Acondicionamiento de SeñalesINGENIERÍA MECATRÓNICA

FACULTAD DE INGENIERÍAS

Nombre: Daniel Gómezdanielgomez151853@correo.itm.edu.co

2015-1

Tema: Sensores de fuerza

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Tema: Sensores de fuerza

TABLA DE CONTENIDO

1. Sensores resistivos2. Galga extensiometrica3. Fenómeno físico4. Ventajas5. Desventajas6. Aplicación7. Circuito de acondicionamiento8. Sensor FSR 4009. Conclusiones10. Referencias

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1. Sensores resistivos:

Basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo. Son probablemente los mas abundantes en el mercado.

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2. Galga extensiometrica:

Se basa en la variación de la resistencia de un conductor o un semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo.

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3. Fenómeno físico

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A

lp=R

A

l'+

A

lA' - Al'= '

A

l+ ')

A

l(=' 2 ppppR

A

l'+

A

lA'-

A

l'=' 2

pppR

A

lp= Como R

p

pRRR

R'+

A

A'-

l

l'='

p

p'+

A

A'-

l

l'=

R

R'

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El material se deforma en la zona elástica

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Area

Fuerza = Esfuerzo

unitarian Deformació

Esfuerzo = E

inicial Longitud

inicial longitud-final Longitud = unitarian Deformació

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Coeficiente de Poisson: Constante elástica que brinda una medida del estrechamiento de sección cuando se estira longitudinalmente un prisma. Es la razón del acortamiento de una longitud situada en un plano perpendicular a la dirección de la carga aplicada dividida entre el alargamiento longitudinal producido. Su valor es 0,5 para un solido indeformable.

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Con t=d. Al aplicar un esfuerzo longitudinal cambia l y t. La relación de los cambios se da por el coeficiente de Poisson:

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dl/l

dt/t- = µ

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Si se asume una sección cilíndrica para el alambre conductor

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4

D*pi=A

2

2

dD*D*pi=

4

dD*D*pi*2=dA

D

2dD=

4

D*pi2

dD*D*pi

= A

dA2

l

µdl-=

D

dD=

t

dt

l

µdl*2-=

A

dA

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Estructura cristalina: Forma como se ordenan y empaquetan los átomos. El empaquetamiento presenta patrones de repetición en las 3 dimensiones. La estructura cristalina se caracteriza mediante las redes de Bravais

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En los solidos los átomos que los forman efectúan tan solo pequeñas oscilaciones en torno de ciertas posiciones de equilibrio ubicadas en los nodos de la red.

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La temperatura desde la perspectiva de la mecánica estadística esta relacionada a la energía cinética promedio que tienen las partículas que constituyen el sistema: átomos o moléculas

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Los átomos en un cristal están hasta tal punto rígidamente vinculados entre si que no cabe hablar de movimiento individual de un átomo por separado con independencia del movimiento de los demás átomos de la red

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Teoría de bandas

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Efecto piezorresistivo: Variación que experimenta la resistividad como resultado de un esfuerzo mecánico. El esfuerzo cambia el espaciamiento interatómico, lo cual afecta la banda prohibida haciendo mas fácil para los electrones alcanzar la banda de conducción. Esto resulta en un cambio en la resistividad.

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Los cambios de resistividad se deben a la variación de la amplitud de las oscilaciones de los nodos de la red cristalina. Si este se tensa la amplitud aumenta pero si se comprime la amplitud disminuye.

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Si la amplitud de las oscilaciones de los nudos aumenta la velocidad de los electrones disminuye y la resistividad aumenta. Si dicha amplitud disminuye la resistividad también disminuye.

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Para el caso de los metales los cambios porcentuales de resistividad y de volumen son proporcionales:

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V

dVC=

d

p

p

El cambio de volumen se puede expresar como:

4

D*l*pi=

2

V

4

'*D*pi+

2

D'*D*l*pi=)'D+ '2(

4

pi=

4

')D*(l*pi= '

22

2 lllDDV

2

D*l*pi=

2 UsandoD

V

l

Vl'+

D'*V*2= '

DV l

l'+

2D'=

V

'

D

V

l

2µdl-=

2D'=

A

dA Como

D)2µ -1(

l

l'=

2µdl-

l

l'=

V

'

l

V)2µ -1(

l

dl=

V

dV

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Si no se rebasa el limite elástico la ecuación:

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p

p'+

A

A'-

l

l'=

R

R'

Se convierte en:

p

pdR d+)

l

dl2µ -(-

l

dl=

R

) 2µ) -(1 l

dlC(=

V

dVC=

d usandop

p

) 2µ) -C(1+2µ+1(l

dl=) 2µ) -(1

l

dlC(+

l

dl2µ+

l

dl=

R

dR

l

dlK=

R

dR

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El factor de galga expresa la sensibilidad al esfuerzo. Se define como la variación fraccional de resistencia eléctrica sobre la variación fraccional de longitud

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Li)/Li-(

Ri)/Ri-( =GF Lf

Rf

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Para pequeñas variaciones la resistencia del hilo deformado puede ponerse como:

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)x+1( =R 0R

X=k*deformación unitaria

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Para un material tipo p:

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2

0

i*4+19.5i1 =dR

R

i: Deformación unitaria

Para el material tipo n:

2

0

i*10+10i1- =dR

R

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4. Ventajas

Fácil de utilizar

No son influidos por campos magnéticos

Son adecuados tanto para medidas estáticas como dinámicas

En caso de emplear semiconductores puede tener una sensibilidad muy alta

En condiciones de iluminación habituales se pueden despreciar los efectos ópticos sobre el sensor

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5. Desventajas

Señal de salida débil

La temperatura es una fuente de interferencias

El soporte tiene que ser una superficie plana

Para mediciones de tensiones pequeñas se recomienda utilizar semiconductores, por lo que el costo es mayor.

Los cambios de resistencia son menos lineales si se trabaja con semiconductores

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6. Aplicaciones

https://www.youtube.com/watch?v=gqMeIDwj6u4

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7. Circuito de acondicionamiento

El puente de Wheatstone se emplea para medir los cambios de resistencia pequeños y amplificar la débil señal que entrega el sensor

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Fuente: Ignacio Moreno Velasco. Apuntes de instrumentación electronica.Universidad de Burgos.

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8. Sensor FSR 400https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Pressure/fsrguide.pdf

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Características estáticas

Exactitud:±15% a ±25%

Precisión: ± 1%

Sensibilidad: 100 g a 10kg

Características dinámicas

Retardo: 1-2mseg

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9. CONCLUSIONES

El uso de galgas realizadas con semiconductores permite tener un control muy alto sobre los procesos industriales que demanden una vigilancia rigurosa.

Realizar prototipos con montajes físicos que incluyan sensores es necesario para verificar simulaciones realizadas en programas CAD o incluso para realizar medidas en sistemas donde las dimensiones sean limitantes para la simulación.

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10. REFERENCIAS

Coughlin, Driscoll. (1999). Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales (p. 518). México: Prentice-Hall.

Pallas. (2007). Sensores y acondicionadores de señal (p. 474). España: ALFAOMEGA.

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