21-22 M2T5-Sensores - apuntes pi PDF

Preview

Summary

apuntes pi...

Description

M2 Tema 5: Periféricos - Sensores Índice de la presentación     

Introducción Acondicionamiento de señales de E/S Sensores temperatura y actuadores de térmicos Sensores y actuadores ópticos Otros sensores

Actualizado:

Periféricos e Interfaces

Periféricos - Sensores

19/11/2020

1

Introducción:  Transductor  Un dispositivo, que utilizando un principio físico, transforma un tipo de energía (potencia) en otro tipo.

 Sensor  Un dispositivo que responde a un “estímulo” físico o acción sobre el mismo, proporcionando una respuesta o salida transformada (normalmente eléctrica) según una relación precisa.

 Actuador  Un dispositivo que produce una acción física o estimulo de salida en respuesta a una señal (normalmente eléctrica) de entrada

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

2

Introducción: Energía …  Transductor: Transforma energía

 Transductor: Pasivo

 Ejemplo: Altavoz electromagnético  E.MecánicaE.EléctricaE.Mecánica

 Micrófono de carbón  Resistencia proporcional a presión

 Transductor: Pasivo + alimentación Energía

Periféricos e Interfaces

 Micrófono de carbón + batería  Resistencia modula la corriente según las ondas de presión

M2T4: Periféricos - Sensores

3

Introducción:  Caso General: Procesador (embedded)  Conjunto de sensores  Conjunto de actuadores  Sistema de alimentación (energía)

Energía

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

4

Introducción: resumen…  Los sensores son elementos mediante los que los computadores pueden obtener información del entorno de forma directa y en tiempo real.  Usando principios físicos es posible realizar “medidas” o “lecturas” de lo que sucede en el medio real

 Los Actuadores son los elementos mediante los que los computadores pueden “afectar” o “modificar” el medio real  Usando principios físicos usualmente

 La combinación del computador, sensores y actuadores permite llevar a cabo acciones bajo el control de un programa  Llevan todo el potencial de la programación al mundo real  Sistemas de control automático autónomos y en tiempo real Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

5

Introducción: Clasificación

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

6

M2 Tema 5: Periféricos - Sensores Índice de la presentación     

Introducción Acondicionamiento de señales de E/S Sensores temperatura y actuadores de térmicos Sensores y actuadores ópticos Otros sensores

Actualizado:

Periféricos e Interfaces

Periféricos - Sensores

19/11/2020

7

Acondicionamiento de E/S: Características de entrada-salida. Compatibilidad  Básico Usar un microprocesador:  El sensor produce un voltaje muy reducido  Salida de distinto voltaje

 Elaborado: Usar “drivers” electrónico  Acondicionamiento entrada: amplificador  Salida con un driver

 Alternativo: Usar elementos adaptados  Sensor compatible con la entrada  Actuador compatible con la salida

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

8

Acondicionamiento de E/S: Características de entrada-salida. Compatibilidad  Circuito: Función de Transferencia  S=f(x) expresa la relación que existe entre la entrada y la salida.  Puede ser una función lineal, no-lineal, compleja, multievaluada, definida por zonas, … etc.

 Ejemplo: sensor de temperatura  Para cada valor de la temperaturas el sensor tiene una resistencia  Hay un rango entre T1 y T2 aproximadamente lineal Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

9

Acondicionamiento de E/S: Impedancia:  La impedancia Z se define como: Z = R + j*X (número complejo)    

R = Resistencia; Parte real de la impedancia X = Reactancia; Parte imaginaria: X = XL – XC XL depende de la frecuencia y la autoinducción (L) XC depende de la frecuencia y la capacidad (C)

 La impedancia Z es la resistencia al paso de una corriente alterna;  se representa mediante un número complejo  La intensidad y la tensión se “desfasan”, adelantándose o retrasándose un ángulo Φ en función de si domina la “capacitiva” o la “inductiva” R Z

Φ Z

X = XL – XC

X = XL – XC Φ R

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

10

Acondicionamiento de E/S: Impedancia: acoplamiento - adaptación  La razón por la que esta propiedad preocupa es porque afecta a la operación del dispositivo:  Por ejemplo …..  Ideal Rin infinita

 La impedancia de entrada: (número real o complejo)  Es la relación entre el voltaje de entrada aplicado y la corriente resultante a través de un puerto de entrada  Es importante la impedancia de entrada del actuador

 La impedancia de salida : (número real o complejo)  Es la relación entre el voltaje de salida aplicado y la corriente de cortocircuito del puerto  Es importante la impedancia de salida del sensor Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

11

Acondicionamiento de E/S: Impedancia: acoplamiento - adaptación  Acoplamiento (emparejamiento) de impedancias de E/S:  Para evitar fenómenos de reflexión de ondas, en determinados entornos (e.g. transmisión con frecuencias elevadas) es necesario que la impedancia de salida sea igual a la de entrada del los elementos conectados.  Mal acoplamiento de impedancias puede causar distorsiones e interferencias por reflexión de ondas.

 Sin embargo, en general se suele considerar que es bueno que:  La impedancia de salida sea lo menor posible (para evitar perdidas de energía y atenuación). Lo ideal Rout cero.  La impedancia de entrada sea lo más elevada posible (para evitar atenuación/distorsión de la señal de entrada). Lo ideal Rin infinita.

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

12

Margen dinámico de uso:  Rango de un sensor (actuador):  los límites operativos superiores e inferiores de los estímulos  El rango útil de medida (span)  Input Full Scale (IFS): es la diferencia entre el valor mayor y menor del estímulo que puede ser manejado con errores aceptables (dentro del margen)  Output Full Scale (OFS): es la correspondiente magnitud eléctrica que produce el sensor en el IFS  El IFS y el OFS se aplican de la misma manera a los actuadores.  La resolución de un sensor  es el mínimo incremento o variación en un estímulo que es detectable;  esto es, la magnitud del cambio en la entrada mas pequeño que produce una respuesta discernible en la salida.

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

13

Margen dinámico de uso: función no lineal y error

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

14

Margen dinámico de uso: función de calibración

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

15

Sensibilidad; análisis:  La sensibilidad de un sensor está definida como:

 Es la “inclinación” o pendiente de la función de transferencia  Ejemplo presentado al inicio:  Función de transferencia:

 Calculando la Sensibilidad:

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

16

Histéresis:

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

17

No-linealidad:

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

18

Respuesta en frecuencia, ancho de banda:

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

19

M2 Tema 5: Periféricos - Sensores Índice de la presentación     

Introducción Acondicionamiento de señales de E/S Sensores temperatura y actuadores de térmicos Sensores y actuadores ópticos Otros sensores

Actualizado:

Periféricos e Interfaces

Periféricos - Sensores

19/11/2020

20

Sensores de temperatura: Introducción:  Son de los más antigüos:     

Desde 1600 ya existen termómetros Mediados del XVII se crean escalas de temperatura 1742 escala Celsius (Andres Celsius) 1848 escala Kelvin (Lord Kelvin) 1927 se fijan las escalas actuales (con revisiones posteriores)

 Sensores de temperatura:     

Termo-resistivos Termo-eléctricos Unión PN (semiconductor) Ópticos-Acústicos Termo-mecánico

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

21

Sensores de temperatura Termo-Resistivos: Resistencia dependiente de la temperatura …  Resistence Temperature Detector (RTD)      

Metales que incrementan la resistencia con la temperatura Positive Temperatura Coefficients (PTC) Resistencia baja  Longitudes largas  problemas constructivos Corriente para medir puede causar “auto-calentamiento” Tiempos de respuesta lentos Modernamente se han desarrollado RTD basados en silicio con características mejoradas

 Thermistor (Thermal-Resistor):  Basados en semiconductores (Óxido – Metal)  Disminuye la resistencia al aumentar la temperatura: Negative Temperatura Coefficients (NTC)  También se pueden conseguir PTC-Thermistos  Usados desde los años 60

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

22

Sensores de temperatura Termo-Resistivos: Resistence Temperature Detector (RTD) … Resistencia de un conductor de longitud L y sección S y conductividad σ:

La conductividad σ depende de la temperatura:

α = coeficiente de resistencia con la temperatura σ0 = conductividad de referencia a la temperatura T0 (20 ºC o 25ºC)

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

23

Sensores de temperatura: Resistencia dependiente de la temperatura …

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

24

Sensores de temperatura: Resistencia dependiente de la temperatura …  Sensores Resistivos de Silicio (RTD)  Características mejoradas  Menor rango de temperatura (-55ºC a 150ºC).  Buena linealidad  Resistencia del orden de 1KΩ  Limitar la intensidad por auto calentamiento

Sensores Resistivos de Silicio (PTC) Ejemplo de curva característica

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

25

Sensores de temperatura: Thermistor … Termistor  Thermistor (Thermal-Resistor):  Modelo sencillo:

 R0 = resistencia a temperatura de referencia T0 (usualmente 25ºC)  β = Constante propia del material  Modelo Steinhart–Hart:

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

26

Sensores de temperatura: Termistor … Ejemplos

Termistor

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

27

Sensores de temperatura: Unión PN

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

28

Sensores de temperatura: Otros: Coeficiente de dilatación en gases …

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

29

Sensores de temperatura: Otros: Coeficiente de dilatación en metales …

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

30

Sensores de temperatura: Otros: Coeficiente de dilatación en metales …  Actuadores:  Se hace pasar una intensidad I, que causará un calentamiento

 El metal se dilata en proporción al calentamiento.  Interruptores bimetálicos.

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

31

Sensores de temperatura: Otros: Acústico

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

32

Sensores de campo magnético: Sensor Hall …  Efecto Hall:  Descubierto en 1879 por Edward H. Hall  Existe en cualquier material, pero es mucho más patente en los semiconductores

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

33

Otros Sensores: ópticos, sensor de luz …  Fotoconducción  Un fotón con suficiente energía promociona un electrón desde la banda de valencia hasta la banda de conducción (a)(izda) y conduce; con poca energía se anula con un “hueco” (dcha)

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

34

Otros Sensores: ópticos, sensor de luz …  Fotoconducción  Materiales:

26,8 ºC

-196,1 ºC

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

35

Otros Sensores: ópticos, sensor de luz …  Fotoconducción  Materiales:

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

36

Sensores de temperatura: ópticos, sensor de luz …  Aspecto:

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

37

Otros Sensores: ópticos, sensor de luz …  Fotodiodos

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

38

Otros Sensores: Otros: ópticos, sensor de luz …  Fototransistor

Periféricos e Interfaces

M2T4: Periféricos - Sensores

39

Fin de la presentación

¿Preguntas?...