Sensores y Transductores Bioinstrumentación ULSA VICTORIA 6to Semestre 4ta Generación

1. TRANSDUCTORES Y SENSORES
(RESISTIVOS Y DESPLAZAMIENTO)
ING. JUAN ROJAS CORRALES
6TO SEMESTRE
4TA GENERACIÓN
1

2. BIOINSTRUMENTACIÓN
• INDICE 1. Principios
2. Utilidades
3. Proyectos
4. Equipos
2

3. El transductor es un
dispositivo que convierte
una señal de una forma
física determinada en otra
señal de forma física
diferente.
Es un dispositivo que
convierte un tipo de
energía en otro.
El sensor es un dispositivo
que, a partir de la energía
del medio donde se mide,
da una señal de salida
transducible, que es
función de la variable
medida.
3

4. SENSORES DE POSICIÓN,
DISTANCIA Y DESPLAZAMIENTO
• Medida de grandes distancias: radar
• Medida de distancias cortas: ultrasonidos
• Medida de pequeños desplazamientos:
• Sensores de tipo resistivo:
•Potenciómetro
•Galgas Extensiométricas
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5. GRANDES DISTANCIAS - RADAR
• Miden señales a distancias entre 100 metros y 10 Kilómetros.
• El radar es básicamente un transmisor de radiaciones electromagnéticas a
frecuencia muy elevada (5-20KHz) generadas por un oscilador modular a
impulsos.
• Estas radiaciones son emitidas por una antena y un receptor amplifica los ecos
recibidos del objeto cuya distancia se desea medir.
• Esta distancia se puede calcular como:
• El tiempo es de ida y vuelta, por tanto hay que dividirlo entre dos. 5
2
t
cD

 .:
.,:
tan:
recibesequehastaemitidaesondalaquedesdedotranscurritiempot
luzladelantehabitualmeondasdenpropagaciódevelocidadc
ciadisD


6. CORTAS DISTANCIAS -
ULTRASONIDOS
• Sensores que miden distancias entre 1 centímetro y 10
metros
• Los ultrasonidos son radiaciones mecánicas de frecuencia superior a las audibles (20KHz). Toda
radiación, al incidir sobre un objeto, en parte se refleja, en parte se transmite y en parte es absorbida.
6
Transmisor
Receptor
Generador
de pulsos
Detector
Contador
S
R
Q
Display
Objeto

7. MEDIDA DE PEQUEÑOS DESPLAZAMIENTOS
• Sensores de tipo resistivo:
• Potenciómetro:
• Galgas extensiométricas:
7
l
x
R
)()( xl
A
l
A
R 



.:
sec:
:
:
:
fijotermiinalotroeldesderecorridadistaanciax
ltransversaciónA
materialdeladresistivid
longitudl
aresistenciR

A
l
R 
ltransversaciónA
longitudl
adresistivid
aresistenciR
sec:
:
:
:


8. PRINCIPIOS
• Son los sensores cuyo principio físico de funcionamiento es la VARIACIÓN DE
LA RESISTENCIA ELÉCTRICA de un componente eléctrico o electrónico.
Clasificación:
1. Potenciómetros
2. Galgas extensiométricas
3. Sensores de temperatura de resistencia metálica
4. Termistores
5. Magneto resistencias
6. Fotorresistencias
7. Higrómetros
8. Sensor y detector de gas
9. Sensor de conductividad de líquidos 8

9. POTENCIÓMETRO
• Componente eléctrico cuya resistencia es función del desplazamiento de
un elemento móvil.
• Consiste en una resistencia fija con un contacto móvil con un contacto
móvil deslizante lineal o giratorio que lo divide eléctricamente.
9

10. GALGA EXTENSIOMÉTRICAS
• Sensores basados en la piezorresistividad
• Si una pieza de material resistivo se le aplica un esfuerzo, ésta se deformara, y
cambiara su resistencia.
• Por tanto, este tipo de sensores se utiliza para medir fuerza o presión, aunque
también puede aplicarse a la medida de desplazamientos pequeños
10

11. Clasificación
Metálicas
Hilo – Película
Constantán:
55% Cu
45% Ni
Nicrom:
80% Ni
20% Cr
Karma
Advance
Manganina
Semiconductores
Si y Ge
Material P
Material N
Biaxiales
Metálicas
Semiconductores
Elastómeros
11

12. 12
Ancho de
Rejilla
Ancho de
la Matriz
Medidor de
Longitud
Longitud Total
del Patrón Longitud
De Matriz
Anchura Total
del Patrón

13. 13

14. UTILIDADES
Potenciómetros
Galga
Extensiométrica
Temperatura
Cambian su R al variar la
Temperatura en material
conductor
Termistores
Cambian su R al variar la
Temperatura en material
semiconductor
Magnoterresistencias
A un conductor por que
el circula una corriente
se le aplica un campo
magnético, el cual hace
que la corriente se
reduzca desviando los
electrones de su
trayectoria
Fotorresistencias
Variación de la R por
radiación electromagnética
(materiales
semiconductores)
Hidrómetros Resistivos
Variación de R que cambia
sus cualidades dependiendo
de la humedad del ambiente
a medir
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15. PROYECTOS
1. Diseño de un sistema de posturografía portátil por Anna Alonso Pastor para su titulación en ETI
Electrónica Industrial: Diseño e implementación de un circuito de acondicionamiento, adquisición,
tratamiento y transmisión de datos para una balanza comercial con 4 sensores formados por dos
galgas extensiométricas activas con variaciones opuestas y montadas sobre soporte metálico.
2. Balanza electrónica utilizando un sensor de presión resistivo bajo el control de un código en el
programa Arduino. A una mayor fuerza ejercida sobre el sensor resistivo, menor será la resistencia.
3. Control y medida de nivel de liquido por medio de un sensor de presión diferencial por John
Alexander Arias Lozada y Alejandro Marulanda Grajales para el Programa de Tecnologia eléctrica
Pereira, se uso el sensor para la automatización y control de niveles de gases, vapores y liquidos.
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16. EQUIPOS MEDICOS
1. Incubadoras
2. Incubadora de calor radiante
3. Maquinas de anestesia
4. Termómetros
5. Monitores
6. Basculas
7. Ventiladores
8. Maquina de diálisis
9. Bomba de circulación extracorpórea
16

17. 17

18. PRINCIPIOS, UTILIDADES,
PROYECTOS Y EQUIPOS DONDE SE
UTILIZAN LOS SENSORES Y/O
TRANSDUCTORES
PIEZOELÉCTRICOS Y LAS MEDIDAS ÓPTICAS

19. PRINCIPIOS
El efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de en
determinadas zonas de una lámina cristalina de algunos materiales
siguiendo ciertos ejes, en respuesta a la aplicación de una presión. El
cristal se coloca metálicas que recogen las cargas
eléctricas, siendo posible de esta forma medir las variaciones de presión.
Efecto piezoeléctrico
• cristales: cuarzo, turmalina directo  compresión al cristal
opuesto  campo eléctrico
- reversible
cerámicas policristalinas: PZT, titanato de bario

20. Ecuaciones constitutivas del efecto piezoeléctrico
El dipolo eléctrico medio (P) desarrollado por una tensión extensiva (T) paralela a
su eje de polarización será:
d : constante de voltaje piezoeléctrica [m/V]
P : polarización [C/m2]
T : tensión mecánica [N/m2]
D= desplazamiento eléctrico
E : campo eléctrico [V/m]
et: coeficiente de deformación piezoeléctrica [m/V]

21. SENSOR PIEZOELÉCTRICO
• Mide la masa depositada en la superficie de
un cristal piezoeléctrico, detectando la
variación en la frecuencia de resonancia
característica (FRC) del cristal.
• Al aumentar el peso del cristal su FRC
disminuye, esto es análogo a las cuerdas de
una guitarra, que cuanto más gruesa es,
resuena a una menor frecuencia.
• Consiste en un cristal de cuarzo, electrodos
metálicos y el receptor que brinda la
selectividad

22. UTILIDADES
Macroescala :
• El 'resonador de cuarzo' para su uso como un estándar de temporización
• Sensores basados en resonadores de cuarzo '' para medir fenómenos físicos tales como: temperatura,
fuerza (esfuerzo) y la densidad del fluido, entre otros.
• Transceptores ultrasónicos para sonar marino.
• Sistemas de ultrasonido para imágenes biomédicas no invasiva.
• Las agujas de tocadiscos
• Visualización ultrasónica
• Prueba de vuelo de aeronaves
• Mantenimiento predictivo y preventivo
Microescala:
• Empleando enzimas: Detección y cuantificación. El
aumento de peso sobre el cristal se debe a los
compuestos formados.
• Empleando agentes inmunológicos: Detección y
cuantificación de bacterias
• La variación de masa se produce por el acoplamiento
antígeno-anticuerpo.

23. SENSOR ÓPTICO
• Utilizan medios ópticos y electrónicos para detectar objetos. Para ello utilizan una luz roja (visible)
o infrarroja (invisible). Como fuente de luz se utilizan diodos o transistores emisores de luz.
• Un sensor óptico se basa en el aprovechamiento de la interacción entre la luz y la materia para
determinar propiedades de está. Una mejora de los dispositivos sensores, comprende la
utilización de la fibra óptica como elemento de transmisión para la luz.
• Los detectores de luz roja se ajustan mejor que los de luz infrarroja. La luz infrarroja es menos
susceptible a las interferencias producidas por la luz ambiental. Estos detectores constan de un
emisor y un receptor. La detección se realiza por reflexión, al devolver el objeto la luz recibida, o
por barrera.
• Pueden detectar cualquier tipo de objetos o productos: sólidos o líquidos.
• Los tipos de montaje son: barrera, reflexión directa y retroreflexión

27. PROYECTOS
Son considerados como el tipo más versátil de transductor ultrasónico.
Algunos se utilizan para el control de vibración y sensores de presión.

28. SE PUEDEN ENCONTRAR EN:
• Altavoces del equipo de audio,
• Dispositivos de impresión,
• Plataformas espaciales y aeronaves.
• La industria médica utiliza comúnmente transductores piezoeléctricos para
diagnóstico por imágenes, como en las ecografías.

29. EQUIPOS QUE LOS UTILIZAN
Utiliza sensores piezoeléctricos para controlar la
presión con la que sujeta el huevo
Inductor de ondas de choque para
diferentes tratamientos

30. ENERGÍA A PARTIR DE LA RESPIRACIÓN
La piezoelectricidad es un fenómeno que presentan
algunos materiales, normalmente cristales, que
cuando son sometidos a tensiones mecánicas
(compresión o estiramientos) adquieren una
polarización eléctrica que deriva en una diferencia
de potencial y la aparición de cargas eléctricas en su
superficie.
La carga de la batería de un dispositivo biomédico destinado a la
monitorización de la glucosa en sangre de un paciente o de la
batería de un marcapasos podría solucionarse

31. SENSORES CAPACITIVOS
INDUCTIVOS Y PUENTE DE
WHEATSTONE

32. SENSOR CAPACITIVO
• Los sensores capacitivos (KAS) reaccionan ante metales y no metales que al
aproximarse a la superficie activa sobrepasan una determinada capacidad. La
distancia de conexión respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto
más elevada sea su constante dieléctrica.

33. FUNCIONAMIENTO
• Consta de una sonda situada en la parte posterior de la cara del sensor el cual es una placa
condensadora. Al aplicar corriente al sensor, se genera un campo electrostático que reacciona a los
cambios de la capacitancia causados por la presencia de un objeto.

34. • La capacitancia (Coulombs por Volts) se mide en Faradios, y su magnitud depende de:
• a).- La naturaleza del material dieléctrico,
• b).- El área de las superficies conductoras (placas) y
• c).- La separación entre las placas.

35. VENTAJAS
• los transductores capacitivos para detectar cambios en dimensiones sin estar en contacto con el
elemento en movimiento.
• Por esta razón los transductores capacitivos están libres de cargas, fricciones y errores de histéresis.
• Otra característica del transductor es que la capacitancia no depende de la conductividad de sus placas.
• Por lo tanto los errores debido a la temperatura son extremadamente pequeños si no es que ausentes

36. SENSORES CAPACITIVOS DE CUARZO
• Otro tipo de sensor moderno, especialmente en mediciones médicas de presión, es
el transductor de cuarzo. Estos dispositivos son básicamente capacitivos pero hay
algunas diferencias en relación a los transductores conocidos como capacitivos. La
cápsula del sensor de presión de estos dispositivos es hecha de cuarzo fundido
homogéneamente

37. SENSOR INDUCTIVO
• Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirve para detectar materiales metálicos
ferrosos.

38. • Este tipo de sensores incorporan una bobina electromagnetica que es usada para detectar la presencia
de un objeto de metal conductor .

39. • La inductancia de una bobina depende de:
a).- Su geometría,
b).- La permeabilidad del medio en que está localizada,
c).- De su número de vueltas.
La inductancia de una bobina de una sola capa, con núcleo de aire, en microhenries puede ser calculada
como:

40. • Así, si en alguna forma se deforma la geometría de la bobina (estirándola o comprimiéndola), podemos
obtener un transductor que produzca un cambio en una señal eléctrica (inductancia) en base a la
deformación (desplazamiento) en la bobina.

41. • El circuito del puente de Wheatstone consiste de dos reactancias inductivas
(bobinas L1 y L2) y dos resistencias de 200 Ω.

42. • El transductor Hewlett-Packard modelo 1280, mostrado en la figura 7-5a, se utiliza para mediciones de
presión arterial y venosa en mm de Hg
• La transducción ocurre debido al cambio de posición del núcleo de la bobina.

43. PUENTE DE WHEATSTONE
• El puente de Wheatstone es un circuito diseñado para encontrar la resistencia (o en general la
impedancia) de un componente sabiendo la de otros tres componentes.

44. • Para determinar el valor de una resistencia eléctrica bastaría con colocar entre sus extremos una
diferencia de potencial (V) y medir la intensidad que pasa por ella (I), pues de acuerdo con la ley de
Ohm, R=V/I.

45. • Muchos transductores biomédicos utilizan circuitos cuya configuración es conocida
como Puentes Wheatstone. Son puestos en un Puente de Wheatstone para reducir
el efecto de autocalentamiento (I2 R) y mejorar su sensitividad.

46. FILTROS ÓPTICOS

47. • Un filtro óptico es un medio que sólo permite el paso a través de él
de luz con ciertas propiedades, suprimiendo o atenuando la luz restante.
• Los filtros ópticos más comunes son los filtros de color, es decir, aquellos
que sólo dejan pasar luz de una determinada longitud de onda
• Si se limitan a atenuar la luz uniformemente en todo el rango de
frecuencias se denominan filtros de densidad neutra

48. • Según su procedimiento de acción pueden ser de absorción, si absorben
parte de la luz, o bien reflectivos si la reflejan. Los usos de los filtros ópticos
incluyen la fotografía, iluminación y numerosos usos científicos. Los filtros
de absorción se elaboran depositando sobre la superficie de un sustrato
transparente o mezclado en él, una sustancia con propiedades absorbentes
de la luz.

49. • Según el rango de frecuencias que dejan sin filtrar, se clasifican en filtros
de paso alto o de paso bajo, según si dejan sin filtrar las radiaciones de
frecuencia superior o inferior respectivamente a cierto valor, denominada
frecuencia de corte. En los filtros de paso de banda se filtran las
frecuencias por encima y por debajo de ciertos límites.

50. TIPOS DE FILTROS
• Filtros dicroicos
• Filtro de Lyot
• Filtros polarizadores
• Filtro de excitación
• Filtro de resonancia
atómica
• Filtro espacial

51. CITOMETRIA DE FLUJO

52. • La citometría de flujo es una tecnología biofísica basada en la utilización
de luz láser, empleada en el recuento y clasificación de células según sus
características morfológicas, presencia de biomarcadores, y en la
ingeniería de proteínas. En los citómetros de flujo, las células suspendidas
en un fluido atraviesan un finísimo tubo transparente sobre el que incide
un delgado rayo de luz láser, la luz transmitida y dispersada por el pasaje
de las células a través del tubo se recoge por medio de unos dispositivos
de detección, permitiendo hacer inferencias en cuanto a tamaño y
complejidad de las células. También permite el análisis multiparamétrico
simultáneo de otras características físicas y químicas, evaluando en
promedio más de dos mil partículas por segundo.

53. • La citometría de flujo es una técnica utilizada en forma rutinaria en
muchos centros de salud para el diagnóstico y seguimiento de muchas
enfermedades tales como las leucemias, granulomatosis crónica, y SIDA;
sin embargo tiene muchísimas otras aplicaciones en investigación básica,
práctica y ensayos clínicos. Una variante común de esta técnica es la
separación física de partículas según sus propiedades, empleándose por
ejemplo para purificar poblaciones de interés.

54. ESPECTROFOTOMETRO
• Un espectrofotómetro es un instrumento usado en el análisis químico que sirve para medir,
en función de la longitud de onda, la relación entre valores de una misma magnitud
fotométrica relativos a dos haces de radiaciones y la concentración o reacciones químicas
que se miden en una muestra. También es utilizado en los laboratorios de química para
la cuantificación de sustancias y microorganismos.

56. TRANSDUCTORES DE
TEMPERATURA

57. Transductores son elementos que
transforman una magnitud física
en una señal eléctrica. Se
pueden clasificar en dos grupos:
Activos y pasivos.
Son transductores activos los que
hay que conectar
a una fuente externa de energía
eléctrica para que puedan
responder a la magnitud física a
medir como
por ejemplo las fotoresistencias y
termoresistencias
Son pasivos los que directamente
dan una señal
eléctrica como respuesta a la
magnitud física como los fotodiodos
y las sondas de pH.

58. • El encapsulado, las conexiones y otros componentes físicos del sensor de
temperatura hacen que cuando el transductor entre en contacto con el medio,
absorba calor de él; alterando consecuentemente la temperatura del medio objeto
de medida. A este proceso se le denomina transferencia parásita de calor (“termal
shunting”).
• Los detectores de temperatura resistivos (RTD; Resistive Temperature Detector) son
los sensores de temperatura más estables y precisos. Su rango de medida es de –
200 ºC a 800 ºc.

59. • El principio operativo del RTD consiste en que la resistencia de la mayoría de los
metales aumenta con la temperatura. Un metal apto para aplicaciones con el RTD
debería poseer las siguientes características:
• Elevada resistividad, con el fin de economizar material.
• Cambio en la resistividad con la temperatura adecuado a la resolución deseada, y
lineal para simplificar el mecanismo de conversión.
• Propiedades mecánicas que hacen el dispositivo fiable.
• La mayoría de los RTD son de platino porque, además de verificar las anteriores
características, es un material muy resistente a la contaminación y sus propiedades se
mantienen a muy largo plazo.

60. Termoresistencias
Son conductores cuya resistencia varia con la temperatura. La función de transferencia
de las termoresistencias es en general:

61. Termistores
Son semiconductores cuya resistencia es variable con la temperatura.
Para un semiconductor intrínseco o poco dopado, la resistencia disminuye cuando aumenta la
temperatura. Por ello se denomina termistor NTC (Negative Temperature Coeficient).
Para un semiconductor muy dopado, la variación de la resistencia con la temperatura es
contraria al caso anterior, esto es, aumenta la resistencia si aumenta la temperatura (al igual
como los conductores).
Por ello se denominan PTC (Positive Temperature Coefficient).

62. Termopares
El funcionamiento de una termopar fue descubierto en 1822 por T.J. Seebeck: cuando
se unen dos metales diferentes formando un circuito cerrado y una de las uniones se
calienta a una temperatura diferente de la temperatura de la otra unión, aparece una
corriente eléctrica por el circuito.