Tema 5

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TEMA 5: SENSORES
Y TRANSDUCTORES

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

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

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

5
 Sistemas de control continuo:
CONTROL PROCESO
E S
Control Proceso
Realimentación
Comparador
E S
Sistemas de cadena abierta: no
existe vigilancia sobre la señal de
salida. Problema: es incapaz de
resolver los problemas causados por
las posibles perturbaciones
Sistema de cadena cerrada o
realimentada: recibe información
desde la salida para determinar si
ésta se ha ejecutado correctamente.
Para ello, se establece una
realimentación desde la salida hacia
la entrada.

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Servosistema: sistema de cadena cerrada y entrada variable.
Servomecanismo: servosistema en el que la salida es una magnitud física como
posición, velocidad, temperatura, etc. La estructura general de un servosistema
es el siguiente:
Detector de error
Regulador Accionador
Realimentación
Xe S
Proceso
Transductor
de salida
Transductor
de entrada
XsXc

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Ejemplo: Un ejemplo práctico de servomecanismo puede ser un regulador de
velocidad de un motor.
Regulador
Dinamo
tacométrica
Verr Vc
Motor
V

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Función de transferencia: FDT
A
B
Xe Xs+
-
ComparadorFDT total: relaciona la señal de salida
con la entrada. Indica la estabilidad
del sistema.
FDT de error: relaciona la señal de
error con la señal de entrada. Se
utiliza para determinar la precisión
de un servosistema.
FDT de lazo abierto: es la función de
transferencia que se obtiene si al
lazo cerrado se le desconecta la
red de realimentación.
BA
A
Xe
Xs
⋅+
=
1
BAXe
Xs
B
Xe
XrXe
Xe
Xerr
⋅+
=−=
−
=
1
1
1
BA
Xerr
Xr
⋅=

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

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

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

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

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

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 Reguladores

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

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17

18
 Clasificación:
 Señal de salida. Puede ser analógica o digital. En los analógicos,
la información variará de forma continua, la información está en la
amplitud (por ejemplo un potenciómetro). En una salida digital, la
salida variará de forma discreta y hará que la transmisión de su
salida sea más fácil (por ejemplo un codificador de posición).
 Parámetro variable. Resistencia, capacidad, inductancia,
añadiendo luego los sensores generadores de tensión, carga o
corriente, y así se hablará de sensores de tipo resistivo, inductivo,
capacitivo, etc.
 Magnitud medida. Se habla así de sensores de posición,
distancia, desplazamiento, temperatura, presión, fuerza,
velocidad y presencia. Esta clasificación permite escoger el
dispositivo correcto dentro de un sistema de control.

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

20
 Reguladores

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 Medida de grandes distancias: radar
 Medida de distancias cortas: ultrasonidos
 Medida de pequeños desplazamientos:
 Sensores de tipo resistivo:
 Potenciómetro
 Galgas extensiométricas
 Sensores de tipo inductivo
 Sensores de tipo capacitivo
 Medida de ángulos
 Sensores inductivos: resolver
 Sensores digitales:
 Codificadores incrementales
 Codificadores absolutos

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 Medida de grandes distancias: radar
 Miden señales a distancias entre 100 metros y 10 Kilómetros.
 El radar es básicamente un transmisor de radiaciones
electromagnéticas a frecuencia muy elevada (5-20KHz) generadas
por un oscilador modular a impulsos.
 Estas radiaciones son emitidas por una antena y un receptor
amplifica los ecos recibidos del objeto cuya distancia se desea
medir.
 Esta distancia se puede calcular como:
 El tiempo es de ida y vuelta, por tanto hay que dividirlo entre dos.
2
t
cD
∆
=
.:
.,:
tan:
recibesequehastaemitidaesondalaquedesdedotranscurritiempot
luzladelantehabitualmeondasdenpropagaciódevelocidadc
ciadisD
∆

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

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 Medida de pequeños desplazamientos:
Potenciómetro
Galgas extensiométricas

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Medida de pequeños desplazamientos
Potenciómetro:
Galgas extensiométricas:
l
x
R
)()( xl
A
l
A
R −=−=
ρ
α
ρ
.min:
sec:
:
:
:
fijoalterotroeldesderecorridadistamcoax
ltransversaciónA
materialdeladresistivid
longitudl
aresistenciR
ρ
A
l
R ρ=
ltransversaciónA
longitudl
adresistivid
aresistenciR
sec:
:
:
:
ρ

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

27
 Sensores de tipo capacitivo:
Están formado por dos
condensadores variables
dispuestos físicamente de tal modo
que experimentan el mismo cambio
pero en sentidos opuestos. Los
sensores capacitivos diferenciales
se emplean para medir
desplazamientos entre 10 y10mm,
con valores de capacidad del orden
de 1 a 1000pF
Placas móviles
Placas
fijas
13−

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 Medida de grandes distancias: radar
 Medida de distancias cortas: ultrasonidos
 Medida de pequeños desplazamientos:
 Potenciómetro
 Galgas extensiométricas
 Medida de ángulos
 Codificadores incrementales
 Codificadores absolutos

29
 Medida de ángulos
Codificadores incrementales
Codificadores absolutos

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

31
Medida de ángulos
La bobina móvil excitada
con tensión V sen(wt) y
girada un ángulo Ø induce
en las bobinas fijas situadas
en cuadratura las siguientes
tensiones:
V1 = V sen(wt) sen Ø
V2 = V sen(wt) cos Ø

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

33
 Reguladores

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 Sensores resistivos
 RTD
 Termistores
 Sensores termoeléctricos
 Efecto Seebeck
 Efecto Thomson
 Efecto Peltier

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Sensores de temperatura
 Sensores resistivos
 RTD:(Resistance Temperatura Dependent). Detectores de
temperatura basados en la variación de su resistencia
eléctrica. La resistencia aumenta con la temperatura. La
dependencia se expresa mediante:
 Termistores:A diferencia de las RTD, que están basadas
en conductores, los termistores se basan en
semiconductores. Si su coeficiente de temperatura es
negativo, se denominan NTC (Negative Temperature
Coeficient), mientas que si es positivo se denominan PTC
(Positive Temperature Coefficient )
)...1( 3
3
2
210
n
nTTTTRR αααα +++++=
.:
:
:
0 referenciadeatemperaturlaaaresistenciR
referenciadelaarespectoatemperaturdeincrementoT
aresistenciR

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

37
 Sensores termoeléctricos
 Efecto Seebeck
 Efecto Thomson
 Efecto Peltier
T T+T
A
B
T T+T
A
B
T+T
A
B
T-T
Cede calorAbsorbe
calor
Efecto Seebeck en un termopar:
aparece una corriente o una
diferencia de potencial cuando hay
dos uniones a diferente temperatura.
Efecto Peltier: al hacer circular
corriente por un circuito de
termopares, una unión se
enfría y la otra se calienta.

38
 Reguladores

39
 Sensores de velocidad:
 De tipo digital (tacómetro):
 Por ultrasonidos: Efecto Doopler
a partir de un codificador
incremental obtiene m
impulsos por cada vuelta. Si
se contabilizan N impulsos
durante un intervalo T, la
velocidad angular es:
Tm
N π
ω
2
=
αcos2 −=−
c
v
fff ere
npropagaciódedirecciónyvelocidadlaentrerelativoángulo
sonidoradiaciónladenpropagaciódevelocidadc
fluidodelvelocidadv
recibidafrecuenciaf
emitidafrecuenciaf
r
e
:
)(:
:
:
:
α

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Sensores de velocidad
 Por ultrasonidos: Efecto Doopler
Transmisor
Mezclador
ContadorFiltro paso
alto
Base de
tiempos
Móvil
ft
fr
ft fr
Diseño en bloque de un radar de tráfico.

41
 Reguladores

42
 Sensores de presión:
 Tubo Bourdon
 Piezoeléctricos: El efecto piezoeléctrico descubierto en 1881 por
Jacques y Pierre Curie, es un efecto que consiste en la aparición de
una polarización eléctrica en un material al deformase bajo la acción
de un esfuerzo.
Materiales piezoeléctricos naturales: cuarzo y la turmalina.
Sustancias sintéticas: cerámicas.
Presión
alta
Presión
baja
Tubo Bourdon
Potenciómetro
+V-
Tubo metálico de sección transversal no
circular, obtenido a base de aplanar un
tubo de sección circular, que tiende a
recuperara dicha forma cuando se aplica
una diferencia de presión entre el interior y
el exterior. La señal eléctrica se obtiene
mediante un sensor de desplazamiento.

43
 Reguladores

44
 Sensores de proximidad:
 Sensores de tipo resistivo
 Sensores de tipo inductivo:
 Sensores de tipo óptico

45
Sensores de proximidad
Fotorresistencias LDR. Las siglas inglesas corresponden a Light
Dependent Resistor. Están basadas en la variación de la resistencia
eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación
electromagnética con longitud de onda entre 1mm y 10nm).
LDR
Vcc Vcc
Relé
R2
R1
V

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Basados en el fecto Hall: cuando por un conductor circula corriente y se
le aplica un campo magnético en dirección perpendicular a ésta, aparece
una diferencia de potencial transversal. A la tensión obtenida se le
denomina tensión Hall, y depende del grosor t del material en la dirección
del campo magnético aplicado, de la corriente primaria I, del campo
magnético aplicado B y de las propiedades eléctricas del material,
recogidas en el coeficiente A. Estos parámetros se relacionan mediante
la expresión:
IB
tV
A H
H =
aplicadomagnéticocampoB
primariacorrienteI
materialdelgrosort
HalltensiónVH
:
:
:
:

47

48
Sensores basados en un
cambio de inductancia
debido a la presencia de
un objeto metálico

49
 Sensores de tipo óptico:
 Sensores basados en el efecto fotovoltaico  fotodiodos. Se basan
en el efecto fotovoltaico (generación de un potencial cuando una
radiación ioniza una zona donde hay una barrera de potencial). Así,
según sea la radiación incidente, se produce un cambio en el
potencial de contacto de la unión p-n o en la corriente de
cortocircuito.
 Utilizados como detectores de presencia, se basan en la interrupción
del haz de luz por parte del objeto. Tienen un alcance de hasta 50m
en condiciones ideales, pero puede verse disminuido este alcance si
hay humo, polvo o si se acumulan partículas contaminantes sobres
las partes ópticas.

50
 Reguladores

51
 Reguladores
A
B
Ve Vs+
-
Comparador
BVs
Ve-BVs
BA
A
Ve
Vs
G
⋅+
==
1
Si la variable de salida es un sistema mecánico, el sistema de control
realimentado recibe el nombre de servosistema.
Si la entrada permanece constante y lo que varía es la ganancia B del
lazo de realimentación, el sistema se denomina regulador. La función
del regulador es mantener constante la salida, mientras que la función
del servosistema es conseguir que la salida siga a la entrada.

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 Reguladores: Se realiza un control automático por existir un control
en el propio sistema. Para ello se utiliza un regulador. Todo regulador
consta de un transductor de entrada, otro de salida y de un sistema de
estabilización. Es estable si ante cualquier perturbación la salida es
acotada y no se produce una oscilación. Se realiza una compensación de
ajuste de ganancia, de adelanto de fase o retarde de fase para
compensar las variaciones. Esto implica una acción proporcional,
integral, derivativa o PID.
 La regulación con ordenador consta, además del ordenador, de un
convertidos D/A y de otro A/D y de una serie de captadores o sensores.
Básicamente responde al siguiente diagrama de bloques:
Ordenador
D/A
Proceso
CaptadorA/D
Entrada Salida

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 Reguladores. Los controles que se pueden emplear en lazo cerrado
son:
 Control P o control proporcional: se debe estudiar la respuesta a la
entrada en escalón y se debe estudiar el parámetro Kp y la constante de
tiempo.
 Control PI, Control PD y control PID o controles donde se introduce la
acción proporcional, la acción integral y la acción derivativa,
respectivamente.
 En la acción proporcional, la actuación es proporcional a la variación de
la salida respecto al punto de referencia. En la acción integral, la
actuación está en función del tiempo en que la salida ha sido distinta a la
esperada. En la acción derivativa, la actuación está en función de la
velocidad con la que la salida cambia respecto a la tomada como
referencia.

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 Reguladores

55
 Preaccionadores y actuadores:
En todo control de potencia, por una parte se encuentran los
circuitos de control y por otra los de potencia. La unión entre
ambos la realizan unos elementos intermedios, como por ejemplo
relés, relés de estado sólido y contactores, entre otros. Estos
elementos intermedios se conocen también como
preaccionadotes. En un control de arranque de un motor trifásico,
los preaccionadotes son los relés y el actuador el motor. Lo
mismo ocurre con elementos neumáticos e hidráulicos.

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 Reguladores

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 Distintas tecnologías:
El sistema de medida y regulación para conseguir un control
automático estable puede usar un lazo de realimentación y
un control analógico, pero también puede usar un control por
ordenador formando parte del lazo de realimentación. La
señal analógica se muestrea y se convierte a un valor digital
con la cual el ordenador realiza el procesado. La salida se
convierte nuevamente a un valor analógico con un
convertido D/A. En lugar de utilizar un ordenador se puede
realiza el control con un microcontrolador o un PIC.

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