Este documento describe los diferentes tipos de sensores, sus características y aplicaciones. Un sensor es un dispositivo que detecta magnitudes físicas o químicas y las convierte a señales eléctricas. Los sensores más comunes miden propiedades como temperatura, posición, velocidad y fuerza. Algunos ejemplos detallados son los potenciómetros, encoders y sensores de posición lineal o angular.

1. | Electrónica
Sensores
Elaborado por Lic. Edgardo Faletti
Un sensor es un dispositivo capaz de
detectar magnitudes físicas o químicas,
llamadas variables de instrumentación,
y transformarlas en variables eléctricas.
Estas pueden ser por ejemplo: tempe-ratura,
20 |
intensidad lumínica, distancia,
aceleración, inclinación, desplazamien-to,
presión, fuerza, torsión, humedad,
movimiento, etc.
Una variable del tipo eléctrica puede ser
del tipo resistivo como una resistencia
eléctrica, tal las RTD (resistance tempe-rature
detector), una capacidad eléctri-ca
(como en un sensor de humedad),
una tensión eléctrica (como en una ter-mocupla),
una corriente eléctrica (como
en un fototransistor), etc.
Un sensor se encuentra siempre en con-tacto
con la variable de instrumentación,
con lo que puede decirse también que es
un dispositivo que aprovecha una de sus
propiedades a fin de adaptar la señal que
mide para que la pueda interpretar otro
dispositivo. Un ejemplo es el termóme-tro
de mercurio, que aprovecha la pro-piedad
que posee este elemento de di-latarse
o contraerse por la acción de la
temperatura. Un sensor, también puede
decirse, es un dispositivo que convierte
una forma de energía en otra.
Casi en cualquier tipo de máquina en-contramos
sensores.
Características que se deben co-nocer
de un sensor
• Rango de medida: dominio en la mag-nitud
medida en el que puede aplicar-se
el sensor.
• Precisión: es el error de medida máxi-mo
esperado.
• Offset o desviación de cero: valor
de la variable de salida cuando la va-riable
de entrada es nula. Si el rango
de medida no llega a valores nulos de
la variable de entrada, habitualmente
se establece otro punto de referencia
para definir el offset.
• Linealidad o correlación lineal.
• Sensibilidad de un sensor: supo-niendo
que es de entrada a salida y la
variación de la magnitud de entrada.
• Resolución: mínima variación de la
magnitud de entrada que puede de-tectarse
a la salida.
• Rapidez de respuesta: puede ser un
tiempo fijo o depender de cuánto va-ríe
la magnitud a medir. Depende de la
capacidad del sistema para seguir las
variaciones de la magnitud de entrada.
• Derivas: son otras magnitudes, aparte
de la medida como magnitud de en-trada,
que influyen en la variable de
salida. Por ejemplo, pueden ser con-diciones
ambientales, como la hume-dad,
la temperatura u otras como el
envejecimiento (oxidación, desgaste,
etc.) del sensor.
• Repetitividad: error esperado al re-petir
varias veces la misma medida.
Un sensor es un tipo de transductor que
transforma la magnitud que se desea
medir o controlar, en otra, que facilita su
medida. Pueden ser de indicación direc-ta
(e.g. un termómetro de mercurio) o
pueden estar conectados a un indicador
(posiblemente a través de un convertidor
analógico a digital, un computador y un
display), de modo que los valores detec-tados
puedan ser leídos por un humano.
Por lo general, la señal de salida de estos
sensores no es apta para su lectura direc-ta
y a veces tampoco para su procesado,
por lo que se usa un circuito de acondicio-namiento,
como por ejemplo un puente de
Wheatstone, amplificadores y filtros elec-trónicos
que adaptan la señal a los niveles
apropiados para el resto de los circuitos.
Resolución y precisión
La resolución de un sensor es el menor
cambio en la magnitud de entrada que
se aprecia en la magnitud de salida. Sin
embargo, la precisión es el máximo error
esperado en la medida.
La resolución puede ser de menor valor
que la precisión. Por ejemplo, si al me-dir
una distancia la resolución es de 0,01
mm, pero la precisión es de 1 mm, en-tonces
pueden apreciarse variaciones en
la distancia medida de 0,01 mm, pero no
puede asegurarse que haya un error de
medición menor a 1 mm. En la mayoría
de los casos este exceso de resolución
conlleva a un exceso innecesario en el
coste del sistema. No obstante, en estos
sistemas, si el error en la medida sigue
una distribución normal o similar, lo cual
es frecuente en errores accidentales, es
decir, no sistemáticos, la repetitividad po-dría
ser de un valor inferior a la precisión.
Sin embargo, la precisión no puede ser
de un valor inferior a la resolución, pues
no puede asegurarse que el error en la
medida sea menor a la mínima variación
en la magnitud de entrada que puede ob-servarse
en la magnitud de salida.
Tipos de sensores
Existen una gran variedad de sensores
que se ajustan a distintas realidades de
medición. Las magnitudes que se pue-den
medir son:
• Posición lineal o angular
• Deformación
ENTREGA 1

2. | 21
Electricidad |

3. 22 |
| Electricidad
• Velocidad lineal y angular
• Aceleración.
• Fuerza y par (deformación)
• Caudal
• Temperatura
• Presencia
• Táctiles
• Visión artificial
• Proximidad
• Acústico (presión sonora)
• Acidez
• Luz
• Captura de movimiento
En este documento se detallan algu-nos
de ellos.
Posición lineal o angular
Potenciómetro
La magnitud afecta al valor resistivo del
sensor, el ejemplo siguiente (Figura 1)
lo demuestra.
Para el caso de la figura 1, al variar el ni-vel
de combustible se modifica el valor
del potenciómetro. Esto trae como con-secuencia
una variación proporcional de
la corriente que es medida por el instru-mento.
El instrumento corresponde a un
miliamperímetro cuya escala refleja los
distintos niveles del tanque. La variable
medida es analógica.
Cuando se diferencia de la posición li-neal
o angular, se hace referencia al ti-po
de sensor. Esto último está en fun-ción
de su desplazamiento, que tiene el
cursor que modifica de manera directa
al valor de su resistencia.
Encoder (Codificador)
Este tipo de sensor entrega señal del tipo
digital, un ejemplo sencillo es que la varia-ción
del valor medido se traduzca en un
conjunto de números binarios. Estos co-rresponden
al valor de la misma variable.
El funcionamiento corresponde a un con-versor
del tipo analógico a digital (CAD).
Hay una gran variedad de encoders; una
aplicación típica de estos se encuentra
en los motores de continua (DC). Como
ejemplos cercanos tenemos los motores
de trenes o los generadores de las turbi-nas
eólicas. Su función es la de conver-tir
Instrumento
el movimiento mecánico (giros del eje)
en pulsos digitales o también en análo-gos
que pueden ser interpretados por
un controlador de movimiento.
El disco codificado está construido de vi-drio
o plástico. La codificación está desa-rrollada
entre las partes transparentes y
opacas que dejan o no pasar la luz emi-tida
por la fuente. La luz utilizada es nor-malmente
infrarroja (IR). A medida que el
eje rota, el emisor infrarrojo emite luz que
es recibida por el sensor óptico (o foto-transistor),
Resistencia
generando los pulsos digitales
a medida que la luz cruza a través del dis-co
o es bloqueada en diferentes seccio-nes
de este. Esto produce una secuen-cia
que puede ser usada para controlar el
radio de giro, la dirección del movimiento
e incluso la velocidad.
Existen básicamente cinco tipos de en-coders,
según sus diseños básicos y
funcionalidad:
1. Incremental
Combustible
Tanque de combustible
Batería
A
A
Cursor de
posición angular
Cursor de
posición vectorial
(recto)
Figura 1. Sensor potenciómetro aplicado a un tanque de combustible
Figura 2. Sensor potenciómetro de posicionamien-to
angular
Figura 3. Encoder óptico-Disco codificado
Figura 3. Sensor potenciómetro de posición lineal
Fotorreceptores
Eje
Disco
codificado
Placa de captura
Fuente de luz
Giro

5. 24 |
| Electricidad
2. Absoluto
3. Óptico
4. Lineal
5. Cuadratura
El encoder incremental, como su nom-bre
lo indica, determina el ángulo de po-sición
por medio cuentas incrementales.
Esto quiere decir que el encoder incre-mental
provee una posición estratégi-ca
desde donde siempre comenzará la
cuenta (Marca de cero).
La posición actual del sensor es incre-mental
cuando es comparada con la úl-tima
posición registrada por el mismo.
Estos son un tipo de encoder óptico y
en este tipo de dispositivo, cada posi-ción
es completamente única. Básica-mente
cuenta pulsos.
El sensor encoder absoluto se basa en
la información provista para determinar
la posición absoluta en secuencia. En
este tipo se ofrece un código único pa-ra
cada posición.
Como observamos en la figura 5, el dis-co
contiene varias bandas dispuestas en
forma de coronas circulares concéntri-cas,
ubicadas de tal forma que en senti-do
radial el rotor queda dividido en sec-tores,
con marcas opacas y transparen-tes
codificadas en código Gray.
Un código Gray de cuatro bits lo vemos
en la tabla 1.
Los encoders absolutos se dividen en
dos grupos:
1. Un solo giro.
2. Giro múltiple o multivueltas: puede
detectar y almacenar más de una re-volución.
Los encoders absolutos son más co-múnmente
usados en motores eléctri-cos
de corriente directa sin escobillas
(Brushless).
El encoder óptico (figura 1) es el tipo
más comúnmente usado y consta bá-sicamente
de tres partes:
a. Fuente emisora de luz.
Fotorreceptores
Salida
digital
Marca
de cero
Led
emisor
Lente de
colimación
lentes
cilíndricos
Disco
codificado
D C B A Ubicación -ángulo
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
b. Disco giratorio.
c. Detector de luz conocido como “fo-to
detector”.
LED
emisor
Eje de
giro
fotorreceptores
Disco codificado
de 8 bits
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0°-Inicio
22,5°
45,0°
67,5°
90,0°
112,5°
135,0°
157,5°
180,0°
202,5°
225,0°
247,5°
270,0°
292,5°
315,0°
337,5°
El encoder del tipo lineal es un dispositi-vo
o sensor que cuenta con una escala
graduada para determinar su posición.
Los sensores leen la escala para después
Figura 4. Encoder Incremental
Figura 5. Encoder Absoluto
TABLA 1. Código Gray indica la zona en dónde se encuentra el rotor, específicamente su ángulo