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INDICE

Unidad temática 1: Introducción a la medición de variables físicas.Tipos de sensores………………………………………………………..configuración general entrada- salida……………………………..Características estáticas de los sistemas de medida……………Características de entrada (impedancia)…………………………..Materiales empleados en sensores………………………………….

Unidad temática 2: Sensores resistivos y acondicionamiento de señales.Potenciómetros…………………………………………………………….Galgas extensometricas…………………………………………………..Detectores de temperatura……………………………………………...Termistores………………………………………………………………….Magneto resistencias……………………………………………………..Fotorresistencias……………………………………………………………Higrómetros resistivos…………………………………………………….Resistencias semiconductoras para detección de gases………….Divisores de tensión………………………………………………………Puente de wheatstone (medida de comparación y deflexión)……Amplificadores de instrumentación……………………………………

Unidad temática 3: Sensores de reactancia variable y electromagnética.Sensores capacitivos……………………………………………………Sensores inductivos……………………………………………………Sensores electromagnéticos…………………………………………..

Unidad temática 4: Sensores generadores.Sensores termo-eléctricos: termo-pares……………………………Sensores piezoeléctricos……………………………………………….Sensores piroeléctricos………………………………………………….Sensores foto-voltaicos………………………………………………….Sensores electroquímicos……………………………………………….

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Unidad temática 5:  Sensores digitalesCodificadores de posición……………………………………………..Sensores autorresonantes…………………………………………….

Unidad temática 6 Actuadores.Motores de CA…………………………………………………………..Motores de CD………………………………………………………….Motores de pasos………………………………………………………Válvulas y pistones…………………………………………………….

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UNIDAD TEMATICA 1

TIPOS DE SENSORES

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar 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. Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra.

Detectores de ultrasonidos

Los detectores de ultrasonidos resuelven los problemas de detección de objetos de prácticamente cualquier material. Trabajan en ambientes secos y pulverulentos. Normalmente se usan para control de presencia/ausencia, distancia o rastreo.

Interruptores básicos

Se incluyen interruptores de tamaño estándar, miniatura, subminiatura, herméticamente sellados y de alta temperatura. Los mecanismos de precisión se ofrecen con una amplia variedad de actuadores y características operativas. Los interruptores de Sensores de Control son idóneos para aplicaciones que requieran tamaño reducido, poco peso, repetitividad y larga vida.

Interruptores final de carrera

Sensores de Control ofrece la línea de interruptores de precisión de acción rápida más avanzada del mundo para una amplia gama

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de aplicaciones. Las versiones selladas son estancas a la humedad y otros contaminantes. Los modelos antideflagrantes están diseñados para uso en lugares peligrosos.

Interruptores manuales

La amplia selección de productos incluye pulsadores, indicadores, manipulados, balancines, selectores rotativos y conmutadores de enclavamiento. Estos productos ayudan al ingeniero con ilimitadas opciones en técnicas de indicación visual, actuación y disposición de componentes. Muchas versiones satisfacen especificaciones militares.

Productos encapsulados

Diseños robustos, de altas prestaciones y resistentes al entorno o herméticamente sellados. Esta selección incluye finales de carrera miniatura, interruptores básicos estándar y miniatura, interruptores de palanca y pulsadores luminosos.

CONFIGURACIÓN GENERAL ENTRADA-SALIDA

Interferencias y perturbaciones internas

En un sistema de medida, el sensor es el elemento dispuesto expresamente con la misión de obtener información, en forma de señal eléctrica, sobre la propiedad medida. Pero no sería razonable esperar, a priori, que por una parte el sensor respondiera exclusivamente a la magnitud de interés, y que por otra el origen de las señales de salida fuera únicamente la señal presente a la entrada.

Las perturbaciones internas son aquellas señales que afectan indirectamente a la salida debido a su efecto sobre las características del sistema de medida. Pueden afectar tanto a las características relativas a la variable de interés como a las relativas a las interferencias.

Técnicas da compensación

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Los efectos de las perturbaciones internas y externas pueden reducirse mediante una alteración del diseño o a base de añadir nuevos componentes al sistema. Un método para ello es el denominado diseño con insensibilidad intrínseca. Se trata de diseñar el sistema de forma que sea inherentemente sensible sólo a las entradas deseadas. En el ejemplo anterior se lograría si se dispusiera de galgas de material con coeficiente de temperatura pequeño. En el caso de sensores de magnitudes mecánicas vectoriales, es el método aplicado para tener una sensibilidad unidireccional y una baja sensibilidad «transversal», es decir, en las direcciones perpendiculares a la de interés. Por razones prácticas obvias, este método no se puede aplicar en todos los casos. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE LOS SISTEMAS DE MEDIDA

El comportamiento del sistema de medida viene condicionado por el sensor empleado. Es por ello importante describir las características de los sensores. Sucede que, en la mayoría de los sistemas de medida, la variable de interés varía tan lentamente que basta con conocer las características estáticas del sensor

Exactitud, fidelidad, sensibilidad

La exactitud es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida de dar indicaciones que se aproximen al verdadero valor de la magnitud medida

La exactitud de un sensor se determina mediante la denominada calibración estática. Consiste ésta en mantener todas las entradas excepto una a un valor constante. La entrada en estudio se varía entonces lentamente, tomando sucesivamente valores «constantes» dentro del margen de medida, y se van anotando los valores que toma la salida. La representación de estos valores en función de los de la entrada define la curva de calibración. Para poder conocer el valor de la magnitud de entrada, ésta debe tener

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un valor bien conocido, constituyendo lo que se denomina un «patrón» de referencia. Su valor debe conocerse con una exactitud al menos diez veces mayor que la del sensor que se calibra.

La linealidad expresa el grado de coincidencia entre la curva de calibración y una Hnea recta determinada. Según cual sea dicha recta se habla de:

— Linealidad independiente: la línea de referencia se define por el método de mínimos cuadrados. De esta forma, el máximo error positivo y el mínimo error negativo son iguales. Es la forma de especificación que suele dar «mejor» calidad.

— Linealidad ajustada al cero: la recta se define también por el método de los mínimos cuadrados, pero con la restricción adicional de pasar por cero.

Errores sistemáticos

La calibración estática de un sensor permite detectar y corregir los denominados errores sistemáticos. Se dice de un error que es sistemático cuando en el curso de varías medidas de una magnitud de un determinado valor, hechas en las mismas condiciones, o bien permanece constante en valor absoluto y signo, o bien varía de acuerdo con una ley definida cuando cambian las condiciones de medida. Dado que el tiempo es también una condición de medida, éstas deben ser realizadas en un intervalo de tiempo breve.

Errores aleatorios

Los errores aleatorios son los que permanecen una vez eliminadas las causas de errores sistemáticos. Se manifiestan cuando se mide repetidamente la misma magnitud, con el mismo instrumento y el mismo método, y presentan las propiedades siguientes:

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1. Los errores aleatorios positivos y negativos de igual valor absoluto tienen la misma probabilidad de producirse.

2. Los errores aleatorios son tanto menos probables cuanto mayor sea su valor.

3. Al aumentar el número de medidas, la media aritmética de los errores aleatorios de una muestra conjunto de medidas tiende a cero.

CARACTERISTICAS DIAMICAS DE LOS SISTEMAS DE MEDIDA

La presencia de inercia, capacidades y elementos que almacenan energía; hacen que la respuesta de un sensor a señal de entradas variables sea distinta a la que presenta cuando las señales de entrada son constantes

Comportamiento de un sensor

Error dinámico: diferencia entre el valor indicado y el valor exacto de la variable medida, siendo nulo el valor estático.

Velocidad de respuesta: rapidez con la que el sistema de medida responde a los cambios en la variable de entrada.

Para poder determinar las características dinámicas de un sensor hay que aplicar a su entrada una magnitud variable.

Sistemas de medida orden cero

Un sensor de orden cero es aquella cuya salida está relacionada con la entrada mediante la ecuación:

y(t) = kx(t)(para que esto se cumpla es necesario que no incluya algún elemento almacenador de energía)

K y Y: se mantienen constantes con sin importar la variación que tenga de entrada

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El error dinámico y el retardado de un sensor de primer orden dependen de la forma de la señal de entrada

Sistemas de medida de segundo orden un sensor es de segundo orden cuando incluyes 2 elementos que almacenan energía y otros 2 que la disparan.

Características de entrada: impedancia, la descripción de los sensores mediante sus características estáticas y sus características dinámicas no es, en modo alguno completa.

los sensores primarios son los dispositivos que permiten obtener la señal transductible a partir de la magnitud física a medir.

Los Sensores de temperatura: bimetales se denomina bimetal a toda pieza formada por dos metales con distinto coeficiente de dilatación térmica unidos firmemente.

Sensores de presión es la fuerza por unidad de superficie, y para su medida se procede a la comparación con otra fuerza conocida. Un sensor de nivel fotoeléctrico flotador es el encargado de comparar la medición.

Los sensores de flujo y caudal usan movimiento de los fluidos por los canales abiertos o cerrados, es la cantidad de material que fluye en unidad de tiempo.(diferencia de presiones)

MATERIALES EMPLEADOS EN LOS SENSORES

Los sensores se basan en fenómenos físicos o químicos y en materiales donde dichos fenómenos se manifiestan de una forma útil, con sensibilidad, repetibilidad y especificidad suficientes.Dichos fenómenos pueden ser: relativos al material en si o a su disposición geométrica, y en muchos de ellos son conocidos desde hace tiempo.

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Los materiales en sus tres estados de la materia están compuestos por átomos, moléculas o iones. Los cuales pueden unirse para formar moléculas y redes de átomos, gracias a los enlaces.

Tipos de enlaces: Iónicos, Metálico, Covalente, De Van der Waals

Conductores, semiconductores y dieléctricos

Hay dos tipos de conductores; los electrónicos, que son los metales y sus aleaciones, y los iónicos, que son los electrolitos (soluciones, acuosas o no, de ácidos, bases o sales).

Los semiconductores son el grupo de materiales cuyo uso en sensores ha experimentado últimamente el mayor crecimiento. Tienen enlaces covalentes y su conductividad eléctrica viene afectada por la temperatura, la deformación mecánica, la luz, los campos eléctricos y magnéticos, las radiaciones corpusculares y electromagnéticas, y la absorción de sustancias diversas. Estos efectos son además controlables mediante la adición de impurezas (semiconductores extrínsecos).

Los dieléctricos están formados por enlaces covalentes y por ello se emplean, ante todo, como aislantes eléctricos. Pero además se emplean para la detección, otros dieléctricos se emplean por sus propiedades higroscópicas como sensores de humedad, que afecta a su conductividad y constante dieléctrica.

Materiales Magnéticos

Los materiales magnéticos pueden ser débilmente magnéticos o fuertemente magnéticos. En los primeros la permeabilidad magnética no depende de la intensidad del campo aplicado. Pertenecen a este grupo los materiales diamagnéticos, la permeabilidad depende de la intensidad del campo magnético. En

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este grupo están los materiales ferromagnéticos (hierro, cobalto y níquel) y ferromagnéticos (ferritas).

UNIDAD TEMATICA 2

Sensores resistivos

Potenciómetro

Es un resistor con un contacto móvil deslizante o giratorio. La resistencia entre dicho contacto móvil y uno de los terminales es:

R= ρA1 (1−α )= ρ

A(1−x)

Dónde:

x=Distancia recorrida desde el otro terminal fijo

α=Fracción de longitud correspondiente

ρ=Resistividad del material

l=Longitud

A=Sección transversal

Los factores se supone que la resistencia es uniforme a lo largo de todo el recorrido. No es perfectamente uniforme por lo que la linealidad del potenciómetro estará acotada. Se supone que el contacto del cursor da una variación de resistencia continua. La resolución es infinita pero no para todos los tipos de elementos resistivos. El recorrido mecánico suele ser mayor que el recorrido eléctrico. (No todo soporte está recubierto de conductor).Los resistores cambian de valor con la temperatura. (Temperatura ambiente, auto calentamiento generado por la limitación en la potencia)

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Los materiales para tener alta resolución se prefieren potenciómetros: Basados en una película de carbón depositada sobre un soporte, sola o aglomerada con plástico, Cursor de materiales nobles aleados, Si se deben disipar potencias altas y no se desea perder resolución: Modelos resistivos que consisten en partículas de metales preciosos fundidos en base cerámica, Potenciómetros líquidos o electrolíticos, Consisten en un tubo de vidrio curvado y cerrado herméticamente, lleno con un fluido conductor (electrolito), donde se forma una burbuja de aire.

Galgas extensometricas

Es un sensor, para medir la deformación, presión, carga, torque, posición, entre otras cosas, que está basado en el efecto piezorresistivo, el cual es la propiedad que tienen ciertos materiales de cambiar el valor nominal de su resistencia cuando se les somete a ciertos esfuerzos y se deforman en dirección de los ejes mecánicos. Se basan en la variación de la resistencia de un conductor o semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico.Si se considera un hilo metálico de longitud l, sección A y resistividad ρ, su resistencia eléctrica es:

R=ρ lA

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

Detectores de Temperatura Resistivos

El fundamento de las RTD es la variación de resistencia de un conductor debido a la temperatura, como lo indican sus iniciales(Resistance Temperature Detector).El material mas usado para su fabricación es el platino, pero debido a su alto costo se utilizan algunos otros materiales y aleaciones como el Níquel.

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En un conductor, el numero de electrones disponibles para la conducción no cambian apreciablemente con la temperatura, pero si ésta aumenta las vibraciones de los átomos alrededor de sus posiciones de equilibrio son mayores, y así dispersan mas eficazmente a los electrones, reduciendo su velocidad media ,esto implica un coeficiente de temperatura positivo, es decir, un aumento de la resistencia debido a la temperatura, esta dependencia se expresa de la siguiente forma:

Termistores

El termino termistor proviene del ingles “thermistor”, formado a través de los vocablos (thermally sensitive resistor).Son resistores variables con la temperatura, pero a diferencia de los RTD, están basados en semiconductores.

El trabajo de los termistores está en la dependencia de la resistencia de los semiconductores con la temperatura, debida a la variación con ésta del número de portadores.

Al aumentar la temperatura lo hace también el número de portadores reduciéndose la resistencia, y de ahí que presenten un coeficiente de temperatura negativo.

Si el dopado del semiconductor es muy intenso, éste adquiere propiedades metálicas con coeficiente de temperatura positivo (PTC)

MAGNETORRESISTENCIAS

Si se aplica un campo magnético a un conductor por el que circula una corriente eléctrica, dependiendo de la dirección del campo, además de la tensión Hall hay una reducción de corriente al ser desviados algunos electrones de su trayectoria. Ello significa que aumenta su resistencia eléctrica. Este efecto fue descubierto por Lord Kelvin en 1856.

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Las magnetorresistencias ofrecen varias ventajas respecto a otros sensores magnéticos. En primer lugar, su modelo matemático es un sistema de orden cero, a diferencia de los sensores inductivos que responden a la derivada temporal de la densidad del flujo magnético.

Las aplicaciones se pueden dividir entre la medida directa de campos magnéticos y las de medida de otras magnitudes a través de variaciones de campos magnéticos.

En el primer grupo están el registro magnético de audio (sin perturbaciones debidas a las fluctuaciones de la velocidad de la cinta). Y las lectoras de tarjetas magnéticas (de crédito, identificación, control de acceso) y de precios codificados magnéticamente. También se aplica a detectar partículas magnéticas en pacientes que vayan a ser sometidos a exploraciones de resonancia magnética.

FOTORRESISTENCIAS (LDR)

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

Los fotoconductores mas comunes, utilizables a temperatura ambiente, son el SCd, SPb y SePb (en particular el primero) se fabrican de formas muy variadas con dispositivos simétricos, diferenciales, etc.

Las aplicaciones de las LDR ordinarias se pueden dividir entre las de medidas de luz, con poca precisión y bajo costo, y las que emplean la luz como radiación a modificar. En el primer grupo están: el control automático de brillo y contraste en receptores de televisión, el control de diafragmas de cámaras fotográficas, la detección de fuego, el control de iluminación de vías públicas, etc.

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Higrómetros resistivos

Un higrómetro resistivo es un elemento cuya resistencia cambia con cambios en la humedad relativa del aire en contacto con el elemento. Los higrómetros resistivos generalmente están formados por dos electrodos de metal laminado sobre una forma plástica. Los electrodos no deben tocarse entre sí, y están aislados uno del otro por medio de la forma plástica. Una solución de cloruro de litio es entonces utilizada para recubrir completamente el dispositivo.

Resistencias semiconductoras para detección de gases

Es un sensor que tiene un funcionamiento basado en que a elevada temperatura la conductividad volumétrica o superficial de algunos óxidos semiconductores se modifican en función de la concentración de oxigeno del ambiente en el que se encuentra. Se produce una variación de la resistencia que presenta su capa activa ante diferentes compuestos volátiles.

Divisores de tensión

Un divisor de tensión no es más que un par de resistencias puestas en serie, de forma de que la primera provoca la caída de tensión y por lo tanto la tensión de salida se vera reducida.

Sensores resistivos

Un sensor es un dispositivo para detectar y señalar una condición de cambio. Con frecuencia, una condición de cambio, se trata de la presencia o ausencia de un objeto o material.

También puede ser una cantidad capaz de medirse, como un cambio de distancia, tamaño o color (detección analógica). Los sensores posibilitan la comunicación entre el mundo físico y los sistemas de medición y/o de control.

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Son los sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica.

Un potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia es variable.

La señal de salida de un sistema de medición en general se debe procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de operación. La señal puede ser, por ejemplo, demasiado pequeña, y sería necesario amplificarla; ser analógica y requerir su digitalización, etcétera.

 Puente de Wheatstone 

Un puente de Wheatstone Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida. Este método de medida requiere un sistema de realimentación bien eléctrico bien mediante un operario, para realizar el ajuste necesario de la resistencia calibrada hasta que por el galvanómetro u otro detector de desequilibrio, no circule corriente alguna. Una aplicación muy interesante del puente Wheatstone en la industria es como sensor de temperatura, presión, etc. (dispositivos que varían el valor de sus resistencias de acuerdo a la variación de las variables antes mencionadas). También se utiliza en los sistemas de distribución de energía eléctrica donde se lo utiliza para detectar roturas o fallas en las líneas de distribución

PUENTE DE WHEATSTONE, MEDIDAS POR DEFLEXION

La forma habitual de obtener una señal eléctrica como resultado de una medida empleando un puente de Wheatstone, es mediante el método de deflexión.

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En este, en lugar de valorar la acción necesaria para restablecer el equilibrio en el puente, se mide la diferencia de tensión entre ambas ramas o la corriente a través de un detector dispuesto en el brazo central.

Amplificadores de instumentación

Dado que la mayor parte de los puentes de sensores se alimentan con una fuente de tension o de corriente que tiene un terminal puesto a tierra, el amplificador conectado a su salida no puede tener ninguno de sus terminales de entrada puesto a tierra.CMRR (Common Mode Rejection Ratio): es el cociente entre la ganancia en modo diferencial y la ganancia en modo común.Normalmente el CMRR se expresa en decibelios. Para ello hay que calcular el logaritmo decimal de la expresion anterior y multiplicar el resultado por 20.

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UNIDAD TEMATICA 3

Sensores de reactancia variable y electromagnetismo

Sensores capacitivos

El valor de la reactancia de un componente o circuito ofrece alternativas de medida a las disponibles en sensores resistivos.

Ofrecen soluciones para la medida de desplazamientos lineales y angulares, tiene una limitación en la máxima frecuencia de variación admisible en la variable medida, debe de ser inferior a la frecuencia de la tensión de alimentación empleada, necesariamente alterna.

Condensador variable

Un condensador eléctrico consiste en dos conductores separados por un dieléctrico (Solido, líquido o gaseoso) la relación entre la carga Q y la diferencia de potencial, V, entre ellos esta descrita

por su capacidad: C=QV

Los sensores capacitivos no son lineales o no lineales en si mismo, su linealidad depende de que si se mide la impedancia o la admitancia del condensador.

Las limitaciones de los sensores capacitivos es su alta impedancia de salida; la impedancia decrece cuando mayor sea la frecuencia

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de alimentación, la impedancia de las capacidades parasitas también decrece.

Los sensores capacitivos presentan una serie de ventajas que los hacen atractivos en muchas aplicaciones; como sensores de desplazamiento tienen un error por carga mecánica mínimo. Al no haber contacto mecánico directo, no hay errores de fricción ni de histéresis.

Los sensores capacitivos no producen campos magnéticos o eléctricos grandes. Esto es una ventaja frente a los sensores inductivos, que pueden producir campos magnéticos de dispersión intensos.

La medida de desplazamientos lineales y angulares, y los detectores de proximidad, los sensores de a continuación tiene un alcanza superior al doble de los detectores inductivos.

a) Para medir presiones mediante diafragma corrugado

b) Galga extenso métrica capacitiva.

c) Medidor de com-posición de la mezcla gasolina etanol en autos.

d) Inclinómetro.

Condensador diferencial

Un condensador diferencial consiste en dos condensadores variables dispuestos físicamente de tal modo que experimenten el mismo cambio pero en sentidos opuestos.

Está formado por tres placas planas paralelas. En general, las placas exteriores suelen ser fijas y la placa central móvil, en respuesta a la variable a detectar. Se ve cómo, a pesar de que C1 y C2 son no lineales, se logra obtener una salida lineal realizando una medida diferencial y con una sensibilidad mayor que en el caso del condensador simple.

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Sensores Inductivos

Sensores basados en una variación de reluctancia

La inductancia de un circuito indica la magnitud de flujo magnético que concatena a una corriente eléctrica. Si se trata de una corriente circulando por el propio circuito, se habla de autoinductancia.

• L es Autoinductancia ,la inductancia se puede expresar como :

• N es numero de vueltas del circuito

• .i es la corriente

• Φ es el flujo magnético

Sensores basados en corriente de Foucault

La impedancia de una bobina por la que circula una corriente alterna queda alterada si se introduce una superficie conductora dentro de su campo magnético, cuando más próxima esté la bobina y la superficie, mayor es el cambio de impedancia.

Para poder emplear este método de medida, el espesor del material donde se inducen las corrientes debe ser suficientemente grande comparado con la profundidad de penetración de aquellas.

Transformadores Diferenciales (LVDT)

LVDT (Linear Variable Differential Transformer) Se basa en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de dos secundarios al desplazarse a lo largo de si interior a un núcleo de material ferromagnético, arrastrado por un vástago no ferromagnético, unido a la pieza cuyo movimiento se desea medir.

Funcionamiento

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Al alimentar el primario con una tensión alterna, en la posición central las tensiones inducidas en cada secundario son iguales y, al apartarse de dicha posición el núcleo, una de las dos tensiones crece y la otra se reduce en la misma magnitud. Normalmente los dos devanados se conectan en oposición-serie.

Sensores Magnetoelásticos

Son elementos sensores basados en la variación de la inductancia por el efecto Villari, que establece que cuando se aplica un esfuerzo a un material ferromagnético se producen cambios reversibles de sus curvas de magnetización.

En algunos materiales la dependencia entre la tensión mecánica σ y la curva de magnetización es lineal cuando se les somete a compresión o a tracción.

Es decir se cumple en ellos: σ= k(1/µr) donde k es una constante que depende del material y µr es la permeabilidad relativa.

Las aplicaciones mas inmediatas de estos sensores son las medidas de fuerza, par y presión en automóviles e industrias mecánicas.

Sensores basados en el efecto Wiegand

El efecto Wiegand consiste en la conmutación de la magnetización de la zona central de un hilo ferromagnético cuando se le somete a un campo externo intenso. El fenómeno se basa en un proceso de preparación y consiste en una torsión del hilo mientras se le somete a una tensión mecánica, seguida de un recocido de hasta 400°C.

Sensores Electromagnéticos

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Los sensores electromagnéticos son aquellos en los que una magnitud física puede producir una alteración de un campo magnético o de un campo eléctrico.

Sensores basados en la ley de Faraday

En un circuito o bobina con N espiras que abarque un flujo magnético Φ, si este varia en el tiempo se induce en el una tensión o fuerza electromotriz e.

Tacogeneradores

Los tacogeneradores o tacómetros de alterna, son similares en su fundamento a un generador de energía eléctrica. Es un sensor para medir la velocidad angular. Su funcionamiento se basa en convertir la energía rotacional del eje en cuestión en energía eléctrica, proporcional a la rotacional y que puede ser fácilmente medida.

La salida de los tacogeneradores es en forma de tensión variable tanto en amplitud, como en frecuencia, lo que hace que su uso sea poco práctico.

tacómetros de continua. Son similares a los tacómetros de alterna, la diferencia esta en que la salida se rectifica mecánica o electrónicamente. La ventaja que introducen es que no necesitan excitación externa. Además la polaridad de la tensión de salida depende del sentido de giro.

Sensores de Velocidad lineal, para medir velocidades lineales no siempre es posible su conversion a una velocidad angular y aplicar un tocometro. Los sensores de velocidad lineal (LVS), permiten la medida directa de velocidades lineales.

Sensores de devanado móvil, cuentan con imán permanente fijo y el devanado se mueve con la velocidad a detectar.Su sensibilidad

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es de orden de 10mV/ mm/s y tienen un ancho de banda de 10 a 1000Hz

Sensores de núcleo móvil son similares a los inductivos de núcleo móvil, pero aquí el núcleo es un imán permanente en lugar de un material ferromagnético.

Caudalímetros electromagnéticos

Miden el paso de un líquido, eléctricamente conductivo, a través del tubo de medición donde se induce una tensión eléctrica entre dos electrodos opuestos cuando se le aplica un campo electromagnético perpendicular al mismo. Esta tensión es proporcional a la velocidad del líquido y, por lo tanto, a su caudal.

Solo pueden medir líquidos que tengan una conductividad superior a 50 µS/cm, es decir, agua con algún otro componente. No pueden utilizarse para medir, por ejemplo, agua osmotizada o desmineralizada, hidrocarburos y gases.

Sensores basados en el efecto Hall

El efecto hall, descubierto por E. H. Hall en 1879, consiste en la aplicación de una diferencia de potencial transversal en un conductor o semiconductor, por el que circula corriente, cuando hay un campo magnético aplicado en dirección perpendicular a ésta.

La tensión Hall obtenida, VH, depende del grosor t del material en la dirección del campo magnético aplicado, de la corriente primaria I, del campo magnético aplicado B y de las propiedades eléctricas del material (densidad de carga y movilidad de los portadores) recogidas en el denominado coeficiente Hall, AH.

Los elementos Hall se fabrican con forma rectangular, en forma de mariposa (para conectar el flujo en la zona central) y también en

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forma de cruz simétrica (en cuyo caso los electrodos son intercambiables).

Las aplicaciones más inmediatas de los elementos Hall, son la medida de campos magnéticos (gaussimetros) y la realización del producto entre dos magnitudes que se convierten, respectivamente, en una corriente y un campo magnético, por ejemplo para la medida de la potencia eléctrica (vatímetros).

También es posible medir la intensidad de una corriente eléctrica a base de disponer el elemento Hall en el entrehierro de un toroide abierto en el que el paso de corriente crea un campo magnético proporcional.

UNIDAD TEMATICA 4

Sensores generadores

Se consideran sensores generadores aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica. Ofrecen una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias, sobre todo temperatura, fuerza y magnitudes afines.

Sensores Termoeléctricos: Termopares

Efectos termoeléctricos reversibles

Los sensores termoeléctricos se basan en dos efectos que, a diferencia del efecto Joule, son reversibles. Se trata del efecto Peltier y del efecto Thompson.

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Thomas J. Seebeck descubrió, en 1822, que en un circuito de dos metales distintos homogéneos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura, aparece una corriente eléctrica.

Al conjunto de estos dos metales distintos con una unión firme en un punto o zona se le denomina termopar.

El efecto Peltier, descubierto por Jean C. A. Peltier en 1834, consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos al pasar corriente por ella. Al invertir el sentido de la corriente, se invierte también el sentido del flujo de calor. Depende sólo de su composición y de la temperatura de la unión.

El efecto Thompson, descubierto por William Thompson en 1847, consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circule una corriente.

Tipos de termopares

En las uniones del termopar interesa tener: resistividad elevada para tener una resistencia alta sin requerir mucha masa, coeficiente de temperatura débil en la resistividad, resistencia a la oxidación a temperaturas altas y linealidad lo mayor posible.

Normas de aplicación práctica para los termopares.

La medición de temperaturas mediante termopares está sujeta a una serie de leyes verificadas experimentalmente, que simplifican en gran manera el análisis de circuitos con termopares.

Ley de los circuitos homogéneos: En un circuito de un único metal homogéneo, no se puede mantener una corriente termoeléctrica mediante la aplicación exclusiva de calor aunque se varíe la sección transversal del conductor.

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Ley de los metales intermedios: La suma algebraica de las f.t.e.m. en un circuito compuesto de un número cualquiera de metales distintos es cero si todo el circuito está a una temperatura uniforme.

Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias: Si dos metales homogéneos producen una f.t.e.m. E1 cuando las uniones están a T1 y T2, y una f.t.e.m. E2 cuando las uniones están a T2 y T3, la f.t.e.m. cuando las uniones estén a T1 y T2 será E1+E2.

Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares

Para aplicar el efecto Seebeck a la medida de temperaturas, es necesario mantener una de las uniones a una temperatura de referencia. Una solución consiste en disponer de la unión de referencia en hielo fundente.

Sensores Piezoeléctricos

Efecto Piezoeléctrico

El efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo. Es un efecto reversible de modo que al aplicar una diferencia de potencial eléctrico entre 2 caras de un material piezoeléctrico, aparece una deformación.

La piezoelectricidad no debe confundirse con la ferroeléctricidad, todos los materiales ferroeléctricos son piezoeléctricos, pero no al revés.

Materiales Piezoeléctricos

Las propiedades piezoeléctricas se manifiestan en 20 de las 32 clases cristalográficas, aunque en la práctica se usan sólo unas pocas, y también en materiales amorfos ferroeléctricos. De

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aquellas 20 clases, solo 10 tienen propiedades ferroeléctricos. En cualquier caso, todos los materiales piezoeléctricos son necesariamente anisótropos.

Entre los materiales piezoeléctricos naturales, los de uso más frecuente son el cuarzo y la turmalina. De las sustancias sintéticas, las que han encontrado mayor aplicación no son monocristalinas sino cerámicas.

Aplicaciones

La aplicación del efecto piezoeléctrico a la detección de magnitudes mecánicas basándose en ecuación es que están sujetas a una serie de limitaciones.

La resistencia eléctrica que presentan los materiales piezoeléctricos, si bien es muy grande en algunos casos, nunca es realmente infinita, por lo que al aplicar un esfuerzo constante se generará inicialmente una carga que inevitablemente será drenada al cabo de un cierto tiempo, por lo tanto, no hay respuesta en continua.

Sensores piroeléctricos

Efecto Piroeléctrico

Piroelectricidad es la propiedad que presentan ciertos materiales de tal manera que sometidos a cambios de temperatura experimentan cambios en la polarización eléctrica, por lo que dichos cambios de temperatura inducen un campo eléctrico en el interior del material, causado por movimiento de cargas positivas y negativas en los extremos opuestos de la superficie.

El efecto Piroeléctrico se descubrió en minerales como cuarzo y turmalina y otros cristales iónicos.

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Este tipo de fenómenos ocurre en materiales dieléctricos que contienen polarizaciones espontáneas producidas por dipolos orientados.

Funcionamiento

El material cristalino que constituye un sensor piroeléctrico genera una pequeña carga eléctrica cuando está expuesto a calor en modalidad de radiación infrarroja. El cristal cambia si la cantidad de radiación es notable, y también varía la carga. Entonces se puede medir con un dispositivo FET (siglas en inglés): transistor de efecto de campo, construido dentro del sensor. Son más rápidos que los termopares.

Aplicaciones

Pirómetros (para medición de temperatura a distancia en hornos, vidrio o metal fundidos), Sensores pasivos de infrarrojos, Medición de radiación, Detección de llamas, Detección de pérdidas de calor en oficinas, residencias o edificios.

Sensores Fotovoltaicos

Efecto fotovoltaico

La energía solar fotovoltaica es aquella que se obtiene mediante la transformación de la energía solar en energía eléctrica a través del efecto fotoeléctrico.

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones (corriente eléctrica) que se produce cuando la luz incide sobre ciertas superficies.

En el caso de la energía solar fotovoltaica estas superficies son células formadas por una a o varias láminas de materiales semiconductores, en la mayoría de los casos silicio, y recubiertas

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por un vidrio transparente que deja pasar la radiación solar y minimiza las pérdidas.

Los módulos fotovoltaicos generan corriente continua y se convierten a corriente alterna a por medio de un dispositivo eléctrico llamado “inversor”.

Sensores Electroquímicos

Los sensores electroquímicos potenciométricos, generan una señal eléctrica en respuesta al cambio de concentración de una determinada especie química en una muestra.

Los componentes básicos de un sensor electroquímico son un electrodo de trabajo (que detecta) un contra electrodo y generalmente también un electrodo de referencia. Estos se encuentran dentro de la carcasa del sensor y en contacto con un líquido electrolítico.

El electrodo de trabajo está en la cara interna de una membrana de teflón que es porosa al gas pero impermeable al líquido electrolítico.

El gas se propaga hacia el sensor a través de una membrana hasta llegar al electrodo de trabajo. Cuando el gas alcanza este electrodo, se produce una reacción electroquímica: una oxidación o una reducción, según el tipo de gas.

UNIDAD TEMATICA 5

Sensores Digitales

Los sensores digitales son aquellos que frente a un estímulo pueden cambiar de estado ya sea de cero a uno o de uno a cero (hablando en términos de lógica digital) en este caso no existen estados intermedios y los valores de tensión que se obtienen son

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únicamente dos, 5V y 0V (o valores muy próximos),su salida es discreta.

Tipos de sensores digitales

• Codificadores de posición: son los que ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica.

• Autoresonantes, de frecuencia variable o casi digitales: se basan en un fenómeno físico de tipo oscilatorio, transducido posteriormente por un sensor modulador, además necesita un circuito electrónico posterior para ofrecer la señal digital deseada.

Codificadores de posición

Se dividen en codificadores incrementales y codificadores absolutos.

Codificadores incrementales

Consta de un disco o un elemento lineal con poca inercia, Posee dos tipos de zonas diferenciadas, un incremento en la entrada produce un cambio en la salida. Las propiedades para la diferenciación suelen ser magnéticas, eléctricas u ópticas.

Codificadores incrementales Magneticos

En los codificadores magneticos se utiliza un campo magnetico constante, cambiando su flujo cuando se acerca o aleja un material ferromagnético.

En los codificadores magneticos se utiliza un campo magnetico constante, cambiando su flujo cuando se acerca o aleja un material ferromagnético.

Codificadores incrementales Opticos

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Estos se basan en zonas opacas y transparentes, reflectoras o no reflectoras utilizando LED's infrarrojos y un fotodetector.

Codificadores absolutos

Estos ofrecen a la salida una se;al codificada que corresponde a la posición de un objeto móvil con referencia interna, Lo que las diferencia de los codificadores incrementales es que contienen varias pistas diferenciables.

Sensores autorresonantes

Ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de interés que afecta a la frecuencia de oscilación. Todos requieres un frecuencímetro-contador para medir bien la frecuencia, bien el periodo de oscilación. La elección de uno u otro método depende de la resolución deseada y del tiempo disponible para la medida.

En sensores de emplean tanto osciladores armónicos como de relajación, los armónicos hay una energía almacenada que cambia de una a otra forma de almacenamiento.

En los de relajación la energía almacenada se disipa periódicamente mediante algún mecanismo de puesta a cero, Tienen un oscilador de referencia que es de cuarzo.

Sensores basados en resonadores de cuarzo

Se emplea el cuarzo porque es inerte, si se emplea un monocristal de gran pureza la estabilidad de la resonancia mecánica a largo plazo es muy alta. Una estabilidad a corto plazo elevada permite diseñar sensores de alta resolución. Una estabilidad a largo plazo necesitara menos recalibraciones.

Microbalanzas basadas en resonadores de cuarzo

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Si sobre un cristal de cuarzo dispuesto en un oscilador se deposita una pequeña masa, la frecuencia de resonancia se reduce.

Este método se aplica a la medida de humedad a base de recubrir el cristal con un material higroscópico que se expone al ambiente cuya humedad se desea medir. El agua absorbida aumenta la masa y reduce la frecuencia de oscilación.

Sensores basados en dispositivos de ondas superficiales (SAW)

Las ondas superficiales en la superficie de un líquido al producir en ella una perturbación, que a buen seguro forman parte de la experiencia de todos los lectores, se producen también en la superficie de los sólidos.

Lord Rayleigh analizó estas ondas en 1885 y las aplicó a la interpretación de los sismógrafos. Aunque estas ondas son distintas en los sólidos que en los líquidos, en ambos casos se atenúa con la profundidad.

Una forma de producir una perturbación en la superficie de un sólido, ciertamente mucho menos convulsiva que los terremotos.

UNIDAD TEMATICA 6

Motores de Corriente Alterna

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Se denomina motor de corriente alterna a aquellos motores eléctricos que funcionan con este tipo de alimentación eléctrica (ver "corriente alterna"). Un motor es una máquina motriz, esto es, un aparato que convierte una forma determinada de energía en energía mecánica de rotación o par. Un motor eléctrico convierte la energía eléctrica en fuerzas de giro por medio de la acción mutua de los campos magnéticos.

Un generador eléctrico, por otra parte, transforma energía mecánica de rotación en energía eléctrica y se le puede llamar una máquina generatriz de fem (fuerza eléctrica motriz). Las dos formas básicas son el generador de corriente continua y el generador de corriente alterna, este último más correctamente llamado alternador.

Todos los generadores necesitan una máquina motriz (motor) de algún tipo para producir la fuerza de rotación, por medio de la cual un conductor puede cortar las líneas de fuerza magnéticas y producir una fem. La máquina más simple de los motores y generadores es el alternador.

Partes de motor

El motor CA tiene dos partes eléctricas básicas: un “estator” y un “rotor”

El rotor es el componente eléctrico rotativo, el cual consiste en un grupo de barras conductoras dispuestos alrededor de un cilindro

Un motor de inducción monofásico, como su nombre lo indica, tiene un embobinado monofásico en el estator.

El principio en que se funda el motor monofásico es el proveer al estator de dos devanados, que en la práctica se denominan devanado principal y devanado auxiliar de arranque. En donde el devanado auxiliar solo se emplea para el arranque del motor y debe de ser desconectado cuando el motor alcance aproximadamente entre el 70% y el 80% de la velocidad nominal.

Toman el nombre de motores de inducción, las maquinas de corriente alterna que verifican su movimiento de rotación por la influencia de la corriente y voltaje que sé induce en el rotor.

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El principio de funcionamiento del motor de inducción es similar al de un transformador en donde el:

Primario es el estator (lado que se alimenta)

Secundario es el rotor (donde se induce voltaje)

Motor de Inducción Trifásico

El motor de inducción trifásico es el más comúnmente empleado en corriente alterna debido a su sencillez, a su construcción sólida y a su bajo costo de mantenimiento.

Estas características del motor de inducción se deben al hecho de que el rotor es independiente y no está conectado con la fuente externa de tensión. El motor de inducción se llama así por el hecho de que el campo magnético giratorio del estator induce corrientes alternas en el circuito del rotor. Un motor de inducción se distingue porque no necesita corriente de excitación de c.c. en el rotor para funcionar.

Motores de Corriente Directa o Corriente Continua.

Es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción del campo magnético. Una máquina de DC puede ser tanto un motor como un generador y está compuesta principalmente por 2 partes:

Estator: da soporte mecánico al aparato y contiene los devanados principales de la máquina que pueden ser imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro.

Rotor: generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo alimentado con corriente directa mediante escobillas fijas también conocidas como carbones

Aplicaciones

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Motor lineal: es un motor eléctrico que posee su estator y su rotor "distribuidos" de forma tal que en vez de producir un torque (rotación) produce una fuerza lineal en el sentido de su longitud. El modo más común de funcionamiento es como un actuador tipo Lorentz, en el cual la fuerza aplicada es proporcional a la corriente eléctrica y al campo magnético.

Servomotor: es un dispositivo similar a un motor de corriente continua que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación, y mantenerse estable en dicha posición. Un servomotor es un motor eléctrico que puede ser controlado tanto en velocidad como en posición.

Motores Paso-Paso

Los motores P-P convierten una serie de pulsos eléctricos en desplazamientos angulares, se comporta como un conversor digital-analógico. Por consecuente puede moverse desde 1.8° a 90°.El estator está formado por bobinas y el rotor es un imán permanente. Las excitación de las bobinas es totalmente controlada por algún microcontrolador.Los motores paso a paso tienen una tensión eléctrica de trabajo. Este valor viene impreso en su carcasa o por lo menos se especifica en su hoja de datos. Algunas veces puede ser necesario aplicar un voltaje superior para lograr que un determinado motor cumpla con el torque deseado, pero esto producirá un calentamiento excesivo y/o acortará la vida útil del motor. Otra característica de un motor paso a paso es la resistencia de los bobinados. Esta resistencia determinará la corriente que consumirá el motor, y su valor afecta la curva de torque del motor y su velocidad máxima de operación.Generalmente, este es el factor más importante al elegir un motor paso a paso para un uso determinado. Este factor define la cantidad de grados que rotará el eje para cada paso completo.

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Una operación de medio-paso del motor duplicará la cantidad de pasos por revolución al reducir la cantidad de grados por paso. Cuando el valor de grados por paso no está indicado en el motor, es posible contar a mano la cantidad de pasos por vuelta, haciendo girar el motor y sintiendo por el tacto cada "diente" magnético. Los grados por paso se calculan dividiendo 360 por la cantidad de pasos que se contaron.

Válvulas

En la industria, podría definirse una válvula como un dispositivo mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos.

La válvula es uno de los instrumentos de control más esenciales en la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos.

Tipos de Válvulas

Globo

Las válvulas tipo globo a diferencia de las válvulas de compuerta, permiten aplicarlas en regulación de fluidos y realizan un cierre hermético cuando cuenta con un asiento flexible.

En las válvulas globo, el fluido hace una movimiento de columpio dentro donde choca con el embolo que regula cuanto fluido debe de pasar por la válvula.

Compuerta

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Es utilizada para el flujo de fluidos limpios y sin interrupción. Cuando la válvula está totalmente abierta, el área de flujo coincide con el diámetro nominal de la tubería, por lo que las pérdidas de carga son relativamente pequeñas.

Pistones

Un pistón es una pieza que forma parte del mecanismo de funcionamiento de un motor. También conocido como émbolo, se trata de un elemento que se mueve de forma alternativa dentro de un cilindro para interactuar con un fluido.

Fabricados con aluminio, los pistones se instalan en el cilindro a través de anillos con flexibilidad, que le permiten realizar sus movimientos. Gracias a los pistones, el fluido que se halla en el cilindro debe cambiar su volumen y presión, pudiéndose convertir dichas modificaciones en movimiento.

En los casos de los motores que funcionan a partir de la combustión interna, los pistones se encuentran sometidos a alta presión y a una temperatura muy elevada. Por lo tanto, debe estar en condiciones de soportar distintos esfuerzos que generan las dilataciones y la aceleración. Lo habitual es que el aluminio se combine en diferentes aleaciones con magnesio, silicio u otros metales.

El cilindro hidráulico es un elemento mecánico muy usado en la industria  dada su versatilidad. Tiene la capacidad de ejercer fuerza sobre otros elementos en un movimiento lineal y obtiene su energía a partir de un líquido hidráulico presurizado (por lo general, alguna clase de aceite). Lo componen dos piezas básicas: un pistón móvil, que se encuentra unido a una barra (vástago); un cilindro barril, el cual tiene una perforación en uno de los extremos para que se ubique el vástago.