Transductores Eléctricos

Transductores   

Los transductores son aquellas partes de una cadena de medición que transforman una magnitud física en una señal eléctrica. Los transductores son especialmente importantes para que los medidores puedan detectar magnitudes físicas. Normalmente, estas magnitudes, como por ejemplo temperatura, presión, humedad, del aire, presión sonora, caudal, o luz, se convierten en una señal normalizada (p.e. 4 ... 20 mA). Las ventajas de la transformación son por un lado la flexibilidad, ya que muchos medidores soportan la transformación de señales normalizadas.

Los transductores son utilizados en complejos diseños aeroespaciales y artículos de uso cotidiano del hogar. Algunos controlan la presión, como en los diseños de aviones. Otros convierten la energía eléctrica en sonido u ondas de luz. Existen transductores que miden la energía o fuerza, y otros sirven sólo como un medio para transformar energía de una forma a otra. Los transductores ultrasónicos, de pastilla magnética y eléctricos convierten energía de una forma a otra, ya sea que midan datos o no.

De este modo, un transductor es, simplemente, un dispositivo que proporciona una salida utilizable en respuesta a una magnitud física, propiedad o condición específica que se desea medir. Generalmente
 

se trata de un dispositivo utilizado para convertir un fenómeno físico en una señal eléctrica.
Los transductores se conocen con nombres diferentes en las distintas disciplinas técnicas:
sensores (de presión, de fuerza, de temperatura), detectores, galgas, captadores, sondas, etc.  

En el caso de los transductores que proporcionan como salida una señal eléctrica, se pueden distinguir genéricamente las siguientes partes: 

• Sensor (o sonda), en contacto con la magnitud física.
• Mecanismos auxiliares.
• Captador, que proporciona una cierta señal eléctrica.
• Preamplificador o acondicionador de la señal. 

¿Qué se intenta medir? 

=  Magnitud

¿Cuál es el principio operativo de la porción eléctrica del transductor con en el que se origina la salida? 

=  Principio de transducción.

¿Qué elemento del transductor responde directamente a la magnitud que se mide? 

=  Elemento sensor.

Principales características

• Rango de operación.
• Sensibilidad.
• Compatibilidad ambiental: temperatura, presiones, tamaño, restricciones de montaje...
• Robustez.
• Características eléctricas de la señal de salida.

A partir de la descripción anterior surge una primera clasificación de los transductores: según el método de transducción o según la variable que son capaces de medir. A nivel introductorio,parece más apropiada una clasificación atendiendo al primero de los criterios. 

El grupo más importante de transductores es quizás el de parámetro variable, que secaracterizan por proporcionar una salida relacionada con la variación de un determinado parámetroeléctrico pasivo, originada a su vez por la variación del fenómeno físico que se desea medir. Son degran robustez y simplicidad de construcción.

Por otra part, se puede definir los transductores llamados activos o autogeneradores, queson aquéllos que producen una señal eléctrica (sin necesidad de alimentación externa) cuando sonestimulados por alguna forma física de energía: electromagnéticos, piezoeléctricos, fotovoltaicos,termoeléctricos. Aquéllos que necesitan de algún elemento adicional en la transducción, son lostransductores pasivos. 

TRANSDUCTORES DE PARAMETRO VARIABLE

CAPACITIVOS: convierten un cambio de la magnitud a medir en un cambio de capacidad.

Dado que la capacidad de un condensador de placas paralelas es aproximadamente proporcional a (ε . A)/d, variando cualquiera de estas cantidades se obtiene un cambio en la capacidad: por tanto, puede ocasionarse por el movimiento de uno de los electrodos,  acercándose o alejándose del otro (variación de "d"); por la variación del área de las placas ("A") o por cambio del dieléctrico situado entre las dos placas ("ε"). Suelen emplearse para medir desplazamientos o como indicadores de nivel de líquido (dieléctrico variable).  

RESISTIVOS: convierten un cambio en la magnitud a medir en un cambio en la resistencia.
 

Los cambios en la resistencia pueden realizarse por diferentes medios, como por movimientos en el contacto móvil de un reostato, por aplicación de esfuerzos mecánicos, por cambios de temperatura, etc.
Potenciométricos: convierten un cambio en la magnitud a medir en un cambio en la relación de tensiones (divisor de tensión), mediante un cambio en la posición de un contacto móvil sobre un elemento resistivo en cuyos bordes se ha aplicado una excitación. Se utilizan para medir desplazamientos tanto lineales como angulares. Son pasivos.

Galgas extensiométricas: son un ejemplo de transductores pasivos que usan la variación de la resistencia eléctrica de los hilos como mecanismo capaz de detectar las fuerzas a que son sometidos.
 

Si a un hilo conductor se le somete a un esfuerzo de tracción, se alarga, aumentando su longitud proporcionalmente a la carga aplicada (mientras no se supere el límite elástico del material). Simultáneamente, con este aumento de longitud hay una ligera reducción de la sección transversal del hilo y dado que la resistencia de un conductor es R = ro*L/S (donde ro es la resistividad del material), ambos factores contribuyen al aumento de la resistencia del material. Habría que añadir también el efecto piezorresistivo.
 

Consisten normalmente en un hilo resistivo doblado en forma de rejilla, que se suele pegar al objeto en el que se van a medir esfuerzos y deformaciones. Las aplicaciones de las galgas son numerosas: puentes, grúas, vigas, edificios, etc. y las medidas se suelen hacer con algún tipo de puente de Wheatstone, en el que uno, dos o incluso los cuatro brazos son galgas. Como las variaciones de deformación son dinámicas, al puente se le hace trabajar en modo "no equilibrado", esto es, se obtiene una salida proporcional a la variación de resistencia de la galga.

Termorresistivos: todo este grupo de transductores se basan en el principio físico de variación de resistencia con la temperatura. Sin embargo, en función de que los materiales usados sean metales o semiconductores, el comportamiento de los mismos es bastante diferente.
 

Los termómetros de resistencia se basan en el principio de que la resistencia de un metal
varía con la temperatura de acuerdo con la ecuación:
R = R0(1 + a1T + a2T2 + a3T3+ ... +anTn)
 

Esta ecuación pasa a ser lineal si todos los términos en T2 y de potencias superiores se hacen despreciables. Esto es cierto para algunos metales sobre un limitado rango de temperaturas, de modo que en esos casos, la relación funcional pasa a ser:
R = R0(1 + αT) siendo α el coeficiente de temperatura.
 

El platino es uno de los metales en que esta relación es más lineal, y ello permite su utilización como patrón internacional de temperaturas entre -190°C y 660°C. Otros metales usados en aplicaciones que requieren una menor exactitud son el cobre (-200 a 260°C) y el níquel (-200 a 430°C).

En el campo de los semiconductores se han desarrollado sensores de temperatura constituídos por óxidos metálicos de cromo, cobalto, hierro, manganeso, níquel, etc. en los que la resistencia depende de la temperatura de acuerdo con la ecuación de Steinhart-Hart simplificada:
1/ T = 1/(ln R – A) – C
donde A y C son constantes del modelo, obtenidas por ajuste.

Como se puede observar en esta relación, existe un coeficiente de temperatura negativo, que da nombre a los dispositivos de este grupo, llamados NTC o termistores. Al tener un valor importante de este coeficiente de temperatura, se puede obtener una sensibilidad mayor que otros transductores.
 

Sus principales ventajas son su relativamente bajo coste y su pequeño tamaño. Como inconvenientes podíamos citar su bajo tiempo de respuesta, así como grandes tolerancias de fabricación. También señalar que la corriente que circula por la NTC debe ser baja para que la variación de la resistencia no sea debida a la disipación que genera la propia corriente (autocalentamiento).
 

Además de utilizarse en termometría, encuentran aplicaciones en circuitos de compensación térmica, para la estabilización de tensiones y corrientes.
 

Por otro lado, las PTC o resistencias de coeficiente de temperatura positivo, constituídas por elementos semiconductores de titanato de bario, se caracterizan por modificar su estructura cristalina a una cierta temperatura (50 a 140°C), correspondiéndole un cambio brusco en su resistencia. Por debajo de la temperatura crítica, la resistencia es baja (del orden de centenares de ohmios), y por encima de la misma, la resistencia es muy alta (del orden de decenas de megaohmios).
 

Este comportamiento las hace fundamentalmente útiles en la detección de umbrales de temperatura, es decir, se comportan como interruptores que se abren y se cierran en las proximidades de esa temperatura umbral.

Fotorresistivos o fotoconductores: convierten un cambio de la iluminación incidente sobre el
material en un cambio de la resistencia (o conductancia) de dicho material.

Las LDR son elementos sensibles a la radiación de determinada longitud de onda, que disminuyen su resistencia conforme aumenta la luminosidad incidente sobre ellas, pasando por ejemplo desde 1000Ω hasta unos 100MΩ (resistencia en la oscuridad). Encuentran aplicaciones en fotografía, aparatos de televisión, sistemas de iluminación, detectores de presencia, etc.

Son también sensores muy sensibles y como incovenientes podíamos citar su gran dependencia con la temperatura para bajas iluminaciones y su lentitud de respuesta ante una fuerte variación de la radiación luminosa.
 

Dentro de este grupo se puede incluir también el fotodiodo, aunque se estudiará dentro del tipo de transductores activos como generador fotovoltaico.

INDUCTIVOS: convierten un cambio de la magnitud en un cambio de la autoinductancia de un devanado único. La inductancia de una bobina depende de la manera en que las líneas de flujo magnético atraviesen sus arrollamientos.
 

Los cambios de inductancia pueden efectuarse mediante el movimiento de un núcleo ferromagnético interior al devanado (permeancia variable) o mediante cambios de flujo introducidos externamente en un devanado con un núcleo fijo (reluctancia variable). Estos cambios de inductancia se pueden medir como un cambio de amplitud en un puente de impedancias, o bien como un cambio de la frecuencia de resonancia de un circuito oscilante.

TRANSDUCTORES ACTIVOS

ELECTROMAGNETICOS: convierten un cambio de la magnitud a medir en una fuerza electromotriz (tensión de salida) inducida en un conductor, debida a un cambio en el flujo magnético en ausencia de excitación (basados en la ley de inducción de Lenz). El cambio en el flujo magnético se realiza usualmente por un movimiento relativo entre el electroimán y un imán o porción de material magnético. Dos típicos ejemplos de este tipo de transductores son los tacómetros (o tacogeneradores) de continua y alterna, tal y como se puede observar en las figuras de abajo. 

FOTOVOLTAICOS: son transductores activos que convierten un cambio de la iluminación incidente sobre una unión semiconductora en un cambio en la tensión generada en dicha unión. El ejemplo más típico es el de las células solares fotovoltaicas (fotodiodos).
 

FOTOELECTRICOS: convierten la radiación incidente sobre algunos materiales (metales) en emisión de electrones, que pueden configurar una corriente eléctrica, añadiendo un generador externo y una resistencia.

TERMOELECTRICOS: convierten la diferencia de temperatura existente entre las uniones de dos materiales distintos seleccionados, en un cambio en la fuerza electromotriz generada (efecto Seebeck). 

PIEZOELECTRICOS: convierten un cambio en la magnitud a medir en un cambio en la carga electrostática o tensión generada por ciertos materiales (algunos cristales como el cuarzo y materiales cerámicos) cuando se encuentran sometidos a un esfuerzo mecánico (fuerzas de cizalladura,tensión o compresión). También se da el fenómeno inverso, es decir, cuando se aplica una tensión eléctrica a un material piezoeléctrico, se obtiene una deformación. Se suelen utilizar en aplicaciones dinámicas (acelerómetros sísmicos), si bien este principio se puede utilizar en cualquier situación en la que la variable a medir se pueda convertir en una fuerza que resulte en la deformación de un cristal adecuado.

OTROS TIPOS DE TRANSDUCTORES

Dentro de este último apartado, vamos a describir algunos transductores que por su naturaleza no encajan en los grupos anteriormente estudiados, pero que por sus numerosas aplicaciones, interesa conocerlos.

TRANSDUCTORES DIGITALES

En el sentido estricto, este tipo de transductores deberían medir una magnitud física y producir a la salida un código digital. Ya que pocos dispositivos dan una salida digital en  respuesta a un fenómeno natural, es difícil encontrar transductores puramente digitales, quizás los codificadores digitales (encoders) serían la mejor excepción. Sin embargo, son más numerosos los transductores que producen un tren de pulsos digitales en respuesta a un determinado fenómeno físico, son los llamados transductores cuasi-digitales.
 

La medida de posiciones lineales y angulares (codificadores de posición) ha sido hasta el momento el campo con más desarrollos de transductores digitales, pudiendo distinguir entre los codificadores incrementales, que son del tipo cuasi-digital, y los codificadores absolutos, que son puramente digitales.

Codificadores incrementales

Un codificador incremental está basado en un elemento lineal o un disco que se desplaza solidario al objeto cuya posición se desea determinar. Dicho elemento está constituído por patrones de dos tipos (caracterizados por propiedades diferentes), dispuestos de forma alternativa y equidistante. De este modo, un incremento de posición produce un cambio definido en la salida, que se detecta mediante algún dispositivo sensor o cabeza de lectura, capaz de discernir esa propiedad cambiante con la posición.

Codificadores absolutos.
Este tipo de codificadores, a diferencia de los incrementales, proporcionan una salida digital
de un determinado número de bits, relacionada directamente con la posición absoluta del desplazamiento.

TRANSDUCTORES DE ALCANCE
 

Los transductores de alcance (range transducers) proporcionan una técnica muy usada de medidas de desplazamientos lineales de un cuerpo respecto de algún límite fijo. La característica común de estos sistemas es que cuentan con un emisor de energía, un detector de energía y un medio electrónico de medida del "tiempo de vuelo" de la energía entre el emisor y el detector. La forma de energía puede ser tanto ultrasonidos como luz.
 

En sistemas de ultrasonidos, la energía es transmitida en forma de trenes de pulsos de alta
frecuencia (por encima de los 20KHz, límite de las audibles) y suelen emplear cerámicas piezoeléctricas, tanto para generadores como para receptores. Normalmente se usan para medidas de hasta unos 5 ó 10 metros (en el aire). Debido a las dificultades en la medida del tiempo de vuelo con suficiente resolución, estos sistemas no son muy utilizados para distancias menores de 300mm.

Los ultrasonidos encuentran también aplicaciones en: detección de presencia, sonar, medida de nivel de líquidos, aplicaciones médicas, formación de imágenes, etc.
 

En sistemas ópticos suele trabajarse con un fuente de luz láser. La alta velocidad de la luz en el aire, permite obtener medidas de larga distancia con una resolución razonable  (telémetro láser).