

�Integrando la velocidad angular se miden los cambio s de inclinación o cambios de dirección.

�Aplicaciones: Control Dinámico de un Vehículo (VDC)

�Mide la velocidad sobre el eje vertical de un vehíc ulo y compara el valor predictivo por los sensores de velocidad de las rue das, para ver si el vehículo se está deslizando.

�La mayoría de los sistemas VDC también incluyen ace lerómetros de baja g, que se usan para medir si el deslizamiento del vehículo es longitudinal (para el control ABS) o lateral para detectar perdida de tracción.

030

Principio de Trabajo del Giroscopio

OSCILACIÓN

MASA

FUERZA

CORIOLIS

ROTACIÓN

• ¿Cómo se mide la velocidad angular?– Midiendo la fuerza de Coriolis.

• ¿Qué es la fuerza de Coriolis?– Cuando un objeto se mueve de una manera periódica (oscilando o

girando), girando el objeto en un plano ortogonal a su movimientoperiódico causa una fuerza de traslación en la otra direcciónortogonal.

031

Principio de Trabajo del Giroscopio

Anclaje del Acelerómetro Anclaje del Resonador

Marco del Acelerómetro

Resonador

Movimiento del Resonador

Coriolis

accelerationRotación Aplicada

Anclaje

032

E1 E2 E3

Measured Voltage

SHIELD

Capacitance toConductive Backplane

Cancelled by ShieldSignal

SHIELD ON

SHIELD OFF

Detectores de Proximidad

MC34940EG

033

Principio funcionamiento E- Field

DetectorLow Pass Filter

Voltage Level Proportional to 1/C (voltage divider)Drive level ~ 5 v p-p

Load Resistor (22 K ohms)

Sine Generator(120 KHz)

Detected Signal Level Decreases with Increasing Capacitance

Electrodes

Capacitance increases as electrodes move closer together

Virtual Ground

Stray Variable Capacitance

Object

Voltmeter

Level Out (Pin 7)

034

Aplicaciones proximidad con E- FieldElesys Seat Sentry TM

Industrial Access Control

Patient Monitoring

Garage Door Safety Sensing

035

Aplicaciones de E- Field para nivel de líquidos

Continuous and Discrete Level Sensing

Spill or Overflow Sensing

•Refrigeration Frost SensingRain/Defrost Sensor

E-Field Module

Non-Metallic Container

Liquid

ConductiveBands

036

Aplicaciones de proximidad con E- Field

MC

U +

E-S

enso

r

037

Aplicaciones Teclados Sensitivos

Single Slider

Bar

SinglePads

MultiplexedSlider

Bar

MultiplexedPads

MultiplexedSlider

Bar

4mm Thick glass Analyzer Board Connector(Bottom side)

038

Principio de funcionamiento del teclado sensitivo

Finger� Capacitivo:

� Entre un PAD del circuito impreso y la masa, se produce una capacidad CP

� Al poner el dedo, se produce una capacidad CF en paralelo con CP

039

Teclados Sensitivos – Solución Freescale

� Chip dedicado (familia MPR0xx)

� Micro MC9S08Q + software gratuito

Ventajas:

Más económicos mecánicamente

Menor espacio

Diferentes formatos: Sliders, Circular

Pueden ser estancos

Mayor vida útil

040

Teclados sensitivos – Solución Cypress

PadsSensores

PSoC

Programación yComunicación

VDD

� El PSoC sensa todas las teclas y soporta todos los LEDs mientrascomunican el estado de cada tecla/LED al “host”.

� No necesitan componentes externos

� Solución en un CHIP !!

041

Aplicaciones con Cypress

PSoC

1 2 3 4

DWN

UP FM

AM

102.5PRESET 1 FM

Cypress PSoCFront Panel Display Demo

© 2005

042

Teclados Sensitivos – Solución Microchip (mTouch)

� Capacitiva:� Entre un PAD del circuito impreso y la

masa, se produce una capacidad CP

� Al poner el dedo, se produce una capacidad CF en paralelo con CP

� Inductiva:� Un PAD de circuito impreso en forma

de bobina induce un campo.

043

Aplicaciones de consumo: Moviles, iPODs, PADs

044

Sensores de Corriente y Voltaje

� Shunt (Resistencia). � Bajo costo, Alta disipación (Si un shunt de 20A es de 100mW shunt:

0.04W/shunt

� Transformador de Corriente .� Aislamiento galvánico. Altas corrientes. Bajo consumo, pero en medidores

de energía tienen 0.1 grado de desfase, que representa un error del 0.3% de facturación con un factor de potencia de 0.5

� Bobina Rogowski (sensor di/dt)� Ofrecen una ventaja similar a los Transformadores de Corriente, sin

embargo tienen mejor precio y son inmunes a los problemas de saturaciónDC.

� Hall y Magneto-Resistivos� La corriente induce sobre el sensor un campo magnético.

045

Aplicación de Medida de Energía

046

Sitios Web de interés

SILICA: www.silica.com

Analog Devices: www.analog.com

Infineon: www.infineon.com

Aptina: www.aptina.com

Freescale: www.freescale.com

NXP: www.nxp.com

ST: www.st.com

Texas Instruments: www.ti.com

Microchip: www.microchip.com

Sensores:http://www.sensorsportal.com/HTML/Sensor.htm

http://www.sensorsmag.com/

Buscadores de componenteshttp://www.crhc.uiuc.edu/~dburke/databookshelf.html