¿Qué es un Sensor?
Al contrario que muchos componentes (que transforman la electricidad en otros procesos termodinámicos, mecánicos o químicos), un sensor electrónico es un dispositivo que transforma una cantidad física (temperatura, posición, intensidad de la luz, etc.) en una cantidad eléctrica (a menudo un voltaje) que luego puede integrarse en una cadena de procesamiento de señales.
Un sensor, también llamado detector, transductor o sonda, convierte los parámetros que no son eléctricos en información que se puede evaluar eléctricamente mediante tensiones y/o intensidades.
La curva de calibración del sensor es la curva que da la evolución de la cantidad eléctrica característica del sensor en función de la cantidad física a la que es sensible el sensor.
El sensor registra las cantidades físicas y las convierte con convertidores de algún tipo según la magnitud y que veremos más adelante, en un voltaje eléctrico, que el sensor establece en una relación fija con la cantidad recogida de entrada.
Por lo tanto, un sensor escala las señales para que puedan interpretarse para su procesamiento posterior.
3.1 Clasificación de Sensores
Los sensores se dividen en sensores mecánicos y no mecánicos.
a) Sensores mecánicos: incluye los de posición, inclinación, aproximación, vibración, fuerza y presión.
b) Sensores no mecánicos: incluyen la temperatura y la luz, el campo magnético, los sensores capacitivos, y sensores químicos.
La transformación o conversión de la magnitud física en eléctrica suele ser de 3 tipos:
- La conversión de una temperatura en un valor de resistencia eléctrica por medio de una resistencia térmica.
- La conversión de una intensidad de luz en corriente eléctrica mediante un fotodiodo.
- La conversión de presión mecánica en carga eléctrica por medio de un cristal piezoeléctrico.
3.2 Tipos de Sensores
- Piezo-eléctrico: Piezoelectricidad, efecto físico que da lugar a que ciertos cristales (como el cuarzo) adquieren polaridad eléctrica al ser sometidos a una presión mecánica.
También se hace una distinción entre sensores cableados y sensores inalámbricos.
Además, los sensores pueden equiparse con su propia inteligencia, por ejemplo, con un microprocesador o con microsistemas.
El término sensor inteligente se utiliza en este contexto.
La forma más común de clasificarlos suele ser en función de la magnitud de entrada que detectan.
De esta forma tenemos los siguiente tipos:
- Sensores de Temperatura: Una pieza bimetalica consta de dos metales con distinto coeficiente de dilatación térmica unidos firmemente.
Cuando se produce un cambio de temperatura, la pieza se deforma según un arco, de manera que el radio de curvatura varia de forma inversamente proporcional a la diferencia de temperaturas entre los dos metales.
Un sensor de posición o desplazamiento permite la transformación en la señal eléctrica correspondiente.
Se emplean directamente como actuadores para abrir o cerrar contactos cuando se alcanza una temperatura y para protección en interruptores térmicos de circuitos eléctricos (interruptores magnetotérnmicos).
En este caso, la corriente se hace circular por el propio elemento que se calienta por efecto Joule hasta que se alcanza una temperatura tal que se ejerce una fuerza mecánica sobre un dispositivo que interrumpe el paso de la corriente. El principal inconveniente de estos sensores es que su respuesta es lenta pues tienen mucha masa.
- Sensores de Presión: La presión es una fuerza por unidad de superficie y para su medida se precede bien a su comparación con otra fuerza conocida (manómetros de columna de liquido), o bien a la detección de su efecto sobre un elemento elástica.
En el primer caso, un sensor de nivel obtendría la señal eléctrica correspondiente.
En el segundo, un potenciómetro, un sensor inductivo, capacitivo o piezoeléctrico son los mas usados para producir la transformación.
- Sensores de Flujo y de Caudal: El flujo o corriente es el movimiento de fluidos por canales o conductos.
El caudal es la cantidad de material , en peso o volumen, que circula por unidad de tiempo.
La medida del caudal se basa en la detección de diferencias de presión provocadas por la inserción de un elemento en el conducto donde se va hacer la medida.
- Sensores de Nivel: Un primer método para detectar el nivel se basa en emplear un flotador con una polea y un contrapeso.
El Angulo girado por la polea es proporcional al nivel del liquido y abre y/o cierra un contacto eléctrico (interruptor).
Llega un momento que al activar el interruptor por ejemplo pone en funcionamiento una bomba de agua para que se llene el deposito porque está en nivel bajo.
Otra técnica consiste en medir la diferencia de presiones entre el fonda del deposito y la superficie del liquido ya que hay una relación entre la altura h y la diferencia de presiones ΔP:
ΔP = ρgh
donde ρ es la densidad del liquido y g la aceleración de la gravedad.
- Sensores de Fuerza y Par: Los posibles métodos para medir una fuerza son compararla con otra conocida (balanzas), o medir el efecto sobre un elemento elástico.
Al aplicar una fuerza a un elemento elástica inmóvil, este se deforma hasta que las tensiones generadas por la deformación igualan las debidas al esfuerzo aplicado.
El resultado es un cambia en las dimensiones del elemento elástica que con una forma adecuada puede hacerse proporcional a la fuerza.
- Sensores Electrónicos Resistivos: Los sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica de un elemento son los sensores electrónicos mas utilizados.
Se debe a que son muchas las magnitudes de medida que afectan al valor de la resistencia por lo que ofrecen una solución valida para muchos problemas.
Tenemos varios, los más usados son:
a) Potenciómetros.
Un potenciómetro es un resistor con un contacto móvil deslizante o giratorio.
La resistencia entre el contacto m6vil y un terminal fijo es:
R = ρ(l-x) / S
Donde x es la distancia entre el cursor y el otro terminal fijo, l es la distancia entre los terminales fijos, ρ es la resistividad del material y S su secci6n transversal supuesta constante.
La ventaja de este componente es que siendo simple y robusto ofrece una elevada relación exactitud-precio.
Los potenciómetros se aplican en la medida de desplazamientos que excedan de 1 cm y de 10 grados a fondo de escala.
Desplazamientos de esta magnitud se encuentran en servosistemas de posición y en ciertos sensores primarios.
b) Galgas extensiométricas.
Las galgas extensiométricas, a veces verás que también se llaman extensométricas, se basan en la variación de la resistencia de un conductor o semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico.
Este efecto fue descubierto por Lord Kelvin en 1856.
Vemos que existe una relaci6n entre el cambio de resistencia de un material y su deformación que este experimenta.
Si se conoce la relación entre esta deformaci6n y el esfuerzo que la provoca, a partir de la medida de los cambios de resistencias se podrá conocer el esfuerzo aplicado.
Las ventajas de estas galgas son su pequeño tamaño, gran linealidad y baja impedancia.
c) Sensor de temperatura con resistencias metálicas.
Son mas conocidas por sus siglas inglesas RTD (Resistance Temperature Detector) o como PRT (Platinum Resistance Thermometer) porque el material mas frecuentemente utilizado es el platina.
Están basadas en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura.
La principal ventaja de este sensor es su sensibilidad (unas 10 veces mayor que los termopares), su alta repetibilidad y exactitud en el caso del platina y el bajo coste en el caso del cobre y níquel.
d) Termistores.
El termistor (termistor, abreviatura de thermally sensitive resistor) es un componente realizado con semiconductores que ofrece una resistencia variable con la temperatura.
En los semiconductores esta dependencia con la temperatura es debida a la variación del numero de portadores; al aumentar la temperatura, aumenta el numero de portadores y disminuye la resistencia; presentan, entonces, un coeficiente de temperatura negativo y se llaman NTC (Negative Temperature Coefficient).
Si el dopado es muy intenso, el semiconductor adquiere propiedades metálicas y presenta un coeficiente de temperatura positivo; son los llamados PTC (Positve Temperature Coefficient).
NTC : Al aumentar la temperatura disminuye la resistencia.
PTC: Al aumentar la temperatura aumenta la resistencia.
La respuesta de una NTC es aproximadamente exponencial, pero es posible linealizarla montándola con otras resistencias.
Los fabricantes ya ofrecen este conjunto integrado.
Entre sus ventajas están: Ofrecen una alta sensibilidad y resolución; debido a su alta resistividad pueden tener masa muy pequeña por lo que ofrecen un tiempo de respuesta corto y permiten emplear hilos largos para su conexión porque la resistencia de estos es despreciable.
Además su coste es muy bajo.
e) Fotorresistencias.
Son conocidas como LDR (Light Dependent Resistor) y se basan en la variación de resistencia de un semiconductor a! incidir la luz sobre el.
Esto es debido a que la radiación incidente en el semiconductor comunica energía a sus electrones que pueden llegar a saltar de la banda de valencia a la de conducción y dando lugar a un aumento de la conductividad o una reducción de la resistencia.
Las aplicaciones de las fotorresistencias están en la medida de luz, con poca precisión y bajo coste (control del brillo y contraste de un monitor) y en detectores de presencia y de posición.
f) Higrómetros resistivos y capacitivos.
La mayoría de los aislantes eléctricos presentan un descenso de resistividad brusco (y un aumento de su constante dieléctrica) al aumentar su contenido de humedad.
Si se mide la variación de resistencia se tiene un higrómetro resistivo.
Si se mide la variación de capacidad se tiene un higrómetro capacitivo.
Los últimos son los mas utilizados.
g) Resistencias semiconductoras para detección de gases.
A alta temperatura la conductividad de algunos óxidos semiconductores (ZnO y Sn02) presentan una conductividad superficial que varia con la concentración de oxigeno del media ambiente, que es debido a defectos en la estructura cristalina con defecto de átomos de
oxigeno.
Al aumentar la temperatura, el oxigeno absorbido se disocia, sus electrones neutralizan el exceso de metal y se reduce la conductividad.
La ventaja de estos sensores es su bajo coste, su alta sensibilidad y fiabilidad, su pequeño tamaño y su robustez.
Se aplican como detectores de fugas de gases, en procesos de fermentación, control de la ventilación y del aire acondicionado, detección de humo, alarmas contra incendios, etc.
3.3 Funcionamiento de los Sensores Eléctricos
Vamos a explicar los tipos de funcionamiento más habituales, ya que hoy en día hay muchos.
Muchos sensores funcionan según el principio electromagnético o lo que se llama electromagnetismo.
Por ejemplo, trabajan con este principio: Sensores de proximidad, Sensores de aceleración, Sensores de fuerza así como sensores de nivel y muchos más.
El principio es es siguiente:
Una bobina se carga con un campo magnético exacto bajo un voltaje o tensión definida. La perturbación de este campo magnético es la influencia externa (magnitud física), que se transmite como una señal a la unidad de control.
Si se requieren valores de medición particularmente finos, se utiliza un cristal piezoeléctrico (visto antes) en lugar de una bobina y un núcleo de hierro.
Cuando el cristal se deforma, genera fuertes tensiones que se pueden leer fácilmente.
También los sensores de sonido se fabrican con el conocido principio electromagnético. Al igual que los altavoces o los micrófonos, un sensor acústico tiene un imán permanente envuelto en una bobina de cobre. La bobina se somete a una ligera tensión eléctrica y se pega a una membrana.
Si la compresión de aire generada por el sonido presiona la membrana, la bobina se mueve mecánicamente a lo largo del imán permanente. Esto crea un voltaje o un cambio de voltaje que se puede transmitir.
En los sensores de luz también se utilizan cristales, pero en este caso se trata de monocristales hechos de silicio que cambian su conductividad eléctrica cuando se exponen a la luz. También aquí la aplicación de una precarga es una condición para el funcionamiento del transductor o sensor.
Los sensores de temperatura funcionan de manera un poco diferente. En su mayoría están equipados con un bimetal.
Dependiendo del cambio de temperatura, la banda de metal se dobla de una manera definida con precisión.
Esta curva se puede utilizar como valor de medición de varias formas. Por lo general, la tira bimetálica se vuelve a conectar a una fuente de voltaje. Al doblar, la resistencia de la tira curvada cambia de valor. Esto se puede determinar luego como un cambio en la magnitud física medida. La curva de los bimetales también se puede conectar a un sistema óptico.
Las posibilidades y variantes son muy diversas en la tecnología de sensores.
3.4 ¿Donde Se Usan los Sensores Eléctricos?
Los usos son innumerables, pero hagamos una lista con los que quizás sean los más conocidos.
Los sensores se utilizan en estudios, en control de procesos, en dispositivos de seguridad y sistemas de telecontrol, en redes ópticas, reproductores de CD, vehículos de motor, aviones, plantas de producción y en muchas otras instituciones técnicas, médicas y científicas.
En redes ópticas, en unidades de CD y DVD, en escáneres, cámaras digitales y videocámaras, la conversión óptico-eléctrica se realiza con sensores fotosensibles y sensores de imagen.
Esto incluye fotodiodos, diodos APD, diodos PIN, fototransistores, también sensores CMOS y sensores CCD.
