domingo, 27 de julio de 2008

SENSORES DIGITALES

SENSORES DIGITALES

Los sensores digitales son aquellos que frente a un estímulo pueden cambiar de estado ya sea de cero a uno o de uno a cero (hablando en términos de lógica digital) en este caso no existen estados intermedios y los valores de tensión que se obtienen son únicamente dos, 5V y 0V (o valores muy próximos)

Se distingue aquí dos tipos de sensores digitales. Los primeros ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica; este grupo lo forman los codificadores de posición. El segundo tipo es el de los sensores que se basan en un fenómeno físico de tipo oscilatorio, transducido posteriormente por un sensor modulador convencional. Los sensores de este grupo se denominan autoresonantes, de frecuencia variable, o casi digitales, y necesitan un circuito electrónico posterior (un contador) para ofrecer la señal digital deseada. Se diferencia delos osciladores variables en que estos últimos incorporan un sensor modulador en un oscilador, mientras ahora se trata de un oscilador no electrónico del que se mide una de las variables mediante un sensor modulador. Una excepción son los termómetros digitales de cuarzo, que emplean un sensor generador.

CODIFICADORES DE POSICIÓN:

Codificadores increméntales
En un codificador de posición incremental hay un elemento lineal o un disco con poca inercia que se desplaza solidario a la pieza cuya posición se desea determinar. Dicho elemento posee dos tipos de zonas o sectores, con una prioridad que las diferencia, dispuesta de forma alternativa y equidistante, De este modo, un incremento de posición produce un cambio definido en la salida si se detecta dicha prioridad cambiante con la posición mediante un dispositivo o cabezal de lectura fijo. La resolución, de un sensor angular, dada como número de impulsos de salida, es

donde D es el diámetro del disco y X la anchura de cada sector codificado.

La simplicidad y economía de esta técnica no admiten duda, pero tiene una serie de inconvenientes que conviene señalar. En primer lugar, la información sobre la posición se pierde en cuanto falta la alimentación del sistema, o simplemente cuando se desconecta, y en presencia de interfaces fuertes. En segundo lugar, es necesario un contador bidireccional para poder tener una salida digital compatible con los elementos de entrada-salida de un ordenador; y en tercer lugar, no permite detectar el sentido de avance.Las propiedades empleadas para la diferenciación de los sectores pueden ser magnéticas, eléctricas u ópticas.
La salida básica suele ser en forma de un tren de pulsos con un ciclo de trabajo del 50%.
magnéticos pueden ser de bobina e imán, de imán y sensor magnetorresistivo o de núcleo toroidal. Los codificadores eléctricos pueden ser capacitivos o de contacto. Los codificadores ópticos pueden estar basados en sectores opacos y transparentes, en sectores reflectores y no deflectores, o en franjas de interferencia. Éstos últimos normalmente cuentan con un LED infrarrojo y un foto detector (LDR: célula fotoeléctrica o fototransistor)Un codificador incremental de rotación está formado por un disco con ranuras radiales ubicadas por lo general muy juntas en toda su circunferencia, o sino con líneas alternadas en color claro y oscuro, que giran frente a un foto sensor (o un conjunto de éstos, para más precisión), generando un pulso por cada ranura o cambio de color.

Codificadores Absolutos:

Los codificadores de posición absolutos ofrecen a su salida una señal codificada correspondiente a la posición de un elemento móvil, regla o disco, con respecto a una referencia interna. Para ello, el elemento móvil dispone de zonas con una propiedad que las distingue, y a las que se asigna un valor binario "0" o "1". Pero, a diferencia de los codificadores increméntales, hay varias pistas con zonas diferenciadas y están agrupadas de tal forma que el sistema de lectura obtiene directamente, en cada posición del elemento móvil, el número codificado que da su posición.

Figura de Principio de funcionamiento de los codificadores de posición absolutos para movimientos lineales y angulares.

Cada pista representa un bit de salida, siendo la pista más interior la correspondiente al bit de mayor peso. Los tipos de sensores más empleados en este caso son los óptico, con zonas opacas y transparentes y en menor medida, los de contacto, con zonas conductoras y aislantes. Hay conjuntos de fotosensores integrados que facilitan en gran manera la realización del codificador.

Estos codificadores tienen inmunidad intrínseca frente a las interrupciones e interferencias electromagnéticas, pero ello es a cuesta de unos cabezales de lectura que son mucho mas complejos que en los codificadores increméntales. Esto se debe a que hay tantos elementos de lectura como pistas y a la necesidad de que todos ellos estén bien alineados, de forma contraria, el código ofrecido a la salida puede estar formado por bits correspondiente a dos posiciones contiguas (en particular cuando se produzca la transición de una a otra). El código resultante puede corresponder a una posición muy distante de la real. Si, por ejemplo, se emplea el código binario natural, en un sistema con 8 bits 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


Los Codificadores de posición son relativos a la medida y control de posiciones lineales y angulares con alta resolución, por lo anterior se emplean en: robótica, grúas, válvulas hidráulicas, plotters, máquinas—,herramienta, posicionamiento de cabezales de lectura en discos magnéticos y de fuentes de radiación en radioterapia, radar, orientación de telescopios entre otros.


a)Discos de un codificador digital que añade una pista externa para aumentar la resolución mediante un sistema de rejillas fijas. b)Codificador absoluto basado en un código pseudoaleatorio.

Por ejemplo, para medidas de nivel con flotador. Los codificadores absolutos son indicados en aplicaciones donde el elemento móvil permanece inactivo durante periodos de tiempo prolongados, por ejemplo antenas parabólicas, o cuando se mueve lentamente. También interesan cuando se desea ahorrar energía, por qué sólo hace falta alimentación cuando se desea información.

SENSORES AUTORRESONANTES
Los sensores basados en un fenómeno físico resonante ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de interés que afecta a la frecuencia de oscilación. Todos requieren un frecuencímetro-contador para medir bien la frecuencia o bien el periodo de oscilación. La elección de uno u otro método depende de la resolución deseada y del tiempo disponible para la medida. Las estructuras resonantes basadas en monocristales de silicio se prestan bien a la realización de circuitos integrados. En sensores se emplean tanto osciladores armónicos como de relajación. En los primeros hay una energía almacenada que cambia de una u otra forma de almacenamiento, por ejemplo de energía cinética en el movimiento de una masa a energía potencial en la tensión de un muelle. En los segundos hay una única forma de almacenamiento, y la energía almacenada se disipa periódicamente mediante algún mecanismo de puesta a cero.

Es importante observar que si bien la ausencia de convertidor A/D hace innecesaria una tensión de referencia estable para medir la salida de estos sensores, no por ello es posible medir una magnitud absoluta -la frecuencia del oscilador- sin tener otra magnitud de referencia bien conocida, en este caso el oscilador del que se obtiene la base de tiempos del contador con que se mida la frecuencia. Este oscilador de referencia será generalmente de cristal de cuarzo y tendrá derivas con el tiempo y la temperatura. Las derivas temporales se deben a cambios estructurales en el cuarzo debidos a imperfecciones en la estructura cristalina, a las tensiones mecánicas ejercidas por los soportes sobre el cuarzo, que decrecen con el tiempo, y que varían después de ciclos térmicos; y a los cambios de masa del cristal por absorción o desorción de contaminantes dentro del encapsulado.

La curva de envejecimiento (Af/f) es exponencial al principio y lineal al cabo de meses. Por eso los cristales de precisión se dejan envejecer antes de su instalación. Las derivas térmicas son el fundamento de los termómetros digitales de cuarzo y tienen forma de "S" tumbada. Su valor depende del ángulo de corte. El corte más estable, en un margen de temperatura pequeño, es el de 35° 13', pero en el margen de 0 a 50°C, el normal en frecuencímetros, el corte más estable es el AT: 35° 15'. Para mantener al cristal termostatado, se dispone en un horno cuya temperatura sea unos 20°C mayor que la temperatura de funcionamiento, y tal que el cristal presente una sensibilidad mínima a dicha temperatura.



-Tipos de Sensores Autorresonantes

*Sensores Basados en ondas superficiales
Los sensores SAW basan su principio de operación en velocidad de propagación de las ondas Rayleigh en piezoeléctrico debido a la presencia de una cantidad sobre la misma. Los dispositivos SAW son estructuras la modificación de la superficie de un de masa depositada interdigitadas que se realizan sobre substratos piezoeléctricos para que las ondas acústicas superficiales puedan ser generadas mediante una excitación eléctrica. Se pueden utilizar como substratos o medio de soporte el Si y éste no es un material piezoeléctrico, por lo que se requiere una capa adicional piezoeléctrica sobre el silicio para desarrollar los sensores SAW. Para ello pueden utilizarse diferentes materiales piezoeléctricos, tales como, CdS, AIN y en particular el ZnO. Por otra parte el AIN presenta las ventajas de que sus constantes piezoeléctricas tienen muy baja dependencia con la temperatura (como el cuarzo) y una velocidad de propagación de las ondas acústicas de hasta tres veces superior al cuarzo por lo que se incrementaría la sensibilidad de estos dispositivos.Son sensores que operan en frecuencias altas, barren el rango entre 100 y 500 MHz y aunque pueden llegar, incluso, hasta pocos GHz tales frecuencias requieren un sofisticado diseñoo del circuito oscilador. Los transductores interdigitados (IDT) son los que se usan para excitar y detectar una onda acústica superficial sobre un substrato piezoeléctrico.


Sensores Basados en ondas superficiales.

*Galgas Acústicas
Una galga acústica es un dispositivo capaz de resonar a frecuencia de la banda audible (de ahí su nombre), funciona con un hilo de reluctancia variable y se utiliza comunmente para medir deformaciones, por lo que mide variables como son la fuerza, masa y la longitud. También utiliza el principio del módulo de Young para hacer estas mediciones.

*Cilindros Vibrantes
Es 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, igual que antes, un excitador electromagnético para mantener la oscilación, se puede medir la diferencia de presión entre las dos caras del cilindro, porque la diferencia de presiones entre ambos lados de las paredes produce una tensión mecánica en éstas Se puede medir la densidad de un gas porque el gas cerca de las paredes vibra al hacerlo éstas. Para líquidos corrosivos es mejor emplear un cilindro de vidrio o cerámico y el excitador piezoeléctrico, ya que los electromagnéticos no sirven.La aplicación más extendida de este método es, sin embargo, la medida continua de la densidad de líquidos, con una disposición como la indicada en la figura x Consiste en dos conductores en paralelo, como por los que fluye el liquido, sujetos por cada extremo a una base fija y acoplados al conducto principal, con una junta flexible en cada extremo.



Como el volumen es conocido y la frecuencia de oscilación de los dos conductos, que se comportan como un diapasón, depende de la masa, en consecuencia de la densidad. La relación es de la forma:

siendo fo la frecuencia de oscilación de la tubería sin líquido YPc una constante que depende de la geometría del sistema. La frecuencia de salida se puede medir, por ejemplo, con un PLL cuyo VCO excita el tubo vibratorio. El filtro de paso bajo que hay entre el comparador de fase y el oscilador, filtra entonces el ruido de alta frecuencia captado por los hilos de conexión.

*Sensores Resonadores de Cuarzo
Estos sensores están basados en una frecuencia de oscilación alta, se basan en la variación que sufre ésta ante una deformación del cristal, para un elemento con electrodos metálicos depositados en dos de sus caras, en la figura que se mostrara a continuacion se muestra el circuito eléctrico equivalente de un sensor de cuarzo resonante. En ésta, Lm viene determinada por la masa del cristal, Cm por la elasticidad mecánica, Rm por la fricción interna (que se traduce en una disipación de calor) y Co es la capacidad del soporte del cristal en paralelo con la de los electrodos metálicos, con el material piezoeléctrico como dieléctrico. La presencia de un circuito resonante permite emplear dicho elemento como base de un oscilador.



Circuito equivalente de material piezolectrico

Dado que el cuarzo es inerte, si se emplea un monocristal de gran pureza la estabilidad de la resonancia mecánica a largo plazo es muy alta. La estabilidad a corto plazo depende del factor de calidad Q (alta rigidez, poca histéresis) y la inductancia equivalente, que son muy elevados. Una estabilidad a corto piazo elevada permite diseñar sensores de alta resolución, mientras que una gran estabilidad a largo plazo significa que se necesitarán menos recalibraciones.

Existen diversos tipos de sensores resonantes clasificándose según la variable física a medir:

-Termómetros Digitales de Cuarzo
-Microbalanzas de cuarzo
-Sensores de gas resonante
-Sensores de fuerza y presión basados en resonadores de cuarzo

Micro balanzas basadas en resonadores de cuarzo

Si sobre un cristal de cuarzo dispuesto en un oscilador se deposita una pequeña masa, la frecuencia de resonancia se reduce. Si la frecuencia de oscilación era f0, el área del cristal A, su densidad p, y la masa depositada Am, el desplazamiento de frecuencia viene dado en primera aproximación por la ecuación de Sauerbrey:

donde N es una constante, y se supone que la masa añadida no se deforma durante la oscilación. Para un cristal de cuarzo cortado en dirección AT y resonando en modo flexión, queda ∆f= -2,3× 106 f02(∆m/A). Se emplean discos de 10 a 15 mm de diámetro y 0,1 a 0,2mm de espesor. La frecuencia de resonancia va de 5 a 20Mhz. Para un sensor de 5MHz, se puede obtener una sensibilidad de 189 ng/(cm2Hz). Este método se aplica a la medida de humedad a base de recubrir el cristal con un material higroscópico que se expone al ambiente cuya humedad se desea medir. El agua absorbida aumenta la masa y reduce la frecuencia de oscilación. Si el cristal se recubre con materiales orgánicos no volátiles específicos en vez de un material higroscópico, se pueden detectar compuestos volátiles específicos en fase gaseosa. Con este método se han podido detectar cambios de masa del orden de nanogramos. Los osciladores de cristal de cuarzo también se han empleado como monitores económicos de deposición en vacío. Se emplean dos osciladores de reloj comerciales: uno para la detección, con un agujero en su encapsulado, hacia el centro del electrodo de cristal, y el otro oscilador se emplea como referencia. Ambos osciladores se colocan en la cámara de vacío y, de esta forma, se minimiza el efecto de los hilos de conexión al sensor, y se asegura que estarán a la misma temperatura.

Construcción de Microbalanzas de Cuarzo

Los sensores QCM (Microbalanzas de Cuarzos) son construidos con una fina lámina de cristal de cuarzo situado entre dos electrodos, donde la frecuencia de oscilación del sensor viena dada por el grueso de la lámina de cuarzo y el corte del cristal original para obtener la lamina.

El corte utilizados en la microbalanza de cuarzo son paralelos a los planos XZ o YZ, que se conocen, respectivamente, como cortes X o Y. El corte "AT" (35º de inclinación con respecto al plano XZ (Figura 8)) es el más utilizado y se fabrica hasta frecuencias relativamente altas, mostrando una excelente estabilidad de frecuencia frente a las variaciones de la temperatura. Una lámina de este tipo, en su modo fundamental de oscilación, se contrae y expande a lo largo de un eje normal a las caras principales por efecto de un campo eléctrico perpendicular a dicho eje, el plano principal permanece en reposo y las dos caras tienen la máxima amplitud de movimiento.



Corte de Cristal de Cuarzo.

En la siguiente figura se muestra un esquema de la construcción interna de un cristal de cuarzo, aunque su grueso se ha exagerado. Para un cristal cuya frecuencia sea de por ejemplo, 15 MHz el grueso de la lámina de cuarzo estará alrededor 0,15 mimetros.


Esquema de construcción interna Cristal de Cuarzo.


El cristal de cuarzo es un material frágil y por tanto es preciso protegerlo con una capsula que suele ir rellena de un gas inerte, por ejemplo, nitrógeno.
El circuito eléctrico es el responsable de generar un campo eléctrico oscilante entre las dos placas, lo cual provoca el comportamiento piezoeléctrico de la lámina de cuarzo; cuya frecuencia de resonancia varía según el tipo de corte y el espesor de la lámina, en la siguiente figura se muestra la lámina de cuarzo incluido el circuito eléctrico.


Lamina de Cuarzo con circuito electrico.


Sistema de Acondicionamiento

Los sensores QCM (Microbalanzas de Cuarzo) poseen una alta impedancia, una forma de medir la señal proveniente de este sensor es empleando un amplificador de carga y la otra es mediante el uso de un amplificador electrométrico. Ademas estos sensores necesitan un circuito oscilador un circuito basico de los osciladores son los serie y los paralelos.
Un circuito básico oscilador resonante serie, utiliza un cristal que está diseñado para oscilar en su frecuencia resonante serie natural. En éste circuito no hay capacitores en la realimentación Los circuitos resonantes serie son usados por la baja cantidad de componentes que se utilizan, pero estos circuitos pueden tener componentes parásitos que intervienen en la realimentación. y en el caso que el cristal deje de funcionar oscilarán a una frecuencia impredecible.
Un circuitos oscilador paralelo utiliza un cristal que está diseñado para operar con un valor específico de capacidad de carga. Esto resultará en un cristal que tendrá una frecuencia mayor que la frecuencia resonante serie, pero menor que la verdadera frecuencia resonante paralelo. Un circuito básico se muestra a continuación.




Otro circuito acondicionador mas complejo utilizando parta e oscilador transitor Schottky:




Otros métodos de detección:

1)Basado en uniones semiconductoras:










Basados en ultrasonidos. Construcción y circuito de acondicionamiento

El ultrasonido se define como ondas de sonido de alta frecuencia que están por encima del rango de percepción humana. El punto más bajo es generalmente 20kHz y el superior ya está en el rango del megahertz. Los seres humanos son capaces de detectar sonidos en el rango de 20Hz a 20kHz. Los instrumentos portátiles que miden la intensidad del ultrasonido transportado en el aire o por medio de una estructura cubren frecuencias desde 20 kHz hasta 100 kHz.El método generalizado para detectar fugas es sencillo. Un inspector con un instrumento de ultrasonido escanea un área y busca un sonido diferente que se acelera. Con ajustes continuos del control de volumen se sigue el sonido de la fuga hasta que se escucha el punto más alto. Enel rango ultrasónico, el inspector es capaz de discriminar entre ruidos de fondo irrelevantes y la señal de la fuga. Alqunos instrumentos incluyen una sonda focalizadora de hule que estrecha el área de recepción. Estas sondas protegen contra ultrasonidos competitivos y ayudan a localizar la ubicación de fugas pequeñas. La gran ventaja de la detección por ultrasonido es que puede usarse en diferentes ambientes, pues es sensible al sonido y no específica para cada gas. Cuando ocurre una fuga, el fluido (líquido o gas) se mueve desde el lado de alta presión a través del agujero al lado de baja presión de la fuga, donde se expande rápidamente y produce un flujo turbulento. Esta turbulencia tiene fuertes componentes ultrasónicos que son detectados por el instrumento. La intensidad de la señal de ultrasonido cae rápidamente desde la fuente, lo cual permite localizar exactamente el sitio de la fuga.Para sistemas fuera de servicio, una prueba especializada, denominada una prueba de tono, emplea un transmisor ultrasónico para producir una fuente de sonidos ultrasónicos. La prueba se lleva a cabo colocando un transmisor adentro, o en un lado de la pieza del equipo a inspeccionar. Una señal vibratoria viaja por toda la pieza y penetra cualquier sitio de fuga existente. Un escaneado para penetración sónica usa un instrumento de ultrasonido y localiza la fuga. Esta prueba es especialmente apta para intercambiadores de calor.


Basado en fibras ópticas. Construcción y circuito de acondicionamiento.

Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.Un filamento de vidrio sumamente delgado y flexible (de 2 a 125 micrones) capaz de conducir rayo ópticos (señales en base a la transmisión de luz).

Las fibras ópticas poseen capacidades de transmisión enormes, del orden de miles de millones de bits por segundo. Se utilizan varias clases de vidrios y plásticos para su construcción.Una fibra es un conductor óptico de forma cilíndrica que consta del núcleo (core), un recubrimiento (clading) que tienen propiedades ópticas diferentes de las del núcleo y la cubierta exterior (jacket) que absorbe los rayos ópticos y sirve para proteger al conductor del medio ambiente así como darle resistencia mecánica. Además, y a diferencia de los pulsos electrónicos, los impulsos luminosos no son afectados por interferencias causadas por la radiación aleatoria del ambiente.

Cuando las compañías telefónicas reemplacen finalmente los cables de cobre de sus estaciones centrales e instalaciones domiciliarias con fibras ópticas, estarán disponibles de modo interactivo una amplia variedad de servicios de información para el consumidor, incluyendo la T.V. de alta definición.Cada una de las fibras ópticas, puede transportar miles de conversaciones simultáneas de voz digitalizada.Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.

Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.

Ventajas De La Fibra ÓpticaCapacidad de transmisión:

La idea de que la velocidad de transmisión depende principalmente del medio utilizado, se conservo hasta el advenimiento de las fibras ópticas, ya que ellas pueden transmitir a velocidades mucho más altas de lo que los emisores y transmisores actuales lo permiten, por lo tanto, son estos dos elementos los que limitan la velocidad de transmisión.

-Mayor capacidad debido al ancho de banda mayor disponible en frecuencias ópticas.

- Inmunidad a transmisiones cruzadas entre cables, causadas por inducción magnética.
- Inmunidad a interferencia estática debida a las fuentes de ruido.
- Resistencia a extremos ambientales. Son menos afectadas por líquidos corrosivos, gases y variaciones de temperatura.
- La seguridad en cuanto a instalación y mantenimiento. Las fibras de vidrio y los plásticos no son conductores de electricidad, se pueden usar cerca de líquidos y gases volátiles.

Parámetros De Una Fibra Óptica:Existen varios parámetros que caracterizan a una fibra óptica. Se habla de parámetros estructurales y de transmisión establecen las condiciones en las que se pueden realizar la transmisión de información.

Entre los parámetros estructurales se encuentra:

a)El perfil de índice de refracción.

b)El diámetro del núcleo.

c)La apertura numérica.

d)Longitud de onda de corte.

En cuanto a los parámetros de transmisión se tiene:

a)Atenuación.

b)Ancho de banda.