Introducci

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Introducción a la Electrónica

• SENSORES

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Que es un sensor?

• Un sensor es un dispositivo que convierte un
  fenómeno físico a un senal medible (tensión,
  corriente)

Temperatura Presión Posición Intensidad de
luz sonido Fuerza, tensión
Tensión Corriente
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Caracterización de sensores

• Accuracy Es la máxima difrerencia entre el valor
  indicado y el valor real
• Resolución Es el minimo incremento que el
  sensor puede detectar.
• Repetitividad La medida de un mismo valor es
  realizada y repetida con pequena
• Linealidad
• Precision Se considera la resolución, precisión
  y repetitividad.
• Rango - es el valor limit que el sensor puede
• Respuesta dinamica es el rango de frecuencia que
  un sensor puede operar (ej. Oido humano 10Hz-16
  Khz)
• Lugar de aplicación existen sensores que no
  pueden operar en condiciones ambientales severas.
  
• Calibración
• Costo

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Sensor de desplazamiento angular
El potenciometro
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El potenciometro
Conectado como divisor de voltaje, entrega una
tensión proporcional a su posición angular
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Sensor de posición angular
Disco ranurado
Puede medir posición relativa y/o posición
absoluta.
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Posición lineal
Potenciometro lineal (similares a los utilizados
en equalizadores de equipos de audio)
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Posición lineal

• Transformador variable diferencial linear (LDVT)
  diferencial

Se aplica una tensión alterna, y la tensión
inducida en cada bobinado secundario dependera de
la posición del nucleo magnetico
Nucleo movil
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Sensores de fuerza y momento

• Strain gauges miden fuerza sobre un material
  midiendo la variación de su resistencia

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Strain gauges
Gauge factor
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Circuito de medición

• Puente de Weasthone La variación de resistencia
  es muy pequena. El uso del puente de Weasthone
  permite medir estas pequenas variaciones

R2 se ajusta para obtener V00volts.
El valor de la Rstrain se puede calcular con
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Sensor piezoeléctrico

• Un cristal al ser sometido a una presión
  desplaza una pequena cantidad de carga.

Efecto piezoelectrico
Otras aplicaciones microfonos, parlantes
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Sensado de temperatura

• Termistores
• Resistencias NTC (coeficiente negativo de
  temperatura) . (ver NTC_20....pdf)
• Resistencias PTC (coeficiente positivo de
  temperatura) .
• RTD resistive temperature detectors
• Termocuplas
• Circuitos integrados

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Termistores

• Son elementos cuya resistencia varia con la
  temperatura.
• Estos dispositivos son muy sensibles a la
  variación de temperatura.
• Su respuesta es no-lineal.

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Termistores

• Self-heating
• Parámetros importantes
• Resistencia a T25grados.
• Coeficiente de disipación térmica

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RTD

• Resistive temperature detector cuando un metal
  es calentado su resistencia se incrementa.

Rfunción(T) RTD de platino (PT100)
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RTD
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Termocuplas

• Efecto Seebeck Un gradiente de temperatura a lo
  largo de un conductor crea una fuerza
  electromotriz.
• Si dos conductores de metales diferentes son
  unidos en un punto, una FEM es creada en los
  terminales abiertos.
• Esta tensión es dependiente de las temperaturas
  T1 y T2.

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Termocuplas
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Compensación juntura fria

• En lugar de mantener la juntura de referencia a
  un temperatura conocida o medirse esta
  temperatura Compensar las variaciones de la
  tensión generada en la juntura de referencia,
  insertando en el circuito de medición una tensión
  de variación igual y opuesta a esta tensión.

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Tipos de termocuplas
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Termocuplas
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Conexión de termocuplas
Conexión directa a un instrumento
Puede generarse una juntura adicional, agregando
un cable de cobre a la salida del instrumento
(juntura Cu-Cu en el borne, que no genera
potencial), y desplazar la juntura de conexión al
instrumento fuera del borne (juntura que se
llamará de referencia).
Al insertar un voltímetro en el circuito para
efectuar la medición, aparecen nuevas junturas en
la conexión entre el voltímetro y la termocupla.
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Sensores de estado solido

• Dos diodos idénticos a la misma temperatura

LM335 Rango Temp -40 a 100 grados
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Sensores de Temperatura
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Sensores de nivel

• Capacitor de placas paralelas

La capacidad depende de la distancia entre
placas, la constante dielectrica del material
entre placas y la sección de las placas.
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Sensores de nivel

• Medición de nivel en materiales no conductores

Las constantes dialectricas del liquido y el aire
son conocidas. La sección de las placas se
mantiene constante
La capacidad es función del nivel del liquido
La capacidad en forma aproximada esta definida
como
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Fotocelulas (LDR)

• LDR ( resistencia variable por iluminación)
• Son dispositivos que varían su resistencia con el
  nivel de iluminación

• Nivel de iluminación (en lux)
• Una lampara de 60 watts a 1 metro de distancia
  50 lux
• Luz de luna 0.1 Lux
• Luz de sol - 30000 Lux
• Tubo fluorescente 500 Lux

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LDRs
Respuesta espectral
Mayor nivel de iluminación, menor resistencia
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LDRs - Aplicaciones
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LDRs - Aplicaciones
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LDRs - Aplicaciones
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Adquisición de datos
Conversión A/D
Acondicionamiento de senal
SENSOR
Dato en formato digital
Variable eléctrica (tensión, corriente,
resistencia, capacidad)
Tension
Variable física

• Procesamiento de datos
• Almacenamiento
• Visualización

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Acondicionamiento de señales
Sensor Caracteristicas electricas Requerimientos de condicionamiento de señal
Termocupla Bajo voltaje de salida, baja sensitividad, respuesta nolineal Sensor de temperatura de referencia (compensación de juntura fria) Amplificación de elevada ganancia Linealización
RTD Baja resistenciaBaja sensitividadRespuesta nolineal Excitación de corrienteLinearización
Strain gauge Baja resistenciaBaja sensitividadRespuesta nolineal Excitación de voltaje/corrienteAmplificación Conexionado de puente de mediciónLinearización
Termistor Elevada resistencia y elevada sensitividadRespuesta altamente nolineal Excitación de voltaje/corrientecon resistencia de referencia
Acelerometro activo Elevado voltaje/corriente de salida Amplificación moderada
AC Linear Variable Differential Transformer (LVDT) Voltaje de salida AC Excitación de alternaDemodulaciónLinearización
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Acondicionamiento de senal

• AMPLIFICACIÓN
• La senal generada por los sensores es de baja
  magnitud. Esta debe ser amplificada antes de ser
  transmitidas.
• FILTRADO
• Filtros deben ser incluidos para eliminar
  interferencias no deseadas ( ruido de línea 50/60
  Hz,)
• FILTRADO ANTIALIASING
• tambien se utilizan filtros para eliminar las
  componenes de alta frecuencia de la senal. Ver
  Teorema de Nyquist.
• AISLAMIENTO
• se utiliza para separar la fuente de senal
  (sensor) del dispositivo medidor (aislamiento
  por transformador, óptico, capacitivo)
• MULTIPLEXADO
• Senales provenientes de diferentes sensores
  pueden ser procesadas por un único conversor.

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Acond. de senal termpocuplas

• Hardware se adiciona una tensión de
  desplazamiento de signo contrario.
• Software
• Se mide la temperatura de la juntura de
  referencia y se calculá la tensión equivalente de
  la termocupla a esa temperatura utilizando tablas
  de temperatura o polinomios.
• Se mide el voltaje de salida de la termocupla y
  se le suma el voltaje de la juntura de referencia
  calculado en el paso 1.
• El voltaje resultante es convertido a temperatura
  utilizando polinomios o tablas..

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Acondicionamiento de senal
Conexionado de RTD con 2 y 4 cables
La tensión medida es afectada por la resistencia
del cableado
La tensión medida NO es afectada por la
resistencia del cableado
Desventaja MAS COSTOSO. Necesito un conductor de
4 hilos.
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Senales de corriente

• Algunos sensores utilizados en control de
  procesos aplicaciones de monitoreo generán una
  senal de 4 to 20 mA or 0 to 20 mA.
• Menos sensible al ruido y caida de tensión en el
  cableado.
• El sistema de acondicionamiento de senal debe
  convertir la senal de corriente a tensión

Ejemplo Medidor de temperatura
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Conversión corriente-tensión
La senal de corriente del sensor de 0-20mA es
convertida a 0-10volts
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Amplificación

• Requerimientos
• Elevada impedancia de entrada
• Elevada ganancia diferencial
• Elevado rechazo de senal en modo común (RRMC)

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Amplificador de instrumentación
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Adquisición de datos
0 1 0 0 . . 1
Filtro anti-aliasing
Sample hold
Cuantización
Palabra digital
senal analógica acondicionada
Respuesta filtro anialiasing
Criterio de Nyquist una senal debe ser
muestreada al doble de su máxima componente de
frecuencia
Espectro entrada
fmin
fmax
frecuencia