Transductor Es

Escuela Tcnica Superior de Ingenieros de TelecomunicacinUniversidad de Las Palmas de Gran Canaria

TRANSDUCTORESRESISTIVOS

Juan A. Montiel-Nelson

05/10/2004 Transductores Resistivos 2

Indice

Potencimetros Fundamento.

Definicin de Potencimetro. Simbologa.

Comportamiento Dinmico y Modelo Equivalente. Sistema de Orden Cero. Limitaciones del Modelo.

Materiales y Modelos Comerciales. Anlisis de Especificaciones. Aplicaciones.


Indice Galgas Extensomtricas.

Efecto Piezorresistivo. Fundamento. Relacin ResistenciaDeformacin.

Hilo Conductor. Semiconductores.

Comportamiento Dinmico y Modelo Equivalente. Limitaciones del Modelo.

Margen Elstico. Transmisin del Esfuerzo. Estado Plano de Deformaciones.

Interferencias y su Compensacin. El Efecto de la Temperatura. El Autocalentamiento. Las Fuerzas Termoelectromotrices.

Materiales y Modelos Comerciales. Cuadro de Caractersticas. Aplicaciones Bsicas.


Indice

Detectores de Temperatura Resistivos. Fundamento. Comportamiento Dinmico y Modelo Equivalente.

Limitaciones. Temperatura de Fusin. Autocalentamiento. Deformaciones Mecnicas. Gradientes de Temperatura. Derivas a Temperaturas Altas.

Ventajas. Sensibilidad. Repetibilidad. Exactitud. Coste.

Cuadro de Caractersticas. Materiales y Modelos Comerciales. Aplicaciones.

Anemometra de Hilo Caliente.


Indice

Termistores. Fundamento. Termistores NTC.

Caractersticas. Variacin de la Resistencia. Sensibilidad o Coeficiente de Temperatura Equivalente. Caracterstica TensinCorriente. Aplicaciones en Zona de Autocalentamiento.

Anemometra. Control del Nivel de Potencia o Tensin. Circuitos de Retardo y de Supresin de Transitorios.

Termistores PTC. Caracterstica ResistenciaTemperatura.

Posistores. Silistores.


Indice

Termistores. Caractersticas Dinmicas y Modelos Equivalentes. Limitaciones.

Temperatura de Fusin. Autocalentamiento. Intercambiabilidad.

Ventajas. Estabilidad con el Tiempo y el Medio. SensibilidadResolucin. ResistividadInercia Trmica.

Materiales y Modelos Comerciales. Aplicaciones.

Calentamiento Externo. Autocalentamiento.

Cuadro de Caractersticas.


Indice

Magnetorresistencias. Fundamento del Efecto Magnetorresistivo.

Materiales Conductores. Efecto de Segundo Orden Comparado con el Efecto Hall.

Materiales Anistropos. Relacin Cuadrtica.

Ventajas Versus Transductores Inductivos.

Sistema de Orden Cero. Versus Transductores de Efecto Hall.

Sensibilidad, Margen de Temperatura y Margen de Frecuencias. Materiales y Modelos Comerciales.


Indice

Magnetorresistencias. Aplicaciones.

Medida Directa de Campos Magnticos. Registro Magntico de Audio. Lectoras de Tarjeta de Crdito. Codificacin magntica. Medida de otras Magnitudes. Desplazamiento Lineales y Angulares. Medidas de Posicin.


Indice

Fotorresistencias. Fundamento.

Conductividad Elctrica en un Semiconductor. Energa de la Radiacin ptica. Anchura de Banda Prohibida en Semiconductores.

Caractersticas Dinmicas y Modelos Equivalentes. Caracterstica ResitenciaIluminacin. Constante de Tiempo de Subida y de Cada o Extincin. Efecto de la Temperatura.

Sensibilidad a la Radiacin Incidente. Ruido Trmico.

Materiales y Modelos Comerciales. Respuesta Espectral. Ruido Trmico en Materiales de Longitud de Onda Grande.


Indice

Fotorresistencias. Aplicaciones.

Medidas de Luz. Control Automtico de Brillo y Contraste en TV. Control de Diafragmas en Cmaras. Deteccin de Fuego.

Modificacin de la Radiacin Luminosa.


Indice

Otros Transductores Resistivos: Higrmetros. Fundamento. Caracterstica Humedad RelativaResistencia. Materiales y Modelos Comerciales.


Introduccin

Fundamento Variacin de la resistencia elctrica

Tecnologa Numerosas magnitudes fsicas afectan al valor de la resistencia

Circuito equivalente Aplicaciones Clasificacin

De acuerdo con el tipo de magnitud fsica a medir Mecnica, trmicas, magnticas, pticas y qumicas


Potencimetro

Fundamento Resistor de contacto mvil deslizante o giratorio Sistema de orden cero

la resistencia es proporcional al recorrido del cursor Simplificaciones

La resitencia es uniforme Contacto del cursor da una variacin continua de resistencia


Potencimetro

Comportamiento dinmico y modelo equivalente Sistema de Orden Cero Limitaciones del Modelo

Si se alimenta con corriente alterna, la inductancia y capacidad deben ser despreciables

Cambio de la resistencia con la temperatura Rozamiento del cursos y su inercia Ruido debido a la resistencia de contacto, que alcanza valores

elevados debido al polvo, humedad, oxidacin y desgaste


Potencimetro

Circuito equivalente


Potencimetro

Modelos disponibles Movimientos lineales y circulares Potencimetro no lineal basado en un soporte triangular


Potencimetro

Potencimetro no lineal basado en un soporte triangular

( )( )Dtanxlxl

ARCM 2

1

=


Potencimetro

Disposiciones Hilo conductor bobinado sobre un soporte aislante (cermico)

Aleaciones nquel-cromo, nquel-cobre y metales preciosos Ventajas

Coeficiente de temperatura pequeo y disipacin de potencia muy elevada

Pelcula de carbn depositada sobre un soporte, sola o bien aglomerado con plstico


Potencimetro

Especificaciones de los potencimetros para medida de desplazamientos lineales y angulares


Potencimetro

Resistencia de salida (circuito equivalente de Thvenin) y tensin de salida en vaco

( )( ) ( ) =+

= 111

nnn

nno RRR

RRR


Potencimetro

Aplicaciones Servosistemas de posicin En conjuncin con ciertos sensores

Transductor de presin basado en un tubo de Bourdon y potencimetro lineal

Los potencimetros se aplican a la medida de desplazamientos que excedan de 1cm a 10 a fondo de escala


Potencimetro

Tubos de Bourdon


Galgas Extensomtricas

Fundamento: efecto piezorresistivo Variacin de la resitencia de un conductor o semiconductor

cuando es sometido a un esfuerzo mecnico Conductor

Simple hilo metlico de longitud l, seccin A y resistividad Semiconductor

Material tipo P Material tipo N



Material conductor Sometido a un esfuerzo en direccin longitudinal

;

;

AdA

ldld

RdR

AlR

+=

=



Ley de Hooke E es el mdulo de Young es la tensin mecnica es la deformacin unitaria (1=10-6 m/m)

;ldlEE

AF ===



Relacin esfuerzo y deformaciones



Ley de Poison Pieza de longitud l y dimensin transversal t es el coeficiente de Poison [0,0.5]

0,17 fundicin maleable 0,303 acero 0,33 aluminio y cobre

;l

dlt

dt=



Constante de Bridgman En el caso de los metales los cambios de resistividad y de

volumen son proporcionales

;VdVCd =



Aplicacin al hilo conductor

;22

;4

2

ldl

DdD

AdA

DA

==

=

( );212;

4

2

=+=

=

ldl

DdD

ldl

VdV

lDV



Material istropo sin rebasar el lmite elstico K es el factor de sensibilidad de galga

( )[ ]( );1

;2121

0 xRRldlKC

ldl

RdR

+==++=



Materiales semiconductores Tipo P

Tipo N

;45,119 2+=RdR

;10110 2 +=RdR



Limitaciones El esfuerzo aplicado no debe llevar a la galga fuera del margen

elstico de deformaciones. Este no excede del 1% de la longitud de galga y va desde unos 3.000 en semiconductoras a unos 40.000 para las metlicas

Transmisin total a la galga del esfuerzo Estado plano de deformaciones

Tramos transversales de mayor seccin, reduciendo la sensibilidad transversal a un valor de slo el 1% o 2% de la longitud

Montaje de una galga impresa



Parmetros de una galga 1 anchura de soporte 2 anchura de la galga 3 longitud del soporte 4 extremos ensanchados 5 longitud activa 6 longitud total de la galga 7 marcas de alineacin



Montaje de una galga impresa

1 substrato 2 adhesivo 3 galga 4 terminales 5 soldadura 6 hilos de conexin 7 aislamiento



Interferencias y su compensacin Efecto de la temperatura como fuente de interferencias

Compensacin con el mtodo de entrada opuestas Efecto acusado en las galgas semiconductoras

El autocalentamiento Efecto de las fuerzas termoelctricas como fuentes de

interferencias Deteccin si cambia la salida al variar la polaridad de la alimentacin

Mediciones puntuales En la prctica las dimensiones de la galga son despreciables, y se

supone que el punto de medida es el centro geomtrico de la galga



Tipos y Aplicaciones Diversos tipos de galgas metlicas y semiconductoras, con y

sin soporte



Tipos y aplicaciones Caractersticas normales de las galgas extensomtricas

metlicas y semiconductoras



Tipos y aplicaciones Diversas aplicaciones de las

galgas extensomtricas a la medida de las magnitudes mecnicas



Aplicacin singulas del efecto piezorresistivo Medida de presiones muy elevadas (1,4GPa - 40GPa) mediante

las denominadas galgas de manganina Manganina

84%Cu, 12%Mn, 4%Ni Coeficiente de temperatura muy bajo


Detectores de Temperatura Resistivo

RTD: Resistance Temperature Detector Dado que el material empleado con mayor frecuencia para esta

finalidad es el platino, se habla a veces de PRT (PlatinumResistance Thermometer)

Fundamento En un conductor, el nmero de electrones disponibles para la

conduccin no cambia apreciablemente con la temperatura. Si aumenta la temperatura, las vibraciones de los tomos alrededor de sus posiciones de equilibrio son mayores, y as dispersan ms eficazmente a los electrones, reduciendo su velocidad media Coeficiente de temperatura positivo Modelo matemtico. Sistema de primer orden


RTD

Limitaciones Temperatura de fusin Autocalentamiento Deformaciones mecnicas, provocan un cambio en el valor de

la resistencia elctrica de un conductor Posibilidad de gradientes de temperaturas

Mdulo de Biot Si hay gradientes: hl/k > 0,2 Si no hay gradientes: hl/k < 0,2 h: coeficiente de transmisin de calor l: dimensin menor del slido k: conductividad trmica


RTD

Ventajas Sensibilidad es diez veces mayor que la de los termopares Alta repetibilidad y exactitud para el caso del platino Bajo coste para el caso del cobre y nquel


RTD

Especificaciones


RTD

Disposiciones Modelos para inmersin en fluidos Modelos para medicin de temperaturas superficiales

Aplicacin singular Anemometra de hilo caliente

Cuando se alcanza el equilibrio Potencia disipada por efecto Joule Area de intercambio de calor Coeficiente de conveccin Diferencia de temperatura entre el hilo y el fluido Factores que recogen la dependencia respecto a las dimensiones del

hilo, y la densidad, viscosidad, calor especfico y conductividad trmica del fluido

Velocidad del fluido

( );

;

10

2

cchTTkhARI fh

+==


Termistores

Fundamento Dependencia de la resistencia de los semiconductores con la

temperatura, debida a la variacin del nmero de portadores Al aumentar la temperatura lo hace tambin el nmero de portadores

reducindose con ello la resistencia, y de ah que presenten coeficiente de temperatura negativo.

Modelos Coeficiente de temperatura positivo (PTC) Coeficiente de temperatura negativo (NTC)


Termistores

NTC Modelo de un parmetro

En un margen de temperaturas muy reducido

;011

0

= TTB

T eRR

Variacin de la resistencia de diversos termistores NTC con la temperatura


Termistores

NTC Modelo de tres parmetros

Ecuacin emprica de Steinhart y Hart El error cometido al emplear un modelo de dos parmetros es del

orden de 0,3C, en el margen de 0 a 50C Con tres parmetros, se logran errores de slo 0,01C, en el

margen de 0 a 100C

( ) ;1;

3

03

TT

TC

TBA

T

LnRcbLnRaT

eRR

++== ++


Termistores

NTC Modelo de cuatro parmetros

Ecuacin emprica El error cometido es de slo 0,0015C, en el margen de 0 a 100C

( ) ( ) ;1;

32

032

TTT

TD

TC

TBA

T

LnRdLnRcbLnRaT

eRR

+++== +++


Termistores

Caracterstica tensin-corriente Corrientes bajas

Tensin proporcional a la corriente, hasta punto A

Autocalentamiento Se alcanza una temperatura por

encima del ambiente y cae la tensin en sus bornes, B, C, D

Corriente mxima Corriente mxima no peligrosa, E

La potencia disponible en el circuito determina el punto en el que se alcanza el rgimen estacionario


Termistores

Zona de autocalentamiento En esta zona el termistor es sensible a cualquier efecto que

altere el ritmo de disipacin de calor. Esto permite aplicarlo alas medidas de caudal, nivel, conductividad calorfica

A velocidad de extraccin de calor fija el termistor es sensible a la potencia elctrica de entrada, aplicndose al control del nivel de tensin o de potencia


Termistores

Zona de autocalentamiento


Termistores

Caracterstica corriente-tiempo Evolucin de la corriente en el

termistor a lo largo del tiempo El autocalentamiento

est sometido a una constante de tiempo que supone un retardo entre la tensin aplicada y el instante en que se alcanza el valor de corriente estacionario


Termistores

PTC Caracterstica resistencia-

temperatura de un posistor Tipo cermico (posistor)

Presentan un cambio brusco de resistencia cuando se alcanza la temperatura de Curie

Silicio dopado Tempsistores o silistores


Termistores

Constante de tiempo de autocalentamiento Retardo entre la tensin aplicada y el instante de tiempo en que se

alcanza el valor de corriente estacionario Circuitos de retardo y supresin de transitorios

Tipo de comportamiento Tipo cermico (Posistores)

Presentan un cambio brusco de resistencia cuando se alcanza la temperatura Curie

Basados en silicio dopado (Tempsistores, Silistores) Modelo matemtico

Sin recubrimiento: Sistema de primer orden Con recubrimiento: Sistema de segundo orden sobreamortiguado


Termistores

Limitaciones Similares a las expuestas para las RTD

Temperatura de fusin Autocalentamiento Deformaciones mecnicas, provocan un cambio en el valor de la

resistencia elctrica de un conductor Posibilidad de gradientes de temperaturas

Mdulo de Biot Si hay gradientes: hl/k > 0,2 Si no hay gradientes: hl/k < 0,2 H: coeficiente de transmisin de calor L: dimensin menor del slido K: conductividad trmica


Termistores

Ventajas Estabilidad del termistor con el tiempo y el medio

Envejecimiento artificial Recubrimiento de vidrio

Alta sensibilidad Alta resolucin en la medida de temperatura

Utilizazin de hilos largos para su conexin Aunque estn sometidos a cambios de temperaturas, puesto que

tienen mayor resistencia y coeficiente de temperatura


Termistores

Tipos y aplicaciones NTC

A base de mezclar y sintetizar xidos dopados de metales como elnquel, cobalto, manganeso, hierro y cobre

PTC De conmutacin

A base de titanio de bario al que se aade titanio de plomo o circonio para determinar la temperatura de conmutacin

De medida A base de silicio dopado


Termistores

Formas Gota, Escama y Perla

Aplicaciones de medida de temperatura

Disco, arandela y varilla Compensacin y control de

temperatura y para aplicaciones con autocalentamiento


Termistores

Caractersticas de los NTC


Termistores

Aplicaciones Basados en calentamiento externo del termistor

Medida, control y compensacin de temperatura Basados en un calentamiento mediante el propio circuito de

medida Medidas de caudal, nivel y vaco (mtodo de Pirani) y el anlisis de

composicin de gases Control automtico de volumen y potencia Creacin de retardos de tiempo y supresin de transitorios


Termistores

Aplicaciones de los NTC a la medida y control, de la temperatura y otras magnitudes Medida de temperaura en un

margen reducido Compensacin trmica Control dependiendo de la

temperatura Control del nivel de lquidos retardo


Termistores

Aplicaciones de los NTC a la medida y control,de la temperatura y otras magnitudes Medida de temperaura en un margen reducido, agua del

radiador de automviles Compensacin trmica. Compensar la sensibilidad no deseada

de un galvanmetro de hilo de cobre a la temperatura Control dependiendo de la temperatura Control del nivel de lquidos Retardo. El Rel no acta hasta que el termistor se haya

calentado lo suficiente y permita el paso de una corriente mayor que la inicial


Termistores

Aplicaciones de las PTC de conmutacin Arranque de un motor trifsico Desmagnetizacin automtica en televisores a color Supresin de arcos al abrir un interruptor

Linealizacin Mediante una resistencia en paralelo

Aunque la resistencia resultante sigue sin ser lineal, en cambio su variacin con la temperatura es menor que antes, por serlo el factor que multiplica dRT/dT

Prdida de sensibilidad a costa de la linealidad ganada


Termistores

Mtodos analticos para la eleccin de la resistencia R Forzar tres puntos de paso en la curva resistencia-temperatura

resultante Forzar un punto de inflexin en la curva resistencia-

temperatura que est justo en el centro del margen de medida

Modelos NTC lineales Incorporan una o varias resistencias en combinaciones serie y

paralelo con uno o ms termistores


Magnetorresistencias

Fundamento En la mayora de los conductores este efecto

magnetorresistivo es de segundo orden comparado con el efecto Hall

En los materiales anistropos (ferromagnticos), al depender su resistencia del estado de magnetizacin, el efecto de un campo magntico externo es ms acusado

Limitaciones Relacin entre cambio de resistencia y campo magntico

externos es cuadrtico Dependencia trmica



Ventajas Modelo matemtico

Sistema de orden cero a diferencia de los transductores inductivos que responden a la derivada temporal de la densidad de flujo magntico

Mayor sensibilidad, mayor margen de temperatura y mayor margen de frecuencias comparado con los transductores de efecto Hall

Materiales Permalloy

Aleacin de hierro y niquel, 20% y 80% respectivamente Aleaciones: NiFeCo y NiFeMo



Caractersticas



Aplicaciones Medida directa de campos magnticos

Registro magntico de audio Lectoras de tarjetas de crdito Precios codificados magnticamente

Medida de otras magnitudes a travs de variaciones de campo magntico Desplazamientos lineales y angulares Detectores de proximidad Medida de posiciones


Fotorresistencias

Fundamento Se basan en la variacin de la resistencia elctrica de un

semiconductor al incidir en l radiacin ptica (radiacin electromagntica con longitud de onda entre 1mm y 10nm) Banda de valencia y conduccin en semiconductores Energa para producir el salto entre bandas E=hf

Efecto fotoelctrico interno o fotoconductor Efecto fotoelctrico externo

Anchura de banda prohibida, en electron-voltios, y longitud de onda mxima, en micras, para diversos semiconductores intrnsecos


Fotorresistencias

Anchura de banda prohibida


Fotorresistencias

Relacin entre la resistencia R de un fotoconductor y la iluminacin E A y depende del material E es la densidad superficial de energa recibida Relacin entre resistencia en presencia de luz y resistencia en

la oscuridad muy alta, por encima de 104

Constante de tiempo de subida al iluminar y su constante de tiempo de cada o extincin, son distintas y funcin tanto del material como del nivel de iluminacin

;= AER


Fotorresistencias

Efecto de la temperatura Sensibilidad a la radiacin incidente Ruido trmico

Respuesta espectral

Si, Ge dopadosHasta 1 mmInfarrojo lejano

Te, aleaciones de Te, Cd, Hg

3-14mInfarrojo medioSbIn, AsIn1,40-3mInfarrojo cercano

SPb, SePb, TePb0,75-1,40mInfrarrojo muy cercano

SCd, SeCd, TeCd0,38-0,75mVisibleMaterialLongitud de ondaZona


Fotorresistencias

Respuesta espectral


Fotorresistencias

Aplicaciones Medida de luz con poca precisin y bajo coste

Control automtico de brillo y contraste en receptores de TV Control de diafragmas de cmaras fotogrficas Deteccin de fuego Control de iluminacin de vas pblicas

Empleo de la luz como radiacin a modificar Detectores de presencia y posicin Medidas de niveles de depsitos


Higrmetros resistivos

Fundamentos Humedad es la cantidad de agua presente en un gas o de agua

absorbida o adsorbida en un lquido o un slido Humedad absoluta g/m3

Humedad relativa Relacin entre la presin parcial del vapor de agua presente y la

necesaria para que hubiera saturacin a una temperatura dada Descenso de la resistividad y aumento de la constante

dielctrica al aumentar su contenido de humedad de los aislantes elctricos



Humistor Medida de la variacin de sus

resistencia Higrmetro resistivo

Medida de la variacin de capacidad



Materiales Soluciones acuosas de una sal higroscpica depositadas

sobre un substrato plstico, en forma de zigzag entre dos electrodos ClLi, F2Ba, P2O5 sales higroscpicas

Tratamiento qumico del sustrato, sin necesidad de pelcula higroscpica

Al2O3 variacin de la capacidad

TRANSDUCTORESRESISTIVOSIndiceIndiceIndiceIndiceIndiceIndiceIndiceIndiceIndiceIndiceIntroduccinPotencimetroPotencimetroPotencimetroPotencimetroPotencimetroPotencimetroPotencimetroPotencimetroPotencimetroPotencimetroGalgas ExtensomtricasGalgas ExtensomtricasGalgas ExtensomtricasGalgas ExtensomtricasGalgas ExtensomtricasGalgas ExtensomtricasGalgas ExtensomtricasGalgas ExtensomtricasGalgas ExtensomtricasGalgas ExtensomtricasGalgas ExtensomtricasGalgas ExtensomtricasGalgas ExtensomtricasGalgas ExtensomtricasGalgas ExtensomtricasGalgas ExtensomtricasGalgas ExtensomtricasDetectores de Temperatura ResistivoRTDRTDRTDRTDTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresTermistoresMagnetorresistenciasMagnetorresistenciasMagnetorresistenciasMagnetorresistenciasFotorresistenciasFotorresistenciasFotorresistenciasFotorresistenciasFotorresistenciasFotorresistenciasHigrmetros resistivosHigrmetros resistivosHigrmetros resistivos

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