conveccion de calor

1. TRANSDUCTORES MOVIMIENTO-FUERZA
CARLOS RODOLFO BERMÚDEZ GÓMEZ

2. TRANSDUCTOR DE
POSICIÓN
La medición de la posición y el desplazamiento de los objetos físicos es
esencial para muchas aplicaciones: control de procesos, evaluación de
desempeño, control de tráfico, robótica, los sistemas de seguridad, etc.
Se entiende por posición, determinar las coordenadas del
objeto (lineal o angular) con respecto a una referencia seleccionada.
Una distancia crítica se mide por sensores de proximidad. En efecto, un
sensor de proximidad es una versión de un detector de posición.
Un sensor de posición es a menudo un dispositivo lineal cuya señal de
salida representa una distancia del objeto a partir de un cierto punto de
referencia. Un sensor de proximidad, sin embargo, es un dispositivo algo más
sencillo, que genera la señal de salida cuando una cierta distancia al objeto es
considerada importante.
INTRODUCCIÓN

3. TRANSDUCTOR DE POSICIÓN
Electromecánicos: Lo forman los Finales de Carrera o Microrruptores. Se sitúan
en puntos estratégicos a detectar, en sistemas industriales y máquinas en
general. Conmutan directamente cualquier señal eléctrica.
Tienen una vida limitada. Solo pueden detectar posiciones determinadas, debido
a su tamaño.
Magnéticos: Lo forman los Detectores de Proximidad Magnéticos, que pueden
ser los de Efecto Hall y los Resistivos, típicos en aplicaciones industriales.
Inductivos: Lo forman los Detectores de Proximidad Inductivos, los Sincros y
Resolvers, los RVDT (Rotatory Variable Differential Transformer) y LVDT (Lineal
Variable Differential Transformer). Los Inductosyn.
Potenciométricos: Lo forman los Potenciómetros lineales o circulares.
Ópticos: Lo forman las Células fotoeléctricas y los Encoders. [2]

4. POTENCIOMETROS
Los potenciómetros se utilizan como sensores de posición. Son
considerados sensores de tipo activo porque requieren de una corriente
DC de referencia muy estable que circule a través de la resistencia variable
R, obteniendo a la salida una señal eléctrica proporcional al ángulo del eje.
El valor de la resistencia no es importante.
V= voltaje
D=distancia total
d=distancia recorrida
E =voltaje de alimentación

5. Potenciómetro sensible a presión
El voltaje de salida es proporcional a la distancia del punto de contacto entre
las capas conductora y resistiva. Dicho voltaje a la salida está dado por la
siguiente expresión:
V= E. Rx/Ro

6. a. Potenciómetro piezoresistivo. Utiliza un plástico (poliéster, fibra de
carbono o poliamida) impregnado de carbón. Opera en función de los
cambios de resistencia debidos a la deformación mecánica del material. La
deformación mecánica hace variar la densidad de las partículas de carbón y
en consecuencia también varia su resistencia.
b. Potenciómetro magnético. Posee una capa impregnada con partículas
ferromagnéticas. Cuando una campo magnético externo esta presente sobre
un punto específico del potenciómetro, la capa de contacto se levanta y hace
contacto eléctrico con la capa conductora.

7. LVDT
(Linear Variable Differential Transformers)
Son utilizados para medir pequeños desplazamientos. Son transformadores de
núcleo movible y están conformados por una bobina primaria y dos bobinas
secundarias típicamente conectadas en serie en oposición una de otra.
Estos transductores poseen un núcleo de material ferromagnético que se puede
desplazar libremente dentro de la bobina. Al aplicar una señal de AC al primario,
se induce una tensión en los secundarios por medio del núcleo de ferrita.

8. LVDT
Cuando el núcleo está centrado entre los dos secundarios, los voltajes
inducidos en ambos son iguales y puesto que están conectados en serie en
oposición, el voltaje final será cero. Si el núcleo se mueve en dirección del
secundario 1, el voltaje incrementa, y el voltaje del secundario 2 decrece debido
al cambio en la reluctancia; de este modo el voltaje neto final V1-V2 será de la
misma polaridad (en fase) como el de referencia. Si el núcleo se mueve en
dirección opuesta, V1-V2 será de polaridad opuesta (180º de desfase).

9. RVDT
(Rotatory Variable Differential Transformers)
Los RVDT operan bajo el mismo principio de los LVDT, excepto que se
usa un núcleo ferromagnético rotatorio. Su principal uso es para
mediciones de desplazamiento angular con un rango máximo de + 60°
aunque típicamente son utilizados dentro del rango de + 40° con un
error de no linealidad del 1%.

10. TRANSDUCTOR CAPACITIVO
La variación de la capacitancia se convierte en una señal eléctrica.
Existen tres métodos para cambiar el valor de la capacitancia:
a)Cambiar la distancia entre las placas.
b)Mover una placa con respecto a la otra, reduce el área entre ellas.
c)Mover el material dieléctrico entre las placas fijas.
Cuando las placas están totalmente centradas con respecto a la placa
central, dicha placa no presenta ningún voltaje con respecto a tierra, debido a
que las cargas de C1 y C2 se cancelan.

11. El voltaje de la placa central se incrementa en forma proporcional a la
distancia y la dirección del movimiento está dada por la fase de dicha señal.
El valor de las capacitancias se representa mediante las siguientes
ecuaciones:
El voltaje obtenido en la placa está dado por la siguiente ecuación.

12. Puente Capacitivo: Son dos electrodos paralelos, separados por una
distancia d. Uno de los electrodos es fijo y está conformado por cuatro placas
del mismo tamaño y conectadas eléctricamente en forma cruzada formando
un puente capacitivo. El otro el electrodo es móvil y esta formado por dos
placas del mismo tamaño.
La diferencia de voltaje entre las placas móviles es sensada por un
amplificador. El desplazamiento del electrodo con respecto a la posición de
simetría entre placas genera un desbalance en el puente capacitivo y por
tanto la señal de salida también varia.

13. TRANSDUCTORES DE EFECTO HAL
Si una corriente fluye en un conductor (o semiconductor) y se le aplica un
campo magnético perpendicular a dicha corriente, entonces la combinación
de corriente y campo magnético genera un voltaje perpendicular a ambos.
Este fenómeno se denomina Efecto Hall. VH es una función de la densidad
de corriente, el campo magnético, la densidad de carga y movilidad portadora
del conductor.

14. Para el funcionamiento de estos transductores se requiere un campo magnético y un
circuito que sirva de interfaz. Las líneas de campo magnético deben ser perpendiculares a
la cara plana del sensor y con la polaridad correcta.
La fuerza ejercida por el elemento magnético va disminuyendo a medida que la distancia
se hace mayor y dicho campo puede ser medido con un gaussimetro o sensor de efecto
Hall.
La banda “Hall” se sitúa a una cierta profundidad dentro de la cavidad del sensor y esto
determina la distancia mínima de operación
Sensor lineal: Incorpora un amplificador para la interfaz con circuitos externos. El voltaje
de salida es proporcional a la densidad de campo magnético
Sensor de umbral: Además del amplificador, también incorpora un “Smith trigger” con un
nivel de umbral. Cuando la densidad de flujo magnético excede cierto umbral, entonces el
trigger cambia su estado de ON a OFF

15. TRANSDUCTORES
MAGNETORESISTIVOS
Los sensores magnetorresistivos (MR) utilizan el efecto magneto-resistivo, que
se basa en la propiedad de un material que cambia su resistividad por la
presencia de un campo magnético externo.
El sensor es puesto un campo magnético, está expuesto a campos en ambas
direcciones X Y. Si el elemento magnético se orienta de forma paralela a la
banda del sensor (eje X), entonces Hx suministra el campo necesario y la
variación en Hy se utiliza para medir el desplazamiento de X
b) Expuesto a
condiciones normales
d) Expuesto a un
campo magnético muy
fuerte o ubicado muy
cerca del campo.

16. SENSOR INDUCTIVO TRANSVERSAL
Mide la distancia a un objeto, el cual altera el campo magnético de la bobina.
Cuando la bobina se mueve cerca de un objeto ferromagnético, cambia su
campo magnético y por lo tanto se altera la inductancia de la bobina.
La desventaja es q solo se puede usar para distancias muy cortas y solo
funciona con objetos de material ferromagnético.

17. FOTO-INTERRUPTORES DE BARRER
Están formados por un emisor de infrarrojos y un fototransistor separados por
una abertura donde se insertará un elemento mecánico que producirá un corte
del haz. La salida será 0 o 1.

18. FOTO-INTERRUPTORES REFLECTIV
Están formados por un emisor y un receptor de infrarrojos situados en el mismo
plano de superficie, que por reflexión permiten detectar dos tipos de colores,
blanco y negro normalmente, sobre un elemento mecánico.

19. ENCODERS
Convierte posición angular de un eje a un código digital.
Encoder Incrementales: permiten que un sensor óptico detecte el número de
segmentos que dispone el disco y otro sensor detecte la posición cero de dicho
disco.
Encoders Absolutos: permiten conocer la posición exacta en cada momento sin
tener que dar una vuelta entera para detectar el punto cero del disco. La
diferencia es que se necesita varios sensores ópticos y el disco debe tener una
codificación tipo Manchester o Gray.

20. Los sincros y los resolvers son transductores para la medida de ángulo de un
eje y la posición de un sistema servo. Esencialmente trabajan con el mismo
principio que un transformador en rotación.
SINCROS Y RESOLVERS
Sincros: Un Sincro es un transductor electromagnético rotacional
(precursor del Resolver) que detecta el desplazamiento angular. El Sincro
consiste de un estator fijo, que contiene tres bobinados conectados en
estrella, separados 120º. El rotor contiene un bobinado, es excitado con una
referencia a.c., y se conecta a los terminales exteriores con escobillas.
El voltaje inducido en un estator por el rotor, será proporcional al seno del
ángulo entre el eje de la bobina del rotor y el eje de la bobina del estator.

21. Donde,
R = relación de transformación del transductor.
A = amplitud del voltaje de la señal de excitación.
sen wt = frecuencia de excitación.
Φ= ángulo del eje del Sincro.
Resolver: Un Resolver es un transductor rotacional electromagnético que
detecta un desplazamiento angular. Los más modernos Resolvers son sin
escobillas “brushless”. Una señal de excitación de referencia a.c. se aplica al
estator (bobinado del primario); en una vuelta es inducido un voltaje en el rotor
que más tarde induce un voltaje en dos bobinados seno y coseno, que están
localizados en el estator (secundarios), separados 90º.

22. Los voltajes que aparecerán a través de los terminales del estator serán:
Seno : S3 - S1 = AR sem wt sen Φ
Coseno : S2 - S4 = AR sen wt cos Φ

23. INDUCTOSYN LINEAL
Usado para la medición y el control exacto de distancias lineales. Se ha
demostrado que es uno de los más exactos transductores de su tipo (0.0001
pulgadas). Por una parte, la regla, está fija a lo largo del eje de medición. Por
otra parte, el deslizador, está colocado de modo que se pueda mover a lo largo
de la regla y está asociado con el dispositivo que va ha ser posicionado.
El deslizador tiene normalmente 4 pulgadas de largo y tiene dos pistas de
circuito impreso idénticas separadas en la superficie que se encara con la regla.
Estas dos pistas están formadas por una forma de onda exactamente igual al
cíclico que la regla, pero una pista está desfasada 1/4 de paso cíclico de la otra,
90º.
Donde X es el desplazamiento lineal del deslizador y S es la longitud cíclica.

24. INDUCTOSYN ROTATORIO
El estator de un Inductosyn Rotatorio corresponde al deslizador de un
Inductosyn Lineal, tiene dos formas de onda rectangulares impresas
radialmente sobre el disco. El rotor corresponde a la regla del Inductosyn
Lineal y es un disco con una pista completa con una forma de onda
rectangular. El funcionamiento es el mismo que en el caso del Resolver.
Cuando el rotor del Inductosyn Rotatorio es excitado por un voltaje AC,
V.sen(wt) los voltajes del estator serán:
V.sen(wt).sen(ΦN/2) y V.sen(wt).cos (ΦN/2)
Donde, Φ es el ángulo de rotación del rotor con respecto al del estator y N es
el número de polos del rotor. (2 polos = 1 ciclo)

25. PUENTE ÓPTICO
Un fotodetector de cuatro cuadrantes consiste en cuatro detectores de luz
conectados en forma de puente como el clásico puente de Wheatstone.
El objeto sensado debe tener un contraste óptico con relación al fondo. Los
cuatro detectores de luz están conectados en forma intercalada a las entradas
de los amplificadores. Cada amplificador produce una señal proporcional al
desplazamiento de la imagen correspondiente a cada eje.
Cuando la imagen está perfectamente centrada la salida de los amplificadores
es cero.

26. DETECTOR DE PROXIMIDAD
CON LUZ POLARIZADA
Cada fotón de luz tiene direcciones de campo magnético y eléctrico con
dirección perpendicular con respecto a otros fotones y a la dirección de
propagación. La dirección del campo eléctrico es la misma de la polarización de
la luz. Para polarizar la luz es necesario pasarla a través de un filtro de
polarización.
Si se rota la polarización de la luz antes de ser pasado por el filtro, se puede ir
variando gradualmente la intensidad de la luz.
Cuando la luz choca con objetos reflectivos, la polarización de la luz no cambia,
mientras que al chocar con elementos reflectores no metálicos, la luz puede
variar su polarización.

27. SENSORES DE FIBRA
ÓPTICA
Un ejemplo de sensor es un detector de nivel. Posee dos fibras ópticas y un
prisma. Utiliza la diferencia entre el índice de refracción del aire y del líquido
sensado.
La reflexión de la luz en el prisma es buena cuando el sensor esta fuera del
agua y permite el paso de luz a la fibra receptora. Cuando el prisma está en el
agua sucede lo contrario debido a que el índice de refracción en el liquido es
mayor y por lo tanto la reflexión interna cambia evitando el paso de la luz a la
fibra receptora.
La señal de luz es convertida a una señal eléctrica.

28. TRANSDUCTORES FABRY-
PEROT
Estos transductores poseen una cavidad óptica con dos espejos semireflectivos
ubicados uno en frente del otro y separados una distancia L. A esta cavidad se
le inyecta luz proveniente de una fuente conocida (ej. laser) y los fotones en el
interior de la cavidad rebotan hacia adelante y hacia atrás entre los dos espejos
interfiriéndose entre ellos durante el proceso.
El interferómetro Fabry-Perot es básicamente un filtro cuya frecuencia de
transmisión está relacionada con la longitud de la cavidad. Las bandas de
frecuencia de la luz transmitida están separadas por una frecuencia que es
inversamente proporcional a la longitud de la cavidad.

29. TRANSDUCTOR DE
REJILLA
Este transductor es fabricado con dos rejillas superpuestas, el cual funciona
como un modulador de intensidad de luz. El rayo de luz que entra al sensor
choca con la primera rejilla (estática) y permite solo el paso del 50% de la luz
hacia la segunda rejilla (móvil).
Cuando la parte opaca de la rejilla móvil se alinea con la parte transmisora de
la rejilla estacionaria, la luz es atenuada totalmente, por lo tanto la luz
transmitida es modulada de 0% a 50%.
El desplazamiento total que se puede medir es el tamaño de la parte opaca de
la rejilla móvil.

30. SENSORES ÓPTICOS
LINEALES
Este sensor está compuesto por un LED (light emitting diode) y un PSD
fotodetector. La posición del objeto se determina utilizando el principio de
triangulación.
Cuando el PSD recibe la luz, genera dos corrientes (Ia, Ib) proporcionales a la
distancia X

31. “Io” es la corriente fotoeléctrica producida por la intensidad de la luz
incidente; “D” es la distancia entre los electrodos A y B, entre ellos existe una
resistencia Rd. Entre el punto donde incide la luz y el electrodo A existe una
resistencia Rx
Asumiendo linealidad entre distancia vs
resistencia:
Por relación de triángulos:
f = distancia focal
K = constante geométrica del modulo

32. SENSORES
ULTRASÓNICOS
Las ondas ultrasónicas son ondas mecánicas acústicas que cubren
frecuencias por encima de los 20 kHz. Cuando las ondas inciden sobre un
objeto, parte de la energía es reflejada. Dicha energía se refleja de manera
difusa, lo cual significa que sin importar su dirección de procedencia, se va a
reflejar con un ángulo solido de aproximadamente 180°.
La distancia del objeto puede ser calculada con la velocidad de la onda
emitida “v” , el ángulo “Φ” de incidencia en el detector y el tiempo que tarda
la onda en ir hacia el objeto y regresar el receptor, por tal razón se divide
entre 2.

33. Para generar la onda ultrasónica, se utiliza un material piezoeléctrico, el cual
al aplicarle un voltaje genera vibraciones que producen ondas ultrasónicas
con una frecuencia típica de 32 KHz. Además este mismo material se utiliza
en el receptor ya que al hacerlo vibrar con la onda proveniente del objeto
sensado se genera un voltaje

34. MIR (Micropower Impulse Radar)
Consiste en un generador de ruido blanco cuya salida provoca un generador de
pulsos cortos con una frecuencia promedio de 20 MHz +20%. El ancho de los
pulsos es fijo con una duración “t”, mientras que la repetición de los pulsos es
aleatoria dependiendo del generador de ruido blanco, por lo tanto tiene un
comportamiento como el modelo de ruido Gaussiano.
La distancia entre los puntos varia de 220 a 650 ns. Este comportamiento se
puede definir como una modulación PPM (pulse-position modulation) por ruido
blanco

35. Los pulsos de onda cuadrada generan un modulación en amplitud (AM) de
un radio transmisor. El radio transmisor es encendido y apagado por pulsos,
lo cual genera una modulación de dos pasos llamada PPM-AM.
El mismo generador de pulsos que modula el transmisor, habilita el radio
receptor con un retraso predeterminado cuando se espera que llegue la
onda reflejada. Esto a su vez reduce el consumo de potencia.
Los pulsos recibidos son demodulados y se calcula el tiempo de retraso con
respecto a los pulsos transmitidos. Dicho retraso es proporcional a la
distancia de la antena al objeto.

36. TRANSDUCTORES DE
VELOCIDAD Y ACELERACIÓN
La posición, velocidad y aceleración, están relacionadas ya que la velocidad
de la derivada del desplazamiento y la aceleración es la segunda derivada. Sin
embargo, utilizar derivadas en un ambiente con mucho ruido puede generar
errores muy grandes. Por lo tanto la medición de velocidad y aceleración se
realiza mediante sensores especiales.
La velocidad puede ser lineal o angular. Esta magnitud muestra que tan rápido
se desplaza un objeto a través de una línea recta o que tan rápido esta
rotando.
Una idea básica detrás del funcionamiento de los transductores de velocidad y
aceleración es realizar la medición del desplazamiento de un objeto con
respecto a un objeto de referencia. Por lo tanto los sensores de
desplazamiento son parte integral de los transductores de velocidad y
aceleración.

37. SENSOR ELECTROMAGNÉTICO
DE VELOCIDAD
Usan el principio de inducción magnética con un imán permanente y una
bobina de geometría fija. Por lo tanto el voltaje de la bobina será proporcional
a la velocidad relativa del material magnético.
El polo norte del imán induce una corriente en una bobina y el polo sur
también lo hace en la otra bobina.
Las dos bobinas están conectadas en serie en dirección opuesta. Estos
sensores tienen un funcionamiento similar a los transductores de posición
LVDT, con la excepción que el de velocidad no necesita ningún tipo de
alimentación.

38. ACELERÓMETRO
Se puede considerar como un dispositivo de un solo grado de libertad, el cual
tiene un tipo de masa sísmica (proof mass), un resorte como sistema de
soporte y una estructura con propiedades de amortiguamiento. Dicha masa se
desplaza debido a las aceleraciones presentes en el cuerpo del acelerómetro,
causando una señal de salida proporcional a este movimiento.

39. M = masa del acelerómetro
A(s)= aceleración a la entrada del sensor
X(s) = desplazamiento de la masa
K= coeficiente del resorte que soporta a la masa
b= coeficiente del elemento que amortigua la masa
Matemáticamente se puede representar como :
Wo = frecuencia natural angular del acelerómetro
ζ = coeficiente de amortiguamiento normalizado

40. ACELERÓMETRO
CAPACITIVO
Este sensor contiene al menos dos elementos: Una placa fija y otra placa unida
a la masa inercial, la cual se mueve libremente en el interior del dispositivo.
Estas placas forman un capacitor cuyo valor es proporcional a la distancia “d”
entre las placas.
El valor de la capacitancia es modulado por la aceleración a medida que se
desplaza la masa. Usualmente se utiliza una técnica diferencia al utilizar dos
capacitores con valores de capacitancia muy cercanos, donde el segundo
capacitor está sujeto a cambios de fase de 180°. Por lo tanto la aceleración
puede ser representada por la diferencia en los valores de las capacitancias.

41. Circuito que realiza la conversión de capacitancia a voltaje.

42. ACELERÓMETRO
PIEZORESISTIVO
El elemento de sensado es un
medidor de tensión, el cual mide la
tensión ejercida por el resorte que
sostiene la masa. Esta valor de
tensión puede ser correlacionado
con la magnitud del desplazamiento
de la masa y subsecuentemente con
la aceleración.
Pequeñas variaciones de
desplazamiento en el medidor de
tensión, genera grandes cambios en
su resistencia.

43. ACELERÓMETRO
PIEZOELÉCTRICO
El efecto piezoeléctrico es la generación de una carga eléctrica a partir de un
material cristalino compuesto por dipolos eléctricos y es sometido a algún tipo
de presión o fuerza.
Este sensor posee un cristal que se encuentra entre la carcasa del sensor y la
masa interna. Dicha masa ejerce una fuerza sobre el cristal generando una
carga eléctrica proporcional a la aceleración.

44. ACELERÓMETRO DE PLACAS
TÉRMICAS
Consiste en una masa que esta sostenida por un soporte delgado (cantiléver) y
posicionado cerca de un pozo térmico o en medio de dos pozos térmicos. El
espacio entre estos elementos es llenado con un gas térmicamente conductivo.
La masa es calentada a una temperatura determinada T1 y bajo condiciones de
no aceleración, se genera equilibrio térmico entre la masa y el pozo.
La cantidad de calor q1 y q2 conducidas al pozo térmico a través del gas es una
función de las distancias M1 y M2

45. Kg = conductividad térmica del gas
Ksi = conductividad térmica de la silicio
D = espesor del cantiléver.
Para medir la temperatura se utiliza un sensor de temperatura integrando
diodos de silicio en el soporte de la placa térmica o colocando una
termopila.
La temperatura medida es convertida en una señal eléctrica proporcional a
la aceleración.

46. ACELERÓMETRO DE GAS TÉRMICO
•Usa gas como masa sísmica y el sistema de medida es de movimiento biaxial.
•Utiliza el principio de transferencia de calor por convección forzada.
La convección es una forma de transferencia de calor y se caracteriza porque
se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre
zonas con diferentes temperaturas.
•La convección forzada requiere una fuerza externa artificial, en este caso
dicha fuerza es la aceleración.
•Este sensor mide los cambios internos en la transferencia de calor del gas
atrapado.

47. Se utilizan termopilas en lugar de termocuplas para incrementar la señal
eléctrica a la salida del sensor.
Cuando la aceleración es cero, se genera una distribución térmica uniforma
alrededor de la fuente de calor, Por lo tanto la temperatura de las 4 termopilas
es igual, causando una señal de salida de cero voltios.
Debido a que existen 4 termopilas, es posible calcular la aceleración en X y en Y
midiendo el voltaje generado en la salida. Esto es causado por la diferencia de
temperatura entre las termopilas en presencia de aceleración.

48. GIROSCOPIO
Utilizado en estabilización de sistemas, robótica, armas, etc.
Se requiere una referencia de dirección estable.
Esta basado en un disco rotatorio y trabaja bajo el principio de conservación
angular:
En un sistema de partículas, el momento angular total del sistema
relativo a algún punto fijo en el espacio permanece constante, siempre y
cuando no actúan fuerzas externas sobre el sistema.

49. GIROSCOPIO DE
ROTOR
Está compuesto por un disco que rota libremente alrededor de un eje y está
encerrado en un marco, el cual es libre de rotar en uno o dos ejes.
El eje del giroscopio permanece fijo con respecto al espacio, siempre y cuando no
existan fuerzas externas que actúen sobre él.
El giroscopio entrega un torque (o señal de salida) proporcional a la velocidad
angular alrededor de un eje perpendicular al eje de giro.
Ω = velocidad angular alrededor del eje de salida
T = torque aplicado
I = inercia del rotor alrededor de eje de giro
W = velocidad del rotor

50. GIROSCOPIO DE SILICIO MONOLÍTICO
El uso de tecnología MEMS permite diseñar un giroscopio miniatura en donde el
disco rotatorio es remplazado por elementos vibratorios.
Todos los giroscopios de vibración recaen en el fenómeno de aceleración de
Coriolis.
Este efecto consiste en la existencia de una aceleración relativa del cuerpo en
dicho sistema en rotación. Esta aceleración es siempre perpendicular al eje de
rotación del sistema y a la velocidad del cuerpo. Debido a que el objeto sufre una
aceleración desde el punto de vista del observador en rotación, es como si para
éste existiera una fuerza sobre el objeto que lo acelera. A esta fuerza inercial se
la llama fuerza de Coriolis

51. Su estructura es un cardán de dos ejes permitiendo el movimiento libre.
El sistema está en constante oscilación causada por los electrodos del cardán
externo y estas vibraciones se transfieren al cardán interno, generando un vector
de momentum oscilatorio con el elemento inercial.
En presencia de una variación angular perpendicular al plano del dispositivo, la
aceleración de Coriolis causa la oscilación del cardán a la misma frecuencia de
entrada al sistema y con una amplitud proporcional a la variación inercial a la
entrada.
La variación de movimiento a la salida se mide al calcular la diferencia de
capacitancia entre el cardán interno y los electrodos.

52. GIROSCOPIOS ÓPTICOS
(LASER)
Emplea el efecto Sagnac. Este efecto consiste en aplicar
una luz laser en el interior de un anillo óptico. Dicha luz
toma dos direcciones (sentido horario y antihorario) y el
tiempo que tarda cada rayo en recorrer el anillo es:
n = Índice de refracción del anillo.
Si el anillo se hace girar a una velocidad Ω en sentido horario, la distancia
recorrida por cada rayo de luz está dada por:
Si el anillo rota con cierta velocidad entonces las longitudes de onda de la luz
se estiran en una dirección y se comprimen en otra. Resto conlleva a una
diferencia de frecuencia entre los rayos de luz
A = área encerrada por el anillo.

53. CABLE PIEZOELÉCTRICO
Utilizados como sensores de vibración.
Está elaborado con un polvo cerámico piezoeléctrico y en su interior tiene un
núcleo de cobre
Al aplicar presión sobre el cable se genera un campo eléctrico proporcional a
tal esfuerzo.

54. SENSOR GRAVITACIONAL
Los inclinómetros pueden medir la dirección de una fuerza (gravedad).
La respuesta del detector es una señal eléctrica proporcional al ángulo entre el
eje interno y la gravedad

55. ACELERÓMETRO ELECTROSTÁTICO
Consiste en un electrodo de masa M y área S, montado sobre un brazo que se
mueve relativamente con respecto a otros electrodos fijos.
Entre los electrodos existe una distancia “h”.
Campo entre los electrodos:
Fuerza por unidad de área:
:Si se aplica un voltaje V1 al electrodo móvil y un voltaje V2 un electrodo fijo, el
campo “E” presente en “h” es
Y la fuerza de atracción es:

56. En presencia de aceleración, la relación entre aceleración y potencial eléctrico
esta dada por:
Ahora si se aplica un voltaje –V2 al otro electrodo fijo se tiene que:
Por lo tanto la ecuación de balance de fuerzas está dada por :

57. TRANSDUCTORES DE
FUERZA
-Cuando una fuerza es aplicada a un objeto, ésta ocasiona una aceleración del
objeto en la misma dirección de la fuerza.
-Los sensores de fuerza, se pueden clasificar en dos clase:
*Cuantitativos
*Cualitativos
Un sensor cuantitativo mide la fuerza y la convierte en una señal eléctrica
proporcional a dicha fuerza.
Un sensor cualitativo simplemente tiene una región de umbral. Por lo tanto no
representa realmente un valor de la fuerza medida. Su función es indicar si existe
la presencia de una fuerza o no.
Usualmente los transductores de fuerza no convierten la fuerza en una señal
eléctrica directamente, sino que requiere de algunos pasos intermedios. En
ocasiones la fuerza se traduce a un desplazamiento y se utiliza un transductor de
movimiento.

58. GALGA (STRAIN GAUGE)
Es un sensor elástico resistivo y utiliza un cierta longitud de cable medidor para
producir una resistencia deseada en forma de bobina plana.
Cuando el sensor es sometido a una fuerza, el sensor se deforma y disminuye el
área transversal. Por lo tanto la resistencia del material aumente.
Constante del material conductor
Ro = Resistencia cuando no se aplica
ningún tipo de presión

59. ELEMENTO DE CARGA TIPO
VIGA Y TIPO ANILLO
Utilizadas para medir bajos niveles de carga.
Posee cuatro sensores elásticos utilizados como medidores de fuerza y se
conectan en forma de puente Wheatstone.
La carga aplicada produce un momento: M = Px
Siendo x la distancia donde se ubican los sensores

60. SENSORES
TÁCTILES
SENSOR TIPO SWITCH
Requiere una capa delgada que sea sensible a la fuerza. Un sensor cuya
respuesta sea del tipo ON-OFF, requiere dos hojas de papel aluminio y un
espaciador.
Una hoja es aterrizada y la otra conectada a una resistencia, de tal forma que al
aplicar una fuerza las dos hojas hagan contacto cerrando el circuito.
El voltaje a la salida es cero cuando se aplica una fuerza.

61. SENSOR PIEZOELÉCTRICO
Está construido con dos capas de fluoruro polivinilideno (PVDF) y una capa
central encargada el acople acústico entre las otras dos capas.
La capa inferior es alimentada con una señal de AC, lo cual resulta en la
contracciones mecánicas de la capa central y se transmiten a la capa superior.
Debido a que el efecto piezoeléctrico es un fenómeno reversible, la oscilaciones
de la capa superior generan otra señal eléctrica.
Al aplicar una fuerza F, el acople mecánico entre las tres capas cambia, lo cual
afecta la amplitud y fase de la señal recibida.
Si se desea realizar reconocimiento espacial, se utiliza un multiplexor para
conectar todas las celdas utilizadas.

62. Otro tipo de sensor piezoeléctrico se construye utilizando laminas de PVDF en
el interior de una piel de caucho.
Este sensor es pasivo ya que no requiere de una señal de excitación. La señal
de salida se genera debido a las micro-vibraciones causadas al aplicar algún
tipo de fuerza.
Este sensor no mide directamente la magnitud de la fuerza sino que detecta la
tasa de presión aplicada.

63. SENSOR PIEZORESISTIVO
Incorpora un FSR (force-sensitive resistor) cuya resistencia varía con la presión
aplicada.
Estos materiales son elastómeros conductivos y se fabrican con caucho de
silicona, poliuretano y otros compuestos que se impregnan con partículas o
fibras conductivas.
Cuando el elastómero es sometido a una fuerza, su resistencia disminuye tal
como se muestra en la imagen:

64. SENSORES MEMS
La expansión de gas atrapado en una cavidad sellada
sirve para deformar una membrana de silicio,
generando una cavidad esférico en ausencia de
fuerzas externas.
Al aplicar una fuerza externa sobre la membrana de
silicio, se genera un contacto entre los dos electrodos.
Otro diseño de este tipo de sensores utiliza
el vacio en lugar de gas dentro de la cavidad
sellada.
Cuando una diferencia de potencial es
aplicada entre el ánodo y el cátodo, se
genera un campo eléctrico que permite el flujo de electrones del cátodo a la
cavidad vacía.
Si se aplica una fuerza externa entonces el ánodo se deforma haciendo variar el
campo y la emisión de corriente

65. SENSORES CAPACITIVOS
El principio básico de funcionamiento es la variación de la capacitancia causada
por una fuerza externa al hacer varia la distancia o el área entre placas del
capacitor.
Las pantallas táctiles funcionan con sensores capacitivos elaborados con un
cristal o polímero claro, cubierto con un conductor transparente.
Este tipo de sensor es básicamente un condensador en el que las placas son
las áreas de solapamiento entre los ejes horizontal y vertical en un patrón
de cuadrícula

66. Debido a que el cuerpo humano conduce electricidad, al tocar el sensor con un
dedo se verá afectado el campo eléctrico. Esto permite medir variaciones en la
capacitancia del sensor
No hay electrodo conectado
a tierra, por lo tanto el
cuerpo humano puede ser
considerado como tierra

67. SENSOR ÓPTICO
Este sensor utiliza un rayo de luz (LED) o infrarrojo y un fotodetector. Estos
elementos crean una rejilla de rayos de luz dentro del sensor.
Cuando un objeto (dedo, lápiz, etc.) toca la pantalla, se genera un cambio en la
reflexión de la luz debido a la diferencia en la propiedades refractivas entre el
objeto y el aire. Esto ocasiona una disminución en la intensidad de la luz.
Con el valor de salida en el fotodetector se puede calcular también las
coordenadas de posición del objeto

68. SENSOR PIEZOELECTRICO DE
FUERZA
Este diseño se basa en el efecto de una fuerza que se aplica la modulación de
la resonancia mecánica del cristal piezoeléctrico.
Ciertos cristales de cuarzo al ser utilizados como resonadores en circuitos
eléctricos, cambian la frecuencia de resonancia al ser cargados
mecánicamente.
n= numero de armónicos.
L = resonancia que determina la dimensión .
C= constante de rigidez.
p = densidad del cristal.
La constante de rigidez ”c” cambia ligeramente con
la tensión aplicada. El efecto de la
presión sobre la dimensión o la densidad es
despreciable.

69. TRANSDUCTORES DE
TORQUE
Parámetros:
ζm = Esfuerzo de corte
T = torque
d= diámetro del eje.
G = modulo de rigidez
L = longitud del eje

70. DEFORMACION SUPERFICIAL:
Utiliza una configuración encargada de convertir el esfuerzo superficial en una
señal eléctrica.
Una galga de tensión moderna consiste simplemente en un conductor eléctrico
alargado, generalmente en forma de serpentina en un papel muy delgado unido a
un aislante. El esfuerzo es detectado como un cambio en la resistencia de la
galga. Estos cambios son generalmente demasiado pequeños para ser medidos
con precisión,
por lo que es común emplear dos-cuatro galgas dispuestas en un circuito de
puente Wheatstone.

71. ANGULO DE TORCIÓN:
La figura muestra una disposición común en donde el torque se determina por la
diferencia de fase en los dientes espaciados de las ruedas dentadas. Estas
ruedas están unidas a los extremos opuestos de una "barra de torsión."
El desplazamiento de fase de las señales eléctricas periódicas presentes en
las "pastillas“, es proporcional al desfase de las ruedas dentadas, al ángulo de
torsión y por lo tanto al torque aplicado.

72. ESFUERZO:
El torque generado se puede medir con las variaciones en las propiedades
ferromagnéticas del eje. Esta interacción magneto-elástica permite una medida del
torque sin ningún contacto con el elemento.
Tipo 1:
El torque es medido por variaciones de permeabilidad del circuito magnético

73. Tipo 2:
Crea un campo magnético en respuesta al torque aplicado.
Los transductores se construyen generalmente con un anillo de material activo
con propiedades magneto-elásticas y se instala firmemente en el eje.
Durante la fabricación los anillos son magnetizados en direcciones opuestas.
Al aplicar un torque al sensor, la dirección del campo magnético cambia. Éste
puede ser medido con sensores de campo magnético. (efecto Hall,
magnetoresistivo, etc)

74. [1] Fraden, J., "Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and
Applications", Fourth Edition, Springer, 2010
[2] Mayne, J., "Sensores acondicionadores y procesadores de señal", SILICA, An
Avnet Division, 2003
[3] Bishop, Robert H. (Editor in Chief), "The Mechatronics Handbook", ISA - The
Instrumentation, Systems, and Automation Society, CRC Press, The University of
Texas at Austin, Austin, Texas, 2002.
[4] William C. Dunn “Introduction to Instrumentation, Sensors, and Process
Control”, Artech House. 2006.
BIBLIOGRAFIA