Fundamentos de Sensores, Acondicionamiento de Señal y Convertidores ADC/DAC

1. Conceptos Básicos de Instrumentación

• Sensor / Transductor: Elemento en contacto con el medio físico que transforma una magnitud física (temperatura, fuerza, presión) en una señal eléctrica (voltaje, corriente, variación de resistencia).
• Acondicionamiento de señal: Adapta la señal del sensor (que suele ser débil o no lineal) para que pueda ser leída.
• Procesamiento / Conversión A/D: Digitaliza la señal para que un microprocesador pueda tratarla y mostrarla.

2. Caracterización de Sistemas de Medida (Parámetros Estáticos)

• Rango o Fondo de Escala (Full Scale - FS): Valores máximo y mínimo que el sensor puede medir. El Span es la diferencia entre el máximo y el mínimo.
• Sensibilidad (S): Relación entre la variación de la señal de salida y la variación de la magnitud de entrada (S = ΔSalida / ΔEntrada).
• Error de Cero (Offset): Valor que marca el sensor cuando la entrada es exactamente cero.
• Error de Ganancia (Span Error): Ocurre cuando la sensibilidad real del sensor es distinta a la teórica.
• No-Linealidad: Mide cuánto se separa el sensor real de la recta ideal. Se mide mediante:
  • End Point Straight Line: Recta uniendo el primer y último punto.
  • Best Fit Straight Line (BFSL): Recta estadística por mínimos cuadrados.

Efectos de la Temperatura (Derivas Térmicas)

• TC Zero: Error de offset causado por la temperatura.
• TC Span: Error en la ganancia/sensibilidad causado por la temperatura.

3. Tipos de Sensores

3.1. Sensores de Temperatura

• RTD (Resistance Temperature Detector): Basados en metales puros (Pt100). Son precisos, estables y lineales, pero caros y lentos.
• Termistores (NTC y PTC): Semiconductores cerámicos. Alta sensibilidad, pequeños y baratos, pero altamente no lineales.
• Termopares: Dos metales distintos unidos (Efecto Seebeck). Baratos y robustos para rangos extremos, requieren compensación de unión fría.

3.2. Sensores de Deformación (Galgas Extensiométricas)

Hilos metálicos que cambian su resistencia al estirarse o comprimirse. Se utilizan siempre en Puentes de Wheatstone para medir variaciones mínimas.

3.3. Sensores de Movimiento (Acelerómetros)

Miden la aceleración mediante una masa interna. Su sensibilidad se expresa en mV/g.

4. Acondicionamiento de Señal

4.1. Acondicionamiento Primario

• Divisor de Tensión: Circuito básico, sensible a inestabilidades de la fuente.
• Puente de Wheatstone (PW): Estándar para medir variaciones relativas pequeñas.

4.2. Acondicionamiento Secundario

• Amplificadores Operacionales (AO): Elevan el nivel de la señal y mejoran la inmunidad al ruido.
• Amplificador de Instrumentación (AI): Solución profesional con alto CMRR (rechazo al modo común) y ganancia programable mediante una sola resistencia (RG).

5. Conversión Analógico-Digital (ADC) y Digital-Analógica (DAC)

• Filtro Anti-aliasing: Filtro paso bajo necesario para cumplir el Teorema de Nyquist (fs > 2 * fmax).
• Muestreo y Retención (S&H): Congela el valor de tensión durante la conversión.
• Cuantificación: Proceso de discretización en amplitud. La resolución depende del número de bits (n).
• Arquitecturas ADC: Flash (muy rápido), Doble Rampa (alta resolución), SAR (equilibrado), Sigma-Delta (máxima resolución).
• DAC: Convierte datos digitales en voltaje analógico, utilizando a menudo la estructura de escalera R-2R.