Sensores y transductores

CAPÍTULO 2: SENSORES Y TRANSDUCTORES
(Juan Carlos Ramírez G.)
En el capítulo 1 se estableció que el principal objetivo de la bioinstrumentación es la medición de bioeventos. Similarmente se definió que un sensor es aquel elemento que permite transformar una forma de energía en otra, particularmente es interesante cuando el cambio se hace a una variable eléctrica. Las variables eléctricas máscomunes son la resistividad, capacitancia, inductancia o flujo magnético, y su variación se refleja en cambios de voltaje, corriente y resistencia. Así por ejemplo hay dispositivos que cambian su resistividad de acuerdo a una variable física como la temperatura o luminosidad. Otros dispositivos cambian sus propiedades de resistividad al momento de aplicarles un esfuerzo que produzca en ellos unadeformación como en el caso de las galgas extensiométricos (strain gages). Existe una inmensa variedad de sensores disponibles en el mercado: sensores que generan una corriente eléctrica tras la aplicación de una fuerza como lo es el caso de los sensores piezoeléctricos, o sensores que cambian las propiedades de conducción según una variable externa. Consecuentemente no es una sorpresa que una formade clasificar los sensores sea de acuerdo a la variable eléctrica que se modifica a través de la variable física. O por el contrario que se clasifiquen de acuerdo a la variable física que ellos puedan sensar. En el presente capítulo se estudian sensores que afectan directamente una variable eléctrica como la capacitancia, inductancia y resistividad; pero además sensores sensibles a cambio envariables físicas tales como la temperatura y la deformación. Veáse la tabla 2.1 para una clasificación general.

Tabla 2.1 Algunos tipos básicos de transductores y su clasificación

Transductores sensibles a deformación y desplazamiento Resistivos Capacitivos Inductivos Piezoeléctricos

Transductores sensibles a temperatura

Termocuplas Termo-resistores Sensores de radiación

2.1 Conceptosbásicos Aunque muchos podrían considerarlo un juego de palabras es importante diferenciar términos como transductor, sensor y actuador. Un transductor es un dispositivo que convierte una forma de energía a otra, un sensor convierte un parámetro físico a una salida eléctrica y finalmente un actuador convierte una energía eléctrica a una salida física. Un transductor es un órgano sensorial para elbioinstrumento. Un bioinstrumento debe obedecer la 1ª regla de Kelvin: “el instrumento no debe alterar el evento que está midiendo” y además debe obedecer 3 criterios: linealidad de amplitud, respuesta en frecuencia adecuada y ausencia de distorsión de fase. La linealidad en la amplitud se refiere a la habilidad del transductor para producir una señal de salida que sea directamente proporcional ala amplitud de entrada, ver figura 2.1, esta ilustra que es posible interpolar una respuesta lineal (por ejemplo con una regresión de mínimos cuaadrados). La histéresis afecta la linealidad y específicamente mide la habilidad que posee el transductor de producir una salida que siga la entrada independientemente de la dirección de cambio de la entrada. Se acostumbra medir la histéresis como unporcentaje. Un buen ejemplo de histéresis en el cuerpo humano lo constituyen los pulmones durante la respiración. En un dispositivo bien diseñado la histéresis debería ser menor al 1%. En la figura 2.1 b se ilustra un proceso de histéresis (que por cierto es de un altísimo porcentaje). Salida

Ideal Real

Entrada Figura 2.1. (a) Principio de linealidad en la amplitud. (b) La histéresis tambiénafecta el principio de linealidad.

La respuesta en frecuencia y la ausencia de distorsión de fase conciernen a la habilidad del transductor para producir una señal de salida que siga los cambios rápidos y lentos que presente el evento. La respuesta en frecuencia debe incluir armónicos. Para la ausencia de distorsión de fase se requiere que el sensor mantenga las diferencias en las componentes de...