Concepto y tipos de sensores

 SENSOR

Son dispositivos que funcionan como captadores de información de un proceso por lo que también se denominan captadores o detectores. En general, están diseñados para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud. Detectan magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica), una capacidad eléctrica, una tensión eléctrica, una corriente eléctrica, etc.

 TIPOS DE SENSORES

Sensor de aceleración:

El sensor de aceleración o acelerómetro, es un sensor que proporciona directamente la medida de la aceleración de la vibración. Este tipo de sensores es muy importante, ya que la información de la aceleración sufrida por un objeto, ya que si se produce una aceleración en un objeto, este experimenta una fuerza que tiende a hacer poner el objeto en movimiento.

Los acelerómetros o sensores de aceleración, están pensados para realizar una medida de aceleración o vibración, proporcionando una señal eléctrica según la variación física, en este caso la variación física es la aceleración o la vibración. A continuación puede ver diferentes modelos combinando las diferentes tecnologías existentes, principalmente acelerómetros piezoresistivos, acelerómetros piezoeléctricos y acelerómetros capacitivos.

 Principio de funcionamiento:

La operación de un acelerómetro se basa en el principio masa-resorte. En este caso, la frecuencia natural del sistema masa-resorte se sintoniza muy alta, para asegurar que el acelerómetro funcione a frecuencias por debajo de su resonancia. Para la conversión del movimiento mecánico de la vibración a una señal eléctrica se emplea el efecto piezoeléctrico del cuarzo. Ese efecto es la existencia de una carga eléctrica en una de las caras del cristal que está sometido a una tensión o compresión. Esa carga eléctrica es causada por el desplazamiento polar de moléculas en el cristal. Normalmente los acelerómetros para aplicaciones industriales tienen como límite inferior y superior frecuencias de 1 Hz a 20 kHz.

 Ventajas:

 Construcción resistente.

 Insensibles a campos magnéticos.

 No son unidireccionales.

 Reducidas dimensiones.

 Carcasa de material inoxidable sellada herméticamente.

 Costo menor en comparación con sensores de velocidad o desplazamiento.

 Amplio rango de frecuencias.

 Desventajas:

 Sensor pasivo, requiere potencia externa para opera.

 Baja sensibilidad a bajas frecuencias.

 Posibilidad de captar ruidos de baja frecuencia (distorsión de la señal).

 Requiere de elementos electrónicos adicionales para superar los problemas de impedancia en la señal de salida.

 Pautas para la selección:

Para elegir un sensor para una medida de aceleración de entre las posibilidades del mercado, además de los márgenes de valores de la aceleración que admite habrá que tener en cuenta si es capaz de medir en continua o sólo en alterna, la máxima frecuencia a la que puede trabajar, así como los correspondientes parámetros instrumentales típicos de todo sensor

Antes de elegir usar un acelerómetro se debe considerar varios requerimientos donde entre los principales se encuentra el nivel de alimentación y el tipo de comunicación, características para su consideración se muestran a continuación:

 Alcance:

La mayoría de los acelerómetros tendrá un rango seleccionable de las fuerzas que pueden medir. Estos intervalos pueden variar de ± 1g hasta ± 250g. Típicamente, el más pequeño de la gama, es el más sensible. Por ejemplo, para medir pequeñas vibraciones sobre una mesa, utilizando un acelerómetro de gama pequeña proporcionará datos más detallados que el uso de uno de 250 g (que es más adecuado para cohetes).

 Características adicionales:

Algunos acelerómetros incluyen características como la detección del grifo (útil para las aplicaciones de baja potencia), compensación de temperatura ( para aumentar la precisión en situaciones de del alto riesgo ) y detección de 0g. La necesidad de estos tipos de características en el acelerómetro será determinada por la aplicación en la que se incorpora el acelerómetro.

 Campo de aplicación:

Normalmente, los acelerómetros son usados para medir vibraciones en máquinas cuyos ejes son soportados por rodamientos. La causa de esto es que los rodamientos transfieren de buena manera la vibración del eje a la carcasa, sin embargo, los acelerómetros pueden trabajar también muy bien en máquinas cuyos ejes son soportados por cojinetes de deslizamiento debido a los avances hechos en la sensibilidad de los mismos.

Además, este tipo de sensores tienen un campo de aplicación muy importante en la industria automovilística, en pruebas de colisión, medida y test de objetos en movimiento, medida de movimientos sísmicos y protección de edificios y estructuras. Los diferentes modelos permiten un rango de medida entre 10 y 100 g con sobrecargas de hasta 500 g para un margen de frecuencias de 2 a 15.000 Hz ( ±3 dB). Su salida amplificada ±4 Vcc hace posible la medida o el análisis completo de la evolución de la aceleración por sistemas convencionales.

Sensor de velocidad:

Los sensores de velocidad o velocímetros, proporcionan directamente la velocidad de la vibración en la máquina que se está midiendo y pueden detectar la velocidad de un objeto tanto sea lineal como angular. Pero los velocímetros, están siendo reemplazados por los acelerómetros debido a su amplia gama de aplicaciones, sin embargo los velocímetros cuentan con ventajas importantes, no necesitan una fuente de alimentación, además de proporcionar directamente la velocidad de vibración, en tanto que la señal proveniente de un acelerómetro necesita ser integrada para dar una lectura de velocidad.

 Principio de funcionamiento:

Los sensores de velocidad operan de acuerdo al principio electrodinámico. Se suspende una bobina, libre de fricciones, mediante dos resortes o muelles de membrana que forman, junto a la bobina, un sistema masa-resorte. Al estar suspendida en un campo magnético permanente, la tensión que se genere será proporcional a la velocidad de vibración. Cuando el sensor es colocado o unido a la máquina vibrando, la bobina permanece estacionaria en el espacio (a cualquier frecuencia por encima de la frecuencia natural de su sistema masa-resorte), mientras el magneto vibra al compás de la máquina. El corte del campo magnético producido por las bobinas genera una tensión inducida, la cual es proporcional a la velocidad, sin que el sensor requiera fuente de potencia externa alguna. Por tal razón, un sensor de velocidad de vibración es conocido como un sensor activo.

 Ventajas:

 Construcción resistente.

 Elevada sensibilidad aún a bajas frecuencias.

 Fuerte señal de salida con baja resistencia interna.

 Sensor activo, no requiere fuente de alimentación.

 Impermeable, estanco al aceite y al vacío.

 Resistencia a productos químicos (carcasa de acero inoxidable).

 Desventajas:

 Frecuencia superior limitada a 2000 Hz.

 Sensible a campos magnéticos fuertes.

 Pautas para la selección:

 Mecanismo volante de masas giratorias.

 Generador de imanes permanentes.

 Señal de voltaje tomada de los transformadores de potencial.

 Ruedas dentadas adosadas al eje de la máquina.

 Imanes adheridos al eje.

De acuerdo al costo, eficiencia energética, vida útil, manejo de la señal, comunicación, velocidad de respuesta y compatibilidad con el equipo al cual será adaptado.

 Campo de aplicación:

La aplicación principal de los sensores de velocidad se da cuando existe la necesidad de medir la vibración en máquinas de baja velocidad rotacional, debido a su capacidad de elevada sensibilidad a bajas frecuencias, donde además los sensores de aceleración no son recomendados. Por otro lado, los velocímetros normalmente se emplean para tomar medidas de vibración en máquinas con ejes soportados por rodamientos, al igual que los acelerómetros, pero se ven limitados por la velocidad de respuesta, sobre todo a altas frecuencias y su limitado rango de frecuencias.

Sensor de desplazamiento:

Los sensores de desplazamiento funcionan electromecánicamente y constan de una resistencia de valor fijo sobre la cual se desplaza un cursor dividiendo a la resistencia eléctricamente. Generalmente los sensores de desplazamiento son muy utilizados en los sistemas de seguridad gracias a que el movimiento que genera el cursor origina a su vez un cambio en la resistencia y esta circulación puede utilizarse para lograr medir el desplazamiento lineal o angular de cualquier tipo de objeto.

Sensor de desplazamiento sin contacto:

Llamado también, sensor de proximidad sin contacto, normalmente es

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