1.- Sensores moduladores

Por:

Ing. Dayana Gonzalez G.

Ing. Eduardo Silveira G.

¿Que es un Sensor?

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

El número de sensores disponibles para las distintas magnitudes físicas es tan elevado que no se puede proceder racionalmente a su estudio sin clasificarlos previamente de acuerdo con algún criterio.

Según el aporte de energía, los sensores se pueden dividir en:

Sensores Moduladores:

Son aquellos en donde la energía de la señal de salida procede, en su mayor parte de una fuente de energía auxiliar. Estos sensores están basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son probablemente los más abundantes. La entrada solo controla  la salida. Para la clasificación de diversos sensores de esta clase se toma como criterio el tipo de magnitud física a medida. El orden seguido es el de variables mecánicas, térmicas, magnéticas, ópticas y químicas.

Tipos:

1.1 Sensores Resistivos

Son aquellos que varían una resistencia en función de la variable a medir. Los sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son probablemente los más abundantes. Esto se debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material. En consecuencia ofrecen una solución válida para numerosos problemas de medida. Para la clasificación de diversos sensores de esta clase se toma como criterio el tipo de magnitud física a medida. El orden seguido es el de variables mecánicas, térmicas, magnéticas, ópticas y químicas.

De acuerdo a la variable a medir se clasifican en:

VARIABLE	TIPO
Mecánicas	Potenciómetros y galgas extensiométricas
Térmicas	Termo resistencia y termistores
Magnéticas	Magnetoresistencia
Ópticas	Fotorresistencia
Químicas	Higrómetro Resistivo

• ·    Potenciómetros (Variables mecánicas):

Se usan para medir desplazamientos. Pueden ser de carbón o enrollados. Los primeros son de tipo analógico, mientras que los otros son discretos. El detalle de estos es que como siempre están en movimiento, se desgasta el material y con el tiempo se vuelve inutilizable.

•       Galgas extensométricas (Variables mecánicas):

Se usan para medir esfuerzos, fuerzas. Trabajan en la zona elástica de los materiales, las deformaciones que pueden medir están en el orden de los micrómetros. Son económicos y muy versátiles para muchos propósitos industriales, pero se debe cuidar el margen elástico, el esfuerzo aplicado debe ser transversal a la galga y hay que tomar en cuenta que su valor se ve afectado por la temperatura pues es un resistor

• ·    Termorresistencias (Variable térmicas):

La termorresistencia trabaja según el principio de que en la medida que varía la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta modificación puede relacionarse con la variación de temperatura. Las termorresistencias de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo que se llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad. La relación fundamental para el funcionamiento será así:

R0=Rt(1+αt)

donde:

     - Ro: resistencia en ohmios a 0 grados Celsius.

     - Rt: resistencia a la temperatura t grados Celsius.

     - α: coeficiente de temperatura de la resistencia. 

Los materiales utilizados para los arrollamientos de termorresistencias son fundamentalmente de platino, níquel, níquel-hierro, cobre y tungsteno. El método de medición de la temperatura no es directo, ya que lo que se mide es una resistencia mediante un puente de Wheastone, luego se lee el valor de la temperatura correspondiente de tabla de comportamiento de la citada resistencia.

• ·   Termistores (Variables térmicas):

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 esa manera.

• ·    Magnetorresistencias (Variable magnéticas):

La magnetorresistencia es una propiedad que tienen ciertos materiales de variar su resistencia cuando son sometidas a un campo magnético. En esto se basan los sensores de magnetorresistencia, miden variables magnéticas en función de la variación de resistencia q dicha variable ocasiona sobre el materia.

• ·    Fotorresistencias (Variable óptica).

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

Propiedades:

o   Solo componentes con terminales

o   Sensores de diferentes tamaños

o   Impermeables o sobre sustrato de cerámica

o   Sensitivos en el espectro visible.

Aplicaciones:

o   Control de iluminación

o   Retrovisor de automóvil automático.

• Higrómetros resistivos (Variables químicas)

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.

1.2 Sensores Capacitivos.

Los sensores capacitivos reaccionan ante metales y no metales que al aproximarse a la superficie activa sobrepasan una determinada capacidad. La distancia de conexión respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto más elevada sea su constante dieléctrica.

Desde el punto de vista puramente teórico, se dice que el sensor está formado por un oscilador cuya capacidad la forman un electrodo interno (parte del propio sensor) y otro externo (constituido por una pieza conectada a masa). El electrodo externo puede estar realizado de dos modos diferentes; en algunas aplicaciones dicho electrodo es el propio objeto a sensar, previamente conectado a masa; entonces la capacidad en cuestión variará en función de la distancia que hay entre el sensor y el objeto. En cambio, en otras aplicaciones se coloca una masa fija y, entonces, el cuerpo a detectar se utiliza como dieléctrico se introduce entre la masa y la placa activa, modificando así las características del condensador equivalente.

Hay varios métodos electrónicos para detectar proximidad, basados en cambios de la capacidad. Uno de los más simples incluye el condensador como parte de un circuito oscilador diseñado de modo que la oscilación se inicie solamente cuando la capacidad del sensor sea superior a un valor umbral preestablecido. La iniciación de la oscilación se traduce luego en una tensión de salida, que indica la presencia de un objeto. Este método proporciona una salida binaria, cuya sensibilidad de disparo dependerá del valor umbral.La capacidad varía como una función de la distancia para un sensor de proximidad basado en los conceptos anteriores. Es de interés destacar que la sensibilidad disminuye significativamente cuando la distancia es superior a unos pocos milímetros y que la forma de la curva de respuesta depende del material objeto de detección. En condiciones normales, estos sensores son accionados en un modo binario, de modo que un cambio en la capacidad mayor que en un umbral preestablecido T indica la presencia de un objeto, mientras que los cambios por debajo del umbral indican la ausencia de un objeto con respecto a los límites de detección establecidos por el valor de T.

Forma de onda del circuito oscilador ante variaciones en la proximidad del objeto a detectar.

En las siguientes imágenes se pueden visualizar distintos tipos de sensores capacitivos

Fig. 1 Sensor capacitivo con variación del área 

entre placas paralelas.

 Fig. 2 Sensor capacitivo con variación de la distancia 

entre placas paralelas.

Fig.3- Sensor capacitivo con variación en el dieléctrico

entre placas paralelas.

Fig. 4 Sensor capacitivo con variación en el dieléctrico 

entre placas paralelas.

• 
  Condensador variable:

Un condensador variable es aquel en el cual se pueda cambiar el valor de su capacidad. Para tener condensador variable hay que hacer que por lo menos una de las tres variables (constante dieléctrica, distancia entre placas y area de placas) cambie de valor. De este modo, se puede tener un condensador en el que una de las placas sea móvil, por lo tanto varía d y la capacidad dependerá de ese desplazamiento, lo cual podría ser utilizado, por ejemplo, como sensor de desplazamiento.

• Condensador diferencial:

Con los capacitares diferenciales ocurre de forma similar a los anteriores pero en estos se trabaja más la acción provocada por capacitares de tres placas y/o tres contactos, al mover la placa central, se estará aumentando la capacidad de un lado mientras se disminuye del otro lado de los contactos, de esa forma se logra hacer mediciones de hasta 10^(-13) y de forma lineal, que es una de sus principales características.

1.3- 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. Los sensores inductivos son aquellos que producen una modificación de la inductancia o inductancia mutua por variaciones en un campo magnético. Estas 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. Un sensor inductivo se caracteriza por detectar objetos de tipo metálico. Incorporan en su interior una bobina eléctrica que genera un campo magnético lo cual permite detectar metales conductores, es en definitiva, “un detector de metales”. El principio básico consiste en conseguir el disparo de señal provocado en el comparador que detecta cambios entre la señal emitida por el oscilador y la señal detectada por el circuito de inducción al aproximarse a un cuerpo que provoque cambios en el campo magnético inicial generado por el oscilador. En realidad, al aproximar el campo magnético generado a un cuerpo metálico conductor, se generan a su vez una inducción eléctrica en dicho conductor. Esa tensión provoca la aparición de corrientes internas de Foucault que a su vez generan un campo inducido de respuesta al generado por el detector. El campo resultante es detectado en el comparador y ante un cambio desencadena el proceso de detección. Excitando de esa manera la etapa de salida.

La etapa de salida consiste en una etapa transistorizada caracterizada por la activación de un transistor bipolar. Este transistor bipolar puede ser de dos tipos, PNP o NPN.

Las tensiones de trabajo de este tipo de sensores son 24 voltios en Corriente Continua. 24VDC. Y sus tipos de conexiones más habituales son a 3 hilo

• Reluctancia variable:

Estos sensores inductivos basan su funcionamiento en el cambio de la reluctancia total de un circuito magnético cuando se modifican las distancias de los entre hierros.

• Inductancia mutua (LVDT):

Este dispositivo cambia la inductancia mutua entre un primario y dos secundarios, pero su salida es un cambio de voltaje modulado, posee varias ventajas que lo hacen atractivo, resolución infinita, bajo roce lo que permite que dure más tiempo y tenga alta fiabilidad, ofrece aislamiento eléctrico entre el primario y los secundarios, alta linealidad entre otros. Es muy usado en la construcción de acelerómetros

1.4.- Sensores Electromagneticos:

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.

• Basados en la ley de Faraday:

En un circuito o bobina con N espiras que abarque un flujo magnético, si éste varía con el tiempo se induce en él una tensión o fuerza electromotriz, e.

El flujo puede ser variable de por si (por ejemplo, cuando es debido a una corriente alterna), o bien puede ser que varíe la posición del circuito con respecto al flujo siendo éste constante. Los tacómetros de alterna son del primer tipo, mientras que los tacómetros de continua, los medidores de velocidad lineal y los caudalímetros electromagnéticos son del segundo tipo.

• Basados en el efecto Hall:

Genera una tensión de salida dependiendo de la influencia de un campo magnético sobre él. Lo limitan la temperatura y la existencia de un error de cero que depende de inexactitudes físicas del sensor, mas trae ventajas como inmunidad frente a condiciones ambientales y así como los basados en la ley de faraday no requieren de contacto físico para realizar las mediciones.

Tiene como limitación:

o   La temperatura cambia la resistencia del material.

o   Hay un error de cero debido a inexactitudes físicas.

Tiene como ventajas:

o   Salida independiente de la velocidad de variación del campo magnético.

o   Inmune a las condiciones ambientales.

o   Sin contacto. Se puede aplicar a la medida de campos magnéticos, medida de desplazamientos.

PREGUNTAS FRECUENTES:

1- ¿Cuales son algunas aplicaciones de los sensores?
Algunas aplicaciones típicas son: 

• Máquina herramienta y de ensayos 
• Apertura de invernaderos 
• Control de compuertas y elevadores 
• Ensayos dinámicos en la industria del automóvil 
• Análisis modal en aeronáutica 
• Medida de suspensión en ferrocarril, automoción, aeronáutica

 
2- ¿Cuáles son las peculiaridades del sensor modulador?

En los sensores moduladores o activos, la energía de la señal de salida procede, en su mayor parte, de una fuente de energía auxiliar. La entrada sólo controla la salida. En los sensores generadores o pasivos, en cambio, la energía de salida es suministrada por la entrada.

Los sensores moduladores requieren en general más hilos que los generadores, ya que la energía de alimentación suele suministrarse mediante hilos distintos a los empleados para la señal. Además, esta presencia de energía auxiliar puede crear un peligro de explosiones en algunos ambientes. Por contra, su sensibilidad se puede modificar a través de la señal de alimentación, lo que no permiten los sensores generadores.

    3- ¿Es necesario amplificar la señal de los sensores? ¿Bajo que condiciones?

Algunos sensores moduladores proporcionan, mediante un puente, una tensión o una corriente de amplitud reducida que debe ser amplificada. El amplificador utilizado debe tener tensiones de asimetría y corrientes de polarización mínimas y el circuito de acondicionamiento unas características de funcionamiento que minimicen la influencia del ruido electromagnético

Algunos sensores tanto moduladores como generadores deben estar aislados galvánicamente del circuito de acondicionamiento que suele estar alimentado a partir de la red de alterna. En algunas aplicaciones los sensores están sometidos a cambios de temperatura elevados y es necesario minimizar la deriva de la tensión de asimetría de entrada.

    4- ¿Cómo pueden acondicionarse este tipo de sensores (los que lo requieran)?

En el caso de los resistivos pueden acondicionarse utilizando puente de Wheatstone, Un divisor de tensión o amplificadores. 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. Para el acondicionamiento de los sensores inductivos se suele utilizar también los divisores de tensión y puentes de alternas vistos para los sensores capacitivos 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.

    5- ¿Poseen otro tipo de clasificación?

Según la señal de salida, podemos clasificarlos en analógicos y digitales. En los primeros, la señal de salida varía de manera continua. En los sensores digitales, la salida varía en forma de saltos o pasos discretos. No requieren conversión A/D y su transmisión es más sencilla.

Atendiendo a su modo de funcionamiento, encontramos sensores de deflexión o de comparación. En los sensores por deflexión, la magnitud a medir produce algún efecto físico que da lugar a algún efecto similar pero opuesto en el instrumento de medida, el cual está relacionado con alguna variable útil. Este es el caso de un dinamómetro: la fuerza aplicada deforma el muelle hasta que la fuerza de recuperación de éste, proporcional a la longitud, iguala a la primera. 

En los sensores que funcionan por comparación, se intenta mantener nula la deflexión mediante la aplicación de un efecto bien conocido, opuesto al generado por la magnitud a medir. Hay un detector del desequilibrio y un medio para restablecerlo. Es el caso de las balanzas manuales: un operador coloca pesas hasta que el peso de las mismas iguala al del sistema a medir cuando una aguja lo indica. Los sensores de comparación son más lentos que los de deflexión, pues aunque se automatice el sistema de comparación no se logra una respuesta tan rápida. Sin embargo, sus medidas suelen ser más exactas pues siempre puede calibrarse correctamente el efecto conocido.

A pesar de la clasificación anterior, desde el punto de vista de la electrónica es más útil una clasificación según el parámetro variable del dispositivo utilizado: resistencia, capacidad, inductancia, generadores de tensión, corriente, etc.

    6-¿A que se refiere el efecto Hall?

Si una corriente eléctrica fluye a través de un conductor situado en un campo magnético, éste campo ejerce una fuerza transversal sobre los portadores de cargas móviles, que tiende a empujarlas hacia un lado del conductor.

    7-¿Qué es reluctancia?

La reluctancia magnética de un material o circuito magnético es la resistencia que éste posee al paso de un flijo magnético cuando es influenciado por un campo magnético. Se define como la relación entre la fuerza magnetotriz (f.m.m.) (la unidad del SI es el amperio, aunque a menudo se la llama amperio vuelta) y el flujo magnético. (SI: weber)

    8-¿Qué es efecto de carga?

El efecto de carga es también conocido como “regulación”, sin embargo este es un error que puede ocurrir en casi cualquier medición eléctrica, esto se debe a que cuando se realiza una medición con un instrumento este tiende a extraer una pequeña o gran cantidad de energía (dependiendo de las características del instrumento de medición) del circuito que se esté midiendo.

Dichos instrumentos poseen el llamado efecto de carga debido a los componentes internos que los componen, este efecto también puede verse influenciado por los componentes externos que conforman el circuito a medir.

PRACTICA

Medir nivel de luz con arduino y fotoresistencia ldr (gl55)

En esta practica se aprenderá a medir el nivel de luz, tanto en interiores o exteriores, con la ayuda de Arduino y una fotoresistencia LDR (familia GL55 o similar), usando las entradas analógicas de Arduino.

Un fotoresistor, o LDR (light-dependent resistor) es un dispositivo cuya resistencia varía en función de la luz recibida. Podemos usar esta variación para medir, a través de las entradas analógicas, una estimación del nivel del luz.

Un fotoresistor está formado por un semiconductor, típicamente sulfuro de cadmio CdS. Al incidir la luz sobre él algunos de los fotones son absorbidos, provocando que electrones pasen a la banda de conducción y, por tanto, disminuyendo la resistencia del componente.

Por tanto, un fotoresistor disminuye su resistencia a medida que aumenta la luz sobre él. Los valores típicos son de 1 Mohm en total oscuridad, a 50-100 Ohm bajo luz brillante.

Por otro lado, la variación de la resistencia es relativamente lenta, de 20 a 100 ms en función del modelo. Esta lentitud hace que no sea posible registrar variaciones rápidas, como las producidas en fuentes de luz artificiales alimentadas por corriente alterna. Este comportamiento puede ser beneficioso, ya que dota al sensor de una gran estabilidad.

Finalmente, los fotoresistores no resultan adecuados para proporcionar una medición de la iluminancia, es decir, para servir como luxómetro Esto es debido a su baja precisión, su fuerte dependencia con la temperatura y, especialmente, a que su distribución espectral no resulta adecuada para la medición de iluminancia.

¿Como funciona un fotoresistor LDR?

Matemáticamente, la relación entre la iluminancia y la resistencia de una LDR sigue una función potencial.

Siendo R0 la resistencia a una intensidad I0, ambas conocidas.

La constante gamma es la pendiente de la gráfica logarítmica, o la pérdida de resistencia por década. Su valor típicamente 0.5 a 0.8.

Por este motivo, frecuentemente las gráficas que relacionan ambos valores se representan en escalas logarítmicas para ambos ejes. Bajo esta representación, la relación se muestra como una gráfica lineal.

Fig. 5 Grafica de la escala logaritmica de R0 e I0

Estos valores pueden ser obtenidos del datasheet del componente. Por ejemplo, para la familia GL55 de fotoresistores son los siguientes:

Modelo	Voltaje (V)	Temperatura (ºC)	Pico espectral (nm)	Resistencia oscuridad (KΩ)	Resistencia luz brillante (KΩ)	gamma	Tiempo respuesta (ms)
GL5516	150	-30º+70º	540	5-10	500	0.5	30
GL5528	150	-30º+70º	540	10-20	1000	0.6	25
GL5537-1	150	-30º+70º	540	20-30	2000	0.6	25
GL5537-2	150	-30º+70º	540	30-50	3000	0.7	25
GL5539	150	-30º+70º	540	50-100	5000	0.8	25
GL5549	150	-30º+70º	540	100-200	10000	0.9	25

Sin embargo, siempre existirán pequeñas variaciones entre dispositivos, incluso dentro de la misma familia, debidos a la fabricación del componente.

El comportamiento potencial hace que estas pequeñas diferencias supongan grandes variaciones en la medición, por lo que no es posible, en general, emplear estos valores de forma absoluta sin un proceso de calibración.

Esquema Eléctrico

El esquema eléctrico sería el siguiente:

Fig.6 Esquema eléctrico 

Montaje

Por su parte, el montaje eléctrico en una protoboard quedaría de la siguiente manera:

  

Fig. 7 - Montaje en Protoboard

Código

En este código  se emplean las entradas digitales para hacer parpadear el LED integrado en la placa mientras el LDR recibe luz suficiente.

 Fig.8 - Código 1

En el siguiente código se emplea una entrada analógica para activar el LED integrado en la placa si supera un cierto umbral (threshold)

 Fig. 9 Código 2

En el código 3 se proporciona una lectura del nivel de iluminación recibido. Observar que los cálculos se realizan con aritmética de enteros, evitando emplear números de coma flotante, dado que ralentizan mucho la ejecución del código.

Fig. 10 - Código 3

REFERENCIAS

• Creus, A. (2010). Instrumentacion industrial. Mexico: Alfaomega
• García, M (2009) Mediciones Industriales. [En línea]. Disponible en http://midiendoenelectronica.blogspot.com/. Citado en Junio 2017
• Helfrick, A. Coopeer (1991). Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición. Mexico.
• Pallas, R. (2003). Sensores y acondicionadores de señal, Universidad Politécnica de Catalunya, 4ta edición. https://www.arrow.com/es-mx/research-and-events/articles/te-digital-sensors-the-path-forward
• Pérez, D. (2008). Sensores moduladores. [En línea]. Disponible en http://dep0256-2.blogspot.com/. Citado en Junio 2017