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Circuitos acondicionadores de sensores

Tema 15 - 1

E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo

Departamento de Tecnología Electrónica

SENSORES Y ACONDICIONADORES

TEMA 15 (1)

CIRCUITOS ACONDICIONADORES DE SENSORES ANALÓGICOS

CIRCUITOS ADAPTADORES Y AMPLIFICADORES

Profesores: Enrique Mandado PérezAntonio Murillo Roldan


Tema 15 - 2



Se denominan acondicionadores los circuitos que con vierten una característica del elemento sensor en una señal eléc trica analógica, digital o temporal.

Se puede considerar también que forman parte del ci rcuito acondicionador los circuitos convertidores que prop orcionan variables que pueden ser memorizadas en un procesador digital . Algunos autores los denominan circuitos electrónicos de interfaz ( Interface electronic circuits ) porque están situados entre uno o mas sensores y u n procesador digital.

Los circuitos acondicionadores están formados por u no o más de los siguientes tipos de circuitos:

� Circuitos adaptadores

� Circuitos amplificadores

� Circuitos de excitación

� Circuitos convertidores de parámetro y formato

DEFINICIÓN


Tema 15 - 3



TIPOS DE CIRCUITOS ACONDICIONADORES






Tema 15 - 4



Se denominan adaptadores a los circuitos que convie rten el cambio de una resistencia, una capacidad o una inductancia en una tensión eléctrica.El conjunto formado por el elemento sensor y el cir cuito adaptador constituye un sensor modulador o pasivo.

Principales circuitos adaptadores:

- Divisor de tensión

- Puente de medida

CIRCUITOS ADAPTADORESDEFINICIÓN


Tema 15 - 5



DIVISOR DE TENSIÓN

VZZ

ZVo

21

2

++++====V

VO

Z1

Z2

CA / CC

El método de medida basado en un divisor de tensión se denomina medida por deflexión.

CIRCUITOS ADAPTADORES


Tema 15 - 6



Se basan en la medida de la caída de tensión en bor nes de una resistencia, la corriente a su través o ambos valo res. El divisor resistivo es adecuado cuando la variación x de resistencia po r unidad de variación de la variable de entrada es elevada. Por el contrario, no es apropiado en sensores en los que las variaciones de la resistencia son pequeñas, porque exigen que se midan cambios muy pe queños de variables que poseen un valor medio muy elevado.

V

VO

Rr=R0(1+x)

R

Sensorresistivo

RRR

VVo

r+=

Vo

VoVRRr

−=

CIRCUITOS ADAPTADORESDIVISOR RESISTIVO DE TENSIÓN


Tema 15 - 7



Se utiliza fundamentalmente en potenciómetros (sin resistencia R de referencia), LDR y termistores.

En los termistores se puede linealizar la relación entre Vo y RT si se elige un valor adecuado de R.

Tio RR

RVTv

+=)(

α

=L

LRRL

00

Lio RR

RVLv

+=)(

R Vo

Vi

L NTC )11

(0

0

TTB

T eRR−

=

R

-tº

V i

V o

CIRCUITOS ADAPTADORESDIVISOR RESISTIVO DE TENSIÓN


Tema 15 - 8



El montaje diferencial cancela el efecto de las imp edancias parásitas que pueden existir en paralelo con el sensor. Además la relación entre la tensión de entrada y la de salida es lineal, aunque existe un término fijo en la expresión de la tensión de salida.

x

x

V

Vs

++=

2

1

2

1 x

V

Vs +=

~V

Vs

)1(0 xZ −

)1(0 xZ +

Circuito diferencial

La relación Vs/V no es lineal La relación Vs/V es lineal

)1(0 xZ +~V

Vs

0Z

DIVISOR DE TENSIÓN DE ALTERNA



Tema 15 - 9



PUENTE DE WHEATSTONE

Puente de Wheatstonealimentado en tensión

)1(0 xRRr +=

Esta formado por dos divisores de tensión en parale lo y la tensión de salida es la diferencia entre las tensiones de salida de a mbos divisores.

Las RTD y las galgas extensiométricas son los sensor es resistivos típicos que utilizan el puente de Wheatstone.

El método de medida basado en un puente de Wheatsto ne se denomina medida por comparación.



Tema 15 - 10



Condición de equilibrio del puente:

Vs = 0 V1 = V2Operando

R1 R3 = R2 R4

R1 R2

R3R4

Vs = V1 - V2

V2V1

Ve

En puentes resistivos V e puede ser continua o alterna

CIRCUITOS ADAPTADORESPUENTE DE WHEATSTONE


Tema 15 - 11



Para valores pequeños de x :

x4

VeVs´ =

La sensibilidad del puente es:

4

x

dVe

dVsS ==

+2x

14

xVs = Ve

Salida ideal

10,5

-0,5-1

-0,25

-0,5

0,25

Vs/V

Salida real

Vs

R R

RR(1+x)V2

V1Ve

PUENTE DE WHEATSTONE RESISTIVO DE UN SOLO SENSOR



Tema 15 - 12



Ejemplo: M edida de temperatura mediante una RTD

)1(0 tRRt α+=

31

3

20

0

)1(

)1(

RR

RV

RtR

tRVVVV abO +

⋅−++

+⋅=−=α

α

RTD linealizada

Cuando V O es nulay Tª = 0ºC 31

3

20

0RR

R

RR

R

+=

+

)1()1( trr

trVVO α

α++⋅+

⋅⋅=

Se suele hacer R 1 = R2 = R = r R0 y R3 = R0

r=R/R0

2)1( +⋅⋅≈

r

trVVO

α

+T

+V

R1

RtR3

R2

Vsa b

CIRCUITOS ADAPTADORESPUENTE DE WHEATSTONE RESISTIVO DE UN SOLO SENSOR


Tema 15 - 13



Se suele hacer R 1=R2=R3=R

+−

+=

21

2

G3

3AB RR

RRR

REv

E

2∆R

R

14∆R

vAB

+=

E4

KεE

2Kε

1

14

KεvAB ≅

+=

εK∆R/R =

∆R+= RRG

K: factor de galgaε: deformación unitaria ( ∆L/L)

Ejemplo: Medida de fuerzas mediante una galga extensométrica

VAB

AB

R1 RG

R3R

2

E

PUENTE DE WHEATSTONE RESISTIVO DE UN SOLO SENSOR



Tema 15 - 14



LINEALIZACIÓN ANALÓGICA

Para obtener una tensión directamente proporcional a las variaciones de una de las resistencias se puede utilizar el circ uito de la figura.

x2

VeVs =

R R

R(1+X) R

Vs

-

+

Ve



Tema 15 - 15



PUENTE DE DOS SENSORES

Vs

R R(1+x)

RR(1+x)

VeV2

V1

R1 R3

+2x

12

xVs = Ve

Para valores de x pequeños

x2

VeVs´=


2x

dVedVsS ==

F F

F

GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS

En este caso la tensión Vs es:

2K ε VeVs =



Tema 15 - 16



PUENTE CON DOS GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS QUE COMPENSA N LAS VARIACIONES DE LA TEMPERATURA

V

R R(1-X)

R

Vs I2I1

R(1+X)R(t)

R(t)

R(1+X)

R(1-X)

R(t)(1+x)R(t) V

R

R(t) (1+X)

R

Vs I2I1

R(t)



Tema 15 - 17



x·Ve·Ve2R

x)R(1

2R

x)R(1Vs =

--

+=


xdVedVs

S ==

Vs = V1-V2

R(1-x) R(1+x)

R(1-x)R(1+x)

Ve V2V1

R(1+X)

R(1-X)

Galgas extensiométricas

En este caso la tensión Vs es:

K ε VeVs =

CIRCUITOS ADAPTADORESPUENTE DE CUATRO SENSORES


Tema 15 - 18



PUENTE RESISTIVO ACTIVO

Vs+

-

Ve

R1R2

R3

R4

VeR1 (R3 + R4)

R1·R3 - R2·R4Vs =

R3 + R4

R3VeV =+

R1 + R2

·R2(Ve - Vs)Vs-V +=



Tema 15 - 19



PUENTE RESISTIVO ACTIVO

Vex2

xVs

+=

Elemento sensor en R3 Elemento sensor en R2

2R

R - R(1 + x)Vs =

Si x es pequeño:

Ve2

xVs´ =

2x

S =

Si x es pequeño:

Ve2

xVs´ = -

2x

S = -

Ve +

-

RR

R(1+x)R

Vs +

-

Ve

RR(1+x)

RR

Vs



Tema 15 - 20



DIFERENTES COMBINACIONES DE RESISTENCIASEN LOS DIVISORES DEL PUENTE

Vs cte I cte

Rox

V2(2+x)

2

xV

V x I Ro x

Ro(1+x)

Ro

Ro

Ro(1+x)

Ro(1-x)

Ro(1-x)

Ro(1+x) Ro(1-x)

Ro(1-x)

Ro(1+x)

Ro(1+x)

Ro(1+x)

Ro(1+x)

Ro(1-x)

Ro(1+x)

Ro

Ro

Ro Ro

Ro

Ro

Ro

R1 R2 R3 R4

xV

2+x

2xV

4 - x2

2xV

-

4 - x2Ro

I Ro x/2

I Ro x/2

I Ro x/2

I Ro x 2/2

I Ro x/(x+4)

R1 R2

R3R4

Ve

Vs



Tema 15 - 21



VAB

EA B +

-

Para ajustar el nivel de la variable medida que pro duce una tensión de salida nula se puede utilizar un potenciómetro.


PUENTE DE WHEATSTONE CON AJUSTE DEL CERO


Tema 15 - 22



Se utiliza para eliminar la tensión fija que existe a la salida de un divisor de tensión, incluso cuando se basa en un sensor dif erencial. Si se utilizan brazos resistivos, sus capacidades parásitas introd ucen errores. Por ello se utilizan puentes de alterna con transformador (r amas inductivas) en los que la toma central se conecta a tierra, para que l as capacidades parásitas no influyan en el desequilibrio del puent e.

La estructura en puente hace que cualquier cambio d e las ramas adyacentes se cancele.

1 2o

1 2

C CVV

2 C C

−= ⋅+

xA

VVo ε

=

Condensador diferencial

(lineal)

C1

C2

Vo

V

N=1

CIRCUITOS ADAPTADORESPUENTE DE ALTERNA CAPACITIVO


Tema 15 - 23



El circuito en puente es el más adecuado cuando se utilizan topologías diferenciales. La salida es lineal en función de la variación deinductancia si la distribución es la de la figura. Si se sitúan las resistencias en las dos ramas inferiores se obtiene un puente de alterna no lineal, pero se logra una sensibilidad doble par a variaciones de L pequeñas.

t)sen(ωV2L

∆LVV m

0AB ⋅=−

V(t) = V m sen( ωωωωt)

L1 +L2 =2L o

Lo -∆∆∆∆L=L 1 R

AB

RLo +∆+∆+∆+∆ L=L 2

i L

CIRCUITOS ADAPTADORESPUENTE DE ALTERNA INDUCTIVO


Tema 15 - 24



TIPOS DE CIRCUITOS ACONDICIONADORES






Tema 15 - 25



CIRCUITOS AMPLIFICADORES

Son circuitos que amplifican la señal proporcionada por un circuito adaptador o por un elemento sensor generador.

En función de las características de las señales que se deben amplificar se pueden utilizar amplificadores operacionales de aplicación general, amplificadores operacionales de características mejoradas o amplificadores especiales, que se describen en los temas 13 y 14.


Tema 15 - 26



RTD con amplificador inversor

RTD con amplificador diferencial

SENSORES RESISTIVOS DE GRAN SENSIBILIDAD. EJEMPLO: RTD

Vs

+

-R1

+V

R1

Ro

+T

Rt

(b)

(t-to)RR

RVVs α⋅

+⋅−=

01

0

Ro = Rto

CIRCUITOS AMPLIFICADORES PARA SENSORES MODULADORES

+

-R1

Rt

Vs

+V

+T

(a)

R1

V RoVs −−−−==== [1 + α (t-to)]


Tema 15 - 27



CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES MODULADORES MEDIANTE CIRCUITOS ADAPTADORES Y

AMPLIFICADORES

Se suelen realizar mediante un puente de Wheatstone y un amplificador de instrumentación.

Ejemplo: Galga extensométrica ( Strain gage)

E

+

-

+

-

+

-

Amplificador de instrumentación

SENSORES RESISTIVOS DE PEQUEÑA SENSIBILIDAD


Tema 15 - 28



AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

La mayoría de los sensores suministran una señal muy pequeña (algunos mV). En este caso la señal que generan se debe amplifica r mediante un amplificador de instrumentación que, tal como se in dica en el tema 14, posee unas características que lo asemejan a un amplifica dor ideal:

- Impedancia de entrada muy alta (infinita) e impedancia de salida muy baja

(nula).

- Tensión de salida proporcional a la diferencia de te nsiones de entrada (e 2-e1)

- Ganancia constante y muy precisa (no hay no linealid ades).

- Ancho de banda “muy elevado".

e1

e2

-

+

-

E0 = G(e2-e1)G +



Tema 15 - 29



AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN (AI)+

-

+

-

+

-

R1

RG

R1

R2

R2

R3

R3

C

D

Vi-

Vi+

Vc

Vc

Vs

Configuración típica de un AI

Los terminales de entrada son las entradas no inversoras de los AOlo que proporciona una elevada i m p e d a n c i a d e e n t r a d a .

El tercer AO es un amplificador de modo diferencial y la ganancia global del conjunto se ajusta mediante la resistencia externa R G.

( )−+ −

+⋅=⋅= ii

GDCo vv

R

R

R

R

R

Rvv 1

2

3

2

3 21

La tensión de salida V 0 en función de la tensión entre los dos terminales d e entrada es:



Tema 15 - 30



La medida de la corriente se puede realizar midiend o directamente la

caída de tensión en una resistencia de valor elevad o (Figura a) o

realizando una conversión corriente-tensión mediant e un amplificador

de transimpedancia (Figura b). Los primeros presenta n problemas de

respuesta cuando el valor de la resistencia es muy elevado, por lo que

en general se utilizan convertidores corriente-tens ión.

CIRCUITOS AMPLIFICADORES PARA SENSORES GENERADORES

AMPLIFICADOR ELECTROMÉTRICO


Tema 15 - 31



APLICACIÓN DEL AMPLIFICADOR ELECTROMÉTRICO CON SENS ORES PIROELÉCTRICOS

Los sensores piroeléctricos poseen una elevada imped ancia de salida y proporcionan una

corriente muy pequeña, lo que hace necesario amplif icar la señal generada por ellos

mediante un amplificador de alta impedancia de entr ada (amplificador electrométrico).

El modo tensión se implementa con un seguidor de te nsión y el modo corriente mediante un

convertidor corriente-tensión. En el modo corriente la constante de tiempo puede ser menor

y se obtienen mejores tiempos de respuesta.

RG

CP vo

R fb

CP Vo

Cfb

iPiP

Modo tensión Modo corriente



Tema 15 - 32



AMPLIFICADOR DE CARGA

Es un circuito amplificador que se utiliza para sum inistrar una tensión

proporcional a la carga de un condensador (converti dor carga-tensión).

Su impedancia de entrada es un condensador lo que h ace que tenga una

elevada impedancia de entrada a baja frecuencia. Se implementa

mediante un amplificador de continua de característ icas electrométricas,

es decir, que tiene unas corrientes de polarización prácticamente nulas.



Tema 15 - 33



APLICACIÓN DEL AMPLIFICADOR DE CARGA CON SENSORES PIEZOELÉCTRICOS

En los sensores piezoeléctricos la utilización de l os amplificadores

electrométricos o de carga es imprescindible para r ealizar medidas

estáticas porque en ellas el sensor genera una ener gía que se disipa sin

utilizar un condensador externo. Esto hace que la s eñal de salida se

anule (hasta que se produce un nuevo cambio en la s eñal de entrada).

En general, los amplificadores de carga son la mejo r opción ya que para

obtener buenos resultados mediante amplificadores e lectrométricos es

necesario que estén situados próximos al sensor.



Tema 15 - 34



Mediante un amplificador de carga se consigue que la carga eléctrica Q, producida por una fuerza constante F aplicada al se nsor, se acumule en forma de tensión en el condensador C A. Esta tensión aparece directamente en la salida del amplificador con signo contrario, y se m antiene aunque la fuerza aplicada sobre el sensor permanezca constante. La c apacidad del sensor desaparece porque se cortocircuita virtualmente a m asa a través del amplificador.

F +

-

CA

Vo

R

ACQ

V ====

Q C +

-

CA

AA C

kF

C

QV

O=−=




Tema 15 - 35



Las tensiones de asimetría y las corrientes de pola rización del amplificador ocasionan una rápida disminución de la tensión en b ornes del condensador debida a la integración de los errores hasta llevar el ampli ficador a saturación. Debido a ello el circuito deja de amplificar la carga y la señal de salida no sigue a la de entrada. Para resolver este problema hay que garantizar que el co ndensador C A está descargado antes de iniciar la medida. Para ello se utiliza un interruptor que cortocircuita el condensador de forma permanente excepto durante el tiempo de medida.

F +

-

CA

Vo

CONTROL F

Vo

t

t

Intervalo de medida

(a) (b)

Para limitar los picos negativos de la tensión de salida se suele colocar una R en serie con la entrada aunque introduce retardos adicionales en la medida.



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