Sensores Piezoelectricos

DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA DE ING. EN ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN ASIGNATURA: Instrumentacin ! Sens"res Unidad III

CONSULTA TEMA:

Sens"r #ie$"e%&ctric"' Aut" res"nante' ti#" (rtice (rtice

)rs. *e %a asi+natura 4 Hrs Responsable:

Ing. José Bucheli Nombre Estudiante:

1) HUG HUGO JA JACHO CHO

,ec-a *e entre+a: 05 de agosto de 2015

Instrumentación y sensores

SENSOR PIEZOELÉCTRICOS P IEZOELÉCTRICOS.. Dispositivo que mide la presión o tensión usando la piezoelectricidad, un fenómeno en el que cierto cie rtoss mat materi eriale aless pue pueden den gen genera erarr una co corri rrient entee elé eléctr ctrica ica cua cuando ndo se def deform orma. a. As Así, í, un sen sensor sor piezoeléctrico puede convertir la fuerza ejercida sobre él por la compresión, impacto, aceleración o vibración en una señal eléctrica cuya fuerza es proporcional a la intensidad de la fuerza. ay un n!mero de materiales de origen natural que demuestran este efecto, lo m"s notablemente cuarzo y turmal tur malin ina. a. #os mat materi eriale aless pie piezoe zoeléc léctri tricos cos tam tambié biénn pu puede edenn ser sin sintet tetiza izados dos ind indust ustria rialme lmente nte.. $ateriales $ater iales piezo piezoeléct eléctricos ricos sint sintético éticoss pued pueden en ser mater materiales iales de crist cristal al indi individu viduales ales simil similares ares a cristales naturales pero con propiedades mejoradas, tales como cristales de fosfato de galio% materiales piezocer"micos tales como titanato zirconato de plomo &'()*, que puede ser fabricado a bajo costo por sinterización, o el calentamiento de los ingredientes en polvo en un +orno% y polímeros tales como fluoruro de polivinilideno polivinilideno &'D-* que se pueden +acer en películas delgadas, fleibles. #a señal eléctrica generada por los sensores piezoeléctricos cae r"pidamente después de la fuerza se aplica primero. /sto significa que no son adecuados para la medición de una fuerza est"tica% sin embargo, son ecelentes en la medición de fuerzas de muy breve duración, tales como las fuerzas de impacto. 0ristal !nico y sensores piezocer"micos son muy rígidos y tienen una muy alta frecuencia natural. #a frecuencia natural de un sensor impone limitaciones sobre sus usos, como los errores de medición se producir" cuando la frecuencia de la vibración a ser medida es cercana a la del sensor. De alta frecuencia natural de un sensor piezoeléctrico permite medir con precisión las frecuencias muy altas, sin embargo. /sto significa que puede ser utilizado para detectar patrones de vibración inusuales que podrían ser causados por defectos en los materiales y componentes.


HOJA TÉCNICAS.





APLICACIÓN: 121)/$A 'A3A #A D/)/00245 D/ '6#171 $/0852071 1e describe el diseño de un sistema para la detección de pulsos mediante un sensor piezoeléctrico. /l sistema est" conformado por un subsistema analógico para el acondicionamiento de la señal y un subsistema digital para su procesamiento. 1e +a conseguido detectar los pulsos generados por un piezoeléctrico como resultado de las deformaciones que sufre ante la aplicación de un esfuerzo mec"nico, acondicionar la señal para ser adquirida por una tarjeta de adquisición de datos y mostrar los resultados en la computadora.

Figura 1.- Panel frontal del programa Puente RLC mostrando la dependencia de la impedancia y la fase con la frecuencia para una de las muestras estudiadas.


Figura 2.- Circuito acondicionador de la señal.

Figura 3.- Respuesta del sensor piezoeléctrico. Se detectan los pulsos generados como resultado de las deformaciones mecánicas que sufre cuando se aplica un esfuerzo mecánico.


SENSOR AUTORESONANTE. /l principio de funcionamiento de los sensores autorresonantes se basa en un fenómeno físico resonante ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de interés que afecta a la frecuencia de oscilación. )odos requieren un frecuencímetro9contador para medir bien la frecuencia o bien el periodo de oscilación: #a elección de uno u otro método depende de la resolución deseada y del tiempo disponible para la medida. #as estructuras resonantes basadas en monocristales de silicio se prestan bien a la realización de circuitos integrados. /n sensores se emplean tanto osciladores armónicos como de relajación. /n los primeros +ay una energía almacenada que cambia de una u otra forma de almacenamiento, por ejemplo de energía cinética en el movimiento de una masa a energía potencial en la tensión de un muelle. /n los segundos +ay una !nica forma de almacenamiento, y la energía almacenada se disipa periódicamente mediante alg!n mecanismo de puesta a cero.

Figura 1. Representación Esquemática de Sensores utorresonates.

TIPOS DE SENSORES AUTORRESONANTES SENSORES BASADOS EN ONDAS SUPERFICIALES #os sensores 1A; basan su principio de operación en velocidad de propagación de las ondas 3ayleig+ en piezoeléctrico debido a la presencia de una cantidad sobre la misma. #os dispositivos 1A; son estructuras la modificación de la superficie de un de masa depositada interdigitadas que se realizan sobre substratos piezoeléctricos para que las ondas ac!sticas superficiales puedan ser generadas mediante una ecitación eléctrica. 1e pueden utilizar como substratos o medio de soporte el 1i y éste no es un material piezoeléctrico, por lo que se requiere una capa adicional piezoeléctrica sobre el silicio para desarrollar los sensores 1A;. 'ara ello pueden utilizarse diferentes materiales piezoeléctricos, tales como, 0d1, A25 y en particular el (n7. 'or otra parte el A25 presenta las ventajas de que sus constantes piezoeléctricas tienen muy baja dependencia con la temperatura &como el cuarzo* y una velocidad de propagación de las ondas ac!sticas de +asta tres veces superior al cuarzo por lo que se incrementaría la sensibilidad de estos dispositivos. 1on sensores que operan en frecuencias altas, barren el rango entre <== y >== $z y aunque pueden llegar, incluso, +asta pocos ?z tales frecuencias requieren un sofisticado diseñoo del


circuito oscilador. #os transductores interdigitados &2D)* son los que se usan para ecitar y detectar una onda ac!stica superficial sobre un substrato piezoeléctrico. GALGAS ACÚSTICAS

6na galga ac!stica es un dispositivo capaz de resonar a frecuencia de la banda audible &de a+í su nombre*, funciona con un +ilo de reluctancia variable y se utiliza com!nmente para medir deformaciones, por lo que mide variables como son la fuerza, masa y la longitud. )ambién utiliza el principio del módulo de @oung para +acer estas mediciones.

CILINDROS VIBRANTES /s un cilindro met"lico con paredes delgadas &> um* y un etremo ciego, la frecuencia de oscilación depender" de las dimensiones y material del cilindro, y de cualquier masa que vibre con sus paredes 6tilizando, igual que antes, un ecitador electromagnético para mantener la oscilación, se puede medir la diferencia de presión entre las dos caras del cilindro, porque la diferencia de presiones entre ambos lados de las paredes produce una tensión mec"nica en éstas 1e puede medir la densidad de un gas porque el gas cerca de las paredes vibra al +acerlo éstas. 'ara líquidos corrosivos es mejor emplear un cilindro de vidrio o cer"mico y el ecitador piezoeléctrico, ya que los electromagnéticos no sirven. #a aplicación m"s etendida de este método es, sin embargo, la medida continua de la densidad de líquidos, con una disposición como la indicada en la figura  0onsiste en dos conductores en paralelo, como por los que fluye el líquido, sujetos por cada etremo a una base fija y acoplados al conducto principal, con una junta fleible en cada etremo.

Figura 4. Cilindros !i"rantes.


HOJA TÉCNICA.




APLICACIÓN: MICROBALANZA DE CUARTZO #os sensores B0$ &$icrobalanzas de 0uarzos* son construidos con una fina l"mina de cristal de cuarzo situado entre dos electrodos, donde la frecuencia de oscilación del sensor viena dada por el grueso de la l"mina de cuarzo y el corte del cristal original para obtener la l"mina.

Figura1. Sensores #C$.

/l corte utilizados en la microbalanza de cuarzo son paralelos a los planos C( o @(, que se conocen, respectivamente, como cortes C o @. /l corte A) &E>F de inclinación con respecto al plano C( es el m"s utilizado y se fabrica +asta frecuencias relativamente altas, mostrando una ecelente estabilidad de frecuencia frente a las variaciones de la temperatura.

Figura 2. Corte de Cristal de Cuarzo.


/l cristal de cuarzo es un material fr"gil y por tanto es preciso protegerlo con una capsula que suele ir rellena de un gas inerte, por ejemplo, nitrógeno.

/l circuito eléctrico es el responsable de generar un campo eléctrico oscilante entre las dos placas, lo cual provoca el comportamiento piezoeléctrico de la l"mina de cuarzo% cuya frecuencia de resonancia varía seg!n el tipo de corte y el espesor de la l"mina, en la siguiente figura se muestra la l"mina de cuarzo incluido el circuito eléctrico.

%igura &'. Lámina de Cuarzo con circuito eléctrico.

#os sensores B0$ &$icrobalanzas de 0uarzo* poseen una alta impedancia, una forma de medir la señal proveniente de este sensor es empleando un amplificador de carga y la otra es mediante el uso de un amplificador electrométrico. Adem"s estos sensores necesitan un circuito oscilador un circuito b"sico de los osciladores son los serie y los paralelos.


SENSOR TIPO VORTICE (VORTEX) /l principio de operación del medidor de flujo de vórtice tiene como fundamento el fenómeno natural del esparcimiento de vórtice. 0uando un fluido fluye sobre un cuerpo, las capas limitantes del fluido en movimiento m"s lento se deslizan sobre la superficie del cuerpo. 1i éste no es +idrodin"mico, es decir, si es escarpado &por ejemplo un cilindro rectangular, circular o triangular*, las capas límite a lado y lado del cuerpo no pueden seguir los contornos del mismo y se separan girando en sentidos contrarios, formando una estela de vórtices conocida como la vía de vórtice de on Garman. /stos vórtices se producen alternativamente en dos +ileras que se mueven corriente abajo, paralela entre sí a una velocidad y separación fijas como se muestra en las figuras < y H.

Figura 1


Figura 2

#a frecuencia f del esparcimiento de vórtice es el n!mero de vórtices producidos desde cada superficie del cuerpo escarpado por segundo. /st" dada porI

Donde v< es la velocidad media en el cuerpo escarpado, d es el anc+o del cuerpo y 1 es una cantidad adimensional llamado n!mero de 1trou+al que depende de la geometría del cuerpo y que es pr"cticamente constante para un n!mero de 3eynolds mayor de <=J. 1abiendo queI

Donde A, D y  son respectivamente el "rea y di"metro interno del tubo y la velocidad de flujo corriente arriba, se obtiene queI Donde c es el factor de escarpadura del cuerpo y que toma valores de <.< para un círculo y <.> para un rect"ngulo y un tri"ngulo equil"tero. De esta epresión se puede deducir que la razón fKB sólo depende de la geometría del medidor y del n!mero de 1trou+al 1, el cual es independiente de la densidad, viscosidad y velocidad del flujo &3eLvd*, y por tanto, independiente de la temperatura y la presión del fluido. M es el factor de calibración promedio del transmisor. /l principio de funcionamiento del elemento sensor puede basarse en efectos piezoeléctricos, térmicos o ultrasónicos. /l transmisor utilizado en la pr"ctica es del tipo piezoeléctrico y su elemento sensor &situado corriente abajo del cuerpo escarpado* se compone de un diafragma


fleible que envuelve un fluido y éste a su vez rodea un cristal piezorresistivo. #os vórtices generan variaciones periódicas de presión sobre el diafragma y por ende sobre el cristal, el cual entrega una señal eléctrica sinusoidal cuya frecuencia es relacionada con el caudal. TIPOS VORTEX REDUCER: 0on la construcción de los reductores en los medidores, se puede medir flujos m"s bajos que con los vorte tradicionales. /ste tipo de vorte /limina la necesidad de montaje en campo y de soldaduras de tubería y reductores independientes, reduciendo así los costos de instalación +asta en un >=N. #a parte inferior del rango de flujo se duplica con el orte 3eductor.

VORTEX DOBLE SENSOR (DUAL) 1istemas integrados de seguridad &121* O 1olución ideal para aplicaciones donde se requieren señales de flujo redundantes. $edición de caudal redundante O /l medidor vorte doble est" construido de dos medidores vorte completosI sensor, electrónica y barra generadora vorte. #os medidores vienen soldados entre sí y calibrados para flujo para proporcionar un solo caudalímetro eacto con dos medidas independientes de caudal.


VORTEX MULTIVARIABLE

/l medidor multivariable elimina la necesidad de una entrada eterna para compensación en aplicaciones de medición de vapor saturado. /l sensor de temperatura integral +abilita la opción de medir temperatura en aplicaciones de flujo masivo para vapor saturado. #a salida es configurable para -lujo $asivo, -lujo olumétrico, o )emperatura

APLICACIÓN:

MEDICIÓN DE FLUJO FRACCIONADOR



HOJA TÉCNICA.


REFERENCIAS +ttpIKKPPP.fisica.u+.cuKbibliotecaKrevcubfisKfilesKArc+ivosKH=<

Sensores Piezoelectricos

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