Table Of Content

, Indice general PrOI o de la rime.111 ed:ldcSn .. ... . .. .. .. .. . .. . .. ...... .. .... .. . ... .. . . . .. ..... ... ... .. . . . ... ... ........... .. . .. .. . . .... . XI PrOI o a la ncla edidOn .. . . . . .. . . .. . . . .. .. . . . .. . . . .. . . . . . .. . . .. . ... . . .. .. .. . . . . .. . . . . ... . .. .. .. .. . . .. . xrn l. lntroducci6n Jos sistem• de metlkla ..................................................... .. 1 1 I.I Conce eoerales terminolo a .............................................. . 1 ,t········,··················'•·················· 1.1.1 1 Sistemas de medida , ............. 1.1.2 Transductores, sensores y accionamientos ..................... . 2 1.1.3 Acondicionamiento resentaci6n ................................. . 4 1.1.4 lnterfases, dominios de datos y conversiones ................. . 4 1.2 Ti os de senso-r·es ............................................................................... . 6 1.3 Confi uraci6n eneral entrada-salida ........................................... .. 9 9 1.3._2 de com eosaci6n ................................................... 10 T~cas 1.4 Caracter(stjcas estatjcas de los sistemas de medida .................... .. 12 1.4.1 Exactitud, fidelidad, sensibilidad ..................................... . 12 1.4.2 Otras caracteristicas: linealldad, resoluci6n ................... .. 15 1.4.3 Errores sistem4ticos ........................................................... . 16 1 .4.4 E rrores aleatorios .............................................................. . 17 l.5 Caracterfsticas din4micas de los sistemas de medida ................... . 18 1.5.1 Sistemas de medida de ordeo cero .................................. .. 19 1.5.2 Sistemas de medida de rimer orden ............................... 20 1.5.3 Sistemas de medida de se ndo orden ............................. . 23 1.6 Caracterlsticas de entrada: · dancia ........................................... . 28 . . I.7 Sensores nm.an.Os .................................................•.......................... 29 1.7.1 Sensores de tern ratura: bimetales ................................... . 30 1.7.2 Sensores de ·resi6n .....•.................... ,.. .................................•..... 32 de cau.dal ............................ ·····-· .... ··-·· ...... . 35 1.7.4 Senso·res de njvel .........................•...•.•....•.•••••.••.••.•••...••...••.. 40 1.7.5 Sensores de fuerza a.r ............................................ ··-·. ........•••.. 42 1.8 Materiales em leados en sensores ......................................., .. ........ . 42 1.8.1 Conductores, semiconductores y ................. . 45 diel~ctrioos 1.8 ..2 Materiales ma n~tioos ........................................................ . 46 1.9 T6cnicas de preparaci6n de materiales para microsensores ........ 49 49 1.9.1 TCcnicas de lfcula esa ·············-··································· 1.9.2 Tecnicas de Ucul.a fina ..................................... .,. ............ . 50 1.2.3 Mjcromecanjzado ...........•............ , .. ,. ................•....... ,. ..••..... 51 VI /ndice general 1. lO]L _ _P.....I..,.O:i...b,ul..e.,m....., a ..,s.._., . .. .. _,5=2"-- u. ...........u . ...........u• u•. ............. ..,. ......u . ........, ... ...............u . ........................................... ". .......u . ..........................................................u . ...........u . ................... ___ l.1 .l.. __ R...,,.e_..f.,e.. .r. .e,,.. n.. .c,..,ja,..sL.....u. _ ... ...................._ .. _ ... ...................._ .. .........................._ .. ....................._ ... .........................._ ... ........................._ ... .................... _ __.5.'"2'.__ ~. 2. SelllORI RlildY«M .............. ,. ...................................................., . ... ,. ................. . 54 _.~.._(.) l~CL(..l.,(,<..J·'.,t.S..I..J,l.,c,=..t..r..,<,,>.S......, '"'"''""'----=5=4-'--- 2.l_ ..... .... ,.... ..., .. ........... ,,u,"'"' "' 'u'"' .'."' '"' '"''"' .'."' 'u'"' '.'."' 'u'"' '.'."' '"'"''"' '......, . ........ ..,,,u,. •.. • ."' '"'"' .'..' L'"'"''"''"'"''"'"' .'."' ''"'"''"' .'.'" 'u'"' '.. ~-~~--C::J:.'=il::J:ioz.a:.=S=-C=..l:l=· :=t=C~l=l=S:.(.:)=J:l::J=~~=t=r=t'=c=:=a=s:...'.='='=·=·=··=·=•=•=··=·=·=·=·=··=·=·=·=··=·=·=·=·=··=·=·=·=··=·=·=·=··=·=·=·=··=·=·=·=·=··=·=·=·=··=·=·=·=··=·=·=·=·=··=·=·----~.;...:.... __ 22~.l:.._:F::.-u==n=d=m=n=c=nt=o~:~c=f=e=-c=~t:o:::....c=i=e=z=o=r=r=-e==s=is-t=i~v.<.:>:.~··=·=·="="·:"::.':.:"..:.".:::"::.·:..:"::"::.:".:..":..'::::":.":.:..':.'::-----~=--=---- 2.2~.~2~_':1!".i!i?:~~~~a.~~l~i~c:~~~e~t·~on~e~s~~·:·~·:··:·:·:·:··:·:·:··:·:·:·:·:··:·:·:·:·:··:·:·:·:··:·:·:·:··:··:·:·:·:··:·:·:·:··:·:·:·:·:··:·:·:·:··:·:·:.... __~ ~~~-- 2.3---'D=et.::e::.c.:::t.:<::>..r:~es~d:c::....t::=e-=m:=::.c-=..::r..a::.:.t.:-u·= =r-a==.--r=-e==s=is:.t::i=v=.o.::.:s:::....>..R:=.':1:-'0=:..L._.=·' .:".:..":.::':"::.:".:..·:.· .:·:=·=· .":.:..":..: :':"::.":.:. ·=·=' .:".:..':. ...__6, :,.8.::...._ ........ ....... ............................................................................................................................................................................................................. ...... 2.4~Te ~an is~t~o~re-s ~ ~- ~----7"~2'--- 2.4... .. l...__ .M..... . o.. ,d..,..e.l .o. ...s.__.._... .. -·. . .. -... ..- .·.- .._ .. _.,. _ ,,_.,. ..- ... .. -... .. -... ..- ...-. ._ .. ._.. _ .. _... .. -... .. -·. .- .._ .. ._ .. ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~___.7_.2-_ 2.4~·=2:...._'~I'=ilC.=..:s::.-,_=a.::.c=l~l=c:a..:.:=C~J·o=-=1~.1=e~s=-~·=·=·=··=·=·=·=··=·=·=·=··=·=·=·=·=··=·=·=·=··=·=·=·=··=·=·=·=·=··=·=·=·=··=·=·=·=··=·=·=·=·=··=·=·=·=··=·=·:.... ___'" 7"S~> -- 2.4• ••:3' -- •l.... . .....c .:.i 1a1·~ ~cS~1A1._J.U•&•&··u·u·&•L•U··u·u·a·u··u·u· L.U''U'~---~"":"3""" ialla.«.=,i.l. . .·.a· ·u•u·L•.•Lu•·u•u• .·.u· ·u·u· .·.a· .· .·u ·&•&•u··u·. .·.a ·L·•u•u•a· .·.·u ·u·. ·.a· u··u·. ................... __ 2. .5 Ma etorresistencl.as ........... ....... ............ .................. .... . ............ ....... ... 86 2.ti_....f;;l;'....<;;>,,t:_o,;,,r:=re:;.s;:~i~s~t~e;;;..1.:;1;;..C.:~J·~a=.s-""l=..O::;.,R~=. ..- =·~·~·~··~·~·~·~··~·~·~·~·~··~·~·~·~··~·~·~·~··~·~·~·~·~··~·~·~·~··~·~·~·~··~·~·~·~·~··~·~·~·~··~·~·~·~··~·~·~·~·~··~·~·----~.;_"""'-- 2. 7 Hi r6metros resi.st'.ivos .......... .... .............. .. .. .... ... .. ..... .. .. ............. .. .. ... 91 ~-'.._~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~92- 2. 8---R''-'-e=sis ;,t,:e =n=c=ia :;:.;;s:;...s:=e=n=u·c= <;;>;..n.:;;;.d,;;:;.u;:;,c.;;..t.;;<..:;>,r,:=as=-p"'-a=.r;,a::;.,..d;:;;;.e..:,·,l; .e,~;c;c;.t,·; 6;=n;...d;=e'-'g'""a'=s=es~... =. .. ";.. ;,='" .";.. ;.;", ;,;'"'' "-___ 2.S>_ _.f.>..C,uO...,l>..,.laC:~IJl..., •u··u1u•a•a··u•u1u1a1ue·u•u1a•u··u•u•a•.'L'u•u•u•a1u··u•u•a1u·eu•u•a•a··u•u•u•a•u··u•u•a•u·eu•u•a1ae·u•u•u•a•u··u•u•----~<.a<--- .8. ,.S..._.,.a··u1u•u•a•u••u•u1a•&•·u•u•a•a··u1u•"'•&•·u·u•u•. . 2.l.{.)__&l.,l.,e,.{.JC..,.C~CL:Jl....,C,..i.jlu.S._J•u•._•u••u•u•a•.'L'"'U'&'_'.*"""'"'&'"''*U'U•a•.•L•u•u•u•a••u•u• ·u•u•u•---~~"-''--- .•.a• •u•u•u•a•ue•u•u•u•&•"''U•u•a•u·•u•u•&•u·•u•u•u•&•·u•u•. •.a• •u•uou•u••a•u•u•u•a•u· ·u•u•a•a· Ac:ondidonadores de Rill semores resistivos ...... .... .. ........... .... . .... 99 3. ..... ......._ .._ .._ .._ .._ .._ ... ......... _.. _, . ._ .._ .._ ... .............._ .._ .. _ .... ........ ._. _ .,. _ ... ...._ ... ...._ .._ ... ............... l~t....d.,,c~:d~i~dga~d~e.._.r.es iws~te~nwc~iaaas_ ~~2"2"- .. ..- .. ....." ..'_ .. ..... _.. .,.. ......._ ... .......... _,. ..........._ ... .... _. _ _ :3.2_..D""""i"v~i-s_or~e~s~d_e~· ~tc~:n~s~i_6n..._.~ ~'""~""'-"'~"~"""'~"""'"''"~"""'-"~"-"""'' l_0~:3- 3.2.1 f>otcnci6metros .................................................................... 103 3.2.2 A licaci6n a termistores .................................................... 111 .... ... ..- · .. ..- ....,.,. _.. ,_.. _ .. .. _.. ,... .._ ,,_, .._ .. _ ,,_.. _ .. ,_.. _ .. _. . _.. ,_.. _ .. _ .. ._. ,_.. _ .. 3.2~.3'---~td~e~d~i~d~as~·~d~in ,~m~i c.a...s._~ ~ ~ _, ~~1~13..__ 3.3_ P_ue_1_1te__d_e_W_h_ e_a t_sto_n_e_. 6_n_ .. _... _ .. _ .. _... _ .. _.. ._.. _ .. _. __11_ 4_ _M_e_d_i_da_s_p~or_o_om_p~a_.r_a_a_' 3.4_ P_ue_n_te_d_e_W_h_ ea_ t_st_o_n_e_. M_ ed_i_d_a._s .p__o_r_d_e_fl_e_xi_6_n_. ._ .. _ ... _ .. _... _ .. _... _ .. _... _ .. ._ .. _ .. _~1~17~ 3.4.1 Sensibilidad lineal_idad ..................................................... 117 3.4.2 l..inea.liza.ci6n a.11a.l6gica de puentes de scnsores resis- ti• \'()$ ... , .... , ............. . , 122 . ........ ................ ............. .................. . 3.4~.3_C~a.l=ib=r~aa~·~6n"'""y"'"a""'J"·'u""=st~e d~e_.p~u~e=n~te=s~d=e=s~en=s=<>~re~s~·~... ~ ...~ .. ~ · ..~ .. ~· ..~ ··~· _ 1_2_3_ 3.4_.4_. __._ .. _.. ._ .. _. _ 1,...2.,,.5..,,...-- _M--..e,._di_d_as_d_i_fc_r_en_c_ia_.l_es~y._m_e_dia_.s._C_om_p.e_n_sac_i_on_es 3.4._S_ A_li_m_e_n_ta_C_J·6 _n_d_e_l. .p.. _u_e_nt_e_d_e_W_· _he_at_s_to_n_e_· ._•• _... _ .. _... _ .. _ ... _ .. _ .. ._.. _ .. _ _1_ :3_2_ 6_1_1 en_ e_l _ e_a_t-_ 3.4_.6_A_Jt_e_m_a_.h_·v_a.~s p_ar_a_la._d_e_t_ec_ct' ~p_ue_1_1t_e_d_e_W_· b st.one .•............ , ................... ,. .........., . ................................. 136 :3.5_ ..:A:..::m::'==li'=f::i:.c:=a..:d:=o=r-e=:i.s::...d:=e:..:i:::n::s::.t:=ru=m=e=-=nt=a::c=i=61=1-·=·-·==··:.·:="='='"=='=":.':="='::'::•:·::·:="=·=·"==·="=':"::='=·="='="='=··"==·=·---l=-3=;..7,:,-_ :3.5~.l=---~A:.r.·=n::cl=i=fi~c=a..:d:~<~>r~e:.s=....d:=i=fi=e=re=n=a=·=a.=1e.:::s.:::·.~·= ="="'-----=l.~3~7~ ..=" ="=" ="=" ="=" ="="="=··="="="="="="=··=.. ..._ . __14_ 2_ 3.5_.2_A_rn..p.,_li_fi_ca_d~<>_r_d_e_i_ns_t_rum_c_n_ta_.ci6_n_b~a~.sa.d_<~> eo~d<_>S A~O_ 3.5".":'"3_A~m_.p."l"i~fica;.,;.d.;;..o.;-'r-...d.;;-e'-...i;;;=ns'-t'-'r-u'm=""e'"n"'-t'a-"."c"..i;;.,6;,,n:"'""b""'a~.sa..;d;,.o,;;,,.,.e;;.1,;~1 tr..e;;.,s"'-A'-""O"~.." ·'" -__14_ 3_ 3.5'.""4"_A~rn""'P""l"=i"fi=c=ad=o=r'-e"-s=--d==e""i"=ns""t''r-u='m=e;;;..n.:=t=ac=i-6=-n=-m==<;>,,1:1=-<=>"l"f=ti=o=os=--'"-'="'="=·"="--l-'5-"0""_ .. -..._ .._ .. _ .. _ .. _,. ._ .. _ .._ .. _ .. _ .. ,_ .._ .. ....._ .. _,,._. ._. , _... ...._ .. _.. _ , .._ .._ ,,_,,._. _.. _ ,. ._ ,,_,,_.._ ,,_,,_.. ,_.._ .. :3.6~I~n~t~er~f~ie~r-e1~1ci~·~a~s~·- _, ~~1~5~0'-- 3.6.l 'I'i de intedereocia.s su reducci6n ............................. 150 .6. ... . ....c..:. s.,t. .a. uaiiLmU.. .a.. .s .. a... .d... .e. uC..J•. lrU c<Juouict.. o.. .,sud. .c.: _.s...e...1 ... '.a,. .1.. ... ...... _ _l..6><.l .. . _ 2~.P..._u ~·-·"-""'"~"-•"-"~"~"-"' "~"~"~" ~. :3 3.6.3 Puesta. a masa. de bli11da.·es ................................................. 163 -~~~~~~~~~~~~~~~"'-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~....,.....,..,,,..-- 3. 6;..4, ;;___;A:....::.m:..::.:=li=fi•::.c. ::a=.d=-o=..r::.e.;:;s:,..d.;:;e.=.-=a.:i.:s ::..l:..a :=m=i:..e:::.1:.1:.t=; <;:~> · ..: .":..: .":..: .':.•:..•: .":..:; ':.":..:.":..: .':..":..:.":..: .":..:. .'::.•:..• :.": ..': ;':.":..: .":..: .':.":..: .•:..": .:..":..:'--...1.::.t.>.:.7..;. ._ India general VD 3. 7 Problema.s ........................................................................................... l 69 3.8 Refe rencias ...... .................................................................................... 171 4. Sensores de reactanda variable y eledromagnetkos .......... ............... ...... 173 en sores ca pact ivos ........................................................................... . • • 4.1.2 Condensador diferencial ······--·······················-······················ 4.2 Sensores inductivos ........................................................... -................... . 4.2.1 Sensores basados en una variaci6n de reluctancia .......... 4.2.2 Sensores basados en corrientes de Foucault ................... . 4.2.3 Transformadores diferenciales (LV DT) ......................... . 4.2.4 Transfo rmadores variables .........................., . ..................... . 4.2.5 Sensores magnetoehisticos ................................................ . 214 4.2.6 Sensores basados en el efe cto Wiegand .......................... . 216 43 Sensores .......................................................................... 218 electromagn~ticos 4.3.1 Sensores basados en la ley de Faraday ............................. 218 4.3.2 Sensores basados en el efecto Hall ................................... 224 4.4 Problemas ................................................................................................ 229 4..5 Referenc·ias .......................................... .................................................... 231 S. Acondicionadores de seiial para semores de ractanda variable .... ....... 232 • 5.2 Puentes y amplificadores de altema ............................................... 235 5.2.-1 SensibiJida.d y linealidid ··········································-··········· 23.5 5.2.2 Ltnealiiac16n anal6gica de puentes capacibvos .............. 239 5.23 Amplificadores de altema. Desacoplamiento ................. 240 5.2.4 Bhnda1es electrostaticos. Guardas actavas ....................... 243 5.2.5 Convertidores de senal altema-continua ......................... 245 5.3 Amplificadores de portadora y deteccion coberente .................... 247 5.3.1 Fundamento y estructura def amplificador de porta- dor·a ........ ... ..... ...... .......... ....... ............... ............... ....••.............. 24 7 5.3.2 Detectores de fase ···············-···················--····························· 252 5.3.3 Aplicaci6n al L VDT ............................................................ 259 5.4 Acondicionadores especfficos para sensores capacitivos ............. 260 5.5 Convertidores resolver a digital y digital a resolver ......•.............. 263 5.5.1 Convertidores sincro-resolver ........................................... 263 5.5.2 Convertidores digital a resolver (DIR) ............................ 266 nvert1 ores r,eso ver a tgtt ............................ 5.6 P'ro emas ............................................................................................ . s·. 7 Refe r·encias ......................................................................................... Z71 ·········-4···--·······················································-················· 6. Sensores generadores 273 6.1 Sensores termoel6ctricos: termopares ............................................ 273 6.1.1. Efectos termoelectricos reversibles .................................. Tl3 6.1.2 Tipos de termopares ............................................................. 277 6.1.J Normas de apbcact6n praetica para los terrnopares ....... 282 vm lndice general 6.1.4 Compensaci6n de la uni6n de referencia en circuitos de tert110 ares ....•..•............••........................•..•.....•............... 285 6.2 Seosores ......................................................................... 288 iezoel~ctricos 6.2.1 Efecto ie·zoelCct·rico ........................................................... 288 6.2.2 Materiales ·iezoelt!ctricos ······-············································ 292 6.2.3 A lica.ciones ....... ,.. ... .._. ............... ,_,,, .................. ··-··········-·· ...... ....... 293 6.3 Se-nsores iroelectrioos ......................................................................... 299 63.1 Efecto ............................................................... 2-99 iroel.~rico 6.3.2 Materiales .................................................... 301 piroel~ricos 6.3.3 Radiaci6n: leyes de Planck. Wien y Stefan-Boltzmann .. 301 6.3.4 A licaciones ......., .................................................................... 3()4 6.4 Sensore.s fotovoltaicos ....................................... ...................... ......... 305 6.4.l Efecto fotovoltaico ............................................................. 305 6.4.2 Materiales y aplicaciooes ................................................... 306 6.5 Sensor-es electr u{mioos ... .._............................................................... 307 6.6 Problemas ................................................................ _............................... 310 6.7 R.eferen.cias ··························-·-····························································· 312 7. Aconcl.ldonlldores de ireiial para senaores generadores .......................... 314 7. 1 Am lificadores con ba· as der iv as .... ................. ... .. .... ......... ... .. ........ 315 7.1.1 Deseguilibrios y derivas en amplificadores operacio- ························································1·········1·····1········· nales 315 7.1.2 Amplificadores operaclonales con autocorrecci6n de la deriva 322 f Of 11 l T f If Tl I If I f I l I I 110 f I I 111111 1 f 1 11111 IT I 11 I T I 11 l I F 111 11 I I If I I I f 1 1 11 IO I 7.1.3 Amplificadores compuestos ............................................. . 324 7.1.4 Desequllibrios y derivas en amplificadores de instru- mentaci6n ............_. ................................................................ . 325 7.2 Am lificadores electromCtricos ..................................................... . 327 7.2.1 328 7.2.2 Electr6me.tros lo .arft micos ··-··· ................................... ··-· ......... 330 7.2.3 Electr6metros con puente de varactores ......................... . 332 7.2.4 Medida de corrientes mediante integraci6o ...... . 334 d~biles 7.2.5 Precauciones en el disefto de circuitos .. 335 electrom~tricos 7.3 A_mplificadores de ca.rga .................................................................. . 337 7.4 R uido en am lificadores .................................................................. . 342 7 .4.1 Ruido en am lificadores o racionales .......................... . 342 7.4.2 Ruido en amplificadores de instrumentaci6n ................. . 349 . "d ' . 7.5 D envas ru1 o en res,tstena.a.s ........................................................... . 351 I.I 1... ........... . 7 .5.1 Deriyas e n resiste·ncias ...................... . .......... 351 7.5.2 Derivas en resistencias variables (potenci6metros) ........ 354 11 II , . 1 11111·1 1·· I .I 111 11111 II.I 7 5 3 R11jdo en resistencias 355 · •1••• 11 . 1 · · 1·· l f ll 357 7.6 J>re>t:Jle:Jllil:S •..•.•.••••.•••.•.•.•••.•..•......•...••..•.•.•..•...••••....•.•.•.••.•.••••....•..•.... , .. 7.7 Referencias 358 t t•••••IOtOt•Ot•••t•••• tf•tOtt••• o•••••ttAt•Otttt••o•fotf•OO•oO·t•t••••tfttttOt•otfOtOO•• &. Semores 359 . . 6 8.1 Codificadores de 359 S.ICI D ........................................... ,_, .•.•••••••••••. ,_,, .••••••.• lndice geMral IX - ... .. ................... ............... . 8.1.1 Codificadores incrementales ·-· ·-· 8.1.2 Codificadores absolu·tos ............................................... ,,. ........ . 366 8.2 Sensores autorresonantes .........................................., . ..................... . 370 8.2.1 Sensores basados en resonadores de 371 cuaIZO ..................... 8.2.2 G-algas acUst.ica.s .........................................._ ... ..................... . 374 8.2.3 Sensores basados en Ciliridros vibrantes ........................... 375 8.2.4 Sensores basados en dispositivos de ondas superficiales 376 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 8.2.5 ••••••••••••••••••••••••••••••• 8.3 ~t))~llJ.~ ·····················································~·····························~······· 8.4 Referencias •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 9. ... cit! ....................................................................... . 382 ~~ ~.,..Cldl tlt!~ll 9.1 Sensores basados en uniones semiconductoras 382 ••••••••••••••••••••••••••••• 9.1.1 Term6metros basados en uniones semiconductoras 383 9.1.2 Magnetodiodos y magnetotransistores ............................. 387 9.1.3 Fotodiodos y fototransistores ............................................ 388 9.1.4 Detectores de radiaciones nucleares basados en unio- nesp-n 396 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• •••••••••••••• ••••••••••••••••••••••••• 9.2 Sensores basa.dos en transistores MOSFET 398 •••••••••••••••••••••••••••••••••• 9.3 Sensores basados en dispositivos de acoplamiento de carga 401 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• amen .os ................................- ......................................... 9.32 Tipos de sensores de imagen CCD y sus aplicaciones .... 404 9.4 Sensores basados en Ultrasonidos 408 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 9.4.1 Fundamento .......................................................................... . 408 9.4.2 Aplicaciones 410 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 9.5 Sensores os en pt 1c as ............•.................................... ·-·. . 1osensores .......... ·-·. ............... ··-·. .. ..................................................... . ··-·. . . .._, 9.7 Problemas ............................................................................ _... ......... _... _.. .. . 419 ..... . ................................................................................... 9.8 Referencias 421 '"''"' cUsia.I 423 10. Semores lnteUgentes e instnnnentaci6n •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• .. . 10.1 COncepto de sensor inteligente .. ·············-··· ................. ·············· ··-· 424 es .......... ·-···· ............................ . 427 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 428 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 434 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 10.3.4 Linealidad en osciladores variables ...........•...................... 439 .................· ·········· ............ ....... 10.4 Conversi6n a frecuencia o periodo ····-· 440 nvers1 n tenSJ n- ecuenaa . ,_,,.. ................... ·-············· ...... . 10.4.2 Conversi6n directa a frecuencia o periodo ..................... . 443 10.5 nte aces rectas sensor-nucrocontro a or •••••••••••••••••••••••••••••••••• 10.5.1 Medidas de frecue·ocia ...................................................., . ...... . 447 10.5.2 448 Medidas de periodo y ti.empo ·······················-······················ X lndice general 10.5.3 alculos y compensaciones ................................................ 453 10.5.4 Medidas de velocidad. Tac6metros digitales ................... 455 10.6 Sistemas de comunicaci6n para sensores ....................................... 457 10.6.1 Telemedida por corriente: bucle 4-20 mA ....................... 458 10.62 Comunicaci6n simultanea anal6gica y digital: HART ... 460 10.6.3 lnstrumentaci6n digital: buses para sensores .................. 461 10.7 Problemas .............................................................................................. 463 10.8 Referencias ................................................................... ,......................... 464. ·······--··.-···········-·················+••···················· ad.ice. Soludones de los roblemas 46.5 f11tllc;., Sllf'~c:C> ............................................................., . . ,.,,,,,,,, '' ' '' 474 f I Pr6logo de la primera edici6n Las aplicaciones de la electr6nica, presentes actualmente en innumerables aspectos de nuestra vida cotidiana no sedan posibles sin los sensores. Sin la capa 1 cidad que ofrecen de medir las magnitudes ffsicas para su conocimiento o ~tos control, muchos de los dispositivos electronicos no serian mu que simples curicisi dades de laboratorio. La utiliuci6n de sensores es indispensable en la automatizaci6n de industrias de proceso y manufacturados, incluida la rob6tica, en ingenieria experimental, en sectores no productivos como son el ahorro y el control ambiental energ~tico (aire, ruido, calidad del agua), en autom6viles y electrodonresticos, en la agricul tura y medicioa, etc. lncluso los equipos de gestion de datos, alejados de las apli caciones industriales, incorporan intemamente para su funcionamiento correcto varios sensores. por ejemplo, en el control de la posici6n de las cabezas Pi~nsese, de lectura en discos En el futuro, el disefto de sensores basados en se magn~ticos. miconductores (en particular el silicio ), fibras 6pticas y nuevos materiales como polimeros y elast6meros, no bar' sino aumentar su importancia, al extender sus campos de aplicaci6n. Esta indiscutible importancia de los sensores contrast.a con la escasa bibliogra ffa disponible sobre ellos, en particular desde la perspectiva de la ingenieria elec tr6nica. Este libro pretende ser una contribuci6n a llenar este vacfo. Se exponen aqui los principios de funcionamiento de los sensores mu comunes, y se discuten sus ventajas e inconvenient.es. Pero, entendiendo que esto es insuficiente para el ingeniero electr6nico que debe abordar problemas de disefto de sistemas de me dida, se tratan los circuitos de acondicionamiento de seftal asociados a los tambi~n diversos sensores expuestos. Se cubre asf el campo que va desde la variable f(sica hasta la entrada del dispositivo que requieren los microprocesadores en perif~rlco estas aplicaciones, cual es el convertidor AID. Dado que la elecci6o del sensor condiciona la sensibilidad, exactitud y eStabili dad de los instrumentos de medida, bemos considerado importante cubrir un am plio numero de sensores ofreciendo en la medida de lo posible algunos ejemplos de sus especificaciones reales, que se ban recogido en diversos cuadros a lo largo del libro. Se ban dejado de lado aquellos dispositivos cuyo principal est' inte~ m'5 en el mea de la investigaci6n que en la de las aplicaciones. Se ban incluido algunos ejemplos de disefto de circuitos, y se plantean problemas al final tambi~n de cada capftulo. Su soluci6n, comeotada est' en un al final del libro. a~ndice 1 Para los componentes electr6nicos se dan especificaciones reales, y para tambi~n facilitar el uso de cat'1ogos de fabricantes, indispensable en toda tarea de disefto, Material protcgido por dorechos de autor XII Prologo de la primua edicion se dan los terminos ingleses correspondientes a los vocablos castellanos utilizados. Al principio de cada capftulo hay un comentario breve a modo de presentaci6n y como ayuda didactica para su introducci6n. Los sensores descritos se ban agrupado de acuerdo con un criteria electr6nico. Es decir, segun se trate de resistencias, inductancias o condensadores variables, o de generadores de tensi6n, carga o corriente. Aparte est&l los sensores digitales, y los basados en otros principios (uoiones semiconductoras, fibras 6pticas, ultrasoni dos, ... ). Esta clasificaci6n facilita el estudio de los circuitos asociados, pero no ig noramos que el problema real no es tanto el de buscar una posible aplicaci6n, a una resistencia variable por ejemplo, sino el de medir un caudal, una presi6n o una temperatura. Por esta raz6n, hay un apartado dedicado a los sensores de las magnitudes miis comunes y se dan ejemplos de aplicaciones para cada uno de los sensores descritos. Entendemos que con nuestro metodo se estimula la b\lsqueda y desarrollo de soluciones propias, sin tener que pensar siempre en la compra de subsistemas acabados, incluso para los problemas mas elementales. La dificultad de las herramieotas matematicas empleadas varfa de unos a otros casos, pero esta siempre al alcance de tecnicos de grado medio. Los desarrollos matematicos se ban simplificado pero sin comprometer su claridad. Para mayor comodidad, todas las f6rmulas matematicas se ban numerado empleando s61o dos ntimeros: el primero correspondiente al apartado donde esta (no al capitulo), y el segundo correspondiente a su orden. Las figuras y cuadros, en cambio, se han numerado atendiendo al capitulo. Las figuras de los ejemplos y problemas vienen precedidas, respect:ivamente, de una E o una P. En las figuras, los cruces de lloeas no son una conexi6n, salvo que se indique lo contrario mediante un pequeno cfrculo negro. Por su organizaci6n y contenido, este libro esta dirigido ante todo a estudian tes de ingenierfa electr6nica, en sus diversos niveles. Ademiis de la clasificaci6n sistemcitica de los diversos sensores como dispositivos electr6nicos, al ingeniero profesional le pueden interesar en particular algunas de las soluciones originates planteadas en el acondicionamiento de senates, o la generalizaci6n de las ofreci das por algunos fabricantes en sus notas de aplicaci6n. Esperamos que a todos ellos les sean utiles las citas de fechas correspondientes a distintos descubrimien tos, cuaodo menos para no caer en la tentaci6n de pensar que todo vino despues del transistor (1947), del amplificador operacional (1963) o del microprocesador (1971). El sensor fue muchas veces antes. Al ingeniero electr6nico le corresponde aplicar toda la potencia de los circuitos integrados para que la informaci6n que ofrecen los seosores sea miis util y de lugar a sistemas mas econ6micos, mas fia bles y mas eficientes que redunden en beneficio del hombre, limitado en su capa cidad de percepci6n pero con una inteligencia y creatividad inigualables. RAMON PALLAS ARENY l\ilatenal protcgido por dcrechos de autor • Pr6logo a la segunda edici6n Este libro es la segunda edici6n de Transductoru y acondicionadores de se ltal, publicada por Marcombo en 1989. Desde que fue escrita dicha obra se han producido dos hechos importantes que la afectan directamente. En primer lu gar, la publicaci6n de una vcrsi6n en (Sensors and signal conditioning, R ingl~ PaU's Arcny y John G. Webster, John Wiley & Sons, 1991). En scgundo lugar, la publicaci6n por el mismo autor de Adqulsici6n y distribuci6n de sdlales (Marcombo, 1993). El cambio mais notable en la versi6n inglesa fue el t{tulo, don.de se emple6 sensores en vez de transductores. Se hab{a impuesto la tendencia a llamar sen sores a los transductores de entrada y actuadores (o accionamientos) a Jos transductores de salida. Otros cambios, de m1lltiples detallcs y retoques, am~n fueron una mejora de los apartados dedicados a los sensores fotoel6ctricos, pi roel6ctricos y basados en filtros de ondas ac6sticas superficiaJes (SAW), y un apartado nuevo dedicado a los sensores de imagen CCD. Ademu, a las 100 rc ferencias previas se ai'ladieron 30 nuevas, todas ellas posteriores a 1986. La publicaci6n de Adquisici6n y distribuci6n de seltales afecta a esta obra porque ampUa con gran detalle los temas de adquisici6n de seflalcs, incluido el multiplexado por divisi6n del tiempo (TOM), y plantea sistemaiticamente el anailisis de errores en los circuitos electr6nicos de sistemas de medida. En cam bio, los sensores y el acondicionamiento de seiiales se tratan allf de forma muy escueta. Los sensores en s( mismos ban expcrimentado cambios notables tambi~n desde 1989. En primer lugar, se ha pasado de un mercado dominado por las aplicaciones en control de procesos oontinuos (con las medidas cluicas de tem peratura, presi6n, caudal y nivel), a un mercado donde las aplicaciones al auto m6vil, la rob6tica, el control de la contaminaci6n, las fotocopiadoras y ordcna dores personales, los la dom6tica (incluycndo HVA C, electrodom~tioos, •Heating, Ventilating and Air Conditioning•), etc., son a veces las que determi nan los mayores avances en un tipo de sensores concreto. En segundo lugar, al ser muchas de estas nuevas aplicaciones de gran con sumo y en ambientes no extremos, se ha ext.cndido el uso de sensores basados en semiconductores, que permiten una producci6n a gran escala. Se usa sobre todo el silicio, pero el arseniuro de galio (en emisores de luz y senso tambi~n res de efecto Hall), y varios 6xidos para detectar concentraciones de gases. Los mayores avances han sido en sensores de prcsi6n y accler6metros realizados por micromecanizado, y algunos sensores de gases. Material protcgido por dorechos de autor