Lección 7: Sensores Capacitivos
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Lección 7: Sensores Capacitivos e Inductivos. Sensores Capacitivos. Condensador plano.  0 : cte. dieléctrica del vacío 8,85 pF/m  r : cte. dieléctrica relativa. Depende de la temperatura y de la frecuencia S: superficie d: distancia entre las placas.  r. S. d.

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Presentation Transcript

Sensores Capacitivos

  • Condensador plano

  • 0: cte. dieléctrica del vacío 8,85 pF/m

  • r: cte. dieléctrica relativa. Depende de la temperatura y de la frecuencia

  • S: superficie

  • d: distancia entre las placas

r

S

d

Cte. dieléctrica relativa del agua en función de la temperatura


Sensores Capacitivos

  • Efectos de los bordes

  • l: longitud de la placa

  • a: anchura

Guardas:

U

U

U

0

0

0

g

0

U

Si g<<d/5 la anchura efectiva aumenta en g/2


Sensores Capacitivos

  • Condensador cilíndrico

h

r1

r2

1

h1

2

h2

r1

r2


S’

Sensores Capacitivos

  • Principio de funcionamiento

S

d

d’

Variación de la distancia

Variación del dieléctrico

Variación de la superficie

  • Condensador diferencial

x

C2

Placas fijas

Placa móvil

C1

x

a

x0

d

d

C2


Sensores Capacitivos

Medida de nivel

  • Líquido no conductor

h

x

  • Líquido conductor

x


Sensores Capacitivos

Proximidad

  • Distancias de unos pocos mm. máx

  • Materiales metálicos y no metálicos (p.e. Arena, agua, aceite, etc.)



Sensores Capacitivos

p

z

  • Presión absoluta

  • Presión diferencial

2r

S: tensión radial

p

Diafragma

Láminas del condensador

Substrato

  • Pueden soportar sobrepresiones mucho mayores que la correspondiente al fondo de escala


Sensores Capacitivos

Humedad

  • C0: algunos cientos de pF typ.

  • : entre 0,5 y unos pocos pF por %RH

  • Tiempos de respuesta de decenas de s. A min.

  • HS1100/1001 de Humirel


Aceleración

M

k

Muelle

x

M

Placa móvil

Muelle

Aceleración

Placas fijas

Sensores Capacitivos

Aplicaciones

a

f

fn

Respuesta en frecuencia

MEMS “Micro-ElectroMechanical Systems”

Ej. ADXL250 de Analog (42 elementos)


Sensores Capacitivos

Detectores de presencia

Ca

Placa

Placa

C1

C1

Medida de capacidad

Medidadecapacidad

Cb

Tierra

Tierra

Detectores táctiles

Silicio

Condensador

Substrato de cristal


Sensores Capacitivos

  • Medidas por comparación

C

Uac

R

Us

Con 10 veces el error es ya pequeño

  • Amplificador de carga

R2

Salida

C1+C

C2

Frecuencia de corte inferior

R1

Udc

Us

Frecuencia de corte superior

No influyen las capacidades de conexión


R

R

R

R

R/2

Sensores Capacitivos

Conversión de la señal alterna a continua

Up

Media onda

Onda completa

Rectificador precisión (media o doble onda)

Filtro pasa bajos (extrae valor medio)

Rectificador precisión de media onda

Otras opciones

  • Valor de pico(ej. PK01 de Analog Devices)

  • Valor eficaz (ej. AD636 de Analog Devices)

Rectificador precisión de onda completa


Sensores inductivos

  • Bobinas

Modelo del toroide equivalente

Ae

I

N

g

le


a

a

N

x

x

Sensores inductivos

  • Bobinas

a-x

a+x

Diferenciales


Sensores inductivos

Proximidad

  • Distancias hasta algún cm. máx

  • Materiales ferromagnéticos

Anillo

Cilíndricos

Rectangulares


Sensores inductivos

Basados en corrientes Foucault

  • : profundiad de penetración

  • f: frecuencia

  • : permeabilidad

  • : resistividad

  • No se requieren materiales magnéticos

  • Frecuencia de trabajo 1MHz típ.

  • Distancias de 0,25 a 30 mm (resolución hasta 0.0001 mm)


Sensores inductivos

Acondicionamiento (L variable)

  • Medida por comparación

Puente de Hay

Puente de Maxwell

R1

R2

R1

C1

R2

C1

Lx

Lx

R3

R3

Rx

Rx

Más adecuado para Q>10

  • Circuitos de acondicionamiento

  • Similar a los capacitivos

  • Medidas en puente

  • Integración en el oscilador (muy habitual en proximidad)

Us

L-L

Ue

R

R

L+L

Ej. diferencial


Sensores inductivos

  • Transformador diferencial de variación linealLinear Variable Differential TransformerRVDT: Rotary Variable Differential Transformer

Uexc

Uexc

U1

U2

U1

U2

U1-U2

U1-U2

U1

Uexc

Uexc

U2

U1

U2

U1-U2


Sensores inductivos

LVDT

  • Transformador diferencial de variación lineal

Uexc

Uexc

Uexc

Uexc

Uexc

U1

U2

U1

U2

U1

U2

U1

U2

U1

U2

Uexc

U1

-U2

U1-U2


Sensores inductivos

LVDT

  • Excitación: Fuente senoidal 1-10kHz de unos pocos V con baja distorsión armónica (<2-3%) y baja variación con la temperatura

  • Rozamiento muy bajo

  • Coste relativamente bajo

  • Muy fiable

  • Linealidad muy elevada hasta el 0,05%

  • Alcances desde mm. Hasta algunas decenas de cm.

  • Buena estabilidad

  • Sensibilidad 0,02mV/V/0,001cm a 5mV/V/0,001cm

  • Tiempo de respuesta relativamente pequeño

  • Frecuencia máxima 2kHz (resonancia)

  • Variación con la temperatura 12 ppm/°C. (Potenciómetros 20-40 ppm/°C)


Sensores inductivos

LVDT

Usalida=U1-U2

U1

Desp. positivo

U2

U1

Ue

U2

U1

Usalida=U1-U2

Desp. negativo

U2

Se pierde el sentido


Ue

Desm.

(G)

Sensores inductivos

LVDT

Desm.

Ue

Us

Divisor

(G)

Us

Desm.

Desm.

-

Ejemplos

  • AD598 de Analog Devices

Ue

Us

Divisor

(G)

Desm.

+



ad