Sensores Resistivos

1.1 Potenciométros

Un potenciometro es un resistor con un contacto movil deslizante o giratorio. La resistencia entre uno de los contactos moviles y uno de los terminales fijos es:

Donde x es la distancia recorrida desde el otro terminal fijo, α la fraccion de longitud correspondiente, ρ es la resistividad del material, l la longitud del material y A su seccion transversal.

Se supone q la reistencia es uniforme a lo largo de todo el recorrido l, pero obviamente la resistencia no sera completamente uniforme por lo que la linealidad del potenciometro estara acotada. Por otra parte se supone que el contacto con el cursosr es continuo, no a saltos, por lo tanto la resolucion es infinita, esto no es cierto para todos los materiales resistivos.
La temperatura tambien influye en el error que se pueda prodicir al medir una variable con el potenciometro.

1.2 Galgas extensométricas

Las galgas extensometricas se basan en la variacion de resistencia de un material semiconductor el cual es sometido a un esfuerzo mecanico.

Si a una pieza de material resistivo se le aplica un esfuerzo, esta se deformará, y cambiará su resistencia. Por tanto, este tipo de sensores se utiliza para medir fuerza o presión, aunque también puede aplicarse a la medida de desplazamientos pequeños.

Todo material al que se le aplica un esfuerzo se deformará en mayor o menor grado, y llegará a un punto en que se romperá. Esta relación esfuerzo vs. deformación se muestra en la siguiente gráfica.

1.3 Termoresistencia (RTD)

El fundamento de las RTD es la variacion de la resistencia de un conductor con la temperatura.
El simbolo que representa a las termoresistencias es:

La linea recta en diagonal indica que la variacion es intrinseca lineal.
La ecuacion carateristia de la termoresistencia es la siguiente:

Este dispositivo tiene como limitaciones.o No puede medir temperaturas próximas a la de la fusión del conductor con que se fabrica.o El autocalentamiento ocasionará derivas en la medición.o S se deforma, puede cambiar su patrón de medición.Tiene como ventaja el ser diez veces mas sensible que los termopares, tal como se verá mas adelante.

1.4 Termistores

Los termistores también son resistencia que varían su magnitud con la temperatura. Se diferencian de las termorresistencia por que están basadas en semiconductores. Por tanto su característica no es lineal, aunque dentro de un margen adecuado pueda ser considerada de es manera.

La raya quebrada indica que no es lineal. El elemento positivo o negativo indica que tiene una característica positiva o negativa respectivamente. Es decir, si es de coeficiente positivo, PTC, la resistencia se incrementa con la temperatura. Si es de coeficiente negativo, NTC, disminuye con la temperatura.

En el caso de una NTC la ecuación característica será:

1.5 Magnetoresistencias

Las magnetorresistencias se basan en la variación de resistencia en un conductor por variaciones en el campo magnético.

Este tipo de sensores tiene la ventaja con respecto a los sensores inductivos, por ser de orden cero, y con respecto a los sensores de efecto Hall por ser más sensible y proveer un mayor margen de medición de medición.Está formada por una aleación de Hierro y Níquel (permalloy)

Tiene las siguientes aplicaciones:o Medición de campos magnéticos en las lectoras de tarjetas.o Otras magnitudes que provean un cambio en el campo magnético, como el desplazamiento de una pieza, detectores de proximidad, nivel de flotador, etc. En estos casos se utiliza un imán que cambia su posición con el proceso. El campo generado por el imán es medido por la magnetorresistencia.

1.6 Fotoresistencias

Las fotorresistencia o LDR, es un dispositivo que cambia su resistencia por el nivel de incidencia de luz. Esta formada por materiales semiconductores.

1.7 Higrómetros Resistivos

El higrómetro se utiliza para medir humedad. Se basan en la variación de resistencia que experimentan los materiales por la humedad, como el vapor de agua en un gas o el agua absorbida en un líquido o sólido.

Un material típico es el aislante eléctrico, el cual disminuye su resistencia al aumentar su contenido de humedad.

1.8 Acondicionamiento

1.8.1 Divisor de Tensión:

Un divisor de tensión es una interfaz formada por una combinación serie de un resistor y un sensor, alimentados por una fuente de fija de tensión o corriente. Puede darse el caso que el sensor forme conforme la asociación serie de estos dos dispositivos. En la siguiente figura se puede observar la aplicación de esta interfaz al caso de potenciómetros.

1.8.2 Puente de Wheatstone:

El puente de Wheatstone es un dispositivo orientado a corregir parte del problema que presenta la configuración anterior: Linealidad y sensibilidad.

1.8.3 Amplificadores

En la siguiente pagina pueden verse algunas posibles configuraciones de operacionales para medir en el puente de Weatstone.

Sensores de Reactancia Variable

Los sensores de reactancia variable tienen las siguientes ventajas con respecto a los resistivos:
a. Efecto de carga mínimo o nulo.
b. Ideales para la medida de desplazamientos lineales y angulares y para la medida de humedad.
c. La no-linealidad intrínseca puede superarse usando sensores diferenciales.
Como limitación tiene que la máxima frecuencia de variación admisible en la variable medida debe ser menor a la frecuencia de la tensión de alimentación empleada.
En este apartado veremos los sensores capacitivos e inductivos.

Sensores Capacitivos

Los sensores de este tipo pueden ser simples (Co +/- C) y diferenciales (Co + C, Co – C).

El caso simple es el condensador variable.

a) Condensador variable

Un condensador esta formado por dos placas y un dieléctrico.
Donde,
Pero la capacidad C es función de la geometría del conductor, el material del dieléctrico.

Por ejemplo, para un condensador de placas planas y paralelas se tiene:
Donde ε0 = 8.85 pF/m y εr = ε / ε0
ε es la constante dieléctrica del material y ε0 es la constante dieléctrica del vacío

Por tanto, con variar la geometría o el dieléctrico se puede usar para medir un fenómeno físico.
Los problemas que presenta este tipo de medidor es que.
a. No se puede despreciar el efecto de los bordes.
b. El aislamiento entre placas debe ser alto y constante.
c. Existen muchas interferencias capacitivas.
d. Los cables de conexión generan condensadores parásitos.

El efecto de bordes es importante ya que en la ecuación de C se indica que esta está afectada por la distancia entre las placas. Realmente está afectada por la distancia que recorren los electrones desde una placa a la otra. Esto es asumiendo que se desplazan perpendicularmente sobre las placas. Pero en la práctica no es así, y ocurre que en los bordes el desplazamiento es angular, recorriendo una distancia mayor. Esto genera un error.

Esto se corrige utilizando guardas. La guarda consiste en rodear un o de los electrodos con un anillo puesto al mismo potencial del mismo electrodo. Veamos la figura representativa del fenómeno.

Las interferencias capacitivas consiste en que entre cada conductor existen condensadores parásitos. Una solución en este caso es apantallar el cable para llevar todos los posibles contactos a tierra.

Otro problema mencionado son los cables de conexión. Al apantallar el cable para reducir las interferencias capacitivas, se introduce un nuevo error, si el cable es largo:; Es la aparición de capacidades en paralelo a lo largo del cable.

La linealidad es otro elemento a destacar ya que según sea el parámetro que se tome, podremos obtener una salida directamente proporcional o inversamente proporcional, y por tanto no lineal. Si lo que varía es la distancia d y se mide la admitancia (proporcional a C), la medida sería no lineal. Pero si se mide la impedancia, la medida seria lineal.

El uso de sensores diferenciales permitirá superar esta dificultad.

Otro problema importante es la alta impedancia de salida de este tipo de sensores, determinada por el dieléctrico no conductor utilizado.

Para resolver en este caso existen tres alternativas:
a. Colocar la electrónica de acondicionamiento.
b. Usar un transformador de impedancia.
c. Medir la intensidad de corriente en vez de la tensión.

Es indudable que estos sensores tienen ventajas con respecto a sus homólogos resistivos.

Algunas de ellas son:
a. Como sensor de desplazamiento tienen un error por carga mecánica casi nulo: sin fricciones, ni histéresis. La fuerza para mover el elemento móvil en un condensador plano es:

Para valores reales, la fuerza necesaria para producir un desplazamiento es casi despreciable.
b. Estos sensores tienen una estabilidad y reproducibilidad elevadas. C no depende de la conductividad de las placas y por tanto tampoco de la temperatura.
c. Se puede obtener una alta resolución, al variar bastante la capacidad. Se puede detectar hasta 10 pm de distancia.

Estos sensores se suelen aplicar para medir desplazamientos. Si el desplazamiento es grande o pequeño, se prefiere utilizar d variable. Si el desplazamiento es intermedio (1-10cm), se prefiere variar el área de acción entre las placas.

Normalmente la capacidad en estos sensores varía de 500 pF a 1 pF, y se trabaja con frecuencias de 10 kHz para que la impedancia sea pequeña.

Algunas aplicaciones de los sensores son.
a. Medida de desplazamientos lineales y angulares.
b. Detector de proximidad.
c. Cualquier otra magnitud que se pueda convertir en desplazamiento.
d. Medidas de nivel de líquido conductor y no conductor.


b) Condensador diferencial

La ventaja de los condensadores diferenciales está en que proveen una salida lineal y permiten la medida tan pequeña como 10-13 mm a 10 mm, y capacidades desde 1 pF a 100 pF. Consiste en un principio similar al de los sensores resistivos diferenciales: mientras uno se incrementa el otro disminuye en la misma proporción, y viceversa.

c) Acondicionamiento de sensores capacitivos

Los sensores capacitivos presentan una situación particular que deben ser alimentados con una señal alterna de excitación. Como se prefiere una capacidad censora menor a 100 pF, la frecuencia oscilará entre 10 kHz y 100 MHz
Los circuitos de acondicionamiento dependerán de si el sensor es simple o diferencial.

Sensores Inductivos

Los sensores inductivos son aquellos que producen una modificación de la inductancia o inductancia mutua por variaciones en un campo magnético. Esta variaciones pueden ser fruto de perturbaciones en el campo, o modificación de la distancia de influencia del campo. Solo hablaremos de dos tipos: la reluctancia variable y la inductancia mutua.

• Reluctancia variable
  
  Este tipo de sensor se basa en la ley.
  Donde φ es el flujo de campo magnético, I es la corriente y N es el número de vueltas del inductor.
  
  Pero el flujo magnético es igual al cociente entre la fuerza magnetomotriz M y la reluctancia magnética R, y además, M = NI, por lo que
  Para una bobina de longitud L y sección de área A, donde la longitud sea mucho mayor que el diámetro de las espiras se tiene:
  Donde
  μr es la permeabilidad relativa del núcleo
  L = recorrido de las líneas de campo en el aire.
  A = Área de las bobinas.
  
  Normalmente se aprovechan las variaciones de la longitud y de la permeabilidad.
  Cuando lo que varía es la distancia L se está hablando de sensores de entrehierro variable, y cuando lo que varia es la permeabilidad se dice que se está hablando de sensores de núcleo móvil.
  
  Esto sensores tiene los siguientes problemas:
  a. Los campos magnéticos parásitos afectan a L, por lo que se deben apantallar.
  b. La relación L y R no es constante y varía hacia los extremos.
  c. L y R son inversamente proporcionales, por lo que las medidas serán normalmente no lineales.
  d. La temperatura de trabajo debe ser menor a la de Curie del material usado.
  Por contra tienen las siguientes ventajas:
  a. La humedad los afecta muy poco.
  b. Tiene poca carga mecánica.
  c. Y una alta sensibilidad.
  
  Algunas configuraciones tipicas se muestran a continuación:

Normalmente 0 <>

• Inductancia mutua (LVDT)
  
  Este tipo de sensores se basa en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de los dos secundarios al desplazar el núcleo. La denominación LVDT viene de
  Linear Variable Differential Transformer
  
  Aunque este dispositivo cambia la impedancia mutua, la salida es una tensión alterna modulada, no un cambio de impedancia.
  
  Tiene como limitaciones que en el centro la inductancia mutua no se anula, por deficiencias en el proceso de construcción. Además existe la presencia de armónicos en la salida
  
  Sin embargo tiene las siguientes ventajas:
  a. Resolución infinita.
  b. Poca carga mecánica.
  c. Bajo rozamiento: vida ilimitado y alta fiabilidad.
  d. Ofrecen aislamiento eléctrico entre el primario y el secundario.
  e. Aísla el sensor (vástago) del circuito eléctrico
  f. Alta repetitividad.
  g. Alta linealidad.
  
  Tiene alcances desde 100 micrómetros hasta 25 centímetros.
  Cuando estos dispositivos tienen la electrónica DC se denominan LVDT de continua (DCLVDT).
  
  Si la medida es angular se denominan RVDT.

• Acondicionamiento
  
  Para el acondicionamiento de los sensores inductivos se suele utilizar los divisores de tensión y puentes de alternas vistos para los sensores capacitivos.
  
  Para el LVDT habrá que utilizar un amplificador de portadora y detección coherente.
  
  Como su salida es de suficiente amplitud no suelen requerir de amplificación. Una alternativa es usar rectificadores de media onda u onda competa, y restar el resultado.
  

Sensores Electromágneticos

Los sensores electromagnéticos son aquellos 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. Se tienen dos tipos:

• Sensores basados en la ley de Faraday.- Estos sensores se utilizan en tacogeneradores o tacómetros de AC (generadores de energía eléctrica) para medir la velocidad angular w. La ley de Faraday dice: "En un circuito magnético o bobina con N espiras con un flujo magnético φ=f(t) se induce una tensión:"

• Sensores basados en el efecto Hall.- Son empleados en la medida de campos magnéticos (gaussímetros), medida de corriente (amperímetros) y medida de potencias (vatímetros). El voltaje Hall es la diferencia de potencial que se crea en las superficies de una barra conductora, cuando por ésta fluye una corriente y está sometida a un campo magnético. En la siguiente gráfica se muestra un ejemplo de medición de corriente en donde, Iin crea B, a su vez B crea VH que es proporcional a Iin (Ibias = constante).