Sensores y Actuadores 230812
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SENSORES Y ACTUADORES
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Los sistemas controlados por computador monitorean continuamente la condición de operación en los vehículos modernos. A través de sensores, el computador recibe información vital sobre un numero de condiciones, permitiendo que se hagan ajustes menores más rápidamente y más precisamente que en los sistemas mecánicos. Los sensores convierten temperatura, presión, velocidad, posición y otros datos en señales eléctricas digitales y análogas.
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• La señal digital es la más fácil de entender por parte del
computador, ya que lee la señal como un 0 o como un 1. La señal análoga debe ser condicionada o convertida a digital , para que el computador la pueda entender
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El actuador
• Es un mecanismos electromecánico tal como un relé, solenoide o un motor. Un actuador puede ajustar la velocidad de ralentí del motor, cambiar la altura de la suspensión o regular la entrada de combustible al motor.
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Características básicas de los sensores
Procesos de medida
Precisión
Error máximo esperado.
Offset Desviación del cero.
Linealidad Desviación respecto de una línea recta en la curva de respuesta.
Sensibilidad Variación de la magnitud de salida al variar la magnitud a medir.
Margen de medida
Rango de variación de la magnitud a medir en el que se asegura una cierta precisión.
Resolución Mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida.
Rapidez de respuesta
Capacidad del sistema de medida para seguir las variaciones de la magnitud de entrada.
Histeresis Las medidas pueden ser diferentes en avance que en retroceso
Repetitividad Error esperado al repetir varias veces la misma medida.
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Tipos de sensores
Activos y pasivos
Directos y de accionamiento
intermedio
Analógicos y Digitales
Activos: Generan una señal eléctrica.
Pasivos: Modifican una característica eléctrica (interruptor, capacidad, resistencia
,etc)
Directos: La magnitud de salida se obtiene directamente.
Con accionamiento intermedio: La magnitud de entrada se convierte en otra
que es medida directamente.
Analógicos: Devuelven una señal de tipo continuo.
Digitales: Devuelven una señal de tipo discreto
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Un transductor es un elemento que convierte una
magnitud física en otra.
Un sensor es un tipo de transductor que convierte la magnitud a medir en una característica eléctrica.
Ejemplo: Un termómetro de mercurio es un transductor que da una desplazamiento proporcional a la temperatura.
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Sensores de presión
• Se puede dividir en 5 áreas básicas
• Presión manométrica
• Presión absoluta
• Presión diferencial
• Nivel de líquido
• Interruptor de presión
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Aplicaciones
• Multiple, Barométrica y Refuerzo
• Tanque de combustible
• Presión de aceite
• A/C
• Presión de inflado
• EGR
• Cabina
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TECNOLOGIA
• DIAFRAGMA Y POTENCIOMETRO
• TRANSF. LINEAL DIFF. VARIABLE
• ANAEROIDE
• CAPACITOR CERAMICO O SILICIO
• GALGA PIEZOELECTRICA
• CERAMICA O PELICULA PIEZOE.
• CAMBIO DE FASE OPTICO
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Sensores de presión
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Presión Manométrica
• Generalmente indicado por psig
• Es aquella cuyo cero no se ve afectado por condiciones atmosféricas
• Es la que utilizamos cuando vamos a tomar por ejemplo la presión de aceite o la de la bomba de combustible.
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psi In H2O In Hg Kpascal milibar cm H2O mm Hg
psi 1 27,68 2,03 6,89 68,94 70,38 51,71
In H2O 0,03 1 0,07 0,24 2,49 2,54 1,86
In Hg 0,49 13,59 1 3,38 33,86 34,53 25,4
Kpascal 0,14 4,01 0,29 1 10,0 10,19 7,5
milibar 0,014 0,40 0,02 0,1 1 1,01 0,75
cm H2O 0,014 0,39 0,02 0,098 0,98 1 0,73
mm Hg 0,019 0,53 0,03 0,13 1,33 1,35 1
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Presión absoluta
Es realizada con respecto a una referencia fija (usualmente vacío), sellada dentro del sensor.
El chip de silicón flecta con los cambios de presión, esto determina el nivel de voltaje de salida
La presión absoluta es indicada en
psia
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Sensor de presión
Cámara de vacío
Chip silicon
filtro
Presión de admisión
Chip silicon
Cámara de vacío
Presión de admisión
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El sensor MAP
• El sensor MAP utiliza un perfecto vacío como presión de referencia. La diferencia entre la presión de vacío y la presión de admisión, cambia la señal de voltaje. El sensor MAP convierte la presión de admisión en una señal de voltaje.
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Sensor MAP
Cuando la presión en el múltiple incrementa, el voltaje de salida aumenta
Presión en el múltiple de admisión
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Diagnóstico sensor MAP
• El sensor MAP puede originar una variedad de problemas de manejabilidad, ya que es un sensor importante para determinar la inyección de combustible y el tiempo de encendido.
• Revisar visualmente los sensores, conexiones y mangueras de vacío. La manguera de vacío no debe tener grietas, obstrucciones y conectada al puerto apropiado.
• El sensor necesita un voltaje aproximadamente 5 voltios y el cable de tierra no debe tener resistencia.
• La calibración del sensor y su desempeño deben ser chequeados aplicando diferentes presiones y comparándolas con las caídas de voltaje especificadas.
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Sensor de presión barométrica
• El sensor de presión barométrica, algunas veces llamado un Compensador de altitud (HAC), mide la presión atmosférica. La presión atmosférica varía con el clima y con la altitud. A grandes elevaciones el aire es menos denso, por lo tanto, hay menos presión. Este sensor opera de la misma manera que el MAP excepto que mide presión atmosférica. Se localiza generalmente dentro del ECM. Si se daña, el módulo completo debe ser reemplazado.
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Sensor de presión de vapor
• El sensor de presión de vapor (VPS) mide la presión de vapor en el sistema de control de evaporaciones EVAP. Puede estar localizado en el tanque de combustible, cerca la canister o en una posición remota
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VPS
La presión dentro de la cámara de La presión dentro de la cámara de referencia cambia con la presión referencia cambia con la presión atmosférica, esto hace que la atmosférica, esto hace que la presión de referencia incremente presión de referencia incremente con un incremento en la presión con un incremento en la presión atmosférica.atmosférica.
Es extremamente sensible a Es extremamente sensible a cambios en la presióncambios en la presión
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Sensor piezoeléctrico
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Sensor Piezoeléctrico
• Produce un cambio en la corriente eléctrica cuando una carga es aplicada en una de las caras de un cristal o una película piezoeléctrica
• su inherente habilidad para sensar vibraciones ha sido tenida en cuenta para diseñar los nuevos sensores
• Se utilizan para sensar presión en A/C
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• Es logrado montando un contacto eléctrico sobre un diafragma de material flexible, la aplicación de suficiente presión sobre un lado del diafragma hace que los contactos se unan y cierren el circuito.
• o también con las técnicas anteriormente descritas
Interruptor por presión
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Sensores de posición
• Pueden ser agrupados en dos categorías básicas:
• Incrementales o absolutos
• De contacto o proximidad
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Sensor de posición
• TECNOLOGIA
- Micro interruptores - Ópticos
- Potenciómetros - Magnéticos
- Efecto Hall - Inductivos
- Magneto resistivo - Magnetostrictivo
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Micro interruptores
• La forma mas simple de un sensor de contacto es un interruptor
• Una característica indeseable de estos es su tendencia a rebotar
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Ópticos
• Codificadores ópticos para detectar la posición angular, son construidos de un disco con sectores, opacos y transparentes igualmente espaciados
• Este disco puede ser construido de vidrio para aplicaciones de gran precisión
• Película de Mylar y metal ofrecen rangos de alta y media resolución, respectivamente
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Potenciometros
• Son ampliamente usados como sensores de posición, tales como posición de acelerador y posición de pedal.
• La industria del automóvil demanda sensores de bajo costo.
• Esto ha resultado en el desarrollo de potenciómetros que tienen un promedio de vida mayor que la del mismo vehículo
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• Son usados como divisores de voltaje
• Un voltaje de referencia es aplicado al elemento resistivo
• Y la caída de tensión es usada como una medida de la posición absoluta
• Tienen restricción de 355 grados
• Ratiometricidad: es una característica deseable cuando es usado con CA/D
Potenciometros
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• Están sujetos a errores, de los cuales la linealidad es el más importante.
• Es la diferencia entre la función de transferencia actual y la ideal
• Ratiometricidad, linealidad y Offset pueden ser causador por carga inapropiada sobre la escobilla del sensor
• El máximo error se encuentra en el centro del recorrido
Potenciometros
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Sensores de posicion Magneticos
• Tienen algunas ventajas sobre otros tipos de sensores
• Este tipo de sensores responde a cambios en la posición relativa de un componente en un circuito magnético
• Los componentes están separados por aire y no sufren a desgaste por fricción
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• Se pueden clasificar en
• Reluctancia variable
• Efecto Hall
• Inductivos
• Magnetoresistivos
• Magnetostrictivo
• Otros
Sensores de posicion Magneticos
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Reluctancia variable
• Operan sensando los cambios de reluctancia en un campo magnético
• En alguna casos el cambio de reluctancia se causa por cambios en la longitud del calibre de aire
• El cambio en la reluctancia causa una variación en el flujo magnético, el cual induce un voltaje en una bobina de salida
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Reluctancia variable
• Son usados para detectar la posición y la velocidad de una rueda dentada.
• Esta formado por un núcleo magnético con una bobina enrollada
• La terminación sensora es colocada muy cerca del diente de la rueda
• El cambio de flujo magnético que ocurre cuando un diente pasa, induce un voltaje en la bobina
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Reluctancia variable
• Son susceptibles a fuentes de error
• Vibraciones o resonancia producidas por las fuerzas de atracción entre el sensor y el objetivo pueden degenerar la señal a ruido
• Corrientes parásitas pueden ser generadas por el movimiento de la rueda dentro del campo magnético del sensor
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Reluctancia variable
• Ventajas
• Construcción simple• Bajo costo• Amplio rango de temperatura de operación• Requiere solo dos cables• Pueden ser usados como sensores de
inductancia variable
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CMP
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CARACTERISTICAS
• El voltaje generado puede depender de muchos factores
• La velocidad de rotación
• La proximidad del sensor
• La fuerza del campo magnético
• La característica de un buen sensor, es la onda seno que incrementa en magnitud con la velocidad
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EFECTO HALL
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EFECTO HALL
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EFECTO HALL
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EFECTO HALL
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EFECTO HALL
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EFECTO HALL
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EFECTO HALL
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EFECTO HALL
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Sensor de desplazamiento inductivo
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SENSOR DE DESPLAZAMIENTO INDUCTIVO
• Consiste de un núcleo en forma de E con una bobina en la terminal central de la E
• Esta bobina es excitada con corriente alterna de alta frecuencia
• Un anillo de material conductor (Al, Cu), se desliza en la terminal central de la E, permitiendo tener un aislante de aire
• Este anillo se une al componente al cual se le quiere conocer su posición
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• Este anillo tiene un efecto de sombra, evitando que haya un acoplamiento de flujo entre las terminales del núcleo, desde esta posición y la terminal central del núcleo
• Un cambio en la inductancia puede ser medido en los terminales de excitación de la bobina
Sensor de desplazamiento inductivo
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LVDT
• Sensor inductivo de desplazamiento lineal
• Linear variable displacement transformer
• Son fuertes, confiables y capacitados para trabajar en ambientes hostiles
• Apropiado para aplicaciones automotrices, incluyendo montajes dentro de cilindros hidráulicos, en sistemas de control de suspensión
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• Esta formado por una bobina primaria montada centralmente sobre un cilindro
• Dos bobinas secundarias, idénticas son posicionadas a cada lado de la primaria
• Las bobinas tienen un núcleo común el cual se puede desplazar libremente dentro del cilindro
• Las bobinas secundarias son conectadas en serie, con fases opuestas, tal que con el núcleo posicionado en el centro, el voltaje en el nodo común sea cero
LVDT
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• Con esta conexión, cuando el núcleo es movido desde un extremo pasando por cero hasta el otro extremo, la señal de salida puede variar desde un máximo valor en fase con la excitación pasando por cero hasta un máximo valor en contra fase con la excitación
LVDT
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• Están diseñados para dar una respuesta lineal dentro de alguna tolerancia ± 0,25%
• La distribución de la vueltas del secundario debe ser arreglada muy cuidadosamente para maximizar la linealidad sobre un amplio rango
• El rango de excitación del primario puede ser desde 20Hz hasta 20KHz
LVDT
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Magnetoresistivo
• Un interesante grupo de sensores utiliza la propiedad de algunas aleaciones de FeNi
• Su resistividad es fuertemente afectada por la presencia de un campo magnético
• Permalloy compuesto de 81%Ni y 19%Fe
• La resistencia disminuye con el incremento del campo magnético
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• La relación entre campo magnético y resistividad no es lineal
• Son sensores de alta sensibilidad
• Pero son muy sensibles a interferencias por otros campos no deseados
• Por lo cual son inadecuados para algunas aplicaciones
Magnetoresistivo
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Magnetostrictivo
• Es una propiedad de los materiales que responde a un cambio de flujo magnético, desarrollando una deformación elástica de su estructura cristalina
• El sensor envía una onda usando un medio electromagnético, usualmente un pulso de corriente
• La onda pasa a un anillo magnético móvil distante del anillo receptor
• La onda viaja aprox. a 2800m/s generando un cambio de flujo magnético, induciendo un pulso de voltaje en la bobina sensora
![Page 59: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/59.jpg)
Sensor de flujo
• La medición del flujo de aire es importante para optimizar el desempeño de muchos puntos claves de control de subsistemas del motor
• estos reemplazan la medición indirecta de la masa de aire, mejorando el desempeño, manejabilidad y economía
• el ECM necesita conocer el volumen de aire para saber la carga sobre el motor
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• Esto es necesario para saber:
• cuanto combustible ha de ser inyectado
• avance de encendido
• momento de realizar el cambio en la transmisión
se encuentra ubicado entre el filtro de aire y el cuerpo de aceleración
Sensor de flujo
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Clasificacion
• Se pueden clasificar en:
• Aditivos o extractores de energía
• Medidores de masa o volumen de flujo
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Aditivos
• El paso de un fluido posee energía, tanto potencial como cinética
• Un sistema de medición extrae energía del fluido
• De otra forma, energía puede ser adicionada al flujo y observar su efecto
• La energía adicionada no debe ser intrusiva, tal que el acto de medir no afecte el proceso
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Masa o Volumen
• La presión y la temperatura del aire deben ser medidos para calcular la masa de un volumen medido.
• ma = Va ρ
• Donde: ρ = densidad del aire
Va = rata de flujo volumétrico
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MASA O VOLUMEN
• La densidad es calculada así:
• ρ = P/(ZRaTa)
• Donde: P = presión del aire Z = factor de compresibilidad
Ra = constante del gas para el aire
Ta = temperatura del aire
![Page 65: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/65.jpg)
Tecnología
• Cortina
• Térmico
• Presión diferencial
• Turbina
• vortice
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Cortina
deslizante potenciómetro
Plato de compensación
Cuerpo aceleración
Ajuste de ralenti
Passaje bypass
Plato de medición
Filtro de aire
resorte
IAT
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Cortina
• Consiste de una cortina la cual esta localizada en el ducto del flujo y es retenida por un resorte, para bloquear el paso del aire
• La deflexión de la cortina es proporcional al flujo
• La deflexión es leída por un potenciómetro
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Cortina
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Cortina
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• Problemas;
• Generalmente presenta una reducción de la eficiencia volumétrica
• Fue utilizado en los primeros sistemas de control, ahora ha sido reemplazado por otras tecnologías que ofrecen menor
caída de presión
Cortina
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TERMICO
• Dependiendo del diseño, provee un medición directa del flujo de aire muy acertada que simplifica las estrategias de control del motor
• Existe una gran variedad de diseños desde el de hilo caliente hasta esquemas mas complejos
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Hilo Caliente
• La idea básica es calentar un hilo muy fino, entonces el aire que pasa por este remueve calor por conveccion.
• La cantidad de calor removido puede ser medido con un circuito electrónico y es proporcional a la rata de masa de flujo de aire
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MAF
• Los principales componentes del MAF son:
• Termistor
• Alambre de platino
• Circuito de control electrónico
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SENSOR DE TEMPERATURA
• El termistor mide la temperatura del aire que entra
• El hilo caliente es mantenido a una temperatura constante en relación con el termistor por medio de un circuito de control
• Un incremento en el flujo de aire produce una perdida de calor, al pasar aire por el hilo caliente este pierde calor rápidamente, el circuito electrónico trata de compensar esto enviando mayor cantidad de corriente al alambre
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SENSOR DE TEMPERATURA
• El circuito de control electrónico simultáneamente mide la corriente y envía una señal de voltaje proporcional al flujo de corriente
• uno de los problemas con estos sensores es que pequeñas partículas de polvo pasan a través del filtro aire adhiriéndose al hilo perdiendo eficiencia, en WOT, la velocidad de las partículas puede romper el hilo
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SENSOR DE TEMPERATURA
• Algunos sistemas incorporan un canal de desviación o implementan un ciclo de quemado en el momento de inicio.
• Otros sistemas utilizan un alambre de platino recubierto en vidrio para aislarlo de las partículas de polvo
• Otros utilizan una malla para direccionar el flujo
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FUNCION DE TRANSFERENCIA
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PRESION DIFERENCIAL
• Una manera simple de medir el flujo volumétrico es colocando una obstrucción en el canal de flujo y medir la presión diferencial
• El flujo es proporcional a la raíz cuadrada de la presión diferencial
• Para aplicaciones automotrices es supremamente costoso
• Un gran ventaja es su resistencia a la contaminación
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TURBINA
• Una turbina instalada en el canal del flujo ofrece baja resistencia a este, midiendo la velocidad de rotación se puede medir el flujo.
• Es muy susceptible al desgaste
• Se utiliza para medir el flujo de combustible
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Vortex
• Oscilaciones pueden ser inducidas en un fluido, colocando una obstrucción en el camino del fluido.
• Las oscilación puede ser medida térmicamente, por cambios de presión o por ultrasonido.
• No trabajan bien en flujos bajos, debido a la inestabilidad del mecanismo
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Vortex
![Page 82: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/82.jpg)
Temperatura, Calor, Humedad
• Teniendo en cuenta los efectos de la temperatura en el desempeño y fiabilidad de los componentes del automóvil, son muy importantes los componentes que están encargados de medir y controlar la temperatura en el automóvil
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Conducción, Convección y Radicación
• La energía calórica es transferida con sus correspondientes cambios de temperatura.
• Conducción ocurre por difusión a través de materiales sólidos o en líquidos y gases estacionarios
• Convección envuelve el movimiento de un liquido o gas entre dos puntos
• La radiación ocurre por medio de ondas electromagnéticas
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Fuentes de calor
• Además del aumento de temperatura que puede ser generada por la luz solar sobre el metal y vidrio que forman la carrocería del vehículo, existen una gran variedad de generadores de calor, pero la principal fuente es el motor de combustión, el cual puede llegar a temperaturas superiores a los 1000 ˚C en la cámara de combustión
![Page 85: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/85.jpg)
• Adicionalmente a los rangos de temperatura a medir se deben tomar en consideración otros factores de selección, tales como linealidad, tiempo de respuesta, presentación, confiabilidad y costos.
• Los sensores pueden ser tan simples como un termómetro de mercurio o tan complejos como sensores infrarrojos usados en visión nocturna
Sensores de temperatura
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Sensores de temperatura
Técnica Rango de temperatura
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Sensores de temperatura
Termómetros resistivosTermómetros resistivos
TermoparesTermopares
SemiconductoresSemiconductores
PRT (Platinum Resistence Thermometer)PRT (Platinum Resistence Thermometer)
NTC (Negative Temperature Coefficient)NTC (Negative Temperature Coefficient)
PTC (Positive Temperature Coefficient)PTC (Positive Temperature Coefficient)TermistoresTermistores
Se basan en el efecto SeebeckSe basan en el efecto Seebeck
EconómicosEconómicos
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Termómetros resistivos
PRT (Platinum Resistence Thermometer)PRT (Platinum Resistence Thermometer)
Se basan en la variación de resistencia con la temperatura
Margen de medida -200°C hasta 850°C
Características
Tienen problemas de sensibilidad
Son muy precisas
Son costosos
Tienen buena linealidad, fáciles de calibrar
Alto margen de medida
Bajas derivas
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RTDs
• Un Detector Resistivo de Temperatura, fabricado de platino, es el sensor de mayor precisión
• Una corriente constante es aplicada al RTD para obtener un voltaje de salida, sobre un rango de -200˚C a 850˚C
• la linealidad puede estar dentro del 3.6%• Ni, Ni-Fe, Cu, Al • Delgadas películas pueden ser aplicadas a
sustratos de cerámica o Silicio
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• Es una clase especial de resistencia sensible a la temperatura, basado en un tipo de material semiconductor que exhibe un amplio rango de coeficiente de temperatura
• La resistividad depende del material del que esta construido el termistor
• Se puede tener NTC y PTC
Termistores
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Termistores
Tienen coeficientes más altos, aunque con peor linealidadTienen coeficientes más altos, aunque con peor linealidad
NTC (Negative temperature coefficient)NTC (Negative temperature coefficient) PTC (Positive temperature coefficient)PTC (Positive temperature coefficient)
![Page 92: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/92.jpg)
• Como se puede observa, su respuesta es no lineal, pero esto puede ser soportado en muchas aplicaciones automotrices o corregidas por un circuito.
• Por ejemplo la resistencia del termistor se hace coincidir con el punto de operación normal del medidor
• El rango va desde -250˚C hasta 650˚C
Termistores
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• Se usan con frecuencia en la fase de desarrollo del vehículo por su bajo costo
• Tienen un amplio rango de medición de temperaturas que son posibles desde una simple termocupla de Hierro-Constantan, fácilmente extiende el rango con otros materiales.
• Formas pequeñas
Termopares
![Page 94: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/94.jpg)
TermoparesSe basan en el efecto “Seebeck”:
“Si dos metales distintos se unen por los puntos a diferentes temperaturas, se produce una circulación de corriente eléctrica”
Si se abre el circuito por uno de los metales, se tendrá una tensión proporcional a la diferencia de temperaturas (potencial termoeléctrico)
![Page 95: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/95.jpg)
Bimetálico
• El interruptor bimetálico utiliza dos tiras de metal con diferentes coeficientes de expansión lineal, que se encuentran soldados juntos
• El punto de interrupción puede ser establecido por una calibración inicial que indica que una temperatura crítica ha sido alcanzada y da una entrada a una unidad de control o una lampara
![Page 96: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/96.jpg)
• El uso de interruptores no requiere conversión A/D en sistemas de control con microcontroladores
• Provee información limitada del sistema
• Los primeros sistemas usaron bimetálico en la carcaza del filtro de aire para indicar temperaturas inferiores a 13˚C
Bimetálico
![Page 97: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/97.jpg)
Potenciómetro
• Un actuador bimetálico puede ser combinado con un potenciómetro de alta resolución
• El movimiento lineal de una pila bimetálica es transmitida por tubo de acero y medida como una distancia, dando una indicación lineal de temperaturas hasta de 650˚C
![Page 98: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/98.jpg)
• Muchos parámetros de los semiconductores varían linealmente sobre el rango de temperatura de operación
• El más común factor de referencia es la relación Temperatura vs. VBE
• Un sensor que utiliza este efecto tiene una salida nominal de 730mv a -40˚C y de 300mv a 150˚C
Semiconductores
![Page 99: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/99.jpg)
SemiconductoresEn un diodo, con una corriente fija, la tensión entre los terminales varía
2mV/°C aproximadamente.
Son baratos y fáciles de usarSon baratos y fáciles de usar
Tienen un margen de medida bajo (-50° 150°C
Tienen un margen de medida bajo (-50° 150°C
Características Características
![Page 100: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/100.jpg)
• La precisión esta entre ±3mv• Una corriente constante (colector) de 0,1
mA, pasa a través del dispositivo para minimizar el efecto de auto calentamiento de la unión
• El coeficiente de un diodo es de 1,9mV/˚C, diodos en serie aumentan la salida
• El tiempo de respuesta de un diodo es menor de 100μs
Semiconductores
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Termostato
• Sensor mecánico de temperatura
• El método mas antiguo de regulación de temperatura usado en los vehículos y usado aun es el termostato
![Page 102: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/102.jpg)
Fibra Optica
• Sensores de alta temperatura, capaces de medir hasta 1800˚C
• Tiempo de respuesta del orden de 500ms• La precisión esta dentro del ±0,5%• Sensor de no contacto• Diámetro de salida de 0,5 a 1mm • Soporta hasta 4000˚C• Se ha utilizado para detectar detonación y
estudiar el frente de llama
![Page 103: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/103.jpg)
Indicadores de Temp.
• Materiales diseñados con puntos de fusión que pueden ser calibrados a ±1˚C
• Cuando la temperatura del dispositivo se excede, ocurre un cambio de fase y el material cambia de color
• El material esta disponible en pintura, parches, barras de aplicación
• En rangos desde 38˚C hasta 1371˚C
![Page 104: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/104.jpg)
Infrarrojo
• La emisión de los cuerpos negros es la base de la termometría IR
• Objetos a temp. superiores a -273˚C emiten energia radiante la cual es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura
• Un sensor IR consiste de una colección de lentes o fibra óptica, filtro espectral y un detector
![Page 105: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/105.jpg)
• La característica primaria, es el campo de visión, el cual permite un objetivo especifico a una distancia prescrita
• Sensores IR usan las variaciones de temperatura para producir una imagen monocromática en sistemas de visión nocturna
• Identifican potenciales puntos de falla
Infrarrojo
![Page 106: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/106.jpg)
Humedad
• Sensores de humedad son ampliamente usados durante la fase desarrollo
• El desempeño del motor puede ser afectado por la humedad
• El sistema HVAC puede ser muy beneficiado con esta medición
• No son utilizados en los vehículos producidos en la actualidad
![Page 107: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/107.jpg)
• La técnica mas conocida es la lectura de termómetro de bulbo seco y húmedo interpretada por el cuadro sicrométrico
• Tres técnicas tienen potencial aplicación en el futuro
• Capacitiva
• Resistiva
• Oxido de Silicio poroso
Humedad
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• La constante dieléctrica de delgadas películas de polímero cambian linealmente con los cambios en la humedad relativa en la atmósfera
Capacitivo
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Resistivo
• En una película gruesa de polímero, hay movimiento de iones con la variación de la HR, resultando en un cambio de la resistividad
• Un diodo compensador de temperatura es usado para mejorar la precisión
• Con una excitación de AC a 1 kHz, un cambio de 10 a 100% de HR produce una variación de 2*107 a 2*103 Ώ
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Oxido de silicio
• Un sensor de tipo capacitivo ha sido desarrollado utilizando OPS, como un dieléctrico absorbente de humedad, entre los electrodos de un capacitor
• Un proceso de electrolisis ha sido usado para crear una delgada capa porosa sobre la parte superior de una galleta de silicio
![Page 111: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/111.jpg)
• El silicio es oxidado por medio de un proceso a alta temperatura en presencia de oxigeno o de vapor
• Electrodos metálicos son depositados en ambas caras del OPS para completar la estructura capacitiva
• Cuando el vapor de agua contacta al sensor, este permea a través de la estructura porosa entre los electrodos.
Oxido de silicio
![Page 112: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/112.jpg)
• La respuesta de un sensor típico, incrementa 800% cuando es expuesto a un cambio de HR entre 1 y 40%
Oxido de silicio
![Page 113: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/113.jpg)
Sensor G
• Los sensores de aceleración varían ampliamente en su fabricación y operación
• Los hay mecanicos
• Piezoelectricos
• Piezoresistivos
• Capacitivos
![Page 114: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/114.jpg)
Mecánicos
• El interruptor mecánico es un dispositivo que contiene
un resorte
una esfera metálica
y un contacto eléctrico en un tubo
tienen altas tolerancias de maquinado y dan amplia variación en el punto de disparo
![Page 115: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/115.jpg)
aceleración
Mecánicos
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Piezoeléctrico
Masa sísmica
Elemento piezoeléctrico
salida
soporte
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• Son efectivos en algunas aplicaciones, pero no son capaces de sensar 0 o bajas frecuencias de aceleración, menores de 5Hz y tienen efecto piro eléctrico.
• Tienen una alta ganancia, bajo amortiguamiento y muy alta impedancia de salida, la gran ventaja es su amplio rango de temperatura (300˚C) y alta frecuencia de operacion (100Hz)
Piezoeléctrico
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Capacitivo
• Tiene grandes ventajas con respecto a otros métodos
• Fácil implementación de auto prueba
• Insensible a la temperatura
• Tamaño reducido (500μ x 500μ )
• Opera a bajas frecuencias
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• Se puede aplicar voltaje a sus placas para producir cargas electrostáticas y balancear el sistema en aceleración
• Espacio entre las placas de 2μ
• Respuesta lineal
• Buen amortiguamiento
• micromaquinados
Capacitivo
![Page 120: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/120.jpg)
Aplicación
• Como sensor de impacto en Air Bag
• Suspensión inteligente
• ABS
• Control de tracción
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Air Bag
• Los interruptores mecánicos se deben localizar a ±40 cm del punto de impacto
• Por lo cual se deben usar múltiples sensores (de 3 a 5)
• Los sensores únicos localizados centralmente pueden ser PzE, PzR o Capacitivos
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• A 48 KPH, el sensor tiene 20ms para detectar un impacto y disparar la bolsa de aire
• Esto resulta en una activación de la bolsa 50ms después del impacto
• En este tiempo el ocupante se ha desplazado Aprx. 18 cm
• Durante los 20ms iniciales se puede llegar a 20g pero el promedio es 5g
Air Bag
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• Los sensores centrales tienen ventajas sobre su contraparte mecánica
• Menos sensores, por lo cual menor costo• Mejoramiento en sensado y precisión en
el procesamiento de la señal• Mejor punto de disparo en diferentes tipos
de chasis • Puede ser usado como bloqueo de
cinturon
Air Bag
![Page 124: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/124.jpg)
Suspensión inteligente
• Se puede tener suspensión activa, semiactiva y adaptativa
• Los resortes son remplazados por estaciones de rueda, las cuales están formadas por cilindros llenos de aceite, con un pistón que mantiene la distancia del chasis sobre los ejes
• Detecta los incrementos de carga
![Page 125: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/125.jpg)
• La adaptativa es una alternativa de la anterior
• La información de las ruedas delanteras es utilizada para predecir las condiciones del terreno y controlar la suspensión trasera
• Usa menos sensores que la activa
Suspensión inteligente
![Page 126: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/126.jpg)
• Utiliza los siguientes sensores
• Acelerómetros (2g)
• Sensor de velocidad de rueda
• Distancia de chasis a tierra
• Recorrido de pistón
Suspensión inteligente
![Page 127: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/127.jpg)
Detonación
• 2khz a 17khz
• La ubicación depende de cada diseño de motor
• Los primeros usados fueron jerk
• Tienen muchos componentes para ser economicos
• pasoaltos
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• Piezoeléctricos
• El cristal seleccionado es el cuarzo
• La señal se puede contaminar fácilmente
• Piezocerámico
• Plomo – Zirconio – Titanio
• Cuando se encuentran en temperatura de fusión, se hacer pasar una corriente a través de los electrodos, y se polarizan
Detonación
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• Silicio
• No es un piezoeléctrico, pero con micro maquinado se puede fabricar un acelerómetro
• Reemplaza a los piezoceramicos, todo es cuestión de costos
Detonación
![Page 130: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/130.jpg)
ION sensor
![Page 131: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/131.jpg)
ION sensor
![Page 132: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/132.jpg)
ION sensor
![Page 133: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/133.jpg)
ION sensor
![Page 134: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/134.jpg)
ION sensor
![Page 135: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/135.jpg)
ION sensor
![Page 136: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/136.jpg)
ION sensor
![Page 137: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/137.jpg)
SENSOR DE DETONOCION
• Hidrofono
• Como las ondas de la detonación se trasmiten a todas las partes de motor, entonces se instalaron micrófonos en el refrigerante, usando esto como sensor de detonación.
![Page 138: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/138.jpg)
Gas de escape
• Los productos de una combustión completa son sustancias no toxicas, como dióxido de carbono y agua
• Los requerimientos teóricos de aire son de aproximadamente 10m3 por litro de combustible
• λ = AF/14.7
• λ< 1 exceso de combustible
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ZrO2
• Un elemento cerámico consistente de ZrO2 y oxido de yitrium es empleado como un electrolito sólido impermeable a gas
• Esta mezcla de óxidos son más o menos perfectos conductores de iones de oxigeno sobre un amplio rango de temperaturas
• sensor
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Semiconductor
• TiO2 y SrTiO3 adquieren un rápido equilibrio a temperaturas relativamente bajas
• Al cambiar las concentraciones de oxigeno, cambia la conductividad
• La resistencia eléctrica y el tiempo de respuesta son inversamente a la temperatura
![Page 141: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/141.jpg)
Principio de operación
• Un voltaje es aplicado a la resistencia RT TiO2, instalada en serie con otra de referencia
• La caída de tensión sobre la serie depende de RT, respectivamente λ
• En versiones de tres terminales el voltaje es tomado del calentador
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Factores que afectan
• Debido a la capa porosa protectora alrededor del electrodo, que se puede saturar, la curva del sensor se puede desplazar hacia el rango de pobreza
• Este desplazamiento se pude deber a depósitos de aceite y SiO2, los cuales taponan parcialmente los poros de la capa protectora y reducen la temperatura del sensor
![Page 143: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/143.jpg)
• Fracturas de la capa protectora disminuyen el tiempo de respuesta del sensor llevando su curva característica hacia riqueza
• La desactivación del electrodo debido a contaminación con plomo, puede producir una respuesta muy plana
• Un efecto similar se presenta cuando la referencia atmosférica se contamina con agua o gases
Factores que afectan
![Page 144: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/144.jpg)
• Tensión mecánica producida por vibración por la pulsación de los gases, golpes de piedras y tensión del cable
• El cable del sensor debe estar sellado para prevenir penetración de agua en su interior, causando distorsión de la referencia, al mismo tiempo este sello debe ser flexible.
Factores que afectan
![Page 145: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/145.jpg)
Sensores de luzLos Sensores que miden la intensidad de la luz se pueden clasificar en
dos tipos:
•Los que generan electricidad al recibir iluminación.
•Los que cambian alguna de sus propiedades al ser iluminados.
FotovoltaicosFotovoltaicos
Fotodiodo
LDR (Light dependent resistor)FotoconductoresFotoconductores
Opto interruptor reflexivo
Opto interruptor ranuradoOpto interruptoresOpto interruptores
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Fotovoltaicos
Al incidir luz sobre una unión PN se genera una tensión eléctrica que es función de la intensidad
de la radiación (principio de celdas solares)
![Page 147: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/147.jpg)
Opto interruptoresDispositivo para medir otras magnitudes (longitudes, ángulos, etc) o para
detectar la presencia o ausencia de un objeto
Consiste en un sensor de luz (fototransistor) y una fuente de luz (LED)
ReflexivoReflexivo RanuradoRanurado
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FotoconductoresAl incidir luz sobre ellos , cambian sus propiedades de conducción
eléctrica
FotodiodoFotodiodo
Al incidir la luz sobre él, se producirá una circulación de corriente que es proporcional a la intensidad de la luz.
Su sensibilidad es baja. Se utilizan los fototransmisores para incrementarla.
Velocidad de respuesta alta (1μs o menos)
LDR LDR
Dispositivo resistivo que disminuye el valor de su resistencia al incrementar la luz.
Se hacen con sulfuro de cadmio (SCd)
Velocidad de respuesta baja (10 ms)
Longitudes de onda entre 380 nm y 750 nm
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Sensores de fuerza
Galga extensiométrica: Miden deformaciones variando su resistencia
Dispositivos piezoeléctricos: Se usan para medir fuerzas. Se caracterizan por generar una salida eléctrica al someterlos a un esfuerzo mecánico
![Page 150: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/150.jpg)
Sensores de desplazamiento
Potenciómetros : Producen una señal eléctrica proporcional a su posición
![Page 151: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/151.jpg)
Sensores de velocidad
Inductivos : La inductancia de una bobina se ve afectada por la presencia de un material ferromagnético.
![Page 152: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/152.jpg)
Generadores de voltaje
• Piezo eléctricos
• Dióxido de zirconio
• Inductancia magnética
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Resistivos
Potenciómetros
Termistores
Piezoresistivos
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Interruptores
Fototransistores y LEDs Sensores de velocidadSensores G
![Page 155: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/155.jpg)
Actuadores• MOTORES PASO A PASO• MOTORES D.C.• SOLENOIDES• RELES• BIMETALICOS• PIEZOACTUADORES• ELECTROSTATICOS• ELECTROELOHICAL (particulas, viscosidad)
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Señal Análoga
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Señal Digital
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LEDs y Fototransistores
• Un fototransistor es un transistor que se activa con luz. Cuando se combina con un LED y entre ellos se coloca una rueda ranurada en un sensor de velocidad, un fototransistor puede proveer datos al computador acerca de la velocidad del vehículo.
• En este tipo de sensor el LED es apuntado al fototransistor. Cuando la rueda ranurada es girada por el cable del velocímetro, rompe el haz de luz.
• El ECU suministra un voltaje de referencia al colector del fototransistor y el emisor es conectado a tierra. Cada vez que la luz actúa sobre el fototransistor se activa, como si fuese un interruptor de palanca. Cada vez que el fototransistor es encendido, la línea desde el ECU es puesta a tierra y el voltaje se cae a 0 voltios. El ECU puede contar estos pulsos y calcular la velocidad del vehículo.
![Page 159: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/159.jpg)
FOTOTRANSISTOR
Rueda ranurada
Cable de velocimetro
fototransistor
fotoacoplador
led
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FOTOTRANSISTORES
• Este tipo de sensor se usa también como un sensor G o de desaceleración en vehículos con ABS. Este sensor tiene dos LEDs apuntados a dos fototransistores que están separados por una placa ranurada sobre un eje de oscilación. Cuando el vehículo se desacelera, la placa pivota sobre el eje y las ranuras alinean, uno u otro o ambos LEDs y fototransistores dependiendo de la desaceleración. Estas señales son enviadas al computador para determinar el nivel de desaceleración para una correcta operación del ABS
![Page 161: Sensores y Actuadores 230812](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022061422/55721028497959fc0b8cb786/html5/thumbnails/161.jpg)
En un proceso puede haber errores: diferencias entre el resultado obtenido y el valor real.
La linealidad refleja si hay o no una relación lineal entre el valor real y el medido. La no linealidad es difícil de corregir, y por tanto es un parámetro importante.
El offset o desviación cero refleja el valor medido cuando el sensor debería volver a cero. Genera un error pero es más fácil de corregir
Procesos de medida
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LVDT
• Uno de los primeros sensores utilizados para los sistemas de control
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Sensor capacitivo de silicio
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Piezoresistivo
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Interruptores de láminas
• Son habitualmente usados como sensores de posición o velocidad. Consisten de un conjunto de contactos que abren, adyacente a un imán. En la aplicación del sensor de velocidad, el magneto es unido a un cable de velocímetro y gira con el cable. Cada vez que uno de los polos pasa, el contacto del interruptor abre o cierra. Un voltaje es suministrado a un contacto del interruptor y el otro contacto es puesto a tierra. Cada vez que el interruptor se cierra, el voltaje es aterrizado a 0 voltios, como el sensor de velocidad de fototransistor.
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REED SWITCH
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Piezoelectrico
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Piezoelectrico
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SENSOR MAF
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Sensor MAFF
iltro
de
a
ire
Sensor De
Flujo De Aire C
uerp
o de
ac
eler
ació
n
Cam
ara
de
aire
Mul
tiple
de
ad
mis
ion
cilin
dros