TRANSDUCTORES Y SENSORES PIEZOELECTRICOS Definición de transductor: • •
Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable física (por ejemplo, fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.) en otro. Características •
Exactitud
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Precisión
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Rango de funcionamiento
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Velocidad de respuesta
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Calibración
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Fiabilidad
Clasificación de transductores: Existen diversas formas de clasificar los distintos tipos de transductores encontrados en el mercado, la siguiente es una clasificación basada en el tipo de señal de salida que el transductor produce. Transductores analógicos Los transductores analógicos proporcionan una señal analógica continua, por ejemplo voltaje o corriente eléctrica. Esta señal puede ser tomada como el valor de la variable física que se mide. Transductores digitales Los transductores digitales producen una señal de salida digital, en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas. En una u otra forma, las señales digitales representan el valor de la variable medida. Los transductores digitales suelen ofrecer la ventaja de ser más compatibles con las computadoras digitales que los sensores analógicos en la automatización y en el control de procesos. Otra de las posibles clasificaciones que pueden dar un análisis concreto de los transductores, es la basada en la variable física que estará en contacto con dicho dispositivo:
Transductores de desplazamiento: Se utilizan principalmente para medir mayormente se encuentran dos tipos:
longitudes
y
ángulos,
y
1.- Transductores de desplazamiento para medidas de grandes distancias. Utilizan principalmente el radar. El radar es un sistema para detectar, mediante el empleo de ondas electromagnéticas la presencia y la
distancia a la que se encuentran objetos que interceptan en su propagación. Por medio de una antena emiten radiaciones electromagnéticas en una determinada dirección. Un receptor amplifica los ecos que recibe del objeto cuya distancia se desea medir. El radar se emplea en distancias mayores de 100 m, incluso más de 10 Km. Para medir distancias inferiores a 100 m se utilizan ultrasonidos (30 a 40 Hz) cuya velocidad de propagación es mucho menor (340 m/s en el aire. 1450 m/s en el agua y 4000 m/s en metales). Se utilizan en control de nivel de llenado de tolvas, indicación de alturas, etc. En distancias medias, para topografía, se emplea el rayo láser. El principio es semejante al de los captadores ópticos y se aplican las ecuaciones de las ondas electromagnéticas. 2.- Transductores de desplazamiento para medidas de distancias cortas Cuando la distancia que se va a medir no supera algunos metros, se utiliza un potenciómetro acoplado sobre un eje roscado, cuyo movimiento determina la posición del elemento móvil cuya posición se quiere medir. El principal inconveniente en el empleo de potenciómetros es el desgaste que se produce en el elemento móvil
Transductores de velocidad. Una de las mediciones más importantes en las aplicaciones industriales es la de la velocidad angular. Esto se realiza mediante los tacómetros, que pueden ser mecánicos o eléctricos. También se puede medir la velocidad mediante medidores de velocidad por impulsos y sistemas ópticos. 1.- Tacómetros mecánicos; El más sencillo es el de contador de revoluciones. Consiste en un tornillo sinfín que se acopla al eje cuya velocidad se quiere medir. Este tornillo hace rotar por un sistema e engranas, a dos diales concéntricos calibrados. Cada división del dial exterior representa una vuelta del eje giratorio mientras que cada división del dial interior corresponde con una vuelta del dial externo. Otro tacómetro mecánico es el tacómetro centrífugo. Va provisto de dos bolas, que por efecto de la naturaleza centrifuga, se aleja tanto más del eje cuanto mayor sea la velocidad angular. Así se comprime un resorte que va unido a un dispositivo provisto de una aguja indicadora que señala sobre la escala de la velocidad angular. 2.- Tacómetros eléctricos; Los más importantes son: - Tacodinamos o dinamos tacometricas: Proporcionan una señal de corriente continua. Están constituidos por un indicador que genera un campo magnético mediante imanes permanentes o electroimanes y un inducido o rotor ranurado sobre el que se bobinan unos devanados de hilo conductor. Las bobinas devanados se conectan a las delgadas del colector. Al girar el rotor dentro de un campo inducido hace que permanezcan en las bombas de salida a través de las escobillas una
tensión continua con una ondulación reducida. Suelen tener una sensibilidad entre 5 y 10 mV por cada R.P.M. y puede medir velocidades de hasta 10,000 R.P.M. -Tacoalternadores o alternadores tacometricos: Proporcionan una señal alterna senoidal con frecuencia y amplitud proporcionales a la velocidad de rotación a diferencia de la tacodinamo el elemento que gira es el inductor o rotor formado por un imán permanente o electroimán, tiene la ventaja frente a la tacodinamo que no utiliza colector y escobillas, lo que le dota de mayor duración. Tiene una sensibilidad comprendida entre los 2 y 10 mV por R.P.M. permite la medida de mayores velocidades que las tacodinamos.
Transductores de Presión Pueden medir la presión de manera directa o indirecta. -De manera directa: Comparándola con la que ejerce un líquido de densidad y altura conocidas (tubo en U). -De manera indirecta: A través de la deformación que experimentan diversos elementos elásticos constituyentes del transductor (tubo Bourdon, en espiral y en hélice, diafragma, fuelle, etc.) -Manómetro de tubo en U: Se utiliza para medir presiones cercanas a la atmosférica. Consta de un tubo en forma de U (generalmente contiene mercurio) con una de las ramas abiertas mientras que la otra se aplica la presión.
Transductores de temperatura La medida de la temperatura se realiza con mucha frecuencia en la industria. Los transductores de temperatura más importantes son: -Termoresistencias: Se basan en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Se denominan también sondas de resistencia, sondas termométricas o simplemente resistencias RTD. Sabemos que existe una relación entre la resistencia y la temperatura de un cuerpo. Es semejante a las galgas extensiométricas. Las Termoresistencias están constituidos por un hilo muy fino de un conductor metálico, bobinado entre capas de material aislante y protegidos con un revestimiento de vidrio o de cerámica. Para el hilo se puede emplear Platino, Níquel, Cobre o Wolframio. Las variaciones de existencia que sufren se suelen medir mediante un puente de Wheatstone. -Termistores: Se basan en la variación de la resistencia de un semiconductor con la temperatura. En función de cómo varían la resistencia con la temperatura se clasifica en: Termistores o Resistencia NTC: Son de coeficiente de temperatura negativo, es decir la resistencia disminuye al aumentar la temperatura o viceversa.
Termistores o resistencia PTC: Son de coeficiente de temperatura positivo, es decir la resistencia aumenta o disminuye al aumentar o disminuir respectivamente la temperatura. Se utilizan como medida de temperatura en motores eléctricos, hornos, protección de sobrecargas, etc.
Transductores de luz Hacen uso de las variaciones luminosas. Los más importantes son las fotorresistencias o LDR, los fotodiodos y los fototransistores. -LDR; Varían su resistencia dependiendo de la luz que inciden sobre ellas. Son de coeficiente de luz negativo, es decir la resistencia disminuye al aumentar la luz o viceversa. -Fotodiodos; Su funcionamiento se basa en la conducción inversa de un diodo cuando este se somete a la acción de la luz. Al aumentar la cantidad de la luz incidente se incremente la circulación de corriente inversa. -Fototransistores; Funcionan de manera similar a la de un transmisor normal en el que la corriente que se inyecta por la base del transistor ha sido simulada por la luz.
SENSORES PIEZOELECTRICOS.
Piezoelectricidad La piezoelectricidad (del griego piezein, "estrujar o apretar") es un fenómeno que ocurre en determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, en su masa adquiere una polarización eléctrica y aparece una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. Este fenómeno también ocurre a la inversa: se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma. Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que carecen de centro de simetría. Una compresión o un cizallamiento provocan disociación de los centros de gravedad de las cargas eléctricas, tanto positivas como negativas. Como consecuencia, en la masa aparecen dipolos elementales y, por influencia, en las superficies enfrentadas surgen cargas de signo opuesto.
SENSORES PIEZOELECTRICOS
Debido a su amplia utilización en el campo de la medida de vibraciones, explicamos a continuación las características más importantes de este tipo de sensores. El funcionamiento de este tipo de sensores se basa en el efecto piezoeléctrico descubierto por Jacques y Pierre Curie en 1880 en los cristales de cuarzo. Este fenómeno se produce en determinados sistemas cristalinos y consiste en la aparición de una cierta carga eléctrica cuando el cristal es sometido a algún tipo de deformación. Además del cristal de cuarzo, existen otras sustancias naturales que poseen comportamientos similares tales como la turmalina o la sal de Rochelle. Estas sustancias tienen una gran estabilidad tanto ante el cambio en las condiciones medioambientales como en el transcurso del tiempo, pero las señales que son capaces de producir resultan muy débiles lo que es un problema para cualquier sistema de instrumentación. Habida cuenta de la importancia del fenómeno y de su aplicabilidad, se empezó a trabajar en el desarrollo de cristales que exhibieran las mismas propiedades que estos materiales naturales pero que mejoraran su comportamiento desde el punto de vista de la potencia de las señales producidas. Así, se obtuvieron materiales como el titanato de bario o el titanato-circonato de plomo (PZT) que, si bien no tienen tanta estabilidad como las sustancias naturales, sí que presentan un nivel mucho más alto de señal de salida lo que redunda directamente en una mejora de los parámetros más significativos de cualquier sistema de instrumentación. Los materiales sintéticos producen el efecto piezoeléctrico gracias a la anisotropía de su estructura y a la distribución de sus cargas eléctricas, que se suele conseguir después de un tratamiento.
Acelerómetros
Instrumento que sirve para medir la aceleración de movimiento de un vehículo Tipos de acelerómetros Los métodos para medir la aceleración son muy variados por lo que sólo vamos a mencionar algunos de ellos: • Acelerómetros mecánicos: emplean una masa inerte y resortes elásticos. En este tipo de acelerómetro los cambios se miden con galgas extensiométricos, incluyendo sistemas de amortiguación que evitan la propia oscilación. Otros sistemas emplean sistemas rotativos desequilibrados que originan movimientos oscilatorios cuando están sometidos a aceleración (servo acelerómetros) o detectan el desplazamiento de una masa inerte mediante cambios en la transferencia de calor (acelerómetros térmicos). • Acelerómetros capacitivos: modifican la posición relativa de las placas de un microcondensador cuando está sometido a aceleración. • Acelerómetros piezoeléctricos: su funcionamiento se basa en el efecto piezoeléctrico y son, probablemente, de los más usados en la medida de vibraciones. Su principal inconveniente radica en su frecuencia máxima
de trabajo y en la incapacidad de mantener un nivel permanente de salida ante una entrada continua. • Acelerómetros micromecánicos (MEMS según las siglas anglosajonas Micro-Electro-Mechanical-System): este tipo de dispositivos ha sido desarrollado para su empleo como sensor de impacto en los sistemas de airbag, en sistemas antibloqueo de frenos o en cualquier otro proceso en que se pretenda medir impacto.
