【Principios de los sensores】Principio de funcionamiento de los sensores de presión y sus aplicaciones

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Este mensaje fue modificado por última vez por Wang Tianze el 22-3-2016 a las 15:46. Principios de funcionamiento y aplicaciones de los sensores de presión – Reproducido. Los sensores de presión son uno de los tipos de sensores más utilizados en la práctica industrial. Se emplean ampliamente en diversos entornos de control automático industrial, como en sectores como la energía hidroeléctrica, el transporte ferroviario, los edificios inteligentes, el control automático de la producción, la industria aeroespacial, la industria militar, la petroquímica, los pozos petroleros, la generación de energía eléctrica, la construcción naval, las máquinas herramienta y las tuberías. A continuación, se presenta una breve descripción de los principios de funcionamiento y aplicaciones de algunos de estos sensores más comunes. 1. Principio y aplicaciones de los sensores de presión a base de strain gauges. Existen numerosos tipos de sensores mecánicos, como los sensores de presión a base de resistencias strain gauge, los sensores de presión a base de semiconductores, los sensores de presión piezorresistivos, los sensores de presión inductivos, los sensores de presión capacitivos, los sensores de presión por resonancia, así como los sensores de aceleración capacitivos. Pero el más utilizado es el sensor de presión piezorresistivo, que cuenta con un precio muy bajo, una alta precisión y buenas características lineales. A continuación, presentaremos principalmente este tipo de sensores. Al conocer los sensores de fuerza piezorresistivos, primero debemos familiarizarnos con este tipo de componente: la placa de resistencia deformable. La galga extensométrica es un dispositivo sensible que convierte los cambios de deformación en la pieza a medir en una señal eléctrica. Es uno de los componentes principales de los sensores de deformación piezorresistivos. Los tipos de sensores de deformación por resistencia más utilizados son los sensores de metal y los sensores de semiconductor. Las galgas extensométricas metálicas se dividen en dos tipos: las de tipo filamento y las de tipo hoja metálica. Por lo general, las galgas extensométricas se fijan firmemente al sustrato que experimenta deformaciones mecánicas, mediante un adhesivo especial. Cuando el sustrato es sometido a fuerzas y se producen cambios en la tensión, las galgas extensométricas también se deforman, lo que hace que cambie su valor de resistencia. Como resultado, la tensión aplicada a dichas galgas también varía. El cambio en la resistencia que se produce en estos sensores de deformación cuando están sometidos a fuerzas suele ser pequeño. Por lo general, estos sensores forman parte de un puente de deformación; posteriormente, la señal se amplifica mediante un amplificador de instrumentos, y luego se transmite al circuito de procesamiento (generalmente un convertidor A/D y una CPU) para su visualización o para actuar sobre algún mecanismo. Estructura interna de las galgas extensométricas metálicas. Una galga extensométrica está compuesta por un material base, hilos o láminas metálicas sensibles a las deformaciones, una capa aislante y cables de conexión. Dependiendo del uso, el valor de resistencia de las galgas extensométricas puede ser diseñado por el fabricante. Sin embargo, es necesario tener en cuenta que si el valor de resistencia es demasiado bajo, la corriente necesaria para su funcionamiento será muy alta. Además, el calor generado por las galgas puede elevar su temperatura a niveles excesivos. En diferentes entornos, el valor de resistencia de las galgas puede cambiar significativamente, lo que provoca una desviación en el punto cero de salida. Por ello, los circuitos de ajuste del punto cero resultan ser demasiado complejos. Además, la resistencia es demasiado alta, la impedancia también es elevada, y su capacidad para resistir las interferencias electromagnéticas externas es deficiente. Por lo general, están entre unos pocos decenas de ohmios y unas pocas decenas de miles de ohmios. Principio de funcionamiento de las galgas extensométricas de resistencia. El principio de funcionamiento de las galgas extensométricas de resistencia metálicas consiste en el fenómeno por el cual la resistencia eléctrica, que está adherida al material base, varía debido a las deformaciones mecánicas; este fenómeno se conoce popularmente como efecto extensométrico de resistencia. El valor de la resistencia de un conductor metálico puede expresarse mediante la siguiente fórmula:
Donde:
ρ – Resistividad del conductor metálico (Ω·cm²/m)
S – Área transversal del conductor (cm²)
L – Longitud del conductor (m)

Tomemos como ejemplo la resistencia de un alambre metálico cuando este está sometido a una fuerza externa. En ese caso, tanto su longitud como su área transversal cambian. Como se puede ver fácilmente en la fórmula, el valor de la resistencia también cambia. Si el alambre se alarga debido a una fuerza externa, su longitud aumenta, mientras que su área transversal disminuye; por lo tanto, el valor de la resistencia aumenta. Cuando el alambre se comprime bajo la acción de una fuerza externa, su longitud disminuye y su sección transversal aumenta; por lo tanto, su valor de resistencia disminuye. Basta con medir la variación en la resistencia aplicada (generalmente, se mide la tensión entre los extremos de la resistencia) para conocer el grado de deformación del alambre sometido a estrés. 2. Principio y aplicaciones de los sensores de presión de cerámica. Los sensores de presión de cerámica resistentes a la corrosión no requieren la presencia de líquidos; la presión actúa directamente sobre la superficie frontal de la membrana de cerámica, lo que provoca una ligera deformación en dicha membrana. Las resistencias de capa gruesa están impresas en el lado posterior de la membrana de cerámica, formando así un puente de Wheatstone (puente cerrado). Gracias al efecto piezorresistivo de estas resistencias, se genera una señal eléctrica que es directamente proporcional a la presión, además de ser proporcional también a la tensión de alimentación. La señal estándar se define según el rango de presión, siendo valores como 2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V. Estos sensores pueden ser compatibles con los sensores basados en deformación. Gracias a la calibración láser, el sensor cuenta con una alta estabilidad térmica y temporal. Incluye una compensación de temperatura automática para un rango de 0 a 70 °C, y puede entrar en contacto directo con la gran mayoría de los medios. La cerámica es un material reconocido por su alta elasticidad, resistencia a la corrosión, al desgaste, a los impactos y a las vibraciones. Las propiedades de estabilidad térmica de la cerámica, junto con su resistencia de película gruesa, permiten que funcione en un rango de temperaturas que va desde -40 hasta 135 °C. Además, ofrece una alta precisión y estabilidad en las mediciones. Grado de aislamiento eléctrico > 2 kV, señal de salida fuerte y buena estabilidad a largo plazo. Los sensores cerámicos, con altas prestaciones y bajo precio, serán la dirección de desarrollo de los sensores de presión. En Europa y América hay una tendencia a reemplazar completamente a otros tipos de sensores; en China, cada vez más usuarios optan por utilizar sensores cerámicos en lugar de sensores de presión de silicio difuso. 3. Principio y aplicaciones de los sensores de presión de silicio difuso. Principio de funcionamiento: La presión del medio a medir actúa directamente sobre la membrana del sensor (hecha de acero inoxidable o cerámica), lo que provoca un pequeño desplazamiento en dicha membrana, proporcional a la presión del medio. Este desplazamiento hace que cambie el valor de resistencia del sensor. Las circuitos electrónicos detectan este cambio y lo convierten en una señal de medición estándar que corresponde a esa presión. 4. Principio y aplicaciones del sensor de presión de zafiro: Utiliza el principio de funcionamiento basado en resistencias variables; emplea silicio-zafiro como elemento semiconductor sensible, lo que le confiere características de medición incomparables. El zafiro está compuesto por elementos aislantes en forma de cristal único; no presenta fenómenos de retraso, fatiga ni fluencia ； El zafiro es más resistente que el silicio, tiene una mayor dureza y no se deforma fácilmente ； El zafiro posee excelentes propiedades de elasticidad y aislamiento (hasta 1000 °C). Por lo tanto, los componentes semiconductores fabricados con silicio y zafiro no son sensibles a los cambios de temperatura; incluso en condiciones de alta temperatura, mantienen buenas características de funcionamiento ； Las propiedades de resistencia a la radiación del zafiro son extremadamente altas ； Además, los componentes semiconductores de silicio-zafiro no presentan derivação p-n; por lo tanto, se simplifica significativamente el proceso de fabricación, se mejora la reproducibilidad y se garantiza una alta tasa de productos terminados. Los sensores de presión y transmisores fabricados con componentes semiconductores de silicio-zafiro pueden funcionar adecuadamente en las condiciones de trabajo más extremas. Además, ofrecen alta fiabilidad, precisión excelente, errores de temperatura mínimos y una buena relación calidad-precio. Los sensores y transmisores de presión manométrica están compuestos por dos membranas: una membrana de medición hecha de aleación de titanio y una membrana receptora también hecha de aleación de titanio. Las láminas de zafiro impresas con circuitos de puente eléctrico sensibles a las tensiones de epitaxia heterogénea se sueldan a la membrana de medición hecha de aleación de titanio. La presión a medir se transmite a la membrana receptora (la cual está conectada de manera firme a la membrana de medición mediante barras de sujeción). Bajo la acción de la presión, la lámina de la aleación de titanio se deforma. Esta deformación es detectada por los sensores de silicio-zafiro, lo que provoca un cambio en la salida del puente eléctrico. La magnitud de este cambio es proporcional a la presión medida. El circuito del sensor permite garantizar el suministro de energía al circuito del puente de deformación, y convierte las señales de desequilibrio del puente de deformación en una señal eléctrica uniforme (0-5, 4-20 mA o 0-5 V). En los sensores y transmisores de presión absoluta, las láminas de zafiro, unidas al soldador de vidrio a base de cerámica, actúan como elementos elásticos. Estos elementos convierten la presión a medir en deformaciones en las hojas de strain gauge, lo que permite realizar la medición de la presión. 5. Principios y aplicaciones de los sensores de presión piezoeléctricos. Los materiales piezoeléctricos que se utilizan principalmente en estos sensores incluyen cuarzo, tartrato de potasio y sodio, y amonio dihidrogenofosfato. El cuarzo (dióxido de silicio) es un cristal natural. El efecto piezoeléctrico se descubrió en este tipo de cristales. Dentro de cierto rango de temperaturas, las propiedades piezoeléctricas persisten; pero cuando la temperatura supera ese rango, estas propiedades desaparecen por completo (esta temperatura alta se conoce como “punto Curie”). Dado que el campo eléctrico cambia ligeramente con los cambios en la tensión (es decir, el coeficiente piezoeléctrico es relativamente bajo), el cuarzo ha sido reemplazado gradualmente por otros cristales piezoeléctricos. Por su parte, el tartrato de potasio y sodio tiene una alta sensibilidad piezoeléctrica y un coeficiente piezoeléctrico elevado, pero solo puede ser utilizado en ambientes a temperatura ambiente y con baja humedad. El diammoniuro de difosfato es un cristal sintético que puede soportar altas temperaturas y una humedad considerable, por lo que se ha utilizado ampliamente. Actualmente, el efecto piezoeléctrico también se aplica en policristales, como las cerámicas piezoeléctricas actuales, que incluyen las cerámicas piezoeléctricas de titanato de bario, PZT, las cerámicas piezoeléctricas a base de niobato y las cerámicas piezoeléctricas de plomo-níobato-magnesio, entre otras. El efecto piezoeléctrico es el principio de funcionamiento principal de los sensores piezoeléctricos. Estos sensores no pueden utilizarse para mediciones en estado estático, ya que la carga generada por una fuerza externa solo se mantiene si la impedancia de entrada del circuito es infinitamente alta. La realidad no es así, por lo que esto determina que los sensores piezoeléctricos solo puedan medir las tensiones dinámicas. Los sensores piezoeléctricos se utilizan principalmente en la medición de la aceleración, la presión y la fuerza. El sensor de aceleración piezoeléctrico es un tipo de acelerómetro muy utilizado. Cuenta con excelentes características como estructura sencilla, tamaño reducido, peso ligero y larga vida útil. Los sensores de aceleración piezoeléctricos se han utilizado ampliamente en la medición de las vibraciones y los impactos en aviones, automóviles, barcos, puentes y edificios. En particular, ocupan un lugar especial en los campos de la aviación y la astronáutica. Los sensores piezoeléctricos también pueden utilizarse para medir la presión de combustión en el interior del motor, así como el nivel de vacío. También se puede utilizar en la **industria; por ejemplo, para medir los cambios en la presión dentro del cañón en el momento en que se dispara una bala, así como la presión de las ondas de choque en la boca del cañón. Puede utilizarse tanto para medir presiones elevadas como para medir presiones muy bajas.