Sensores: Tipos y características

El número de sensores disponibles para las distintas magnitudes físicas es tan elevado que para su estudio hay que clasificarlos previamente de acuerdo con algún criterio.

Según el aporte de energía los sensores se dividen en moduladores y generadores. En los moduladores o activos, la energía de la señal de energía procede en, su mayor parte, de una fuente de energía auxiliar. La entrada solo controla la salida. En cambio en los generadores o pasivos, la energía de salida es suministrada por la entrada.

Los sensores moduladores requieren más hilos que los generadores pues la energía de alimentación suele suministrarse mediante hilos distintos a los empleados para las señales. Por contra, su sensibilidad se puede modificar a través de la señal de alimentación, lo que no permiten los sensores generadores.

Según la señal de salida, los sensores se clasifican en analógicos o digitales. En los analógicos la salida varia de forma continua y la información está en la amplitud. Si es en forma de frecuencia, se denominan casi digitales, por la facilidad con que se puede convertir en una salida digital.

En los sensores digitales la salida varia en forma de saltos o pasos discretos. No requieren conversión A/D y la transición de su salida es más fácil. Tienen mayor fidelidad y fiabilidad, y muchas veces mayor exactitud, pero no hay modelos digitales para muchas de las magnitudes físicas de mayor interés.

Atendiendo al modo de funcionamiento, los sensores pueden ser de deflexión o de comparación. En los sensores por deflexión, la magnitud medida produce algún defecto físico, que engendra algún defecto similar, pero opuesto, en alguna parte del instrumento, y que está relacionado con alguna variable útil.

En los sensores que funcionan por comparación se intenta mantener nula la deflexión mediante la aplicación de un efecto bien conocido, opuesto al generado por la magnitud a medir. Hay un detector del desequilibrio y un medio para restablecerlo.

Las medidas por comparación suelen ser más exactas porque el efecto conocido apuesto se puede calibrar con un patrón o magnitud de referencia de calidad. El detector de desequilibrio solo mide alrededor de cero y puede ser muy sensible sin necesidad de estar calibrado, pero tiene menor respuesta dinámica y no tan rápida como en los de deflexión.

Hasta el momento, algunos ejemplos de estos criterios de clasificación son:

Según el tipo de relación entrada-salida, los sensores pueden ser de orden cero, primer orden, de segundo orden o de orden superior. El orden está relacionado con el número de elementos almacenadores de energía independientes que incluyen el sensor, y repercute en su exactitud y velocidad de respuesta. Esta ultima clasificación es de gran importancia cuando el sensor forma parte de un sistema de control en lazo cerrado.

Cualquiera de estas clasificaciones es exhaustiva, y cada una tiene interés particular para diferentes situaciones de medida, pero para el estudio de un gran número de sensores se suele acudir a su clasificación de acuerdo a la magnitud medida, se habla, entonces, de sensores de temperatura, presión, caudal, humedad, posición , velocidad, aceleración, fuerza, par, etc. Esta clasificación difícilmente puede ser exhaustiva ya que la cantidad de magnitudes que se pueden medir es prácticamente inagotable.

En lo que se refiere a las características de los sensores, la finalidad de un sensor es dar una salida eléctrica que se corresponda con una determinada magnitud aplicada a su entrada, luego un primer grupo de características se refiere a la descripción de dicha correspondencia. En condiciones normales de utilización la magnitud de entrada varia lentamente, luego se distingue entre el comportamiento del sensor frente a entradas de valor constante (características estáticas), y su comportamiento frente a entradas variables (características dinámicas).

Las características estáticas esenciales son:

• Calibración, que consiste en aplicar sucesivos valores de la magnitud de entrada, e ir anotando los respectivos valores de la salida. La línea que une todos los puntos obtenidos es la denominada curva de calibración, cuyo ajuste se realiza tomando el valor medio de las lecturas (método de los mínimos cuadrados).
• Sensibilidad, que se define como la pendiente de la curva de calibración. Si esta es una recta, la sensibilidad es constante y se dice del sensor que es lineal. Pero un sensor no lineal es igualmente valido con tal que sea repetible.
• Exactitud, que es el grado de coincidencia entre el valor real de la entrada y el valor calculado a partir de la salida obtenida y de la sensibilidad. La diferencia entre ambos valores es el error absoluto y el cociente entre el error absoluto y el valor real se denomina error relativo.
• Resolución, es el mínimo cambio de la entrada que se puede percibir a la salida. El factor que limita la resolución es el ruido.

Las características dinámicas esenciales son:

• Retardo, que es término genérico para describir el intervalo de tiempo que transcurre desde que se aplica una entrada hasta que la salida alcanza su valor estacionario (importante enlazo cerrado).
• Error dinámico, es la diferencia entre la respuesta del sensor a una magnitud de entrada cuando es variable y su respuesta a una entrada de la misma amplitud cuando es constante.