1. Sensores resistivos.

Los sensores moduladores del tipo resistivos, son aquellos que varían una resistencia en función de la variable a medir. Existen muchos tipos de sensores resistivos los cuales se pueden clasificar por el tipo de variable a medir. Estas variables pueden ser mecánicas, térmicas magnéticas ópticas o químicas

1.1. Potenciómetros (Variables mecánicas)

El potenciómetro es un sensor utilizado para medir la variable mecánica o, y consiste de un dispositivo con dos partes y tres terminales. Una de las partes es una resistencia fija descubierta la cual puede ser de carbón o de hilo arrollado. La otra parte es un contacto móvil que se desplaza por la resistencia fija.

El potenciómetro puede tener un comportamiento lineal o no lineal.

R = (ρ/A)(L-X) R = (ρ/2AD)(L-X)(L-X)

donde:
ρ = Resistividad del material (Ωm)
A = Sección transversal.
L = Longitud del conductor.
X = Distancia desplazada.
D = Diámetro

A medida que el valor de X disminuye, el valor de R aumenta y si X aumenta, el valor de resistencia disminuirá. Esto quiere decir que X es inversamente proporcional a la resistencia del potenciómetro.

El problema fundamental de este componente es la deformación de su área ya que se ve afectada por las variaciones de temperatura, presión y el desgaste con el tiempo.

Si el potenciómetro tiene una resistencia fija de carbón pueden dar una salida analógica, si la resistencia fija es de hilo arrollado, la salida será digital. El potenciómetro se utiliza para medir preferiblemente desplazamientos, conectando el objeto de medición a su cursor. Sin embargo, puede ser utilizado para medir otras variables de forma indirecta, cuando estas generen desplazamientos en otros dispositivos.

1.2. Galgas extensométricas (Variables mecánicas)

Se basan en el efecto piezorresistivo ya descrito para el potenciómetro. La diferencia es que ahora se busca modificar la resistencia variando algunos de los parámetro de la resistencia, por ejemplo, su longitud l o su sección transversal A.

Las galgas extensiométricas (Strain gages) se utilizan en la industria para medir con precisión grandes fuerzas, especialmente grandes pesos. También hay galgas extensiométricas diseñadas para medir pequeñas fuerzas, pero no son comunes. Una galga extensiométrica básicamente es un hilo de resistencia firmemente adherido a una superficie de un objeto fuerte el cual recibe entonces una fuerza. Cuando es aplicada una fuerza al objeto, este se deforma ligeramente. Es decir, el objeto bien sea se estira ligeramente o se comprime ligeramente, dependiendo de sí recibe una fuerza de tensión o de compresión. El hilo de resistencia, que está pegado a la superficie del objeto, también se deforma ligeramente. La deformación del hilo cambia su resistencia, la cual es detectada y relacionada al valor de la fuerza.
Si a una pieza de material resistivo se le aplica un esfuerzo, esta se deformará, y cambiará su resistencia. Por tanto, este tipo de sensores se utiliza para medir fuerza o presión, aunque también puede aplicarse a la medida de cortos desplazamientos y medida de vibraciones.

El comportamiento de una galga es el siguiente:

Si se le aplica una fuerza perpendicular a un material conductor cilíndrico, de tal forma de comprimirlo o estirarlo. Como por ejemplo:

Entonces:

σ = F/A = Eε = E(dL/L)

donde:
E = Constante del material o módulo de Young en Pa
σ = Tensión mecánica o esfuerzo en Pa o Kg/cm2
F = Fuerza sobre la galga.
A = Área
ε = Deformación unitaria adimensional, normalmente dada en μdeformaciones
(10-6 m/m)

Después de realizar un análisis físico y matemático, se puede llegar a la siguiente conclusión:

F = AEε = AE(dR/R)(1/K)

Donde K se denomina factor de sensibilidad de la galga.

Hay que ser muy cuidadoso al momento de manipular este componente ya que son muy delicadas y su margen de elasticidad es muy limitado, también hay que saber que se ven afectadas por los cambios de temperatura y que además hay que tener en cuenta que el esfuerzo debe ser totalmente transversal a la galga.

1.3. Termorresistencias (Variable térmicas)

Una termorresistencia es un dispositivo que varía su resistencia con respecto a la temperatura. Suele denominarse RTD (Resistive temperature detector)

Se simboliza de la siguiente forma:

Su ecuación característica es la siguiente:

R = Ro (1 + α1T + α2T^2+… αnT^n)

Donde α es la sensibilidad del material, y R0 es la resistencia a la temperatura de referencia.

La ventaja de este dispositivo es que tiene una muy alta sensibilidad. Al momento de realizar una aproximación se toma solo el primer coeficiente de la ecuación característica y los demás se desprecian, de esta forma resulta:

R = Ro (1 + α1T)

Unos de los principales problemas de trabajar con termorresistencias es que no puede medir temperaturas próximas a la de la fusión del conductor con que se fabrica, el autocalentamiento ocasionará derivas en la medición y si por alguna razón se deforma, puede cambiar su patrón de medición.



1.4. Termistores (Variables térmicas)

Los termistores también son resistencia que varían su magnitud con la temperatura. Se diferencian de las termorresistencia por que están basadas en semiconductores. Por tanto su característica no es lineal, aunque dentro de un margen adecuado pueda ser considerada de esa manera.

Los termistores es simbolizan de la siguiente manera:

PTC quiere decir que la resistencia se incrementa con la temperatura mientras que NTC disminuye con relación a ella.

El símbolo depende del tipo de termistor (PTC o NTC)

Los termistores tiene como ventajas el ser más sensible que las termorresistencias, más rápidas y permite hilos de conexión mayores. Pero tienen como desventaja el ser no lineal, y a demás, al variar su temperatura por el autocalentamiento del material pierde precisión.

Los termistores pueden ser utilizados para medir directamente temperatura por variación de corriente, medir el caudal en un circuito puente, como protección por autocalentamiento en ciertos circuitos, entre muchas otras aplicaciones.

1.5. Magnetorresistencias (Variable magnéticas)

Las magnetorresistencias se basan en la variación de resistencia en un conductor por variaciones en el campo magnético y Está formada por una aleación de Hierro y Níquel. Este efecto se denomina efecto magnetorresistivo y fue descubierto por Lord Kelvin en 1856.

Este dispositivo se caracteriza por ser de orden cero, tener una alta sensibilidad y por proveer un amplio margen de medición.

Las magnetoresistencias son utilizadas a la hora de medir campos magnéticos u otras magnitudes que provean un cambio en el campo magnético, como detectores de proximidad, nivel de flotador, etc. En estos casos se utiliza un imán que cambia su posición con el proceso. El campo generado por el imán es medido por la magnetorresistencia.


1.6. Fotorresistencias (Variables ópticas)

Las fotorresistencias o LDR, son dispositivos que cambian su resistencia con relación al nivel de incidencia de luz. Están formadas por materiales semiconductores.

La fotorresistencia se simboliza de la siguiente forma:

1.7. Higrómetros resistivos (Variables químicas)

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 si, 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.

Un material típico es el aislante eléctrico, el cual disminuye su resistencia al aumentar su contenido de humedad.


2. Sensores de reactancia variable

Los sensores de reactancia tienen la ventaja de tener un efecto de carga mínimo o nulo, son ideales para la medida de desplazamientos lineales y angulares y para la medida de humedad; la no-linealidad intrínseca puede superarse usando sensores diferenciales.

Como limitación tiene que la máxima frecuencia de variación admisible en la variable medida debe ser menor a la frecuencia de la tensión de alimentación empleada.

Se pueden clasificar en sensores capacitivos e inductivos.



2.1. Sensores Capacitivos

Los sensores capacitivos pueden ser simples (Co +/- C) y diferenciales (Co + C , Co – C).
El caso simple es el condensador variable.

2.1.1. Condensador variable

Un condensador está formado por n número de placas las cuales están separadas por un material dieléctrico. Por ejemplo:

Y su ecuación característica será:

C = Q/V
Donde:
Q = carga
V = diferencia de potencial

Dependiendo del número de capas:

C = εo*εr(A/d)(n-1)

Donde:
ε0 = 8.85pFm y εr = ε / ε0
ε es la constante dieléctrica del material y ε0 es la constante dieléctrica del vacio
n es el número de capas, A es el area de cada una de ellas y d es la distancia que las separa.

Estos capacitores son utilizados para la medida de desplazamientos lineales y angulares o cualquier otra magnitud que se pueda convertir en desplazamiento, pueden ser empleados como detector de proximidad o para medir nivel de líquido en un contenedor.

Algunos de los problemas que presentan este tipo de sensor es que no se puede despreciar el efecto de los bordes (los electrones a los bordes de las placas no viajan en línea recta hacia la próxima sino en forma angular ). El aislamiento entre placas debe ser alto y constante. Existen muchas interferencias capacitivas las cuales se pueden disminuir mediante la técnica de apantallamiento para llevar todos los posibles contactos a tierra. Además los cables de conexión generan condensadores parásitos.

Se pueden obtener salidas directamente proporcionales o inversamente proporcionales, y por tanto no lineal. Si lo que varía es la distancia d y se mide la admitancia (proporcional a C), la medida sería no lineal. Pero si se mide la impedancia, la medida sería lineal. El uso de sensores diferenciales permitirá superar esta dificultad.

Otro problema importante es la alta impedancia de salida de este tipo de sensores, determinada por el dieléctrico no conductor utilizado. Para resolver en este caso se puede colocar la electrónica de acondicionamiento, usar un transformador de impedancia o medir la intensidad de corriente en vez de la tensión.

Las ventajas de estos capacitores son que como sensor de desplazamiento tienen un error por carga mecánica casi nulo, tienen una estabilidad y reproducibilidad elevadas. La capacitancia no depende de la conductividad de las placas y por tanto tampoco de la temperatura y se pueden obtener altas resoluciones, al variar bastante la capacidad.

2.1.2. Condensador diferencial

Un condensador diferencial consiste en dos condensadores conectados de tal forma que experimentan el mismo cambio pero con sentidos opuestos. Por ejemplo:

Si se toma el modelo anterior donde el condensador diferencial esta basado en la variación lineal de la distancia entre las placas, “x”. El área de cada placa es “A”, y la distancia entre placas en reposo se simboliza por “d”. Vs es la tensión de excitación del transductor.

A partir de esto se tienen las capacidades de los condensadores formados por cada placa de los extremos (fijas) y la central, móvil

La tensión de salida se obtiene a partir de las tensiones de la Fig. 13, operado con los fasores de tensión (diferencias de potencial entre los “sub-condensadores”) en régimen sinusoidal permanente



Los sensores capacitivos presentan una situación particular que deben ser alimentados con una señal alterna de excitación. Como se prefiere una capacidad sensora menor a 100 pF, la frecuencia oscilará entre 10 kHz y 100 MHz.

La ventaja de los condensadores diferenciales está en que proveen una salida lineal y permiten la medida tan pequeña como 10-13 mm a 10 mm, y capacidades desde 1 pF a 100 pF.

Consiste en un principio similar al de los sensores resistivos diferenciales: mientras uno se incrementa el otro disminuye en la misma proporción, y viceversa.



2.1.3. Acondicionamiento de sensores capacitivos

Los circuitos de acondicionamiento dependerán de si el sensor es simple o diferencial. Para el caso de condensador simple se tiene.

Divisor de tensión:

El divisor de tensión es un circuito simple que también se aplica para estos sensores.

De aquí se tiene que:

Vs = V (1 + X)/2

si y solo si, Z =Z0



Amplificador de Carga

Un amplificador de carga es un tipo especial de preamplificador que se usa en acelerómetros piezoeléctricos sin circuitos integrados.Su propósito es de convertir la impedancia de salida extremadamente alta del acelerómetro a un valor bajo,adaptado para transmitir la señal de vibración a través de cables a otros instrumentos que la van a procesar.El amplificador de carga es sensible a la cantidad de carga eléctrica generada por el acelerómetro en lugar de al voltaje que genéra el mismo.Ya que la carga es independiente del cable conectado al acelerómetro,la sensibilidad del acelerómetro no varía con la longitud del cable como lo hace cuando se usa un amplificador de voltaje.


Un amplificador de transconductancia variable (OTA)
Es un dispositivo electrónico parecido a un amplificador operacional. Si bien en un amplificador operacional, la tensión de salida es proporcional a la tensión de entrada, en un amplificador operacional de transconductancia, es la corriente de salida la que es proporcional a la tensión de entrada:

Esto se consigue con una alta impedancia de salida, a diferencia del amplificador operacional (OA) que presenta una baja impedancia a la salida. Esto implica que el OTA trabajará con bajas corrientes de salida.
OTA´s clásicos son el CA3080 de Harris y el LM13600.
Estos circuitos integrados (C.I.) disponen de una entrada de corriente (Amplifier bias input) que controla la ganancia de corriente.
Colocando una resistencia a la salida, se puede hacer la conversión de corriente a tensión, transformando el dispositivo en un amplificador controlado por tensión a través de la referida entrada (amplifier bias input).
La aplicación práctica más común de estos dispositivos es la de amplificador de ganancia variable controlada por tensión (como control de volumen en equipos de audio). Actualmente, para estas aplicaciones existen C.I. de controles de volumen específicos, controlados por una tensión DC o por una señal digital para adecuar un interfaz de un pulsador o de la señal de un mando a distancia.





2.2. Sensores inductivos

Los sensores inductivos son aquellos que producen una modificación de la inductancia o inductancia mutua por variaciones en un campo magnético. Estas variaciones pueden ser producidas por perturbaciones en el campo, o modificación de la distancia de influencia del campo. Solo hablaremos de dos tipos: la reluctancia variable y la inductancia mutua.

2.2.1. Reluctancia variable

Este de sensor trabaja con el flujo de campo magnético y se basa en la siguiente ecuación:

L = N(dФ/dI)

Donde:
Ф es el flujo de campo magnético
I es la corriente
N es el número de vueltas del inductor.

Pero el flujo magnético es igual al cociente entre la fuerza magnetomotriz M y la reluctancia magnética R, y además, M = NI, por lo que:

L = N^2/R

Para encontrar la reluctancia magnética R, se aplica la siguiente ecuación:

R = 1/(μo*μr(L/A))

Donde:
μr es la permeabilidad relativa del núcleo
L = recorrido de las líneas de campo en el aire.
A = Area de las bobinas.




Algunos de los principales problemas que trae este sensor son los campos magnéticos parásitos los cuales afectan a L, por lo que se deben apantallar. La relación L y R no es constante y varía hacia los extremos además son inversamente proporcionales, por lo que las medidas serán normalmente no lineales. Por último la temperatura de trabajo debe ser menor a la de Curie del material usado.

Las ventajas de este dispositivo es que la humedad lo afecta muy poco, tiene poca carga mecánica y una alta sensibilidad.



2.2.2. Inductancia mutua (LVDT)

Este tipo de sensores se basa en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de los dos secundarios al desplazar el núcleo. La denominación LVDT viene de Linear Variable Differential Transformer.

Este sensor tiene el siguiente comportamiento:

Aunque este dispositivo cambia la impedancia mutua, la salida es una tensión alterna modulada, no un cambio de impedancia.

Algunos de los inconvenientes es que en el centro la inductancia mutua no se anula, por deficiencias en el proceso de construcción. Además existe la presencia de armónicos en la salida

Sin embargo tiene las como ventajas que posee una resolución infinita, poca carga mecánica, bajo rozamiento (vida ilimitado y alta fiabilidad), ofrecen aislamiento eléctrico entre el primario y el secundario, aísla el sensor (vástago) del circuito eléctrico, alta repetibilidad y una alta linealidad.

2.2.3. Acondicionamiento de sensores inductivos

Para el acondicionamiento de los sensores inductivos se suele utilizar los divisores de tensión y puentes de alternas vistos para los sensores capacitivos. Para el LVDT habrá que utilizar un amplificador de portadora y detección coherente. Como su salida es de suficiente amplitud no suelen requerir de amplificación. Una alternativa es usar rectificadores de media onda u onda competa, y restar el resultado.


3. Sensores electromagnéticos
Son aquellos dispositivos en los que una magnitud física puede producir una alteración de un campo magnético o de un campo eléctrico, sin que se trate de un cambio de inductancia o de capacidad. En este apartado se tratan algunos de los más habituales.

3.1. Sensores basados es la ley de Faraday
En un circuito o bobina con N espiras que abarque un flujo magnético f, si éste varía con el tiempo se induce en él una tensión o fuerza electromotriz, e, que viene dada por:
e=-N(df/dt)
El flujo f puede ser variable de por si (por ejemplo, cuando es debido a una corriente alterna), o bien puede ser que varíe la posición del circuito con respecto al flujo siendo éste constante. Los tacómetros de alterna son del primer tipo, mientras que los tacómetros de continua, los medidores de velocidad lineal y los caudalímetros electromagnéticos son del segundo tipo.

3.2. Sensores de efecto hall

El efecto Hall, descubierto por E. H. Hall en 1879, consiste en la aparición 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. En la figura 3.42 se indica el sentido de la tensión obtenida para el caso de un semiconductor, que depende del tipo de portadores de corriente mayoritarios. Sobre éstos aparece una fuerza (de Lorenz) F=(qv)x(B), con la consiguiente acumulación de cargas en las superficies que dan origen a una tensión tal que la fuerza sobre los portadores equilibra la fuerza debida al campo magnético. Como la dirección de la fuerza depende del tipo de portadores mayoritarios, la tensión Hall tiene signo distinto para un material p que para uno n.
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.

La relación entre estos parámetros es:

AH=(VH.t)/IB

La aplicación de este principio a la medida de magnitudes físicas es, simple siempre y cuando la magnitud de interés provoque una variación del flujo magnético B. No obstante, el comportamiento descrito es un tanto ideal. En la práctica, la tensión Hall depende de otros factores como son la tensión mecánica o presión,
p, y la temperatura, T, de forma que se tiene:

VH=VH(B)+ VH(I)+ VH(p)+ VH(T)

La dependencia de la presión (efecto piezorresistivo) es un factor a ser considerado sobre todo por el fabricante al encapsular el componente, puesto que para el usuario es fácil adoptar precauciones al respecto. La temperatura tiene un efecto doble. Por una parte, afecta a la resistencia que presenta el elemento, por lo que si se alimenta a tensión constante la corriente de polarización, I, variará con la temperatura, y con ella la tensión de salida, VH. Por esta razón, es preferible alimentar a corriente constante que a tensión constante. Por otra parte, la temperatura afecta a la movilidad de los portadores mayoritarios y, por lo tanto, a la sensibilidad. Dado que estos dos efectos tienen signo opuesto, es posible su compensación con un circuito adecuado. En cualquier caso, siempre conviene limitar el valor de la corriente de control para evitar autocalentamiento.
Otra limitación importante en aplicaciones de precisión es la presencia de una tensión de desequilibrio (offset), que es la tensión obtenida con campo magnético nulo, a pesar de tener los electrodos bien centrados en las caras. Se debe a inexactitudes físicas y no uniformidades en la materia, y puede ser de hasta 100mV cuando se alimenta a 12V. La solución incorporada en algunos elementos consiste en disponer un electrodo de control adicional por el que se inyecta la corriente necesaria para tener una salida nula en ausencia de campo magnético. En otros campos se emplean dos sensores Hall conectados en paralelo y cuyas corrientes de polarización circulen en sentido contrario.
Frente a otros sensores sensibles a un campo magnético, los elementos Hall tienen la ventaja de que su salida es independiente de la velocidad de variación del campo detectado. En los sensores inductivos, cuando la velocidad de variación del flujo es lenta, la salida es muy pequeña.
Comparados con los sensores basados en un emisor y detector óptico, los elementos Hall ofrecen las ventajas de ser inmunes a las condiciones ambientales (contaminación por polvo y humedad, vibraciones), y de tener características constantes. En un par emisor-detector óptico, la luz del emisor con el tiempo. La ausencia de contactos, cuando se aplican a la detección de movimientos, les confiere mayor robustez que la que tienen los sensores donde aquéllos están sometidos a desgastes y son una fuente de interferencia por la presencia de arcos eléctricos.