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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 ú
tiles 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).
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REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
OTROS ARTÍCULOS EN TODOPRODUCTIVIDAD
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.
