Revisión de las aplicaciones industriales de los sensores

(5ª REVISIÓN)

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En numerosos artículos venimos hablando sobre el uso de las aplicaciones de los sensores (ej. optimización del rendimiento de sensores, control de fronteras, aplicaciones de servocontrol, sensores inteligente, sensores de nivel, etc).

 

En este nuevo artículo sobre sensores vamos a hablar de los principios que usan estos dispositivos para detectar todo tipo de señales. Vamos a hacer un resumen que nos ayude a entender los principios físicos que debemos buscar para poder utilizar sensores.

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Este planteamiento tiene una gran importancia práctica y el motivo es que la medición de una variable puede a veces realizarse de muchas formas, pero no todas son equivalentes. Habrá formas más precisas, otras más competitivas y otras más fiables. Conocer los principios de detección nos ayudará a seleccionar el sensor correcto.
 

La transducción mediante sensores puede llevarse a cabo usando principios físicos, algunos de los cuales vamos a revisar aquí. A partir de estos principios básicos las diferentes necesidades nos indicarán qué tipo de sensores necesitamos en cada situación (ver por ejemplo aquí para aplicaciones en edificios inteligentes y aquí para sensores rotatorios en turbinas eólicas).

 
Conociendo cómo funcionan los sensores será fácil encontrar el sensor adecuado a nuestras necesidades. Creemos que se trata de un plantemiento eficaz, pues la revisión de sensores a partir de catálogos de fabricantes nos impide ver otras posibilidades más allá de lo que cada uno fabrica.

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SENSORES MECÁNICOS

Los sensores mecánicos dependen del contacto físico directo.

Efecto piezoresistivo: convierte una tensión aplicada en un cambio en la resistencia que puede sentirse circuitos electrónicos tales como el puente de Wheatstone. Los metales y los semiconductores exhiben piezoresistividad. El efecto piezoresistivo en el silicio se realza dopando con boro. El efecto piezoresistivo puede usarse en sensores que miden presión.

Efecto piezoeléctrico: convierte una tensión (fuerza) aplicada en una diferencia de potencial eléctrica. El efecto piezoeléctrico es reversible, así que un cambio en el voltaje teambién genera una fuerza y un cambio correspondiente en el espesor. Los sensores piezoeléctricos los describimos en I y II. En la industria, el principio piezoeléctrico puede utilizarse en sensores utilizados para medir presiones, fuerzas y par. el principio piezoeléctrico se usa también para construir acelerómetros piezoeléctricos con apliaciones tales como control de vibración de máquinas rotativas como bombas y turbinas, análisis modal en vehículos, medición de choques, control de las herramientas de las máquinas y medición de vibraciones (ver acelerómetros para medidas de vibración de bajo nivel).
 

Sensor tunneling: El efecto tunneling es un método extremadamente exacto para sentir desplazamientos a escala nanómetros, pero su naturaleza altamente no lineal requiere el uso de control de retroalimentación para hacerlo útil.

     
Sensores capacitivos: estos sensores tienen una lámina fija y otra móvil. Cuando una fuerza se aplica a la lámina móvil, el cambio en capacitancia origina un desplazamiento. Los permitir cambios en la capacitancia pueden detectarse usando una gran variedad de circuitos eléctricos y convertirse en un voltaje o cambio de corriente. Los sensores capacitivos miden los cambios en una propiedad eléctrica llamada capacitancia. La capacitancia describe cómo dos objetos conductores con un espacio entre ellos responden a una diferencia de voltaje aplicada (ver descripción detallada en I, II III, IV, V y VI). Una de las aplicaciones de los sensores capacitivos es la detección de inclinación (ver aquí).

Los sensores inductivos, que convierten desplazamientos en un cambio en la inductancia, también s   on a menudo útiles. Las aplicaciones de los sensores inductivos pueden revisarse en I, II, III, IV. y V.
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SENSORES MAGNÉTICOS Y ELECTROMAGNÉTICOS

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No requieren contacto físico directo y son útiles para detectar efectos de proximidad. Estos sensores tienen múltiples posibilidades en el sector industrial, energético, militar, etc. (ver otras aplicaciones aquí y aquí). Básicamente sirven para detectar la proximidad de objetos metálicos a distancias prefijadas.
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Efecto Hall: Se basan en los cambios en los campos magnéticos producidos en semiconductores. Un efecto relacionado es el magnetorresistivo que depende del hecho de que la conductividad varía con el cuadrado de la densidad de flujo aplicada. El uso del Efecto Hall puede usarse para medir corrientes eléctricas (ver ejemplo aquí) o también en transductores para medir voltajes. En otro artículo hemos explicado nuevas aplicaciones de los sensores magnetorresistivos para medir desplazamientos (ver aquí).
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Sensores de campos magnéticos: pueden usarse para detectar la presencia de objetos metálicos. Los eddy-Current sensors, o sensores de corrientes parásitas, usan serpentines de sondas magnéticas para detectar defectos en estructuras metálicas tales como tuberías. Con estos sensores pueden alcanzarse rangos de medición de hasta 60 mm. Micro-Epsilon ha desarrollado un nuevo principio en sus denominados Magnetic Displacement Sensor (MDS). Este método se basa en la relación lineal exixtente entre la posición del iman y la señal de salida. El método de fabricación no depende del proceso del semiconductor, por lo que hace fácil su adaptación a las necesidades del cliente. Estos sensores tienen una sensibilidad extremadamente alta, lo que los hace útiles para circuitos de evaluación a bajo coste y muy simples.
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Ver aquí aplicaciones para galvanizado por inmersión en caliente.

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SENSORES TÉRMICOS

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Son una familia de sensores utilizados para medir temperatura o flujo de calor. La revisión de las tecnología de sensores usados para medir temperaturas las revisamos en otros artículos (ver I, II, III, IV,  V y VI).

• Transducción termo-mecánica: se utilizan para sentir y regular temperatura en viviendas y automóviles. Se basan en que todos los materiales presentan una expansión térmica.
• Efectos termoresistivos: se basan en el hecho de que la resistencia cambia con la temperatura. El silicio es útil para detectar cambios de temperatura.
• Termopares: utilizan el efecto Seebeck (Es la conversión de una diferencia de temperatura en electricidad. Se crea un voltaje en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes). Los Termopares son baratos y fiables y por ello se usa mucho. Los Termopares típicos de salidas µV/ºC y son efectivos en un rango de temperaturas que va de - 270 º a 2.700 ºC.
• Sensores de temperatura resonante: estos sensores dependen del hecho de que un cristal simple de SiO2 exhibe un cambio en la frecuencia resonante dependiendo del cambio de temperatura. Ya que es un defecto de frecuencia, es más exacto que los efectos de cambio de amplitud y tienen sensibilidad y exactitud extrema para detectar pequeños cambios de temperatura.

El uso de los sensores para medir caudales mediante efectos térmicos los describimos en otro artículo (ver aquí). También pueden revisarse aquí las tecnologías actualmente disponibles para medición de caudales. 

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TRANSDUCTORES ÓPTICOS

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Convierten la luz en señales que pueden ser detectadas (ver aquí revisión completa de los sensores ópticos). Se basan en varios mecanismos. En el efecto fotoeléctrico electrón se emite en el extremo negativo de láminas cargadas para cada fotón de luz con energía suficiente. Esto origina una corriente o flujo. En los sensores fotoconductivos, los fotones generan transportadores disminuyen la resistencia del material. En los fotosensores basados en la unión se produce el efecto fotovoltaico. Las termopilas son sensores que miden la radiación del calor, y para eso usan un termopar con una unión revestida con un aborbedor negro de bismuto u oro, que genera calor en la iluminación.

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Las células Solares son grandes fotodiodos que generan voltaje a partir de la luz. Los bolómetros son resistencias con alta sensibilidad térmica en configuración de puente de wheatstone, con una de ellas apantallada de la luz incidente. Los transductores ópticos pueden optimizarse por frecuencias de luz diferentes, resultando en detectores de infrarrojos, detectores de ultravioleta, etc. Varios dispositivos, incluyendo acelerómetros, se basan en la tecnología de fibra óptica (ver aquí aplicaciones para medición de la radiación solar).

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El uso de algunas aplicaciones de últimas tecnologías en sensores de imagen lo hemos visto en otros artículos (ver I, II , III, IV , V y VI). También hemos visto la aplicación de los sensores ópticos para detectar gases con alta precisión (ver aquí), por ejemplo, la emisiones de vehículos. También hemos visto la aplicación de sensores ópticos para la detección del color (ver aquí) y el uso de los sensores de infrarrojos para aplicaciones de medición de temperatura.
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Otra aplicación de los transductores ópticos es la medición del par transmitido a un eje (ver aquí).

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TRANSDUCTORES QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS

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Cubren un amplio rango de dispositivos que interactúan con sólidos, líquidos, y clases de todo tipo. Las aplicaciones potenciales incluyen control ambiental, control de bienestar bioquímico, vigilancia de áreas, diagnósticos médicos, biosensores implantables, y control de los alimentos. El uso de estos sensores se ha mostrado efectivo en el control de NOx (polución), pesticidas organofosforados, gases nerviosos (Sarin, etc.), cianururo de hidrógeno, viruela, antrax, COx, SOx y otros. Otra aplicación común es la medición del pH del agua. Otras aplicaciones vistas en TODOPRODUCTIVIDAD son:

• Sensores de últimas tecnologías pueden detectar simultáneamente un gran número de sustancias químicas diferentes (ver aquí).
• Sensores para detectar dióxido de nitrógeno (ver aquí).
• Detección mediante sensores de la madurez de los alimentos (ver aquí).
• Control eficiente de las emisiones en los procesos de combustión (ver aquí).

CHEMIRESISTORS

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Tienen dos electrodos táctiles interdigitados, cubiertos con revestimientos químicos especializados que cambian su resistencia cuando se exponen a ciertos agentes químicos. La unión de varios sensores puede incrementar la especificidad para agentes con desafíos específicos.

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SENSORES DE GAS DE ÓXIDO-METAL

Los sensores dependen del hecho de que la adsorción de gases en ciertos semiconductores hace cambiar su resistividad. en detectores de film delgado, se deposita un catalizador tal como el platino en la superficie para acelerar las reacciones y realzar la respuesta. Útiles como sensores son los óxidos de estaño, zinc, hierro, circonio, etc. Los gases que pueden detectarse incluyen CO2, CO, HS, NH3, y ozono.

Una aplicación de esta tecnología podemos verla aquí.

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TRANSDUCTORES ELECTROQUÍMICOS

Dependen de corrientes inducidas por oxidación o reducción de una especie química en la superficie de un electrodo. Están entre los más simples y más sutiles de todos los sensores químicos.

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BIOSENSORES

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Un biosensor es un dispositivo analítico que convierte en una respuesta biológica en una señal eléctrica. El térmico biosensor a menudo se usa para cubrir dispositivos sensores en orden de determinar la concentración de sustancias y otros parámetros de interés biológico incluso donde no utilizan sistemas biológicos directamente.

Hay una gran variedad de tipos dependiendo de la alta selectividad de muchas reacciones moleculares. Lamentablemente tales acciones no son reversibles normalmente así que el sensor no es reutilizable. Estos dispositivos tienen una película fina biomecánicamente activa depositada en un dispositivo de plataforma que convierte apropiadamente los cambios inducidos (ej. masa, resistencia) en señales eléctricas ópticas. Para realizar una medida analítica pueden usarse láminas finas que contienen proteinas (enzimas, o anticuerpos), polisacáridos, ácidos nucleicos, oligonuclétidos, o un ionoforo (que tiene respuesta selectiva a tipos de iones específicos. La sensibilidad puede aumentarse utilizando láminas activas biomecánicamente diferentes. Estos sensores son los denominados "nariz electrónica".

Entre las principales aplicaciones de los biosensores destacamos su capacidad para analizar los alimentos que comemos, el agua que bebemos y el aire que respiramos. Los sensores electroquímicos han despertado el interés de la industria por su gran capacidad de detección, simplicidad experimental y bajo coste, entre sus aplicaciones indicamos por ejemplo las relativas a la detección de iones metálicos y drogas en el cuerpo humano. Los sensores electrónicos ultra sensitivos están empezando a desempeñar también un papel en la detección acelerada del ADN (ver aquí).

Innovadoras aplicaciones de estos sensores son por ejemplo la detección de las feromonas que provocan el miedo (ver aquí).

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SENSORES REMOTOS DE ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

El espectro electromagnético puede utilizase para fabricar sensores remotos de una gran variedad de tipos. Generalmente la longitud de onda conveniente para una aplicación particular se selecciona basándose en la distancia de propagación, el nivel de detalle y la resolución requerida, la capacidad para penetrar materiales sólidos o ciertos medios, y la dificultad para procesar señales. Las técnicas Doppler permite la medida de velocidades, las ondas de milímetros se usan para controlar satélites. Las infrarrojas se usan para visión nocturna y sentir calor (ver Aplicaciones de los sensores infrarrojos para medir temperatura). Destacamos también los detectores de movimiento IR, que no son caros y son fiables. Las ondas electromagnéticas pueden usarse para determinar distancias utilizando ondas RF o luz láser. Las imágenes de luz visible usando cámaras se utilizan en un amplio rango de aplicaciones pero generalmente requiere el uso de técnicas DSP más costosas y sofisticadas incluyendo detección de bordes, umbral, segmentación, reconocimiento de modelos, análisis del movimiento, etc.

Una aplicación innovadora de los sensores que usan ondas electromagnéticas es la detección de líquidos ocultos (ver aquí). Otro ejemplo podemos verlo en el uso de sensores láser para medir en 2D o los sensores láser para medir distancia (ver aquí). También se han desarrollado sensores láser con aplicaciones en soldadura de alta velocidad (ver aquí).
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SENSORES ACÚSTICOS

Encontramos aquí los sensores que utilizan el sonido como medio sensor. Las técnicas Doppler permite la medición de velocidades. Los ultrasonidos a menudo proporcionan más información de la que se consigue con otras técnicas sobre vibraciones de maquinaria mecánica, pérdida de fluidos, y fallos de otros equipos. El sonar se utiliza también para determinar distancias y es efectivo en otros medios distintos al aire, incluyendo el agua.

En el siguiente artículo hacemos una descripción detallada de los sensores ultrasónicos y aquí ( I y II) describimos las aplicaciones para medir distancias.

Medición de niveles: La medición de niveles puede hacerse usando diferentes tipos de sensores, en un artículo anterior explicamos las tecnologías aplicables a condiciones extremas de procesos (ver aquí) y en otro hemos hablado del uso de los ultrasonidos para medir niveles (ver aquí).

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SENSORES DE ONDAS ACÚSTICAS

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Estos transductores son utiles en un amplio rango de aplicaciones y podemos clasificarlos según las siguientes tecnologías: surface acoustic wave o SAW, thickness-shear mode (TSM), flexural plate wave (FPW), o acoustic plate mode (APM).

Como ejemplos de usos de estas tecnologías podemos mencionar el uso de sensores de bajo coste para medir el par motor (ver aquí).

La tecnolología SAW, puede usarse por ejemplo para la fabricación de sensores de medición del par rotatorio. Una descripción detallada de esta aplicación puede revisarse en Dynamic Rotatory Torque Measurement using surface acoustic waves.

SENSORES DE PRESIÓN

Diferentes tecnologías de sensores pueden usarse para medir presión. En otro artículo hablamos de sensores microelectrónicos y de herramientas para configuración online de sensores de presión. En otro artículo hemos hablado de la medida de presión diferencial para altas presiones.

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REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES

• Nueva red inalámbrica para supervisar y controlar sensores en ubicaciones remotas.
• Control de la energía mediante redes inalámbricas de sensores.
• Cómo la radiofrecuencia puede proporcionar energía.
• Dispositivos inalámbricos para el control de la temperatura.
• Eficiencia energética en redes wireless para aplicaciones de vigilancia.
• Redes inalámbricas en una plataforma del mar del norte.
• Redes inalámbricas en refinerías.
• Sensores con aplicaciones de eficiencia energética.
• Descripción de la tecnología wireless-N.
• Tecnologías inalámbricas en entornos industriales.
• Tecnologías inalámbricas de corto alcance NFC.
• Tecnología inalámbrica para medir temperaturas y niveles en depósitos.
• Labview actualizado para procesadores multinúcleo y comunicaciones inalámbricas.
• Cómo diseñar el suministro de energía para redes inalámbricas con transmisión discontinua.

OTROS ARTÍCULOS EN TODOPRODUCTIVIDAD

• Sensor para controlar la humedad en las piscinas cubiertas.
• Sensor para la medición del par en máquinas agrícolas.

• Diseñando con sensores de células de carga multi-ejes.
• Nuevo sistema con sensores para el control de la energía.

Bibliografía:
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La estructura de este trabajo se basa en la clasificación dada por Cook & Das. Wireless Sensor Networks. John Wiley, desarrollada a partir de datos de fabricantes.