CLASIFICACIÓN DE SENSORESLuis Antonio Suárez Martínez

Profesor UTS

Bucaramanga

¿Que es un sensor?• Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes

físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas.

• Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, PH etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.

•

¿Como se clasifican?

Los sensores se pueden clasificar según:

• Su principio de funcionamiento

• El tipo de señal de salida

• El rango de valores de salida

• El nivel de integración

• El tipo de variable medida

CLASIFICACIÓN SEGÚN EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTOActivos - Pasivos

Según el principio de funcionamiento

Encontramos dos tipos de sensores:

• Activos

• Pasivos

Sensores Activos• Son aquellos que generan señales representativas de las

magnitudes a medir en forma autónoma, sin requerir de fuente alguna de alimentación.

Sensores Pasivos• Son aquellos que generan señales representativas de las

magnitudes a medir por intermedio de una fuente auxiliar.

CLASIFICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE SEÑAL QUE GENERANDigitales – Análogos – Temporales.

Sensores Digitales• Los sensores digitales son aquellos que frente a un

estímulo pueden cambiar de estado ya sea de cero a uno o de uno a cero (hablando en términos de lógica digital) en este caso no existen estados intermedios y los valores de tensión que se obtienen son únicamente dos, 5V y 0V (o valores muy próximos)

Sensores Análogos• Es aquel que, como salida, emite una señal comprendida

por un campo de valores instantáneos que varían en el tiempo, y son proporcionales a los efectos que se están midiendo

Sensores temporales• Son aquellos que entregan una señal

variable en el tiempo la cual puede ser una onda sinusoidal, triangular o cuadrada.

SEGÚN EL RANGO DE VALORES DE SALIDAOn/Off – De medida

Sensores On/Off

También conocidos como sensores si-no, sensores 0-1, sensores on-off, o sensores binarios son en general dispositivos mecánicos simples, los mas comunes son:• Interruptores Reed que se conectan por la proximidad de

un imán.

• Interruptor de péndulo, donde un peso cuelga de un hilo conductor dentro de un anillo metálico y las vibraciones o movimiento del anillo producen el cierre del circuito. 

Sensores de Medida

• En estos sensores se obtiene una salida proporcional a la señal de entrada

SEGÚN EL NIVEL DE INTEGRACIÓNDiscretos – Integrados - Inteligentes

Sensores discretos• Sensor en el que el circuito de acondicionamiento se

realiza mediante componentes electrónicos separados e interconectados entre sí.

Sensores integrados• Elemento sensor y circuito acondicionador (al menos

este ultimo) construidos en un único circuito integrado, monolítico o hibrido.

Sensores inteligentes• Realiza al menos una de las siguientes funciones

• Cálculos numéricos• Comunicación en red ( No una punto a punto)• Autocalibracion y autodiagnostico• Múltiples medidas con identificación del sensor

SEGÚN EL TIPO DE VARIABLE FÍSICA MEDIDAMecánicos – Eléctricos – Magnéticos – Térmicos – Acústicos – Ultrasónicos – Químicos – Ópticos – Radiación – Laser.

Sensores Mecánicos• Son dispositivos que cambian su comportamiento bajo la

acción de una magnitud física que pueden directa o indirecta.

• Los sensores mecánicos son utilizados para medir: Desplazamiento, posición, tensión, movimiento, presión, flujo.mente transmitir una  señal que indica cambio.

Sensores Eléctricos• Un sensor es un dispositivo capaz de detectar

magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc.

Sensores Magnéticos• Se sirve del efecto Hall para la medición de campos

magnéticos o corrientes o para la determinación de la posición.

Sensores Térmicos• Se usan para la medición precisa de la temperatura,

proporcionan una indicación visual o una señal de realimentación mecánica o eléctrica que puede ser utilizada en un sistema de lazo cerrado para permitir el control automático de procesos térmicos.

• Sensores termorresistivos• Sensores termoeléctricos• Sensores monolíticos o de silicio• Sensores piroeléctricos

Sensores termorresistivos.• También denominados termorresistencias, son

dispositivos cuya resistencia cambia a medida que lo hace la temperatura. Los más conocidos son los detectores de temperatura resistivos o RTD (resistance temperature detectors), basados en materiales metálicos como el platino y el níquel, y los termistores, basados en óxidos metálicos semiconductores

Sensores termoeléctricos• Popularmente conocidos como termocuplas o

termopares, son dispositivos que producen un voltaje proporcional a la diferencia de temperatura entre el punto de unión de dos alambres metálicos disímiles (unión ca¬liente) y cualquiera de los extremos libres (unión fría). Este fenómeno se denomina efecto Seebeck.

Sensores monolíticos o de silicio• Son dispositivos basados en las propiedades

térmicas de las uniones semiconductoras (PN), particularmente la dependencia de la tensión base emisor (VBE) de los transistores bipolares con la temperatura cuando la corriente de colector es constante. Generalmente incluyen sus propios circuitos de procesamiento de señales, así como varias funciones de interface especiales con el mundo externo.

Sensores piroeléctricos• También denominados termómetros de radiación,

son dispositivos que miden indirectamente la temperatura a partir de la medición de la radiación térmica infrarroja que emiten los cuerpos calientes.Los termostatos, termorresistencias y sensores de silicio son dispositivos generalmente invasivos, es decir deben estar en contacto físico con la substancia u objeto cuya temperatura se desea medir.

Sensores Acústicos.• Los micrófonos son los sensores que facilitan la

conversión de una señal acústica en eléctrica. Se pueden aplicar diversos principios a su realización siendo la más común la combinación de fenómenos mecánico-acústicos y su conversión electromecánica.

• Capacitivos

• Piezoeléctricos

• Electrodinámicos

Sensor acústico capacitivo

• El micrófono de condensador está formado por una placa delgada o membrana llamada diafragma, tal que es susceptible de moverse por acción de las variaciones de presión sonora, y por otra placa posterior fija y paralela al diafragma. Los movimientos de éste, respecto de la placa posterior, determinan variaciones de la capacidad eléctrica del condensador así formado. La polarización del condensador se realiza a un nivel fijo de corriente continua y a través de un circuito con alta constante de

Sensor acústico piezoeléctrico

• Utiliza la fuerza producida por la presión del aire para deformar un material piezoeléctrico que a su vez genera carga eléctrica. Los materiales utilizados pueden ser tanto cristales naturales (cuarzo, turmalina, etc), como los creados añadiendo impurezas a una estructura cristalina natural (titanatos de Bario y titanozirconatos de Plomo).

Sensor acústico Electrodinámico

• Se denominan también de bobina móvil. Este sensor utiliza la velocidad comunicada al diafragma por la presión sonora para inducir una fuerza electromotriz en la bobina móvil que se halla en el interior de un campo magnético.

Sensores Ultrasónicos• Los sensores ultrasónicos son interruptores electrónicos• que trabajan sin contacto. La parte emisora genera pulsos

de sonidos muy fuertes dentro del rango del ultrasonido.

Sensores Químicos• Los sensores químicos

están formados por: Un receptor que se encarga de reconocer selectivamente a la especie química a detectar y un transductor que se encarga de convertir la señal química en señal eléctrica.

Sensores Ópticos• Un sensor óptico se basa en el aprovechamiento de la

interacción entre la luz y la materia para determinar las propiedades de ésta. Una mejora de los dispositivos sensores, comprende la utilización de la fibra óptica como elemento de transmisión de la luz.

Sensores de Radiación

Son necesarios para determinar las propiedades de las partículas (E, q, m) de la radiacion.

Fundamentales para:• 1. Información acerca de los núcleos.• 2. Protección y control de radiactividad.

Se fundamenta en la interacción de la radiación con la materia• Distinta interacción distintos detectores

Sensores Laser• Cuando se inventaron, en 1960, los láseres se calificaron

como "una solución a la espera de un problema". Desde entonces, se han vuelto omnipresentes y actualmente pueden encontrarse en miles de aplicaciones, en campos muy variados, como la electrónica de consumo, la tecnología de la información, la investigación científica, la medicina, la industria y el sector militar.

SENSORES DE PRESIÓN

CLASES DE PRESIÓN QUE MIDEN LOS INSTRUMENTOS

Manómetro de tubo en forma de "U"

• La forma más tradicional de medir presión en forma precisa utiliza un tubo de vidrio en forma de "U", donde se deposita una cantidad de líquido de densidad conocida (para presiones altas, se utiliza habitualmente mercurio para que el tubo tenga dimensiones razonables; sin embargo, para presiones bajas el manómetro en U de mercurio sería poco sensible).

• El manómetro en forma de "U" conforma un sistema de medición más bien absoluto y no depende, por lo tanto, de calibración.

• Esta ventaja lo hace un artefacto muy común. Su

desventaja principal es la longitud de tubos necesarios para una medición de presiones altas y, desde el punto de vista de la instrumentación de procesos, no es sencillo transformarlo en un sistema de transmisión remota de presión.

Tubo Bourdon en C

• Imagen tubo bourdon • El tubo Bourdon es tal vez el manómetro más común en plantas de procesos que requieran medición de presiones.

• Consiste de un tubo metálico achatado y curvado en forma de "C", abierto sólo en un extremo. Al aplicar una presión al interior del tubo, la fuerza generada en la superficie exterior de la "C" es mayor que la fuerza generada en la superficie interior, de modo que se genera una fuerza neta que deforma la "C" hacia una "C" más abierta.

• Esta deformación es una medición de la presión aplicada, que puede determinarse por el desplazamiento mecánico del puntero conectado al tubo Bourdon, o mediante un sistema de variación de resistencia o campos eléctricos o magnéticos. Otras formas típicas del tubo son espiral y helicoidal.

TIPOS TUBO BOURDON

Basados en fuerza

• Fuelle: • Es un recipiente cerrado, con lados que

pueden expandirse o contraerse como un acordeón. La posición del fuelle sin presión puede ser determinada por el mismo fuelle o por un resorte. La presión es aplicada sobre la cara del fuelle y su deformación y su posición dependen de la presión.

• Diafragma:• Es un sensor que está típicamente

construido por dos discos flexibles y cuando una presión es aplicada sobre una cara del diafragma, la posición de la cara del disco cambia por deformación. La posición está relacionada con la presión.

Sensores de flujo o caudal• Los caudalímetros de obstrucción son los más utilizados. Su funcionamiento se basa en la inserción de un elemento en el canal que provoca una restricción de flujo de área fija o variable. En dicho elemento se produce una caída de presión o una variación del área, respectivamente, que es función del caudal.

Medidores de Caudal

• Medidores de presión diferencial• Placa orificio• Tubo Venturi• Tubo Pitot• Medidores de impacto

• Medidores de velocidad• Medidor de turbina• Medidor electromagnético• Medidor Vortex• Rotámetro• Medidor de ultrasonidos

• Medidores másicos• Medidor másico térmico• Medidor de Coriolis

• Medidores volumétricos• Medidor de desplazamiento positivo

Sensores para medir nivel

• Es la distancia existente entre una línea de referencia y la superficie del fluido, generalmente dicha línea de referencia se toma como fondo del recipiente.

• Métodos de medición directa:Aprovechan la variación de nivel del material (líquido o sólidos granulares) para poder obtener la medición.

• Métodos de medición indirecta:Usan una variable, tal como presión, que cambia con el nivel del material.

Sensores para medir nivel

Medición Directa

Por desplazadores Presión hidrostática Diferencial Relativa Diafragma – caja Trampa de aire

Medición Indirecta

Por medición de sonda

Por aforación Indicador de cristal Flotador – boya

MAYO 2010

Sensores de temperatura

Tipos:

1.Termopar

2.RTD

3.Termistor NTC

4.Termistor PTC

Sensores Generadores - TermoparesTipo Composición

(terminal positivo - negativo)Campo de

medida recomendado

Sensibilidad (a 25ºC)

J Fe - Constantán* 0 a 760ºC 51,5 V/ºC

K Cromel* - Alumel* -200 a 1250ºC 40,5 V/ºC

N Nicrosil* - Nisil* 0 a 1260ºC 26,5 V/ºC

T Cu - Constantán -200 a 350ºC 41,0 V/ºC

R 13%Pt 87%Rh - Pt 0 a 1450ºC 6 V/ºC

S 10%Pt 90%Rh - Pt 0 a 1450ºC 6 V/ºC

B 30%Pt 70%Rh - 6%Pt 94%Rh 800 a 1800ºC 9 V/ºC (a 1000 ºC)

MAYO 2010

RTDUn RTD (del inglés: resistance

temperature detector) es un

detector de temperatura

resistivo, es decir, un sensor de

temperatura basado en la

variación de la resistencia de un

conductor con la temperatura.

Su símbolo es el siguiente, en el

que se indica una variación

lineal con coeficiente de

temperatura positivo.

MAYO 2010

Termistor Un termistor es un sensor resistivo de temperatura. Su funcionamiento se basa

en la variación de la resistividad que presenta un semiconductor con la

temperatura. El término termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor.

Existen dos tipos de termistor:

NTC (Negative Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura negativoSon elementos NTC los que la resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura.

Termistor PTCPTC (Positive Temperature

Coefficient) – coeficiente de

temperatura positivo

Son elementos PTC los que la

resistencia aumenta cuando

aumenta la temperatura, y

elementos NTC los que la

resistencia disminuye cuando

aumenta la temperatura.