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Escuela Técnica Superior de Ingenieros de TelecomunicaciónUniversidad de Las Palmas de Gran Canaria

TRANSDUCTORESDIGITALES

Juan A. Montiel-Nelson

05/10/2004 Transductores Digitales 2

Indice


Introducción

Interés por los transductores digitales• La creciente presencia de sistemas digitales por el tratamiento y

presentación de la información en los sistemas de medida y control, hace muy atractivos aquellos transductores que ofrecen directamente a su salida una señal en forma digital, por la simplicidad que suponen en el acondicionamiento de señales y su mayor inmunidad a las interferencia electromagnéticas

Clasificación– Codificadores de posición

• Ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica

– Transductores de frecuencia variable• Se basan en un fenómeno físico de tipo oscilatorio, transducido

posteriormente por in transductor modulados convencional


Codificadores de posición

Introducción• La medida de posiciones lineales y angulares ha sido hasta el

momento el único campo con abundantes desarrollos comerciales detransductores con salida digital, incluso antes de la era del microprocesador

Codificadores incrementales– Principio de funcionamiento

• En un codificador de posición incremental hay in elemento lineal o un disco con poca inercia que se desplaza solidario a la pieza cuyaposición se desea determinar



Codificadores Incrementales– Principio de funcionamiento



Codificadores incrementales– Limitaciones

• Interrupciones e interferencias– Cuando falla la alimentación del sistema, o simplemente cuando

se desconecta, y en presencia de interferencias fuertes• Contador bidireccional

– A fin de tener una salida digital compatible con los elementos de entrada-salida de un ordenador

• Sentido de avance



Codificadores incrementales– Tipos y materiales

• Codificadores inductivos




• Codificadores basados en efecto Hall




• Codificadores eléctricos




• Codificadores ópticos– Sectores opacos y

transparentes– Zonas reflectoras y no

reflectoras




• Codificadores ópticos– Basado en franjas de

interferencias




• Codificadores ópticos




• Codificadores ópticos– Determinación del sentido de avance



Codificadores incrementales– Resolución

• Codificadores incrementales angulares– 100 a 6000 cuentas/vuelta– Varias salidas senoidales desfasadas se multiplica por 100– Diámetros de 25mm a 90mm

• Codificadores ópticos– Mayor resolución– Limitación de acuerdo con el tamaño del fotodetector– Disposición de una o varias rejillas



Codificadores absolutos– Principio de funcionamiento

• Ofrecen a su salida una señal codificada correspondiente a la posición de un elemento móvil, regla o disco, con respecto a unareferencia interna

• El elemento móvil dispone de zonas con una propiedad que las distingue, y a las que se asigna un valor binario

• Hay varias pistas con zonas diferenciadas y están agrupadas de talforma que el sistema de lectura obtiene directamente en cada posición del elemento móvil el número codificado que da su posición



Codificadores absolutos– Principio de funcionamiento



Codificadores absolutos– Tipos y materiales

• Sensores ópticos con zonas opacas y transparentes• Los de contacto con zonas conductoras o aislantes

– Ventajas• Inmunidad frente a interrupciones e interferencias

– El código ofrecido a su salida no puede estar formado por bits correspondientes a dos posiciones contiguas

– Ejemplo de uso de código binario natural, en un sistema con 8 bits donde las posiciones 3 y 4 vienen dadas por• Posición 3 => 0 0 0 0 0 0 1 1• Posición 4 => 0 0 0 0 0 1 0 0 • Posición => 0 0 0 0 0 0 0 0



Codificadores absolutos– Códigos binarios con

distancia unidad unidad en todas las posiciones



Codificadores absolutos– Disco codificador digital



Codificadores absolutos– Disposición de un doble juego de cabezales de lecturas

desplazados entre sí una distancia determinada• Empleando una regla de decisión para aceptar la lectura de uno u otro

sensor– Disponer una marca en el centro de cada sector

• Aceptando la lectura del cabezal sólo cuando hay garanatía de estar en una zona que no es de transición entre dos posiciones

• Una memoria almacena la última lectura y se actualiza cuando hay un cambio válido



Codificadores absolutos– Resolución

• En código Gray de 6 a 16 bits– Con diámentros de 50 a 175 mm para codificadores angulares

• Aumento de resolución– Incremento del número de pistas codificadas– Añadir otro codificador– Sistema nonio utilizado en los codificadores incrementales

• Añadir otr apista adiional en dirección radial en la parte más externa del disco

– Aplicaciones• Control de posiciones lineales y angulares• Medidas indirectas


Transductores de frecuencia variable

Introducción– Principio de funcionamiento

• Basados en un fenómeno físico resonante que ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de intere´s que afecta a la frecuencia de oscilación

• Requieren el empleo de un frecuencímetro-contador para medir bien la frecuencia, bien el período de oscilación.

• Se emplean tanto osciladores armónicos como de relajación– Osciladore armónicos donde hay energía almacenada que cambia

de una a otra forma de almacenamiento– Osciladores de relajación donde hay una única forma de

almacenamiento, y la energía almacenada se disipa periódicamente mediante algún mecanismo de puesta a cero



Termómetro digital de cuarzo– Principio básico

• Se basan en el coeficiente de temperatura de un oscilador de cuarzo piezoeléctrico

– Modelo y circuito equivalente• El modelo de los transductores

piezoeléctricos es válido a baja frecuencia.

• A alta frecuencia, para un elemento con electrodos metálicos depositados en dos de sus caras– L1 masa del cristal– C1 elesticidad o compliancia

mecánica– R1 por la fricción interna– C0 capacidad del soporte del

cristal en paralelo con la de los electrodos metálicos



Termómetro digital de cuarzo– Modelo y circuito equivalente

• L1=4451 H, C1 0 5 fF, R1 = 11,2 kΩ y C0 = 1,84 pF => 32,768 kHz

• Linealidad• Repetibilidad

– Variantes y aplicaciones• Influencia de la masa en la frecuencia de oscilación• Medida de humedad

– Se recubre el cristal con un material higroscópico

( ) ( ) ( )[ ];1 30

2000 TTcTTbTTaff −+−+−+=



Galgas acústicas– Principio básico

• Frecuencia de oscilación transversal de una cuerda o hilo tenso vibrante– Longitud l– Fuerza mecánica F– Densidad longitudinal m

• Medida de deformaciones– Módulo de Young– Sección transversal

• Frecuencia de oscilación– Se mide con un transductor de reluctancia variable, y cae dentro

de la banda audible

;21 2/1

=mF

lf

;4 22

fESml

=ε



Galgas acústicas– Principio básico

• Se dispone de un sistema autooscilante en el que la señal detectada es amplificada y realimentada a un excitador electromagnético

• A veces el propio excitador actúa alternativamente como detector• El factor de calida Q del resonador mecánico debe ser del orden de

1000 osuperior– De esta forma la frecuencia de oscilación no depende de la

características eléctricas del excitador– Aplicaciones

• Medida de deformaciones• Medida de desplazamientos, presión, fuerza, peso y masa



Galgas acústicas– Aplicaciones

• Variante de cintas vibrantes– Longitud l– Módulo de Young E– Densidad δ

• Medida de la masa de polvo depositado– Excitador y detecor son ambos piezoeléctricos

;21 2/1

=δE

lf



Galgas acústicas– Aplicaciones

• Variante de cintas vibrantes– Longitud l– Módulo de Young E– Densidad δ

• Medida de la masa de polvo depositado– Excitador y detecor son

ambos piezoeléctricos



Transductores basados en cilindros vibrantes– Principio básico

• Si en lugar de un hilo o una cinta vibrante se emplea un cilindro metálico con paredes delgadas (75 um) y un extremo ciego, la frecuencia de oscilación dependerá de las dimensiones y material del cilindro y de cualquier masa que vibre con sus paredes

• Utilizando un excitador electromagnético para mantener la oscilación, se puede medir la diferencia de presión entre las dos caras del cilindro– La diferencia de presión entre ambos lados de las paredes

produce una tensión mecánica entre éstas.



Transductores basados en cilindros vibrantes– Método del tubo vibrante



Transductores basados en cilindros vibrantes– Aplicaciones

• Medidas de densidades de un gas• Medidas de densidades de líquidos

– Método del tubo vibrante• Consiste en dos conductores en paralelo, sujetos en cada

extermo a una base fija y acoplados al conducto principal con unajunta felxible en cada extremo

• Frecuencia de oscilación de la tubería sin líquido f0

• Constante geométrica del sistema δ0

;1

2/1

0

0

+

=

δδ

ff



Transductores basados en ondas superficiales– Principio básico

• Las ondas superficiales en la superficie de un líquido al producir en ella una perturbación se producen también en la superficie de sólidos

• Lord Rayleigh 1885– Aplicacíón a los sismogramas

• Forma de producir una perturbación en la superficie de un sólido– Disponer dos electrodos metálicos interdigitaods en la superficie

de un material piezoeléctrico



Transductores basados en ondas superficiales– Esquema de principio de los

filtros de onda de superficie• Excitación

– Distancia entre electrodos d

– Tensión alterna de frecuencia f

– Deformación superficial• Velocidad v propia

del material• Velocida v=2fd

• Detección– Tensión alterna de salida



Transductores basados en ondas superficiales– Modelo equivalente

• La velocidad v de laonda superficial depende del estado de deformaciones en la superficie y de la temperatura– Dado que éstas dependen del estado de deformaciones en la

superficie y de la temperatura– Afectan a la densidad y propiedades elásticas del material– Alteran la distancia entre electrodos

• Desfase total en el lazo de realimentación

;/2;

0

00

vfLexT

Π=±±=

φφδφφφ



Transductores basados en ondas superficiales– Modelo equivalente

• Desfase total en el lazo de realimentación– Desfase por el tiempo de tránsito de la onda desde un par de

electrodos al otro– Incremento de fase producido por la deformación del sustrato y el

cambio de temperatura– Desfase debido debido al amplificador y la red de adaptación de

impedancias externa– Aplicaciones

• Medidas de temperaturas• Medida de variables mecánicas: fuerza, presión y aceleración

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