13326 – Sistemas Electrónicos del Buque (Licenciado Máquinas Navales)
Lección 7: Sensores Capacitivos
e Inductivos
Área de Tecnología Electrónica
+
+
UNIVERSIDAD D
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Sensores Capacitivos
• Condensador plano
r
S
C 
 0 r S
d
– 0: cte. dieléctrica del vacío 8,85 pF/m
– r: cte. dieléctrica relativa. Depende de
la temperatura y de la frecuencia
– S: superficie
– d: distancia entre las placas
d
Cte. dieléctrica relativa del agua
función
de la temperatura
Área de en
Tecnología
Electrónica
+
+
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Sensores Capacitivos
• Efectos de los bordes

l a 
l   a

C   0 r
1

ln

1

1

ln
2


 

d 
d   d


Guardas:
U
U
g
U
0
– l: longitud de la placa
– a: anchura
0
0
U
Si g<<d/5 la anchura efectiva aumenta en g/2
Área de Tecnología Electrónica
0
+
+
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Sensores Capacitivos
• Condensador cilíndrico
C 
 0 r  2    h
h
ln
r2
r1
r1
r2
1
h1
2
h2
C  2  0
 1  h1   2  h 2
ln
r2
r1
r1
r2
Área de Tecnología Electrónica
+
+
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Sensores Capacitivos
• Principio de funcionamiento
S
S’
d’
d
Variación de la
distancia
– Condensador diferencial
Placas
fijas
Placa C
1
móvil
d
d
Área de Tecnología Electrónica
C1 
x
 0 r S
x
C2 
C2
d  x
x0
C2
Variación del
dieléctrico
Variación de la
superficie
 0 r S
d  x
C1 
 0 r a  x 0  x 
d
a
C2 
 0 r a  x 0  x 
+
+
d
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Sensores Capacitivos
•
Líquido no conductor
h
Medida de nivel
C  2  0
 1  x   2  h  x 
ln
x

2  0 2  h
ln
•
r2

r2
r1
 1   2   x
ln
r1

r2
r1
Líquido conductor
C 
x
Área de Tecnología Electrónica
2     0  1  x
ln
r2
r1
+
+
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Sensores Capacitivos
Proximidad
– Distancias de unos pocos mm.
máx
– Materiales metálicos y no
metálicos (p.e. Arena, agua,
aceite, etc.)
Área de Tecnología Electrónica
+
+
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Sensores Capacitivos
Área de Tecnología Electrónica
+
+
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Sensores Capacitivos
p
r p
2
z
- Presión absoluta
- Presión diferencial
Láminas del condensador
z 
2r
Diafragma
4 S
S: tensión
radial
p
Substrato
– Pueden soportar sobrepresiones mucho mayores
que la correspondiente al fondo de escala
Área de Tecnología Electrónica
+
+
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Sensores Capacitivos
Humedad
C  C 0 1    RH

– C0: algunos cientos de pF typ.
– : entre 0,5 y unos pocos pF por %RH
– Tiempos de respuesta de decenas de s. A min.
• HS1100/1001
de Humirel
Área de Tecnología Electrónica
+
+
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Sensores Capacitivos
Aceleración
M
kx  ma
Aplicaciones
a
k
fn f
Respuesta en
frecuencia
x
Muelle
MEMS “Micro-ElectroMechanical Systems”
Ej. ADXL250 de Analog (42 elementos)
M
Placa
móvil
Muelle
Placas fijas
Área de Tecnología Electrónica
Aceleració
n
+
+
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Sensores Capacitivos
Detectores de presencia
Ca
Placa
C1
Placa
C1
Medida de
capacidad
Tierra
Tierra
Medida de
capacidad
Cb
Detectores táctiles
Silicio
Condensador
Substrato de
cristal
Área de Tecnología Electrónica
+
+
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Sensores Capacitivos
• Medidas por comparación
C
Uac
Us 
R
Us
R  j C
1  R  j C
U ac
U s  R  j  C  U ac
si R  j  C  1
Con 10 veces el error es ya pequeño
• Amplificador de carga
R2
C1+C
Udc
Salida
C2
R1
Us
No influyen las capacidades de conexión
Área de Tecnología Electrónica
Frecuencia de
corte inferior
Frecuencia de
corte superior
Us  
fi 
fs 
U dc   C
C2
1
2    R1  C1
1
2   R2 C2
+
+
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Sensores Capacitivos
Conversión de la señal alterna a continua
Up
Media
onda
Rectificador precisión
(media o doble onda)
Filtro pasa bajos (extrae
valor medio)
R
Área de Tecnología Electrónica
R
R
Rectificador
precisión de
onda completa
R/2
Up

2 Up
Onda
Um 
completa

Rectificador precisión
de media onda
R
Um 
Otras opciones
– Valor de pico
(ej. PK01 de
Analog Devices)
– Valor eficaz
(ej. AD636 de
Analog Devices)
+
+
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Sensores inductivos
• Bobinas
 
 H d l 
Modelo del toroide equivalente
 NI
H 1  l e  H 2  g  NI
B   H
Ae
B1

I
N
g
 le 
B2
0
 g  NI
 
  B  Ae
  le
g 

  NI

A e   e
 0 
L 
le
Área de Tecnología Electrónica
R 
1  g
le 



A e   0
 
 BdS
L 
Ae N
g
0

N 
I
2
le

L 
2
N
R
+
+
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Sensores inductivos
• Bobinas
N
x
x
a
a
a-x
a+x
Diferenciales
Área de Tecnología Electrónica
+
+
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Sensores inductivos
Proximidad
– Distancias hasta
algún cm. máx
– Materiales
ferromagnéticos
Anillo
Área de Tecnología Electrónica
Cilíndricos
Rectangulares
+
+
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Sensores inductivos
Basados en corrientes Foucault
 

 f
–
–
–
–
: profundiad de penetración
f: frecuencia
: permeabilidad
: resistividad
• No se requieren materiales magnéticos
• Frecuencia de trabajo 1MHz típ.
• Distancias de 0,25 a 30 mm (resolución hasta 0.0001 mm)
Área de Tecnología Electrónica
+
+
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Sensores inductivos
Acondicionamiento (L variable)
• Medida por comparación
R1
C1
R3
R2 Puente de
Maxwell
Lx
Rx
L x  R 2 R 3C 1
Rx 
R 2R 3
Puente de Hay
R1
R2
C1
R 2 R 3C 1
Lx 
1   C1 R1
2
R3
Rx
R1
Rx 
Q 
Ue
R
R
Us
Rx
L-L
2
1   C1 R1
 Lx
• Circuitos de acondicionamiento
– Similar a los capacitivos
– Medidas en puente
– Integración en el oscilador (muy
habitual en proximidad)
2
 C 1 R 1R 2 R 3
2
Lx
2
2
2
2
Más
adecuado
para Q>10
Us 
L+L
L
2 L0
Ue
Ej. diferencial
Área de Tecnología Electrónica
+
+
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Sensores inductivos
•
Transformador diferencial de variación lineal
Linear Variable Differential Transformer
RVDT: Rotary Variable Differential Transformer
Uexc
Uexc
U1
U2
U1
U2
U1-U2
U1-U2
U1
Uex
Uexc
U2
Área de Tecnología Electrónica
U1
c
U1-U2
U2
+
+
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Sensores inductivos
LVDT
• Transformador diferencial de variación lineal
U1
Uex
Uex
Uex
Uex
Uex
c
c
c
c
c
U2
U1
U2
U1
U2
U1
U2
U1
U2
Uexc
U1
-U2
U1-U2
Área de Tecnología Electrónica
+
+
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Sensores inductivos
LVDT
• Excitación: Fuente senoidal 1-10kHz de unos pocos V con baja
distorsión armónica (<2-3%) y baja variación con la temperatura
• Rozamiento muy bajo
• Coste relativamente bajo
• Muy fiable
• Linealidad muy elevada hasta el 0,05%
• Alcances desde mm. Hasta algunas decenas de cm.
• Buena estabilidad
• Sensibilidad 0,02mV/V/0,001cm a 5mV/V/0,001cm
• Tiempo de respuesta relativamente pequeño
• Frecuencia máxima 2kHz (resonancia)
• Variación con la temperatura 12 ppm/°C. (Potenciómetros 20-40
ppm/°C)
Área de Tecnología Electrónica
+
+
UNIVERSIDAD D
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Sensores inductivos
LVDT
Ue
U1
Desp.
positivo
U2
Desp.
negativ
o
U1
Usalida=U1-U2
U2
U1
Usalida=U1-U2
U2
Se pierde el sentido
Área de Tecnología Electrónica
+
+
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Sensores inductivos
LVDT
U s  U e (T )K T U 1  U 2 G
Ue
Us
Desm.
(G)
Desm.
Ue
Desm.
Desm.
Divisor
(G)
Desm.
Us
Us
Divisor
(G)
U e (T )
U s  K T U 1  U 2 G
U e (T )K T U 1  U 2 
Ue
U e (T )K T U 1  U 2 
Ejemplos
– AD598 de Analog Devices
+
U e (T )K T U 1  U 2 
Us 
Área de Tecnología Electrónica
U1  U 2
U1  U 2
G
+
+
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LVDT-Aplicaciones
Área de Tecnología Electrónica
+
+
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