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SENSORES Y ACTUADOR ACTUADORES ES

CAPITULO III SENSORES DE MAGNITUDES ELECTROMAGNETICAS

ACTUADORES Y SENSORES

Capítulo 3

Conceptos básicos

Ley de inducción o ley de a!aday Si una bobina con w vueltas es puesta en un campo magntico !e intensi!a! va"iable# se !esa""olla ! esa""olla una !i$e"encia !i$e"encia !e potencial u p"opo"cional p"opo"cional a la va"iaci%n va"iaci%n en $unci%n !el tiempo !el $lu&o $lu&o magntico ' el n(me"o !e vueltas vueltas !e ! e la bobina) u= w . (df/ dt)

(*+*,


Capítulo 3

Conceptos básicos

Ley de inducción o ley de a!aday Si una bobina con w vueltas es puesta en un campo magntico !e intensi!a! va"iable# se !esa""olla ! esa""olla una !i$e"encia !i$e"encia !e potencial u p"opo"cional p"opo"cional a la va"iaci%n va"iaci%n en $unci%n !el tiempo !el $lu&o $lu&o magntico ' el n(me"o !e vueltas vueltas !e ! e la bobina) u= w . (df/ dt)

(*+*,


Capítulo 3

Conceptos básicos

Ley de Len" La co""iente elct"ica -ue se gene"a po" la tensi%n in!uci!a seg(n la le' !e .a"a!a' ten!"/ tal !i"ecci%n -ue gene"a"/ un campo magntico !e !i"ecci%n !i"ecci%n opuesta al campo magntico magn tico va"iable va"iable -ue la gene"%+


Capítulo 3

Conceptos básicos

T!ans#o!$ado! el%ct!ico Aplican!o estos p"incipios se !esa""olla el concepto !el t"ans$o"ma!o"# el cu/l consta !e po" lo menos !os bobinas 0n1 !e vueltas n1 ' n2 ,al"e!e!o" !e un n(cleo magneti2able+ A t"avs !e la bobina * 0o P"ima"io, se aplica una co""iente i1 gene"an!o un $lu&o magntico fh# el cu/l a su ve2 gene"a una tensi%n in!uci!a u2 en la bobina 3 0o Secun!a"io,# sien!o esta e4p"esa!a po") u2= n2 . (dfh /dt) 0*+3, O e4p"esa!o pa"a el t"ans$o"ma!o" i!eal) u2= n2 .u1/n1 0*+3+*,


Capítulo 3

Conceptos básicos

T!ans#o!$ado! el%ct!ico

Figura 1: E4pe"imento !e .a"a!a' 5 Invenci%n !el t"ans$o"ma!o"


Capítulo 3

Conceptos básicos

ue!"a de Lo!en" Una pa"t6cula con ca"ga elct"ica Q# en movimiento con una veloci!a! v po" e$ecto !e un campo elect"oest/tico E # a la cual se le aplica un campo magntico B# se"/ !esvia!a !e su t"a'ecto"ia en $o"ma pe"pen!icula" tanto al campo E como al campo B po" una $ue"2a !enomina!a $ue"2a !e Lo"en2) F= Q. v x B 0*+7,

. v 8

E

9


Capítulo 3

Conceptos básicos

Co!!iente el%ct!ica en un conducto! La "elaci%n !e la intensi!a! !e co""iente po" el /"ea !el con!ucto"# !enomina!a !ensi!a! !e co""iente se"6a) j = I/A 0*+:, Pa"a nuest"as aplicaciones esta"emos usan!o las !enominaciones) -e# la ca"ga !e un elect"%n) *#;<3*=> + * C# n: como el n(me"o !e elect"ones po" uni!a! !e volumen# es !eci"# la !ensi!a! !e elect"ones lib"es en un con!ucto"+ v: la veloci!a! !e movimiento !e estos elect"ones ●

●

●


Capítulo 3

Conceptos básicos

Co!!iente el%ct!ica en un conducto! Entonces po!emos !eci") j = -e.n.v

0*+@,

 combinan!o *:+ ' *+@) I= -e.n.v.A

0*+;,


Capítulo 3

Conceptos básicos

Tensión el%ct!ica en un conducto! Se !e$inen el campo elct"ico ' el potencial ent"e !os puntos o tensi%n elct"ica "espectivamente como) E=vxB U=

∫

0*+B,

"

?E. dr <

0*+=,


Capítulo 3

Conceptos básicos

El e#ecto &all Po" e$ecto !e la $ue"2a !e Lo"en2 sob"e un $lu&o !e ca"gas elct"icas po" un con!ucto" en un campo magntico# las ca"gas se"/n !espla2a!as pe"pen!icula"mente a la !i"ecci%n !e su movimiento ' al campo magntico 9+

U* Po" en!e# las ca"gas !ent"o !el con!ucto" se sepa"an en $unci%n !e su signo+ T"as un tiempo# se gene"a"/ un campo elct"ico t"ansve"sal al movimiento !e las ca"gas# el cu/l compensa"/ e4actamente la $ue"2a !e Lo"en2)

I

d 

b

?????????????

9

E

U


Capítulo 3

Conceptos básicos

El e#ecto &all ' El ca$po el%ct!ico La $ue"2a !e Lo"en2) 0*+>, F= e.E

U*

Usan!o entonces la ecuaci%n *+7 ' *+> po!emos !eci" -ue)

I

d e.E = -e.v x B E = -v x B

0*+*<, 0*+**,



b

?????????????

9

E

U


Capítulo 3

Conceptos básicos

El e#ecto &all ' La tensión de &all La tensi%n gene"a!a po" este campo elct"ico se"6a aco"!e a *+= ' *+**) U= -! . v. B 0*+*3, Esta tensi%n se !enomina) Tensi%n !e all+ La co""iente po" el secto" !el con!ucto" a$ecta!o po" 9 se"6a seg(n *+;) 0*+*7, I = -e . n . v . ! . d Combinan!o *+*3 ' *+*7 "esulta) U= - (I . B) / (e . n . d)

0*+*:,


Capítulo 3

Conceptos básicos

El e#ecto &all ' El #acto! &all Al $acto" 0*+*@, " = 1/(e. n.) se lo !enomina $acto" all !el mate"ial+ Con esta !e$inici%n vemos -ue el $acto" se"/ ma'o" cuanto meno" sea la !ensi!a! !e elect"ones lib"es !el mate"ial# en consecuencia# los mate"iales con!ucto"es !e co""iente elct"ica# ten!"/n los meno"es $acto"es+


Capítulo 3

Conceptos básicos

El e#ecto &all ' El #acto! &all a' -ue nota" -ue si) El signo !e "  es negativo# se lo !enomina $acto" no"mal !e all ' se !a cuan!o las ca"gas a$ecta!as tienen el signo negativo+ ●

El signo !e "  es positivo cuan!o las ca"gas son positivas# el $acto" asume ese signo ' se lo !enomina $acto" ano"mal !e all+ ●

Esto se patenti2a sob"e to!o en los semicon!ucto"es# los cu/les pue!en se" !el tipo P o !el tipo N+


Capítulo 3

Conceptos básicos

El e#ecto &all ' El #acto! &all El e$ecto all es m/s noto"io en semimetales# como el 9ismuto# ' sob"e to!o en semicon!ucto"es !e la te"ce"a ' -uinta columna !e la tabla pe"i%!ica# como po" e&emplo el InAs ' el InSb

Elemento

-11

3

RH 10 m / C

Cob"e

?@#:<

Plata

?>#<<

Antimonio

?*>#=<

9ismuto

?@:<<<#<<

Einc

7#7<

Aluminio

*<#3<

In!io

*;#<<

A"snico

:@<#<<


Capítulo 3

(%todos senso!es ' Senso!es de tensión el%ct!ica

T!ans#o!$ado!es de tensión R*

*

RF3

I*

U*

F3 I3

R$e

H

I$e

Im UF3

El !ispositivo m/s com(nmente usa!o como senso" !e tensi%n en co""iente alte"na es el t"ans$o"ma!o"# sob"e to!o en ci"cuitos !e !ist"ibuci%n elct"ica+ Este "e!uce la tensi%n eleva!a !e ent"a!a a una tensi%n in$e"io" en el la!o secun!a"io+


Capítulo 3


T!ans#o!$ado!es de tensión R*

*

RF3

I*

U*

F3 I3

R$e

H

I$e

Im UF3

El punto p"incipal a tene" en cuenta es -ue el secun!a"io !ebe esta" conecta!o a una impe!ancia !e valo" alto# !e mo!o -ue la co""iente !el secun!a"io sea la meno" posible+ El e""o" !e esta me!ici%n se ve a$ecta? !a po" el e$ecto !e la co""iente !el secun!a"io ' !e la !e magneti2aci%n+


Capítulo 3


T!ans#o!$ado!es de tensión Pa"a el meno" e""o"# las ca6!as !e tensi%n po" la co""iente !e magneti2aci%n ' po" la co""iente !el secun!a"io !eben se" la meno" posible+ Si I#= I$e% Im (2.1)  si I2 es ap"o4ima!amente ce"o# entonces) I# ≈ Ι 1 Entonces U2 s%lo se ve"6a a$ecta!a po" la ca6!a !e tensi%n p"opia !e la impe!ancia !el p"ima"io+


Capítulo 3


Di)iso! de tensión Ot"o mto!o pa"a sensa" tensi%n elct"ica# pe"o en ba&a potencia# es el Un mto!o !e !iviso" !e tensi%n# el cu/l consiste en !os impe!ancias conecta!as ≈ en se"ie con sus te"minales e4t"emos conecta!os a la $uente !e tensi%n+ As6 "esulta -ue) Un = U& .(' 1 % '& )/'& 03+3,

*

m

Esta con$igu"aci%n se pue!e conecta" en casca!a en $unci%n !e la !isminuci%n !e tensi%n -ue se !esea# pe"o as6 tambin el e""o" se multiplica en $unci%n !e la ince"ti!umb"e asocia!a a ca!a valo" !e impe!ancia+

Um


Capítulo 3

(%todos senso!es ' Senso!es de co!!iente el%ct!ica

T!ans#o!$ado!es de co!!iente alte!na Ca"acte"6sticas) A""ollamiento p"ima"io con pe-ueo n(me"o !e vueltas !e Hilo g"ueso+ Conecta!o en se"ie con el con!ucto" sob"e el -ue se !esea me!i" la co""iente+ A""ollamiento secun!a"io con un n(me"o !e vueltas mu' supe"io" al p"ima"io ' con Hilo m/s !elga!o+De este se toma la tensi%n a se" utili2a!a como seal+ 9a&a co""iente !e magneti2aci%n Impe!ancia total !el secun!a"io !ebe se" mu' in$e"io" a la impe!anc ia asigna!a a las p"!i!as p"opias !el t"ans$o"ma!o" ●

●

●

● ●


Capítulo 3


T!ans#o!$ado!es de co!!iente alte!na R *

*

RF3

F3

I< I*

U*

I3 R $e

H

I$e

Im

Rm A m


Capítulo 3


T!ans#o!$ado!es de co!!iente alte!na Tambin se aplica este p"incipio en el me!i!o" to"oi!al o !e ab"a2a!e"a# el cu/l consiste en un n(cleo ci"cula" $e""omagntico 0$e""ita usualmente, at"avesa!o po" el inte"io" po" el con!ucto" cu'a co""iente se !esea !ete"mina"+ Entonces el con!ucto" act(a como el p"ima"io ' el a""ollamiento multivuelta al"e!e!o" !el n(cleo es el secun!a"io+


Capítulo 3


Di)iso!es de co!!iente Pa"a co""iente cont6nua se aplica tambin el p"incipio !e !iviso" !e co""iente# el cu/l es una "esistencia !e ba&o valo"# conecta!a en se"ie con el con!ucto"# t6picamente en $o"ma !e una ba""a co"ta+ Se mi!e la ca6!a !e tensi%n sob"e esta "esistencia ' se !ete"mina po" la le' !e OHm el valo" !e la co""iente+ El e""o" !e este mto!o se !a po" la "elaci%n !e la "esistencia !el con!ucto" cont"a la "esistencia !el !iviso" !e co""iente+


Capítulo 3


Di)iso!es de co!!iente Um Rm Ic Rc

Sien!o R m mucHo ma'o" a R c 0la "esistencia !el con!ucto",# la ca6!a !e tensi%n sob"e la "esistencia !e me!ici%n se"/ U& ≈ I . " & 03+:,


Capítulo 3


Senso!es de co!!iente de e#ecto &all Estos senso"es se pue!en utili2a" tanto pa"a co""iente alte"na como pa"a co""iente continua+ La co""iente ocasiona un campo magntico en el cual se posiciona un !ispositivo all# un semicon!ucto" !e un tipo espec6$icamente selecciona!o pa"a este uso en $unci%n al $acto" !e all !el mate"ial+ Dent"o !e la son!a se p"o!ucce un campo elct"ico -ue se sit(a t"ansve"salmente a la co""iente !e e4citaci%n -ue pasa a t"avs !e l ' -ue es t"ansve"sal con el campo magntico+ La tensi%n !e sali!a es p"opo"cional al campo magntico# con una co""iente !e e4citaci%n constante+


Capítulo 3


Senso!es de co!!iente de e#ecto &all I!c 9m U!c Im U

El campo magntico se gene"a usualmente me!iante un n(cleo to"oi!al $e""omagntico con ent"eHie""o po" el -ue ci"? cula el con!ucto" -ue t"ans? po"ta la co""iente a me!i"+ Enel caso !e la bobina con n vueltas $o"ma!a al"e!e!o" !el ent"eHie""o vale entonces) 03+B, B&= I& . n. m 0 sien!o Im la co""iente a se" !ete"mina!a+


Capítulo 3


Senso!es de co!!iente de e#ecto &all As6# la $%"mula *+*: !e la tensi%n !e all -ue!a"6a) U= - (I . I& . n. m0 ) / (e . n . d)

03+=,

Sien!o !atos conoci!os entonces ) La tensi%n U H , La co""iente !e e4itaci%n !e la son!a all I # El $acto" !e all !el mate"ial '# La pe"meabili!a! magntica !el n(cleo !e la bobina !e me!ici%n# Se obtiene el valo" !e la co""iente a me!i"+ Si la co""iente !e e4citaci%n !e la son!a all es !el tipo continua# la tensi%n !e all gene"a!a ten!"/ la misma $o"ma !e on!a -ue la co""iente a me!i"# incluso Hasta $"ecuencias !e * MH2 se obtiene buena "ep"o!ucci%n !e t"ansito"ios+ La co""iente !e e4citaci%n !ebe esta" cui!a!osamente cont"ola!a pa"a ●

● ● ●


Capítulo 3


Senso!es de co!!iente de e#ecto &all Si la co""iente !e e4citaci%n !e la son!a all es !el tipo continua# la tensi%n !e all gene"a!a ten!"/ la misma $o"ma !e on!a -ue la co""iente a me!i"# incluso Hasta $"ecuencias !e * MH2 se obtiene buena "ep"o!ucci%n !e t"ansito"ios+ La co""iente !e e4citaci%n !ebe esta" cui!a!osamente cont"ola!a pa"a ga"anti2a" el m6nimo nivel !e e""o" en las me!iciones+


Capítulo 3

(%todos senso!es ' Senso!es de #lu*o $a+n%tico

Senso!es de densidad de #lu*o $a+n%tico En la gene"ali!a! se !enominan GAUSIMETROS pe"o como en el Sistema Inte"nacional !e me!i!as# el gauss Ha !e&a!o !e utili2a"se# la e4p"esi%n !e la me!ici%n se "eali2a en Tesla+ Algunas "elaciones -ue se encuent"an en la lite"atu"a son) * gauss ) <+* miliTesla * gamma) * nanoTesla Los senso"es !e !ensi!a! !e $lu&o magntico m/s com(nmente utili2a!os son los !ispositivos all+ El !ispositivo esta conteni!o ce"ca !el e4t"emo !e una son!a+ La son!a se conecta a un ci"cuito !e e4citaci%n !e acon!icionamiento !e seal ' !e visuali2aci%n+ Estas son!as se !isean pa"a "espon!e" a campos a4iales ' a t"asve"sales+


Capítulo 3

(%todos senso!es ' Senso!es de #lu*o $a+n%tico

Senso!es de densidad de #lu*o $a+n%tico


Capítulo 3

(%todos senso!es ' Acondiciona$iento de se,al

Acondiciona$iento de se,al de tensión Pa"a el acon!icionamiento !e seales# p"incipalmente pa"a co""iente continua pe"o tambin pa"a alte"na# la aplicaci%n !e ampli$ica!o"es ope"acionales es lo usual 

?

Ra

Um

U3 U*

U2 = U . (1%" /" !)

Rb

03+7,


Capítulo 3


Acondiciona$iento de se,al de co!!iente Se !i$e"encian !os tipos !e ci"cuitos) El nomal) utili2a!o en la ma'o"6a !e me!i!o"es multi"ango ●

 el !e "et"oalimentaci%n o mto!o "/pi!o) utili2a!o en me!iciones con ma'o"es e4igencias# p"incipalmente pa"a co""ientes en el o"!en po" !eba&o !el miliampe"e+ ●


Capítulo 3


Acondiciona$iento tipo no!$al 

Ic

?

Ra

Um

U3

Rm Rb

U*

U2 = I. " & .(1%" a/" !)

03+@,


Capítulo 3


Acondiciona$iento tipo no!$al Po" en!e la tensi%n !e sali!a es !i"ectamente p"opo"cional a la co""iente a me!i"# pu!ien!ose a!ecua" esta tensi%n a los valo"es -ue se !esean mane&a" en $unci%n !e la "elaci%n ent"e las "esistencias !e sali!a+


Capítulo 3


Acondiciona$iento tipo !ápido Rm 

Ic

?

Ra

U* U3 Rb

U2 = I. " & .(1%" a/" !)

03+;,


Capítulo 3


Acondiciona$iento tipo !ápido En la con$igu"aci%n po" "et"oalimentaci%n) La co""iente a me!i" pasa !i"ectamente po" el ci"cuito !e me!ici%n# Me&o"an!o el tiempo !e "espuesta !el sistema ' Eliminan!o $uentes !e "ui!o ' "esistencias a!icionales !e contacto po" el ci"cuito ante"io"+ La tensi%n !e sali!a es p"opo"cional a la co""iente !e ent"a!a# la cu/l es la va"iable -ue se !esea !ete"mina" ' La "elaci%n ent"e las "esistencias !e sali!a pe"mite el a&uste a los valo"es !e tensi%n -ue se !esea+ ● ● ●

●

●

Con este ci"cuito se obtienen en $o"ma m/s estable me!iciones Hasta valo"es !e picoampe"es+ La tensi%n U* llega casi a ce"o+

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