2.1 Sensores y transductores

El termino sensor se refiere a un elemento que produce una se;al relacionada con la cantidad que se esta midiendo. Con frecuencia se utiliza el termino transductor en vez de sensor. Los transductores se definen como el elemento que al someterlo a un cambio físico experimentara un cambio relacionado.

Los siguientes términos se emplean para definir el funcionamiento de los transductores y, con frecuencia, el de los sistemas de medición como un todo.

1. Rango y margen. El rango de un transductor define los limites entre los cuales puede variar la entrada. El margen es el valor máximo de la entrada menos el valor mínimo.

2.Error. El error es la diferencia entre el resultado de la medición y el valor verdadero de la cantidad que se mide.

Error = valor medido - valor real

3. Exactitud. La exactitud es el grado hasta el cual un valor producido por un sistema de medición podría estar equivocado. Es por lo tanto, igual a la sima de todos los errores posibles mas el error en la exactitud de la calibración del transductor.

4. Sensibilidad, La sensibilidad es la relación que indica que tanta salida se obtiene por unidad de entrada, es decir, salida/entrada.

5. Error por histeresis. Los transductores pueden producir distintas salidas de la misma magnitud que se mide, si dicha magnitud se obtuvo mediante un incremento o una reducción continuos. A este efecto se le conoce como histeresis.

6. Error por no linealidad. Para muchos transductores se supone que en su rango de funcionamiento la relación entre la entrada y la salida es lineal, es decir, la gráfica de la salida respecto a la entrada produce una linea recta. Sin embargo, son pocos los transductores en los que la relación anterior es recta; por ello, al suponer la existencia de está linealidad se producen errores. Este error se define como la desviación máxima respecto a la linea recta correspondiente.

7. Repetibilidad/reproducibilidad. Los términos repetibilidad y reproducibilidad se utilizan ahora describir la capacidad del transductor para producir la misma salida después de aplicar varias veces el mismo valor de entrada.

8. Estabilidad. La estabilidad de un transductor es su capacidad para producir la misma salida cuando se emplea para medir una entrada constante en un periodo. Para describir el cambio en la salida que ocurre en ese tiempo, se utiliza el termino deriva. Esta se puede expresar como un porcentaje del rango de salida total.

9. Banda/tiempo muerto. La banda muerta o espacio muerto de un transductor es el rango de valores de entrada durante los cuales no hay salida.

10. Resolución  Cuando la entrada varía continuamente en todo el rango, las se;ales de salida de algunos sensores pueden cambiar a peque;os intervalos.

11. Impedancia de salida. Cuando un sensor que produce una salida eléctrica se vincula con un circuito electrónico es necesario conocer la impedancia de salida dado que esta se va a conectar en serie o en paralelo con dicho circuito.

Las características estáticas son los valores obtenidos cuando se presentan condiciones de estado estable, es decir, valores obtenidos una vez que el transductor se estabiliza después de recibir cierta entrada. La terminología anterior se refiere a este tipo de estado. Las características dinámicas se refieren al comportamiento entre el momento en que cambia el valor de entrada y cuando el valor produce el transductor logra su valor de estado estable. Las características dinámicas se expresan en función de la respuesta del transductor a entradas con determinadas formas.

1. Tiempo de respuesta: Es el tiempo que transcurre después de aplicar una entrada constante, una entrada escalón, hasta que el transductor produce una salida correspondiente a determinado porcentaje, como 95% del valor de entrada.

2. Constante de tiempo. Es el 63.2% del tiempo de respuesta. La constante de tiempo de un termopar en el aire podría ser de 40 a 100 s. La constante de tiempo es una medida de inercia del sensor y de que tan pronto reaccionara a los cambios en su entrada; cuanto mayor sea la contante de tiempo mas lenta sera su reacción ante una se;al de entrada variable.

3. Tiempo de subida. Es el tiempo que requiere la salida para llegar a un porcentaje especificado de la salida en estado estable. Es común que el tiempo de subida se refiera al tiempo que tarda la salida en subir de 10% a 90% o 95% del valor en estado estable.

4. Tiempo de estabilización. Es el tiempo que tarda la salida en estabilizarse a un porcentaje de un valor determinado.

Los sensores de desplazamiento miden la magnitud que se desplaza un objeto; los sensores de posición determinan la posición de un objeto en relación con un punto de referencia. Los sensores de proximidad son una modalidad de sensor de posición y determinan en que momento un objeto se mueve dentro de una distancia critica del sensor. Los anteriores son dispositivos cuyas salidas son, en esencia, del tipo todo o nada (encendido o apagado).

Un potenciometro es un elemento resistivo que tiene un contacto deslizante que puede desplazarse a lo largo de dicho elemento. Este se puede utilizar tanto en desplazamientos lineales como rotacionales; dicho desplazamiento se convierte en una diferencia de potencial. El potenciometro rotacional esta formado por una pista o un canal circular con devanado de alambre o por una capa de plástico conductor

El transformador diferencial de variación lineal, mas conocido por su abreviatura TDVL (o LVDT, por sus siglas en ingles) esta formada por tres devanados espaciados de manera simétrica a lo largo de un tubo aislado.

Cuando a un devanado se aplica una corriente alterna se crea un campo magnético alterno. Si próximo a este campo se encuentra un objeto metálico, en el se inducen corrientes de Foucault o parásitas. Estas corrientes parásitas, a su vez, producen un campo magnético que distorsiona el campo magnético que lo origina. En consecuencia la impedancia del devanado, asi como la amplitud de la corriente alterna se modifica. Cuando se alcanza cierto nivel predeterminado, este cambio en la corriente puede activar un interruptor.

El interruptor de proximidad inductivo esta formado por un devanado enrollado en un núcleo. Al aproximar el extremo del devanado a un objeto metálico, cambia la inductancia del primero. Este cambio puede monitorearse por el efecto que produce en un circuito resonante y sirve para activar un interruptor. Solo se puede usar para detectar objetos metálicos y funciona mejor con metales ferrosos.

Un codificador es un dispositivo que produce una salida digital como resultado de un desplazamiento lineal o angular. Los codificadores de posición se clasifican en 2 categorías: codificadores de incremento, los cuales detectan cambios en la rotación a partir de una posición de datos y codificadores absolutos, que proporcionan la posición angular real.

Los sensores neumáticos utilizan aire comprimido, y desplazamiento o la proximidad de una objeto se transforma en una cambio en la presión del aire. 

Existen diversas modalidades de interruptores que se activan por la presencia de un objeto, y sirven como sensor de proximidad, cuya salida corresponde al estado de encendido o de apagado. 

Un microinterruptor es un peque;o interruptor eléctrico que requiere un contacto físico y una pequeña fuerza de acción para cerrar los contactos.

Los dispositivos fotosensibles se usan para detectar la presencia de un objeto opaco al interponerse aste entre el haz luminoso, o radiación infrarroja, y el dispositivo, o mediante la detección de la luz que refleja dicho objeto.

Cuando un haz de partículas cargadas atraviesa un campo magnético existen fuerzas que actúan sobre dichas partículas, y la trayectoria lineal del haz que deforma. Cuando una corriente fluye a través de un conductor se comporta como una haz de partículas en movimiento, por lo que al pasar por un campo magnético esta corriente se puede desviar. Este efecto fue descubierto por E.R. Hall en 1879 y se conoce como Efecto Hall. 

El tacogenerador sirve para medir la velocidad angular. Una de sus modalidades es el tacogenerador de reluctancia variable, el cual esta formado por una rueda dentada de material ferromagnetico unida a un eje giratorio. En un imán permanente se enrolla un devanado de captación; conforme gira la rueda, los dientes pasan por la bovina y el volumen de aire entre bobina y material ferromagnetico varia.

Los materiales piroelectricos, como el tántalo de litio, son materiales cristalinos que generan una carga como respuesta al flujo calorífico. Si el material se calienta en un campo eléctrico a una temperatura justo por debajo de la temperatura de Curie, es decir, unos 610 C  en el caso del tántalo de litio, y se deja enfriar el material al tiempo que se mantiene en medio del campo, los dipolos del material se alinean y este se polariza.

Una modalidad muy común de transductor para medir fuerza se basa en el empleo de formimetros de resistencia eléctrica para monitorear la deformación de cierto elemento cuando este se estira, comprime o dobla por la aplicación de una fuerza. A este transductor se le conoce como indicador de presiones.

En muchos de los dispositivos utilizados para monitorear la presión de procesos industriales se monitorea la deformación elástica de diafragmas, cápsulas, fuelles y tubos. Los tipos de medición se necesitan son: presión absoluta, en cuyo caso la presión que se mide es relativa a una presión cero, es decir, al vació; presión diferencial, con la cual se mide una diferencia de presiones, y presión manométrica, en la que la presión se mide en relación con la presión barométrica.

Cuando un material piezoeléctrico se estira o comprime genera cargas eléctricas; una de su caras se carga en forma positiva y la cara opuesta se carga en forma negativa. En consecuencia, se produce un voltaje.  Los materiales piezoeléctricos son cristales ionicos que al estirarlos o imprimirlos producen una distribución de carga en el cristal que origina un desplazamiento neto de carga; una de las caras del material se carga positivamente y la otra negativamente.

El sensor táctil o de tacto es una forma particular de sensor de presión, Se utiliza en 'las yemas de los dedos' de las 'manos' de los robots para determinar en que momento la 'mano' tiene contacto con un objeto. También se utiliza en las pantallas 'sensibles al tacto', donde se requiere detectar contactos físicos  En una modalidad de sensor táctil se utiliza una capa de fluoruro de polivinilideno piezoelectrico.

Entre los métodos tradicionales para medir el gasto de líquidos figuran los dispositivos que miden la caída de presión que se produce cuando un fluido pasa por un tubo Venturi.

La placa de orificio es un disco con un orificio en el centro que se coloca en un tubo a través del cual fluye un liquido. Se mide la diferencia de presiones entre un punto igual al diámetro del tubo corriente arriba y un punto igual a la mitad del diámetro del tubo corriente arriba y un punto igual a la mitad del diámetro corriente abajo.

El medidor de flujo de turbina consta de un rotor con varios a laves y se coloca en medio de la tubería del flujo que interesa. Al fluir, el liquido hace que gire el rotor, y la velocidad angular es casi proporcional al gato.

En general, los cambios que se utilizan para monitorear la temperatura son la expansión o contracción de sólidos  líquidos o gases, el cambio de la resistencia elect6rica en conductores y semiconductores y las f.e.m.s termoeslectricas.

Los termistores son peque;as piezas de materiales hechos con la mezcla de óxidos metálicos. Todos estos óxidos son semiconductores. El material puede tener formas diversas como cuentas, discos y varillas.

Cuando dos metales se unen, en el sitio de unión se produce una diferencia de potencial Esta depende de los metales utilizados y la temperatura de unión  Los termopares constituyen circuitos completos en los que hay este tipo de uniones.

Los fotodiodos son diodos de unión hechos con semiconductores, los cuales estan conectados en un circuito con polarización inversa, por lo que su resistencia es muy elevada. Cuando la luz incide en la unión  la resistencia del diodo disminuye y la corriente del circuito aumenta de manera notable.