Introduccion a los sensores

Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Dr.AdriánAntonio Castañeda Galván

 Un transductor es un dispositivo que se encarga de
convertir la manifestación de la energía de entrada a
otra manifestación de energía de salida que es relativa
y proporcional a la entrada pero es de mayor utilidad
al sistema en el que se encuentra.

 De acuerdo a la definición tenemos dos tipos de
transductores
1. Transductores de entrada: los cuales conocemos
como sensores
2. Transductores de salida: también conocidos como
actuadores

Un sensor es un elemento del sistema de medida
que transforma la energía de la variable del
fenómeno físico que se quiere estudiar en una
energía de salida que es función de la variable
medida.

 Según su diseño (design)
 Magnitud de medida
 Características eléctricas
 Características mecánicas
 Prestaciones (performance)
 Estáticas
 Dinámicas
 Ambientales
 Fiabilidad (reliability)
 Ciclos de vida o tiempo de vida

 Magnitud medida (measurand)
 Naturaleza: magnitud que es detectada por el
sensor (ej. Presión, aceleración, temperatura, etc).
 Rango (range): límites superior e inferior de la
magnitud medida.
 Intervalo de entrada (input span) o fondo de
escala de entrada (input full scale IFS): diferencia
algebraica entre los límites superior e inferior de la
magnitud medida

 Características eléctricas (electrical design
characteristics)
 Salida (output): magnitud eléctrica producida por el
sensor función de la magnitud medida; por ejemplo
cambios de voltaje, resistencia, capacitancia,
inductancia, corriente, frecuencia, estado binario o
código binario según la magnitud de entrada.
 Span de salida (output span) o fondo de escala de
salida (output full scale FSO): diferencia algebraica
en la salida medidas cuando se aplican los valores
máximo y mínimo de la magnitud de entrada.

 Excitación o alimentación (excitation): señal
eléctrica que suministra la energía necesaria para
activar el funcionamiento del sensor.
 Impedancia de entrada (input impedance):
impedancia que presenta el sensor a la fuente de
alimentación.
 Impedancia de salida (output impedance):
impedancia medida en las terminales de salida del
sensor.

 Características mecánicas (mechanical design
characteristics) Definen las propiedades físicas
del sensor.
 Peso (weight).
 Configuración (configuration): se indica con dibujos
esquemáticos todas las dimensiones, localizaciones
de todas las conexiones mecánicas, eléctricas y de
fluidos y cualquier agujero de montaje.
 Identificación (nameplate information): señalan las
características más relevantes mediante la
nomenclatura apropiada.

 Características estáticas (static performance
characteristics)
Describen las prestaciones del sensor en
condiciones ambientales normales cuando la
entrada cambia muy lentamente; por ejemplo,
(temperatura 25ºC ±10ºC, humedad relativa <90%,
a 100 luxes y con un PH de 7)

 Sensibilidad (sensitivity): es la relación entre
el cambio en la magnitud de salida y el
cambio en la magnitud de entrada.
 Resolución (resolution): es el mínimo cambio
en la magnitud de entrada que puede ser
detectado a la salida; por ejemplo, en un
sensor digital con voltaje de referencia de 5v
y resolución de 12 bits el mínimo cambio
detectable es de 5v/4096=1.22 mv

 Repetitividad (repeatability): diferencia en la
salida cuando se aplican los mismos valores
de entrada y en las mismas condiciones.
 Reproducibilidad (reproducibility):
capacidad de obtener la misma salida cuando
se aplican los mismos valores de entrada en
las mismas condiciones pero por diferentes
personas o en diferentes laboratorios.

 Linearidad (linearity): es la proximidad de la
curva de calibración del sensor a una línea
recta.
 Histéresis (hysteresis): máxima diferencia en
la salida cuando los valores de la entrada se
aproximan de forma creciente y luego
decreciente.
 Offset: es el valor de la salida para entrada
cero.También conocida como desviación de
cero.

 Características dinámicas (dynamic
performance characteristics)
 Describen la respuesta del sensor a
variaciones de la entrada en el tiempo, en
condiciones ambientales normales.

 Respuesta en frecuencia (frequency response):
especifica la respuesta de un sensor ante
entradas periódicas
 Rango de frecuencia en el que para entradas
sinusoidales la amplitud de la relación salida/entrada
es constante dentro de un determinad margen de
error dinámico.
 Desfase (phase shift) a una frecuencia dada: define el
retraso, expresado en grados o rad, de la señal de
salida respecto a una señal sinusoidal de entrada.

 Respuesta transitoria (transient response):
hace referencia a la respuesta del sensor ante
entradas pulsantes.
 Tiempo de respuesta (response time): tiempo
requerido para que la salida alcance un porcentaje
especificado de su valor final (típicamente 95% o
98%)
 Tiempo de subida (rise time): tiempo requerido para
que la salida pase de un pequeño porcentaje a un gran
porcentaje del valor final (típicamente del 10% al
90%)

 Describen el comportamiento del equipo tras
ser expuesto a determinadas condiciones
ambientales externas que no se refieren a la
magnitud que mide el sensor

 Operating environmental effects: efectos
durante la realización de medidas
 Nonoperating environmental effects: indica
los límites a los cuales puede someterse el
sensor durante un periodo especificado de
tiempo sin alterar permanentemente sus
prestaciones cuando vuelva a condiciones
normales de funcionamiento (durante el
almacenamiento, transporte o montaje) .

 Efecto de laTemperatura.
 Rango de temperatura de almacenamiento (storage
temperature).
 Rango de temperatura de funcionamiento (operating
temperature range). Desviación de las características por
variaciones de temperatura; por ejemplo, derivas térmicas
sobre la sensibilidad (thermal sensitivity shift) y sobre el
offset (thermal zero shift)
 Otros factores ambientales como la humedad o la
presión ambiental pueden ser relevantes en sensores
 Los efectos de la aceleración y vibración pueden ser
relevantes en sistemas mecánicos o móviles.

 Hace referencia a la capacidad para realizar
una función bajo determinadas condiciones
durante un tiempo establecido.
 Normalmente se determina como una
probabilidad de fallo en un periodo de tiempo
o número de usos.

 Vida de almacenamiento (storage life):
tiempo en el cual el sistema puede estar
almacenado en determinadas condiciones sin
que cambie sus prestaciones dentro de cierta
tolerancia.
 Vida de funcionamiento (operating life):
mínima cantidad de tiempo en la que el
sistema debe funcionar de forma continua o
en ciclos on-off sin cambiar sus prestaciones
dentro de cierta tolerancia.

 Ciclos de vida (cycling life): número de excursiones
de rango completo en las que el sistema debe
funcionar sin cambiar sus prestaciones dentro de
cierta tolerancia.
 Estabilidad (short- and long-term stabilities): son
cambios en las prestaciones del sensor en minutos,
horas, días o años.
 Estabilidad a corto plazo puede ser descrita como ruido
de muy baja frecuencia. La salida puede aumentar o
disminuir.
 Estabilidad a largo plazo suele estar relacionada con el
envejecimiento de los materiales (principalmente
orgánicos). Es un cambio irreversible y unidireccional.

 Los sensores se pueden clasificar según su:
1) Aporte de energía
2) Señal de salida
3) Percepción del entorno
4) Modo de funcionamiento
5) Magnitud medida
6) Principio Físico del sensado

 Aporte de energía
 Pasivos: se limitan a medir la energía proveniente
del exterior
 Activos: necesitan una fuente de alimentación
para producir un estimulo
 Señal de salida
 Analógicos : la salida se da de una forma continua
proporcional a la variable física
 Digitales: la salida varía de forma discreta

 Percepción del entorno
 Propioceptivo: percepción del propio sensor con respecto
al sistema; por ejemplo, orientación del brazo, nivel de
energía, aceleración, etc.
 Exteroceptivo: percepción de aspectos externos como
presión, temperatura, ph
 Modo de funcionamiento
 Deflectores: la magnitud de medida provoca un efecto en
el sistema de medida; por ejemplo, un dinamómetro.
 Comparadores: hay un detector de desequilibrio y un
medio para restablecerlo; por ejemplo, detector de
desequilibrio LVDT

 Por magnitud medida: magnitud que es
detectada por el sensor
 Posición
 Proximidad
 Aceleración
 Temperatura
 Luz
 Fuerza
 etc

 Por el principio físico del sensado: variable
física del sensor que es afectada por la
magnitud medida
 Resistivo
 Capacitivo
 Inductivo
 Piroeléctrico
 Piezoeléctrico
 Efecto HALL

 Hay tres tipos de sensores
 Sensores primitivos
 Sensores avanzados
 Sensores inteligentes

 Los sensores primitivos son aquellos
sensores que presentan una señal de salida
solo por la variación en su principio físico de
sensado que es afectada por la magnitud
medida y que no tienen ninguna electrónica
embebida para el acondicionamiento de la
señal de salida.
Por ejemplo: un potenciómetro, una LDR, una galga
extensiométrica, un microfono, un LVDT, un
Termopar, un foto transistor, etc.

 Los sensores avanzados son aquellos
sensores primitivos que en su encapsulado
tienen la electrónica para el
acondicionamiento, estabilización,
amplificación y acoplamiento de la señal de
salida.
 Por ejemplo el sensor de temperatura LM35,
el sensor de presión barométrica bmp280,
sensor de temperatura y humedad DHT11,
sensor de colorTCS230 yTCS3200, etc.

 Los sensores inteligentes son aquellos
sensores avanzados que en su encapsulado
no solo tienen la electrónica para el
acondicionamiento, estabilización,
amplificación y acoplamiento de la señal de
salida; sino que también tienen dispositivos
programables, dispositivos de comunicación
y memoria embebidos que permiten tener
acciones avanzadas

 Pre-procesa los valores medidos en cantidades más significativas.
 Comunica sus medidas a través de señales digitales y protocolos
de comunicación como el RS232 o I2C
 Organiza las acciones requeridas para que los sensores primitivos
tomen las medidas.
 Toma decisiones e inicializa acciones basado en las condiciones
censadas, independientemente del control con el que se esté
comunicando (microcontrolador,FPGA, DSP, PIC, etc.).
 Recuerda calibración o parámetros de configuración

 Algunos ejemplos de sensores inteligentes
son:
 Inertial measurement unit IMU LSM90S1
 Sensores de radiación ultravioleta tsl2861
 Sensores de distancia time of fligthVL6180X
 Sensor GPS SBS-02G

 Ahora que tenemos un considerable
compendio de conceptos básicos, tenemos la
base para elegir un sensor.
 En la siguiente diapositiva, se encuentra una
tabla resumen que te dará una buena
perspectiva

 Para elegir un sensor es necesario conocer la
magnitud de medida que se quiere estudiar;
sin embargo, es recomendable estudiar los
sensores según sus principios físicos debido a
que si sabes hacer la electrónica de
acondicionamiento e instrumentación, estos
se pueden implementar para la medición de
las distintas magnitudes de medida.
 Vea la siguiente tabla

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Creus Sole, Antonio (2006), Instrumentación industrial (7ª edición), México:
Alfaomega-Marcombo, , ISBN 84-267-1361-5.
Pallás-Areny Ramón (2003), Webster John G., Sensors and signal
conditioning (2nd Edition), USA: John Wiley and Sons, ISBN 0-471-33232-1.
Pallás-Areny Ramón (2007), Sensores y acondicionadores de señal (4ta.
Edición), México: Alfaomega-Marcombo, ISBN 978-970-15-1231-9.
Webster John G. (2009), Medical Instrumentation Application and Design
(4th Edition), USA: Wiley, ISBN 0471676004.

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