SENSORES DIGITALES

1. Codificadores de posición: incrementales y absolutos.

Codificador de posición incremental: Un sensor de este tipo consiste en una regla lineal o en un disco, el cual es movido por la parte cuya posición o velocidad va a ser determinada. Este elemento incluye dos tipos de regiones o sectores. Los sectores son ordenados de una manera alternada y equidistante; si esta propiedad cambiante es sensada por un dispositivo de lectura se obtiene un cambio de salida ante un incremento en posición.





Codificador de posición absoluto: Similares a los incrementales pero con marcas en círculos concéntricos, cada uno de menor resolución. Cada círculo posee un sensor y la posición queda codificada como un número formado unos y ceros.

1.1. Construcción de codificadores.

En un codificador de posición incremental hay un disco, con poca inercia, que se desplaza solidario a la pieza cuya posición se desea determinar, por ejemplo, el eje de un motor. El disco posee dos tipos de zonas: transparente (agujeros) y opaca, dispuestas de forma alternativa y equidistante, tal como muestra la siguiente figura:

El tipo absoluto produce un código digital único para cada ángulo distinto del eje. Se corta un patrón complejo en una hoja de metal y se pone en un disco aislador, que está fijado al eje. También se coloca una fila de contactos deslizantes a lo largo del radio del disco. Mientras que el disco rota con el eje, algunos de los contactos tocan el metal, mientras que otros caen en los huecos donde se ha cortado el metal. La hoja de metal está conectada con una fuente de corriente eléctrica, y cada contacto está conectado con un sensor eléctrico separado. Se diseña el patrón de metal de tal forma que cada posición posible del eje cree un código binario único en el cual algunos de los contactos esté conectado con la fuente de corriente (es decir encendido) y otros no (apagados). Este código se puede leer por un dispositivo controlador, tal como un microprocesador, para determinar el ángulo del eje.

Codificación Binaria: Un ejemplo de un código binario en un codificador extremadamente simplificado con solamente tres contactos, se demuestra abajo:





Generalmente, si hay n contactos, el número de posiciones distintas del eje es 2n. En este ejemplo, n es 3, así que hay 23, es decir, 8 posiciones.

En el ejemplo anterior, los contactos producen una cuenta binaria a medida que el disco gira. Sin embargo, esto tiene la desventaja de que si el disco para entre dos sectores adyacentes, o los contactos no se alinean perfectamente, es imposible determinar el ángulo del eje. Para ilustrar este problema, se considera que el ángulo del eje cambia de 179.9º a 180.1º (sector 4 a sector 5). En cierto instante, según la tabla anterior, el patrón del contacto cambiará de "OFF-ON-ON" a "ON-OFF-OFF". Sin embargo, no sucede realmente. En un dispositivo práctico, los contactos nunca se alinean perfectamente, de modo que cada uno cambiará en diverso momento. Si el contacto 1 cambia primero, seguido por el contacto 3 y luego el contacto 2, por ejemplo, la secuencia real de códigos será:

OFF-ON-ON (Posición de salida)
ON-ON-ON (Primero, se activa el contacto 1)
ON-ON-OFF (Después se desactiva el contacto 3)
ON-OFF-OFF (Por último, se desactiva el contacto 2)


Codificación con código de Gray: Éste es un sistema de código binario en el cual dos códigos adyacentes sólo se diferencian en una posición. Para entrar en contacto con el ejemplo dado arriba, la versión Grey-Cifrada será la siguiente:

1.2. Sistemas de acondicionamiento codificadores.

Un circuito básico oscilador resonante serie, utiliza un cristal que está diseñado para oscilar en su frecuencia resonante serie natural. En éste circuito no hay capacitores en la realimentación Los circuitos resonantes serie son usados por la baja cantidad de componentes que se utilizan, pero estos circuitos pueden tener componentes parásitos que intervienen en la realimentación. y en el caso que el cristal deje de funcionar oscilarán a una frecuencia impredecible. Un circuito oscilador paralelo utiliza un cristal que está diseñado para operar con un valor específico de capacidad de carga. Esto resultará en un cristal que tendrá una frecuencia mayor que la frecuencia resonante serie, pero menor que la verdadera frecuencia resonante paralelo. Un circuito básico se muestra a continuación.

2. Sensores autorresonantes: resonadores de cuarzo, caudalímetro de vórtice.

2.1. Construcción de sensores autorresonantes

2.2. Sistemas de acondicionamiento

3. Otros métodos de detección.

3.1. Basado en uniones semiconductoras. Construcción y circuitos de acondicionamiento.

3.2. Basados en ultrasonidos. Construcción y circuito de acondicionamiento

3.3. Basado en fibras ópticas. Construcción y circuito de acondicionamiento.

SENSORES GENERADORES

1. Definición de sensores generadores

Se consideran sensores generadores aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica. Están basados en efectos reversibles. Algunos efectos físicos en los que están basados son fuentes de interferencia en otras situaciones (f.t.e.m., deformación en cables).
Ofrecen una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias, sobre todo temperatura, fuerza y magnitudes afines. Pero, además, dado que se basan en efectos reversibles, están relacionados con diversos tipos de accionadores o aplicaciones inversas en general. Es decir, se pueden emplear para la generación de acciones no eléctricas a partir de señales eléctrica

2. Qué es efecto reversible

Se define como aquel proceso que una vez ocurrido puede ser revertido a su estado inicial, sin producir cambios en el sistema o sus alrededores. En otras palabras el sistema y alrededores retornan a su estado original sin sufrir variaciones.Los procesos reversibles son idealizaciones de procesos verdaderos.

3. Qué es efecto irreversible

Es aquél que supone la imposibilidad, o la dificultad extrema, de retornar a la situación anterior a la acción que lo produce.

4. Qué es efecto termoelectrico

El efecto termoeléctrico es la producción de una fuerza electromotriz creada por la diferencia de temperatura entre las dos conexiones de metales o de aleaciones diferentes que constituyen un mismo circuito.
Este efecto es la base de las aplicaciones de refrigeración y de generación de electricidad: un material termoeléctrico permite transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica.

5. Defina con texto y con gráficos el Efecto Peltier

Este efecto realiza la acción inversa al efecto Seebeck. Consiste en la creación de una diferencia térmica a partir de una diferencia de potencial eléctrico. Ocurre cuando una corriente pasa a través de dos metales diferentes o semiconductores (tipo-n y tipo-p) que están conectados entre sí en dos soldaduras (uniones Peltier). La corriente produce una transferencia de calor desde una unión hasta la otra. Una unión se enfría mientras que la otra se calienta. El efecto es utilizado para refrigeración termoeléctrica.

Diagrama esquemático del efecto Peltier

Cuando se hace circular una corriente I a través del circuito, se desprende calor de la unión superior y es absorbido por la unión inferior. El calor de Peltier absorbido por la unión inferior por unidad de tiempo, Q es igual a:

Donde Π es el coeficiente de Peltier ΠAB de la termopareja completa, y ΠA y ΠB son los coeficientes de cada material. El silicio tipo-p tiene un coeficiente Peltier positivo a temperaturas inferiores a 550 K, y el silicio tipo-n tiene un coeficiente Peltier negativo.
Los conductores intentan volver al equilibrio electrónico que existía antes de aplicar la corriente. Para ello absorben la energía de un foco y la desprenden en el otro. Las parejas individuales pueden ser conectadas en serie para incrementar el efecto.La dirección de la transferencia de calor es controlada por la polaridad de la corriente. Al invertir la polaridad se cambia la dirección de la transferencia y, como consecuencia, la unión donde se desprendía calor lo absorberá y donde se absorbía el calor lo desprenderá.

6. Defina con texto y con gráficos el Efecto Thompson

El efecto Thompson consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor eléctrico homogéneo, con una distribución de temperaturas no homogénea, por el que circula una corriente.

El flujo neto de potencia calorífica por unidad de volumen, en un conductor de resistividad r, con un gradiente longitudinal de temperatura, por el que circula una densidad de corriente J será:

donde s es el coeficiente Thompson. El primer término corresponde al efecto Joule, irreversible, mientras que el segundo expresa el efecto Thompson, reversible.Desarrollando esta expresión para obtener la relación entre el coeficiente Thompson y Seebeck y teniendo en cuenta las ecuaciones que rigen los efectos Peltier y Seebeck, se llega a:
Quedando para la unión:

7. Defina con texto y con gráficos el Efecto Seebeck

Se refiere a la emisión de electricidad en un circuito termoeléctrico que se compone de metales conductores diferentes, estresados bajo diferentes temperaturas. Los conductores metálicos se conectan en serie. La diferencial térmica produce un flujo de electrones en el sistema termo eléctrico, el flujo de energía clorífica inicia desde el área metálica de mayor temperatura dirigiéndo hacia el metal de menor temperatura. En el punto de contacto de los metales se presenta un diferencial de tensión electroéstatico. La magnitud de la energía termoelectria depende del tipo de material de los metales, y es directamente proporcional a la temperatura de contacto, no depende de la temperatura que se distribuye a todo lo largo del conductor.

Efecto Seebeck en un termopar: aparece una corriente o una diferencia de potencial

Seebeck señaló que si se unían dos metales distintos por sus extremos la ecuación que se cumple es:

fem = a + bt + ct2
t <<>

Donde:
DV: Es la fuerza termoelectromotríz.
DT: Es la diferencia de temperatura entre dos puntos de un conductor homogéneo.

El efecto Seebeck es solamente un efecto termoeléctrico que convierte calor en electricidad. Rigurosamente el efecto Seebeck no es un efecto de juntura. Pero es muy aplicado a materiales con características diferentes.

8. Tipos de Termopares

Consideraciones en las uniones de un termopar:

• Resistencia elevada para no requerir mucha masa, lo que implica alta capacidad calorífica y
  respuesta lenta.
• Coeficiente de temperatura débil en la resistividad.
• resistencia a la oxidación a altas temperaturas.
• Linealidad de la respuesta.

En el siguiente cuadro se muestra una relación de los termopares de uso más frecuente con su denominación normalizada (ANSI). También se muestra la evolución del coeficiente de Seebeck en función de la temperatura.

Para la fabricación de termopares se emplean aleaciones especiales:
Níquel(90)/Cromo(10),
Cobre(57)/Níquel(43),
Níquel(94)/Aluminio(2)/Manganeso(3)/Silicio(1),etc.

Cada uno de estos termopares tiene unas características de rango de temperatura, linealidad, sensibilidad, atmósfera que soporta, etc.
Los fabricantes proporcionan información sobre las características de sus termopares y los ambientes y aplicaciones para los que es más adecuado cada modelo.
En la figura se muestra un termopar de uso industrial con vaina de protección.

9. Construcción de Termopares

Un termopar esta constituido por dos metales diferentes, unidos físicamente en sus extremos. En la unión se crea una diferencia de potencial que depende de la temperatura (efecto termoeléctrico), que comparada con la que se genera en otra unión similar sometida a condiciones térmicas de referencia, da una medida de la temperatura existente en la primera unión.

Desde el punto de vista constructivo, la unión puede hacerse por contacto (arrollamiento), o soldadura.
Para conseguir la inmunidad requerida frente al medio en función de los materiales y del ambiente de trabajo, el termopar puede aparecer al aire o incluido dentro de una vaina protectora (lo que resulta determinante en la velocidad de respuesta). En este último caso, la unión puede conectarse a la vaina (puesta a tierra) o quedar eléctricamente aislada.

Los requerimientos más importantes que deben cumplir los materiales de termocuplas son:

• Ser mecánicamente robustos y resistentes químicamente.
  
• Deben producir una salida eléctrica mensurable y estable.
  
• Deben tener la precisión requerida.
  
• Deben responder con la velocidad necesaria
  
• Debe considerarse la transferencia de calor al medio y viceversa para no afectar la lectura.
  
• Deben, en algunos casos, estar aislados eléctricamente de masa
  
• Deben ser económicos .

10. Normas de aplicación practica por los Termopares

10.1. Ley de los circuitos homogéneos

La medición de temperaturas mediante termopares, además de las ventajas e inconvenientes expuestos anteriormente, está sujeta a una serie de leyes verificadas experimentalmente, que simplifican en gran manera el análisis de circuitos con termopares.
En un circuito de un único metal homogéneo, no se puede mantener una corriente termoeléctrica mediante la aplicación exclusiva de calor aunque se varíe la sección transversal del conductor.

Ley de los circuitos homogéneos para termopares

En la figura se presenta el significado de esta ley. En la figura (a) las temperaturas T3 y T4 no cambian la f.t.e.m.. debida a T1 y T2. En particular, si T1= T2 y se calientan A o B, no fluye corriente alguna. En otras palabras, las temperaturas intermedias a que pueda estar sometido cada conductor no alteran la f.t.em. debida a una determinada diferencia de temperatura entre las uniones (figura b). Sin embargo, esto no significa que si hay distintas temperaturas a lo largo de un circuito se tengan que emplear necesariamente hilos de extensión largos iguales a los del termopar. Se emplean los denominados cables de compensación, los cuales son de metales que, siendo más económicos que los del termopar, no presentan f.t.e.m. significativas.

10.2. Ley de los Metales Intermedios

La suma algebraica de las f.t.e.m. en n circuito compuesto de un número cualquiera de metales distintos es cero si todo el circuito está a una temperatura uniforme. Esto significa que se puede intercalar un instrumento de medida sin añadir errores, siempre y cuando las nuevas uniones estén a la misma temperatura.
El instrumento se puede intercalar en un conductor o un una unión. En el cuadro que se muestra se dan las fuerzas Termoelectromotrices de diversos metales y aleaciones respecto al cobre., que es el elemento de conexión más común en circuitos electrónicos. El elevado valor correspondiente al óxido de cobre indica claramente la necesidad de mantener los contactos limpios.

Ley de los metales intermedios en circuitos de termopares

Fuerzas termoelectromotrices respecto al cobre

Un corolario de esta ley es que si se conoce la relación térmica de dos metales distintos con un tercero, se puede encontrar la relación entre los dos primeros (en la figura siguiente). Por lo tanto, no hace falta calibrar todos los posibles pares de metales para conocer la temperatura correspondiente a la f.t.e.m. detectada con una par determinado. Basta con conocer su comportamiento con un tercero. Se ha convenido en tomar el platino como referencia.

Corolario de la ley de los metales intermedios en circuitos de termopares

10.3. Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias

Si dos metales homogéneos distintos producen una f.t.e.m. E1 cuando las uniones están a T1 y T2 y una f.t.e.m. E2 cuando las uniones están a T2 y T3 la f.t.e.m. cuando las uniones estén a T1 y T2 será E1 + E2 (en la figura siguiente). Esto significa, por ejemplo, que la unión de referencia no tiene por qué estar a 0°C sino que puede usarse otra temperatura de referencia.

Ley de las temperaturas intermedias en circuitos de termopares

Aplicando las leyes anteriores se pueden analizar fácilmente circuitos como los de la figura que se muestra a continuación.

Conexión de termopares en serie (a) -termopila- y en paralelo (b)

En el caso a se trata de la conexión serie de varios termopares, constituyendo una termopila. Es fácil comprobar que aumenta la sensibilidad respecto al caso de un solo termopar. En el caso b la conexión es un paralelo, y se detecta la temperatura media si todos los termopares son lineales en el margen de medida y tienen la misma resistencia.

11. Efecto de la temperatura ambiente en la unión de referencia de los termopares.

Un termopar convencional con un tubo de protección metálico se encuentra sometido a una diferencia de temperatura, pues una parte de él está en contacto con el proceso y la otra extremidad en contacto con el ambiente, cada una de ellas a cierta temperatura. Es inevitable, por tanto, que por el conjunto sensor/tubo de protección exista un flujo de calor que parte de la región de mayor temperatura hacia la de menor temperatura. El equilibrio ocurre cuando el flujo de calor recibido por el sensor es igual al que se ha perdido, por lo que en tal situación su temperatura no es necesariamente igual a la temperatura del proceso.

Al calentar la masa de los termopares se extrae energía que afectará a la temperatura que se trata determinar. Considérese por ejemplo, medir la temperatura de un líquido en un tubo de ensayo: existen dos problemas potenciales. El primero es que la energía del calor viajará hasta el cable del termopar y se disipará hacia la atmósfera reduciendo así la temperatura del líquido alrededor de los cables. Un problema similar puede ocurrir si un termopar no está suficientemente inmerso en el líquido, debido a un ambiente de temperatura de aire más frío en los cables, la conducción térmica puede causar que la unión del termopar esté a una temperatura diferente del líquido mismo. En este ejemplo, un termopar con cables más delgados puede ser útil, ya que causará un gradiente de temperatura más pronunciado a lo largo del cable del termopar en la unión entre el líquido y el aire del ambiente. Si se emplean termopares con cables delgados, se debe prestar atención a la resistencia de la guía. El uso de un termopar con delgados cables conectado a un termopar de extensión mucho más gruesa a menudo ofrece el mejor resultado

12. Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares

Para aplicar el efecto Seebeck a la medida de temperaturas, es necesario mantener una de las uniones a la temperatura de referencia. Una solución consiste en introducir la unión de referencia en hielo fundente, tal como se indica en la figura (a). Esta solución, aunque de gran exactitud, es poco práctica. Además se debe usar mucho hilo de uno de los dos metales, y esto es caro. La solución de la figura (b) permite emplear un hilo de conexión más económico, pero sigue precisando el mantenimiento de una temperatura de referencia constante.

Lo más frecuente es emplear la denominada compensación electrónica de la unión de referencia. Consiste en dejar la unión fría a la temperatura ambiente y medir esta con otro sensor dispuesto en sus cercanías. A la tensión del termopar se le suma la tensión que corresponde a la temperatura ambiente. De forma que es como si la unión fría estuviera a 0ºC. En la figura se muestra un ejemplo de compensación de la unión fría basado en la dependencia de la tensión directa en un diodo (VD) con la temperatura. El circuito de compensación se diseña estableciendo la condición de que la corriente por el diodo sea de 1mA y que dV1/dT sea igual al coeficiente de Seebeck en el margen de temperatura ambiente.El potenciómetro (PAJ) se incluye para ajustar el cero.Se toman como datos la tensión umbral del diodo y su derivada con la temperatura.

Cuando el punto cuya temperatura se quiere medir está alejado, se suelen utilizar los cables de compensación para conectar el termopar con el sistema de medida. Estos cables son mucho más baratos que los del termopar y no introducen una tensión apreciable en el circuito aunque los extremos estén a temperaturas diferentes. En la figura se muestra un esquema simplificado. La temperatura T3 puede variar sin introducir error. Los cables de compensación son específicos para cada termopar. Suelen ser tres o cuatro veces más caros que los cables de cobre.

En la figura se muestra un esquema más real. Las uniones entre el termopar y el cable de compensación y entre el cable de compensación y el sistema de medida, deben hacerse con conectores específicos para el tipo de termopar que se esté utilizando.

13. Explicación de la tabla estandar de termopares

Los termopares comerciales se designan por letras (T, E, J, K, R) que identifican los materiales que contienen y se especifican generalmente por su sensibilidad o coeficiente térmico (MV/ºC).
El tipo E, J, K, y T son termopares de base metálica y se pueden utilizar hasta por encima de 1000°C. El tipo S, R, y B se denominan termopares nobles por poseer platino como elemento básico y se pueden utilizar hasta por encima de 2000°C.

Termopar tipo T (Cu- Constantan)

• Termoelemento positivo: Cu 100%
  
• Termoelemento negativo: Cu55%, Ni45%
  
• Rango de utilización: -270ºC a 400ºC
  
• F.E.M. producida: -6,258 mV a 20,872 mV
  
• Características: puede utilizarse en atmósferas inertes, oxidables o reductoras. Gracias a la gran homogeneidad con que el cobre puede ser procesado, se obtiene una buena precisión. En temperaturas superiores a 300ºC, la oxidación del cobre se torna muy intensa, lo que reduce su vida útil y ocasiona desvíos en la curva de respuesta original.

Termopar tipo J (Fe- Constantan)

• Termoelemento positivo: Fe99,5%
  
• Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%
  
• Rango de utilización: -210ºC a 760ºC
  
• F.E.M. producida: -8,096 mV a 42,919 mV
  
• Características: puede utilizarse en atmósferas neutras, oxidables o reductoras. No se recomienda en atmósferas muy húmedas y a bajas temperaturas el termoelemento positivo se vuelve quebradizo. Por encima de 540ºC el hierro se oxida rápidamente. No se recomienda en atmósferas sulfurosas por encima de 500ºC.

Termopar tipo E (Cr- Constantan)

• Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%
  
• Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%
  
• Rango de utilización: -270ºC a 1000ºC
  
• F.E.M. producida: -9,835 mV a 76,373 mV
  
• Características: Puede utilizarse en atmósferas oxidables, inertes o al vacío, no debe utilizarse en atmósferas alternadamente oxidables y reductoras. Dentro de los termopares a menudo utilizados, es el que posee mayor potencia termoeléctrica, bastante conveniente cuando se desea detectar pequeñas variaciones de temperatura.
  

Termopar tipo K (Cr- Constantan)

• Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%
  
• Termoelemento negativo: Ni95%, Mn2%, Si1%, Al 2%
  
• Rango de utilización: -270ºC a 1200ºC
  
• F.E.M. producida: -6,458 mV a 48,838 mV
  
• Características: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables. Por su alta resistencia a la oxidación se utiliza en temperaturas superiores a 600ºC y en algunas ocasiones en temperaturas por debajo de 0ºC. No debe utilizarse en atmósferas reductoras y sulfurosas. En temperaturas muy altas y atmósferas pobres en oxigeno ocurre una difusión del cromo, lo que ocasiona grandes desvíos de la curva de respuesta del termopar. Este último efecto se llama “green - root”.

Termopar tipo N (Nicrosil - Nisil)

• Termoelemento positivo: Ni84,4%, Cr14,2%, Si1,4%
  
• Termoelemento negativo: Ni95,45% Si4,40%, Mg0,15%
  
• Rango de utilización: -270ºC a 1300ºC
  
• F.E.M. producida: -4,345 mV a 47,513 mV
  
• Características: Este nuevo tipo de termopar es un sustituto del termopar tipo K que posee una resistencia a la oxidación superior a éste. En muchos casos también es un sustituto de los termopares a base de platino a raíz de su temperatura máxima de utilización. Se recomienda para atmósferas oxidables, inertes o pobres en oxígeno, ya que no sufre el efecto “green - root”. No debe exponerse a atmósferas sulfurosas.

Termopar tipo S

• Termoelemento positivo: Pt90%, Rh10%
  
• Termoelemento negativo: Pt100%
  
• Rango de utilización: -50ºC a 1768ºC
  
• F.E.M. producida: -0,236 mV a 18,693 mV
  
• Características: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables, presenta estabilidad a lo largo del tiempo en temperaturas elevadas, superiores a las de los termopares no constituidos de platino. Sus termoelementos no deben exponerse a atmósferas reductoras o con vapores metálicos. Nunca deben insertarse directamente en tubos de protección metálicos, pero sí en tubos con protección de cerámica. Fabricado con alúmina (Al2O3) de alto contenido de pureza. Para temperaturas superiores a 1500ºC se utilizan tubos de protección de platino. No se recomienda el uso de los termopares de platino en temperaturas abajo de 0ºC debido a la inestabilidad en la respuesta del sensor. En temperaturas por encima de 1400ºC ocurre crecimiento de granulaciones que los dejan quebradizos.

Termopar tipo R

• Termoelemento positivo: Pt87%, Rh13%
  
• Termoelemento negativo: Pt100%
  
• Rango de utilización: -50ºC a 1768ºC
  
• F.E.M. producida: -0,226 mV a 21,101 mV
  
• Características: Posee las mismas características del termopar tipo "S", aunque en algunos casos es preferible el tipo "R" por tener una potencia termoeléctrica mayor en un11%.

Termopar tipo B

• Termoelemento positivo: Pt70,4%, Rh29,6%
  
• Termoelemento negativo: Pt93,9%, Rh6,1%
  
• Rango de utilización: 0ºC a 1820ºC
  
• F.E.M. producida: 0,000 mV a 13820 mV
  
• Características: Puede ser utilizado en atmósferas oxidables, inertes y por un corto espacio de tiempo en el vacío. Normalmente se utiliza en temperaturas superiores a 1400ºC, por presentar menor difusión de rodios que los tipos S y R. A temperaturas abajo de los 50ºC la fuerza electromotriz termoeléctrica generada es muy pequeña.

14. Sensores piezoeléctricos

El efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo.
Es un efecto reversible, de modo que al aplicar una diferencia de potencial eléctrico a un material piezoeléctrico, aparece una deformación.
Estos fenómenos fueron descubiertos por Jacques y Pierre Curie en 1880.
La piezoelectricidad está relacionada con la estructura cristalina de los materiales.



Las propiedades piezoeléctricas se manifiestan en 20 de las 32 clases cristalográficas, aunque en la práctica se usan sólo unas pocas. Entre los materiales piezoeléctricos naturales, los de uso más frecuente son el cuarzo y la turmalina. En cuanto a las sustancias sintéticas, las que han encontrado más aplicación como materiales piezoeléctricos son las cerámicas.
La aplicación del efecto piezoeléctrico está sujeto a una serie de limitaciones.

• La resistencia eléctrica que presentan los materiales piezoeléctricos aunque es muy grande no es infinita. De modo que al aplicar un esfuerzo constante se genera inicialmente una carga que inevitablemente es drenada al cabo de un tiempo. Por lo tanto, no tienen respuesta en continua. En la figura se muestra el circuito equivalente de un sensor piezoeléctrico.

• Estos sensores presentan un pico en la respuesta para la frecuencia de resonancia. Por tanto, es preciso trabajar siempre a frecuencias muy inferiores a la de resonancia mecánica.


• La sensibilidad presenta derivas con la temperatura. Además, por encima de la temperatura de Curie (específica para cada material) desaparece el efecto piezoeléctrico.La impedancia de salida de estos sensores es muy alta, por lo que para medir la tensión de salida es preciso utilizar amplificadores con una impedancia de entrada enorme. Son los denominados amplificadores electrométricos o de carga.

Entre las ventajas de los sensores piezoeléctricos destacaremos las siguientes:

• Alta sensibilidad, obtenida muchas veces a bajo coste.
  
• Alta rigidez mecánica; las deformaciones experimentadas son inferiores a 1µm. Esta alta impedancia mecánica es conveniente para la medida de variables esfuerzo (fuerza, presión, etc).
  
• Pequeño tamaño y posibilidad de obtener dispositivos con sensibilidad unidireccional.

Estas características hacen a este tipo de sensores especialmente adecuados para medir todo tipo de vibraciones. Por ejemplo una aplicación típica es como micrófono. También se utilizan mucho en la detección por ultrasonidos.

Algunas de las aplicaciones más frecuentes de los sensores piezoeléctricos están en el campo de los ultrasonidos. Especial mención requieren (por ser muy numerosos) los dispositivos que utilizan técnicas de impulso-eco: detectores de grietas o anomalías en estructuras, detectores de presencia, equipos de ecografía, medidores de distancias, etc.
En la figura se muestra el principio básico de funcionamiento de un medidor de distancias por ultrasonidos.

15. Sensores piroeléctricos

El efecto piroeléctrico es análogo al piezoeléctrico, pero en lugar de la aparición de cargas eléctricas cuando se deforma un material, aquí se trata de la aparición de cargas superficiales en una dirección determinada cuando el material experimenta un cambio de temperatura.
Este efecto se aplica sobre todo a la detección de radiación térmica a temperatura ambiente. Para ello se disponen dos electrodos metálicos en dirección perpendicular a la de polarización, formándose un condensador que actúa como sensor térmico. Cuando el detector absobe radiación cambia su temperatura y con ella su polarización, produciendo una carga superficial en las placas del condensador.
Dado que la piroelectricidad, al igual que la piezoelectricidad, se basa en la anisotropía de los cristales, muchos materiales piezoeléctricos son también piroeléctricos. De las 21 clases cristalográficas no centrosimétricas, 10 tienen eje polar de simetría. Todas éstas son ripoeléctricas.
Hay dos grupos de materiales piroeléctricos: los lineales y los ferroeléctricos. En los primeros, la polarización
no se puede cambiar a base de invertir el sentido del campo eléctrico. Están en este grupo, entre otros, la turmalina, el sulfato de litio, y los sulfuros de cadmio y selenio. Entre los ferroeléctricos están el tantalato de litio, el niobato de estroncio y bario, el titanato-circonato de plomo y el sulfato de triglicina (TGS). Aparte están los polímeros como el polivinilideno (PVF2 o PVDF).
Las propiedades piroeléctricas desaparecen también cuando se alcanza la temperatura de Curie. En las cerámicas ferroeléctricas, la polarización se induce durante la fabricación. El material piroeléctrico ideal debería tener simultáneamente alto coeficiente piroeléctrico, bajo calor específico volumétrico y baja permitividad.
Parte del interés de los sensores piroeléctricos radica en que la temperatura que alcanzan puede ser el resultado de la absorción de la energía emitida por un cuerpo cuya temperatura superficial, u otras características, sean objeto de estudio. Otros sensores como los termopares, termistores, RTD, fotoconductores, etc., se pueden aplicar también a este tipo de medidas. Todo cuerpo a temperatura distinta de 0 K radia energía electromagnética en cantidad dependiente de su temperatura y de sus propiedades físicas.
A partir de 500°C, la radiación emitida es visible. Por debajo, incluida la temperatura ambiente, predomina la radiación infrarroja, de modo que sólo se percibe energía calorífica.
Para estudiar la emisión de energía radiante por parte de un cuerpo., conviene considerar primero su absorción. De la energía radiante que recibe un cuerpo, parte se refleja, parte se difunde en todas direcciones, parte se absorbe y parte se transmite (atraviesa el cuerpo). Se denomina cuerpo negro a un ente teórico que absorbe toda la energía incidente (elevándose, en consecuencia, su temperatura). Una cavidad cerrada y termostatada, con paredes ennegrecidas y que disponga sólo de una pequeña abertura, se comporta aproximadamente como un cuerpo negro.
A cualquier temperatura, todo cuerpo emite radiación y absorbe la procedente de los cuerpos que le rodean. Si no están todos a la misma temperatura, los más calientes se enfrían y los más fríos se calientan, de modo que basta con la radiación para que se establezca el equilibrio térmico (no hace falta ni conducción ni convección).
Cuando se alcanza el equilibrio, todos los cuerpos emiten tanta radiación como absorben. Por lo tanto, los cuerpos que más emiten son los que más absorben y, en consecuencia, el cuerpo negro es también el mejor emisor.
La relación entre la energía que emite un cuerpo por unidad de superficie y por unidad de tiempo, y la que emitiría un cuerpo negro en las mismas condiciones, se denomina emisividad, ε. Para el cuerpo negro, ε= 1. La emisividad varía con la longitud de onda, la temperatura, el estado físico y la constitución química de la superficie.
Según lo expuesto, la aplicación más inmediata del efecto piroeléctrico en sensores es la detección de radiación térmica a temperatura ambiente. En consecuencia, se ha aplicado en pirómetros (medida de temperatura a distancia en hornos, vidrio o metal fundido, o simplemente para determinar las pérdidas de calor en edificios), radiómetros (medida de la potencia generada por una fuerte de radiación), analizadores de IR, detectores de CO2 y otros gases que absorben radiación IR, detección de la radiación IR emitida por el cuerpo humano (para detección de intrusos y de presencia en sistemas de encendido automático de la iluminación o calefacción en viviendas, apertura de puertas, reclamos publicitarios), detección de pulsos láser de alta potencia y en termómetros de alta resolución (6 x 10-6°C).
Para evitar que la carga superficial inducida en los electrodos por el cambio de temperatura del detecto al absorber radiación sea neutralizada por las cargas parásitas,. se modula la radiación incidente o bien se da un cierto cabeceo al detector. Por su pequeño tamaño y alta sensibilidad a cambios de temperatura, su respuesta es más rápida que la de otros detectores térmicos (termopares, termistores), pues no es necesario que alcancen el equilibrio térmico con la fuente de radiación. Esto los hace apropiados para obtener imágenes mediante exploración de la superficie a detectar. Otra posibilidad para compensar las cargas debidas a los cambios de temperatura ambiente, es utilizar dos sensores conectados en serie con polaridades opuestas.
El detector puede estar suspendido libremente, soportado por papel Mylar o montado sobre un sustrato que sea conductor o aislante térmico. Dado que los materiales piroeléctricos son todos piezoeléctricos, estos detectores llevan un encapsulado hermético (a veces incluso con vacío interno) que reduce los efectos de los movimientos de aire.

16. Sensores fotoeléctricos

Un Sensor fotoeléctrico es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que “ve” la luz generada por el emisor. Todos los diferentes modos de sensado se basan en este principio de funcionamiento. Están diseñados especialmente para la detección, clasificación y posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas.

Existen cuatro tipos de sensores fotoeléctricos, los cuales se agrupan según el tipo de detacción, estos so: de barrera, reflez, autoreflex, y de fibra óptica.

• Sensores de barrera: cuando existe un receptor y un emisor apuntados uno al otro. Este método tiene el más alto rango de detección (hasta unos 60m).
  

• Sensores Reflex: cuando la luz es reflejada por un reflector especial cuya particularidad es que devuelve la luz en el mismo ángulo que la recibe (9m de alcance).
  

• Sensores Auntoreflex: son prácticamente iguales a los del tipo anterior, excepto que, el emisor tiene un lente que polariza la liz en un sentido y el receptor con polarización de 90º del primero. Con esto, el control no responde a objeto muy brillosos que pueden reflejar la señal emitida.
  

• Sensores de fibra óptica: en este tipo, el emisor y receptor están interconstituidos en una caja que puede estar a varios metros del objeto a sensar. para la detección emplean los cables de fibra óptica por donde circula el haz de luz emitido y recibido. La mayor ventaja de estos sensores es el pequeño volumen o espacio ocupado en el área de detección.
  
  
  

Las ventajas y desventajas de los sensores fotoeléctricos varían de acuerdo a su configuración:

Sistema barrera:

Sistema Reflex:




Sistema Autoflex:

Aplicaciones:

Detección de piezas, detección de nivel, detección de objetos pequeños, conteo de piezas, detección de objetos brillantes, detección de objetos oscuros, detección de personas.