06 transductores

Transductores

TRANSDUCTORVariable medida Salida eléctrica

Excitación

Diagrama en bloques de un transductor

Características y propiedades de los transductores

• Propiedad captable

• Principio de detección

fuente infrarroja

mezcla de aire respiratorio

* oxígeno* nitrógeno* vapor de agua

detector de rayosinfrarrojos

Detección del dióxido de carbono en la mezcla de aire respirado

El margen de entrada de un elemento se especifica con los valores mínimo y máximo de la entrada (I) es decirle valor de Imin a Imax. El alcance de salida se especifica con los valores mínimo y máximo de la salida (O) es decir los valores Omin a Omax.

Así un transductor de presión puede tener un alcance de entrada de 0 a 10000 pascales y un alcance de salida de 4 a 20 mA;

Un termopar un alcance de entrada de 100 a 250 C y un alcance de salida 4 a 10 mV.

Características estáticas

Margen, Alcance (Range)

Estas permiten obtener una relación directa punto a punto de la señal de salida en función de la entrada.

Características estáticas

Curva de Calibración

Se dice que un elemento es lineal si los valores correspondientes de I y O están sobre una línea recta. La línea recta ideal conecta el punto mínimo A (Imin , Omin) con el punto máximo B (Imax , Omax) La ecuación de la línea recta es:

Características estáticas

)( minminmax

minmaxmin II

II

OOOO

aKIOIdeal

minmax

minmax

II

OOK

Linealidad

Es la mínima variación de la señal de entrada que es detectada a la salida.

Características estáticas

Sensibilidad

Características estáticas

100H%minmax

OO

OO

HistéresisHabilidad que tiene u transductor De producir una salida que siga a la entrada independienteDe la dirección de cambio en la entrada

Pasivos: Ellos mismos son capaces de entregar la señal necesaria para ser medida e interpretada por el acondicionador.

Activos: Estos requieren una alimentación externa para poder generar la señal que será medida por el acondicionador.

Clasificación de los transductores (Según sus Características Eléctricas)

Transductor Pasivo

Variable física

Transductor Activo

Variable física

Clasificación de los transductores (Atendiendo a su aplicación)

• Transductores de desplazamiento,

• Transductores de temperatura,

• Transductores de presión,

• Transductores de esfuerzo,

• Transductores de humedad,

• Transductores de flujo,

• Etc.

Sensores de desplazamiento(Tabla comparativa)

Michael R. Neuman. Physical Measurements. The Biomedical Engineering HandBook.. Ed. J. D. Bronzino by CRC Press LLC. 2000.

Michael R. Neuman. Physical Measurements. The Biomedical Engineering HandBook.. Ed. J. D. Bronzino by CRC Press LLC. 2000.

Resistencia variable

Galga extensométrica

Transformador diferencial con variación lineal

Sensor capacitivo Sensor ultrasonido por tiempo de tránsito

• Resistivos: Potenciómetros, galgas extensiométricas, termoresistencias y termistores.

• Inductivos: por cambio de reluctancia (RVT), acoplamiento magnético (LVDT) o por modificación de permeabilidad por tensión mecánica (efecto magnetoelastico o magnetostricción)

• Capacitivos: por cambio de dimensión de las placas capacitivas o por modificación del dieléctrico entre las placas.

• Térmicos: Producen energía al someter dos metales unidos en un extremo a una temperatura diferente al extremo de medición. Basados en el efecto de Peltier, Seebeck y Thomson.

• Piezoeléctricos: producen una tensión eléctrica al ser sometidos a una presión mecánica.

• Semiconductores: Pueden utilizarse para medir temperatura debido a que su voltaje cambia alrededor de 2 mV/C, obteniéndose un transductor de respuesta rápida.

• Fotoeléctricos: Foto-emisores, la radiación causa que los electrones sean emitidos desde la superficie del cátodo. Fotoconductores, la resistencia del material es cambiada al ser iluminada. Fotovoltaicos, se genera un voltaje de salida proporcional a la intensidad de la radiación.

• Químicos:• Biosensores:

Clasificación de los transductores (Según su principio de funcionamiento)

Galgas extensométricas

Propiedades de materiales usados para construir galgas extensométricas

Material Composición % Factor de Galga Coeficiente de temperatura de la resistividad

(C-1-10-5)

Constantan Ni45, Cu55 2.1 2

Isoelastic Ni36, Cr8

(Mn, Si, Mo)4

Fe52

3.52 a 3.6 +17

Karma Ni74, Cr20, Fe3

Cu3

2.1 +2

Manganin Cu84, Mn12, Ni4 0.3 a 0.47 2

Alloy 479 Pt92, W8 3.6 a 4.4 +24

Níquel Pure -12 a -20 670

Nicromo V Ni80, Cr20 2.1 a 2.63 10

Silicón (tipo p) 100 a 170 70 a 700

Silicón (tipo n) -100 a -140 70 a 700

Germanium (tipo p) 102

Germanium (tipo n) -150

Galga extensométrica

l + l

l

A + A l l

A A

A

A

lR

AA

llRR

AA

llRR

Compresión

Tensión

Normal

F

F

Galga Activa

Dirección del esfuerzo

R4 R4

Tout VRR

R

RR

RV

43

4

21

2

El puente de Weatstone y las galgas extensométricas

R

VS

out

Galga de

Compensación

R3

Michael R. Neuman. Physical Measurements. The Biomedical Engineering HandBook.. Ed. J. D. Bronzino by CRC Press LLC. 2000.

Compensación de temperatura

Si R1= R + R y R4= R3= R2= R

)2(2

)2(222

RR

V

R

V

VRR

RV

R

R

RR

RV

o

o

Es decir se usa 1 galga extensométrica , en un brazo del puente, entonces:

como 2RR,

R

V

R

Vo

4

Si R1= R + R y R4= R3= R R2= R R

R

V

R

V

VR

RV

R

R

R

RRV

o

o

2

222

Es decir se usan 2 galgas extensométricas , al mismo lado del puente, entonces:

Si R1= R4= R + R y R2= R3= R R

R

V

R

V

VR

RV

R

RR

R

RRV

o

o

22

Es decir se usan 4 galgas extensométricas , una en cada brazo del puente, entonces:

Ejemplo• Un puente de Wheastone tiene R1=

100Ω;R2=40Ω;R3=500Ω, V= 10 V; y una resistencia de galvanómetro = 600 Ω. Calcular: a) valor de Rx cuando el puente esta balanceado y b), si el valor de Rx cambia en +2Ω en relación de su valor de equilibrio, Calcúlese la corriente que circulará por el galvanometro.

Errores en el puente

• Discrepancias entre los valores de resistencia reales y los declarados en los resistores conocidos,(se puede calcular el error partiendo de las tolerancias)

• Cambios en los resistores conocidos, debido al auto calentamiento

• Tensiones térmicos en el puente o en el galvanómetro originados por diferentes materiales en contacto a temperaturas ligeramente diferentes

• Error en el punto de equilibrio, causado por la falta de sensibilidad del galvanómetro.

• Resistencias de las puntas de prueba y de los contactos, cuando se hacen mediciones de baja resistencia.

El esfuerzo (strain) S se define como:

l

lS

l

lR

R

G

Y el factor de galga es:

El stress o presión requerida para duplicar el largo de un cuerpo es conocido como “módulo de Young”

l

lMP

][ 2m

NM

Galga extensométrica desoldada

Cable eléctrico

Diafragma

Conexiones del fluido

Fluido

Galga Extensométricadesoldada

V

Vo

G

MP

VR

RVo

R

R

G

MP

l

lR

R

G

l

lMP

La presión sobre un arreglo de galgas puede calcularse como:

y como

es el factor de galgaque sustituido en (I)

(I)

conduce a:

(II)

y si el desbalance del puente de 4 galgas

Se sust. En (II)

Se obtiene la presión como función lineal del desbalance del puente

Medición de Capacitancia e Inductancia

• Métodos Indirecto: Inexacto.

• Métodos de puente Exactos.

Circuitos puente para medir capacitancia

• Modo Balance:

• Zx*Z1=Z2*Z3

• Se sustituyen las resistencias del puente por impedancias Z de naturaleza resistiva y reactiva, se aplica una tensión alterna

• Z=R+jXc

Circuitos puente para medir capacitancia

• Modo Balance:

• Zx=Z2Z3/Z1

• Modo Balance: Para lograr la condición cero , es necesario especificar dos condiciones que se igualen: Una para la parte resistiva de Zx y una para la parte reactiva Xc.

• Zx=Rx+jXcx

Zx= Re (Z2Z3/Z1) + Im (Z2Z3/Z1)

Circuitos puente para medir capacitancia

• Modo Balance Serie :

• Modo Balance Paralelo :

• Rx=R2C1/C3 • Cx=R1C3/R2

Otros Circuitos Puente

Puente de maxwell Puente de Hay

Catéter con transductor de presión

barra de contacto

leva

resistenciaalambrada

circuito equivalente

A

B

WW

A B

Transductor resistivo de desplazamiento

Sumadores de fuerza

Transductor Capacitivo

dkA

C 0

placa fija

placa móvil

a) circular

cilindro fijo

cilindro móvil

b) linear

diafragmadieléctrico

placa estática

c) diafragma

Transductores capacitivos

Transductor inductivo

E

Eo

secundarios

núcleo variable

P

S

S

A

B

V

*

*

1

2

in o

Transformador diferencial variable lineal

entrada

diafragma

colector

cristal base

Vo

Elementos de un transductor piezoeléctrico

Características operativas.

• Exactitud • Intercambiable• Mínimo corrimiento con la variación de

temperatura. (Drift)• Estabilidad temporal• Reproducir la salida en ambientes extremos de

humedad, temperatura, choque o vibración.• Proveer una señal compatible con el

acondicionador de señal.• Ser robusto y simple, de modo de ser usado por

personal sin experiencia.

Criterios para la selección de transductores

Magnitud a Medir Características Ambiente

Margen de medida Margen de temperatura

Resolución Humedad

Exactitud deseada Vibraciones

Estabilidad Agentes químicos

Ancho de banda Atmósfera explosiva

Tiempo de respuesta Entorno electromagnético

Limites absolutos de la magnitud a medir

Magnitudes interferentes

Características de salida

Características de Alimentación

Sensibilidad Tensión

Tipo: tensión, corriente, frecuencia

Corriente

Salida señal: unipolar, flotante, diferencial

Frecuencia (en caso de alterna)

Impedancia (I/O) Potencia disponible

Destino: analógico, digital, telemetría

Estabilidad

Otros factores para la selección del sensor

Peso Longitud de cable necesario

Dimensión Tipo de conector

Vida media Situación en caso de fallo

Precio de compra Costo de mantenimiento

Disponibilidad Consto de instalación

Tiempo de Instalación Costo de sustitución

Tendencias actuales del diseño de los transductores

• Transductor y acondicionador de señal en un solo dispositivo.

• Reducir costo y tamaño

• Sensores digitales (pulso de salida), directamente compatible con el computador.

• Inteligencia asociada a ellos mismos y el proceso