Sensores y transductores

Sensores y transductores

Para que un circuito o sistema electrónico realice cualquier tarea o función útil, debe poder comunicarse con el "mundo real", ya sea leyendo una señal de entrada de un interruptor de "ENCENDIDO / APAGADO" o activando alguna forma de Dispositivo de salida para iluminar una sola luz.

En otras palabras, un circuito o sistema electrónico debe poder o ser capaz de "hacer" algo y los sensores y transductores son los componentes perfectos para hacer esto.

La palabra "Transductor" es el término colectivo utilizado para ambos Sensores, que se puede utilizar para detectar una amplia gama de diferentes formas de energía, como movimiento, señales eléctricas, energía radiante, energía térmica o magnética, etc., y Actuadores, que se pueden utilizar para conmutar tensiones o corrientes.

Hay muchos tipos diferentes de sensores y transductores, tanto analógicos como digitales y de entrada y salida disponibles para elegir. El tipo de transductor de entrada o salida que se utilice, realmente depende del tipo de señal o proceso que se esté “detectando” o “controlando”, pero podemos definir un sensor y transductores como dispositivos que convierten una cantidad física en otra.

Los dispositivos que realizan una función de "entrada" se denominan comúnmente sensores porque "detectan" un cambio físico en alguna característica que cambia en respuesta a alguna excitación, por ejemplo, calor o fuerza y ​​lo convierten en una señal eléctrica. Los dispositivos que realizan una función de "Salida" generalmente se denominan Actuadores y se utilizan para controlar algún dispositivo externo, por ejemplo, movimiento o sonido.

Los transductores eléctricos se utilizan para convertir energía de un tipo en energía de otro tipo, por ejemplo, un micrófono (dispositivo de entrada) convierte las ondas sonoras en señales eléctricas para que el amplificador las amplifique (un proceso), y un altavoz (dispositivo de salida) convierte estas ondas eléctricas. señales de vuelta en ondas de sonido y un ejemplo de este tipo de sistema simple de entrada / salida (E / S) se da a continuación.

Sistema de entrada / salida simple que utiliza transductores de sonido.

Hay muchos tipos diferentes de sensores y transductores disponibles en el mercado, y la elección de cuál usar realmente depende de la cantidad que se mide o controla, con los tipos más comunes que se indican en la siguiente tabla:

Sensores y transductores comunes.

Los transductores o sensores de tipo de entrada producen una respuesta de salida de voltaje o señal que es proporcional al cambio en la cantidad que están midiendo (el estímulo). El tipo o la cantidad de la señal de salida depende del tipo de sensor que se utilice. Pero en general, todos los tipos de sensores pueden clasificarse en dos tipos, ya sean sensores pasivos o sensores activos.

Generalmente, los sensores activos requieren una fuente de alimentación externa para funcionar, denominada señal de excitación que utiliza el sensor para producir la señal de salida. Los sensores activos son dispositivos autogenerados porque sus propias propiedades cambian en respuesta a un efecto externo que produce, por ejemplo, una tensión de salida de 1 a 10 V CC o una corriente de salida de 4 a 20 mA CC. Los sensores activos también pueden producir amplificación de señal.

Un buen ejemplo de sensor activo es un sensor LVDT o un medidor de tensión. Los extensímetros son redes de puentes resistivos sensibles a la presión que están polarizadas externamente (señal de excitación) de tal manera que producen un voltaje de salida en proporción a la cantidad de fuerza y ​​/ o tensión que se aplica al sensor.

A diferencia de un sensor activo, un sensor pasivo no necesita ninguna fuente de alimentación o voltaje de excitación adicional. En cambio, un sensor pasivo genera una señal de salida en respuesta a algún estímulo externo. Por ejemplo, un termopar que genera su propia salida de voltaje cuando se expone al calor. Entonces, los sensores pasivos son sensores directos que cambian sus propiedades físicas, como resistencia, capacitancia o inductancia, etc.

Pero además de los sensores analógicos, los sensores digitales producen una salida discreta que representa un número o dígito binario, como un nivel lógico "0" o un nivel lógico "1".

Sensores analógicos y digitales

Sensores analógicos

Los sensores analógicos producen una señal de salida continua o voltaje que generalmente es proporcional a la cantidad que se mide. Las magnitudes físicas como temperatura, velocidad, presión, desplazamiento, deformación, etc. son todas cantidades analógicas, ya que tienden a ser de naturaleza continua. Por ejemplo, la temperatura de un líquido se puede medir usando un termómetro o termopar que responde continuamente a los cambios de temperatura a medida que el líquido se calienta o se enfría.

Termopar utilizado para producir una señal analógica

Los sensores analógicos tienden a producir señales de salida que cambian suave y continuamente con el tiempo. Estas señales tienden a tener un valor muy pequeño, desde unos pocos microvoltios (uV) hasta varios milivoltios (mV), por lo que se requiere alguna forma de amplificación.

Entonces, los circuitos que miden señales analógicas suelen tener una respuesta lenta y / o baja precisión. Además, las señales analógicas se pueden convertir fácilmente en señales de tipo digital para su uso en sistemas de microcontroladores mediante el uso de convertidores de analógico a digital o ADC.

Sensores digitales

Como su nombre lo indica, los sensores digitales producen señales de salida digitales discretas o voltajes que son una representación digital de la cantidad que se mide. Los sensores digitales producen una señal de salida binaria en forma de un "1" lógico o un "0" lógico, ("ON" u "OFF"). Esto significa entonces que una señal digital solo produce valores discretos (no continuos) que pueden emitirse como un solo "bit", (transmisión en serie) o combinando los bits para producir una salida de un solo "byte" (transmisión en paralelo).

Sensor de luz utilizado para producir una señal digital

En nuestro sencillo ejemplo anterior, la velocidad del eje giratorio se mide utilizando un sensor digital LED / Optodetector. El disco que está fijado a un eje giratorio (por ejemplo, de un motor o de las ruedas de un robot), tiene una serie de ranuras transparentes dentro de su diseño. A medida que el disco gira con la velocidad del eje, cada ranura pasa por el sensor produciendo a su vez un pulso de salida que representa un nivel lógico “1” o lógico “0”.

Estos pulsos se envían a un registro de contador y finalmente a un display de salida para mostrar la velocidad o revoluciones del eje. Al aumentar el número de ranuras o "ventanas" dentro del disco, se pueden producir más pulsos de salida para cada revolución del eje. La ventaja de esto es que se logra una mayor resolución y precisión ya que se pueden detectar fracciones de revolución. Entonces, este tipo de disposición de sensor también podría usarse para control de posición con una de las ranuras de los discos representando una posición de referencia.

En comparación con las señales analógicas, las señales o magnitudes digitales tienen una precisión muy alta y se pueden medir y “muestrear” a una velocidad de reloj muy alta. La precisión de la señal digital es proporcional al número de bits utilizados para representar la cantidad medida. Por ejemplo, usar un procesador de 8 bits producirá una precisión de 0.390% (1 parte en 256). Mientras que el uso de un procesador de 16 bits da una precisión del 0,0015% (1 parte en 65.536) o 260 veces más precisa. Esta precisión se puede mantener ya que las cantidades digitales se manipulan y procesan muy rápidamente, millones de veces más rápido que las señales analógicas.

En la mayoría de los casos, los sensores y más específicamente los sensores analógicos generalmente requieren una fuente de alimentación externa y alguna forma de amplificación o filtrado adicional de la señal para producir una señal eléctrica adecuada que se pueda medir o usar. Una muy buena forma de lograr tanto la amplificación como el filtrado dentro de un solo circuito es usar amplificadores operacionales como se vio antes.

Acondicionamiento de señales de sensores

Como vimos en el tutorial del amplificador operacional, los amplificadores operacionales se pueden usar para proporcionar amplificación de señales cuando se conectan en configuraciones inversoras o no inversoras.

Los voltajes de señal analógica muy pequeños producidos por un sensor, como unos pocos milivoltios o incluso picovoltios, pueden amplificarse muchas veces mediante un circuito de amplificador operacional simple para producir una señal de voltaje mucho más grande de, digamos, 5v o 5mA que luego puede utilizarse como señal de entrada a un microprocesador o sistema basado en analógico a digital.

Por lo tanto, para proporcionar cualquier señal útil, la señal de salida de un sensor debe amplificarse con un amplificador que tenga una ganancia de voltaje de hasta 10,000 y una ganancia de corriente de hasta 1,000,000, siendo la amplificación de la señal lineal y la señal de salida una reproducción exacta de la entrada, acaba de cambiar en amplitud.

Entonces, la amplificación es parte del acondicionamiento de la señal. Por lo tanto, cuando se usan sensores analógicos, generalmente se puede requerir alguna forma de amplificación (ganancia), adaptación de impedancia, aislamiento entre la entrada y salida o quizás filtrado (selección de frecuencia) antes de que se pueda usar la señal y esto lo realizan convenientemente los amplificadores operacionales.

Además, al medir cambios físicos muy pequeños, la señal de salida de un sensor puede "contaminarse" con señales o voltajes no deseados que impiden que la señal real requerida se mida correctamente. Estas señales no deseadas se denominan "ruido". Este ruido o interferencia puede reducirse en gran medida o incluso eliminarse mediante el uso de técnicas de filtrado o acondicionamiento de señal, como se explicó en el tutorial de filtro activo.

Utilizando un filtro de paso bajo o de paso alto, incluso de banda, el "ancho de banda" del ruido se puede reducir para dejar solo la señal de salida requerida. Por ejemplo, muchos tipos de entradas de interruptores, teclados o controles manuales no pueden cambiar de estado rápidamente, por lo que se puede utilizar un filtro de paso bajo. Cuando la interferencia está en una frecuencia particular, por ejemplo, la frecuencia de la red, se pueden usar filtros de rechazo de banda estrecha o filtros Notch para producir filtros selectivos de frecuencia.

Filtros típicos de amplificador operacional

Si aún queda algo de ruido aleatorio después del filtrado, puede ser necesario tomar varias muestras y luego promediarlas para obtener el valor final, aumentando así la relación señal-ruido. De cualquier manera, tanto la amplificación como el filtrado juegan un papel importante en la interconexión de sensores y transductores con sistemas basados ​​en microprocesadores y electrónicos en condiciones del “mundo real”.

En el próximo tutorial sobre sensores, veremos los sensores posicionales que miden la posición y / o el desplazamiento de los objetos físicos, es decir, el movimiento de una posición a otra para una distancia o ángulo específico.

Para obtener más información, contáctenos ensales@xfullstar.com