Tipos de sensores de presión

Los dispositivos que miden la presión y emiten señales eléctricas remotas se denominan sensores de presión. El sensor de presión es un componente importante de los instrumentos de detección de presión y sus tipos estructurales son diversos. Los más comunes son el sensor de presión de tensión, el piezoresistivo, el capacitivo, el piezoeléctrico y el sensor de presión de frecuencia de vibración, entre otros. Además, existen sensores de presión fotoeléctricos, de fibra óptica y ultrasónicos, entre otros. El sensor de presión puede convertir directamente la presión medida en diversas señales eléctricas, lo que facilita la detección y el control centralizados de los sistemas de automatización, por lo que se utiliza ampliamente en la producción industrial.

Tipos de sensores de presión:

1. Sensor de presión de galgas extensométricas

Un sensor de presión con galgas extensométricas mide indirectamente la presión midiendo la deformación de diversos elementos elásticos. Según los materiales, los elementos de deformación se dividen en dos categorías: metales y semiconductores. Su principio de funcionamiento se basa en el efecto de deformación de los conductores y semiconductores; es decir, cuando estos materiales sufren deformación mecánica, su valor de resistencia varía.

Cuando un cable se somete a una fuerza externa, su longitud y área de sección transversal varían, y su valor de resistencia también. Si una fuerza externa estira el cable, su longitud aumenta, mientras que su área de sección transversal disminuye y su valor de resistencia también. Cuando una fuerza externa comprime el cable, su longitud disminuye, su sección transversal aumenta y su valor de resistencia disminuye. Al medir la variación del voltaje aplicado a la resistencia, se puede obtener la deformación del cable deformado.

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2. Sensores de presión piezorresistivos

Un sensor de presión piezorresistivo se fabrica mediante el efecto piezorresistivo del silicio monocristalino y la tecnología de circuitos integrados. Al someter el silicio monocristalino a una fuerza, su resistividad cambia y, a través del circuito de medición, se puede obtener una señal eléctrica proporcional a dicho cambio. También se conoce como sensor de presión piezorresistivo de silicio difuso. Es diferente del extensómetro adhesivo, que detecta indirectamente la fuerza externa a través del elemento sensible elástico, pero directamente la presión medida a través del diafragma de silicio.

Los sensores de presión piezorresistivos se basan principalmente en el efecto piezorresistivo. Este se utiliza para describir la variación de la resistencia de un material bajo tensión mecánica. A diferencia del efecto piezoeléctrico, el efecto piezorresistivo solo produce variaciones de impedancia y no cargas eléctricas.

Se han encontrado efectos piezorresistivos en la mayoría de los materiales metálicos y semiconductores. Entre ellos, el efecto piezorresistivo en materiales semiconductores es mucho mayor que en metales. Dado que el silicio es la principal materia prima de los circuitos integrados actuales, la aplicación de elementos piezorresistivos de silicio cobra gran importancia. La resistencia del silicio varía no solo debido a la deformación geométrica relacionada con la tensión, sino también a la resistencia relacionada con la tensión del propio material, lo que hace que su factor de grado sea cientos de veces mayor que el de los metales. El cambio de resistencia del silicio tipo N se debe principalmente a la redistribución de portadores entre los valles de la banda de conducción de diferentes movilidades, causada por el desplazamiento de sus tres pares de valles de la banda de conducción, lo que a su vez modifica la movilidad de los electrones en diferentes direcciones de flujo. El segundo se debe al cambio de la masa efectiva asociado con el cambio en la forma del valle de la banda de conducción. En el silicio tipo p, este fenómeno se vuelve más complejo y también conduce a un cambio de masa equivalente y a la conversión de huecos.

Los sensores de presión piezorresistivos se conectan generalmente a un puente de Wheatstone mediante cables. Normalmente, no hay presión externa sobre el núcleo sensible y el puente se encuentra en un estado de equilibrio (denominado posición cero). Cuando el sensor se presuriza, la resistencia del chip cambia y el puente pierde el equilibrio. Si se conecta una fuente de alimentación de corriente o voltaje constante al puente, este emitirá una señal de voltaje correspondiente a la presión, de modo que el cambio de resistencia del sensor se convierte en una señal de presión que se emite a través del puente. El puente detecta el cambio de valor de resistencia, tras la amplificación y, mediante la conversión de voltaje y corriente, se convierte en una señal de corriente correspondiente, que se compensa mediante el bucle de corrección no lineal. Es decir, el voltaje de entrada tiene una relación lineal correspondiente a la señal de salida estándar de 4 a 20 mA.

Para reducir la influencia del cambio de temperatura en el valor de resistencia del núcleo y mejorar la precisión de la medición, el sensor de presión adopta medidas de compensación de temperatura para mantener un alto nivel de indicadores técnicos como deriva cero, sensibilidad, linealidad y estabilidad.