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sábado, 20 de octubre de 2018

XiuaElectronics: Elementos capacitivos en sensores de desplazamiento

Buenos días.

El el día de hoy vamos a hablar de los elementos capacitivos y sus distintas propiedades como transductores para crear sensores y transductores para distintos fines. Veremos toda la teoría necesaria sobre este tema y así poder aprovechar al máximo este tipo de elementos.

Elementos capacitivos en sensores de desplazamiento

Un condensador eléctrico o también conocido como capacitor es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por la permitividad eléctrica del vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total.

La capacitancia C de un capacitor o condensador de placas paralelas está dada por la expresión:

Figura 1: Formas en las que se puede adoptar el elemento sensor

Los sensores que provienen de un funcionamiento base capacitivo o simplemente sensores capacitivos son utilizados para monitorear desplazamientos lineales, estos pueden tener formas como las mostradas en la figura 1. En a) una de las placas se mueve debido al desplazamiento. con la consecuente separación de las placas; en b) el desplazamiento modifica el área de sobreposición; en c) el desplazamiento modifica la porción de dieléctrico que se encuentra entre placas.
En un desplazamiento que modifica la distancia que separa las placas, (figura 1-a), si la separación d aumenta por un desplazamiento x la capacitancia se modifica a:

Es decir, la relación entre el cambio en la capacitancia ΔC y el desplazamiento x es no lineal; esta no linealidad se puede eliminar utilizando lo que se conoce como sensor de desplazamiento asimétrico, (Figura 2).

Figura 2: Sensor asimétrico

Como vemso en la figura 2, este sensor cuenta con 3 placas: en la parte superior fomra un capacitor C1 y en la parte inferior forma un capacitor C2. Como resultado del desplazamiento, la placa central que está en medio de las placas restantes se mueve. El movimiento de esta placa origina un aumento de la distancia que separa al capacitor de arriba y una disminución de la separación respecto del capacitor de abajo. Es decir, (Figura 3):

Figura 3

Si C1 es uno de los brazos de un puente de corriente alterna y C2 es el otro, el voltaje de desequilibrio es proporcional a x.

Estoss sennsores en general son tuilizados para monitorear desplazamientos desde unos cuantos hasta cientos de milimetros. la no linealidad y la histeriesis son casi igual a más o menos 0.01% del rango.

Una forma de sensor de proximidad capacitivo consta de un muestreador que sólo tiene una placa del capacitor y la otra placa viene a ser el objeto, el cual tiene que ser metálico y estar aterrizado, (figura 4). Conforme el objeto see aproxima, la separación entre las placas tambén se modifica, la cual resulta significativa y detectable cuando el objeto está cerca del muestreador.

Figura 4: Sensor de proximidad capacitivo

Escrito por: Breismam Alfonso Rueda Díaz

Fuentes:

Mecatronica,Sistemas de control electrónico en ingeniería mecánica y eléctrica., W. Bolton. Segunda edición. Alfaomega.
Federico Beigbeder Atienza (1997). Diccionario politécnico de las lenguas española e inglesa (2º edición). España: Ediciones Díaz de Santos. p. 307. ISBN 9788479782993.
Routledge (1997). Spanish Technical Dictionary/Diccionario Técnico Inglés. Gran Bretaña: Routledge. p. 104. ISBN 9780415112734. .
Montaje de componentes y periféricos microinformáticos. IFCT0108, en Google libros

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jueves, 18 de octubre de 2018

XiuaElectronics: Elemento con deformímetro en sensores de desplazamiento

Buenas noches estimados lectores.

En el día de hoy vamos a continuar con la teoría de los sensores; en este caso hablaremos acerca del sensor de deformación o el deformímetro. Empecemos.

Figura 1: Deformímetro a) de alambre,
b) de hoja de papel metálico, c) semiconductor

Elemento con deformímetro en sensores de desplazamiento

Un deformímetro de resistencia eléctrica es un alambre metálico, (figura 1-a), una cinta de papel metálico, (figura 1-b), o una tira de material semiconductor en forma de oblea que se adhiere a la superficie como si fuera un sobre de correo o una tarjeta postal, (figura 1-c).

Este tipo de elemento cambia su resistencia cuando se somete a algún esfuerzo. Este cambio es proporcional a la fuerza ejercida en la deformación sobre el. El cambio en la resistencia esta dado por :

La constante de proporcionalidad G se conoce como factor de calibración. Dado que el esfuerzo al que el elemento se ve sometido es la razón de cambio de longitud/longitud original, entonces el cambio en la resistencia de un deformímetro es una medición del cambio en la longitud del elemento al que está unido dicho deformímetro.

El factor de calibración de los deformímetros de alambre metálico o de cinta de papel metálico de los metales más usados es de casi 2.0. Los factores de calibración de los deformímetros de semiconductor de silicio tipo P y N son de alrededor de +100 o más para el silicio tipo P y de -100 para el tipo N. Por lo general el fabricante del deformímetro proporciona el factor de calibración que hace a una muestra de deformímetros de un lote. Para hacer la calibración de los deformímetros en necesario someter a esfuerzos cuyo valor se conoce de antemano y se mide el cambio en la resistencia. Un problema en todos estos elementos de sensado de deformación es que su resistencia no sólo cambia con el esfuerzo sino que también con la temperatura. Por tal motivo es necesario utilizar métodos que eliminen el efecto adverso que tiene la temperatura en los deformímetros. Profundizaremos estos métodos en tip de diseño electrónico, en mi blog. Los deformímetros de semiconductor tienen mayor sensibilidad a la temperatura que los deformímetros metálicos.

Para ejemplificar el asunto consideremos que tenemos un deformímetro de resistencia eléctrica con resistencia de 100 ohmnios y el factor de calibración de 2.0. ¿cuál es el cambio de la resistencia del deformímetro cuando se somete a un esfuerzo de 0.0001? El cambio fraccionario de la resistencia es igual al factor de calibración multiplicado por el esfuerzo, es decir:

Figura 2: Elementos con deformímetro.

Cambio en la resistencia = 2.0 x 0.001 x 100 = 0.2 ohmnios

Un tipo de sensores de desplazamiento utiliza deformímetros unidos a elementos flexibles en forma se viga voladiza, anillos o U, (Figura 2). Cuando el elemento flexible se dobla o se deforma debido a las fuerzas que se le aplican en un punto de contacto que se desplaza, los deformímetros de resistencia eléctrica montados en el elemento se someten a un esfuerzo y producen un cambio en la resistencia, el cual es posible monitorear. Este cambio es una medida del desplazamiento o deformación del elemento flexible. Estos elementos se utilizan por lo general en desplazamientos lineales del orden de 1 mm a 30 mm y su error por la no linealidad es de más o menos 1% de su rango total.

Escrito por: Breismam Alfonso Rueda Díaz

Fuentes:

Mecatronica,Sistemas de control electrónico en ingeniería mecánica y eléctrica., W. Bolton. Segunda edición. Alfaomega.

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miércoles, 17 de octubre de 2018

XiuaElectronics: Sensor potenciométrico

Buenos días estimados lectores.

En el día de hoy vamos a ver todo lo relacionado con los sensores potenciométricos. Esta entrada corresponde a todo el tema de sensores y transductores que se ha venido trabajando en el blog; además que se complementará al final con algo de práctica para ver la aplicación teórica del tema. No siendo más continuemos.

Figura 1: sensor potenciométrico.

Sensor potenciométrico

Un potenciómetro es un elemento resistivo que tiene un contacto deslizante que puede desplazarse a lo largo de dicho elemento. Éste se puede utilizar tanto en desplazamientos lineales como rotacionales como es muy comúnmente conocido; dicho desplazamiento se convierte en una diferencia de poténcial. El potenciómetro rotacional está formado por una pista o canal circular con devanado de alambre o por una capa de plástico conductor; sobre la pista rota un contacto deslizante giratorio (figura 1), y esta puede ser solo una figura helicoidal o una circunferencia. Con un voltaje de entrada constante que por lo general se sitúan en los pines extremos para el caso del potenciómetro angular y un pin medio como salida. La salida de este potenciómetro depende netamente de la relación de resistencias internas que posee este como se puede apreciar en la figura 2.

Figura 2: Representación interna de resistencias en un potenciómetro

Para entender mejor la relación que hay entre la resistencia interna que posee el potenciómetro, lo que debemos tener en cuenta es que la resistencia que hay entre las terminales 2 y 3 será una fracción del voltaje de entrada en los terminales 1 y 3; y el voltaje de salida por estas terminales o pines, que serán a su vez una fracción del voltaje de entrada, la fracción dependen fundamentalmente de la relación Vo/Vs= (R23)/(R13). Si la resistencia de la pista por unidades de longitud (por ángulo unitario) es constante, entonces la salida es proporcional al ángulo del cual gira el deslizador. En este caso un desplazamiento angular se puede convertir en una diferencia de potencial.

Figura 3: Potenciómetro giratorio

En una pista de devanado de alambre, al pasar da una vuelta a la otra, la parte deslizante cambia la salida de voltaje en pasos, cada uno de los cuales corresponde al avance de una vuelta. Si el potenciómetro tiene N vueltas, la resolución expresada en porcentaje es de 100/N. Por lo tant, la resolución de una pista de alambre está limitada por el diámetro del alambre utilizado y su valor suele variar entre 1.5mm en pistas con devanado burdo, y hasta 0.5mm para pistas con devanado fino. Los errores generados pro la no linealidad, cosa que ya hablamos en entradas anteriores varían más o menos entre el 0.1% hasta casi el 1%. La resistencia de la pista varía entre 20 ohmnios a 200 KiloOhmnios. El plástico conductor idealmente tiene una resolución infinita, y los errores por la no linealidad de la pista son del orden de 0.05%, y los valores de resistencia entre 500 ohmnios y 80 kiloOhmnios. El coeficiente por temperatura de la resistencia del plástico conductor es mayor que el del alambre. por lo que los cambios de temperatura tienen mayor influencia en la exactitud. Un efecto que debe tomarse en cuenta en el potenciómetro, es el de la carga que se conecta en la salida, RL. La diferencia de potencial a través de la carga que la llamaremos VL, que esta a su vez se conectará entre R1 y R2 y GND es directamente proporcional a V0, es decir, al voltaje de salida; esto solo si la resistencia de carga es infinita. Para cargas finitas, el efecto de la carga es transformar una relación lineal entre voltaje de salida y ángulo en una relación no lineal. La resistencia RL que representará la resistencia de carga estará en paralelo con la fracción x de la resistencia Rp del potenciómetro. Esta resistencia combinada vale R1xRp/(R1 + xRp). La resistencia total a través de la fuente de voltaje es igual a:

Resistencia total del potenciómetro.

La mejor representación de lo anteriormente dicho es un circuito divisor de voltaje, como se puede apreciar en la figura 3.

Como el circuito característico es un divisor de voltaje, entonces el voltaje en la carga es la fracción de la resistencia a través de la carga entre la resistencia total a través de la cual se conecta el voltaje aplicado:

Si la carga tiene resistencia infinita, entonces Vl= xVs, por lo tanto, el error causado por la carga con resistencia finita es:

Para ilustrar lo anterior, consideremos que el error por no linealidad de un potenciómetro con resistencia de 500 ohmnios, cuando el elemento deslizante avanza a la mitad de su recorrido máximo, por lo que la carga tiene una resistencia de 10kiloOhmnios. El voltaje de alimentación es 4V. Mediante la ecuación deducida es:

Como porcentaje de la lectura a rango total, es de 0.625%.

Escrito por: Breismam Alfonso Rueda Díaz

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sábado, 13 de octubre de 2018

XiuaElectronics: Consideraciones a la hora de elegir un sensor de Desplazamiento, posición y proximidad

Consideraciones a la hora de elegir un sensor de Desplazamiento, posición y proximidad

Buenos días estimados lectores.

En e día de hoy veremos la continuación de la teoría de sensores y transductores. Para este caso ya deberemos estar al tanto de toda la terminología sobre este tema además de sus características elásticas como estáticas. En esta entrada lo que veremos son los sensores que funcionan a través de desplazamiento, proximidad y posición. En posteriores entradas veremos otros tipos de sensores. La idea fundamental es que abarquemos el mayor tipo de sensores que existen actualmente y que además con el paso del tiempo agreguemos aquellos que aún no existen. No siendo más empecemos.

Sensores de desplazamiento, posición y proximidad.

Los sensores de desplazamiento miden la magnitud que se desplazo uno o varios objetos. Los sensores de posición son aquellos que miden las coordenadas dentro de un espacio de un objeto, es decir, me dicen en que posición se encuentra uno o varios objetos dentro de un espacio bidimensional o en algunos casos tridimensional. Los sensores de proximidad son aquellos que utilizan a misma base de funcionamiento que un sensor de posición; determinan en que momento un objeto se mueve dentro de una distancia critica dentro del rengo del sensor. Los anteriores objetos cuya salida son en esencia 0 y 1. Prendido o apagado.

Al elegir un sensor de posicionamiento, desplazamiento y/o proximidad es necesario tener en cuenta lo siguiente:

Ejemplo desplazamiento angular

La magnitud del desplazamiento: ¿estamos hablando de fracciones de milímetros, de varios milímetros o quizás de metros? en el caso de un sensor de proximidad. ¿qué tanto debe aproximarse un objeto para detectarlo'.
Si el desplazamiento es lineal o angular,; los sensores de desplazamiento lineal sirven para monitorear el grosor u otras dimensiones de materiales en forma de hoja, la separación de rodillos, la posición o la existencia de una parte, dimensiones de ésta., etcétera.; los métodos de desplazamiento angular sirven para monitorear el desplazamiento angular de ejes.
La resolución que se necesita.
La exactitud que se necesita.
El material del que está hecho el objeto que se mide; algunos sensores sólo funcionan con materiales ferromagnéticos, otros, sólo con metales y algunos otros sólo con aislantes.
El costo.

Los sensores de desplazamiento y de posición se pueden clasificar en dos tipos básicos: sensores de contacto, en los cuales, el objeto que se mide está en contacto mecánico con el sensor, y sensores sin contacto, en los que no hay contacto físico entre el objeto y el sensor. En los métodos de desplazamiento lineal por contacto, en general se utiliza un eje sensor en contacto directo con el objeto que se monitorea. El desplazamiento de este eje se monitorea mediante un sensor. Su movimiento se aprovecha para provocar cambios de voltaje eléctrico, resistencia, capacitancia o inductancia mutua. En el caso de los métodos de desplazamiento angular, el los que se utiliza una conexión mecánica mediante la rotación de un eje, la rotación del elemento transductor se activa directamente mediante engranes. En los sensores que no hay contacto se recurre al objeto medido en las proximidades de dichos sensores, lo que provoca cambios de inductancia. En las próximas entradas veremos algunos ejemplos de sensores de desplazamiento de uso común.

Escrito por: Breismam Alfonso Rueda Díaz

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viernes, 12 de octubre de 2018

XiuaElectronics: Características estáticas y dinámicas de transductores y sensores.

Buenos días estimados lectores.

El el día de hoy vamos a ver la las características estáticas y dinámicas de los sensores y transductores. Esto es un complemento a la teoría de sensores y transductores publicada anteriormente; anexo a esto estaremos hablando de los distintos tipos de sensores, de su funcionamiento y tal vez si queda tiempo de como fabricarlos de una forma casera, en donde nos ayudaremos con vídeos y demás para este fin. No siendo más empecemos.

Características estáticas y dinámicas de transductores y sensores.

Las características estáticas son los valores obtenidos cuando se presentan condiciones en estado estable, es decir, valores obtenidos una vez que el transductor se estabiliza después de recibir cierta entrada. La terminología que se trato en posts anteriores habla de este tipo de estado. Las características dinámicas hacen referencia al comportamiento en el momento que cambia el valor de entrada y cuando el valor que produce el transductor logra su valor de estado estable.Las características dinámicas se expresan en función de la respuesta del transductor a entradas con determinadas formas. Por ejemplo, en una entrada de tipo escalón, la entrada cambia bruscamente de 0 a un valor constante; en una entrada tipo rampa, la entrada se modifica a velocidad constante; o en una entrada senoidal con una frecuencia determinada. A continuación veremos unos términos necesarios para entender este tema.

Tiempo de respuesta: es un tiempo el cual empieza a transcurrir después de aplicar una señal de entrada de tipo constante, una entrada escalón, hasta que el transductor produce una salida correspondiente a determinado porcentaje, como por ejemplo el 95% del valor de la entrada de la temperatura real un liquido.
Constante de tiempo: es el 63.2% del tiempo de respuesta. La constante de tiempo de un termopar en el aire podría ser de 40s a 100s. La constante de tiempo es una medida netamente de la inercia del sensor y de que tan pronto reaccionará los cambios en su entrada. Cuando mayor sea la constante de tiempo más lenta será su reacción ante una señal de entrada variable. (Figura 2.3).

Figura 2.3: respuesta de una entrada tipo escalón.

Tiempo de subida: es el tiempo que requiere la salida para alcanzar un porcentaje en concreto de la salida encontrándose en un estado estable. Comúnmente el tiempo de subida se refiere al tiempo que tarda la salida en subir del 10% al 90% o 95% del valor en estado estable.
Tiempo de estabilización: es el tiempo que tarda la salida del transductor o del sensor para estabilizarse a un porcentaje del valor determinado, por ejemplo, el 2% del valor en estado estable.

Para ilustrar lo anterior, considere los siguientes datos sobre como cambiaron con el tiempo las lectura de un instrumento, obtenidas en un termómetro hundido en un liquido con el tiempo t=0. Se requiere el tiempo necesario para el 95% de la respuesta.

La figura 2.4 muestra una gráfica de la variación de la temperatura en el tiempo que indica el termómetro. El valor del estado estable, es de 55°C y dado que 95% de 55 es 52.25°C, el tiempo de respuesta para el 95% es casi de 228 segundos.

Escrito por: Breismam Alfonso Rueda Díaz

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jueves, 11 de octubre de 2018

XiuaElectronics: Teoría de sensores y transductores Parte #02

Buenos días amigos!, en el día de hoy veremos la segunda parte del post acerca de los sensores y transductores; de como escogerlos adecuadamente con base en sus características y demás elementos necesarios que hay que tener en cuenta.

Terminología del funcionamiento parte #02

Error por histériesis: Los transductores pueden producir distintas salidas de la misma magnitud que se mide, si dicha magnitud se obtiene mediante el incremento o una reducción continuos. Es decir, si el incremento o decremento de un señal es de forma continua, la salida sera distinta conservando la salida aun cuando la señal de entrada se haya quitado. A este efecto se le conoce como histéresis. El error producido por la histéresis se puede apreciar en la siguiente figura, (Figura 1).

Figura 1

Error por no linealidad: Para los transductor, por lo general la relación entrada y salida es lineal, es decir, la gráfica de la salida respecto a la entrada produce una linea recta. Sin embargo la relación en la vida real de estos parámetros en los transductores es lejos de ser una linea recta; por ello, al suponer la existencia de esta linealidad se produce errores. Este error se define como la desviación máxima respecto a la linea recta correspondiente. Para expresar numéricamente el error por no linealidad se utilizan varios métodos., Las diferencias ocurren al determinar la relación de la linea recta que especifica el error. Uno de estos métodos consiste en unir a través de una recta los puntos de la salida con los puntos extremos del rango, (Figura 2); otro es determinar la recta con el método de los mínimos cuadrados, a fin de determinar que recta se adapta mejor considerando que todos lo valores tienen la misma probabilidad de error, (Figura 3); otro más es con el método de mínimos cuadrados para determinar el mejor ajuste que también pase por el punto cero, (Figura 4). Este último es muy utilizado para los algoritmos de aprendizaje automático o learning machine; rama proveniente de la inteligencia artificial y la estadística. En general este error se expresa como un porcentaje de salida a rango total. Por ejemplo un transductor para medir presión tendría un error por no linealidad de más o menos de 1/2% de rango total.

Figura 2: Método 1, valores extremos del rango

Figura 3: Método 2, la mejor linea recta que incluya todos los valores

Figura 4: Método 3, la mejor linea recta que pase por el punto cero

Repetibilidad/Reproducibilidad: Los términos repetibilidad y reproducibilidad se utilizan para describir la capacidad del transductor para producir la misma salida después de aplicar varias veces el mismo valor de entrada. Cuando ya no se logra obtener la misma salida después de aplicar el valor de entrada, el error se expresa como un porcentaje de salida a rango total.

Figura 5: Repetibilidad con respecto al rango total, el valor máximo menos el valor mínimo obtenido y esto lo multiplicamos por 100 .

Estabilidad: la estabilidad de un transductor es su capacidad para producir la misma salida cuando se emplea para medir una entrada constate en un periodo. Para describir el cambio en la salida que ocurre en ese tiempo, se utiliza el termino "deriva". Esta se puede expresar como un porcentaje de rango de salida total. El termino "deriva del cero" se refiere a los cambios que se producen en la salida cuando la entrada es cero.

Figura 5: Estabilidad térmica de un sensor

Banda/tiempo muerto: la banda muerta o espacio muerto de un transductor es el rango de valores de entrada durante los cuales no hay salida. Por ejemplo, en la fricción de rodamiento de un medidor de flujo con rotor significaría que no se produce salida hasta que la entrada alcanza cierto umbral de velocidad. El tiempo muerto es el lapso que transcurre desde la aplicación de una entrada hasta que la salida empieza a responder y a cambiar.
Resolución: Cuando la entrada varía continuamente en todo el rango, las señales de salida de algunos sensores pueden cambiar a pequeños intervalos. Un ejemplo es potenciómetro con devanado de alambre: la salida aumenta escalonada conforme el deslizador del potenciómetro pasa de una vuelta de el devanado a otro. La resolución se puede definir con el cambio mínimo del valor de la entrada que es capaz de generar un cambio observable en la salida. Por ejemplo, la resolución de un potenciómetro con un devanado de alambre podría ser de 0.5°, o tal vez un porcentaje de la desviación a escala total. Para aquellos sensores que trabajan con salida digital, como por ejemplo aquellos basados en comparadores y amplificadores operacionales (sensor de humedad, lumínico etc.), el cambio mínimo de la señal de salida sería de un bit. Por lo tanto un sensor que produzca un string de datos de N bits, es decir, un total de 2 elevado a la N bits, la resolución se puede expresar como 1/2 elevado a la N.

Figura 6: Resolución entre bloques de lectura de un sensor visual

Impedancia de salida: en algunos casos cuando la salida del sensor lo vinculamos a un circuito electrónico, es necesario conocer la impedancia de salida que este posee, dado que ésta se va a conectar en serie o en paralelo con el circuito. Esta impedancia tendería a modificar el circuito electrónico y por tal motivo nos distorsionaría la lectura real de la señal. Este tema lo podremos ejemplificar prácticamente en un post posterior.

Para ver la primera parte a través del siguiente link: Teoría de sensores y transductores Parte #01

Escrito por: Breismam Alfonso Rueda Díaz

Fuentes:

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