TIPOS DE SENSORES Y ACONDICIONADORESLUIS FELIPE DE LA HOZ CUBAS Y MARIA ILSE DOVALE PEREZDIVISION DE INGENIERIAS 2009

Sensores

Un sensor es un dispositivo encargado de obtener una señal

eléctrica en respuesta a

magnitudes de entrada no eléctricas,

y se pueden dividir en varios tipos que mencionaremos a

continuación.

Sensor, definición!

Un sensor es todo dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transducible que es función de la variable medida.

No hay que confundir el término transductor con sensor, ya que el segundo se refiere únicamente a los dispositivos que amplían nuestros sentidos para permitirnos conocer el valor de unas determinadas magnitudes físicas.

De hecho, es muy común, dentro de un sistema de medida y control, denominar como sensores a los transductores de entrada (señal fisica/señal eléctrica) y como actuadores o accionamientos a los transductores de entrada (señal eléctrica/presentación).

Los primeros se utilizan para obtener información del sistema o planta a controlar, mientras que los segundos buscan la conversión de energía para realizar una determinada acción sobre dicho sistema.

Moduladores o Pasivos Generadores o Activos

Según el aporte de energía

Según su Aporte de Energía

Otra forma de clasificar los sensores en particular los analógicos es según necesiten o no un aporte de energía de alimentación para efectuar la transducción.

Sensores Moduladores o Pasivos

Si el sensor necesita un aporte de energía adicional al adquirido por la transducción se le llama modulador o pasivo, por cuanto la magnitud medida modifica o modula la alimentación suministrada

Sensores Pasivos

Son aquellos que generan señales representativas de las magnitudes a medir por intermedio de una fuente auxiliar.

Ejemplo: sensores de parámetros variables (de resistencia variable, de capacidad variable, de inductancia variable).

Sensores Generadores o Activos

Los sensores que no necesitan alimentación auxiliar se califican como generadores y la energía de su señal de salida procede del sistema o proceso donde se mide.

Sensores Activos

Son aquellos que generan señales representativas de las magnitudes a medir en forma autónoma, sin requerir de fuente alguna de alimentación.

Ejemplo: sensores piezoeléctricos, fotovoltaicos, termoeléctricos, electroquímicos, magnetoeléctricos.

Sensor Termoeléctrico.

Analógicos Digitales

Según la señal de salida

Pero el condicionamiento de una señal digital es mucho más sencillo que el de una señal analógica, lastimosamente pocos son los dispositivos que a su salida muestran señales digitales en respuesta a una magnitud física de entrada.

Bajo este criterio, los sensores pueden ser analógicos o digitales.

Sensores Análogos

La gran mayoría de sensores entregan su señal de manera continua en el tiempo. Son ejemplo de ellos los sensores generadores de señal y los sensores de parámetros variables

Sensores Digitales

Son dispositivos cuya salida es de carácter discreto.

Son ejemplos de este tipo de sensores: codificadores de posición, codificadores incrementales, codificadores absolutos, los sensores autoresonantes (resonadores de cuarzo, galgas acústicas, cilindros vibrantes, de ondas superficiales (SAW), caudalímetros de vórtices digitales), entre otros.

Entonces tenemos:

De orden cero De primer orden De segundo orden De orden superior

Según el tipo de relación (Entrada, salida)

Todo sensor cuenta con características intrínsecas propias de los materiales con que fueron construidos.

Estas características dependen de la respuesta del sensor a un estimulo externo.

Pueden ser: características estáticas y dinámicas.

Las características estáticas de los instrumentos aparecen después que ha pasado mucho tiempo, régimen permanente. Se cuantifica en términos de error.

Las características dinámicas son la respuesta de los sensores a un cambio brusco en su entrada, régimen transitorio. Se presentan en los sensores que cuentan con elementos que almacenan energía. 

SENSOR DE ORDEN CERO

Un sensor de orden cero tiene una función de transferencia de la forma:

Su comportamiento queda caracterizado por su sensibilidad estática k y se mantiene constante independientemente de la frecuencia de entrada.

Error dinámico y retardo cero.

Aquellos dispositivos que no almacenan energía son un buen ejemplo para este tipo de sensores.

ksF )(

Sensor de posición como elemento potenciométrico.

SENSOR DE PRIMER ORDEN

La característica fundamental de un sensor de primer orden es la existencia de un elemento que almacena energía y otro que la disipa.

La ecuación que rige este tipo de sistemas con condiciones iniciales iguales a cero es:

)()()( 01 sXsYassYa

la función de transferencia que relaciona la salida con la entrada es:

menterespectiva sistema del dinámicasy estáticas

ticascaracterís las determinan y constantes Las k

Donde la frecuencia está dada por:

Y el error dinámico por:

Sensor de primer orden

Respuesta de un sensor de 1er orden

Función para diferentes retardos

SENSOR DE SEGUNDO ORDEN

La ecuación de un sistema de segundo orden tiene la forma de la ecuación siguiente:

O en términos de Laplace, con condiciones iniciales igual a cero:

La función de transferencia es:

Donde:

Sensibilidad estática

Frecuencia natural del sensor

Coeficiente de amortiguamiento

Forma de la respuesta de un sensor de segundo orden

Resistencia Capacitancia Inductancia

Según el parámetro variable

Según el parámetro variable Aquellos efectos físicos que provocan un

cambio en alguna de las características eléctricas de un material o dispositivo, pueden utilizarse para realizar la transducción de la magnitud física causante de la variación. Las variaciones eléctricas que pueden darse son modificaciones en la resistencia, capacidad o inductancia del mismo.

La Resistencia de un dispositivo es la medida de la oposición que este ofrece a ser atravesado por una corriente eléctrica.

La resistencia es dependiente de la longitud (l), la sección (S) y la conductividad ( ) o resistividad ( ) del material.

Variación en la resistencia Variación de la capacitancia

Dos conductores separados por un dieléctrico (aislante) constituyen un Condensador.

La capacidad de dicho condensador es independiente del área enfrentada por los conductores (A), de la distancia a la que se encuentran (d), y de la constante dieléctrica ( ).

Variación de la Inductancia

La Inductancia de un dispositivo indica la magnitud del flujo magnético ( ) que lo atraviesa cuando circula por el una corriente eléctrica ( i ).

Esta magnitud es dependiente número de espiras del conductor (N).

Si la corriente circula por el mismo conductor se habla de auto inductancia, y si lo hace por otro conductor acoplado se denomina inductancia mutua.

Sensores y métodos de detección ordinarios para magnitudes más frecuentes

A continuación se encuentran 5 sensores diferentes con algunas de sus características más importantes, uno de estos sensores es comparado con dos más de marcas diferentes para establecer las diferencias entre ellos.

Ejemplos de algunos sensores

Self-contained opposed-mode sensor pair

SLM Series Slot Sensors

SLM Series Slot Sensors

Serie de detectores de ranura de diferentes tamaños diseñados por la marca BANNER los cuales tienen una salida conmutadora de corriente de tipo NPN o PNP con el cual podremos hacer una conmutación de voltaje en donde a la aparición de un objeto el transistor entrara en región activa habilitando la salida la cual será 1.6 voltios en PNP y 2 voltios en NPN.

Podemos ver este dispositivo como un sensor digital ya que en sus salidas veremos siempre valores de ceros y unos en donde un cero equivale a no tener un objeto y 1 a tener un objeto en el sensor.

Además este dispositivo es alimentado por una fuente de voltaje de 10 a 30 voltios por lo que es un sensor de tipo modulador o pasivo ya que este requiere un aporte de energía adicional para su funcionamiento.

Long-Range Ultrasonic Sensors

U-GAGE™ QT50U Series Sensors with Analog Output

U-GAGE™ QT50U Series Sensors with Analog Output Sensor ultrasónico de movimiento con rango que va desde

200mm hasta 8 metros con una frecuencia ultrasónica de 75Khz con compensación para cambios de temperatura con la opción de programar los rangos máximos y mínimos con ayuda de un software.

El sensor ultrasónico es un dispositivo de tipo analógico con una salida que tiene un rango de 0 a 10 voltios de corriente directa, los cuales corresponde al índice de proximidad del objeto en movimiento al sensor.

El sensor es alimentado por una fuente desde 10 hasta 30 voltios de corriente directa y de allí obtiene la energía para realizar el proceso de censado por lo que es un sensor pasivo o modulador.

18 mm sensor with 0-10V analog output

T-GAGE™ M18T Series Infrared Temperature Sensors

T-GAGE™ M18T Series Infrared Temperature Sensors Sensor de temperatura de o a 300 grados Celsius y valores

máximo y mínimo ajustables por medio de un software comprendidos entre el rango del dispositivo, además de una salida de alarma que se activa cuando se alcancen el rango máximo o el rango mínimo.

El sensor es de tipo análogo ya que muestra voltajes que van de 0 a 10 voltios en corriente directa, en el cual cero corresponde al tope mínimo y 10 corresponde al tope máximo ajustado por el usuario, además tiene una salida de tipo digital, la cual es asertiva en alto cuando el tope máximo o el tope mínimo es alcanzado.

Vehicle Detection Sensor

M-GAGE™ S18M

M-GAGE™ S18M

Sensor de fácil instalación que detecta la presencia de un vehiculo sobre la zona de monitoreo.

El sensor tiene una salida conmutadora de corriente de tipo NPN o PNP la cual entrara en región activa a la presencia de un vehiculo, por lo que podemos ver su salida como una salida de tipo digital.

El sensor necesita una fuente de 10 a 30 voltios de corriente directa para poder funcionar de manera optima por lo que es un sensor de tipo modulador.

Compact, self-contained, three-output color-differentiating sensor

QC50 Series True Color Sensor

QC50 Series True Color Sensor Detecta la presencia de los clores rojo azul y verde a través

de filtros RGB mostrando en su salida conmutadores de corriente de tipo PNP con un voltaje de salida máximo de 30 voltios de corriente directa.

Su salida muestra la presencia o ausencia de color, por lo que se puede considerar su salida de tipo digital.

Como necesita ser alimentada por una fuente de 10 a 30 voltios de corriente directa es un dispositivo de tipo modulador, ya que necesita una fuente de energía adicional a la de la medida para funcionar.

Comparación entre los detectores de ranura SLM Series, SL10 series y SLC1.

Comparación entre los detectores de ranura SLM Series, SL10 series y SLC1.

Los sensores de los cuales vamos a hablar tiene características prácticamente ideales, pero diferencia al momento de escoger el mejor o el mas practico al momento de su utilización, y uno de los factores que mas reluce es que el SLM y el SLC1 tiene protección contra polaridad inversa y transitorios inesperados, pero el SL10 no posee esta protección así que su integridad estar mas en riesgo que la de los otros 2, y en cuanto a consumo el SLM consume 25mA, el SL10 consume 30mA y el SLC1 consume 60mA de corriente directa.

Otra de las diferencias entre los 3 es su tiempo de respuesta el cual en el SLM puede detectar objetos que pases en intervalos de hasta 500microsegundos, el SL10 puede detectar de hasta 150microsegundos y el SLC1 de 250 microsegundos, al igual que sus dimensiones que varían por lo que dependiendo del objeto a supervisar dependerá el sensor que se desea utilizar.

Al momento de escoger un dispositivo todos estos factores entran en juego además del factor dinero en el cual cualquier minimización en los costos va a ser beneficiosa para el diseñador, por lo que es importante hacer un análisis de todos los aspectos generales de los sensores que se desean emplear antes de seleccionar alguno.

Comparación entre los detectores de ranura SLM Series, SL10 series y SLC1.

ACONDICIONADORES

Acondicionadores, definición!

Los acondicionadores de señal, adaptadores o amplificadores, son lso elementos de medida que ofrecen, a partir de una señal de salida de un sensor eléctrico, una señal apta para ser presentada o registrada o que simplemente permita un procesamiento posterior.

Las funciones de estos dispositivos se pueden dividir en las siguientes: amplificación, filtrado, adaptación de impedancias y modulación y demodulación.

Así, por ejemplo, cuando se requiere un conversor A/D para convertir una señal analógica en otra digital, normalmente se hace uso de acondicionadores de señal que adaptan la señal analógica a las características de entrada del conversor.

FILTRADO

Un filtro es todo dispositivo que separa señales de acuerdo con su frecuencia u otro criterio.

Si los espectros frecuencia les de la señal y las interferencias no se solapan, la utilización de un filtro puede ser efectiva.

El filtro puede ponerse en la entrada o en una etapa intermedia. En el primer caso puede ser: eléctrico, mecánico, por ejemplo, para evitar vibraciones, neumático, térmico, por ejemplo, un blindaje con masa apreciable para evitar los efectos de las turbulencias al medir la temperatura me dia de un fluido en circulación o electromagnético.

Los filtros dispuestos en las etapas intermedias son casi sin excepción filtros eléctricos.

AMPLIFICACION

Las características de un amplificador operacional ideal son:La ganancia en lazo abierto debe ser muy alta, idealmente infinito.Su impedancia de entrada debe ser alta, idealmente infinitaSu impedancia de salida debe ser baja (idealmente cero).

Un acondicionador se puede comportar como un amplificador cuando se comporta como un dispositivo que, mediante la utilización de energía, magnifica la amplitud de un fenómeno.

Aunque el término se aplica principalmente al ámbito de los amplificadores electrónicos, también existen otros tipos de amplificadores.

MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN

El término demodulación engloba el conjunto de técnicas utilizadas para recuperar la información transportada por una onda portadora, que en el extremo transmisor había sido modulada con dicha información. Este término es el opuesto a modulación.

Así en cualquier telecomunicación normalmente existirá al menos una pareja modulador-demodulador. El diseño del demodulador dependerá del tipo de modulación empleado en el extremo transmisor.

MODULACIÓN DEMODULACIÓN

Engloba el conjunto de técnicas para transportar información sobre una onda portadora, típicamente una onda sinusoidal. Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicación lo que posibilita transmitir más información en forma simultánea, protegiéndola de posibles interferencias y ruidos.

Básicamente, la modulación consiste en hacer que un parámetro de la onda portadora cambie de valor de acuerdo con las variaciones de la señal modulada, que es la información que queremos transmitir.

TRATAMIENTO DE IMPEDANCIAS

Por ejemplo, cuando se usa un generador cuya impedancia de salida es de 50 Ohms con un dispositivo cualquiera, de alta impedancia, se requiere conectar una resistencia RL igual a 50 Ohms en paralelo con el dispositivo de alta impedancia.

Dado lo anteriores necesario que exista la máxima transferencia de potencia que permita que toda la energía enviada o programada en la fuente sea recibida por los dispositivos alimentados.

Frecuentemente se requiere en sistemas de instrumentación conectar diferentes dispositivos y circuitos en conjunto.

A continuación se encuentran 5 acondicionadores diferentes con algunas de sus características más importantes.

Ejemplos de algunos acondicionares

(High Performance DIN Isolated Analog Signal Conditioners)

DCSA

DCSA

El DSCA es un módulo que tiene la capacidad de filtrar, aislar, amplificar y linealizar señales de cualquier tipo de sensor, o fuente. Este dispositivo convierte señales recibidas en su entrada, en señales de alto voltaje pero también analógicas y es muy útil en la adquisición de datos en un sistema de control.

El dispositivo maneja una exactitud de más o menos 0.03% y es alimentado por una fuente de 10 a 30 voltios de corriente directa, y una protección a su entrada para subidas inesperadas de voltaje.

(Conditioning 8-Bit ADC)

Low Cost Signal

LOW COST SIGNAL

Conversor de señales analógicas a señales digitales de 8 bits de resolución, con velocidad de conversión de 10μs montado en un encapsulado de 20 pines tipo DIP, el cual contiene entradas diferenciales para garantizar un optimo rechazo al modo común con lo que es posible usar una gran variedad de transductores para recibir las señales.

El dispositivo funciona en una gama de rangos que va de 0 a 255mV ó de 0 a 2.55V dependiendo el rango que se desee utilizar, además es alimentado por una fuente de corriente directa d 5 voltios y sus entradas diferenciales lo hacen una excelente elección al momento de trabajar con señales expuestas a ruido y fenómenos externos a la señal de interés.

(16-Bit, 200 kS/s USB Data Acquisition Module)

SCXI Data Acquisition Systems

SCXI Data Acquisition Systems Sistema de adquisición de datos con la posibilidad de

manejar hasta 352 canales diferentes gracias a sus altas velocidades de transferencia, por ser manejado desde el PC mediante un software, éste dispositivo maneja una resolución de 16bits, siendo capaz de obtener señales con amplitudes de menos 10 a 10 voltios.

Por su conectividad vía USB puede ser utilizado en conexiones de hasta 150 pies del sitio en donde se encuentra el PC y además de esto un sistema de calibración dependiendo de las distancia del objetivo para una mayor eficacia en las medida realizadas por el dispositivo.

(Quad-Channel Resistive Bridge Conditioner)

28104A

28104A

El 28104A Quad Bridge Conditioner nos ofrece 4 canales de acondicionamiento eficaz para muchos tipos de sensores incluyendo sensores que necesitan ser excitados para poder acceder a las medidas. Este dispositivo amplifica señales de entradas AC o DC de bajos voltajes para un óptimo análisis, además tiene la capacidad de balancear automáticamente el bus de datos en el que viaje la información proporcionando así estabilidad al circuito. )

Además de estas ventajas, el dispositivo puede ser usado como un filtro paso bajas gracias al software controlador de él mismo lo cual lo hace muy útil para tener un grado de selectividad al momento de discriminar entre señales parásitas y la señal de interés.

(±0.05% Accuracy, 1500 VAC Isolation, 3-Way )

Series SCC Signal Conditioner

Series SCC Signal Conditioner Los acondicionadores de señales SCC proveen una

excelente precisión y exactitud a precios relativamente bajos, este dispositivo escala, amplifica, lineariza y aísla las señales térmicamente señales de voltaje, frecuencia o corriente con resolución digital de 13bits. Además posee una protección contra subidas inesperadas de voltaje y la posibilidad de calibración para mejores medidas.

Este dispositivo posee una impedancia de entrada de 1 Giga Ohmio por lo que protege nuestros equipo prácticamente de cualquier demanda de corriente, posee un tiempo de respuesta de 150 mili segundos y por su reducido tamaño es de muy fácil instalación.

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4040003/index.html

Pallás Areny, Ramón; Adquisición y distribución de señales.

REFERENCIAS