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INSTRUMENTACIÓN
Tema 2: Sensores
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Tema 2. Sensores
• Sensores primariosS i ti• Sensores resistivos
• Sensores capacitivos• Sensores inductivos y electromagnéticos• Sensores generadores• Sensores digitales• Otros tipos de sensores
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Sensores primarios
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Sensores primarios
Recordemos lo que representan:
Magnitud eléctrica
SISTEMA SENSOR
PRIMARIO
Magnitud
física
Magnitud relacionada
SENSOR
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• convierten una magnitud física en otra más fácil de medir por un sensor
• no ofrecen una salida en forma de señal eléctrica
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Sensores primarios
SENSORES PRIMARIOS(según la magnitud de entrada que detectan):
• de temperatura:• bimetales
• de presión: • manómetro• tubo Bourdon• diafragma
• de caudal:• tubo de Pitot• caudalímetros de
obstrucción• rotámetros o
caudalímetros de área variable
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• diafragma
• de fuerza y par• de nivel
variable• caudalímetros de turbina• caudalímetros térmicos• caudalímetros de
desplazamiento positivo• vertederos de aforo
Sensores primarios de temperatura: bimetales
Bimetal: pieza formada por 2 metales con distinto coeficiente de dilatación térmica unidos firmemente, por ejemplo, mediante
ld d tó tid l i t tsoldadura autógena y sometidos a la misma temperatura.
Cuando se produce un cambio de T, la pieza se deforma según un arco circular uniforme.
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( )( )12BA TT3e2r
−α−α≈
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Sensores primarios de temperatura: bimetales
Uso como sensor primario:
Magnitud eléctricaBIMETAL
Temperatura DesplazamientoSENSOR
Características:• respuesta lenta
Otros usos:
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• actuadores para abrir o cerrar contactos (termostatos)• como protección en circuitos eléctricos (interruptores térmicos
por bimetal)
Sensores primarios de temperatura: bimetales
Uso como sensor completo:
Termómetros bimétalicos.
Constan de dos láminas de metalpegadas, con diferentes coeficientesde dilatación térmica. Cuando sesomete la lámina bimetálica a uncambio de temperatura, la dilatacióndiferencial provoca una flexión del
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diferencial provoca una flexión delconjunto en forma de arco circular.Basado en este sistema mecánicoBourdon Española suministra losmodelos TBM y TBO, atendiendo a laposibilidad de orientar la esfera.
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Sensores primarios de presión
Sensores primarios de presión:– manómetro
t b B dFuerzaesiónPr =– tubo Bourdon
– diafragma
La medida de presiones en líquidos o gases es frecuente en control de procesos
Para medir la presión se procede bien a su comparación con otra fuerza conocida bien a la detección de su efecto sobre un
SuperficieesiónPr
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fuerza conocida, bien a la detección de su efecto sobre un elemento elástico (deflexión)
Sensores primarios de presión: Manómetro
Manómetro de columna de líquido
ppgpph ref1
⋅ρ−
=
ManómetroPresión Desplazamiento
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Sensores primarios de presión: Tubo Bourdon
Tubo Bourdon
- tubo metálico de sección transversal no circular, que tiende a recuperar dicha forma cuando se aplica una diferencia de presión entre el interior y el exterior
(La diferencia de presiones provoca una deformación)
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Tubo Bourdon
Presión Desplazamiento
Sensores primarios de presión: Tubo Bourdon
-- mejoras:mejoras:en espiral y helicoidalen espiral y helicoidal-- en espiral y helicoidalen espiral y helicoidal
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Sensores primarios de presión: Tubo Bourdon
-- Características:Características:lineal para desplazamientos muy pequeñoslineal para desplazamientos muy pequeños-- lineal para desplazamientos muy pequeñoslineal para desplazamientos muy pequeños
-- se usa para altas presionesse usa para altas presiones
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Sensores primarios de presión: Tubo Bourdon
- Uso como sensor completo:
Manómetro Tubo Bourdon.
Consiste en un tubo en forma de"C" que dibuja un anillo casicompleto, cerrado por un extremo.Al aplicar la presión al terminalabierto, el tubo tiende a
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,enderezarse y el movimiento estransmitido a la aguja indicadora.
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Sensores primarios de presión: Diafragma
- Diafragma: Placa circular flexible que se deforma debido a la diferencia de presiones entre sus dos carasdiferencia de presiones entre sus dos caras
- Se mide el desplazamiento del punto central del diafragma o su deformación .
DiafragmaPresión Desplazamiento o
Deformación
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- Para medir bajas presiones
Sensores primarios de caudal
- Caudal: cantidad de materia, en peso o volumen, que fluye por unidad de tiempo.- Las medidas de caudal están presentes en todos los procesos de transporte deLas medidas de caudal están presentes en todos los procesos de transporte de
materia y energía mediante fluidos, para controlar el proceso, como indicación o para determinar tarifas (agua, gas, gasolina..)
•Sensores primarios de caudal:•tubo de Pitot
•caudalímetros de obstrucción
•rotámetros o caudalímetros de área variable
•caudalímetros de turbina
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•caudalímetros térmicos
•caudalímetros de desplazamiento positivo
•vertederos de aforo
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Sensores primarios de fuerza y par
- Convierten la fuerza o el par en un desplazamiento, midiendo el efecto de una fuerza sobre un elemento elástico (célula de carga)efecto de una fuerza sobre un elemento elástico (célula de carga)
Célula de carga
Fuerza o Par Desplazamiento
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Sensores primarios de nivel
- Basados en flotador
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1010
Sensores primarios de nivel
- de presión diferencial
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Bibliografía del tema 2,relativa a los sensores primarios:
Capítulo 1 del libro:“Sensores y acondicionadores de señal", Ramón Pallas Areny.
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Tema 2. Sensores
• Sensores primarios su salida no es eléctrica
• Sensores resistivos• Sensores capacitivos• Sensores inductivos y electromagnéticos• Sensores generadores• Sensores digitales
su salida sí es
una señal eléctrica
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• Otros tipos de sensores
Sensores
Información relevante de cada sensor:– NOMBRE– PARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLEPARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLE– MAGNITUD MEDIDA– FOTO / SÍMBOLO– FUNDAMENTO FÍSICO (FUNCIONAMIENTO)– MATERIAL QUE LO COMPONE– MODELO O ECUACIÓN DEL SENSOR– TIPO DE SALIDA (ANALÓGICA O DIGITAL)– TIPO DE COMPORTAMIENTO (LINEAL O NO LINEAL)
VENTAJAS
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– VENTAJAS– LIMITACIONES– APLICACIONES– CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO
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Sensores resistivos
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Sensores resistivos
SENSORES RESISTIVOS
se basan en la variación de la resistencia de un elemento a consecuencia de la variación de la magnitud a medir.
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Sensores resistivos
SENSORES RESISTIVOS, tipos:P t ió t– Potenciómetros
– Galgas Extensiométricas– Detectores de temperatura resistivos (RTD)– Termistores– Magnetorresistencias– Fotorresistencias– Higrómetros resistivos
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Higrómetros resistivos– Resistencias semiconductoras para detección de gases
Sensores resistivos
Ejemplo de estudio de un sensor resistivo:Ejemplo de estudio de un sensor resistivo:
– Fotorresistencias
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Sensor: fotorresistencia (LDR)
Información relevante que vamos a detallar de la LDR:– NOMBRE– PARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLEPARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLE– MAGNITUD MEDIDA– FOTO / SÍMBOLO– FUNDAMENTO FÍSICO (FUNCIONAMIENTO)– MATERIAL QUE LO COMPONE– MODELO O ECUACIÓN DEL SENSOR– TIPO DE SALIDA (ANALÓGICA O DIGITAL)– TIPO DE COMPORTAMIENTO (LINEAL O NO LINEAL)
VENTAJAS
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– VENTAJAS– LIMITACIONES– APLICACIONES– CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO
Fotorresistencias (LDR )
NOMBRE:fotorresistencia, fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuya siglas (LDR) se originan de su nombre en inglés light-dependentresistor
PARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLE:resistencia eléctrica (R)
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MAGNITUD MEDIDA:nivel de iluminación (densidad superficial de energía recibida expresada en lux)1 lux = 1lumen /m²
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Fotorresistencias (LDR )
FOTO:FOTO:
SÍMBOLO:SÍMBOLO:
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SÍMBOLO:SÍMBOLO:
Fotorresistencias (LDR )
FUNDAMENTO FÍSICO:Las fotorresistencias se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda entre 1mm y 10nm).
si ↑luz → ↓RLDR (cientos de Ω)
si ↓luz → ↑RLDR (>10MΩ)
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su fundamento físico es el efecto fotoeléctrico interno..
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Fotorresistencias (LDR )
FUNDAMENTO FÍSICO: efecto fotoeléctrico interno
La conductividad eléctrica en un material depende del número de portadores enLa conductividad eléctrica en un material depende del número de portadores enla banda de conducción. En un semiconductor, a la baja temperatura la mayorparte de sus electrones están en la banda de valencia, y se comporta caso comoaislante. Pero al aumentar la temperatura, y con ella la agitación de los electrones,dado que las bandas de valencia y de conducción están próximas (a diferencia delo que sucede en un aislante), cada vez hay más electrones que saltan de la bandade valencia a la de conducción, aumentando la conductividad. Si el semiconductorestá dopado, este salto es aún más fácil.
La energía necesaria para producir el salto puede venir de otras fuentes externasademás del calor como puede ser una radiación óptica o una tensión eléctrica
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además del calor, como puede ser una radiación óptica o una tensión eléctrica.En el caso de la radiación, si ésta tiene energía suficiente para permitir el salto delos electrones de una a otra banda, pero sin exceder el umbral necesario para quese desprendan del material, se tendrá efecto fotoeléctrico interno o fotoconductor,y a mayor iluminación mayor será la conductividad. Si se excediera dichoumbral, se tendría efecto fotoeléctrico externo.
Fotorresistencias (LDR )
FUNDAMENTO FÍSICO: efecto fotoeléctrico interno
B. Conducción
B V l i- - -
---
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B. Valencia-- -- - - -
- -- --
1717
Fotorresistencias (LDR )
MATERIAL QUE LO COMPONE:
Materiales semiconductores como el sulfuro de cadmio (CdS).
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Fotorresistencias (LDR )
MODELO:
αα−= EAR ·R = resistencia eléctrica
E = densidad superficial de energía recibida (lux)
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A y α = constantes dependientes de material sm
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Fotorresistencias (LDR )
TIPO DE SALIDA:
ANALÓGICA
TIPO DE COMPORTAMIENTO:
NO LINEAL
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Fotorresistencias (LDR )
VENTAJAS:VENTAJAS:
-gran sensibilidad
-bajo coste
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1919
Fotorresistencias (LDR )
LIMITACIONES:
- respuesta espectral estrecha (se debe elegir un sensor específico en función de la longitud de onda que se quiere detectar)
- comportamiento muy no lineal
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Fotorresistencias (LDR )
APLICACIONES:
Medidas de luz con poca precisión y bajo coste:
•control de diafragma en cámaras fotográficas
•detección de fuego
•sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles en función de la luz ambiente
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2020
Fotorresistencias (LDR )
CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO:
DIVISOR DE TENSIÓNDIVISOR DE TENSIÓN
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Fotorresistencias (LDR )
CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO:
DIVISOR DE TENSIÓN COMPARADORDIVISOR DE TENSIÓN + COMPARADOR
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Vref
2121
Fotorresistencias (LDR )
CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO:
DIVISOR DE TENSIÓN DISPARADOR S h ittDIVISOR DE TENSIÓN + DISPARADOR Schmitt
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Fotorresistencias (LDR )
CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO:
DIVISOR DE TENSIÓN SEGUIDORDIVISOR DE TENSIÓN + SEGUIDOR
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2222
Fotorresistencias (LDR )
EJEMPLO DE USO DE UN SENSOR LDR EN UN ROBOT MOVIL:
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Más información:Web sobre Moway: http://coolab.umh.es/moway_web/moway.html
Video del hormiguero: http://www.youtube.com/watch?v=R8cEn8zLWAw
d i i blSensores de reactancia variable:
2 tipos:sensores capacitivossensores inductivos
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Sensores capacitivos
SENSORES CAPACITIVOS tiSENSORES CAPACITIVOS, tipos:
– Condensador variable– Condensador diferencial
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Condensador variable
NOMBRE:condensador variable, capacitor o capacitancia variable
PARÁMETRO ELÉCTRICO VARIABLE:Capacidad eléctrica (C)
MAGNITUD MEDIDA:El cambio en la capacidad eléctrica puede ser producido por uncambio en la constante dieléctrica del material o en la geometría delcondensador.
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condensador.
Por ello, son magnitudes medibles:• desplazamientos lineales y angulares• presión, fuerza, par y aceleración
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Condensador variable
FOTO:
SÍMBOLO:
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SÍMBOLO:
Condensador variable
FUNDAMENTO FÍSICO:
Cualquier fenómeno o magnitud que produzcauna variación de ε, A o d provocará un cambioen C que será detectado en un circuito (I,V).
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2525
Condensador variable
Ejemplo de condensador variable debido a un cambio en la constante dieléctrica:
FUNDAMENTO FÍSICO:
Ejemplo de condensador variable debido a un cambio en la constante dieléctrica:
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Condensador variable
Ejemplos de condensadores variables debidos a cambios en su geometría:
FUNDAMENTO FÍSICO:
j p g
x
placamóvil
placafija
d
xw A x
l
ε2ε1
50
xACxε
= ( )wx-A d
Cxε
= ( )[ ]x--ldwC 122
ox εεε
ε=
2626
Condensador variable
Ejemplos de condensadores variables debidos a cambios en su geometría y/o suconstante dieléctrica:
FUNDAMENTO FÍSICO:
51
Condensador variable
Geometrías básicas de condensadores:CILÍNDRICO
PLANO DIFERENCIAL
FUNDAMENTO FÍSICO:
Die
léct
rico
Aε εA εAεh2π
C =
52
dAε
C =x-d
εAC1 =
x+dεA
=C2
1
2
rr
lnC =
2727
Condensador diferencial
Consiste en dos condensadores variables dispuestos de tal modo queexperimenten el mismo cambio pero en sentidos opuestos:
C C
x-dεA
C1 =
x+dεA
=C2
d-x d+x
C1 C2
x
Su principal ventaja es que mediante un acondicionamiento adecuado de la señal
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p p j qde salida, se logra que ésta sea lineal. Por ejemplo, restando las tensiones decada uno de los condensadores variables C1 y C2. ver en pizarra
Sensores capacitivos
MATERIALES QUE LOS COMPONEN:
Múltiples materiales.
En general, son 2 placas conductoras separadas por un material dieléctrico.
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2828
Sensores capacitivosMODELO del
CONDENSADOR VARIABLE:MODELO del
CONDENSADOR DIFERENCIAL:
C C
x-dεA
C1 =
x+dεA
=C2
d-x d+x
C1 C2
x
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Sensores capacitivos
TIPO DE SALIDA:
ANALÓGICA
TIPO DE COMPORTAMIENTO:
Puede ser lineal, según la magnitud medida y el circuito de acondicionamiento utilizado junto con el sensor.
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2929
Sensores capacitivos
VENTAJAS:VENTAJAS:
- Puede utilizarse para medir diferentes tipos de magnitudes.
- Múltiples aplicaciones: medidores de desplazamientos, detectoresde presencia y proximidad, acelerómetros: activación del sistemaairbag, detección de movimiento, etc.
- Bajo coste
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Bajo coste
Sensores capacitivos
APLICACIONES:
- Medida de desplazamientos lineales y angulares
- Detectores de proximidad: detectan metales y dieléctricos como papel, madera, vidrio y plástico
- Medidas de presión, fuerza, par y aceleración.
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3030
Sensores capacitivos
CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO:
Puente de Wheastone en AC
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En el puente (a) la salida varía de forma no lineal con x. Pero si se trata de un sensor diferencialy se ponen sus dos impedancias en brazos adyacentes (puente (b)), entonces hayproporcionalidad entre VS y x.
Además, en la configuración de puente (b) las interferencias térmicas y de otros tipos, queafectan por igual en los dos brazos, se anulan. Esta es una de las razones de que los puentes dealterna sean el método de medida habitual para sensores diferenciales.
Sensores capacitivosEJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Detectores de proximidad capacitivos
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3131
Sensores capacitivosEJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote
Detección de movimiento en el espacio con el wiimote: El mando de la Wii(wiimote) tiene la capacidad de detectar la aceleración a lo largo de tres ejes mediante la( ) p g jutilización de un acelerómetro ADXL330.
acelerómetro ADXL330.Wiimote.
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Sensores capacitivosEJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote
¿Qué es el ADLX330?
El sensor ADXL330 es un acelerómetro completo de tres ejes acondicionado con salidas devoltaje de señal, todo montado en un CI monolítico. El rango del sensor es de ±3g . Sepuede medir la aceleración de la gravedad estática en las aplicaciones de detección deinclinación, así como la aceleración dinámica resultante de movimiento, choque ovibraciones.
Se trata de un acelerómetro tipo MEMS basado en un sensor capacitivo diferencial.MEMS (Microelectromechanical Systems) se refiere a la tecnología electromecánica,micrométrica y sus productos. El silicio es el material utilizado para crear la mayoría de loscircuitos integrados y por tanto también los sensores tipo MEMs.
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3232
Sensores capacitivosEJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote
¿Qué es el ADLX330?
aceleración
Celda
C1 < C2CapacidadesC y C
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Celdaunitaria
C1 y C2
ka xm
=F = k⋅x
F = m·a
Sensores capacitivosEJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote
¿Qué es el ADLX330?
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3333
Sensores capacitivosEJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote
Otro sensor tipo MEMs basado en sensor capacitivo diferencias: giroscopio IDG-300.
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Sensores capacitivosEJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO : Wiimote
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3434
Sensores capacitivosEJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO: iPhone
Detección de movimiento en el espacio en un móvil: Los teléfonos inteligentes(iPhone, Blackberry Storm) utilizan acelerómetros para detectar cuándo la pantalla gira de( , y ) p p gla orientación “retrato” a la posición “paisaje”. Además de facilitar otras aplicaciones, comoreordenar una lista al sacudirlo, por ejemplo.
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Sensores capacitivosEJEMPLO DE USO DE UN SENSOR CAPACITIVO: iPhone
Detección de movimiento en el espacio en un móvil.
Disposición de acelerómetros en el iPhone.
68Acelerómetro MEMS del iPhone: LIS302DL
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Sensores inductivos
SENSORES INDUCTIVOS tiSENSORES INDUCTIVOS, tipos:
– Basados en una variación de reluctancia– Basados en corrientes de Foucault– Basados en un cambio de M (LVDT y trafos variables)
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l é iSensores electromagnéticos
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3636
Sensores electromagnéticos
SENSORES ELECTROMAGNÉTICOS• Definición:
S l it d fí i d d iSensores en los que una magnitud física puede producir una alteración de un campo magnético o de un campo eléctrico, sin que se trate de un cambio de inductancia o de capacidad.
• Tipos:• Sensores basados en la ley de Faraday• Sensores basados en el efecto Hall
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Sensores generadores
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3737
Sensores generadores
SENSORES GENERADORES• Definición:
Sensores generadores son aquellos que generan una señal eléctricaSensores generadores son aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica.
• Tipos:• Sensores termoeléctricos: termopares• Sensores piezoeléctricos• Sensores piroeléctricos• Sensores fotovoltaicos
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Sensores fotovoltaicos• Sensores electroquímicos
Sensores digitales
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3838
Sensores digitales
SENSORES DIGITALES• Definición:
Of l did difi d º d t i d d bit- Ofrecen la medida codificada en un nº determinado de bits- Ofrecen una señal de valores discretos
• Tipos:• Codificadores de posición
• Incrementales• Absolutos
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Absolutos
• Sensores autorresonantes
“Sensores y acondicionadores de señal",Ramón Pallas Areny, Ed. Marcombo, 2007.
Bibliografía
Capítulos 2-8
Otra bibliografía complementaria:- Libro: “ Instrumentación Electrónica", Pérez et al.
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Libro: Instrumentación Electrónica , Pérez et al.- Revista Investigación y Ciencia, Mayo 2009- Diversas fuentes de internet