Historia De Los Sensores

Historia de los Sensores

Un sensor es cualquier dispositivo que detecta una determinada acción externa. Los sensores existen desde siempre, y nunca mejor dicho, porque el hombre los tiene incluidos en su cuerpo y de diferentes tipos.

El hombre experimenta sensaciones como calor o frío, duro o blando, fuerte o flojo, agradable o desagradable, pesado o no. Y poco a poco le ha ido añadiendo adjetivos a estas sensaciones para cuantificarlas como frígido, fresco, tibio, templado, caliente, tórrido. Es decir, que día a día ha ido necesitando el empleo de magnitudes medibles más exactas.

1. Sensores Electrónicos

Luz

Temperatura

Olor

Presión

Sonido

Los sensores electrónicos han ayudado no solo a medir con mayor exactitud las magnitudes, sino a poder operar con dichas medidas. Pero no se puede hablar de los sensores sin sus acondicionadores de señal, ya normalmente los sensores ofrecen una variación de señal muy pequeña y es muy importante equilibrar las características del sensor con las del circuito que le permite medir, acondicionar, procesar y actuar con dichas medidas.

Este trabajo pretende hacer una recopilación de los sensores, acondicionadores y procesadores actuales, así como su evolución. Hay que remarcar que dicha recopilación se ha centrado en los productos que distribuye SILICA. Por supuesto, la rápida evolución de estos componentes hace que este trabajo nunca esté al día ni terminado, por lo que hay que consultar en cada momento el estado actual de los mismos.

1.1 Tipos de Sensores

Existe una gran cantidad de sensores en el mercado, para poder medir magnitudes físicas, de los que se pueden enumerar los siguientes:

⇒ Temperatura

⇒ Humedad

⇒ Presión

⇒ Posición

⇒ Movimiento

⇒ Caudal

⇒ Luz

⇒ Imagen

⇒ Corriente

⇒ Conductividad

⇒ Resistividad

⇒ Biométricos

⇒ Acústicos

⇒ Imagen

⇒ Aceleración

⇒ Velocidad

⇒ Inclinación

⇒ Químicos

⇒ ...

1.2 Terminología

En general se habla de sensores, pero se pueden distinguir las siguientes definiciones:

 Sensor: Es un dispositivo que recibe una señal o estímulo y responde con una señal eléctrica. Además los sensores pueden ser activos o pasivos.

o Sensor activo: Es un sensor que requiere una fuente externa de excitación como las RTD o células de carga.

o Sensor pasivo: Es un sensor que no requiere una fuente externa de excitación como los termopares o fotodiodos.

 Transductor: Es un convertidor de un tipo de energía a otra.

1.3 Acondicionadores y Procesadores de señal

No se puede hablar de los sensores, como componentes electrónicos básicos, sin ver como se pueden adaptar a un sistema de adquisición y control. Por lo que se tendrán que ver las nuevas tecnologías de adaptación de estos sensores que como parte de una cadena de dispositivos, forman un sistema.

Estos adaptadores, como acondicionadores de señal, son los amplificadores operacionales en sus diferentes estructuras de montaje, pasando por filtros o por procesadores analógicos, convirtiendo estas señales de analógico a digital para posteriormente ser procesados los datos con un DSP o Microcontrolador y actuando por medio de las salidas lógicas del procesador o por medio de un convertidor digital a analógico.

Durante la descripción de los diferentes tipos de sensores se irán viendo los circuitos más apropiados que forman parte de esta cadena.

2. Sensores de Temperatura

2.1 Introducción

Probablemente sea la temperatura el parámetro físico más común que se mide en una aplicación electrónica, incluso en muchos casos en que el parámetro de interés no es la temperatura, ésta se ha de medir para incluir indirectamente su efecto en la medida deseada.

La diversidad de sus aplicaciones ha condicionado igualmente una gran proliferación de dispositivos sensores y transductores, desde la sencilla unión bimetálica de los termostatos, hasta los dispositivos semiconductores más complejos.

2.2 Tipos de Sensores de Temperatura

1. Termopares: Los termopares utilizan la tensión generada en la unión de dos metales en contacto térmico, debido a sus distintos comportamientos eléctricos.

2. Resistivos: Lo constituyen las RTD (Resistance Temperature Detector) o PT100 basadas en la dependencia de la resistividad de un conductor con la temperatura, están caracterizadas por un coeficiente de resistividad positivo PTC (Positive Termal Coefficient). También lo son las NTC (Negative Termal Coefficient), que se llaman termistores y están caracterizadas por un coeficiente de temperatura negativo.

3. Semiconductores: Se basan en la variación de la conducción de una unión p-n polarizada directamente.

2.3 Sensores de Temperatura con Termopares

Los termopares son baratos y robustos, tienen una estabilidad bastante buena a lo largo del tiempo. Debido a su pequeño tamaño, responden rápidamente a los cambios de temperatura. Funcionan sobre rangos de temperatura criogénos, tiene una linealidad y exactitud razonable. Debido a que el número de electrones libres en un metal depende de la temperatura y de la composición del metal, dos metales de desigual isotermo, dan una diferencia de potencial que es una función repetible de la temperatura, como se muestra en la figura. El voltaje resultante depende de las temperaturas, T1 y T2, de una manera repetible.

Puesto que el termopar es básicamente un dispositivo de medida diferencial, se necesita una temperatura de referencia conocida para una de las uniones, así la temperatura de la otra unión será deducida del voltaje de salida. Los termopares están fabricados de materiales especialmente seleccionados que se han caracterizado exhaustivamente en términos de voltaje con la temperatura de comparación, que normalmente es la del punto de agua/hielo de 0°C.

Voltaje del termopar con Referencia a 0º C.

De todas maneras, se usa una técnica de medida alternativa mostrada en la figura siguiente, en las aplicaciones prácticas donde los requisitos de exactitud no necesitan mantener las normas primeras. La temperatura de la unión de referencia se permite cambiar

con el entorno del sistema de medida, pero es medida cuidadosamente por algún tipo de termómetro absoluto. Se puede usar una medida del voltaje del termopar combinada con una temperatura de referencia conocida para calcular la temperatura de la unión medida. Sin embargo, en la practica se usa un método termoeléctrico para medir la temperatura de referencia y poner el voltaje de salida para que corresponda a un termopar referido a 0°C. Simplemente, este voltaje se añade al voltaje del termopar y entonces la suma corresponde al voltaje normal tabulado para un termopar de referencia de punto de hielo.

Substitución de la Temperatura de Referencia para Referencia del Punto de Hielo.

En la tabla siguiente se muestra los distintos tipos de termopares con su rango típico, su sensibilidad y la designación estándar.

Material de la unión Rango Típico (ºC) Sensibilidad (V/ºC) Designación

Pt6%/Rodio – Pt(30%)/Rodio 38 a 1800 7.7 B

Tungsteno(5%)/Renio–Tungsteno(26%)/Renio 0 a 2300 16 C

Cromo- Constantan 0 a 982 76 E

Hierro – Constantan 0 a 760 55 J

Cromo – Aluminio -184 a 1260 39 K

Pt(13%)/Rodio – Pt 0 a 1593 11.7 R

Pt(10%)/Rodio – Pt 0 a 1538 10.4 S

Cobre- Constantan -184 a 400 45 T

En la figura siguiente se muestra la curva de algunos termopares con sus características eléctricas.

El hecho de que los termopares sean dispositivos de bajo nivel de tensión, a la vez que de baja impedancia, hace que el acondicionador de señal sea totalmente imprescindible. Además, la linealidad en algunos tipos es pobre, aunque el hecho de ser predecible y repetible, lo que permite que puedan ser compensados analógicamente y/o digitalmente.

2.3.1 Acondicionadores de señal para Termopares. AD594

Analog Devices dispone de unos circuitos integrados acondicionadores de señal para termopares, como el AD594, mostrado en la figura siguiente, para termopares tipo J que tienen un amplificador de instrumentación y un compensador lineal, una salida de alarma de rotura o desconexión del termopar, se alimenta a +5V y suministra una salida de

10mV/ºC.

Acondicionador de señal de un termopar

Analog Devices con la división denominada Iomation tiene una serie de acondicionadores de señal en forma de módulos híbridos y en concreto para termopares tiene el módulo 1B51 aislado para aplicaciones industriales, donde dan una solución completa.

Acondicionador de termopar con

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