TEMA II: SENSORES MODULADORES

Los sensores moduladores son aquellos que varían un parámetro eléctrico en función de la variable a medir. La variable puede ser presión, temperatura, caudal, etc., y el parámetro eléctricopuede ser resistencia, inductancia, capacitancia o campo magnético o eléctrico. La clasificación general de esto sensores se hace en Sensores resistivos y sensores de reactancia variable.

1. Sensores resistivos.

Los sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son probablemente los más abundantes. Ello se debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material.

Para la clasificación de los diversos sensores de esta clase se ha tomado como criterio la magnitud física medida. El orden seguido es:

· Variables mecánicas
· Variables térmicas
· Variables magnéticas
· Variables ópticas
· Variables químicas

1.1. Potenciómetros (Variables mecánicas)

Un potenciómetro es un resistor al que le puede variar el valor de su resistencia. De esta manera, indirectamente se puede controlar la intensidad de corriente que hay por una línea si se conecta en serie, o la diferencia de potencial de hacerlo en paralelo.

El potenciómetro posee un contacto móvil que se desliza o gira, y la resistencia entre este contacto móvil y uno de los terminales fijos es:

1.2. Galgas extensométricas (Variables mecánicas)

Las galgas extensométricas son sensores de deformaciones basados en la variación de la resistencia eléctrica con la deformación, en un hilo conductor calibrado, o en resistencias construidas a base de pistas de semiconductor. Se emplean también, combinadas con muelles o piezas deformables para detectar de forma indirecta esfuerzos. En definitiva suelen usarse más que como sensores de deformación como sensores de medida indirecta de esfuerzos (fuerza o par).

En las galgas de hilo la resistencia esta formada por un hilo dispuesto en forma de zigzag sobre un soporte elástico, con una longitud preferente (L) a lo largo de la cual se encuentra la mayor cantidad de hilo . Al deformarse la galga en la dirección preferente, se produce un alargamiento del hilo y una disminución de su sección y, por tanto, una variación en su resistencia. Para poder medir variaciones de resistencia significativas, la galga debe tener una resistencia alta 100 y 1000, y funcionar con un consumo muy bajo, para evitar que el efecto Joule provoque variaciones importantes de la resistencia por calentamiento. La medida de deformaciones requiere una meticulosa colocación de las galgas y una calibración laboriosa, y la amplificación suele realizarse por métodos diferenciales con tres hilos.

1.3. Galgas extensométricas (Variables mecánicas)

Se basan en la variación de la resistencia de un conductor cuando se le somete a un esfuerzo mecánico. Sea un hilo metálico de resistencia R:

cualquier esfuerzo al que se le someta provocará un cambio de resistencia que se deberá al cambio de alguno de los parámetros:

Según la Ley de Hooke, si aplicamos una fuerza F sobre un conductor unidimensional, el cambio de longitud que experimenta cumplirá que:

donde E es una constante del material denominada módulo de Young, σ es la tensión mecánica y ε es la deformación unitaria. La deformación unitaria es adimensional, pero suele hablarse de microdeformaciones (1 microdeformación = 1 με = 10-6 m/m). Si se considera que el material tiene una determinada dimensión transversal t, es evidente que una deformación longitudinal provocará también una deformación transversal. Se cumple que:

donde μ es el coeficiente de Poisson. Si consideramos que el hilo tiene una sección transversal circular de diámetro t, se tendrá que:

donde C es la constante de Bridgman. Dado que hemos considerado el conductor con una sección circular y una longitud l, su volumen será:

Con todo lo anterior, nos queda:

y la resistencia de la galga puede expresarse como:

siendo R0 la resistencia en reposo x = Kε.

Los principales problemas de las galgas son:

· Cuidar el margen elástico.
· El esfuerzo debe ser totalmente transversal a la galga.
· La temperatura altera su valor.

Las galgas se pueden aplicar a:

· Medida de fuerza.
· Medida de presión.
· Medida de desplazamientos pequeños.
· Medida de vibración.

1.4. Termorresistencias (Variable térmicas)

Las termorresistencias son resistores variables con la temperatura, pero no están basados en conductores como los RTD, sino en materiales semiconductores. Si su coeficiente de temperatura es negativo se denominan NTC (Negative Temperature Coefficient), mientras que si es positivo se denominan PTC (Positive Temperature Coefficient).

Los símbolos respectivos son los siguientes, donde el trazo horizontal en el extremo de la línea inclinada indica que tienen un comportamiento no lineal.

El fundamento de los termistores está en la dependencia de la resistencia de los semiconductores con la temperatura, debida a la variación con esta del número de portadores. Al aumentar la temperatura lo hace también el número de portadores reduciéndose la resistencia (coeficiente de temperatura negativo, NTC). Esta dependencia varía con la concentración de impurezas. Si el dopado es muy fuerte, el semiconductor adquiere propiedades metálicas y presenta un coeficiente de temperatura positivo (PTC) en un margen de temperaturas limitado.

1.5. Termistores (Variables térmicas)

Los termistores también son resistencia que varían su magnitud con la temperatura. Se diferencian de las termorresistencia por que están basadas en semiconductores. Por tanto su característica no es lineal, aunque dentro de un margen adecuado pueda ser considerada de es amanera. Su símbolo será:

La raya quebrada indica que no es lineal. El elemento positivo o negativo indica que tiene una característica positiva o negativa respectivamente. Es decir, si es de coeficiente positivo, PTC, la resistencia se incrementa con la temperatura. Si es de coeficiente negativo, NTC, disminuye con la temperatura.

En el caso de una NTC la ecuación característica será

Donde:B = temperatura característica del material (2000 K a 5000 K)R0 = Resistencia a la temperatura de referencia T0, normalmente la temperatura ambiente (25 °C o 298 K)

Tiene como ventajas el ser más sensible que las Termorresistencias, más rápidas y permite hilos de conexión mayores.

Tiene como desventaja el ser no lineal, y al variar su temperatura por el autocalentamiento del material.