Fundamentados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son probablemente los más abundantes. Ello se debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material.
· Variables térmicas
· Variables magnéticas
· Variables ópticas
· Variables químicas
Un potenciómetro es un resistor al que le puede variar el valor de su resistencia. Controlando de este modo la intensidad de corriente que hay por una línea si se conecta en serie, o la diferencia de potencial de hacerlo en paralelo.
Son sensores de deformaciones basados en la variación de la resistencia eléctrica con la deformación, en un hilo conductor calibrado, o en resistencias construidas a base de pistas de semiconductor. En las galgas de hilo la resistencia esta formada por un hilo dispuesto en forma de zigzag sobre un soporte elástico, con una longitud preferente (L) a lo largo de la cual se encuentra la mayor cantidad de hilo . Al deformarse la galga en la dirección preferente, se produce un alargamiento del hilo y una disminución de su sección y, por tanto, una variación en su resistencia. Para poder medir variaciones de resistencia significativas, la galga debe tener una resistencia alta 100 y 1000, y funcionar con un consumo muy bajo, para evitar que el efecto Joule provoque variaciones importantes de la resistencia por calentamiento.
Se basan en la variación de la resistencia de un conductor cuando se le somete a un esfuerzo mecánico. Sea un hilo metálico de resistencia R:
cualquier esfuerzo al que se le someta provocará un cambio de resistencia que se deberá al cambio de alguno de los parámetros.
Los principales problemas de las galgas son: cuidar el margen elástico, el esfuerzo debe ser transversal a la galga y las alteraciones producto de las fluctuaciones de temperatura. Las galgas se pueden aplicar a medidas de fuerza, presión, desplazamientos pequeños, vibración. Se emplean también, combinadas con muelles o piezas deformables para detectar de forma indirecta esfuerzos. En definitiva suelen usarse más que como sensores de deformación como sensores de medida indirecta de esfuerzos (fuerza o par).
Son resistores variables con la temperatura, pero no están basados en conductores como los RTD, sino en materiales semiconductores. Si su coeficiente de temperatura es negativo se denominan NTC (Negative Temperature Coefficient), mientras que si es positivo se denominan PTC (Positive Temperature Coefficient).
El fundamento de las termorresistencias está en la dependencia de la resistencia de los semiconductores con la temperatura. Al aumentar la temperatura lo hace también el número de portadores reduciéndose la resistencia (coeficiente de temperatura negativo, NTC). Esta dependencia varía con la concentración de impurezas. Si el dopado es muy fuerte, el semiconductor adquiere propiedades metálicas y presenta un coeficiente de temperatura positivo (PTC) en un margen de temperaturas limitado.
Los termistores también son resistencias 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.
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
Donde:
B = temperatura característica del material (2000 K a 5000 K)
R0 = Resistencia a la temperatura de referencia T0, normalmente la temperatura ambiente (
La gran ventaja de los termistores es el ser más sensibles que las Termorresistencias,más rápidos y permite hilos de conexión mayores. Tiene como desventaja el ser no lineal, y al variar su temperatura por el autocalentamiento del material.
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.
Es muy empleada en la actualidad en la medición de campos magnéticos en las lectoras de tarjetas. Es posible medir también 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
Las fotorresistencias son dispositivos que cambian su resistencia por el nivel de incidencia de luz. Está formada por materiales semiconductores. Su símbolo es:
Se usa para medir humedad. Funcionan con 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. La mayoría de los aislantes eléctricos presentan un descenso brusco de resistividad al aumentar la humedad de su entorno. Si se mide la variación de su resistencia se tiene un higrómetro resistivo. La relación entre la humedad relativa y la resistencia no es lineal, es casi exponencial. La resistencia se debe medir con una corriente alterna de valor medio cero.
Los sensores de reactancia variable tienen las siguientes ventajas con respecto a los resistivos:
· Efecto de carga mínimo o nulo.
· Ideales para la medida de desplazamientos lineales y angulares y para la medida de humedad.
· 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.
Los sensores capacitivos pueden detectar materiales conductores y no conductores, en forma líquida o sólida. Existen distintas aplicaciones, incluso control de niveles en depósitos, también para detectar el contenido de contenedores, o en máquinas empaquetadoras, el posicionado y contaje de materiales en sistemas de transporte y almacenaje, por ejemplo cintas transportadoras y mecanismos de guía.
Un condensador esta formado por dos placas y un dieléctrico.
Donde,
C= Q (carga a) / V (dif. De potencial)
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:
C= εo εr A/d (n-1)
donde εo = 8.85 pF/m y εr = / 0
εr es la constante dieléctrica del material y εo 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:
· No se puede despreciar el efecto de los bordes.
· El aislamiento entre placas debe ser alto y constante.
· Existen muchas interferencias capacitivas.
· 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. 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:
· Colocar la electrónica de acondicionamiento.
· Usar un transformador de impedancia.
· 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:
· 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:
F = 1/2 ( εo A/ d² V²)
Para valores reales, la fuerza necesaria para producir un desplazamiento es casi despreciable.
· Estos sensores tienen una estabilidad y reproducibilidad elevadas. C no depende de la conductividad de las placas y por tanto tampoco de la temperatura.
· 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-
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:
· Medida de desplazamientos lineales y angulares.
· Detector de proximidad.
· Cualquier otra magnitud que se pueda convertir en desplazamiento.
· Medidas de nivel de líquido conductor y no conductor.
Esta formado por tres placas planas paralelas. En general, las placas exteriores suelen ser fijas y la placa central móvil, en respuesta a la variable a detectar. Vemos cómo, a pesar de que C1 y C2 son no lineales, se logra obtener una salida lineal realizando una medida diferencial y con una sensibilidad mayor que en el caso del condensador simple.
Si se disponen las tres placas del condensador diferencial cómo se muestra en la figura derecha y se varía el área entre placas, se tiene que la medida diferencial de la capacidad nos permite obtener una salida lineal con el desplazamiento. Con esta técnica se han llegado a medir desplazamientos de hasta 10-
Aunque se ha mejorado en linealidad, el condensador diferencial no esta exento de problemas: dispersión del campo eléctrico en los bordes de los electrodos, aislamiento entre placas, capacidades parásitas, cables de conexión, etc. La dispersión del campo en los bordes de los electrodos puede apreciarse mejor en la figura a. Para evitar este efecto, en la figura b se ha colocado un electrodo de guarda rodeando al electrodo 3. Este electrodo de guarda se mueve junto al electrodo 3 y está puesto a su mismo potencial. Ahora, las líneas de campo aparecen distorsionadas en el borde de la guarda, lo cual no importa ya que no es un electrodo de medida. En cambio el campo si es uniforme en los electrodos de medida. El electrodo de guarda protege simultáneamente al electrodo 3 de campos externos que puedan afectar a la linealidad de la medida.
Aplicaciones de los sensores capacitivos diferenciales:
Estos sensores se utilizan especialmente para medir desplazamientos lineales y angulares.
Este tipo de transductor es útil para medir presión sanguínea, registrar los movimientos de las paredes del pecho, presión plantar, sonidos del corazón y los pulsos radial y braquial. Para lograrlo una de las placas de condensador se mantiene fija, mientras la segunda está unida a un miembro elástico. Una interesante aplicación de los sensores capacitivos la constituyen los capacitares biológicos. Estos utilizan las propiedades dieléctricas del tejido vivo como una parte del capacitor.
En general se puede establecer que los sensores capacitivos tienen un pequeño tamaño, construcción robusta y un pequeño desplazamiento volumétrico. La señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición. Además son sensibles a variaciones de temperatura.
*Ventajas
· Simplicidad mecánica
· Error de rozamiento mínimo
· Tamaño y masa pequeños
· Alta resolución y sensibilidad
· Buena reproductibilidad
· Alta estabilidad con la temperatura
· Fácil integración en C.I.
*Desventajas
· Resistencias parásitas
· Alta impedancia de salida
· Afectados por campos electromagnéticos
· Necesidad de apantallamiento
· Utilización de guardas
Aplicaciones de estos sensores:
· Desplazamientos lineales y angulares.
· Detector de proximidad.
· Cualquier magnitud que implique un desplazamiento (presión, fuerza, etc)
· Medida de humedad por variación de e.+Medida de Tª (de e=k/(T-Tc)).
· Medida de espesores de materiales dieléctricos.
· Medida de nivel de líquidos.
· Presión, fuerza, par y aceleración
· Deformaciones, galgas capacitivas
· Humedad (óxido de aluminio como dieléctrico)
· Análisis químico
· Nivel de líquidos
Los circuitos de acondicionamiento dependerán de si el sensor es simple o diferencial. Para el caso de condensador simple se tiene.
Divisor de tensión:
El divisor de tensión es un circuito simple que también se aplica para estos sensores.
De aquí se tiene que:
V= V (1 + X)/2
Amplificador de Carga
Un amplificador de carga es un tipo especial d
e preamplificador que se usa en acelerómetros piezoeléctricos sin circuitos integrados. Su propósito es de convertir la impedancia de salida extremadamente alta del acelerómetro a un valor bajo, adaptado para transmitir la señal de vibración a través de cables a otros instrumentos que la van a procesar. El amplificador de carga es se
nsible a la cantidad de carga eléctrica generada por el acelerómetro en lugar de al voltaje que genera el mismo. Ya que la carga es independiente del cable conectado al acelerómetro, la sensibilidad del acelerómetro no varía con la longitud del cable como lo hace cuando se usa un amplificador de voltaje.
Un amplificador de transconductancia variable (OTA)
Es un dispositivo electrónico parecido a un amplificador operacional. Si bien en un amplificador operacional, la tensión de salida es proporcional a la tensión de entrada, en un amplificador operacional de transconductancia, es la corriente de salida la que es proporcional a la tensión de entrada:Esto se consigue con una alta impedancia de salida, a diferencia del amplificador operacional (OA) que presenta una baja impedancia a la salida. Esto implica que el OTA trabajará con bajas corrientes de salida.
OTA´s clásicos son el CA3080 de Harris y el LM13600.
Estos circuitos integrados (C.I.) disponen de una entrada de corriente (Amplifier bias input) que controla la ganancia de corriente.
Colocando una resistencia a la salida, se puede hacer la conversión de corriente a tensión, transformando el dispositivo en un amplificador controlado por tensión a través de la referida entrada (amplifier bias input).
La aplicación práctica más común de estos dispositivos es la de amplificador de ganancia variable controlada por tensión (como control de volumen en equipos de audio). Actualmente, para estas aplicaciones existen C.I. de controles de volumen específicos, controlados por una tensión DC o por una señal digital para adecuar un interfaz de un pulsador o de la señal de un mando a distancia.
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.
Existen ciertos casos donde las condiciones físicas de operación requieren un sensor a prueba de casi todo. La solución acostumbrada son los sensores de reluctancia variable y se caracterizan porque funcionan de la siguiente manera: El campo de un imán permanente es deformado al paso de un objeto de alta reluctancia, como los dientes de un engrane metálico; este cambio en el campo induce un voltaje en una bobina colocada rodeando al imán. La magnitud de este voltaje depende de la velocidad con la que el diente en nuestro ejemplo pasa frente al campo magnético y, cuando es suficientemente grande (4500 mm/seg), puede ser empleado en contadores o indicadores de velocidad directamente.
Donde φ es el flujo de campo magnético, I es la corriente y N es el número de vueltas del inductor.
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.
Esto sensores tiene los siguientes problemas:
Por contra tienen las siguientes ventajas:
*La humedad los afecta muy poco
* Tiene poca carga mecánica
*Y una alta sensibilidad.
Algunas configuraciones tipicas se muestran a continuacion:
La denominación LVDT viene de Linear Variable Differential Transformer. 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.
*Resolución infinita.
*Poca carga mecánica.
*Bajo rozamiento: vida ilimitado y alta fiabilidad.
*Ofrecen aislamiento eléctrico entre el primario y el secundario.
*Aísla el sensor (vástago) del circuito eléctrico.
*Alta repetibilidad.
*Alta linealidad.
Cuando estos dispositivos tiene la electrónica DC se denominan LVDT de continua (DCLVDT).
DETECCION COHERENTE:
En los sensores con alimentación en alterna, la modulación en amplitud surge del producto entre la tensión de alimentación y la variable a medir. Así, por ejemplo, para un puente que incorpore un sensor simple (capacitivo o inductivo) en uno de sus brazos la señal de salida es:
V(s)= V(t) x(t)/4
donde se ha supuesto que la impedancia de los cuatro brazos del puente es la misma y que x<<1.>. La detección o demodulación debe ser síncrona o coherente, de no ser así se perdería la información sobre el signo de x(t). La demodulación coherente consiste en multiplicar la señal modulada VS(t) por una tensión alterna VR(t) en fase con la portadora, (VR(t)=ARcoswPt), y aplicar un filtro paso bajo al resultado.
De la expresión de la salida final se deduce que la tensión de alimentación del puente (VP) y la de referencia del multiplicador (AR) deben ser muy estables, pues de lo contrario sus fluctuaciones se interpretarían como variaciones de x.
Por otra parte, el ancho de banda de x(t) debe ser al menos diez veces inferior a wP para que la demodulación sea sencilla. De no ser así, los filtros paso bajo necesarios para rechazar los restos de portadora y frecuencias armónicas deberían ser de orden muy elevado. Esto también es aplicable a la detección de envolvente.
En la figura se muestra gráficamente el proceso de la demodulación coherente. Existen comercialmente circuitos monolíticos que realizan las funciones de amplificación de alterna y demodulación síncrona o coherente (incluido filtro paso bajo), además, integran también el oscilador de referencia que puede ser utilizado para alimentar el puente. Estos circuitos se denominan genéricamente amplificadores de portadora. Un ejemplo es el Signetics NE5521.
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.
Está basado como su nombre lo dice, en la ley de faraday pero se deben cumplir ciertas premisas para su adecuado funcionamiento, debe tener un perfil de velocidades simétrico, la tubería sobre la que va a ser usado debe ser no magnética ni metálica, sino de teflón o cerámica y la tubería debe estar llena siempre. es muy usado en aguas residuales, líquidos corrosivos o con sólidos en suspensión pues no requieren de contacto directo.Este se caracteriza por generar una tensión de salida dependiendo de la influencia de un campo magnético sobre el. Esta limitado por la temperatura y la existencia de un error de cero que depende de inexactitudes físicas del sensor, sin embargo trae ventajas como inmunidad frente a condiciones ambientales y ademas no requieren de contacto físico para realizar las mediciones.
El llamado 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).
