MEDICIONES INDUSTRIALES: ACONDICIONADOR DE SEÑAL PARA SENSOR PIEZOELÉCTRICO

INTRODUCCIÓN.

El efecto piezoeléctrico fue descubierto por Jacques y Pierre Curie en 1980 con los cristales de cuarzo. Este fenómeno se produce en determinados materiales cristalinos y consiste en la aparición de una cierta carga eléctrica cuando el cristal es sometido a algún tipo de deformación bajo la acción de un esfuerzo; por otro lado, también manifiestan el efecto contrario, cuando se les aplica una señal eléctrica aparece en ellos una deformación mecánica.

Dada la influencia de la fuerza aplicada sobre el dispositivo piezoeléctrico en la carga generada en él, cabe la posibilidad de utilizarlo como sensor para la medida de la fuerza o de cualquier magnitud física que se pueda convertir en fuerza. El presente artículo pretende desarrollar el diseño de un acondicionador de señal para tal sensor, de forma que podamos medir.

BASES TEÓRICAS:

Sensores:

Un sensor convierte una señal física de un tipo en una señal física de otra naturaleza. Por ejemplo una termocupla produce un voltaje que está relacionado con la temperatura, así mismo en una resistencia metálica se aprovecha el fenómeno de variación de la resistencia con la temperatura para producir una señal de voltaje que sea proporcional a la temperatura.

La diferencia entre los dos ejemplos está que para el caso de la termocupla se produce un milivoltaje producto de la unión de dos materiales a una determinada temperatura, en el segundo ejemplo la pura resistencia por si sola no puede hacer la conversión a voltaje sino que requiere de un circuito y de una fuente de alimentación. En el primer caso tenemos al elemento sensor sólo, en el segundo a el elemento sensor más un circuito, en este segundo caso la unión de los dos constituye el transductor. Tanto en el caso de la termocupla como de la resistencia metálica se necesitan etapas adicionales de acondicionamiento como amplificación y filtraje de la señal.

Efecto Piezoleléctrico:

Un sensor piezoelectrico ('piezo' deriva de la palabra Griega 'piezein' que significa 'presionar') o elemento piezoeléctrico como dispositivo de entrada, convierte proporcionalmente una vibración mecánica en una señal eléctrica. En otras palabras, la vibración transmitida en el ambiente o en un sólido, por ejemplo una caja, puede ser convertida a un voltage.

El efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo, este efecto reversible.
Todos los materiales ferroeléctricos son piezoeléctricos, debido a que la propiedad piezoeléctrica está relacionada con la estructura cristalina.

Fundamento físico:

Es la asimetría que se produce en la estructura del cristal cuando es sometida a un esfuerzo externo. Este esfuerzo da lugar a una reorientación interna de las cargas eléctricas de forma que se establece un desplazamiento de cargas positivas y negativas hacia caras opuestas del cristal.

Fig.1 Efecto físico y representación circuital.

Materiales

Naturales más comnunes: El cuarzo y la turmalina.
Sintéticos : ceraminas.

Aplicación:

Dada la influencia de la fuerza aplicada sobre el dispositivo piezoeléctrico en la carga generada en él, cabe la posibilidad de utilizarlo como sensor para la medida de la fuerza o de cualquier magnitud física que se pueda convertir en fuerza.

* Medida de vibraciones, fuerzas, aceleraciones.

* Construcción de filtros de cuarzo.

* Relojes para computadores.

Ventajas:

* Alta sensibilidad a bajo coste.

* Alta rigidez mecánica (deformaciones experimentadas <>

* Más ancho de banda con menos sensibilidad.

Limitaciones:

* Ausencia de respuesta en DC.

* Resonancia a altas frecuencias → filtrado adicional.

* Más ancho de banda con menos sensibilidad.

* Alta impedancia de salida.