Sensores y Transductores

8 de abril de 2023 1

Universidad Autónoma de Querétaro

SERVOMECANISMOS

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Sensores y transductores

Medida. Es la asignación objetiva y empírica de un número a una propiedad o cualidad de un objeto o evento

Los objetivos principales de la medición son:

• La vigilancia o el seguimiento de un proceso• El control de un proceso• Necesidad de la ingeniería experimental



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Transductores

Se denomina transductor, en general, a todo dispositivo que convierte una señal de una forma física en una señal correspondiente pero de otra forma física distinta.



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Sensores

Un sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transducible que es función de la variable medida.

Los sensores también son conocidos como elementos primarios de medición, y bajo este término el concepto es que son los elementos que están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada.



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Acondicionamiento y presentación de las señales

Los acondicionadores de señal, adaptadores o amplificadores, en sentido amplio, son los elementos del sistema de medida que ofrecen a partir de la señal de salida de un sensor electrónico, una señal apta para ser presentada o registrada o que simplemente permita un procesamiento posterior mediante un equipo o instrumento estándar.



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Tipos de sensores

El estudio de los sensores se puede realizar con más facilidad si se clasifican de acuerdo a algún criterio, ya que los sensores existentes para las distintas magnitudes físicas son demasiados.

Según el aporte de energía:

• Moduladores (activos). La energía de la señal de salida procede de una fuente auxiliar, la entrada solo controla la salida.

• Generadores (pasivos). La energía de salida es suministrada por la entrada.



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Tipos de sensores

Según la señal de salida:

• Analógicos. La salida varía de forma continua.

• Digitales. La salida varía en forma de saltos o pasos discretos.

Atendiendo el modo de funcionamiento:

• Deflexión. La magnitud medida produce algún efecto físico, que engendra algún efecto similar, pero opuesto, en alguna parte del instrumento, y que esta relacionado con alguna variable útil.

• Comparación. Se intenta mantener nula la deflexión mediante la aplicación de un efecto bien conocido, opuesto al generado por la magnitud a medir. Hay un detector de desequilibrio y un medio para restablecerlo.



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Tipos de sensores

Según el tipo de relación entrada-salida:

Los sensores pueden ser de orden cero, de primer orden, de segundo orden o de orden superior. El orden esta relacionado con el número de elementos almacenadores de energía independientes que incluye el sensor y repercute en su exactitud y velocidad de respuesta.

Criterio Clases Ejemplos

Aporte de energía ModuladoresGeneradores

TermistorTermopar

Señal de salida AnalógicosDigitales

PotenciómetroContador de posición

Modo de operación De deflexiónDe comparación

AcelerómetroServo acelerómetro



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Tipos de sensores

Para el estudio de un gran número de sensores se suele acudir a su clasificación de acuerdo con la magnitud medida: temperatura, presión, caudal, humedad, posición, velocidad, aceleración, fuerza, par, etc.

Desde el punto de vista de la ingeniería electrónica, es más atractiva la clasificación de los sensores de acuerdo con el parámetro variable:

• Resistivos• Capacitivos• Inductivos• Magnéticos• Ópticos



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Características estáticas de los sistemas de medida

Exactitud (en ingles «accuracy»). Es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida de dar indicaciones que se aproximen al verdadero valor de la magnitud medida.

Error. Es la discrepancia entre la indicación del instrumento y el verdadero valor de la magnitud medida.

Fidelidad (en inglés americano designada a veces como precisión). Es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida de dar el mismo valor de la magnitud medida, al medir varias veces en unas mismas condiciones determinadas (ambientales, operador, etc), prescindiendo de su concordancia o discrepancia con el valor real de dicha magnitud.



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Precisión y exactitud (Fidelidad)

Alta precisión Baja exactitud

Alta exactitudBaja precisión

Alta exactitudAlta precisión



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Repetibilidad. Similar a fidelidad, pero cuando las medidas se realizan en un intervalo de tiempo corto. Cuantitativamente, es el valor por debajo del cual se encuentra, con una probabilidad especificada, el valor absoluto de la diferencia entre dos resultados individuales obtenidos en las condiciones antedichas.

Reproducibilidad. Se refiere también al grado de coincidencia entre distintas lecturas individuales cuando se determina el mismo parámetro con un método concreto, pero con un conjunto de medidas a largo plazo o realizadas por personas distintas o con distintos aparatos o en diferentes laboratorios.



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En sensores, cuando hay una variación de la salida a lo largo del tiempo se habla a veces de inestabilidad, y se dice que el sensor tiene derivas:

• Derivas de cero. Expresan la variación de la salida con entrada nula.• Derivas del factor de escala. Expresan la variación de la sensibilidad.

La sensibilidad o factor de escala es la pendiente de la curva de calibración, que puede ser o no constante a lo largo de la escala de medida.

La linealidad expresa el grado de coincidencia entre la curva de calibración y una línea recta determinada.

La resolución o discriminación es el incremento mínimo de la entrada para el que se obtiene un cambio en la salida.



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Características dinámicas de los sistemas de medida

La presencia de inercias (masas, inductancias, etc), capacidades (eléctricas, térmicas, etc) y, en general, de elementos que almacenan energía, hace que la respuesta de un sensor a señales de entrada variables sea distinta a la que presenta cuando las señales de entrada son constantes.

Error dinámico. Es la diferencia entre el valor indicado y el valor exacto de la variable medida, siendo nulo el error estático. Describe la diferencia en la respuesta del sensor a una magnitud de entrada según que esta sea constante o variable en el tiempo.

Velocidad de respuesta. Indica la rapidez con que el sistema de medida responde a los cambios en la variable de entrada.



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Sensores resistivos

SENSORES RESISTIVOS

Son aquellos que se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo.

Potenciómetros

Un potenciómetro es un resistor con un contacto móvil deslizante o giratorio. La resistencia entre dicho contacto móvil y una de las terminales fija es:

(1 )R l l xA A

Donde x es la distancia recorrida desde la otra terminal fija, es la fracción de longitud correspondiente, es la resistividad del material, l su longitud y A su sección de área transversal, supuesta uniforme.



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Potenciómetro

Potenciómetro ideal.



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Potenciómetro

Los potenciómetros comerciales aceptan movimiento lineales y circulares.

Divisor de tensión



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Aplicaciones del Potenciómetro

Sensor de presión basado en un tubo Bourdon y un potenciómetro lineal



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Galgas extensiométricas (strain gauge)

Es un sensor que convierte una fuerza, una presión o un peso en un cambio de resistencia.

Fundamento: efecto piezorresistivo.

Las galgas extensométricas se basan en la variación de la resistencia de un conductor o un semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico. Si se considera un hilo metálico de longitud l, sección A y resistividad , su resistencia eléctrica R es:

lR

A

Si se somete a un esfuerzo en dirección longitudinal, los parámetros que intervienen en R, cambian y por tanto R cambia.



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Galgas extensiométricas (Strain gauge)

La variación que experimenta el valor de la resistencia como resultado de un esfuerzo mecánico se conoce como efecto piezorresistivo

Consiste en una alambre o película metálica o semicondutora unida a una placa flexible, la cual se pega a la pieza por medir, que recibirá la fuerza de tensión, compresión o flexión. Comúnmente el material del alambre es una aleación de cobre y niquel.



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Galgas extensiométricas (Strain gauge)



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Aplicaciones galgas extensiométricas

G1 y G2 desbalancean el puente, ya que G1 y G2 disminuyen su resistencia en la misma proporción se logra el doble de sensibilidad y la tensión de salida aumenta al doble que si se usara una sola galga.



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Detectores de Temperatura Resistivos (RTD)

Una RTD (Resistance Temperature Detector) es un sensor térmico que cambia su resistencia con los cambios de temperatura. El material empleado con mayyor frecuencia para este tipo de sensores es el platino.

Su símbolo es:

La línea recta en diagonal sobre el resistor indica que varía de forma intrínseca lineal, y la anotación junto a la línea denota que la variación es debida a la temperatura y tiene coeficiente positivo.



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Principio de operación.

En un conductor, el número de electrones disponibles para la conducción no cambia apreciablemente con la temperatura. Pero si ésta aumenta, las vibraciones de los átomos alrededor de sus posiciones de equilibro son mayores, así se dispersan más eficazmente los electrones, reduciendo su velocidad media. Esto implica un coeficiente de temperatura positivo, es decir, un amento de la resistencia con la temperatura.

Coeficiente de temperatura: es la razón del cambio de la resistencia al cambio de temperatura.



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La dependencia resistencia-temperatura se puede expresar como un polinomio:

20 1 21 n

nR R T T T

Donde:

0R es la resistencia a la temperatura de referencia

T es el incremento de la temperatura respecto a la referencia

es el coeficiente de temperatura del conductor, especificado a 0°C, con gran valor y constante con los cambios en la temperatura

La relación resistencia-temperatura en el margen lineal se puede ver como:

0 1R R T



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Un ejemplo de los valores de coeficientes de temperatura para el platino son:

Hilo de platino:

Película fina :

31 3.90 10 /X K

7 22 5.83 10 /X K

31 3.912 10 /X K

7 33 1.92 10 /X K

Para su construcción se emplean metales puros como:

• Níquel• Cobre • Platino

7 22 6.179 10 /X K



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Curvas de resistencia relativa de varios metales en función de la temperatura



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Características de los materiales empleados:

• Coeficiente de temperatura positivo, para obtener incrementos en resistencia con incrementos en la temperatura

• Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada tanto mayor será la variación por grado (mayor sensibilidad)

• Relación lineal resistencia-temperatura

• Estabilidad de las características durante la vida útil del material



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Construcciones comunes:

• RTD embobinada. Esta formada por un hilo metálico muy fino embobinado sobre un material aislante de cerámica y protegido con un revestimiento de vidrio, cerámica y/o un tubo metálico.

• RTD de película. Esta formada por una película metálica depositada sobre un sustrato de cerámica y protegida con un revestimiento de vidrio o cerámica.



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Algunas versiones comerciales:

RTD en película delgada

RTD con cubierta de cerámica

Sonda de medida con montaje

Sonda de medida



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RTD (sonda) de PLATINO

Las sondas de platino más usadas en la industria tienen una resistencia de:

• 100 a 0°C y se le conoce como Pt-100• 500 a 0°C se le llama Pt-500• 1000 a 0°C se tiene una Pt-1000

Ventajas• Es precisa, estable, lineal• Alta resistividad (6 veces mayor que el cobre)

Desventajas• Costo elevado



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RTD (sonda) de NIQUEL

Ventajas• Tiene una resistencia elevada con alta variación de resistencia por grado

centígrado• Costo medio

Desventajas• Falta de linealidad resistencia-temperatura• Variaciones en su coeficiente de resistencia



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RTD (sonda) de COBRE

Ventajas• Variación de resistencia uniforme• Estable• Bajo costo

Desventajas• Baja resistividad



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Ventajas de los sensores RTD

•Tienen una respuesta lineal en su margen de medición

•Tienen un margen de medición de temperaturas bastante amplio

•Proporciona las medidas de temperatura con mayor exactitud y repetitividad

•Estos sensores son muy estables con el tiempo

•La relación entre resistencia-temperatura es la más lineal

•Tienen una sensibilidad mayor que los termopares



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Desventajas de los sensores RTD

•El cambio de resistencia con el cambio de temperatura es muy reducido

•Son costosos

•El tamaño y masa de un RTD son mayores que el de termopares o termistores, limitando la velocidad de reacción

•Estos sensores se ven afectados por el autocalentamiento



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Ejemplo de aplicación

RTDRVout Vs

R



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El Termistor

Es un sensor que aumenta o disminuye su resistencia con el cambio de la temperatura, dependiendo de su coeficiente de temperatura. Los termistores variables de temperatura basados en semiconductores, a diferencia de las RTD que se basan en conductores.

Su simbología es:



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El Termistor

Dependiendo del coeficiente de temperatura del termistor estos se denominan:

• NTC (Negative Temperature Coefficient) si el coeficiente es negativo. Disminuye su resistencia con el aumento de la temperatura.

• PTC (Positive Temperature Coeficient) si el coeficiente es positivo. Aumenta su resistencia con el aumento de la temperatura.



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El Termistor

Principio de operación

El fundamento de los termistores esta en la dependencia de la resistencia de los semiconductores con la temperatura, debida a la variación con ésta del número de portadores. Al aumentar la temperatura lo hace también el número de portadores reduciéndose la resistencia, y de ahí que presenten coeficiente de temperatura negativo. Esta dependencia varía con la presencia de impurezas, y si el dopado es muy intenso, el semiconductor adquiere propiedades metálicas con coeficiente de temperatura positivo en un margen de temperaturas limitado.



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El Termistor

Para los NTC, en un margen de temperaturas reducido (50°C), la relación se puede considerar de tipo exponencial de la forma:

00

1 1expTR R B

T T

Donde:

0R es la resistencia a 25°C u otra temperatura de referencia

0T es la temperatura de referencia expresada en Kelvin

B es la temperatura característica del material, y tiene valores desde 2000K hasta 5000K, pero varía con la temperatura, aumentando el valor al aumentar esta.



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El Termistor

Si por analogía con las RTDs se definiera un coeficiente de temperatura para los termistores, o sensibilidad relativa tendríamos:

/T

T

dR dT

R

Obteniendo la expresión (no constante):

2/B T

El valor de B se puede encontrar midiendo la resistencia del termistor a dos temperaturas conocidas T1 y T2. Si la resistencias respectivas son R1 y R2, se tiene: 1

2

1 2

ln

1 1

RR

B

T T



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El Termistor

Variación de la resistencia de diversos termistores NTC con la temperatura



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El Termistor

Para los PTC hay dos tipos de comportamientos según la composición y el dopado. Las de tipo cerámico presentan un cambio brusco de resistencia cuando se alcanza la temperatura de Curie, como en la figura, se denominan a veces posistores. Su coeficiente de temperatura solo es positivo en un margen concreto de temperaturas



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El Termistor

Las PTC basadas en silicio dopado presentan una variación más suave con la temperatura. A veces se comercializan ya linealizadas, con denominaciones tales como tempsistores, o silistores. El comportamiento se muestra en la Figura.



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El Termistor

Materiales

Las NTC se fabrican a base de mezclar y sintetizar óxidos dopados de metales como el niquel, cobalto, manganeso, hierro y cobre, que se encapsulan con epoxy y vidrio.

Las PTC de conmutación están basadas en titanato de bario al que se añade titanato de plomo o de circonio para determinar la temperatura de conmutación. Las PTC de medida están basadas en silicio dopado.

En general óxidos metálicos.



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Termistores

Ventajas de los termistores

Tienen un cambio de resistencia por unidad de temperatura mayor que el de las RTDs

Desventajas de los termistores

Su coeficiente de temperatura no es constante, es decir, el cambio de la resistencia por unidad de cambio de temperatura es diferente a diferentes temperaturas. Son útiles en rangos estrechos de temperaturas



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MAGNETORRESISTENCIAS

Generalmente se les conoce por el acrónimo MRS (Magneto Resistive Sensors), son sensores que se basan en la propiedad de magnetorresistivida que tienen algunos materiales, esta propiedad consiste en el cambio de la resistencia eléctrica del material al ser sometidos a un campo magnético.

La dependencia de la resistividad de un material magnetorresistivo con el ángulo entre las direcciones de la corriente y la magnetización es:

20 1 cosB

Donde:

es la resistividad del material

es el ángulo entre la corriente I la magnetización M

0 y B son constantes del material



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Gráfica de la relación resistencia - campo de una magnetorresistencia



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Materiales y construcción

Están constituidas por una película delgada de una aleación metálica ferromagnética, depositada sobre una oblea de silicio y modelada como una banda de resistencia


Si se aplica un campo magnético a un conductor por el que circula una corriente eléctrica, dependiendo de la dirección del campo, además de la tensión Hall hay una reducción de la corriente al ser desviados algunos electrones de su trayectoria, esto significa que aumenta su resistencia eléctrica.



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Materiales y tipos de magnetorresistencias

Magnetorresistencia Materiales Cambio en R en %

MR anisótropa (AMR) Ferromagnéticos 5

MR gigante (GMR) Ferromagnéticos multicapa

50

MR túnel (TMR) Ferromagnéticos multicapa

1

MR colosal (CMR) Óxidos de perovskita de manganeso

600



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Una de las aleaciones más utilizadas es la de hierro – níquel denominada permalloy, cuya relación es de alrededor de 20% Fe y 80% Ni. La resistencia de este tipo de magnetorresistencia varia entre un 2% y un 5% al aplicarle un campo magnético.

Características de las magnetorresistencias:

•Alta sensibilidad de los campos magnéticos•Amplio rango de temperatura•Gran estabilidad y margen de variación o desviación (offset) reducido•Baja sensibilidad a la tensión mecánica



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Aplicaciones

•Medida directa de campos magnéticos

•Medida de otras magnitudes a través de variaciones de campo magnético. Excelentes para medida de desplazamientos lineales y angulares en condiciones ambientales extremas, en aplicaciones automotrices y maquinaria.



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FOTORRESISTENCIAS (LDR)

Las fotorresistencias o fotoconductores generalmente se les conoce por el acrónimo LDR (Light Dependent Resistors), son sensores que se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al añadir en el radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda entre 1mm y 10 nm).

Su simbología es:

a) Símbolo b) Modelo encapsulado



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La conductividad eléctrica de un material depende del número de portadores en la banda de conducción. En un semiconductor, a baja temperatura la mayor parte de sus electrones están en la banda de valencia, comportándose casi como aislante. Pero al aumentar la temperatura, y con ello la agitación de los electrones, dado que las bandas de valencia y de conducción están próximas, los electrones saltan de la banda de valencia a la de conducción aumentando la conductividad del material. Si el semiconductor esta dopado el salto es más fácil. La energía necesaria para producir el salto además del calor puede provenir de una radiación óptica o una tensión eléctrica.



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La relación entre la energía y la frecuencia de la radiación óptica están dadas por:

E hfDonde:

h es la constante de Planck, h = 6.62X10-34Ws2

f es el valor de la frecuencia

La relación entre la energía de los fotones y la longitud de onda de la radiación, es: ch

E

Donde:

c es la velocidad de la luz (3X108 m/s)

f es el valor de la frecuencia



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Si E se expresa en electrón-voltios (1 eV = 1.602X10-19J), se obtiene la relación:1.24

( )( )

mE eV

La relación entre la resistencia R de un fotoconductor y la iluminación, E (densidad superficial de energía recibida expresada en lux), es fuertemente no lineal. Un modelo simple es:

R AE Donde:

yA Dependen del material y las condiciones de fabricación



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Características de resistencia-iluminación de una LDR basada en SCd.



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Materiales de fabricación

En la zona visible (0.38 a 0.35 um) y del infrarrojo muy cercano (0.75 a 1.4 um) se emplean compuestos de cadmio (SCd, SeCd, TeCd).

En la zona del infrarrojo cercano (1.4 a 3um) se emplean compuestos de plomo (SPb, SePb, TePb).

En la zona del infrarrojo medio (3 a 14 um) y lejano (hasta 1mm) se emplean compuestos de indio (SbIn, AsIn), telurio, aleaciones de telurio, cadmio y mercurio, así como silicio y germanio dopados.



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Ejemplos comerciales



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Características de las LDR

•Su respuesta espectral es estrecha•Relación resistencia – iluminación no lineal•Su fabricación depende de la radiación a detectar•Sensibles a la temperatura•La relación entre resistencia en presencia de luz y resistencia en oscuridad es muy alta



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Aplicaciones

•Medidas de luz con poca precisión y bajo costo: control automático de brillo y contraste en receptores de TV, detección de fuego, control de iluminación de vías publicas.

•Aplicaciones donde se emplea la luz como radiación a modificar: detectores de presencia y posición, y control en el nivel de depositos.



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HIGROMÉTRO RESISTIVO

Es un sensor que se basa en los cambios de la resistencia de un material con los cambios en la humedad del aire en contacto con el sensor.

Generalmente consisten en dos electrodos de cinta metálica sobre una base de plástico. Los electrodos no se tocan, y están aislados eléctricamente entre ellos por la base de plástico. Se usa una solución acuosa de sales higroscópicas para recubrir por completo todo el dispositivo.



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HIGRÓMETRO RESISTIVO

Esquemas de la construcción y disposición del higrómetro resistivo



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HIGRÓMETRO RESISTIVO

Ejemplo comercial



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La mayoría de los aislantes eléctricos presentan un descenso de resitividad brusco (y un aumento en su constante dieléctrica), al aumentar su contenido de humedad. Si se mide la variación de su resistencia se tiene en general un higrómetro resistivo.

Materiales de fabricación

En general soluciones acuosas de material higroscópico como: ClLi, F2Ba, P2O5



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La relación entre la humedad relativa y la resistencia en no lineal, en algunos casos dependiendo de los materiales es casi exponencial.



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RESISTENCIAS SEMICONDUCTORAS PARA DETECCIÓN DE GASES

Son elementos sensores que varían su resistencia con la variación en la concentración de un gas.


A alta temperatura, la conductividad volumétrica o superficial de algunos óxidos semiconductores varía en función de la concentración de oxígeno del ambiente en el que están. Al aumentar la temperatura, el O2 absorbido se disocia y sus electrones neutralizan el exceso de metal, y reducen la conductividad



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Sensores volumétricos

La relación entre la conductividad volumétrica y la presión parcial de oxigeno pO2

, a temperaturas superiores de 700°C es:

2

1/exp / NA OA E kT p

Donde:

A es una constante

AE es la energía de activación para la conducción

N es una constante que depende del tipo de defecto predominante del material y que determina el equilibrio entre éste y el O2



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Sensores superficiales

En este tipo de sensores hay una formación y pérdida de iones oxígeno en la superficie del material. Trabajan a temperaturas menores (400 – 600°C), su respuesta a un cambio de concentración en más rápida que en los sensores volumétricos. La relación entre R y pO2

es muy lineal, donde R cambia

de unos 10 a hasta más de 100 K.



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Aplicaciones

•Monitorizar el O2 en los gases de escape de los motores de combustión •La detección de fugas de gases•En procesos de fermentación•Control de funcionamiento de ventilzación•Detección de humo•Alarmas contra incendios•Detección de alcohol en gases espirados

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