Transductores Resistivos - iuma.ulpgc.esmontiel/stas/slides/ftp/0405/02-slide-stas.pdf · – En conjunción con ciertos sensores

Escuela Técnica Superior de Ingenieros de TelecomunicaciónUniversidad de Las Palmas de Gran Canaria

TRANSDUCTORESRESISTIVOS

Juan A. Montiel-Nelson

05/10/2004 Transductores Resistivos 2

Indice

Potenciómetros– Fundamento.

• Definición de Potenciómetro.• Simbología.

– Comportamiento Dinámico y Modelo Equivalente.• Sistema de Orden Cero.• Limitaciones del Modelo.

– Materiales y Modelos Comerciales.– Análisis de Especificaciones.– Aplicaciones.


IndiceGalgas Extensométricas.– Efecto Piezorresistivo.

• Fundamento. • Relación Resistencia—Deformación.

– Hilo Conductor.– Semiconductores.

– Comportamiento Dinámico y Modelo Equivalente.• Limitaciones del Modelo.

– Margen Elástico. – Transmisión del Esfuerzo. – Estado Plano de Deformaciones.

– Interferencias y su Compensación. • El Efecto de la Temperatura. • El Autocalentamiento. • Las Fuerzas Termoelectromotrices.

– Materiales y Modelos Comerciales.– Cuadro de Características.– Aplicaciones Básicas.


Indice

Detectores de Temperatura Resistivos.– Fundamento. – Comportamiento Dinámico y Modelo Equivalente.

• Limitaciones. – Temperatura de Fusión. – Autocalentamiento. – Deformaciones Mecánicas.– Gradientes de Temperatura. – Derivas a Temperaturas Altas.

– Ventajas.• Sensibilidad.• Repetibilidad.• Exactitud.• Coste.

– Cuadro de Características.– Materiales y Modelos Comerciales.– Aplicaciones.

• Anemometría de Hilo Caliente.


Indice

Termistores. – Fundamento.– Termistores NTC.

• Características.– Variación de la Resistencia.– Sensibilidad o Coeficiente de Temperatura Equivalente.– Característica Tensión—Corriente.– Aplicaciones en Zona de Autocalentamiento.

• Anemometría.• Control del Nivel de Potencia o Tensión.• Circuitos de Retardo y de Supresión de Transitorios.

– Termistores PTC.• Característica Resistencia—Temperatura.

– Posistores.– Silistores.


Indice

Termistores. – Características Dinámicas y Modelos Equivalentes.– Limitaciones.

• Temperatura de Fusión.• Autocalentamiento.• Intercambiabilidad.

– Ventajas.• Estabilidad con el Tiempo y el Medio.• Sensibilidad—Resolución.• Resistividad—Inercia Térmica.

– Materiales y Modelos Comerciales.– Aplicaciones.

• Calentamiento Externo.• Autocalentamiento.

– Cuadro de Características.


Indice

Magnetorresistencias. – Fundamento del Efecto Magnetorresistivo.

• Materiales Conductores.– Efecto de Segundo Orden Comparado con el Efecto Hall.

• Materiales Anisótropos.– Relación Cuadrática.

– Ventajas• Versus Transductores Inductivos.

– Sistema de Orden Cero.• Versus Transductores de Efecto Hall.

– Sensibilidad, Margen de Temperatura y Margen de Frecuencias.– Materiales y Modelos Comerciales.


Indice

Magnetorresistencias. – Aplicaciones.

• Medida Directa de Campos Magnéticos.• Registro Magnético de Audio.• Lectoras de Tarjeta de Crédito.• Codificación magnética.• Medida de otras Magnitudes.• Desplazamiento Lineales y Angulares.• Medidas de Posición.


Indice

Fotorresistencias.– Fundamento.

• Conductividad Eléctrica en un Semiconductor.• Energía de la Radiación Óptica.• Anchura de Banda Prohibida en Semiconductores.

– Características Dinámicas y Modelos Equivalentes.• Característica Resitencia—Iluminación.• Constante de Tiempo de Subida y de Caída o Extinción.• Efecto de la Temperatura.

– Sensibilidad a la Radiación Incidente.• Ruido Térmico.

– Materiales y Modelos Comerciales.• Respuesta Espectral.• Ruido Térmico en Materiales de Longitud de Onda Grande.


Indice

Fotorresistencias.– Aplicaciones.

• Medidas de Luz.– Control Automático de Brillo y Contraste en TV.– Control de Diafragmas en Cámaras.– Detección de Fuego.

• Modificación de la Radiación Luminosa.


Indice

Otros Transductores Resistivos: Higrómetros.– Fundamento.– Característica Humedad Relativa—Resistencia.– Materiales y Modelos Comerciales.


Introducción

Fundamento– Variación de la resistencia eléctrica

Tecnología– Numerosas magnitudes físicas afectan al valor de la resistencia

Circuito equivalenteAplicacionesClasificación– De acuerdo con el tipo de magnitud física a medir

• Mecánica, térmicas, magnéticas, ópticas y químicas


Potenciómetro

Fundamento– Resistor de contacto móvil deslizante o giratorio– Sistema de orden cero

• “la resistencia es proporcional al recorrido del cursor”– Simplificaciones

• La resitencia es uniforme• Contacto del cursor da una variación continua de resistencia


Potenciómetro

Comportamiento dinámico y modelo equivalente– Sistema de Orden Cero– Limitaciones del Modelo

• Si se alimenta con corriente alterna, la inductancia y capacidad deben ser despreciables

• Cambio de la resistencia con la temperatura• Rozamiento del cursos y su inercia• Ruido debido a la resistencia de contacto, que alcanza valores

elevados debido al polvo, humedad, oxidación y desgaste


Potenciómetro

Circuito equivalente


Potenciómetro

Modelos disponibles– Movimientos lineales y circulares– Potenciómetro no lineal basado en un soporte triangular


Potenciómetro

Potenciómetro no lineal basado en un soporte triangular

( )( )Dtanxlxl

ARCM 2

1 θσ

−−=


Potenciómetro

Disposiciones– Hilo conductor bobinado sobre un soporte aislante (cerámico)

• Aleaciones níquel-cromo, níquel-cobre y metales preciosos• Ventajas

– Coeficiente de temperatura pequeño y disipación de potencia muy elevada

– Película de carbón depositada sobre un soporte, sola o bien aglomerado con plástico


Potenciómetro

Especificaciones de los potenciómetros para medida de desplazamientos lineales y angulares


Potenciómetro

Resistencia de salida (circuito equivalente de Thévenin) y tensión de salida en vacío

( )( ) ( )αα

αααα

−=−+−

= 111

nnn

nno R

RRRRR


Potenciómetro

Aplicaciones– Servosistemas de posición– En conjunción con ciertos sensores

• Transductor de presión basado en un tubo de Bourdon y potenciómetro lineal

– “Los potenciómetros se aplican a la medida de desplazamientos que excedan de 1cm a 10º a fondo de escala”


Potenciómetro

Tubos de Bourdon


Galgas Extensométricas

Fundamento: efecto piezorresistivo– Variación de la resitencia de un conductor o semiconductor

cuando es sometido a un esfuerzo mecánico– Conductor

• Simple hilo metálico de longitud l, sección A y resistividad ρ– Semiconductor

• Material tipo P• Material tipo N



Material conductor – Sometido a un esfuerzo en dirección longitudinal

;

;

AdA

ldld

RdR

AlR

−+=

=

ρρ

ρ



Ley de Hooke– E es el módulo de Young– σ es la tensión mecánica– ε es la deformación unitaria (1µε=10-6 m/m)

;ldlEE

AF

=== εσ



Relación esfuerzo y deformaciones



Ley de Poison– Pieza de longitud l y dimensión transversal t– µ es el coeficiente de Poison [0,0.5]

• 0,17 fundición maleable• 0,303 acero• 0,33 aluminio y cobre

;l

dlt

dt−=µ



Constante de Bridgman– En el caso de los metales los cambios de resistividad y de

volumen son proporcionales

;VdVCd

=ρρ



Aplicación al hilo conductor

;22

;4

2

ldl

DdD

AdA

DA

µ

π

−==

=

( );212

;4

2

µ

π

−=+=

=

ldl

DdD

ldl

VdV

lDV



Material isótropo sin rebasar el límite elástico– K es el factor de sensibilidad de galga

( )[ ]( );1

;2121

0 xRRldlKC

ldl

RdR

+=

=−++= µµ



Materiales semiconductores– Tipo P

– Tipo N

;45,119 2ε+=RdR

;10110 2εε +−=RdR



Limitaciones– El esfuerzo aplicado no debe llevar a la galga fuera del margen

elástico de deformaciones. Este no excede del 1% de la longitud de galga y va desde unos 3.000µε en semiconductoras a unos 40.000 µε para las metálicas

– Transmisión total a la galga del esfuerzo– Estado plano de deformaciones

• Tramos transversales de mayor sección, reduciendo la sensibilidad transversal a un valor de sólo el 1% o 2% de la longitud

• Montaje de una galga impresa



Parámetros de una galga– 1 anchura de soporte– 2 anchura de la galga– 3 longitud del soporte– 4 extremos ensanchados– 5 longitud activa– 6 longitud total de la galga– 7 marcas de alineación



Montaje de una galga impresa

– 1 substrato – 2 adhesivo– 3 galga– 4 terminales– 5 soldadura– 6 hilos de conexión– 7 aislamiento



Interferencias y su compensación– Efecto de la temperatura como fuente de interferencias

• Compensación con el método de entrada opuestas• Efecto acusado en las galgas semiconductoras

– El autocalentamiento– Efecto de las fuerzas termoeléctricas como fuentes de

interferencias• Detección si cambia la salida al variar la polaridad de la alimentación

– Mediciones puntuales• En la práctica las dimensiones de la galga son despreciables, y se

supone que el punto de medida es el centro geométrico de la galga



Tipos y Aplicaciones– Diversos tipos de galgas metálicas y semiconductoras, con y

sin soporte



Tipos y aplicaciones– Características normales de las galgas extensométricas

metálicas y semiconductoras



Tipos y aplicaciones– Diversas aplicaciones de las

galgas extensométricas a la medida de las magnitudes mecánicas



Aplicación singulas del efecto piezorresistivo– Medida de presiones muy elevadas (1,4GPa - 40GPa) mediante

las denominadas galgas de manganina– Manganina

• 84%Cu, 12%Mn, 4%Ni• Coeficiente de temperatura muy bajo


Detectores de Temperatura Resistivo

RTD: Resistance Temperature Detector– Dado que el material empleado con mayor frecuencia para esta

finalidad es el platino, se habla a veces de PRT (PlatinumResistance Thermometer)

Fundamento– En un conductor, el número de electrones disponibles para la

conducción no cambia apreciablemente con la temperatura. Si aumenta la temperatura, las vibraciones de los átomos alrededor de sus posiciones de equilibrio son mayores, y así dispersan más eficazmente a los electrones, reduciendo su velocidad media• Coeficiente de temperatura positivo• Modelo matemático. Sistema de primer orden


RTD

Limitaciones– Temperatura de fusión– Autocalentamiento– Deformaciones mecánicas, provocan un cambio en el valor de

la resistencia eléctrica de un conductor– Posibilidad de gradientes de temperaturas

• Módulo de Biot– Si hay gradientes: hl/k > 0,2– Si no hay gradientes: hl/k < 0,2– h: coeficiente de transmisión de calor– l: dimensión menor del sólido– k: conductividad térmica


RTD

Ventajas– Sensibilidad es diez veces mayor que la de los termopares– Alta repetibilidad y exactitud para el caso del platino– Bajo coste para el caso del cobre y níquel


RTD

Especificaciones


RTD

Disposiciones– Modelos para inmersión en fluidos– Modelos para medición de temperaturas superficiales

Aplicación singular– Anemometría de hilo caliente

• Cuando se alcanza el equilibrio– Potencia disipada por efecto Joule– Area de intercambio de calor– Coeficiente de convección– Diferencia de temperatura entre el hilo y el fluido– Factores que recogen la dependencia respecto a las dimensiones del

hilo, y la densidad, viscosidad, calor específico y conductividad térmica del fluido

– Velocidad del fluido

( );

;

10

2

υcch

TTkhARI fh

+=

−=


Termistores

Fundamento– Dependencia de la resistencia de los semiconductores con la

temperatura, debida a la variación del número de portadores• Al aumentar la temperatura lo hace también el número de portadores

reduciéndose con ello la resistencia, y de ahí que presenten coeficiente de temperatura negativo.

Modelos– Coeficiente de temperatura positivo (PTC)– Coeficiente de temperatura negativo (NTC)


Termistores

NTC– Modelo de un parámetro

• En un margen de temperaturas muy reducido

;0

11

0

−

= TTB

T eRR

Variación de la resistencia de diversos termistores NTC con la temperatura


Termistores

NTC– Modelo de tres parámetros

• Ecuación empírica de Steinhart y Hart– El error cometido al emplear un modelo de dos parámetros es del

orden de ±0,3ºC, en el margen de 0 a 50ºC– Con tres parámetros, se logran errores de sólo ±0,01ºC, en el

margen de 0 a 100ºC

( ) ;1;

3

03

TT

TC

TBA

T

LnRcbLnRaT

eRR

++=

=++


Termistores

NTC– Modelo de cuatro parámetros

• Ecuación empírica– El error cometido es de sólo ±0,0015ºC, en el margen de 0 a 100ºC

( ) ( ) ;1;

32

032

TTT

TD

TC

TBA

T

LnRdLnRcbLnRaT

eRR

+++=

=+++


Termistores

Característica tensión-corriente– Corrientes bajas

• Tensión proporcional a la corriente, hasta punto A

– Autocalentamiento• Se alcanza una temperatura por

encima del ambiente y cae la tensión en sus bornes, B, C, D

– Corriente máxima• Corriente máxima no peligrosa, E

– La potencia disponible en el circuito determina el punto en el que se alcanza el régimen estacionario


Termistores

Zona de autocalentamiento– En esta zona el termistor es sensible a cualquier efecto que

altere el ritmo de disipación de calor. Esto permite aplicarlo alas medidas de caudal, nivel, conductividad calorífica

– A velocidad de extracción de calor fija el termistor es sensible a la potencia eléctrica de entrada, aplicándose al control del nivel de tensión o de potencia


Termistores

Zona de autocalentamiento


Termistores

Característica corriente-tiempo– Evolución de la corriente en el

termistor a lo largo del tiempo– El autocalentamiento

• está sometido a una constante de tiempo que supone un retardo entre la tensión aplicada y el instante en que se alcanza el valor de corriente estacionario


Termistores

PTC– Característica resistencia-

temperatura de un posistor• Tipo cerámico (posistor)

– Presentan un cambio brusco de resistencia cuando se alcanza la temperatura de Curie

• Silicio dopado– Tempsistores o silistores


Termistores

Constante de tiempo de autocalentamiento– Retardo entre la tensión aplicada y el instante de tiempo en que se

alcanza el valor de corriente estacionario• Circuitos de retardo y supresión de transitorios

Tipo de comportamiento– Tipo cerámico (Posistores)

• Presentan un cambio brusco de resistencia cuando se alcanza la temperatura Curie

– Basados en silicio dopado (Tempsistores, Silistores)Modelo matemático– Sin recubrimiento: Sistema de primer orden– Con recubrimiento: Sistema de segundo orden sobreamortiguado


Termistores

Limitaciones– Similares a las expuestas para las RTD

• Temperatura de fusión• Autocalentamiento• Deformaciones mecánicas, provocan un cambio en el valor de la

resistencia eléctrica de un conductor• Posibilidad de gradientes de temperaturas

– Módulo de Biot• Si hay gradientes: hl/k > 0,2• Si no hay gradientes: hl/k < 0,2• H: coeficiente de transmisión de calor• L: dimensión menor del sólido• K: conductividad térmica


Termistores

Ventajas– Estabilidad del termistor con el tiempo y el medio

• Envejecimiento artificial• Recubrimiento de vidrio

– Alta sensibilidad• Alta resolución en la medida de temperatura

– Utilizazión de hilos largos para su conexión• Aunque estén sometidos a cambios de temperaturas, puesto que

tienen mayor resistencia y coeficiente de temperatura


Termistores

Tipos y aplicaciones– NTC

• A base de mezclar y sintetizar óxidos dopados de metales como elníquel, cobalto, manganeso, hierro y cobre

– PTC• De conmutación

– A base de titanio de bario al que se añade titanio de plomo o circonio para determinar la temperatura de conmutación

• De medida– A base de silicio dopado


Termistores

Formas– Gota, Escama y Perla

• Aplicaciones de medida de temperatura

– Disco, arandela y varilla• Compensación y control de

temperatura y para aplicaciones con autocalentamiento


Termistores

Características de los NTC


Termistores

Aplicaciones– Basados en calentamiento externo del termistor

• Medida, control y compensación de temperatura– Basados en un calentamiento mediante el propio circuito de

medida• Medidas de caudal, nivel y vacío (método de Pirani) y el análisis de

composición de gases• Control automático de volumen y potencia• Creación de retardos de tiempo y supresión de transitorios


Termistores

Aplicaciones de los NTC a la medida y control, de la temperatura y otras magnitudes– Medida de temperaura en un

margen reducido– Compensación térmica– Control dependiendo de la

temperatura– Control del nivel de líquidos– retardo


Termistores

Aplicaciones de los NTC a la medida y control,de la temperatura y otras magnitudes– Medida de temperaura en un margen reducido, agua del

radiador de automóviles– Compensación térmica. Compensar la sensibilidad no deseada

de un galvanómetro de hilo de cobre a la temperatura– Control dependiendo de la temperatura– Control del nivel de líquidos– Retardo. El Relé no actúa hasta que el termistor se haya

calentado lo suficiente y permita el paso de una corriente mayor que la inicial


Termistores

Aplicaciones de las PTC de conmutación– Arranque de un motor trifásico– Desmagnetización automática en televisores a color– Supresión de arcos al abrir un interruptor

Linealización– Mediante una resistencia en paralelo

• Aunque la resistencia resultante sigue sin ser lineal, en cambio su variación con la temperatura es menor que antes, por serlo el factor que multiplica dRT/dT

• Pérdida de sensibilidad a costa de la linealidad ganada


Termistores

Métodos analíticos para la elección de la resistencia R– Forzar tres puntos de paso en la curva resistencia-temperatura

resultante– Forzar un punto de inflexión en la curva resistencia-

temperatura que esté justo en el centro del margen de medida

Modelos NTC lineales– Incorporan una o varias resistencias en combinaciones serie y

paralelo con uno o más termistores


Magnetorresistencias

Fundamento– En la mayoría de los conductores este efecto

magnetorresistivo es de segundo orden comparado con el efecto Hall

– En los materiales anisótropos (ferromagnéticos), al depender su resistencia del estado de magnetización, el efecto de un campo magnético externo es más acusado

Limitaciones– Relación entre cambio de resistencia y campo magnético

externos es cuadrático– Dependencia térmica



Ventajas– Modelo matemático

• Sistema de orden cero a diferencia de los transductores inductivos que responden a la derivada temporal de la densidad de flujo magnético

– Mayor sensibilidad, mayor margen de temperatura y mayor margen de frecuencias comparado con los transductores de efecto Hall

Materiales– Permalloy

• Aleación de hierro y niquel, 20% y 80% respectivamente• Aleaciones: NiFeCo y NiFeMo



Características



Aplicaciones– Medida directa de campos magnéticos

• Registro magnético de audio• Lectoras de tarjetas de crédito• Precios codificados magnéticamente

– Medida de otras magnitudes a través de variaciones de campo magnético• Desplazamientos lineales y angulares• Detectores de proximidad• Medida de posiciones


Fotorresistencias

Fundamento– Se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un

semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda entre 1mm y 10nm)• Banda de valencia y conducción en semiconductores• Energía para producir el salto entre bandas E=hf

– Efecto fotoeléctrico interno o fotoconductor– Efecto fotoeléctrico externo

• Anchura de banda prohibida, en electron-voltios, y longitud de onda máxima, en micras, para diversos semiconductores intrínsecos


Fotorresistencias

Anchura de banda prohibida


Fotorresistencias

Relación entre la resistencia R de un fotoconductor y la iluminación E– A y α depende del material– E es la densidad superficial de energía recibida– Relación entre resistencia en presencia de luz y resistencia en

la oscuridad muy alta, por encima de 104

– Constante de tiempo de subida al iluminar y su constante de tiempo de caída o extinción, son distintas y función tanto del material como del nivel de iluminación

;α−= AER


Fotorresistencias

Efecto de la temperatura– Sensibilidad a la radiación incidente– Ruido térmico

Respuesta espectral

Si, Ge dopadosHasta 1 mmInfarrojo lejano

Te, aleaciones de Te, Cd, Hg

3-14µmInfarrojo medio

SbIn, AsIn1,40-3µmInfarrojo cercano

SPb, SePb, TePb0,75-1,40µmInfrarrojo muy cercano

SCd, SeCd, TeCd0,38-0,75µmVisible

MaterialLongitud de ondaZona


Fotorresistencias

Respuesta espectral


Fotorresistencias

Aplicaciones– Medida de luz con poca precisión y bajo coste

• Control automático de brillo y contraste en receptores de TV• Control de diafragmas de cámaras fotográficas• Detección de fuego• Control de iluminación de vías públicas

– Empleo de la luz como radiación a modificar• Detectores de presencia y posición• Medidas de niveles de depósitos


Higrómetros resistivos

Fundamentos– Humedad es la cantidad de agua presente en un gas o de agua

absorbida o adsorbida en un líquido o un sólido– Humedad absoluta g/m3

– Humedad relativa• Relación entre la presión parcial del vapor de agua presente y la

necesaria para que hubiera saturación a una temperatura dada– Descenso de la resistividad y aumento de la constante

dieléctrica al aumentar su contenido de humedad de los aislantes eléctricos



Humistor– Medida de la variación de sus

resistenciaHigrómetro resistivo– Medida de la variación de

capacidad



Materiales– Soluciones acuosas de una sal higroscópica depositadas

sobre un substrato plástico, en forma de zigzag entre dos electrodos• ClLi, F2Ba, P2O5 sales higroscópicas

– Tratamiento químico del sustrato, sin necesidad de película higroscópica

– Al2O3 variación de la capacidad

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