Tema3[1].1.PDF Sensores y Actuadores

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José M. Claver UJI-1 Sistemas de Control de Procesos

Tema 3.1: Transductores (Sensores y actuadores)

• ¿Qué son?• Procesos de medida.• Características básicas• Tipos de sensores• Tipos de actuadores• Conclusiones• Actividad


Estructura Básica

• Componentes del SC

PerturbacionesSistema

Sensor

Actuador

Acondicionado

Acondicionado

Control

TransmisiónDatos

TransmisiónÓrdenes

Presentación

Alarmas

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¿Qué son?

• Un transductor es un elemento que convierte una magnitud física en otra

• Ejemplo:

– Un termómetro de mercurio es un transductor que da un desplazamiento proporcional a la temperatura

• Un sensor es un tipo de transductor que convierte la magnitud a medir en una característica eléctrica

• Un actuador en un tipo de transductor que toma una señal eléctrica y produce una variación en una magnitud física


Procesos de medida

• Errores en el proceso de medida: Diferencia entre el resultado obtenido y el valor real

• Linealidad: Relación lineal entre valor real y medido– Difícil de corregir parámetro importante por lo tanto

• Offset o desviación cero: Valor medido cuando el sensor debe devolver un cero– Genera un error fácil de corregir

MeValor real

MsValor medido

Offset

A

B

CD

A Ideal

B No Lineal

C Pendiente Incorrecta

A Offset (desviación de cero)

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Características básicas

PrecisiónPrecisión Error máximo esperado (% relativo, Me)

OffsetOffset Desviación de cero (Me)

LinealidadLinealidad Desviación respecto de una línea recta en la curva de respuesta (Me)

SensibilidadSensibilidad Variación de la magnitud de salida al variar la magnituda medir (dMs/dMe)

Margen deMedida

Margen deMedida

Rango de variación de la magnitud a medir en el que se asegurauna cierta precisión (Me)

ResoluciónResolución Mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarsea la salida (Me)

Rapidez de respuesta

Rapidez de respuesta Capacidad del sistema de medida para seguir las variaciones de

la magnitud de entrada (dMe/dt)

DerivasDerivas Las medidas pueden ser diferentes en función de las variacionesambientales (temperatura, humedad, envejecimiento) (Me)

RepetitividadRepetitividad Error esperado al repetir varias veces la misma medida (Me)


Ejemplo: Acelerómetros (0-4 m/s2)

m/s2

uV

0,2

A B C

4

2

m/s2

V

4

4

m/s2

mV

1,48

4

4

Comentar, para cada uno de estos sensores las características de:- Sensibilidad- Offset- Linealidad

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Tipos de Sensores

• Activos/Pasivos

Activos Activos : Generan una señal eléctrica

PasivosPasivos: Modifican una característica eléctrica (R, C, etc.)

• Directos/Accionamiento intermedio (indirectos)

DirectosDirectos: La magnitud de salida se obtiene directamente

Con accionamiento intermedioCon accionamiento intermedio: La magnitud de salida se convierte en

otra que es medida directamente

• Analógicos/Digitales

AnalógicosAnalógicos: Devuelven una señal de tipo contínuo

DigitalesDigitales: Devuelven una señal de tipo discreto


Ejemplos de sensores

• Sensores de temperatura

• Sensores de luz

• Sensores de fuerza (y par)

• Sensores de desplazamiento

• Sensores de velocidad

• Sensores de sonido

• Otros más especializados

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Sensores de Temperatura

• Termómetros resistivos: variación de la resistencia con la temp.– PRT (Platinum Resistance Thermometer)

• Termistores: variación de la resistencia con la temp.– NTC (Negative Temperature Coefficient), de óxidos de metales– PTC (Positive Temperature Cosefficient), de titanato de bario

• Termopares: Efecto Seebeck (circulación de electrones entre metales unidos con diferentes temperaturas)

• Semiconductores: variación de la tensión en los extremos de un diodo por el que pasa una corriente fija.


Termómetros Resistivos

PRT (Platinum Resistance Thermometer)

Margen de Medida -200ºC +850ºC

Valores de resistencia R= R0 (1+αT)respecto de la Temperatura R0= 100 Ω; α= 3.9 · 10-3

Tienen problemas de sensibilidadSon muy precisas (0,1ºC)Son caras

Características Tienen buena linealidad (fácil calibraciónAlto margen de medidaBajas derivas

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Termistores

• NTC (Negative Temperature Coefficient)

Margen de Medida: -50ºC+150ºC

Características: De óxidos de metalesNo LinealesAlta sensibilidadAlta resolución

• PTC (Positive Temperature Coefficient)

Características: De cristales de titanato de bario

Se utilizan principalmenteen protecciones térmicas


Termopares

• Efecto Seebeck: circulación de electrones (I) entre metales unidos a diferentes temperaturas– Al abrir el circuito por uno de los metales se obtiene una tensión

proporcional a la diferencia de las temperaturas (V termoeléctrico)

Margen de Medida -200 ºC +200 ºC

Están hechos de cobre y hierro, o cobre y constantanRespuesta rápida

Características RobustosTensión termo eléctrica muy baja amplific. de precisiónBaja sensibilidad (50 µV/ºC)

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Semiconductores

• Variación de la tensión en los extremos de un diodo por el que pasa una corriente fija.– Variación de la tensión aprox.: 2mV/ºC

Baratos y fáciles de utilizarCaracterísticas

Tiene un margen de medida bajo (-50 ºC +150 ºC)


Sensores de luz

Miden la intensidad de la luz. Pueden ser de dos tipos:– Los que generan electricidad al recibir iluminación– Los que cambian alguna de sus propiedades al ser iluminados

Algunos ejemplos:– Fotovoltaicos: unión PN que genera una tensión eléctrica en función

de la luz que incide sobre ella– Fotoconductores: cambian sus características de conducción

eléctrica al incidir la luzFotodiodo, LDR (Light Dependent Resistor)

– Opto-interruptores: sensor de luz (fotodiodo o fototransistor) + emisor de luz (fotodiodo o LED, láser, etc)

Reflexivo, Ranurado

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Fotoconductores

• Cambian sus características de conducción eléctrica al incidir la luzFotodiodo

• Id= S*φ• Sensibilidad baja. Utilizació de fototransmisores para incrementarla• Velocidad de respuesta alta (1 microseg. o menos)

LDR (Light Dependent Resistor): R = S*(1/φ)• Dispositivo que disminuye su resistencia al aumentar la intensidad de la

luz• De sulfuro de cadmio (SCd)• Velocidad de respuesta baja (10 ms)• Longitudes de onda entre 380 nm y 759 nm


Sensores de luz

• Opto-interruptores: sensor de luz (fotodiodo o fototransistor) + emisor de luz (fotodiodo o LED, láser, etc)Reflexivo: Sensor y fuente de luz montados sobre la misma superficieRanurado: Sensor y fuente de luz enfrentados

Reflexivo Ranurado

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Sensores de fuerza

• Galga extensiométrica: materiales que al deformarse varia su resistencia eléctrica

R= ρ∗L/A

• Dispositivos capacitivos:

C= K*A/D

• Dispositivos piezoeléctricos: materiales que generan una tensióneléctrica al someterlos a un esfuerzo mecánico

A

L

A

D

K

D

DirecciónSensibilidad


Sensores de desplazamiento

• Potenciómetros: la señal eléctrica es proporcional a su posiciónBasados en dispositivos de resistencia variablePueden ser:

• Lineales• Axiales

– Lineales y con mala estabilidad térmica

• Finales de carrera: interrumpen/activan la circulación eléctricaSon básicamente interruptores. Puede asociársele un potenciómetro

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Sensores de velocidad

• Inductivos: una bobina se ve afectada por un material ferromagnético o imánLVDT (Linear Variable Differential Transformer)

• Efecto Hall: potencial eléctrico transversal inducido sobre un conductor activado eléctricamenteEH = KH (I·B/d)

• Codificador óptico de posición (encoder)– Lineal o circular


Sensores de sonido

• Micrófonos:– Tipos

• Inductivos• Capacitivos

– Base de los sonares

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Ejemplos de actuadores

• Actuadores de Calor• Actuadores de luz• Actuadores de: fuerza, desplazamiento y movimiento• Actuadores de sonido


Actuadores

• Calor– Calentadores resistivos: P = R I2

– Refrigeradores de efecto Peltier (efecto inverso al Seebeck)

• Luz– Diodos emisores de luz: LEDs

• Visibles• Infrarrojos

– Visualizadores de 7 segmentos

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Actuadores de: fuerza, desplazamiento,...

• Solenoides: bobina con una pieza de material ferromagnético que se puede mover– Relés

• Motores– Corriente alterna (CA)– Corriente Continua– Paso a Paso

• Electrohidraúlicos y electroneumáticos– Accionamiento de aviones y vehívulos


Actuadores de sonido

• Altavoces: imán + bobina móvil que mueve un diafragma– Diversas configuraciones y

frecuencias

• Transductores ultrasónicos: materiales piezoeléctricos– Altas frecuencias

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Conclusiones

• Transductores Interfaz con el mundo físico

• Hay un sensor/actuador adecuado para cada caso

• Comportamiento no ideal compensaciones HW/SW

• ¿cuáles son los adecuados en tu proyecto?

• Próximas 2 clases búsqueda de sensores/actuadores adecuados

• Siguiente clase presentación y comentarios


Contenido del trabajo

• Determinar los tipos de transductores necesarios• Para cada tipo de transductor:

– posibles sensores a utilizar• Características de funcionamiento

– Precisión– Offset– Linealidad– Sensibilidad– Margen de medida, etc

• Cuáles son los más adecuados para el proyecto

• Presentación: fichero HTML (con links) + algún fichero extra.

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