Resistive sensors - Sensores resistivos
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TEMA 2 Intrumentacin Electrnica Jose Ignacio Garate 1
TEMARIOTEMARIO
TEMA 1:TEMA 1: Introduccin a los Sistemas de Medida (2 clases)Introduccin a los Sistemas de Medida (2 clases)
TEMA 2: TEMA 2: Sensores Resistivos (3 clases)Sensores Resistivos (3 clases)
TEMA 3:TEMA 3: Acondicionamiento de seal para sensores resistivosAcondicionamiento de seal para sensores resistivos
TEMA 4:TEMA 4: Sensores Sensores CapacitivosCapacitivos
TEMA 5:TEMA 5: Sensores InductivosSensores Inductivos
TEMA 6:TEMA 6: Sensores ElectromagnticosSensores Electromagnticos
TEMA 7:TEMA 7: Sensores TermoelctricosSensores Termoelctricos
TEMA 8:TEMA 8: Otros SensoresOtros Sensores
TEMA 9:TEMA 9: Acondicionadores de seal para sensores de reactancia variablAcondicionadores de seal para sensores de reactancia variablee
TEMA 10:TEMA 10: Seales interferentes. TratamientoSeales interferentes. Tratamiento
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TEMA 2 Intrumentacin Electrnica Jose Ignacio Garate 2
2. Sensores Resistivos2. Sensores Resistivos
TEMA2 TEMA2 zz 2.1 Potencimetros2.1 Potencimetroszz 2.2 Galgas 2.2 Galgas ExtensiomtricasExtensiomtricaszz 2.3 Detectores de temperatura resistivos (RTD)2.3 Detectores de temperatura resistivos (RTD)zz 2.4 2.4 TermistoresTermistores
NTC (con compensacin negativa)NTC (con compensacin negativa) PTC (con compensacin positiva)PTC (con compensacin positiva)
zz 2.5 2.5 MagnetoresistenciasMagnetoresistenciaszz 2.6 2.6 FotoresistenciasFotoresistencias (LDR)(LDR)
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2.1 Potencimetros2.1 Potencimetros
zz Los sensores resistivos son los ms abundantesLos sensores resistivos son los ms abundantes existen muchas magnitudes fsicas que afectan al valor de la existen muchas magnitudes fsicas que afectan al valor de la
resistencia de un materialresistencia de un materialzz Un potencimetro es un resistencia con un contacto Un potencimetro es un resistencia con un contacto
mvil deslizante o giratoriomvil deslizante o giratorio la resistencia entre el contacto mvil y uno de los terminales la resistencia entre el contacto mvil y uno de los terminales
fijos es:fijos es:
lx
R
Rn
Smbolo
)()1()( xlA
lA
R ==
= = resistividadresistividad A =seccin transversalA =seccin transversal l = longitudl = longitud x = distancia recorridax = distancia recorrida = = fraccin de longitudfraccin de longitud
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2.1 Potencimetros2.1 Potencimetros
zz Es un sistema de orden cero.Es un sistema de orden cero. Puede formar parte de uno ms Puede formar parte de uno ms complejo como una masa con resortecomplejo como una masa con resorte
zz Modelo real introduce Modelo real introduce limitacioneslimitaciones Circuito equivalente realCircuito equivalente real Variacin con la temperaturaVariacin con la temperatura Limitacin en potenciaLimitacin en potencia Z de entrada al circuito de medidaZ de entrada al circuito de medida Rozamiento del cursor e inercia. El contacto puede necesitar lubRozamiento del cursor e inercia. El contacto puede necesitar lubricacinricacin Para resoluciones altas. La resistencia de contacto introduce ruPara resoluciones altas. La resistencia de contacto introduce ruidoido
zz Potencimetro no linealPotencimetro no lineal
RPV
M C B
Dtanxlxl
ARCM 2
))(( =
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2.1 Potencimetros2.1 Potencimetros
zz Para determinar la posicin de un punto en el plano (Para determinar la posicin de un punto en el plano (joysticksjoysticks)) un potencimetro para cada ejeun potencimetro para cada eje en el punto central las tensiones de las dos ramas deben ser nulen el punto central las tensiones de las dos ramas deben ser nulasas
)21()21(
==
EVEV
Y
x
zz Las tecnologas que se emplean son:Las tecnologas que se emplean son: hilohilo
delicado y la inductancia L es elevadadelicado y la inductancia L es elevada pelcula de carbnpelcula de carbn
tiene un coeficiente de temperatura tiene un coeficiente de temperatura elevadoelevado
Para potencias elevadas se emplean metales Para potencias elevadas se emplean metales preciosos sobre cermicapreciosos sobre cermica
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2.1 Potencimetros2.1 Potencimetros
zz Potencimetros lquidos. Potencimetros lquidos. Se emplean principalmente para medir inclinacionesSe emplean principalmente para medir inclinaciones Tubo de vidrio relleno de un fluido conductor al que se le aplicTubo de vidrio relleno de un fluido conductor al que se le aplica una tensin AC en a una tensin AC en
los electrodos. los electrodos. La posicin de la burbuja de aire marca el valor de la resistencLa posicin de la burbuja de aire marca el valor de la resistenciaia
Potencimetro de bolaPotencimetro de bola
)1()1()1( =+
= nnn
nnS RRR
RRR
)1()1( == VRRVV nn
S
Tensin de salida en vaco
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2.1 Potencimetros2.1 Potencimetros
zz Medidas de desplazamientos Medidas de desplazamientos muy precisosmuy precisos
zz Medidas nivel de lquidosMedidas nivel de lquidos
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2.2 Galgas 2.2 Galgas ExtensiomtricasExtensiomtricas
zz Se fundamentan en el efecto Se fundamentan en el efecto piezoresistivopiezoresistivo Variacin de la resistencia de un conductor o SC cuando se Variacin de la resistencia de un conductor o SC cuando se
somete a un esfuerzo mecnicosomete a un esfuerzo mecnico Si se somete a un esfuerzo longitudinal cada una de las tres Si se somete a un esfuerzo longitudinal cada una de las tres
magnitudes de R cambiamagnitudes de R cambia
AdA
ldld
RdR +=
= = tensin mecnica (N/mtensin mecnica (N/m22)) E = mE = mdulo de dulo de YoungYoung, , CCtete del materialdel material = deformacin unitaria= deformacin unitaria
Fl +l
A +A
ldltdt
//= l
dlEEAF ===
4.00 Coeficiente de Coeficiente de PoissonPoisson
t
zz Cambio de Longitud (l):Cambio de Longitud (l): Resultado de aplicar una fuerza FResultado de aplicar una fuerza F Determinado por la ley de Determinado por la ley de HookeHooke Un cambio transversal en l implica una Un cambio transversal en l implica una
variacin en t segn variacin en t segn PoissonPoisson
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2.2 Galgas 2.2 Galgas ExtensiomtricasExtensiomtricas
zz Cambio de Cambio de AreaArea (A):(A): Hilo conductor de seccin de dimetro DHilo conductor de seccin de dimetro D
tDDdDdADA ===4
24
2
ldl
DdD
AdA == 22
zz Cambio de Resistividad (Cambio de Resistividad ():): Efecto Efecto piezoresitivopiezoresitivo Variacin de amplitud de las oscilaciones en los nodos de la redVariacin de amplitud de las oscilaciones en los nodos de la red cristalinacristalina
ldDDdlDdVlDV4
244
22 +== volmen== VVdVCd
( )212 =+=ldl
DdD
ldl
VdV
( )[ ]ldlkC
ldl
RdR =++= 2121
k = factor de sensibilidad de la galgak = factor de sensibilidad de la galga
( ) ( )xRokRoR +=+= 11
C = Constante de C = Constante de BridgmanBridgman
1,13 1,13 C C 1,151,15
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2.2 Galgas 2.2 Galgas ExtensiomtricasExtensiomtricas
zz Galgas de materiales SCGalgas de materiales SC Predomina el efecto Predomina el efecto piezorresistivopiezorresistivo Alta sensibilidad trmicaAlta sensibilidad trmica
Tipo p:Tipo p:
Tipo n (ms sensibles):Tipo n (ms sensibles):
zz Limitaciones de las galgasLimitaciones de las galgas1.1. El esfuerzo no debe estar fuera del margen elsticoEl esfuerzo no debe estar fuera del margen elstico2.2. Medida correcta slo si el esfuerzo se transmite ntegramente a Medida correcta slo si el esfuerzo se transmite ntegramente a la galgala galga3.3. Se suponen slo esfuerzos longitudinalesSe suponen slo esfuerzos longitudinales4.4. T afecta a la resistividad y al mdulo de elasticidadT afecta a la resistividad y al mdulo de elasticidad5.5. Fuerzas Fuerzas termoelectromotricestermoelectromotrices en la unin de dos metalesen la unin de dos metales6.6. Efecto de las dimensiones fsicas (galgas puntuales)Efecto de las dimensiones fsicas (galgas puntuales)
245.119 += RodR
210100 += RodR
Galga
PADs de conexin
Silicio
Galga de SilicioGalga de Silicio
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2.2 Galgas 2.2 Galgas ExtensiomtricasExtensiomtricas
zz Aspecto fsico de las galgasAspecto fsico de las galgas
Galga
PADs de conexin
Silicio
y
yy
x
xx
y
yy
EAFR
kAEFRk
AEFR
kR +=
Fx Seccin y
F Seccin x Fy
yy
yx RR>>
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2.2 Galgas 2.2 Galgas ExtensiomtricasExtensiomtricas
zz Tipos de galgasTipos de galgas
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2.2 Galgas 2.2 Galgas ExtensiomtricasExtensiomtricas
zz Posicionamiento de las galgasPosicionamiento de las galgas Miden en una direccinMiden en una direccin Medida puntual de tensinMedida puntual de tensin Galgas ortogonalesGalgas ortogonales No se miden esfuerzos No se miden esfuerzos
perpendicularesperpendiculares Sistema de sujecin no ha de Sistema de sujecin no ha de
absorber esfuerzosabsorber esfuerzos Adhesivos funcin de la Adhesivos funcin de la
aplicacinaplicacin
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2.3 Detectores de T resistivos. RTD2.3 Detectores de T resistivos. RTD
zz Basados en la Basados en la variacin de la resistencia elctrica con la Tvariacin de la resistencia elctrica con la Tzz Fundamento: Fundamento:
en un conductor metlico el n de een un conductor metlico el n de e-- no vara con la Tno vara con la T T aumenta las vibraciones de los tomos reduciendo la T aumenta las vibraciones de los tomos reduciendo la VVmedia media ee--
La R sube al reducirse la movilidad de los La R sube al reducirse la movilidad de los ee--
zz Coeficiente de Temperatura positivoCoeficiente de Temperatura positivo
( )nn TTTRoR ++++= ...1 221 Ro Ro al Tal T de referenciade referencia T T = (T= (T--ToTo))
zz La La R es causada por:R es causada por: Cambio de resistividad (Cambio de resistividad ()) Cambio de dimensionesCambio de dimensiones
( )[ ]ToTRoR += 11
+T
+T
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2.3 Detectores de T resistivos. RTD2.3 Detectores de T resistivos. RTD
zz LimitacionesLimitaciones1.1. Rango de T limitado a la fusinRango de T limitado a la fusin2.2. Sensor en equilibrio trmico. A la T de Sensor en equilibrio trmico. A la T de
medida.medida.3.3. Existencia de deformaciones mecnicasExistencia de deformaciones mecnicas4.4. Estabilidad (envejecimiento)Estabilidad (envejecimiento)5.5. Mrgenes de medida limitado por regiones Mrgenes de medida limitado por regiones
de comportamiento linealde comportamiento lineal
T T vsvs Resistencia de una RTD y NTCResistencia de una RTD y NTC
Linealidad de una RTD de Pt100 con TLinealidad de una RTD de Pt100 con T
zz VentajasVentajas1.1. Sensibilidad 10 superior al termoparSensibilidad 10 superior al termopar2.2. Repetible (tolerancia)Repetible (tolerancia)3.3. Estabilidad a largo plazo y exactitud Estabilidad a largo plazo y exactitud
((PtPt))4.4. Bajo Coste (Cu y Ni)Bajo Coste (Cu y Ni)
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2.3 Detectores de T resistivos. RTD2.3 Detectores de T resistivos. RTD
zz AplicacionesAplicacionesInteresa que la resistividad alta y poder usar hilos largosInteresa que la resistividad alta y poder usar hilos largos Medida de temperaturasMedida de temperaturas Medida de velocidad de fluidosMedida de velocidad de fluidos dT
dRS =
( )[ ] ( ) Tooo
ooo
oo
TTTTRR
RdTdR
RS
=+=+== 11
zz SensibilidadSensibilidadPor unidad de resistencia de la RTDPor unidad de resistencia de la RTD
Fluido
RTD
zz TiposTipos Bobinadas y de rejillaBobinadas y de rejilla Pelcula metlicaPelcula metlica
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2.3 Detectores de T resistivos. RTD2.3 Detectores de T resistivos. RTD
zz AN687 (Microchip)AN687 (Microchip)precisin precisin 0.01C0.01C
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2.4 2.4 TermistoresTermistores. NTC. NTC
zz Resistencias de xidos metlicos o SC Resistencias de xidos metlicos o SC variables con T variables con T
NTC: NTC: coef.coef.tete T negativoT negativo PTC: PTC: coef.coef.tete T positivoT positivo
zz Dependencia de la resistencia de los SC Dependencia de la resistencia de los SC debida a la variacin del n de portadores debida a la variacin del n de portadores con la Tcon la T
TT aporta energaporta energa para a para portadores y reduce portadores y reduce la Rla R
Dopado con impurezas PTC en un rango Dopado con impurezas PTC en un rango limitado de Tlimitado de T
T T vsvs Resistencia de una RTD y NTCResistencia de una RTD y NTC
=ToT
BRoTRNTC11exp)(
Ro Ro a la Ta la T de referenciade referencia B o B o es la Tes la T caractercaracterstica del materialstica del material
Semiconductor
Metalizacin Contacto
+T
-T
EPOXY
( )[ ]1001)( += TcBTcB ( )21
2121 11
ln),(
TT
RRTTB
=
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2.4 2.4 TermistoresTermistores NTCNTC
zz Modelos (rango de 0C a 50C y 100C)Modelos (rango de 0C a 50C y 100C) Modelo de 2 parmetros (error Modelo de 2 parmetros (error 0.30.3C)C) Modelo empModelo emprico de rico de SteinhartSteinhart y y HartHart de 3 de 3
parparmetros (metros (error error 0.010.01C)C) Modelo de 4 parModelo de 4 parmetros (metros (error error 0.00150.0015C)C)
zz Sensibilidad relativa o T equivalenteSensibilidad relativa o T equivalente
2)()(
TB
TRdTTdR
NTC
NTC ==
++= 2exp)( TC
TBATRNTC ( )2lnln1 NTCNTC RcRbaT ++=
++
++=
3/12/1323/12/132
27422742exp),,( nmmnmmcbaRNTC
+++= 32exp)( TD
TC
TBATRNTC
( ) ( )32 lnlnln1 NTCNTCNTC RdRcRbaT +++=
cTam 1=
cbn =
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2.4 2.4 TermistoresTermistores. NTC. NTC
zz Propiedades Trmicas. Potencia Propiedades Trmicas. Potencia Disipada (P)Disipada (P)
con I bajas no hay con I bajas no hay autocalentamientoautocalentamiento con I altas se produce una reduccin con I altas se produce una reduccin
de R al existir de R al existir autocalentamientoautocalentamiento
Pto inflexin
I(mA)
V(volt)
E
Imax
( )IfV =RIIVP == 2
( )dtdTCpTaTRIP +== 2
((mWmW//K) = K) = Cte Cte de disipacide disipacin tn trmica rmica del del termistortermistor
Ta Ta == TT ambienteambiente CpCp ((mJmJ//K) = capacidad calorK) = capacidad calorficaficaEn rEn rgimen estacionario gimen estacionario dTdT/T = 0 la /T = 0 la
solucisolucin la ecuacin la ecuacin diferencialn diferencial
EcuaciEcuacin de transferencia de calorn de transferencia de calor
+=
+=
tt
Cp ePTaePTaT 11 ( )TaTIVP TT ==
( )TaTIVP TT ==
-
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2.4 2.4 TermistoresTermistores. NTC. NTC
zz Caracterstica I Caracterstica I vsvs t. Evolucin en el tiempo ( t. Evolucin en el tiempo ( )) De las propiedades trmicas con De las propiedades trmicas con autocalentamientoautocalentamiento
se observa un se observa un T funcin del tiempoT funcin del tiempo CCtete de tiempo (de tiempo (): indica cuando se alcanza el ): indica cuando se alcanza el
equilibrio tequilibrio trmicormico
T2
t(ms)
T
T1
63,2%
Cp
termicadisipacindeCcalorficaCapacidad
te ==
EvoluciEvolucin de la Tn de la T con el tiempocon el tiempo
((mWmW/K/K) = ) = CCtete de disipacide disipacin tn trmicarmica CpCp ((mJmJ/K/K) = cantidad de energ) = cantidad de energa que hay a que hay
que suministrar para que aumente 1que suministrar para que aumente 1KK
( ) tCpeTTTtT = 212)(
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2.4 2.4 TermistoresTermistores. NTC. NTC
zz Forma de dar los datosForma de dar los datos % respecto del valor nominal% respecto del valor nominal ToleranciasTolerancias
Respecto de Respecto de RoRo Respecto del coeficiente BRespecto del coeficiente B
BB
ToTB
RoRo
TRTR
NTC
NTC
+= 11)()(
( ) ( )
=ToT
BBRoRoTRNTC11exp)(
Datos del Datos del fabricantefabricante
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2.4 2.4 TermistoresTermistores. NTC. NTC
zz LinealizacinLinealizacin de de NTCsNTCs Mediante R en paraleloMediante R en paralelo
-30000
-20000
-10000
010000
2000030000
40000
50000
60000
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
RT ideal RT real RT linealizada
)()(TRRTRR
RNTC
NTCp +
=( )( ) ( )dT TdRTRR
RdTdR NTC
NTC
p += 22
( ) RTRR
TB
RdTdR
SNTCp
p
+== 12
RNTC R
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2.4 2.4 TermistoresTermistores. NTC. NTC
LINEALIZACIONLINEALIZACION1.1. LinealizacinLinealizacin con 3 con 3 PPtostos
2.2. LinealizacinLinealizacin con con PPtoto de inflexinde inflexin Pendiente de la recta se corresponde con la Pendiente de la recta se corresponde con la
pendiente de la curva de la NTC en el punto de pendiente de la curva de la NTC en el punto de inflexininflexin
T(C)
R()
RNTC
T1
RP
T2 T3
RT1
RT2
RT3
Rp1RP2
RP3
)()(TRRTRRR
T
TP +
=
= 3221 TTTT 3221 PPPP RRRR =
( )231
31312
22TTT
TTTTT
RRRRRRRRR +
+=
C
CT TB
TBRRC 2
2+=0
inflexinPto=
dTdTdRpd
RNTC R
-
TEMA 2 Intrumentacin Electrnica Jose Ignacio Garate 25
2.4 2.4 TermistorTermistor NTCNTC
3.3. LinealizacinLinealizacin con F(T) y curvas scon F(T) y curvas s Pendiente de la recta se corresponde con la Pendiente de la recta se corresponde con la
pendiente de la curva de la NTC en el punto de pendiente de la curva de la NTC en el punto de inflexininflexin
RNTC
R
VS
Vs)(11exp)( TfRoToT
BRoTRNTC =
=
== )()( TfsTfRR
RR ONTC
RRV
RRRVV
NTCNTCS +=+= 1
RRs O=
)()(1
TFVTfs
VVs =+=
-
TEMA 2 Intrumentacin Electrnica Jose Ignacio Garate 26
2.4 2.4 TermistorTermistor NTCNTC
Las mismas curvas anteriores se pueden Las mismas curvas anteriores se pueden emplear para una emplear para una linealizacinlinealizacin en paraleloen paralelo
Se elige una s tal que F(T) sea lineal en Se elige una s tal que F(T) sea lineal en el intervalo de T de el intervalo de T de linealizacinlinealizacin
RNTC R
( )[ ]TFRRTR
RTRRTRRR
TT
TP =
+=+= 1
)(111
)()(
+=
ToTBs
TF11exp1
1)(
-
TEMA 2 Intrumentacin Electrnica Jose Ignacio Garate 27
2.4 2.4 TermistorTermistor NTCNTC
zz TermistorTermistor NTC tipo DKNTC tipo DK
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TEMA 2 Intrumentacin Electrnica Jose Ignacio Garate 28
2.4 2.4 TermistoresTermistores. NTC. NTC
zz Tipos de Tipos de NTCsNTCs
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TEMA 2 Intrumentacin Electrnica Jose Ignacio Garate 29
2.4 2.4 TermistoresTermistores. NTC. NTC
zz AplicacionesAplicaciones
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TEMA 2 Intrumentacin Electrnica Jose Ignacio Garate 30
2.4 2.4 TermistoresTermistores. PTC. PTC
zz ComportamientosComportamientos Segn la composicinSegn la composicin Segn el dopadoSegn el dopado
T(C)
R()
Rmin
RT
T(C)
R()
RT
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TEMA 2 Intrumentacin Electrnica Jose Ignacio Garate 31
2.4 2.4 TermistoresTermistores. PTC. PTC
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TEMA 2 Intrumentacin Electrnica Jose Ignacio Garate 32
2.4 2.4 TermistoresTermistores. PTC. PTC
zz VentajasVentajas Alta Sensibilidad: resolucin en la T de medidaAlta Sensibilidad: resolucin en la T de medida Alta resistividad, masa pequea y respuesta rpidaAlta resistividad, masa pequea y respuesta rpida Aplicaciones de Aplicaciones de autocalentamientoautocalentamiento (fusibles trmicos)(fusibles trmicos)
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TEMA 2 Intrumentacin Electrnica Jose Ignacio Garate 33
2.4 2.4 TermistoresTermistores. PTC. PTC
zz Aplicaciones de las PTCAplicaciones de las PTC Telecommunication Line ProtectionTelecommunication Line Protection Circuit Fault ProtectionCircuit Fault Protection
Transistor Transistor ProtectionProtection Motor and Transformer ProtectionMotor and Transformer Protection
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TEMA 2 Intrumentacin Electrnica Jose Ignacio Garate 34
2.5 2.5 MagnetoresistenciasMagnetoresistencias
zz Aplicacin de un campo H a un conductor por el que Aplicacin de un campo H a un conductor por el que circula una Icircula una I
Reduccin de corriente al desviarse eReduccin de corriente al desviarse e--
Depende de:Depende de: Efecto HallEfecto Hall Direccin del campoDireccin del campo
zz VentajasVentajas Sistema de orden ceroSistema de orden cero Mayor sensibilidad y margen de Ts y frecuenciasMayor sensibilidad y margen de Ts y frecuencias
zz AplicacionesAplicaciones Medidas de campos HMedidas de campos H Medidas de magnitudes Medidas de magnitudes relacionadas con relacionadas con HH
velocidadesvelocidades posicinposicin
2EkRr=
I
e-
Nube de electrones
I
e-
H
R/R
Zona Lineal
-90 0 90
Campo H
-
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2.6 2.6 FotorresitenciasFotorresitencias
zz FundamentoFundamento Variacin de R al incidir radiacin luminosaVariacin de R al incidir radiacin luminosa Transforma Transforma luz en luz en RR Sulfuro de cadmio (Sulfuro de cadmio (CdSCdS) y Seleniuro de Cadmio ) y Seleniuro de Cadmio
((CdSeCdSe)) ORP12, NORPS12 (13mm)ORP12, NORPS12 (13mm) 5mm5mm
R se reduce conforme la intensidad de luz sobre la R se reduce conforme la intensidad de luz sobre la LDR aumenta. LDR aumenta.
= EAR A y A y dependen del materialdependen del material E energE energa de irradiacia de irradiacin n
(1eV = 1.602 (1eV = 1.602 1010--1919 J) J) c = 3c = 3101088 m/sm/s
Banda de
Valencia
E
Banda de Conduccin
T fhE =
h = h = CteCte de de PlankPlank 6.626.621010--3434 WsWs22
f = frecuenciaf = frecuencia
)(24,1)(eVE
mEhc ==
=LLRR ooL
0.7
-
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2.6 2.6 FotorresitenciasFotorresitencias
zz CaracterizacinCaracterizacin con con multmetromultmetro Oscuridad: mxima R aprox.1MOscuridad: mxima R aprox.1M Alta luminosidad: mnima R aprox. 100 Alta luminosidad: mnima R aprox. 100
zz AplicacionesAplicaciones Medida de luz (fotometra)Medida de luz (fotometra) Deteccin de cambios de luz. Deteccin de cambios de luz.
V
LLRR
RVo
o
O
+=
R
R(L)
C
220AC
Lmpara
Tiristor