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SENSORES Y TRANSDUCTORES 1.1

TEMA 1: SENSORES Y TRANSDUCTORES

1.1.- INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE MEDIDA

La función esencial de un sistema de medida es la asignación objetiva (independiente delobservador) y empírica (basada en la experimentación) de un número a una propiedad o cualidadde un objeto o evento. Los objetivos de la medida pueden ser:

a) Vigilancia o seguimiento de procesos. Este sería el caso de la medida de la temperaturaambiente y de los contadores de agua y gas.

b) Control de un proceso. Como ejemplo se puede considerar un termostato (cuandoalcanza una determinada temperatura conmuta y puede dar lugar al efecto contrario queoriginó su conmutación) o el control del nivel de un deposito.

c) Ingeniería experimental. Así ocurriría cuando se miden las fuerzas que actúan sobreun conductor (simulado) de un vehículo cuando este choca contra un objeto. Losresultados obtenidos de esta forma tienen su principal campo de aplicación en el C.A.D.(Computer Aided Design, Diseño Asistido por Ordenador).

En la figura 1.1 se representa la estructura general de un sistema electrónico de mediday control, es decir, que abarcaría los tres objetivos citados anteriormente. De todos los bloquesque forman dicho sistema, se puede decir que tres de ellos son básicos y se encuentran presentesen la práctica totalidad de los sistemas de medida. Estos serían:

- SENSOR / TRANSDUCTOR- ACONDICIONADOR DE SEÑAL- PRESENTACIÓN (VISUALIZACIÓN Y REGISTRO)

Fig. 1.1 Estructura general de un sistema electrónico de medida y control.


Veamos cuales son las características fundamentales de estos elementos.

1.1.1.- TRANSDUCTOR Y SENSOR

Cuando se hace referencia a este binomio, generalmente se le nombra simplemente comotransductor, olvidándose que, si bien van formando un todo en la mayoría de las aplicaciones,se trata de dos elementos entre los cuales se pueden hacer diferencias.

Se denomina transductor, en general, a todo dispositivo que convierte una señal de unaforma física en otra señal, que se corresponde con la primera, pero de otra forma física distinta.El fin del transductor es, por tanto, acoplar la magnitud a medir al sistema de medida. Como eltratamiento que se va a hacer de la señal de salida del transductor es normalmente llevado a cabopor equipos o circuitos electrónicos, de todos los transductores que existen (atendiendo a seistipos de señales: mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas, ópticas y moleculares o químicas),los considerados transductores por antonomasia son aquellos que ofrecen una señal de salidaeléctrica: tensión, corriente, etc.

En la figura 1.2. podemos ver esquematizada la misión del transductor. La relación entrela salida eléctrica ofrecida por el transductor y la magnitud de la señal se conoce como funciónde transferencia, y por lo general conviene que se aproxime lo máximo posible a una funciónlineal.

Fig. 1.2. Conversión de señal por transductor.

Aunque en la asignatura se hará referencia indistintamente a los términos transductor ysensor, no queremos finalizar el apartado sin dejar clara la diferencia entre dichos términos,habitualmente utilizados como equivalentes, aunque en rigor no lo sean. El sensor es el elementodirectamente en contacto con la magnitud a medir y no tiene porqué proporcionar ninguna salidaeléctrica. Su finalidad es captar esta magnitud para posteriormente transformarla y obtener unasalida eléctrica. Un ejemplo que nos puede ayudar a diferenciar los términos sensor y transductores el mostrado en la figura 1.3. y que hace referencia a un micrófono magnético.

Fig. 1.3. Micrófono magnético. Distinción entre sensor y transductor.


El sensor es la membrana elástica que vibra con la presión de las ondas sonoras querecibe, realizando una conversión de la variable física, presión, en otra variable física:desplazamiento. Este desplazamiento es recogido por una bobina solidaria con la membrana, lacual al moverse en el seno de un campo magnético (generado por los imanes) produce una últimatransformación: desplazamiento a tensión (magnitud eléctrica).

Entonces, como transductor se conoce a todo el dispositivo (micrófono) y el sensor serála membrana, que es parte del transductor.

La clasificación de los transductores suele hacerse basándose en diferentes criterios y/oseñales que manejan, tanto a la entrada como a la salida. Así podríamos citar los siguientesgrupos clasificatorios:

- Según la magnitud que miden tendremos transductores de: temperatura, luminosidad,fuerza, desplazamiento, humedad, etc.

- Según el principio físico-eléctrico en que se basan, los transductores serían del tiporesistivo, inductivo, capacitivo, semiconductor, piezoeléctrico, etc.

- Según el tipo de la señal eléctrica presente en sus terminales de salida: analógico,digital, discreto.

- Según el campo de aplicación tendríamos transductores específicos para robótica,medicina, industria (en sus diferentes vertientes), etc.

1.1.2.- ACONDICIONADOR DE SEÑAL

Los acondicionadores de señal, adaptadores o amplificadores, en sentido amplio, son loselementos del sistema de medida que ofrecen, a partir de la señal eléctrica de salida de untransductor, una señal apta para ser presentada o registrada o que simplemente permita unprocesado posterior mediante el equipo electrónico adecuado. Los acondicionadores de señal sonnormalmente circuitos electrónicos que ofrecen, entre otras opciones, las siguientes:amplificación, filtrado, adaptación de impedancia, modulación/demodulación,codificación/decodificación, conversión A/D y D/A, etc.

El acondicionamiento de la señal, según la aplicación, puede integrar varios de loscircuitos anteriores para conseguir sus objetivos. Estos circuitos suelen venir ya en un único chip,dada la estandarización de las salidas de los transductores y de las entradas a los equipos deprocesado.

1.1.3.- PRESENTACIÓN (VISUALIZACIÓN Y REGISTRO)

Los sistemas de visualización y registro se pueden clasificar en analógicos y digitales,teniendo como misión en ambos casos presentar la magnitud medida de tal forma que pueda serinterpretada correctamente por el supervisor del sistema de control electrónico.


Entre los sistemas de presentación analógicos tenemos: medidores de aguja, registradoresX-Y y X-t, etc.

Los elementos de presentación digital típicos son: Displays (alfanuméricos a LED, cristallíquido o fluorescentes), pantallas CRT, indicadores luminosos simples, impresoras, etc.

Para el uso de elementos de presentación digital, es necesario en muchas ocasiones unnuevo acondicionamiento de la señal que llega, no comportando este hecho mayor inconvenientehoy en día.

1.1.4.- SISTEMAS DE MEDIDA DE DATOS MÚLTIPLES

Generalmente, un sistema electrónico de control y medida se monta con el fin de alcanzarla máxima versatilidad y por tanto, para aprovechar al máximo sus posibilidades. Hoy en díadada la posibilidad de trabajar a gran velocidad con la mayoría de los equipos electrónicos deproceso, el dedicar un sistema de control a evaluar y presentar una única magnitud, es una clarainfrautilización de dicho equipo. Por ello es común encontrarnos con sistemas de medida paramúltiples datos, procedentes cada uno de ellos de un transductor o sensor. Una estructura típicapara este tipo de sistemas es la mostrada en la figura 1.4. En ella se puede observar como,previamente al acondicionamiento general de las señales, se hace una adaptación en cada una deellas con el fin de normalizarlas a la entrada del acondicionador común. El multiplexor suele sercontrolado automáticamente por la unidad central de proceso mediante los códigos digitalescorrespondientes, de forma que vaya introduciendo secuencialmente el valor de las diferentesmagnitudes eléctricas (procedentes de sensores) a la unidad de procesamiento y de presentación(resto del sistema de medida y control).

Fig. 1.4. Entrada de un sistema de medida de datos múltiples.


1.1.5.- SISTEMAS DE TELEMEDIDA

En la estructura general que se mostró en la figura 1.1., se incluía un bloque denominadoTRANSMISOR DE DATOS, cuya misión es la de enviar la señal eléctrica correspondiente a lamagnitud medida hasta donde se encuentre la unidad central de proceso, el sistema depresentación, etc. Es decir, se da por hecho la separación física (suficientemente grande) entreel punto de medida de las magnitudes y el de presentación y procesamiento.

El transmisor de datos podrá preparar la señal que recibe para ser enviada vía cable o víaradio (ondas hertzianas), y la elección entre ambas formas dependerá de algunos factores, como:

- Distancia entre emisor y receptor- Volumen de datos a transmitir (medida de datos múltiples)- Interferencias, espacio físico para cables, etc.- Relación S/N necesaria- Precio, etc.

1.2.- TRANSDUCTORES PIEZOELÉCTRICOS

La palabra "piezo" procede del griego y significa "comprimir", por lo que la expresiónefecto piezoeléctrico indica la producción de electricidad en una materia al aplicar una presiónsobre ella. Este efecto solo se presenta en materiales eléctricamente aislantes, y conduce a laaparición de cargas eléctricas sobre la superficie de esos materiales deformados mecánicamente.También se da el efecto inverso: cuando se aplica un campo eléctrico a un materialpiezoeléctrico, éste se deforma mecánicamente. Por ello, todos los materiales piezoeléctricospueden emplearse para cualquiera de los dos propósitos.

El efecto piezoeléctrico solo se presenta en materiales cuyos enlaces atómicos seaniónicos, es decir, en los que las moléculas estén dispuestas en pares positivo-negativo llamadosdipolos, tal como podemos ver en la figura 1.5.

Fig. 1.5.- Material piezoeléctrico en estado de reposo y con una presión aplicada


Cuando se aplica una presión al material, estos dipolos (moléculas) se deforman y seproduce una separación de los pares positivo-negativo, creándose así un campo eléctrico. Portanto, se hace necesario que en reposo, el material tenga los dipolos orientados. Hay materialesque, debido a su naturaleza, los tienen orientados de por sí (cuarzo) y otros, a los que es necesariosometerlos a un proceso de orientación permanente (cerámicas).

Como vemos, la producción del efecto piezoeléctrico depende de la disposición de losiones positivos y negativos en el material. Esto restringe dicho efecto a los materiales cristalinosanisótropos, es decir, que sus propiedades físicas no son iguales en todos los sentidos puesto que,en un cristal con simetría perfecta, ninguna combinación de esfuerzos uniformes producirá laseparación de cargas. En la figura 1.6. se muestra gráficamente el porqué de estos requisitos. Así,en el caso a) hay simetría central, y al aplicar un esfuerzo T no aparecerá polarización eléctrica.En el caso b), en cambio, aparece una polarización paralela al esfuerzo, con el polo negativo ala izquierda y el positivo a la derecha. En el caso c) la polarización aparece en direcciónperpendicular a este, con el polo positivo en la parte inferior y el negativo en la superior.

Fig. 1.6.- Efectos de un esfuerzo mecánico en diferentes moléculas según su simetría. a) Si hay simetría central no seproduce polarización. b) Polarización paralela al esfuerzo (T). c) Polarización perpendicular al esfuerzo (T).

Tal como se dijo antes, hay materiales que en su estado normal pueden ser aprovechadospara producir el efecto piezoeléctrico, pero es necesario para ello que sean cortados a lo largo deejes particulares del cristal para conseguir los efectos máximos y lograr una elevada anisotropía.Sin embargo actualmente se utilizan unos materiales artificiales que se conocen globalmente conel nombre de cerámicas. Un material cerámico consiste en un conglomerado de cristales muypequeños que tienen sus ejes eléctricos orientados según direcciones aleatorias. Por tanto, antesde usarlo como elemento piezoeléctrico, se hace necesario una orientación uniforme de todos losejes de los cristales que lo componen. Esta polarización se consigue introduciendo el materialcerámico entre dos polos eléctricos y aplicando una tensión elevada (en torno a los 10 KV), lo


que obliga a todas las moléculas (dipolos) a orientarse en la misma dirección. El efectoprovocado permanece, aún cuando desaparezca el voltaje aplicado y queda confeccionado de estaforma un material piezoeléctrico. Cuando estos materiales se utilicen en sentido inverso, es decir,se les aplique un voltaje entre dos de sus caras para provocar una deformación, dicho voltajedeberá estar siempre bastante por debajo del que provocó su polarización, de lo contrario seproduciría una pérdida de las propiedades piezoeléctricas del material.

Parámetros que definen a un material piezoeléctrico

Esencialmente son dos : la constante piezoeléctrica o inercia molecular (d) y la constantede acoplamiento electromecánico (K).

La primera nos dice el cambio de polarización o de orientación dipolar que se produceal aplicar una tensión mecánica determinada (presión). Esta constante (d), se obtiene tambiéncalculando la deformación producida al aplicarle un campo eléctrico determinado.

La segunda (K), nos indica la fracción de energía mecánica que puede convertirse enenergía eléctrica, o al contrario.

Materiales piezoeléctricos más utilizados comercialmente

Aunque son bastantes los materiales que ofrecen propiedades piezoeléctricas, cuatro deellos cubren la gran mayoría de las necesidades que se plantean en el ámbito comercial:

- Tartrato de Sodio y Potasio (Sal de Rochelle).- Fosfato dihidrógeno de Amonio (ADP).- Titanato-Circonato de Plomo (PZT). Cerámica.- Cuarzo.

Entre los usos más notables que se dan a estos elementos en el mundo de lostransductores, podemos encontrarnos aplicaciones en diferentes campos:

Medicina:- Micrófonos piezoeléctricos para detectar sonidos del corazón.- Medidores de presión arterial, gastrointestinal, intrauterina e intracraneal.

Consumo doméstico:- Fonocaptores para discos de vinilo.- Equipos informáticos sincronizados con reloj: ordenadores, impresoras, etc.

Industriales:- Telefonía: Micrófonos de cerámica (electreto)- Ultrasonidos: Generación y recepción de ondas sonoras en líquidos; soldadoresultrasónicos para plásticos y metales.- Fuentes de alta tensión: encendido de motores de gasolina.- Retardo de sonidos.


La aplicación de un tipo de cristal (o cerámica) piezoeléctrica en un transductordependerá tanto del campo en el que se vaya a usar como de las propias prestaciones del material.Así, tendremos que valorar prestaciones tales como:

- Modos de compresión o estiramiento.- Margen dinámico de entrada (para la magnitud a medir).- Margen dinámico de salida (valor de la transducción).- Sensibilidad de entrada.- Resistencia a golpes, vibraciones, temperatura y humedad.

Además habrá que tener en cuenta si el material piezoeléctrico usado como sensor esestándar (de amplia difusión y facilidad de adquisición) o propietario (específico de unfabricante); también tendremos que analizar el tipo de circuito que se acoplará a la salida deltransductor y que hará de interface con el resto del sistema de medida y control.

1.2.1.- APLICACIONES DE LOS MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS

La figura 1.7 ilustra el uso de elementos piezoeléctricos en una fuente de alta tensión paraencendido de motores de gasolina. Una leva movida por el motor actúa sobre una palanca, la cualaplica una fuerza mayor o menor sobre el eje eléctrico de dos cilindros de PZT (cerámica). Loscilindros llevan acoplados unos electrodos en sus bases y son apilados de tal forma que uno delos electrodos puede ser considerado como potencial de referencia, o sea, masa. Un dispositivode este tipo ha sido utilizado satisfactoriamente en máquinas con motores de gasolina de pocapotencia: motosierras, cortadoras de césped, modelismo, etc., desarrollando potenciales deencendido del orden de 20.000 v.

Fig. 1.7.- Generador de alto voltaje para encendido de motores de gasolina.

El transductor de sonido sumergible mostrado en la figura 1.8., ilustra una aplicación delcristal ADP en forma de placas. Un grupo de placas dispuestas transversalmente es apilado,intercalándose entre ellas láminas de electrodos conectados en paralelo. Los extremos de lasplacas de la pila de cristal actúan solidariamente a modo de pistón (émbolo) y su acción es


transmitida al agua mediante el encapsulado de caucho y el aceite que rodea dicha pila. Puestoque los filos laterales de las placas también son sensibles a la presión acústica y en esa zona nointeresa, son cubiertos con material acústicamente aislante tal como células de sellado de cauchoy espuma (foam) o también Corprene, consiguiendo el doble efecto de, por un lado, cancelar elefecto piezoeléctrico (presión a voltaje) y por el otro, cancelaría la salida acústica por los lateralesabiertos (voltaje a deformación). Aunque este transductor podría usarse como micrófono yaltavoz "acuático", es en este último caso cuando mejor respuesta de transducción da.

Fig. 1.8.-Transductor de sonido (altavoz) sumergible.

La figura 1.9. nos muestra un medidor de precisión de sonido hidrofónico o micrófonoacuático que emplea, en este caso, un apilamiento de delgadas placas de cristal piezoeléctricoconectadas en paralelo. Puesto que en este caso interesa detectar las variaciones de presión enel entorno del transductor, no hace falta rodear los laterales del material piezoeléctrico conningún elemento aislante, tal como se hizo con el transductor de sonido anterior.

Fig. 1.9.- Micrófono acuático.

En la figura 1.10. se nos muestra un modelo elemental de acelerómetro piezoeléctricopreparado para medir aceleraciones de tipo vibratorio que abarcan un amplio rango defrecuencias. Está formado por dos discos cerámicos intercalados entre una masa y una base (a


modo de soporte). La unión de estos elementos se puede hacer mediante adhesivo o soldadura.La aceleración vibratoria aplicada a la base en la dirección indicada produce la correspondientefuerza de compresión a través de los perfiles de los discos, debido a la reacción de inercia de lamasa. De este modo, el voltaje correspondiente a la aceleración aplicada es generado por losdiscos cerámicos.

Fig. 1.10.- Acelerómetro de compresión.

La figura 1.11. ilustra el uso de elementos piezoeléctricos de tipo cerámico en unaaplicación de limpieza ultrasónica. Dos discos cerámicos están soldados entre un soporte demetal ligero y una masa de reacción. El soporte es el elemento atacado para la limpieza deltanque. El ensamblaje así compuesto tiene una resonancia mecánica determinada por los efectoscombinados de la masa y la rigidez del metal y las partes cerámicas. Cuando a los discoscerámicos se les aplica un voltaje alterno (ac) a la frecuencia de resonancia mecánica, el conjuntovibra a gran intensidad, induciendo una violenta agitación al líquido contenido en el tanque.

Fig. 1.11.- Transductor para limpieza ultrasónica.

Puesto que los materiales piezoeléctricos tipo cerámico pueden ser fabricados en granvariedad de tamaños y formas, permiten, por si mismos, diseños para aplicaciones particularesque podrían tener gran dificultad, si no imposibles, si lo hiciésemos con cristales normales. Lafigura 1.12. muestra un típico transductor sumergible que utiliza un cilindro cerámico hueco,polarizado a través de las paredes. En esta aplicación los extremos del cilindro son cerrados, paraproteger la superficie interna del medio acústico. Puesto que la superficie exterior del cilindroexpuesta al agua es mucho mayor que la sección transversal del material cerámico, la impedanciamecánica del elemento es mucho menor que la de un elemento sólido de las mismasdimensiones. Esto permite una mejora del acoplamiento acústico entre el elemento piezoeléctricoy el medio a través del cual opera.


Fig. 1.12.- Transductor de sonido acuático del tipo cilíndrico.

En la figura 1.13. se muestra el uso de una cerámica piezoeléctrica adaptada en formacilíndrica. Antes de ensamblarlo en el transductor, el cilindro cerámico fue polarizado endirección longitudinal empleando la aplicación temporal de un voltaje dc. El elemento asípolarizado es adherido fuertemente al soporte central, al cual rodea. A continuación, una pesadamasa cilíndrica se añade, rodeándolo todo. La aceleración vibratoria aplicada a la base en ladirección indicada, produce la correspondiente presión transversal en las paredes del cilindro,debido a la reacción inercial de la masa. De este modo, un voltaje directamente proporcional ala aceleración aplicada se genera en el cilindro, el cual es llevado al exterior mediante loselectrodos correspondientes.

Fig. 1.13.- Acelerómetro transversal.

1.3.- SENSORES DE TEMPERATURA

De todos los conceptos que se pueden dar para definir la temperatura, a nosotros nosinteresa el que profundiza en los aspectos físicos del material sobre el que vamos a medir dichoparámetro. Así definiremos temperatura como:

Una magnitud física que expresa el mayor o menor grado de agitación de las moléculasde los cuerpos, es decir, evalúa la energía cinética de las mismas.

No debemos confundir la energía calorífica con la temperatura, ya que la primera tieneen cuenta también la masa del cuerpo. Por ejemplo, las chispas que se desprenden al efectuar unasoldadura mediante arco voltaico tienen una elevada temperatura, pero no suelen quemar cuandocaen sobre el cuerpo humano, debido a su reducida masa, es decir, poseen poca energíacalorífica.


La medida de la temperatura forma parte, hoy en día, de cualquier proceso industrial yes por ello, por lo que ocupará un lugar importante en cualquier sistema de medida y controlelectrónico.

Métodos para la medida de la Temperatura

Los diferentes métodos para la medición de temperatura, se basan en las alteraciones queésta provoca en determinados materiales, por lo que, en definitiva, lo que estamos midiendo soncambios producidos como consecuencia de la temperatura. Así, podemos formar la siguientelista de métodos para medir temperaturas:

- Variación del volumen o del estado de los cuerpos (termómetros).- Variación de la resistencia de un conductor (Detectores de temperatura resistivos, RTD).- Variación de la resistencia de un semiconductor (termistores NTC y PTC).- Variación de la tensión en una unión n-p (transductores de unión semiconductora).- Fuerza electromotriz creada en la unión de dos metales (Efecto Seebeck. Termopares).- Intensidad de radiación emitida por un cuerpo debido a su temperatura (pirómetros).- Velocidad de sonido en un gas, frecuencia de resonancia de cristal, etc. (termómetrosultrasónicos, de cristal de cuarzo, etc.).

Tipos de transductores de temperatura

Esta clasificación se puede hacer de dos formas: según la relación física que mantienencon el cuerpo a medir y la familia a la que pertenecen atendiendo al fenómeno apreciado comoconsecuencia de la variación de temperatura.

En la primera clasificación tendríamos:

- Sin contacto: se realiza a través de instrumentos ópticos enfocados al punto del que sedesea medir su temperatura. Por ejemplo la medición por infrarrojos.

- Con contacto: se denominan genéricamente captadores de temperatura. En este caso esnecesario situar al transductor junto al cuerpo cuya temperatura se desea medir.

En la segunda clasificación tendríamos en cuenta las diferentes familias en las que sepueden encuadrar atendiendo al fenómeno físico-eléctrico asociado. Además tendríamos encuenta el tipo de Sensor/Captador utilizado y otra serie de consideraciones.

En la tabla que a continuación se desarrolla aparecen ordenados los transductores detemperatura según este último criterio de clasificación. De todos ellos, a lo largo de los diferentesapartados, nos vamos a centrar en el estudio de los más utilizados en los sistemas de adquisiciónde datos, es decir, en los sistemas electrónicos de medida y control, así como en los másdifundidos y disponibles para el gran público.


Familia Tipos Captadores/Sensores

Eléctricos

Par termoeléctrico Termopar

Resistencia metálica Sonda termométrica (RTD)

SemiconductorTermistor (NTC, PTC)

diodo, transistor, circuito integrado

Cuarzo Cristal de cuarzo

Ópticos

Radiación totalPirómetro óptico

Espejo de radiación

Radiación parcial

Bicromáticos (de 2 colores)

Mecánicos

Dilatación de sólido Termómetro bimetálico

Dilatación de fluido o de gas

Termómetros de vidrio, de bulbo y capilar

Otros

Cristales líquidos Cristales líquidos

De marca Pinturas termosensibles

De fibra óptica Fibra óptica

1.3.1.- DETECTORES DE TEMPERATURA RESISTIVOS

Los detectores de temperatura resistivos (RTD), denominados también sondas deresistencia o sondas termométricas, se basan en la variación de resistencia que experimentan losmetales ante variaciones de temperatura.

La explicación física de este hecho es la siguiente:

Al aumentar la temperatura, la agitación térmica de los electrones (vibración alrededorde su posición de equilibrio) también lo hace, reduciéndose el espacio físico para eldesplazamiento de estos y por tanto su velocidad media. Todo ello se traduce en un aumento dela resistencia al aumentar la temperatura, de ahí que los RTD tenga un coeficiente detemperatura positivo.

En la figura 1.14. podemos ver el símbolo general empleado para este tipo de sensoresy el significado de sus diferentes partes:


R(T)�R0[1��n�1�nTn]

R(T)�R0[1��T]

Fig. 1.14. - Símbolo general de un RTD.

En este tipo de detectores, la resistencia a una determinada temperatura, R(T), vieneexpresada así:

aunque como la variación de R(T) es bastante lineal en márgenes grandes de temperatura, sesuele utilizar la versión aproximada de la expresión anterior:

donde:� = Coeficiente de temperatura resistivo del material, el cual interesa que sea de gran

valor para aumentar la sensibilidad, y constante con la temperatura para aumentarla linealidad. Se mide en �C-1 y se suele dar para 0�C.

R0= Resistencia del material a 0�C y viene determinada por las dimensiones del RTDy la resistividad del material empleado (�). Interesa que la � del material sea altaya que implica menos material y por tanto menos tamaño para conseguir unamisma Ro. Además disminuye el tiempo de respuesta y la resistencia del RTDserá siempre mucho mayor que los hilos de conexión, disminuyendo la influenciaen la medición.

T = Temperatura en �C.

En cualquier libro de análisis de materiales (física, química, etc.) podemos encontrar elvalor de los parámetros anteriores para los materiales más frecuentemente utilizados en lafabricación de RTD y que son: Plata, Oro, Tungsteno, Cobre, Níquel y Platino.

El oro y la plata se usan raramente debido a su baja resistividad y alto coste. El tungstenotiene elevada resistividad pero es muy frágil, lo que dificulta su manejo; para altas temperaturassí es bastante usado. Por todo ello, los materiales por excelencia usados en la fabricación de RTDson el cobre (cada vez menos), el níquel y el platino.

De este último párrafo podemos deducir que el material ideal para construir un RTDtendría estas características:


-200 -100

0

100 200 300 400 500

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0

Ni

Cu

Pt

- � elevado � alta sensibilidad- � elevado � alta velocidad de respuesta y menor error.- Relación lineal entre resistencia y temperatura.- Facilidad para el estirado y arrollamiento durante el proceso de fabricación (rigidez y

ductilidad).- Estable en sus características durante la vida útil del RTD.

De la gráfica mostrada en la figura 1.15. podemos deducir que el Platino es el materialmás utilizado en la fabricación de RTD’s.

Fig. 1.15.- Linealidad en la variación de la resistencia con la temperatura para RTD de Cu, Ni y Pt.

Ventajas e inconvenientes de los RTD

Ventajas:- Gran linealidad en un amplio margen de temperaturas.- Operan a altas temperaturas.- Sensibilidad hasta 10 veces mayor que los termopares.- Gran exactitud en la medida.

Inconvenientes:- Mucha inercia (elevado tiempo de respuesta).- Autocalentamiento (debido a su conexionado y forma de operar).- Posible presencia de deformaciones mecánicas.- Más caros que otros transductores de temperatura, sobre todo en el caso del platino.- Errores debido a los cables de contacto.

Construcción y Modelos físicos de RTD

Los RTD que más se utilizan en el campo de las mediciones y el control son:


- RTD aislado por mica.-El conductor (metal sensor) se enrolla sobre un núcleo de mica y con este mismo aislante

se cubre todo. Posteriormente se introduce todo en una vaina metálica, que protegerá al conjuntode vibraciones y golpes, además de proveer una buena transferencia térmica entre el conductory el exterior. La figura 1.16. muestra gráficamente la estructura comentada.

Fig. 1.16.- RTD aislado por mica.

- RTD sellado en cerámica.-Igual que antes, el conductor va sobre un soporte, pero en este caso cerámico, el mismo

material que cubre a todo el elemento. Este tipo de RTD, mostrado en la figura 1.17, responderápidamente a cambios de temperatura, debido a los pequeños tamaños en que suelen fabricarse.

Fig. 1.17.- RTD sellado en cerámica. Elevado aislamiento.

- RTD sellado en vidrio.-En este caso el metal usado como sensor se funde en un soporte de vidrio por lo que todo

queda perfectamente homogéneo. No se deben usar por encima de los 400�C.

Para finalizar este repaso a los diferentes modelos físicos de los detectores de temperaturaresistivos (RTD), se ha incluido en la figura 1.18. una serie de encapsulados para un tipoparticular de RTD: los de película fina de platino. Este tipo de RTD adoptará uno u otro modelode encapsulado dependiendo esencialmente del medio en el que se va a llevar a cabo la mediciónde temperatura.


Fig. 1.18.- Encapsulados de sensores de platino de película fina.

Acondicionamiento de señal

Para adaptar las variaciones de resistencia que se producen en un RTD al circuito que vaa tratar la información, se suelen utilizar los mismos montajes o circuitos que en los demástransductores que también varían su resistencia con el fenómeno a medir: puente de Wheatstone,amplificadores de instrumentación, acondicionadores integrados, etc.

Uno de los acondicionadores más utilizado en estos casos y también fácil de analizar esel mostrado en la figura 1.19.

Fig. 1.19.- Circuito acondicionador básico para RTD.


Vo�R1�R2

R1

VRTD�R1�R2

R1

I�RRTD

En dicho circuito, se hace circular una corriente constante por el RTD, por lo que lasvariaciones de resistencia (debido a los cambios de temperatura) provocarán variacionesproporcionales de la tensión VRTD. Al ser un amplificador no inversor, tendremos:

es decir, la salida (Vo) es directamente proporcional a la resistencia que en cada instante poseael RTD. Suponemos I lo suficientemente estabilizada en el margen de trabajo.

Los acondicionadores de señal integrados para los RTD, suelen ser los utilizados paraotros transductores/sensores que también están basados en la variación resistiva. Su composición,en general, suele ser la mostrada en la figura 1.20. y como ejemplos de estos circuitos, puedencitarse el 2B30 y el 2B31 de Analog Devices.

Fig. 1.20.- Esquema general y simplificado de un acondicionador de señal integrado para RTD.

1.3.2.- TERMISTORES

Los termistores son sensores resistivos, pero basados en semiconductores. Por tanto, nosvalemos de los cambios de resistencia eléctrica que experimenta este tipo de material al variarla temperatura del medio en el que se encuentra.

Su simbología define los dos tipos que hay, con coeficiente de temperatura positivo ynegativo. El primer tipo aumenta la resistencia entre sus terminales cuando lo hace la temperaturaque afecta a su cuerpo. Sin embargo, en el segundo tipo, sucede todo lo contrario, ya que unaumento de la temperatura provoca una bajada de la resistencia medida en sus terminales. Enambos tipos se da el correspondiente "... y viceversa".

Podemos observar en la figura 1.21. el tramo recto que aparece en el extremo inferior dela línea transversal, el cual nos indica que la función que relaciona la resistencia con latemperatura no es lineal, a diferencia de como sucedía con el símbolo y función del RTD.


R(T) � RN e

BT�

BTN

R(T) � A� C � e B�T

Fig. 1.21.- Símbolos del termistor: PTC y NTC.

Termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC)

En estos sensores, si la temperatura aumenta, su valor resistivo disminuye.

La función que relaciona a ambos parámetros en un margen de temperatura reducido(50�C) es:

donde:

RN = Resistencia nominal del termistor a una temperatura nominal dada.TN = Temperatura nominal a la que se da RN.B = Constante que depende del material.

Los valores de RN y B dependen del proceso tecnológico utilizado en la fabricación delNTC. Por este motivo es muy frecuente una gran dispersión de valores aún dentro de las mismasseries. Esto trae como consecuencia la necesaria calibración del termistor cuando se quiereutilizar para un termómetro de precisión.

Termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC)

Estos sensores suelen fabricarse con materiales semiconductores menos comunes que losutilizados para los NTC. Así, tenemos PTC que utilizan materiales ferroeléctricos prensados yotros utilizan semiconductores básicos (Si) pero fuertemente dopados.

La función que relaciona temperatura y resistencia en un PTC, en su margen detemperatura intermedio es

donde A depende esencialmente, de las dimensiones del termistor y es un valor de resistenciaresidual. El parámetro C es el valor a 0�C de la resistencia del termistor.


Circuitos acondicionadores

Son semejantes a los sugeridos para los RTD, con la importante salvedad que supone lacondición "no lineal" de los termistores. Por ello, se ha de hacer una linealización de sucomportamiento. La forma más cómoda y fácil es colocarle una resistencia en paralelo, tal comomuestra la figura 1.22. Con esto, el valor del paralelo RT�R para las diferentes temperaturas,sigue una variación bastante lineal, en comparación con como variaba RT sola.

Fig. 1.22.- Linealización del termistor mediante R paralelo.

Comparativa entre los termistores y los RTD

La tabla que se muestra a continuación nos da una idea de las prestaciones de los trestipos de sensores de temperatura estudiados y que se puede analizar a modo de comparativa.

Característica Metálico NTC PTC

Estabilidad Buena Regular Mala

Repetibilidad Buena Regular Mala

Sensibilidad Baja Alta Muy alta

Linealidad Alta Baja Baja

Rango de T Alto Bajo Bajo

Rango de R(T) Bajo Alto Alto

Precio Alto Bajo Bajo

Para finalizar el repaso general que hemos hecho de los termistores, conviene tener unaidea del tamaño y forma que realmente suelen tener este tipo de sensores. En la figura 1.23podemos observar una gran variedad de formas y encapsulados de NTC, que se adaptan amúltiples superficies y fluidos de los cuales se desea medir la temperatura. Los PTC suelen tenerformas parecidas a los de la figura 1.23.


Fig. 1.23.- Distintas formas para termistores NTC.

1.3.3.- OTROS TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA

En este punto haremos referencia a otros transductores de temperatura que hacen uso dedeterminadas propiedades de los materiales para la captación termométrica.

Transductores de temperatura de unión semiconductora

Este tipo de transductores es bastante utilizado y se basan en un efecto muy poco deseadoen la mayoría de las ocasiones: la variación que experimenta la tensión en la unión N-P de unsemiconductor cuando la temperatura en su entorno también varía.

Por tanto, para este tipo de transductores podremos utilizar diodos y transistores (con launión C-B cortocircuitada). La respuesta que estos semiconductores dan es muy poco lineal, porlo que se suele recurrir a los transductores de unión semiconductora integrados, los cuales,aunque basados en uniones N-P, añaden en el proceso de fabricación una linealización de lafunción temperatura-tensión en la unión. Esos tipos de integrados nos suelen ofrecer salidas enforma de corriente o en forma de tensión.

Analicemos someramente algunos de estos transductores en sus versiones comerciales:

1Tiempo necesario para que (en el ambiente definido) estando a T0 y llevado a T1 (medianteautocalentamiento por paso de corriente) pase a una temperatura T0 + 0.368 (T1-T0), tras la interrupción brusca dela corriente.


VOUTT� VOUTTo

�TTo

T � Temperatura a medir (�K)To � Temperatura de referencia (�K)VOUTTo

� Voltaje de salida a To

-AD 590 de Analog Devices: Proporciona una corriente de salida en µA igual a latemperatura aplicada en grados centígrados, o sea, IT(µA) = T(�C). El margen de alimentaciónestá entre +4 y +30 V. El margen de temperatura de funcionamiento entre -55�C y 150�C conun error <1�C (típico 0'3�C).

Además: su constante de tiempo1 es de 60 seg. en aire quieto y 1'4 seg. en aceite agitado;alta impedancia de salida (> 10 M�); poco sensible a los cambios de alimentación (siempredentro de un margen razonable).

- Familia LM x35 de National Semiconductor: Son sensores de alta precisión queproporcionan un voltaje directamente proporcional a la temperatura absoluta. Funcionan comoun zéner con tres terminales (uno se utiliza para realizar una fácil calibración), cuyo voltajeinverso en el codo varía a razón de 10 mV/�K. Su salida viene dada por la expresión:

donde:

Un resumen de sus características es:

- Corriente de operación entre 400 µA y 5 mA.- Si se calibra a 25�C (298�K) ofrece un error típico menor de 1�C sobre un rango de temperatura de 100�C.- Rango de temperatura de funcionamiento: -55�C y +150�C.- Bajo coste.

Termopares o sondas termométricas

El termopar es un dispositivo capaz de transformar las variaciones de energía térmica envariaciones de energía eléctrica. Su diferencia fundamental con los transductores vistos hastaahora, estriba en que no necesitan una energía adicional para realizar dicha conversión, es decir,son transductores autónomos o activos.

El termopar está constituido por dos conductores (metales) unidos por uno de susextremos (figura 1.24 a). Esta unión recibe el nombre de unión caliente (U.C.) o unión sensora(U.S.), por ser la que se encuentra a la temperatura a medir. Los otros dos extremos (uno de cadaconductor) estarán a una misma temperatura que es la de referencia.


A efectos de estudio, el termopar se puede considerar unido por ambos extremos (figura1.24 b). Uno de ellos será la unión caliente o sensora y el otro la unión fría (U.F.) o de referencia(U.R.) y se debe mantener a una temperatura constante.

Fig. 1.24.- Constitución real del termopar (a). Termopar a efectos de estudio (b).

Estos transductores generan una d.d.p.,V, proporcional a la diferencia de temperaturaentre sus uniones (T - To), la cual nos servirá para realizar la medida de T. Hay que hacer notarque los termopares también se emplean para medir presiones, flujo, radiaciones infrarrojas, etc.

El principio de funcionamiento de los termopares está basado en el efecto Seebeck, quea su vez, reúne en sí los efectos Peltier y Thomson. Dicho efecto consiste en que si se tienen dosmetales distintos unidos por sus dos extremos (termopar) y los calentamos de forma que semantenga una diferencia de temperatura entre las uniones, aparece una diferencia de potencial(d.d.p.), y en consecuencia, una corriente en el circuito formado por los metales, tal como muestrala figura 1.25.

Fig. 1.25.- Efecto Seebeck en un termopar.

En la figura se indica V e I, que son la d.d.p. y corriente generadas como consecuenciade que T � To. Aunque abramos el termopar, la d.d.p. V se conserva y aparece entre los borneso extremos de apertura.


El efecto Seebeck es reversible: si hacemos que circule una corriente por un termopar,cuyas uniones estuviesen inicialmente a la misma temperatura, aparecerá una diferencia detemperatura entre dichas uniones y será proporcional a dicha corriente.

Por último, incluimos una tabla en la que se señalan los principales tipos de termopares,así como su composición y características principales.

Tipo determopar

Composición Rango detemperatura

Tolerancia

Polo + Polo -

B Aleación Platino-Rodio (30%)

AleaciónPlatino-Rodio

(6%)

+600�C a+1700�C ±4�C ó ±0'5%

R Aleación Platino-Rodio (13%)

Platino 0�C a +1600�C ±1'5�C ó ±0'25%

S Aleación Platino-Rodio (10%)

Platino 0�C a +1600�C ±1'5�C ó ±0'25%

K Aleación

Ni-C

Aleación

Al-Ni

0�C a 1000�C ±1'5�C ó ±0'4%

0�C a 1200�C ±2'5�C ó ±0'75%

-200�C a 0�C ±2'5�C ó ±1'5%

E Aleación

Ni-Cr

Aleación

Cu-Ni

0�C a 800�C ±1'5�C ó ±0'4%

0�C a 800�C ±2'5�C ó ±0'75%

-200�C a 0�C ±2'5�C ó ±1'5%

J Hierro AleaciónCu-Ni

0�C a 750�C ±1'5�C ó ±0'4%

0�C a 750�C ±2'5�C ó ±0'75%

T Cobre Aleación

Cu-Ni

0�C a 350�C ±0'5�C ó ±0'4%

0�C a 350�C ±1�C ó ±0'75%

-200�C a 0�C ±1�C ó ±1'5%

1.4.- DETECTORES DE LUMINOSIDAD

Bajo este título vamos a incluir a todos aquellos transductores que hacen uso de lasradiaciones luminosas para su funcionamiento. Así podremos encontrar sensores que se limitan

2Téngase en cuenta que f=c/�


��c�hE

simplemente a comunicar la presencia o no de luz, tanto en el espectro visible como en el novisible; sensores que, haciendo uso de la luz, permiten conocer la distancia de un determinadoobstáculo; sensores que nos pueden indicar el tamaño de un determinado cuerpo mediante lainterrupción de un rayo de luz, etc.

1.4.1.- FOTORRESISTENCIAS (LDR)

Las fotorresistencias o fotoconductores ( en inglés, Light Dependent Resistors, LDR) sebasan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiaciónelectromagnética de tipo óptica (100� � � � 106 �, 1� = 0'1 nm). Su símbolo es el mostrado enla figura 1.26.

Fig. 1.26.- Símbolo de un LDR.

La conductividad eléctrica en un material depende del número de portadores en la bandade conducción (B.C.). En un semiconductor a baja temperatura, la mayor parte de sus electronesestán en la banda de valencia (B.V.) y se comporta casi como un aislante. Para pasar electronesde la B.V. a la B.C. hay que aportar energía y superar así la banda prohibida (B.P.). Este aportede energía puede hacerse mediante calor, tensión eléctrica, radiación óptica, etc. En el caso dela radiación óptica, su energía, E, y frecuencia, f, están relacionadas mediante la constante dePlanck, h = 6'62 � 10-34 J � s.

E = h � f

Entonces si la radiación, debido a su frecuencia, tiene energía suficiente para permitir elsalto de los electrones de la B.V. a la B.C., pero sin provocar deterioro del materialsemiconductor, se tendrá el efecto fotoeléctrico y a mayor iluminación, mayor conductividad. Laexpresión que nos permite conocer la relación entre la energía de los fotones (E) y la longitud deonda de la radiación (�) es:2

donde C es la velocidad de la luz (3 � 108 m/s).

Mediante las expresiones anteriores y conociendo el ancho de la B.P. de algunossemiconductores, podremos conocer la longitud de onda (�) que debe tener la radiación ópticapara provocar el deseado aumento de la conductividad en el material (disminución de laresistencia). Así tenemos, para algunos de ellos, los siguientes valores:

3 1eV=1.6x10-19 J


R�A�E ��

MATERIAL ANCHO B.P.(eV)3 �(µm)SCd 2'40 0'52SeCd 1'80 0'69Si 1'12 1'10Ge 0'67 1'85AsIn 0'35 3'54SePb 0'27 4'58

Aspectos positivos y negativos de las LDR

Un factor negativo a considerar de las LDR es su no linealidad, es decir, la relación entrela energía luminosa aplicada (E) y la resistencia eléctrica medida (R), no sigue una función lineal.Aproximadamente viene dada por una expresión del tipo:

donde A y � dependen del material y las condiciones de fabricación. Otro factor nada bueno quese da en las LDR, es que la respuesta al subir la iluminación que incide sobre ella no sigue lamisma línea que la respuesta al bajar dicha iluminación. También son sensibles a la temperatura.

Como aspectos positivos podemos señalar su robustez para distintos medios, su fácilinstalación, construcción no excesivamente compleja y sobre todo posibilidad de incluir múltiplestipos de materiales fotosensibles a gran variedad de radiaciones luminosas.

Fig. 1.27.-Diferentes vistas y encapsulados para LDR.


En la figura 1.27. podemos observar varios aspectos físicos de una LDR: vista superior, seccióntransversal-lateral y tipos de encapsulado. En la vista superior se puede observar el zig-zag quesigue la capa fotoconductiva con el fin de aprovechar al máximo la superficie de incidencia dela iluminación.

Materiales y comportamiento de las LDR

A temperatura ambiente, los materiales fotoconductores más utilizados son sulfuros deltipo SCd, SPb y SePb, en particular el primero.

Las aplicaciones de las LDR de uso común están en los receptores de TV (controlautomático de brillo y contraste), cámaras fotográficas, detección de fuego, control deiluminación de vías públicas, etc.

En la figura 1.28. hemos reproducido una gráfica que nos muestra aproximadamente larelación que puede haber entre la resistencia ofrecida por una LDR entre sus terminales y lailuminación que sobre ella incide.

Fig. 1.28.- Característica resistencia-iluminación de una LDR.

Observar que se han elegido escalas logarítmicas y por tanto aparece una función lineal.Si las escalas hubiesen sido lineales, la función tendría forma exponencial, tal como correspondea la expresión R = f(E) dada anteriormente.

1.4.2.- FOTODIODOS

Cuando una unión N-P (diodo) es polarizada inversamente, se genera una zona desiertaque hace de la corriente circulante un mínimo (corriente inversa de saturación). Esta zona desiertacarece de las correspondientes parejas electrón-hueco que permiten una fácil circulación decorriente. Si exponemos a una energía luminosa la zona desierta del diodo, se pueden "arrancar"


electrones de la Banda de Valencia y situarlos en la de Conducción, con lo cual la corrienteinversa aumentaría. Todo esto se podría resumir diciendo que cuando en un fotodiodo incide luzde la frecuencia (o longitud de onda) para la que está diseñado, su corriente inversa aumentaconsiderablemente, efectuándose por tanto una transducción luz-corriente eléctrica (o tensión).

En la figura 1.29. se muestra el conexionado básico de los fotodiodos y su curvacaracterística, con luz y sin luz.

Fig. 1.29.- Comportamiento de un fotodiodo polarizado inversamente.

Se puede observar que cuando incide la luz sobre el fotodiodo, este aumenta de formanotable su corriente inversa de circulación, con lo que aumentará la caída de tensión en laresistencia (R) del circuito.

1.4.3.- FOTOTRANSISTORES

Su comportamiento está basado en el mismo principio que para el fotodiodo, con lasalvedad de que la incidencia luminosa se produce, en este caso, sobre la unión Colector-Basede un transistor. Esta unión, suele estar polarizada en inverso, por lo que en régimen oscuro setendrá un valor de corriente de colector en reposo. Cuando la luz incida sobre la unión C-B, estagenerará pares electrón-hueco provocando un aumento considerable de la Ic, que, circulando poruna resistencia de carga provocará a su vez un aumento de la caída de tensión en ella.

Fig. 1.30.- Símbolo del fototransistor.


SUPERFICIE AVARIAS DISTANCIASDE LA FOTOCELULA

EMISOR

LENTES DE

TRANSMISION

RECEPCION

LENTES DE

CONTROL DERADIACION

EMITIDAETAPA

DE SALIDA

DETECTOR SENSIBLE

AL LUGAR DE INCIDENCIA

(PSD)

En la figura 1.30. se ha representado el símbolo frecuentemente utilizado para identificara un fototransistor.

Debido a su mayor poder de amplificación y su elevada sensibilidad en diferentesmodelos de fabricación, el fototransistor se va haciendo de uso más común que el fotodiodo enmúltiples aplicaciones de detección luminosa. Tal como sucedía con el fotodiodo, se fabricanfototransistores sensibles a una elevada variedad de longitud de onda óptica, hecho éste, queaumenta sus campos de aplicación.

1.4.4.- FOTOCELULAS

Las fotocélulas son sensores que detectan objetos y determinan las distancias a las quese encuentran estos, empleando una fuente o emisor de luz (normalmente en el espectroinfrarrojo), un detector y una circuitería adicional. Poseen una gran importancia en aplicacionesindustriales y su uso es cada vez más frecuente.

Existe una amplia variedad de fotocélulas en el mercado, orientadas a muy distintasaplicaciones. Ello implica que su aspecto externo esté adaptado al uso que se le va a dar. Encuanto a su circuitería interna, las hay más o menos complejas y van desde aquellas que poseenel total de la circuitería de emisión y recepción hasta aquellas que las llevan físicamenteseparadas en dos módulos independientes.

A pesar de esta diversidad, podemos hablar de una configuración típica de estosdispositivos, como puede ser la mostrada en la figura 1.31.

Fig. 1.31.- Configuración típica de una fotocélula.


- Circuito de control de radiación emitida (Driver del emisor): Aporta una señal en forma depulsos al emisor (láser semiconductor, LED, lámpara de incandescencia). La potencia de dichaseñal es elevada, de forma que la salida del emisor tenga la suficiente energía como paraconseguir grandes distancias y mínimas interferencias de la luz exterior.

- Emisor: Puede ser de alguna de las formas citadas anteriormente. La lámpara, igual que los LEDrojo y verde, proporcionan luz visible, lo que permite alinear fácilmente el haz entre emisor yreceptor. Su principal inconveniente es la disipación de potencia y un período de vida más corto.Los LED más utilizados suelen ser de infrarrojos, por su relativa inmunidad a la luz ambientaly su mayor salida luminosa, lo que se traduce en una mayor distancia de detección.

Por último, el diodo láser (visible o infrarrojo), se emplea en aplicaciones donde senecesita alta precisión, debido a que se consiguen rayos de luz muy estrechos y de escasaapertura, limitando así el tamaño de la zona de detección.

- Lentes: Su función esencial es la de hacer converger los rayos luminosos que reciben hacia unpunto determinado, bien en el exterior de la célula (de transmisión), bien en el interior de ésta (derecepción). Como función adicional, las lentes pueden llevar incorporado un filtro polarizador,el cual sólo dejará pasar radiaciones luminosas en un solo plano.

- Receptor: Si bien en la figura 1.31. se puso de detector uno de los más complejos (PSD), estemódulo puede ser tan básico como una simple LDR, fotodiodo o fototransistor, actuando en ON-OFF. El PSD (Position Sensitive Detector) se utiliza en las fotocélulas de desplazamiento. Susespeciales características (alta linealidad, buena resolución y rápida respuesta) hacen de estesensor uno de los más utilizados en el campo industrial.

- Etapa de Salida: Es un circuito bastante complejo, que constará de: la interface con el receptor,filtros, acondicionador de señal, temporización, etc. Cuanto más complejo sea el elementoreceptor más lo será la etapa de salida.

En el caso del PSD, la interface con el receptor tendrá dos entradas (además de la común),a partir de las cuales se calcula la distancia a la que incidió el haz sobre la superficie del PSD.Además éste módulo que hemos denominado genéricamente etapa de salida, puede incluir:display para información inmediata y programación, conexiones RS-232 y GPIB, salida digitaly analógica, CPU, etc. Un ejemplo de etapa de salida para una fotocélula de desplazamiento conreceptor tipo PSD es el mostrado en la figura 1.32., en la cual se pueden observar algunos de loselementos relacionados y otros que ayudan a obtener una mejora de las prestaciones del sistemaen general.

Así, la CPU nos permite formar una tabla con los valores suministrados por el conversorA/D, además de hacer una compensación lineal de dichos valores. También se puede encargarde promediar valores digitales consecutivos de forma que se pueda introducir entre ellos otrosnuevos que sirvan para obtener una mejor definición de la señal digital y analógica de salida.Además, podemos observar el módulo denominado “control de transmisión y display”, el cualtiene un doble cometido: hacer de interface entre el panel de control (teclado) y el resto delsistema, y proporcionar un canal de comunicación para la transmisión de datos entre el exteriory el interior, vía GPIB y RS-232.


Fig. 1.32.- Etapa de salida para fotocélula de desplazamiento con receptor tipo PSD.

Aplicaciones de las fotocélulas

Entre las más difundidas e importantes aplicaciones de las fotocélulas podemos citar lassiguientes:

- Posicionamiento correcto de componentes en placas de circuito impreso.- Detección de polaridad de condensadores electrolíticos.- Posición de un display de cristal líquido.- Medida de la distancia entre pines de los chips.- Detección de niveles de líquidos en determinados procesos químicos.- Control y automatización de alumbrados.- Contador digital de elementos en una cadena.- Etc.

1.5.- TRANSDUCTORES DE ULTRASONIDOS

Los ultrasonidos son un fenómeno acústico-mecánico que consiste en la vibración de laspartículas materiales de un medio. Cuando hablamos de ultrasonidos, la vibración se produce auna frecuencia superior al límite máximo audible por el ser humano, es decir, por encima de los20 KHz.

El estudio del fenómeno de los ultrasonidos se reduce, por tanto, a la teoría de ondassonoras. Este estudio habrá que llevarlo a cabo con unas connotaciones específicas que vienenimpuestas por la mayor frecuencia de trabajo, y orientarlo a las aplicaciones tan interesantes quese derivan de sus características.


Estas aplicaciones se van a basar en dos fenómenos principalmente:

- Utilización de la energía mecánica transmitida por las ondas. Esto permitirá usartransductores sensibles a la presión que ejercen estas ondas ultrasónicas.

- Análisis de la onda una vez que ha pasado por un medio bajo prueba.

1.5.1.- TIPOS DE TRANSDUCTORES DE ULTRASONIDOS

Se denomina transductor de ultrasonidos tanto a un elemento que convierte la energíaeléctrica en ultrasonidos (emisor) como a aquel que efectúe la conversión contraria, deultrasonidos a energía eléctrica (receptor). A los transductores que pueden realizarindistintamente las dos funciones con similar eficiencia se les denomina reversibles.

Los tipos de transductores más importantes son los piezoeléctricos, magnetoestrictivos,mecánicos, electromagnéticos y electroestáticos.

Transductores piezoeléctricos para ultrasonidos

Se basan en el efecto piezoeléctrico (ya comentado en puntos anteriores), son reversiblesy su rango de frecuencias de utilización va desde algunos KHz. hasta los MHz. Tal como sucedíapara los transductores piezoeléctricos de carácter general comentados al inicio del tema,podremos encontrarnos materiales naturales (cuarzo, turmalina, sulfuro de cadmio, etc.) yartificiales (cerámicas).

En muchos transductores piezoeléctricos de ultrasonidos se suelen utilizar las cerámicasya que presentan la ventaja de no depender su efecto piezoeléctrico de la dirección de corte (loque sí sucede en los naturales) y se pueden construir de forma cóncava para enfocar el hazultrasónico, con la ventaja que ello supone.

Desde el punto de vista del ancho de banda, este es pequeño en los naturales, utilizándoseestos para la transmisión de forma continua, donde se requiere estabilidad de frecuencia. Por otrolado los cerámicos presentan un mayor ancho de banda, siendo más propicios para la emisión depulsos y evitando así el sobrecalentamiento, que podría alterar sus propiedades piezoeléctricas.

Para conocer mejor las características de un transductor ultrasónico piezoeléctrico, vamosa analizar el mostrado en el dibujo que se encuentra en la figura 1.33., el cual, tiene uncomportamiento bastante completo y será un excelente ejemplo.


Fig. 1.33.- Interior de un transductor ultrasónico piezoeléctrico.

Cuando este transductor es conectado al equipo de ultrasonidos, transmite la ondaultrasónica y recibe sus reflexiones al incidir sobre un obstáculo. Un transductor de este tipopuede ser utilizado tanto de emisor como de receptor, dependiendo de la conexión que se hagaal equipo de ultrasonidos.

En su interior, un pequeño cristal piezoeléctrico sirve como transmisor y/o receptor deondas ultrasónicas. Como materiales piezoeléctricos suelen utilizarse cuarzo, titanato de bario,y circonato de plomo, los cuales tienen buenas características para convertir señales eléctricas enondas ultrasónicas y viceversa.

El material piezoeléctrico del transductor es cubierto con dos láminas conductoras en susdos superficies paralelas. Si un voltaje es aplicado a las láminas, el cristal piezoeléctrico cambiarásu espesor en función del voltaje aplicado. Similarmente, si el cristal es sometido a un stressmecánico (por ejemplo, un pulso ultrasónico) de tal modo que sea deformado, un voltajeaparecerá entre las láminas conductoras que lo rodean y por tanto en los conductores que salende ellas. Este voltaje será proporcional al esfuerzo o deformación mecánica (stress). Un voltajealterno producirá un cambio alterno del espesor del cristal, y viceversa.

Una vez analizado el funcionamiento del transductor mostrado en la figura 1.33., vamosa finalizar comentando algunas de sus partes más importantes (además del cristal piezoeléctrico).


- Amortiguador (Backing Layer): es un elemento fundamental en este tipo de transductores. Susfunciones son:

- Reducir el tiempo de oscilación del cristal, y en consecuencia, reducir la duración del impulso.

-Absorber las ondas que pudieran resultar perturbadoras.- Servir de soporte al cristal piezoeléctrico.

La primera de las funciones es quizás la más importante, ya que la duración del impulsoacústico influye decisivamente en el poder de resolución. Para conseguir un buenamortiguamiento se utiliza un material de elevada impedancia acústica (resistencia que ofrece ala vibración) con un elevado coeficiente de atenuación para absorber ondas perturbadoras. Estasolución de compromiso se consigue utilizando materiales compuestos, basados en resinassintéticas tales como el dioxido de manganeso, minio, etc.

- Carcasa (Housing): suele ser de aluminio y envuelve a todo el transductor, con el fin de dotarlede una mayor rigidez y mejorar sus prestaciones mecánicas.

- Sintonía (Tuning coil): permite mejorar el ajuste para trabajar a una frecuencia determinada.Modifica el tamaño del espacio interior del transductor de forma que hace más o menos fácil lavariación de tamaño del cristal.

- Superficie de acoplamiento (Matching Layer): es la capa que cubre al cristal piezoeléctrico.Puede ser desde un simple protector del cristal hasta una lente acústica, de forma que tanto laemisión como la recepción tengan un punto de enfoque, en el cual se concentran todos los hacesultrasónicos, confiriendo una mejora notable en el comportamiento general del transductor. Enpuntos posteriores haremos una mención específica a las lentes acústicas.

Transductores magnetoestrictivos

Se realizan con materiales ferromagnéticos, esto es, metales como el níquel, el cobaltoy el hierro, que son fácilmente magnetizados y que presentan el efecto de magnetoestricción: sedeforman cuando están sometidos a un campo magnético y viceversa, es decir, varía el flujomagnético a través de ellos cuando son sometidos a una carga mecánica (por ejemplo, un pulsoultrasónico).

Fig. 1.34.- Modelo simplificado del transductor magnetoestrictivo.


En la figura 1.34. vemos una simplificación de un transductor magnetoestrictivo. El flujoinducido por la bobina de polarización sobre la otra es prácticamente constante mientras esté enreposo (por tanto no habrá fem inducida). Cuando un pulso ultrasónico (o carga mecánica)"choca" con la varilla, esta se deforma, lo que provocará una variación del flujo magnético quellega a la bobina de excitación. Esta variación de flujo provoca una fem inducida, lo que hacevariar a su vez la corriente que circula entre los terminales de dicha bobina y que será recogidapor el adaptador de señal correspondiente.

Transductores mecánicos

Se usan casi exclusivamente en aplicaciones de alta intensidad en líquidos y gases, parafrecuencias superiores a los 25 KHz. Son generalmente más potentes y menos caros que lospiezoeléctricos y magnetroestrictivos. Los dos tipos principales de emisores son el silbato y lasirena.

- Silbato: se basa en pasar un gas o un líquido a alta velocidad a través de un orificio osobre un borde afilado; es el principio en el que se basa cualquiera de los silbatos audiblesconocidos pero con mayor sofisticación y precisión.

- Sirena: se basa en un disco que gira a una determinada velocidad, al cual se le han hechounos agujeros formando circunferencias concéntricas. Frente a este disco hay otro fijo, el cualtiene unas toberas por las que fluye un gas (normalmente aire) que incide directamente sobre losagujeros del disco móvil. La frecuencia ultrasónica emitida será igual al número de veces que seinterrumpe el flujo de gas, es decir, al número de agujeros por la velocidad de rotación.

Transductores electromagnéticos

Se basan en el movimiento de una bobina portadora de corriente en el seno de un campomagnético. Comúnmente se usan para frecuencias audibles en forma de altavoces y micrófonos,estando bastante restringida su aplicación en ultrasonidos. Para recordar el principio defuncionamiento se puede recurrir nuevamente a la figura 1.3.

Transductores electrostáticos

Consisten en dos placas paralelas de material conductor, entre las cuales se sitúa undieléctrico, formando el conjunto un condensador.

Fig. 1.35.- Transductor ultrasónico electrostático.


�� arcsen1�22�

2a

Una placa es fija, mientras que la otra puede vibrar libremente cuando sobre ella se ejerceuna presión tipo onda ultrasónica. Al transductor (condensador) se le coloca en serie unaresistencia de alto valor y una tensión constante de varios cientos de voltios, manteniendo así lasplacas cargadas, tal como se muestra en la figura 1.35.

Para la transmisión se aplica a las placas la tensión de excitación variable, la cual produceuna variación periódica las cargas inducidas y con ello el movimiento de la placa que puedevibrar. Como receptor, las vibraciones de la placa móvil producen cambios en la capacidad y conello, en la corriente que fluye. Esta corriente hace variar la caída de tensión en R, que nos sirvecomo salida.

Se usan en gases y líquidos para frecuencias de hasta algunos cientos de KHz.

1.5.2.- LENTES ACUSTICAS: ENFOQUE DEL RAYO ULTRASONICO

En la ecuación:

se expresa la relación entre el radio de la fuente emisora (a) y el ángulo de divergencia (�) unavez que el rayo ultrasónico empieza a divergir. En ella vemos que al disminuir el radio, esteángulo aumenta. Por ello, normalmente, el radio de la fuente emisora se hace mucho mayor quela longitud de onda (�), consiguiéndose una mayor distancia con el rayo sin divergir, comoconsecuencia de la disminución de �. En algunas ocasiones, esta relación �/a tiene su límite,recurriéndose entonces a la concentración del rayo ultrasónico mediante lentes acústicas. Estaslentes permiten concentrar toda la energía de un rayo ultrasónico en un punto, denominado deenfoque (P.E.).

Fig. 1.36.- Enfoque del rayo ultrasónico. A) Reflector curvo. B) Reflector parabólico. C) Lente convergente. D) Emisor curvo (cerámicos) .


Existen varios tipos y posibilidades para las lentes acústicas, tal como se muestra en lafigura 1.36.

Un haz concentrado aumenta considerablemente la energía ultrasónica en el punto deenfoque (P.E.), hecho requerido en diversas aplicaciones de gran potencia. Como se puedeobservar en la figura 1.36., las posibilidades de enfoque se basan, o en realizar el emisor de formacurva, o bien en incorporar un elemento adicional (reflector o lente acústica).

1.6.- DETECTORES DE HUMO Y FUEGO

Si bien este tipo de sensores no intervienen directamente en el control del procesoindustrial, es necesario su conocimiento, ya que sí están implicados de lleno en el entorno de laplanta. Efectivamente, cualquier sistema de medición, control electrónico o adquisición de datos,no sólo llevará un seguimiento de los parámetros implicados en el proceso de producción, sinoque controlará también elementos fundamentales para la seguridad y el buen funcionamiento detoda la planta o entorno.

Cuando se tiene un sistema informático para control, es normal que se utilicen al máximosus posibilidades en este campo, por lo que no sólo se le dotará de entradas que vengan de lasmedidas electrónicas llevadas a cabo sobre los productos sino que tendrá una serie de accesospara las alarmas del entorno: presencia de humos tóxicos o nocivos, fuegos incontrolados, etc.

Por todo lo expuesto, merece la pena desarrollar básicamente el funcionamiento yactuación de los detectores de humo y fuego, ya que no detectar la presencia de estos agentespuede anular cualquier buen diseño y funcionamiento de un sistema electrónico de medida ycontrol.

Indicador de fuego y humo

Cualquier producto de un fuego que cambie las condiciones ambientales podrá serllamado indicador de fuego y es, por tanto, susceptible de ser usado para la detección de este. Elprincipal indicador de fuego usado en los detectores es el aerosol.

Los aerosoles son partículas suspendidas en el aire. El proceso de combustión (fuego)lanza a la atmósfera gran número de partículas sólidas y líquidas, las cuales pueden tener untamaño comprendido entre 10 µm y 1 nm. Los aerosoles que emanan de un fuego tienen dos tiposde partículas características. Las partículas menores de 0'3 µm no dispersan la luz eficientementey se denominan invisibles. Las mayores de 0'3 µm dispersan la luz y son clasificadas comovisibles. Las partículas invisibles del aerosol son conocidas normalmente como productos decombustión y las visibles como humo. Las partículas invisibles de aerosol son las que primeroaparecen y ya denotan la presencia de una combustión.

Llegados a este punto, queremos establecer una diferencia, quizás de matiz, pero desdeel punto de vista de los sensores, fundamental. Una cosa es la detección del fuego mediante losproductos que emite a la atmósfera, es decir, mediante el humo que desprende, y otra la detección


de la llama, que se hará mediante detectores o sensores de calor. Una detección no tiene porqueimplicar la otra, todo dependerá de la finalidad que se persiga.

Detectores de humo y fuego

En este punto vamos a comentar la detección del fuego mediante sensores que se valendel principal elemento que emana de éste (si exceptuamos el calor, que está más próximo al lugarde la combustión), el humo.

Hay dos tipos básicos de detectores de humo: fotoeléctrico y de cámara de ionización.

Los detectores fotoeléctricos de humo usan, o una lámpara de incandescencia (bombilla),o un LED, para enviar un rayo luminoso hacia su frontal. Cuando el humo entra en el detectorpor dicho frontal, la luz del rayo es reflejada por las partículas del humo llegando entonces aincidir en una fotocélula, con lo cual la alarma será disparada. Mientras no haya humo, lafotocélula no recibe luz procedente del LED o bombilla, ya que ésta es emitida en direcciónperpendicular al plano que ocupan el LED y la fotocélula. En la figura 1.37. se puede veresquematizada la estructura de un detector de humo fotoeléctrico visto por la cara en contacto conel medio.

Fig. 1.37.- Detector de humo tipo fotoeléctrico.

El detector de humo de cámara de ionización posee una pequeña fuente de radiación queproduce moléculas de aire cargadas eléctricamente, llamadas iones. Estos iones permiten quefluya una pequeña corriente eléctrica en el seno de la cámara. Las partículas de humo que entrenen la cámara neutralizarán por si mismas a los iones, reduciendo de este modo el flujo eléctrico.Este cambio de corriente activará la alarma.

En la figura 1.38. se puede ver de un modo simplificado el funcionamiento básico de estetipo de sensor de humo. Las partículas � son generadas por la fuente radioactiva. Estas partículasbombardean el aire, provocando su ionización. El aire ionizado permite que se cierre el circuitoentre los electrodos colectores y la alarma permanecerá en reposo.

Cuando llegan los aerosoles (humo) las partículas ionizadas quedan neutralizadas y secorta el flujo de corriente entre los electrodos, por lo que la alarma detectará un aumento decorriente por ella (está en paralelo) y se disparará, avisando de la presencia del humo.


Fig. 1.38.- Detector de humo por cámara de ionización.

Cuando se desea fabricar un detector de humo que reúna las condiciones óptimas decalidad y fiabilidad, éste llevará incorporado ambos sistemas detectores: fotoeléctrico eionización. Esto garantiza un disparo de la alarma para la más mínima presencia de humo.

Detectores de llama

Los detectores de llama son detectores térmicos que actúan cuando el calor es elevado,típicamente 55�C - 60�C. Estas unidades constan de un elemento bimetálico que se dobla conel calor, debido a la diferencia en el coeficiente de dilatación de ambos metales. Al doblarse,cerrarán un circuito que avisará de la presencia de una elevada temperatura. Puesto que estasunidades no detectan humo o productos de la combustión, no son recomendadas para áreas dondehaya personas ya que cuando detecten la presencia de las llamas puede ser tarde: las personaspodrían haber perdido el conocimiento por la presencia del humo. Los recintos donde sí puedeser interesante instalar detectores de llama son: terrazas, garajes descubiertos, hornos, etc. Losdetectores de llama más actualizados, utilizan las radiaciones ultravioletas que emiten las llamaspara avisar de su presencia. Tampoco son recomendables en lugares residenciales.

Las unidades detectoras de llama profesionales, deben responder también a ciertos tiposde gases (propano, monóxido de carbono, butano, vapores de gasolina, etc.) que no podrían serdetectados por los sensores de humo y fuego.

Por último, recordar que la mayoría de los fuegos domésticos producen aerosoles que noson detectados por los sensores de humo, debido al reducido tamaño de sus partículas. Por elloes necesario contar en los lugares donde haya personas con los dos tipos de detectores: de humoy fuego y de llamas.


1.7.- FIBRAS ÓPTICAS

Si bien las fibras ópticas no pueden ser consideradas transductores o sensores en elsentido estricto de la definición que se dio para éstos, sí pueden incluirse en un estudio global deeste tipo de elementos, ya que su vinculación con las fibras ópticas, en algunos camposimportantes, es fundamental.

La fibra óptica es, en esencia, un conductor de luz, es decir, por su interior se produce unacirculación de partículas luminosas. Esto las hace el medio idóneo para transmitir la luz a grandesdistancias sin que se vea alterada en su composición básica.

Como se ha visto a lo largo de puntos anteriores, la luz ha sido la radiaciónelectromagnética en la que se han basado múltiples aplicaciones y de la que se han "aprovechado"gran variedad de transductores y dispositivos electrónicos de control y medida (LDR, fotodiodos,fototransistores, LED, fotocélulas, medidores y contadores ópticos, etc.).

Sin embargo, muchas veces interesa "llevar la luz" o "recoger la luz" a/de puntos remotoso de difícil acceso. Ahí es donde entra en juego la fibra óptica. Además veremos posteriormentelas múltiples aplicaciones que se le dan a estos conductores de luz.

Un ejemplo de esto último son las fibras ópticas desarrolladas en las fotocélulas, con elfin de dar respuesta a las crecientes necesidades y en ambientes adversos. Las fibras permitenllevar la luz procedente del emisor a sitios realmente recónditos, en los cuales no se podríainstalar una fuente emisora de luz de ninguna manera.

Principio de funcionamiento

La fibra óptica hace uso del principio de reflexión total interna.

Fig. 1.39.- (A) Refracción de la luz cuando pasa de un medio a otro. (B) Fenómeno de reflexión total interna.

Cuando un rayo de luz pasa de un medio con un índice de refracción n1 a otro con índicen2 y se cumple que n1 > n2, dicho rayo tiende a volver al medio de donde salió (fig. 1.39 (A)). Sila relación entre índices alcanza un valor adecuado, el rayo al incidir sobre el segundo mediovuelve en su totalidad al primero (fig. 1.39 (B)) produciéndose entonces la reflexión total interna.Para ello, se tendrá en cuenta también el ángulo de incidencia del rayo, el cual será fundamentalen las fibras ópticas.


NA� sen �max� n 2c � n 2

r

Si, basándonos en este principio, construimos un elemento dotado de un núcleo con índicede refracción nc, rodeado en su totalidad por otro material (revestimiento) con índice derefracción nr, de forma que nr < nc, al incidir sobre su superficie transversal un rayo de luz,quedará confinado en su interior, propagándose a través de él, tal como queda reflejado en lafigura 1.40.

Fig. 1.40.- Capas de una fibra óptica. Camino seguido por un rayo de luz a través de la fibra.

La luz que entra en la fibra óptica se propaga a través del núcleo en modos, querepresentan a los diferentes caminos posibles para las ondas luminosas. Así, tendremos fibrasmonomodo y multimodo. Los modos posibles en una fibra óptica estarán en función del radio delnúcleo, longitud de onda de la radiación y los índices de refracción del núcleo y revestimiento(nc y nr).

Para que en una fibra óptica se produzca la reflexión total interna del rayo que incidesobre su entrada, éste debe incidir dentro de un cierto ángulo (�), llamado ángulo de aceptación.Cualquier onda que entre según un ángulo mayor escapará a través del revestimiento. Este ánguloda lugar a un término fundamental en las fibras ópticas: la apertura numérica NA. El conceptode apertura numérica es ampliamente utilizado para describir la potencia colectora de luz de lafibra y para calcular la eficiencia de acoplo fuente/fibra. Su expresión es:

donde �max, representa el máximo ángulo de aceptación y NA está en función de los índices derefracción de los materiales de la fibra.

El material empleado en la construcción de fibras ópticas debe reunir tres característicasfísicas fundamentalmente, amén de las químicas, que le confieren la calidad para el uso en lascomunicaciones y demás campos. Dichas características son:

- Fácil propagación de la luz.- Fácil filamentación.- Fácil calibración de los índices de refracción.


Dependiendo del uso que se le vaya a dar a la fibra óptica, el material cumplirá en máso menos medida las exigencias anteriores. Así, nos podremos encontrar desde fibras de plásticohasta fibras de vidrio con una calidad óptima. En todo caso y hablando de fibras con unasprestaciones adecuadas, la sustancia básica es generalmente el sílice de alta pureza, que alfundirse proporciona el vidrio, esencial en la construcción del núcleo. A la base de sílice seañaden boro, germanio, fósforo y aluminio, tanto en el núcleo como en el revestimiento, con elfin de controlar el perfil del índice de refracción.

Clasificación de las fibras ópticas

Atendiendo a las propiedades modales de las fibras ópticas, se les puede agrupar en doscategorías: monomodo y multimodo.

En una fibra monomodo, la luz puede tomar un único camino a través del núcleo, quesuele ser sumamente fino (� < 10 µm). Las fibras multimodo tienen núcleos de diámetrosmayores y permiten a la luz tomar varios caminos en su desplazamiento.

Las fibras ópticas monomodo son más eficaces a largas distancias, pero requieren mayorprecisión en la fabricación, empalme y terminación.

Otra posible clasificación de las fibras ópticas se hace en función del índice de refracción,siendo de dos tipos: salto de índice e índice gradual.

En las fibras de salto de índice, el índice de refracción es uniforme a lo largo del diámetrodel núcleo. En las fibras de índice gradual, el índice de refracción es inferior en las proximidadesdel revestimiento que en el eje de la fibra. Las ondas luminosas se propagan ligeramente máslentas en las proximidades del eje del núcleo que cerca del revestimiento.

Agrupando las dos clasificaciones hechas para las fibras ópticas, obtenemos tres tiposbásicos:

- Fibras multimodo de salto de índice.- Fibras multimodo de índice gradual.- Fibras monomodo de salto de índice.

En la figura 1.41. se pueden ver los tres tipos en tres aspectos fundamentales:

- Sección transversal. - Perfil del índice de refracción según la distancia radial. - Posibles caminos que pueden seguir los rayos de luz.


Fig. 1.41.- Tipos de fibra óptica. (A) Multimodo salto de índice. (B) Multimodo índice gradual. (C) Monomodo.

Ventajas e inconvenientes de las fibras ópticas

El uso actual de fibras ópticas está muy extendido en diversos campos de la ciencia,siendo en el de las comunicaciones en el que ha alcanzado una implantación total y un óptimodesarrollo.

Las ventajas de la fibra óptica son muchas, destacando las siguientes:

- Están hechas con material no conductor de la electricidad (dieléctrico), lo cual implicalas siguientes ventajas:

* Baja radiación de señal.* Mayor seguridad de transmisión (difícil de "pinchar").* Inmunidad a la interferencia electromagnética y de radio-frecuencia.* Inmunidad a los relámpagos, rayos y arcos voltaicos. Ideal para instalaciones dealto voltaje.

- Pequeño tamaño en lo que a diámetro se refiere, por lo cual:* Necesita poco espacio para su canalización.* Pocas modificaciones en las canalizaciones ya hechas.

- Baja atenuación, por lo que:* Podrá recorrer grandes distancias con bajo número de repetidores.* Menores costes de instalación y mantenimiento.

- Al transportar señales de tipo óptico,* No necesitan puestas a tierra de seguridad.* No emiten "chispas" peligrosas.* Lo anterior permite su instalación en ambientes inflamables.


- Elevado ancho de banda, lo que permite:* Añadir nuevas señales en el futuro sin necesidad de ampliar el número de fibras.

Los inconvenientes de las fibras ópticas, están mayormente relacionados con el tipo deseñal que utilizan, es decir, con la luz y su dificultad para mantenerla "encerrada" en un medio.Entre los principales podemos citar:

- El acoplamiento entre la fuente luminosa y la fibra ha de ser óptimo para evitar pérdidasde energía.

- Los empalmes entre fibras requieren una elevada precisión para no introducir excesivaatenuación en la señal.

- Los acoplos mediante conectores son extremadamente complejos en cuanto a suconsecución óptima, ya que deben hacer coincidir los ejes de las dos fibras con una toleranciamínima. Estamos hablando de diámetros que parten de unos pocos µm.

- Las derivaciones desde la línea principal han de ser llevadas a cabo mediante altatecnología.

- La extrema fragilidad de la fibra óptica hace que los cables (con múltiples fibras ópticas)tengan que ser blindados, con el fin de dotarles de mayor robustez y menor radio de curvatura.

Además tendremos en cuenta qué factores irrelevantes en otros tipos de cables para laconducción eléctrica, son importantes e influyentes en las fibras ópticas. Así podemos citar comofuentes de atenuación en una fibra las siguientes:

- Variación en el espesor del revestimiento.- Rugosidad en la superficie de contacto núcleo-revestimiento.- Micro-curvas (alabeos).- Impurezas en el material.- Etc.

Aplicaciones de las fibras ópticas

Tras todo lo comentado, podrá apreciarse que son innumerables las aplicaciones de lasfibras ópticas en sustitución de los convencionales cables metálicos y, como es lógico, muchasde ellas abarcan los más variados campos, además del ya citado de las telecomunicaciones. Elahondar en todas las aplicaciones de las fibras ópticas nos llevaría a una amplitud del tema queno es lo pretendido en esta exposición, por tanto, hagamos un somero repaso de estas.

- Sensor de temperatura: se basan en los cambios de los índices de refracción queexperimentan las fibras al ser sometidas a cambios de temperatura.

- Sensor acústico interferométrico: una misma fuente luminosa se aplica a dos fibras, unade referencia y alejada del lugar donde se producirán los sonidos; otra sometida a lascompresiones acústicas. Estas compresiones motivarán una distorsión en la fibra y alterarán su


longitud óptica y consecuentemente cambiará la relación de fases entre las señales recibidas enel otro extremo de las dos fibras. Recombinando ambas señales se obtendrá la variación relativade fase, que será proporcional a la compresión acústica que se desea medir.

- Detector de niveles de líquidos: se basan en la diferencia de comportamiento de la luzal pasar de la fibra al aire o directamente al líquido si este la cubre.

- Aplicaciones navales.- Giroscopio con fibra óptica.- Sónar.- Satélites.- Aeronáutica.- Inspección de cavidades (endoscopio).- Inspección de motores.- Sistemas de seguridad, etc.

A todas las aplicaciones relacionadas habría que añadir la fundamental de la fibra óptica,las comunicaciones. Un ejemplo genérico de un enlace mediante fibra óptica sería el mostradoen la figura 1.42.

Fig. 1.42.- Enlace simple de fibra óptica.

1.8.- OTROS TRANSDUCTORES

A lo largo de los siete puntos anteriores se han estudiado los transductores de uso máscomún en los sistemas electrónicos de medida y control. Ello no quiere decir que el resto no seaimportante, simplemente tenerlos en cuenta todos se hubiese salido de la idea general quepretende darse en este tema de introducción.

A continuación vamos a realizar una lista en la cual se citen otros transductoresinteresantes para facilitar la adquisición de datos mediante sistemas electrónicos y además sedescriben someramente sus características.


Detectores de humedad

En las situaciones en las cuales el vapor de agua puede influir en procesos físicos,químicos o biológicos, o simplemente alterar el comportamiento de sistemas electrónicos, esimportante tener controlado o monitorizado el valor de la humedad en el aire. En la práctica lavariable que se mide es la humedad relativa (RH), que se puede definir como la relación entre lapresión del vapor de agua presente y la presión necesaria para la saturación del ambiente, a unatemperatura y presión determinadas.

Existen diferentes métodos para medir la RH, destacando principalmente los basados enel Principio Higrométrico y en el Principio Psicrométrico.

El primero de ellos se basa en el efecto que la humedad provoca en determinadosmateriales denominados higroscópicos: nylon, pelo natural, seda y fibras orgánicas. Un ejemplobásico es el higrómetro mecánico mostrado en la figura 1.43.

Fig. 1.43.- Higrómetro mecánico con materia orgánica.

Con la humedad se dilata la membrana y el muelle experimenta un desplazamiento a laderecha. Lo contrario sucede cuando disminuye la humedad. El desplazamiento del muelle setraduce a una escala de humedad, que en estos transductores se sitúa entre el 15% y el 95% (RH)con una precisión de ± 3%.

El segundo, se basa en el efecto "botijo". Tenemos dos sensores de temperatura: unodenominado bulbo seco y mide directamente la temperatura ambiente; el otro es el bulbo húmedoy va envuelto en material fibroso saturado de agua. A menor humedad, el agua se evapora más,tomando calor del bulbo (enfriando el sensor). Si el ambiente estuviese saturado (100% RH) nose evaporaría agua del bulbo y no bajaría la temperatura del sensor húmedo, que se mantendríaa la misma temperatura que el seco. La diferencia de temperatura entre ambos sensores se puedetraducir en RH mediante la denominada Tabla Psicrométrica.

Detectores de nivel de líquidos

Existen diferentes métodos entre los que podemos citar:

- Flotador o boya: el nivel de líquido eleva una boya o flotador que hace girar una polea


t � v�2(L�H)

mediante un hilo con un contrapeso en el extremo opuesto. El giro de la polea convenientementetraducido nos da el nivel del líquido.

- Medida por diferencia de presiones: se basa en que la presión estática en cualquierpunto de un líquido es igual al producto de la distancia desde el punto a la superficie del líquido,su densidad y la aceleración de la gravedad. Si conocemos la densidad del líquido y la gravedad,se puede obtener relativamente fácil el nivel del líquido mediante una medida de presión (paralo que se usará el transductor correspondiente).

- Medida por desplazadores de líquido: se basa en el principio de Arquímedes. El empujeejercido por el líquido sobre el elemento sumergido es igual al peso del volumen del líquidodesalojado. Si el elemento sumergido tiene unas dimensiones constantes (cilindro) y lemantenemos siempre al mismo nivel, cuanto menor sea el líquido en el recipiente menor empujese ejercerá sobre dicho elemento. En definitiva, mediremos el empuje que experimenta elelemento sumergido, convirtiéndolo en la correspondiente medida de nivel.

- Medidor de nivel por ultrasonidos: se basa en medir el tiempo que requiere una ondaultrasónica emitida por un transductor y reflejada en la superficie del líquido, en regresar altransductor. En la figura 1.44. podemos ver esquematizado este principio. La relación entre elnivel del líquido, la velocidad de la onda ultrasónica (v) y el tiempo (t) que tarda en recogerse elultrasonido viene dado por:

siempre que sea aire lo que haya en el "camino" del ultrasonido.

Fig. 1.44.- Medida de nivel mediante ultrasonidos

- Medida basada en el efecto capacitivo: la capacidad de un condensador depende, entreotras cosas, de la separación entre sus láminas conductoras. Si una lámina está en el fondo deldepósito y la otra en la superficie del líquido, dependiendo del nivel tendremos diferentescapacidades para el condensador así formado, que mediremos, y si todos los demás parámetrospermanecen constantes, podremos calcular fácilmente la altura del líquido: separación entreláminas.


Detectores de proximidad

Cuando en algún proceso es necesario el conocimiento de la posición de un objeto, estaoperación se puede realizar básicamente de dos formas: por contacto físico con el objeto adetectar o por proximidad del mismo.

En la actualidad y salvo determinados tipos de procesos, se tienden a utilizar losdetectores de proximidad, debido a varias ventajas que estos presentan frente a los de contacto.

* Mínimo o nulo mantenimiento.* Elevado rendimiento y uso de elevadas frecuencias.* Alto nivel de protección frente a polvo, suciedad, humedad, etc.

Su clasificación, en función del efecto en el que se basan, es:

- Capacitivo: se basa en medir la capacidad de un condensador (o su influencia en uncircuito oscilador) que se ve afectada por el objeto a detectar. El objeto podrá interponerse entrelos electrodos (a modo de dieléctrico) o podrá ser uno de ellos, acercándose o alejándose del otro.En cualquiera de los dos casos la capacidad del condensador se ve afectada por la proximidad delobjeto.

- Inductivo: una bobina detectora (B.D.) alimentada por un oscilador (en un punto críticode realimentación) generará un campo magnético. Cuando el objeto (conductor inductivoobligatoriamente) se introduce en el campo, una corriente lo recorrerá y generará su propio campomagnético, que alterará al principal. Esta alteración hará que baje la realimentación del oscilador,disminuyendo su frecuencia de oscilación por debajo de un umbral, haciendo actuar undisparador. Fig. 1.45.

Fig. 1.45.- Detector de proximidad inductivo.

- Opticos: se basan en un elemento sensor (que suele ser un fototransistor) a unadeterminada radiación (normalmente en el infrarrojo) y un elemento emisor de la radiacióncorrespondiente. Se montan fundamentalmente de tres formas, tal como queda expuesto en lafigura 1.46. En el caso c) se hace necesario que el objeto sea reflectante mínimamente.


Fig. 1.46.- Detectores ópticos. a) Montaje de barrera. b) Montaje réflex. c) Montaje de reflexión directa.

- Ultrasonidos: se basan en principios parecidos a los ópticos pero con transductoresultrasónicos.

Detectores de caudal

Permiten evaluar el volumen de líquido por unidad de tiempo. Principalmente tenemosestos medidores o detectores de caudal:

- Medidor electromagnético: se basa en la ley de Faraday. Así, un campo magnéticoatravesando una tubería en dirección perpendicular al flujo del líquido (obligatoriamenteconductivo), provoca una corriente eléctrica proporcional a la velocidad del líquido. Estacorriente, con dirección perpendicular a la del movimiento del líquido, llega a unos electrodosen contacto con éste (en extremos opuestos de un mismo diámetro o cuerda de la tubería),alcanzando a un transformador y dando lugar a una salida proporcional a la velocidad del líquidoy por consiguiente, al caudal instantáneo.

- Medidor de turbina: se caracteriza por su bajo coste y elevada precisión y su principioes básico; una hélice gira a una velocidad proporcional al caudal que fluye por la tubería. El girode la hélice es captado adecuadamente, traduciéndose en caudal.

Transductores de aceleración

Son los encargados de convertir en señal eléctrica magnitudes físicas del tipo aceleración,vibraciones y golpes. El elemento sensor es la denominada "masa sísmica", formada por unmuelle que generalmente tiene amortiguado su movimiento. Así, cuando se aplica unaaceleración al conjunto (fig. 1.47.), la masa se mueve con relación a la caja que la contiene,mientras que al acabar la aceleración el muelle hace retornar a la masa a su posición original.

Si se conoce el valor de la masa y el de la fuerza o K del muelle, podemos conocerfácilmente la aceleración. El desplazamiento lineal de la masa (o del muelle) es la magnitudrealmente medida.

Según el elemento usado para medir el desplazamiento de la masa tendremos losacelerómetros resistivos y los capacitivos.


Fig. 1.47.- Acelerómetro masa-muelle.

Otro tipo de transductores de aceleración fueron expuestos en el punto 1.2.1., dentro delas aplicaciones de los materiales piezoeléctricos (fig. 1.10. y 1.13.).

Por último reseñar los acelerómetros monolíticos integrados, los cuales forman unsistemas completo de medida de aceleración sobre un único chip.

Transductores de fuerza y presión

Generalmente se habla de transductor de fuerza en el caso de los sólidos, mientras quepara líquidos y gases se emplea el transductor de presión. Este hecho se debe a que la fuerzaejercida por los primeros es puntual (tiene una intensidad determinada independientemente dela zona de apoyo), mientras que los segundos ejercen una fuerza proporcional a la superficie quelos envuelve, actuando en todas las direcciones y siempre perpendicularmente a ésta, porconsiguiente, una misma cantidad de líquido puede realizar distintas fuerzas dependiendo delrecipiente que lo contenga.

Para medir la fuerza, se evalúa ésta a través de la deformación que sufre un materialcuando actúa sobre él. Se necesita pues, en los transductores de fuerza, un elemento elástico queactúe a modo de sensor.

Fig. 1.48.- Sensores de fuerza mecánicos.


Los sensores de fuerza más utilizados en los distintos tipos de captadores son soportes mecánicos,midiendo su deformación en cualquiera de los ejes. También se utilizan finas membranas que securvan cuando reciben una fuerza (pequeña). En la figura 1.48. se pueden ver algunos de losprimeros.

Para los sensores de presión se utilizan, generalmente, elementos menos rígidos que paralos de fuerza, encontrándose entre ellos los siguientes:

* Membranas o diafragmas.* Fuelles.

Tanto para los transductores de fuerza como para los de presión se utilizan tambiénelementos piezoeléctricos cuyo funcionamiento básico fue objeto de estudio anteriormente.

Transductores de desplazamiento

Como sucede con la mayoría de transductores, su clasificación suele hacerse en funcióndel fenómeno físico en el que se basan.

- Capacitivo: el móvil desplaza al dieléctrico de un condensador. El cambio de capacidades proporcional al desplazamiento.

- Inductivo: este tipo convierte el desplazamiento (generalmente lineal) en cambios deautoinducción de un devanado o de la inducción mutua de un transformador.

Dentro de los transductores de desplazamiento que hacen uso del fenómeno inductivo,merece la pena citar el transformador diferencial de variación lineal (LVDT), el cual se basa enla variación de la inductancia mutua que se produce entre un primario y cada uno de lossecundarios al desplazarse a lo largo de su interior un núcleo de material ferromagnético,arrastrado solidariamente por la pieza cuyo movimiento se desea medir.

Fig. 1.49.- Esquema básico del LVDT y función de transferencia.


Al alimentar el primario con una tensión alterna, en la posición central las tensionesinducidas en cada secundario son iguales y, al apartarse de dicha posición el núcleo, una de lasdos crece y la otra se reduce en la misma magnitud.

Normalmente los dos devanados se conectan en serie-oposición, por lo que una relacióndesplazamiento (x) - tensión generada (eo) podría ser la dada en la figura 1.49., junto al circuitorepresentativo del LVDT.

Hay otros tipos de transductores de desplazamiento cuya principal característica es susalida de tipo digital (sucesión de 1 y 0), lo cual permite su fácil acoplo a los circuitos de control,que por lo general son de tipo digital también.

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