SENSORES MODULADORES 

1.      Sensores resistivos.

Son aquellos sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica, es decir, para una variación física se puede obtener una variación en la resistencia del sensor utilizado.  Esto se debe a que gran cantidad de materiales varían su resistencia ante los cambias físicos.

1.1.   Potenciómetros (Variables mecánicas)

Un potenciómetro es un resistor al que le puede variar el valor de su resistencia. De esta manera, indirectamente se puede controlar la intensidad de la corriente que hay por una línea si se conecta en serie, o la diferencia de potencial de hacerlo en paralelo.

Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos con poca corriente, para potenciar la corriente, pues no disipan apenas potencia, en cambio en los reostatos, que son de mayor tamaño, circula más corriente y disipan más potencia.

1.2.   Galgas extensométricas (Variables mecánicas)

Las galgas extensométricas se basan en la variación de la resistencia de un conductor o un semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico. Si se considera un hilo metálico de longitud l, sección A y resistividad r, su resistencia eléctrica R es:

Si se le somete a un esfuerzo en dirección longitudinal, cada una de las tres magnitudes que intervienen en el valor de R experimenta un cambio y, por lo tanto, R también cambia de la forma:

El cambio de longitud que resulta de aplicar una fuerza F a una pieza unidimensional, siempre y cuando no se entre en la zona de fluencia viene dado por la ley de Hooke:

Donde E es una constante del material, denominada módulo de Young, s es la tensión mecánica y e es la deformación unitaria. e es adimensional, pero para mayor claridad se suele dar en “microdeformaciones”.

Si se considera ahora una pieza que además de la longitud l tenga una dimensión transversal t, resulta que como consecuencia de aplicar un esfuerzo longitudinal no solo cambia l sino también lo hace t. La relación entre ambos cambios viene dada por la ley de Poisson, de la forma:

1.3.   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:

donde R0 es la resistencia a la temperatura de referencia y T el incremento de temperatura respecto a la de referencia. La variación de resistencia se debe tanto al cambio de resistividad como al cambio de dimensiones asociados con el cambio de temperatura.

1.4.   Termistores (Variables térmicas)

El término termistor es una castellanización del inglés thermistor, formado a partir de los vocablos “thermally sensitive resistor”. Son resistores variables con la temperatura, pero no están basados en conductores como las RTD, sino en semiconductores. Si su coeficiente de temperatura es negativo se denominan NTC (Negative Temperature Coefficient), mientras si es positivo se denominan PTC (Positive Temperature Coefficient). Los símbolos respectivos son los de la figura, donde el trazo horizontal en el extremo de la línea inclinada indica una variación no lineal.

En el caso de una NTC la ecuación característica será:

B = temperatura característica del material (2000 K a 5000 K); R₀ = Resistencia a la temperatura de referencia T₀, normalmente la temperatura ambiente (25 °C o 298 K).

Tiene como ventajas el ser más sensible que las Termorresistencias, mas rápidas y permite hilos de conexión mayores.Tiene como desventaja el ser no lineal, y al variar su temperatura por el autocalentamiento del material.

1.5.   Magnetorresistencias (Variable magnéticas)

Las magnetorresistencias se basan en la variación de resistencia en un conductor por variaciones en el campo magnético. Este efecto se denomina efecto magnetorresistivo y fue descubierto por Lord Kelvin en 1856. 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 la medición de campos magnéticos en las lectoras de tarjetas. 

Asi como 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.   Fotorresistencias (Variables ópticas)

Las fotorresistencias o fotoconductores se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda entre 1mm y 10 nm).

La conductividad eléctrica de un material depende del número de portadores en la banda de conducción. En un semiconductor, a baja temperatura la mayor parte de los electrones están en la banda de valencia, y se comporta casi como un aislante. Pero al aumentar la temperatura y con ella la agitación de los electrones,

Dado que las bandas de valencia y de conducción están próximas, (a diferencia de lo que sucede en un aislante), cada vez hay más electrones que saltan de la banda de valencia a la de conducción., aumentando la conductividad. Si el semiconductor está dopado, este salto es aún más fácil.

La energía necesaria para producir el salto puede venir de otras fuentes externas además del calor, como puede ser una radiación óptica o una tensión eléctrica. En el caso de la radiación óptica, su energía, E, y frecuencia, f, están relacionadas mediante la expresión:

Donde h = 6,62 x 10^-34 Ws² es la constante de Planck. Entonces si la radiación tiene energía suficiente para permitir el salto de los electrones de una a otra banda, pero sin exceder el umbral necesario para que se desprendan del material, se tendrá efecto fotoeléctrico interno o fotoconductor, y a mayor iluminación mayor será la conductividad. Si se excediera dicho umbral, se tendría efecto fotoeléctrico externo. En el caso de un conductor, la conductividad es de por sí tan alta que el cambio debido a la incidencia de la radiación apenas de nota.

1.7.   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.

 1.8.   Acondicionamiento: Puente de Wheastone, Amplificador de Instrumentación.

Los sensores resistivos deben ser conectados a circuitos de interfaz adecuado para poder aprovechar o medir el parámetro variado.

Tradicionalmente no se suele medir la resistencia que varía, sino la variación de otro parámetro que depende de esta, como la tensión, la corriente o la frecuencia.

Los métodos de acondicionamiento se clasificarán en tres grupos:

a.       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.

b.      Puente de Weatstone

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

c.       Amplificadores para puente de sensores.

Se denomina amplificador de instrumentación a aquel dispositivo que tenga simultáneamente alta impedancia de entrada, alto rechazo del modo común, ganancia estable y variable con una sola resistencia, y que no se contraponga ganancia-ancho de banda, tensión y corriente de fugas bajas, bajas derivas, impedancia de salida baja.

2.      Sensores de reactancia variable

Son aquellos sensores que varían su reactancia, en función de  la variación de una variable física, la variación de la reactancia de un componente o circuito ofrece alternativas de medida a las disponibles en sensores resistivos. Muchas de ellas no requieren contacto físico con el sistema donde se va a medir, o bien tienen un efecto de carga mínimo.

Los sensores de reactancia variable tiene 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.

2.1.   Sensores Capacitivos

2.1.1.      Condensador variable

Un condensador eléctrico consiste en dos conductores separados por un dieléctrico (sólido, líquido o gaseoso), o el vacío. La relación entre la carga, Q, y la diferencia de potencial, V, entre ellos viene descrita por su capacidad, C=Q/V. Esta capacidad depende de la disposición geométrica de los conductores y del material, dieléctrico, dispuesto entre ellos, C=C(e,G).

Por ejemplo, para un condensador formado por n placas planas paralelas iguales con area A, distancia d entre cada par, y un material entre ellas con constante dieléctrica relativa er, la capacidad aproximada es:

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.

2.1.2.      Condensador diferencial

Un condensador diferencial consiste en dos condensadores variables dispuesto físicamente de tal modo que experimenten el mismo cambio pero en sentido opuesto, si se considera:

Mediante un acondicionador adecuado de la señal se salida, se logra que ésta sea lineal, y además hay un aumento de la sensibilidad con respecto al caso de un condensador simple.

2.2.   Sensores inductivos

La inductancia de un circuito indica la magnitud del flujo magnético que concatena debido a una corriente eléctrica. Si se trata de una corriente circulando por el propio circuito, se habla de autoinductancia, L. En caso contrario, se habla de inductancia mutua.

La inductancia se puede expresar como:

donde N es el número de vueltas del circuito, i la corriente y f el flujo magnético. Este último está relacionado con la fuerza magnetomotriz M y con la reluctancia magnética R, de la forma:

Para una bobina de sección A y de longitud l mucho mayor que sus dimensiones transversales, R viene dada por:

donde mr es la permeabilidad relativa del núcleo de la bobina, lo el recorrido de las líneas de campo en el aire

(fuera de la bobina) y Ao la sección transversal del camino recorrido. La aproximación indicada se basa en que Ao es muy grande.

La aplicación de una inductancia variable a la transducción está sujeta también a una serie de limitaciones. En primer lugar, los campos magnéticos parásitos afectan a L, por lo que puede ser necesario disponer de un apantallamiento magnético a su alrededor para que los cambios observados sean sólo debidos al fenómeno a detectar.

La relación entre L y R no es constante sino que varía hacia los extremos del dispositivo pues el campo deja de ser uniforme. El flujo magnético disperso es mayor que el flujo eléctrico disperso en los conductores. Esto limita el alcance de medida para una longitud determinada y es una fuente de interferencias para otros dispositivos o circuitos de las proximidades.

2.2.1.      Reluctancia variable

Un sensor de reluctancia variable es un dispositivo que funciona por deflección mecánica, ya que mueve un resorte por presión-fuerza-aceleración, midiendo estas variables al alterar el circuito magnético que tiene dentro de éste.

2.2.2.      Inductancia mutua (LVDT)

El dispositivo más utilizado con este principio es el transformador diferencial de variación lineal (LVDT por sus siglas en inglés). Se basa en la variación de la inductancia mutua (acoplamiento inductivo) entre un primario y cada uno de dos secundarios, al desplazarse a lo largo de su interior un núcleo ferromagnético, arrastrado por un vástago no ferromagnético, acoplado a la pieza cuyo movimiento se desea medir.

2.2.3. 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. 

3.      Sensores electromagnéticos

Son aquellos dispositivos 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. En este apartado se tratan algunos de los más habituales.

3.1.   Basados en la ley de Faraday

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

El flujo f 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.

3.2.   Basados en el efecto Hall

La dependencia de la presión (efecto piezorresistivo) es un factor a ser considerado sobre todo por el fabricante al encapsular el componente, puesto que para el usuario es fácil adoptar precauciones al respecto.  La temperatura tiene un efecto doble. Por una parte, afecta a la resistencia que presenta el elemento, por lo que si se alimenta a tensión constante la corriente de polarización, I, variará con la temperatura, y con ella la tensión de salida, VH. Por esta razón, es preferible alimentar a corriente constante que a tensión constante.  Por otra parte, la temperatura afecta a la movilidad de los portadores mayoritarios y, por lo tanto, a la sensibilidad. Dado que estos dos efectos tienen signo opuesto, es posible su compensación con un circuito adecuado. En cualquier caso, siempre conviene limitar el valor de la corriente de control para evitar autocalentamiento.

Otra limitación importante en aplicaciones de precisión es la presencia de una tensión de desequilibrio (offset), que es la tensión obtenida con campo magnético nulo, a pesar de tener los electrodos bien centrados en las caras. Se debe a inexactitudes físicas y no uniformidades en la materia, y puede ser de hasta 100mV cuando se alimenta a 12V. La solución incorporada en algunos elementos consiste en disponer un electrodo de control adicional por el que se inyecta la corriente necesaria para tener una salida nula en ausencia de campo magnético. En otros campos se emplean dos sensores Hall conectados en paralelo y cuyas corrientes de polarización circulen en sentido contrario. 

Frente a otros sensores sensibles a un campo magnético, los elementos Hall tienen la ventaja de que su salida es independiente de la velocidad de variación del campo detectado. En los sensores inductivos, cuando la velocidad de variación del flujo es lenta, la salida es muy pequeña. 

Comparados con los sensores basados en un emisor y detector óptico, los elementos Hall ofrecen las ventajas de ser inmunes a las condiciones ambientales (contaminación por polvo y humedad, vibraciones), y de tener características constantes. En un par emisor-detector óptico, la luz del emisor con el tiempo.  La ausencia de contactos, cuando se aplican a la detección de movimientos, les confiere mayor robustez que la que tienen los sensores donde aquéllos están sometidos a desgastes y son una fuente de interferencia por la presencia de arcos eléctricos.