07piezoelectricos

Medida de magnitudes mecánicas

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Introducción
Sensores potenciométricos
Galgas extensiométricas
Sensores piezoeléctricos
Sensores capacitivos
Sensores inductivos
Sensores basados en efecto Hall
Sensores optoelectrónicos
Sensores de ultrasonidos

5.1 Introducción
Posición

Inductivos, Resistivos, Magnéticos, Efecto Hall

Velocidad

Efecto Hall, Encoder, PotenciómetrosAceleración

Piezoeléctricos, Piezorresistivos, Capacitivos

Fuerza, Peso

Celdas de carga, Galgas

Presión

Inductivo, Capacitivo, Piezoeléctrico, Galga, Óptico

Caudal

Electromecánicos, Magnéticos, Ultrasonidos

Nivel

Potenciómetros, Capacitivos, Térmicos, Ópticos

3

5.4 Sensores piezoeléctricos

F

d

+++++++++++

q=kF

q

V =K

- - - - - - - - -

d
F
A

ƒ Cuarzo, turmalina, sal de Rochelle
ƒ PZT(titanato-circonato de plomo)
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El efecto piezoeléctrico fue descubierto por Jacques y Pierre Curie en 1880
en los cristales de cuarzo. Este fenómeno se produce en determinados sistemas
cristalinos y consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material
al deformarse bajo la acción de un esfuerzo. Es un efecto reversible de modo
que al aplicar una diferencia de potencial eléctricoentre dos caras de un material
piezoeléctrico, aparece una deformación.
Además del cristal de cuarzo, existen otras sustancias naturales que poseen
comportamientos similares tales como la turmalina o la sal de Rochelle. Estas
sustancias tienen una gran estabilidad tanto ante el cambio en las condiciones
medioambientales como en el transcurso del tiempo, pero las señales que son
capaces de producirresultan muy débiles.
Como materiales sintéticos se tiene el titanato de bario o el titanato-circonato
de plomo (PZT) que, si bien no tienen tanta estabilidad como las sustancias
naturales, presenta un nivel mucho más alto de señal de salida. Los materiales
sintéticos producen el efecto piezoeléctrico gracias a la anisotropía de su
estructura y a la distribución de sus cargas eléctricas que sesuele conseguir
después de un tratamiento.

Modelo eléctrico
C
+
V

q

C

V = tensión a circuito abierto
C = capacidad del cristal

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La figura muestra el modelo eléctrico simplificado de un sensor piezoeléctrico,
donde V es la tensión de salida en vacío y C la capacidad física del sensor entre
los terminales de salida del dispositivo.

Respuesta frecuencial

Zona de trabajo

¾ SÓLO MEDIDASDINÁMICAS
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Una carga colocada en la salida del sensor modificará su respuesta
frecuencial, introduciendo una frecuencia de corte inferior según se muestra en la
figura y por tanto una reducción del margen de frecuencias a que se puede usar.
A pesar de que puede hacerse que la frecuencia de corte inferior sea muy baja,
no puede llegar a medir en continua por lo que el ámbito de aplicación de este
tipode sensores queda limitado a las medidas dinámicas, es decir, medidas en
las que la fuerza aplicada sobre el dispositivo (la aceleración o la presión) sea
variable.
En general, los fabricantes proporcionan el valor del condensador de salida del
dispositivo y la sensibilidad del sistema al parámetro que se está midiendo
suponiendo que se trabaja siempre en la zona plana de la curva de respuesta.También se suele proporcionar la frecuencia de resonancia y/o el margen de
frecuencias de validez de los datos proporcionados (capacidad y sensibilidad).
Para las medidas estáticas es preferible el empleo otros sensores como las
galgas extensiométricas aunque con menor sensibilidad.

Acondicionamiento
Rf
qf

qin

-

qc
Cc

Cf

Cin

+

vo

qin = qc + qinp+ qf
qin = vinp (Cc +Cin) -Vo Cf ⇒ v o = −qin
Cf
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Para poder leer la señal de un sensor piezoeléctrico lo más adecuado es
emplear un amplificador de carga que convierte la carga en una tensión. La
ventaja que presenta frente a otras soluciones como el amplificador de alterna es
que la tensión de salida depende sólo de la carga de entrada y de la capacidad
de realimentación. No depende de la capacidad del cable ni de la capacidad...