Sensor

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca

Un sensor és un dispositiu capaç de mesurar magnituds físiques o químiques, anomenades variables d'instrumentació i transformar-les en variables elèctriques. Les variables d'instrumentació poden ser per exemple: temperatura, intensitat lumínica, distància, acceleració, inclinació, desplaçament, pressió, força, torsió, humitat, pH, etc. Una magnitud elèctrica pot ser una resistència elèctrica (com en una RTD), una capacitat elèctrica (com en un sensor d'humitat), una Tensió elèctrica (com en un termoparell), un corrent elèctric (com en un fototransistor), etc. Aquest senyal pot ser llegit per un observador o instrument. La gran característica que tenen els sensors, és que són sensibles a determinats estímuls que, en captar-los i eventualment valorar-los, es transmeten com a senyal; anomenada variable d'instrumentació, a un altre dispositiu o sistema, que els utilitza com a informació, bé per a efectuar algun control, algun accionament, etc., bé per elaborar alguna taula, algun gràfic, etc. Alguns exemples de variables d'instrumentació són: temperatura, distància, acceleració, pressió, força, torsió, humitat... Els sensors són utilitzats en objectes quotidians com els botons d'ascensors sensibles al tacte, les pantalles d'ordinador i en alguns llums que podem agumentar o atenuar una llum. Hi ha inombrables aplicacions on hi ha sensors (vehicles, màquinaria industrial, indústria areoespacial, la medicina, la robòtica... Per exemple, en l'entorn industrial podem trobar diverses denominacions dels sensors segons la seva utilitat: sensors de pressió, sensors de força, detectors d'Infraroig, cel·les de càrrega, captadors de vibracions, sondes de temperatura, detectors de proximitat ...

Tenim dues maneres de classificar els tipus de senyals dels sensors:

  • Senyals analògics: que a grans trets té més qualitat que els digitals però també resultarà molt més car.
  • Senyals digitals: Al donar la informació en estats (0,1) és clar que perdem informació però surt més econòmic.

Una de les diferències que existeixen entre el transductor i un sensor, és bàsicament, que el sensor sempre està en contacte amb la variable que s'ha de mesurar o bé controlar.

L'energia és transformada en:

Un sensor es diferència d'un transductor en què el sensor simplement és un dispositiu que experimenta un canvi en resposta a un canvi a la variable de mesura. Un transductor utilitza el canvi esmentat per a transformar-ho en un senyal de sortida elèctrica. És un dispositiu que aprofita una de les seves propietats amb la finalitat d'adaptar el senyal que cal mesurar perquè la pugui interpretar un altre dispositiu. També podem dir que és un dispositiu que converteix una forma d'energia en una altra.

Parts d'un sensor[modifica | modifica el codi]

Un sensor està format per:

-Cos de prova: Element mecànic que reacciona davant d'una magnitud física determinada.

-Transductor: Tradueix les reaccions del cos en un senyal elèctric.

-Caixa: Element mecànic de protecció.

-Condicionador: Pot tenir diferents funcions(alimentació elèctrica, conformació del senyal de sortida, filtratge, correcció, conversió ...)

On s'utilitzen el sensors?[modifica | modifica el codi]

El sensors són utilitzats en objectes de la vida quotidiana com podria esser botons d'ascensor sensibles o en habitacions per detectar si hi ha moviment a la mateixa. Els sensors tenen moltes aplicacions que la majoria de la gent desconeix, com podria ser aplicacions en el món de la indústria aerospacial, la medicina la robòtica etc..

Els sensors poden estar connectats a un computador per obtenir avantatges com l'accés a una base de dades, l'obtenció de dades a partir d'aquest sensor...

Exemple de sensor de moviment

Per altra banda existeixen infinitat d'objectes que porten sensors de qualsevol tipus i estem envoltats contínuament. Un exemple bàsic podria ser el termòmetre digital que tothom té a casa. Amb les noves tecnologies cada cop existeixen més sensors. Un camp que fa servir molts sensors és el camp de la Domòtica el qual fa servir sensors de qualsevol tipus. Des de sensors de reconeixement d'empremta digital, reconeixement facial, de veu, sensors per pujar i baixar soles les persianes segons la quantitat de llum... Altres tipus de sensors són els que porten el cotxes com sensors de distància o d'ultrasons que ajuden l'aparcament, sensors de pluja que activen els eixugaparabrises, sensors de llum que encenen els llums del cotxe...

Classificació dels sensors[modifica | modifica el codi]

Els sensors es poden dividir en:

  • Passius: els quals necessiten un aport d'energia externa.
    • Resistius: són els quals transformen la variació de la magnitud a mesurar en una variació de la seva resistència elèctrica. Un exemple pot ser un termistor, que serveix per mesurar temperatures.
    • Capacitius: són els quals transformen la variació de la magnitud a mesurar en una variació de la capacitat d'un condensador. Un exemple és un condensador amb un material en el dielèctric que canviï la seva conductivitat davant la presència de certes substàncies.
    • Inductius: són els quals transformen la variació de la magnitud a mesurar en una variació de la inductància d'una bobina. Un exemple pot ser una bobina amb el nucli mòbil, que pot servir per mesurar desplaçaments.
  • Actius: els quals són capaços de generar la seva pròpia energia. De vegades també són denominats sensors generadors. Un exemple pot ser un transistor en el qual la porta se substitueix per una membrana permeable només a algunes substàncies, que pot servir per mesurar concentracions.

Resolució, precisió i sensibilitat[modifica | modifica el codi]

La resolució d'un sensor és el canvi més petit en la magnitud d'entrada que s'aprecia en la magnitud de sortida. Tanmateix, la precisió és el màxim error esperat en la mesura. La resolució pot ser de més petit valor que la precisió. Per exemple, si al mesurar una distància la resolució és de 0,01 mm, però la precisió és d'1 mm, llavors poden apreciar-se variacions en la distància mesurada de 0,01 mm, però no es pot assegurar que hi hagi un error de mesura menor a 1 mm. En la majoria dels casos aquest excés de resolució comporta un excés innecessari en el cost del sistema; per tant haurem de dimensionar correctament el sensor que necessitem. Un sensor mal dimensionat ens pot ocasionar (a part d'un augment en el preu), un mal funcionament. Tanmateix, la precisió no és possible d'un valor inferior a la resolució, perquè no pot assegurar-se que l'error en la mesura sigui més petit a la mínima variació en la magnitud d'entrada que pot observar-se a en la magnitud de sortida. La sensibilitat d'un sensor indica quan canvia la sortida del sensor en canviar la quantitat de mesura a l'entrada. Per exemple, si el mercuri d'un termòmetre es mou 1 cm quan els canvis de temperatura són d'1 °C, la sensibilitat és d'1 cm/°C. Els sensors que mesurin els canvis petits han de tenir la sensibilitat molt alta.

Entre el transductor i el microprocessador hi ha la interfísie que s'encarrega d'adequar aquest senyal elèctric. Aquestes interfísies poden ser dissenyades de forma més o menys intel·ligent. Quan més intel·ligents siguin, menor tasca processadora haurà de fer el microprocessador.

Característiques tècniques d'un sensor[modifica | modifica el codi]

  • Rang de mesura: domini de la magnitud mesurada en que es pot aplicare el sensor.
  • Precisió: és l'error de mesura màxim esperat.
  • Offset o desviació de zero: valor de la variable de sortida quan la variable d'entrada és nul·la. Si el rang de mesura no arriba a valors nuls de la variable d'entrada, habitualment s'estableix un altre punt de referència per a definir l'offset.
  • Lineabilitat o correlació lineal.
  • Sensibilitat d'un sensor: relació entre la variació de la magnitud de sortida i la variació de la magnitud d'entrada.
  • Resolució: mínima variació de la magnitud d'entrada que pot apreciarse a la sortida.
  • Rapidesa de resposta: pot ser un temps fix o dependre de quant variï la magnitud a mesurar. Depèn de la capacidat del sistema per a seguir les variacions de la magnitud d'entrada.
  • Repetitivitat: error esperat al repetir diverses vegades una mateixa mesura.

Un sensor és un tipus de transductor que transforma la magnitud que es vol mesurar o controlar, en una altra, que facilita la seva mida. Poden ser d'indicació directa (per exemple un termòmetre de mercuri) o poden estar connectats a un indicador (possiblement a través d'un convertidor analògic a digital, un ordinador i un display) de manera que els valors detectats puguin ser llegits per un humà.

Generalment, el senyal de sortida d'aquests sensors no és apte per la seva lectura directa i a vegades tampoc pel seu processat, pel que utilitzem un circuit d'acondicionament; com per exemple el pont de Wheatstone, amplificadors i filtres electrònics que adapten el senyal a nivells apropiats per la resta del circuit.

Errors de mesura i desviacions del sensor[modifica | modifica el codi]

Els sensors ideals obeeixen:

  • Són sensibles a la propietat de mesura
  • Són insensibles a qualsevol altra propietat
  • No influeix a la propietat de mesura
  • Són lineals (quocient entre el senyal de sortida i la propietat de mesura, ha de ser constant)

Els sensors no ideals tenen diverses desviacions:

  • La sensibilitat en la pràctica pot ser diferent del valor especificat. Això s'anomena un error de sensibilitat, però el sensor segueix sent lineal.
  • Atès que el rang del senyal de sortida és sempre limitada, el senyal de sortida arribarà a assolir un mínim o un màxim quan la propietat de mesura arribi als seus límits.
  • Si el senyal de sortida no és zero quan la propietat de mesura és zero, és que el sensor té una desviació o biaix.
  • Si la sensibilitat no és constant en el rang del sensor, significa que no és lineal.
  • Si la desviació és causada per un canvi ràpid de la propietat de mesura, hi ha un error dinàmic.
  • El sensor pot ser en certa mesura sensible a altres propietats de la propietat que es mesura. Per exemple, la majoria de sensorses veuen influïts per la temperatura del medi.

Totes aquests errors poden ser classificats en error sistemàtics i errors aleatoris. Els sistemàtics poden ser compensats amb calibracions. Els arbitraris, com el soroll, poden ser reduïts processant el senyal amb filtres, a costa del comportament dinàmic del sensor.

Tipus de sensors[modifica | modifica el codi]

En la taula següent s'indiquen alguns dels tipus i exemples de sensors elecrònics existents.

Magnitud Transductor Característica
Posició lineal o angular Potenciòmetre Analògica
Encoder Digital
Desplaçament i deformació Transformador diferencial de variació lineal Analògica
Galga extensiomètrica Analògica
Magnetoestrictius A/D
Magnetorresistius Analògica
LVDT Analògica
Velocitat lineal i angular Dinamo tacomètrica Analògica
Encoder Digital
Detector inductiu Digital
Servo-inclinòmetres A/D
RVDT Analògica
Giròscop
Acceleració Acceleròmetre Analògic
Servo-acceleròmetres
Força i parell (deformació) Galga extensiomètrica Analògic
Triaxials A/D
Pressió Membranes Analògica
Manòmetres Digitals Digital
cabal hidràulic Turbina Analògica
Magnètic Analògica
Temperatura RTD Analógica
Termistor NTC Analògica
Termistor PTC Analògica
Bimetall I/0
Sensors de presència Inductius I/0
Capacitius I/0
Òptics I/0 i Analògica
Sensors tàctils Matriu de contactes I/0
Pell artificial Analògica
Visió artificial Càmeres de vídeo Processament digital
Càmares Sensor CCD o CMOS Processament digital
Sensor de proximitat Sensor final de carrera
Sensor capacitiu
Sensor inductiu
Sensor fotoelèctric
Sensor acústic (pressió sonora) micròfon
Sensors d'acidesa IsFET
Sensor Llumínic fotodiode
Fotorresistència
Fototransistor
Cèl·lula fotoelèctrica
Sensors captura de movimient Sensors inercials

Algunes magnituds poden calcular-se mitjançant la mesura i càlcul de les altres, per exemple, l'acceleració d'un mòbil pot calcular-se a partir de la integració numèrica de la seva velocitat. La massa d'un objecte es pot conèixer mitjançant la força gravitatòria que s'exerseix sobre ell en comparació amb la força gravitatòria exercida sobre un objecte de massa desconeguda (patró).

Altres sensors:

  • Sensors de nivell.
  • sensors d'humitat
  • Sensors Biològics

Sensors biològics[modifica | modifica el codi]

Tots els organismes vius contenen sensors biològics amb funcions similars a les dels dispositius mecànics descrits. La majoria d'aquestes són cèl·lules que són sensibles a:

  • Llum, moviment, temperatura, camps magnètics, gravetat, humitat, vibració, pressió, camps elèctrics, de so, i altres aspectes físics de l'entorn extern
  • Els aspectes físics del medi intern, com l'estirament, el moviment de l'organisme, i la posició dels apèndixs (propiocepció)
  • Molècules ambientals, incloses les toxines, els nutrients, i les feromones
  • Estimació de la interacció entre biomolècules i alguns paràmetres de la cinètica
  • Metabòlisme intern, com el nivell de glucosa, nivell d'oxigen, o l'osmolalitat
  • Molècules de senyalització interior, com les hormones, els neurotransmissors i les citoquines
  • Les diferències entre les proteïnes de l'organisme mateix i del medi ambient o les criatures exòtiques

Els sensors artificials que imiten els sensors biològics mitjançant l'ús d'un component sensible biològic, són anomenats biosensors.

Biosensors[modifica | modifica el codi]

A la biomedicina i la biotecnologia, hi ha uns sensors que detecten els analits gràcies a un component biològic, com ara cèl·lules, proteïnes, àcids nucleics o polímers biomimètics, que s'anomenen biosensors. L'encapsulació dels components biològics dels biosensors, es presenta amb un problema una mica diferent que els sensors habituals, i que es pot solucionar per mitjà d'una barrera semipermeable, com una membrana de diàlisi o un hidrogel o amb un polímer matricial 3D.

Sensors d'humitat[modifica | modifica el codi]

Hi ha diferents tipus de sensors d'humitat, els més usuals són:

  • Mecànics: aprofiten els canvis de dimensions que pateixen certs tipus de materials en presència d'humitat. Com per exemple: fibres orgàniques o sintètiques, el cabell humà...
  • Basats en sals higroscòpiques: dedueixen el valor de la humitat en l'ambient a partir d'una molècula cristal·lina que té molta afinitat amb l'absorció de l'aigua.
  • Per conductivitat: la presència d'aigua en un ambient permet que a través d'unes reixetes d'or circuli un corrent, ja que l'aigua és bona conductora de corrent. Segons la mesura de corrent es dedueix el valor de la humitat.
  • Capacitius: es basen senzillament en el canvi de la capacitat que pateix un condensador en presència d'humitat.
  • Infrarrojos: aquests disponen de dues fonts infrarroges les quals absorbeixen part de la radiació que conté el vapor d'aigua.
  • Resistius: Estan basats en la detecció del canvi de resisténcia produïda a l'augmentar la humitat. La resistencia ajustable serveix per controlar manualment el límit d'humitat o llinda de funcionament del sensor, és a dir, podem ajustar la sensibilidat del dispositiu, actuant sobre aquesta resistència. Amb el jumper podem variar la configuració del sensor i decidir la seva forma de funcionament. que s'activi per excés o per defecte de la humitat.

Sensors intel·ligents (smart sensor)[modifica | modifica el codi]

De forma general, es pot definir un sensor intel·ligent aquell equip en el qual un o més elements sensors i algun condicionament del senyal són integrats en la mateixa pastilla de silici o formen un petit sistema miniaturitzat. En molts casos es considera intel·ligent des del moment que té capacitat de comunicació digital.

Exemples:

  • Sensor-condicionador
  • Sensor-convertidor-condicionador
  • Sensor-convertidor-condicionador-microcontrolador
  • Sensor-convertidor-condicionador-microcontrolador-altres funcions

Vegeu també[modifica | modifica el codi]

Enllaços externs[modifica | modifica el codi]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Sensor Modifica l'enllaç a Wikidata