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Sensores y transductores




Enviado por Pablo Turmero



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    1 SENSORES Y TRANSDUCTORES Sistemas electrónicos de medida
    y regulación Sensores y transductores Sensores de
    posición, distancia y desplazamiento Sensores de
    temperatura Sensores de velocidad Sensores de presión
    Sensores de proximidad Reguladores Preaccionadores y actuadores
    Distintas tecnologías

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    2 Sensores y transductores Sistemas electrónicos de medida
    y regulación: (Gp:) Entradas (Gp:) Salidas (Gp:) Variables
    de perturbación (Gp:) Variables de estado (Gp:) SISTEMA
    Sistema: conjunto formado por una serie de elementos para
    realizar una función dada. Variable de entrada: son
    señales que llegan al sistema desde el exterior. Pueden
    ser variables o fijas Variable de salida: es la respuesta del
    sistema. Variables de perturbación: Son señales no
    deseadas y hay que tratar de minimizar sus efectos. Variables de
    estado: son el conjunto mínimo de variables del sistema
    capaces de definir de manera única al sistema, en el
    sentido que permita conocer la variable de salida para cualquier
    variable de entrada.

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    3 Sensores y transductores Sistemas electrónicos de medida
    y regulación: Ejemplo: Si se desea posicionar una antena
    mediante un mando eléctrico, la variable de entrada
    sería la tensión eléctrica suministrada al
    motor de giro por un operador. Una variable de
    perturbación sería el viento que podría
    modificar la posición alcanzada. La variable de salida
    sería la posición de la antena y las variables de
    estado las distintas posiciones del potenciómetro para
    cada posición de la antena.

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    4 Sensores y transductores Sistemas de control continuo: (Gp:)
    CONTROL (Gp:) PROCESO (Gp:) E (Gp:) S (Gp:) Control (Gp:) Proceso
    (Gp:) Realimentación (Gp:) Comparador (Gp:) E (Gp:) S
    Sistemas de cadena abierta: no existe vigilancia sobre la
    señal de salida. Problema: es incapaz de resolver los
    problemas causados por las posibles perturbaciones Sistema de
    cadena cerrada o realimentada: recibe información desde la
    salida para determinar si ésta se ha ejecutado
    correctamente. Para ello, se establece una realimentación
    desde la salida hacia la entrada.

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    5 Sensores y transductores Sistemas de control continuo:
    Servosistema: sistema de cadena cerrada y entrada variable.
    Servomecanismo: servosistema en el que la salida es una magnitud
    física como posición, velocidad, temperatura, etc.
    La estructura general de un servosistema es el siguiente: (Gp:)
    Detector de error (Gp:) Regulador (Gp:) Accionador (Gp:)
    Realimentación (Gp:) Xe (Gp:) S (Gp:) Proceso (Gp:)
    Transductor de salida (Gp:) Transductor de entrada (Gp:) Xs (Gp:)
    Xc

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    6 Sensores y transductores Sistemas de control continuo: Ejemplo:
    Un ejemplo práctico de servomecanismo puede ser un
    regulador de velocidad de un motor. (Gp:) Regulador (Gp:) Dinamo
    tacométrica (Gp:) Verr (Gp:) Vc (Gp:) Motor (Gp:) V

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    7 Sensores y transductores Sistemas de control continuo:
    Función de transferencia: FDT (Gp:) A (Gp:) B (Gp:) Xe
    (Gp:) Xs (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) Comparador FDT total: relaciona la
    señal de salida con la entrada. Indica la estabilidad del
    sistema. FDT de error: relaciona la señal de error con la
    señal de entrada. Se utiliza para determinar la
    precisión de un servosistema. FDT de lazo abierto: es la
    función de transferencia que se obtiene si al lazo cerrado
    se le desconecta la red de realimentación.

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    8 Sensores y transductores Sistemas de control por ordenador:CPC
    Consiste en la introducción de un ordenador como elemento
    constituyente del sistema de control. De los elementos que
    componen un servosistema, el más importante era el
    regulador, ya que determinada muchas de las
    características del sistema. Se empieza a utilizar un
    ordenador como elemento regulador de control. Este hecho da lugar
    a las técnicas de análisis y diseño de
    sistemas de control digital, también denominadas sistemas
    muestreados o discretos de control. (Gp:) Ordenador (Gp:) Proceso
    (Gp:) Realimentación (Gp:) Xe (Gp:) Xc (Gp:) Xs (Gp:)
    Xr

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    9 Sensores y transductores Sistemas de control por ordenador:CPC
    El ordenador asume la función del comparador y del
    regulador analógico. La distinta naturaleza de las
    señales implica que debe existir otro bloque más,
    capaz de realizar la conversión entre ambos tipos de
    señales. Estos bloques están implementados
    físicamente por los convertidores
    analógicos-digitales (A/D) o digital-analógico
    (D/A). A estos bloques también se les denomina interfaces.
    (Gp:) Ordenador (Gp:) Proceso (Gp:) Realimentación (Gp:)
    Xe (Gp:) Vcn (Gp:) Vs(t) (Gp:) Vr(t) (Gp:) A/D (Gp:) D/A (Gp:)
    D/A (Gp:) Vin (Gp:) Ve(t)

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    10 Sensores y transductores Sistemas de control por ordenador:CPC
    Ventajas: Mayor calidad: se pueden obtener señales de
    control muy complejas a partir de las señales de error,
    sin necesidad de cambiar ningún elemento del sistema.
    Mayor exactitud: esto se debe a la mayor capacidad de
    cálculo del ordenador. Control múltiple: Un mismo
    elemento puede ser utilizado para realizar el control de varios
    procesos simultáneamente. Mayor versatilidad del sistema:
    se puede cambiar la acción de control sin más que
    cambiar el programa en ejecución. Acciones
    complementarias: es posible realizar una serie de acciones
    complementarias como visualización instantánea de
    todas las variables de proceso, presentación,
    análisis estadístico, simulaciones, etc.

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    11 Sensores y transductores Sistemas de control por ordenador:CPC
    Inconveniente: Seguridad de funcionamiento. Es habitual que un
    mismo ordenador realice esta función para distintos
    procesos, por lo que una avería del mismo, dejará
    todo el sistema paralizado. Suele aumentarse la seguridad
    duplicando o triplicando la alimentación, la
    programación, etc.

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    12 Sensores y transductores Sistemas de control por ordenador:CPC
    Para evitar este problema se ha desarrollado el control
    analógico-digital o control de punto de referencia (DAC).
    El ordenador está encargado únicamente de la
    generación de las señales de referencia. Estas
    señales actúan sobre comparadores de control
    continuo, que junto con los reguladores mantienen íntegro
    el concepto de control continuo. Para asegurar su funcionamiento,
    se realiza la conexión directa (by-pass) de las variables
    de entrada al comparador. (Gp:) Ordenador (Gp:) Proceso (Gp:)
    Realimentación (Gp:) Xe (Gp:) Ven (Gp:) Vr(t) (Gp:) A/D
    (Gp:) D/A (Gp:) D/A (Gp:) Vin (Gp:) Ver(t) (Gp:) Regulador (Gp:)
    BY-PASS (Gp:) Comparador

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    13 SENSORES Y TRANSDUCTORES Sistemas electrónicos de
    medida y regulación Sensores y transductores Sensores de
    posición, distancia y desplazamiento Sensores de
    temperatura Sensores de velocidad Sensores de presión
    Sensores de proximidad Reguladores Preaccionadores y actuadores
    Distintas tecnologías

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    14 SENSORES Y TRANSDUCTORES Sensores y transductores El
    transductor es un dispositivo que convierte una señal de
    una forma física determinada en otra señal de forma
    física diferente. Es un dispositivo que convierte un tipo
    de energía en otro. El sensor es un dispositivo que, a
    partir de la energía del medio donde se mide, da una
    señal de salida transducible, que es función de la
    variable medida.

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    15 SENSORES Y TRANSDUCTORES Sensores y transductores El
    transductor es un dispositivo que convierte una señal de
    una forma física determinada en otra señal de forma
    física diferente. Es un dispositivo que convierte un tipo
    de energía en otro. El sensor es un dispositivo que, a
    partir de la energía del medio donde se mide, da una
    señal de salida transducible, que es función de la
    variable medida.

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    16 SENSORES Y TRANSDUCTORES Sensores y transductores El
    transductor es un dispositivo que convierte una señal de
    una forma física determinada en otra señal de forma
    física diferente. Es un dispositivo que convierte un tipo
    de energía en otro. El sensor es un dispositivo que, a
    partir de la energía del medio donde se mide, da una
    señal de salida transducible, que es función de la
    variable medida.

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    17 SENSORES Y TRANSDUCTORES Clasificación: Señal de
    salida. Puede ser analógica o digital. En los
    analógicos, la información variará de forma
    continua, la información está en la amplitud (por
    ejemplo un potenciómetro). En una salida digital, la
    salida variará de forma discreta y hará que la
    transmisión de su salida sea más fácil (por
    ejemplo un codificador de posición). Parámetro
    variable. Resistencia, capacidad, inductancia, añadiendo
    luego los sensores generadores de tensión, carga o
    corriente, y así se hablará de sensores de tipo
    resistivo, inductivo, capacitivo, etc. Magnitud medida. Se habla
    así de sensores de posición, distancia,
    desplazamiento, temperatura, presión, fuerza, velocidad y
    presencia. Esta clasificación permite escoger el
    dispositivo correcto dentro de un sistema de control.

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    18 SENSORES Y TRANSDUCTORES Elección de un sensor:
    Magnitud a medir: conociendo cuál ha de ser el margen de
    medida, la exactitud deseada, la estabilidad, el tiempo de
    respuesta y las magnitudes que pueden interferir.
    Características de alimentación: tensión,
    corriente, potencia disponible, frecuencia (si es alterna),
    estabilidad. Características ambientales: teniendo en
    cuenta los márgenes del fabricante. Otros factores: vida
    media, coste de fabricación, coste de mantenimiento,
    tiempo de instalación, situación en caso de
    fallo.

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    19 SENSORES Y TRANSDUCTORES Sistemas electrónicos de
    medida y regulación Sensores y transductores Sensores de
    posición, distancia y desplazamiento Sensores de
    temperatura Sensores de velocidad Sensores de presión
    Sensores de proximidad Reguladores Preaccionadores y actuadores
    Distintas tecnologías

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    20 SENSORES Y TRANSDUCTORES Sensores de posición,
    distancia y desplazamiento Medida de grandes distancias: radar
    Medida de distancias cortas: ultrasonidos Medida de
    pequeños desplazamientos: Sensores de tipo resistivo:
    Potenciómetro Galgas extensiométricas Sensores de
    tipo inductivo Sensores de tipo capacitivo Medida de
    ángulos Sensores inductivos: resolver Sensores digitales:
    Codificadores incrementales Codificadores absolutos

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    21 SENSORES Y TRANSDUCTORES Medida de grandes distancias: radar
    Miden señales a distancias entre 100 metros y 10
    Kilómetros. El radar es básicamente un transmisor
    de radiaciones electromagnéticas a frecuencia muy elevada
    (5-20KHz) generadas por un oscilador modular a impulsos. Estas
    radiaciones son emitidas por una antena y un receptor amplifica
    los ecos recibidos del objeto cuya distancia se desea medir. Esta
    distancia se puede calcular como: El tiempo es de ida y vuelta,
    por tanto hay que dividirlo entre dos.

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    22 SENSORES Y TRANSDUCTORES Medida de distancias cortas:
    ultrasonidos Sensores que miden distancias entre 1
    centímetro y 10 metros Los ultrasonidos son radiaciones
    mecánicas de frecuencia superior a las audibles (20KHz).
    Toda radiación, al incidir sobre un objeto, en parte se
    refleja, en parte se transmite y en parte es absorbida. (Gp:)
    Transmisor (Gp:) Receptor (Gp:) Generador de pulsos (Gp:)
    Detector (Gp:) Contador (Gp:) S (Gp:) R (Gp:) Q (Gp:) Display
    (Gp:) Objeto

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    23 SENSORES Y TRANSDUCTORES Medida de pequeños
    desplazamientos: Sensores de tipo resistivo: Potenciómetro
    Galgas extensiométricas Sensores de tipo inductivo
    Sensores de tipo capacitivo

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    24 Medida de pequeños desplazamientos Sensores de tipo
    resistivo: Potenciómetro: Galgas extensiométricas:
    (Gp:) l (Gp:) x (Gp:) R

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    25 Sensores de tipo inductivo: Consiste en la variación de
    la inductancia mutua entre un primario y cada uno de los dos
    secundarios al desplazarse a lo largo de su interior un material
    ferromagnético, arrastrado por un vástago no
    ferromagnético, unido a la pieza, cuyo movimiento se desea
    medir. Medida de pequeños desplazamientos

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    26 Sensores de tipo capacitivo: Están formado por dos
    condensadores variables dispuestos físicamente de tal modo
    que experimentan el mismo cambio pero en sentidos opuestos. Los
    sensores capacitivos diferenciales se emplean para medir
    desplazamientos entre 10 y10mm, con valores de capacidad del
    orden de 1 a 1000pF (Gp:) Placas móviles (Gp:) Placas
    fijas Medida de pequeños desplazamientos

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    27 SENSORES Y TRANSDUCTORES Sensores de posición,
    distancia y desplazamiento Medida de grandes distancias: radar
    Medida de distancias cortas: ultrasonidos Medida de
    pequeños desplazamientos: Sensores de tipo resistivo:
    Potenciómetro Galgas extensiométricas Sensores de
    tipo inductivo Sensores de tipo capacitivo Medida de
    ángulos Sensores inductivos: resolver Sensores digitales:
    Codificadores incrementales Codificadores absolutos

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    28 SENSORES Y TRANSDUCTORES Medida de ángulos Sensores
    inductivos: resolver Sensores digitales: Codificadores
    incrementales Codificadores absolutos

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    29 Medida de ángulos Sensores inductivos: resolver El giro
    de la bobina móvil hace que el acoplamiento con las
    bobinas fijas varíe, consiguiendo que la señal
    resultante en éstas dependa del seno del ángulo de
    giro

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    30 Medida de ángulos Sensores inductivos: resolver La
    bobina móvil excitada con tensión V sen(wt) y
    girada un ángulo Ø induce en las bobinas fijas
    situadas en cuadratura las siguientes tensiones: V1 = V sen(wt)
    sen ØV2 = V sen(wt) cos Ø

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    31 Medida de ángulos Sensores digitales: Codificadores
    incrementales Codificadores absolutos: (Gp:) Sectores
    equidistantes (Gp:) Cabezal de lectura fijo (Gp:) Disco (Gp:)
    Regla (Gp:) Acoplamiento (Gp:) Desplazamiento lineal (Gp:) giro
    (Gp:) Eje El disco se divide en un número de sectores
    (potencia de 2) codificándose cada uno de ellos con un
    código binario

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    32 SENSORES Y TRANSDUCTORES Sistemas electrónicos de
    medida y regulación Sensores y transductores Sensores de
    posición, distancia y desplazamiento Sensores de
    temperatura Sensores de velocidad Sensores de presión
    Sensores de proximidad Reguladores Preaccionadores y actuadores
    Distintas tecnologías

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    33 SENSORES Y TRANSDUCTORES Sensores de temperatura Sensores
    resistivos RTD Termistores Sensores termoeléctricos Efecto
    Seebeck Efecto Thomson Efecto Peltier

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    34 Sensores de temperatura Sensores resistivos RTD:(Resistance
    Temperatura Dependent). Detectores de temperatura basados en la
    variación de su resistencia eléctrica. La
    resistencia aumenta con la temperatura. La dependencia se expresa
    mediante: Termistores:A diferencia de las RTD, que están
    basadas en conductores, los termistores se basan en
    semiconductores. Si su coeficiente de temperatura es negativo, se
    denominan NTC (Negative Temperature Coeficient), mientas que si
    es positivo se denominan PTC (Positive Temperature Coefficient
    )

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    35 Sensores de temperatura Sensores resistivos: Los termistores
    tienen numerosas aplicaciones; entre ellas se propone un
    termómetro digital. El sistema de control se basa en que
    la tensión entre los puntos A y B del puente de Wheatstone
    variará en función del NTC. (Gp:) 37 (Gp:) +V (Gp:)
    Amplificador (Gp:) A (Gp:) B

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    36 Sensores de temperatura Sensores termoeléctricos Efecto
    Seebeck Efecto Thomson Efecto Peltier (Gp:) T (Gp:) T+T (Gp:) A
    (Gp:) B (Gp:) T (Gp:) T+T (Gp:) A (Gp:) B (Gp:) T+T (Gp:) A (Gp:)
    B (Gp:) T-T (Gp:) Cede calor (Gp:) Absorbe calor Efecto Seebeck
    en un termopar: aparece una corriente o una diferencia de
    potencial cuando hay dos uniones a diferente temperatura. Efecto
    Peltier: al hacer circular corriente por un circuito de
    termopares, una unión se enfría y la otra se
    calienta.

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    37 SENSORES Y TRANSDUCTORES Sistemas electrónicos de
    medida y regulación Sensores y transductores Sensores de
    posición, distancia y desplazamiento Sensores de
    temperatura Sensores de velocidad Sensores de presión
    Sensores de proximidad Reguladores Preaccionadores y actuadores
    Distintas tecnologías

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    38 SENSORES Y TRANSDUCTORES Sensores de velocidad: De tipo
    digital (tacómetro): Por ultrasonidos: Efecto Doopler a
    partir de un codificador incremental obtiene m impulsos por cada
    vuelta. Si se contabilizan N impulsos durante un intervalo T, la
    velocidad angular es:

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    39 Sensores de velocidad Por ultrasonidos: Efecto Doopler (Gp:)
    Transmisor (Gp:) Mezclador (Gp:) Contador (Gp:) Filtro paso alto
    (Gp:) Base de tiempos (Gp:) Móvil (Gp:) ft (Gp:) fr (Gp:)
    ft (Gp:) fr Diseño en bloque de un radar de
    tráfico.

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    LA VERSIÓN DE DESCARGA

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