Sensores y actuadores (Parte 1): transductores, principios de transducción y actuadores

Sensores y actuadores (Parte 1): transductores, principios de transducción y actuadores

Cuaderno técnico · Serie Sensores y Actuadores · Parte 1

Transductores, sensores y actuadores: la física que hay detrás de cada módulo que conectas a un Arduino.

Una guía extensa, sección por sección: qué es una variable física, cómo funciona cada uno de los nueve principios de transducción (con su ecuación, un ejemplo resuelto y sus ventajas y limitaciones), cómo leer la hoja de datos de un sensor, qué es un sensor inteligente o un MEMS, y cómo trabajan los actuadores neumáticos, hidráulicos y eléctricos.

NivelInicial → intermedio · Liceo técnico y primeros años de educación superior
RequisitosLey de Ohm, nociones de física y circuitos
Lectura≈ 60 min · 23 figuras (19 animadas) · 32 fórmulas explicadas

Contenido

  1. El sistema: sensar, procesar, actuar
  2. Variables y magnitudes físicas
  3. Transductores
  4. Principios de transducción
    1. Piezoresistivo
    2. Capacitivo
    3. Piezoeléctrico
    4. Ultrasónico
    5. Magnético: Hall, Faraday, Foucault
    6. Térmico: Joule, Seebeck, Peltier, Thomson
    7. Fotoeléctrico
    8. Químico-eléctrico
    9. Resistivo
  5. Sensores y su clasificación
  6. Características estáticas y dinámicas
  7. Sensores inteligentes y MEMS
  8. Actuadores
    1. Neumáticos
    2. Hidráulicos
    3. Eléctricos: CD, CA y paso a paso
  9. Todo junto: el lazo cerrado
  10. Guía y solucionario

Sección 1El sistema: sensar, procesar, actuar

Desde la rueda hidráulica hasta una línea de producción automatizada, la idea es la misma: tomar energía de la naturaleza, transformarla y controlarla. Cualquier sistema de ingeniería moderno necesita una interfaz con el mundo real: medir una variable física, recibir un dato del usuario o ejecutar una acción. Esa interfaz la forman tres bloques.

MundofísicoSENSORtransductor deentradaPROCESAMIENTOArduino · PLCmicrocontroladorACTUADORtransductor desalidaAcciónfísicala acción modifica el mundo físico → el sensor vuelve a medir (realimentación)variableseñalordenUn sistema de ingeniería moderno = sensor + unidad procesadora + sistema de actuación
ANIMADAFigura 1. Arquitectura general. El sensor cuantifica una variable física; el actuador, a partir de lo que se midió y procesó, realiza una acción.

Tanto el sensor como el actuador funcionan gracias a un principio de transducción: un fenómeno físico que convierte energía de un dominio a otro. El sensor lo usa para traducir una variable física a una señal útil; el actuador, para convertir la energía que recibe (eléctrica, aire, aceite) en movimiento.

Sección 2Variables y magnitudes físicas

Variable física

Representación de un parámetro de un fenómeno físico que describe su comportamiento. Ejemplo: la temperatura de un horno.

Magnitud física

Resultado de cuantificar un atributo físico, asignándole un valor numérico a través de una variable o constante física. Ejemplo: 185 °C.

Las dos están siempre presentes en un sistema de procesamiento de información, porque cuantificar una variable física es el inicio de todo proceso: sin un número no hay nada que comparar, decidir ni controlar.

VariableNivel de un estanqueLo que observamos y puede cambiar.
Magnitud27 %El valor medido en un instante, con su unidad.
Lo que hace el sistema27 % < 30 % → bomba ONSin la magnitud no hay decisión posible.
Variable física Unidad SI Magnitud de ejemplo Principio que suele medirla
Temperatura K (°C en la práctica) 24,6 °C Resistivo (NTC, RTD), termoeléctrico (termopar)
Iluminación lux (lx) 350 lx Fotoeléctrico (LDR, fotodiodo)
Distancia / nivel m 0,42 m Ultrasónico, capacitivo, óptico
Velocidad angular rad/s (rpm) 1.500 rpm Hall, Faraday (reluctancia variable)
Fuerza N 120 N Piezoresistivo (galga), piezoeléctrico
Presión Pa (bar) 6 bar Piezoresistivo, capacitivo
Aceleración m/s² (g) 0,5 g Capacitivo (MEMS), piezoeléctrico
Concentración de gas ppm 400 ppm CO₂ Químico-eléctrico

Sección 3Transductores

Transductor

Dispositivo capaz de convertir una variable física en otra de un dominio diferente.

Es común leer que “un transductor convierte una variable física en señal eléctrica”, pero no siempre es así. Piensa en una báscula: en la electrónica, el transductor transforma el peso en una señal eléctrica; en la mecánica, lo transforma en el giro de una aguja. Ambas son transductores, porque ambas cambian el dominio de la variable. Un transductor puede entregar movimiento, presión, flujo o una señal eléctrica.

Báscula mecánicaBáscula electrónica2 kgresortekgpeso → deformación → giro de aguja2 kgcelda de carga (galga)2.000peso → ΔR → tensión → número
ANIMADAFigura 2. Dos transductores para la misma variable. Solo uno termina en una señal eléctrica, pero los dos cambian el dominio del peso.

Transductores de entrada y de salida

De entradaForma parte de un sensorMide una variable física y su salida la usa un sistema de procesamiento. Ej.: la NTC de un termostato.
De salidaForma parte de un actuadorConvierte la señal del sistema en una acción tangible. Ej.: el motor de una cinta, la bobina de una válvula.

¿Transductor, sensor o actuador?

Los tres conceptos se parecen, pero no son sinónimos. El transductor simplemente cambia el dominio de la variable. El sensor usa un transductor, pero además entrega una salida útil para el sistema de procesamiento. El actuador usa un transductor para ejecutar la acción que decidió ese sistema.

Transductor Sensor Actuador
Función Cambiar el dominio de una variable Entregar una salida manipulable de la variable medida Ejecutar una acción física
Puede ser entrada Sí Sí (solo entrada) No
Puede ser salida Sí No Sí
Ejemplo Disco piezoeléctrico suelto Módulo HC-SR04 Servomotor SG90
Tu turno: un disco piezoeléctrico pegado a una mesa, conectado al Arduino para detectar golpes. ¿Transductor, sensor o actuador?

El disco solo es un transductor (presión → carga). Montado con su resistencia de carga y leído por el Arduino, el conjunto funciona como sensor de golpes. Si en vez de leerlo le aplicas una señal de 2 kHz, suena: ahora es un actuador (zumbador). El mismo transductor sirve como entrada o como salida.

Sección 4Principios de transducción

Para cumplir su función, todo transductor se apoya en un principio físico de transformación de energía. El capítulo los agrupa en nueve familias. Para cada una verás cómo funciona, su ecuación, un ejemplo resuelto y una ficha con ventajas, desventajas y aplicaciones.

Principios detransducción1 · Piezoresistivo2 · Capacitivo3 · Piezoeléctrico4 · Ultrasónico5 · Magnético6 · Térmico7 · Fotoeléctrico8 · Químico-eléctrico9 · ResistivoEfecto HallLey de Faraday (inductivo)Corrientes de Foucault (Eddy)Efecto JouleEfecto SeebeckEfecto PeltierEfecto Thomsoncambia la resistividad al deformarsecambia C = ε·A/dpresión ↔ carga eléctrica
Figura 3. Los nueve principios de transducción. El magnético y el térmico agrupan varios efectos físicos.

4.1 Principio piezoresistivo

La piezoresistividad es la relación entre la resistencia eléctrica y la deformación. En reposo, los átomos de un material están en equilibrio dentro de su celda unitaria (el elemento más simple que forma el material). Si el material se deforma, los átomos se desplazan unos respecto de otros y cambia su resistividad. Mientras la deformación sea pequeña, ese cambio es aproximadamente lineal.

Resistencia ≠ resistividad. La resistencia depende del tamaño de la pieza (largo y sección). La resistividad (ρ) es una propiedad intrínseca del material, ligada a cómo están ordenados sus átomos. La piezoresistividad cambia ρ; el principio resistivo (4.9) cambia la geometría.

sustrato (silicio)presión aplicadadiafragmapiezoresistenciasR+ΔRRRR+VsGNDVout≈ Vs·ΔR / 4R
ANIMADAFigura 4. Arquitectura base de un transductor piezoresistivo: la presión curva un diafragma con resistencias integradas. Para leer cambios tan pequeños, las resistencias se conectan en un puente de Wheatstone.
Ec. 1.8Resistencia de un conductor
R=ρ·LA
Símbolo Significado Unidad
R Resistencia eléctrica Ω (ohm)
ρ Resistividad del material (rho) Ω·m
L Longitud del conductor m
A Área de la sección transversal m²
Ec. 1.1Cambio relativo de resistencia al deformar
ΔRR=Δρρ+ΔLL−ΔAA
Símbolo Significado Unidad
ΔR/R Cambio relativo de la resistencia adimensional
Δρ/ρ Cambio relativo de la resistividad: es el efecto piezoresistivo adimensional
ΔL/L Alargamiento relativo (igual a la deformación ε) adimensional
ΔA/A Cambio relativo del área de la sección adimensional
Δ Delta: “cambio de” o “variación de” —
Ec. 1.2Factor de galga (GF, Gauge Factor)
GF=ΔRRε
Símbolo Significado Unidad
GF Factor de galga: sensibilidad del material adimensional (≈ 2 en galgas metálicas; 100 o más en silicio)
ΔR/R Cambio relativo de la resistencia adimensional
ε Deformación unitaria (épsilon) = ΔL/L adimensional; se expresa en µε (1 µε = 10⁻⁶)
Coeficiente piezoresistivo
π=ΔρρE·ε
Símbolo Significado Unidad
π Coeficiente piezoresistivo (pi): cuánto cambia ρ por unidad de esfuerzo m²/N = Pa⁻¹
E Módulo de Young (rigidez del material) N/m² = Pa
E·ε Esfuerzo mecánico aplicado (σ) N/m² = Pa
Salida del puente de Wheatstone (una galga activa)
Vout≈Vs·ΔR4·R
Símbolo Significado Unidad
Vout Tensión de salida del puente V
Vs Tensión de alimentación del puente V
ΔR Cambio de resistencia de la galga Ω
R Resistencia nominal de cada rama Ω

Válida cuando ΔR es mucho menor que R, que es lo normal en galgas.

Ejemplo resuelto

Una galga extensiométrica de 120 Ω y GF = 2 se pega a una viga que se deforma ε = 500 µε (0,0005). La galga forma un puente de Wheatstone alimentado con 5 V. ¿Cuánto cambia la resistencia, qué tensión entrega el puente y qué pasa si la temperatura sube 10 K?

  1. Despejando (1.2): ΔR = GF · ε · R = 2 · 0,0005 · 120 = 0,12 Ω (un 0,1 %).
  2. Puente con una sola galga activa: Vout ≈ Vs · (ΔR/R) / 4 = 5 · 0,001 / 4 = 1,25 mV. Necesitarás un amplificador (HX711, INA125) antes del ADC.
  3. Deriva térmica típica de 300 ppm/K: 120 · 300×10⁻⁶ · 10 = 0,36 Ω. ¡Tres veces la señal! Por eso se usan galgas de compensación en el mismo puente.
Ventajas
  • Robusto y simple de implementar
  • Baja sensibilidad al ruido
  • Respuesta lineal con deformaciones pequeñas
Desventajas
  • Fuerte dependencia de la temperatura (≈ 300 ppm/K)
  • Señales de mV: requiere puente y amplificación
Aplicaciones
  • Sensores de presión
  • Galgas y celdas de carga (balanzas)
  • Medición de torque y deformación

4.2 Principio capacitivo

Un capacitor son dos electrodos separados por un dieléctrico. Si una variable física cambia la distancia entre los electrodos, el área de traslape o el material entre ellos, cambia la capacitancia. En un sensor de proximidad, se mide el cambio de capacitancia que provoca el movimiento relativo entre el sensor y un objeto. En un sensor inercial (acelerómetro), se mide el desplazamiento de una estructura móvil respecto de una fija.

Capacitancia de placas paralelas
C=ε0·εr·Ad
Símbolo Significado Unidad
C Capacitancia F (faradio)
ε0 Permitividad del vacío = 8,85×10⁻¹² F/m
εr Permitividad relativa del dieléctrico (aire ≈ 1; acrílico ≈ 3; agua ≈ 80) adimensional
A Área de traslape entre los electrodos m²
d Distancia entre los electrodos m
a) Placas paralelasmóvilfijadnormal: cambia dtangencial: cambia Apresión · micrófonosb) InterdigitadoY+sube un C, baja el otroacelerómetros MEMSc) De franjaobjeto / electrodo 1el objeto perturba el campode borde (franja)proximidad · touch
ANIMADAFigura 5. Las tres estructuras capacitivas típicas. La interdigitada trabaja en forma diferencial: cuando la placa móvil sube, el capacitor superior de cada dedo aumenta y el inferior disminuye.

Casi siempre la medición es diferencial: por cada capacitor que aumenta hay otro que disminuye, y el circuito calcula la diferencia. Así se obtiene una señal que vale cero en el punto de equilibrio, el signo indica el sentido del movimiento y el sistema es lineal alrededor del equilibrio. El reto de diseño es convertir un cambio mínimo de capacitancia en un cambio grande de la señal de salida.

Ejemplo resuelto

a) Un MEMS tiene placas paralelas con área de traslape de 10 µm² y separación de 2 µm (εr = 1). b) Un botón touch casero usa un electrodo de 1 cm² bajo 1 mm de acrílico (εr ≈ 3). Calcula ambas capacitancias.

  1. a) C = 8,85×10⁻¹² · 1 · 10×10⁻¹² / 2×10⁻⁶ = 4,4×10⁻¹⁷ F (0,044 fF). Ese valor tan pequeño es la razón por la que estos sensores necesitan circuitos de lectura muy especializados.
  2. b) C = 8,85×10⁻¹² · 3 · 1×10⁻⁴ / 1×10⁻³ = 2,66 pF. Un dedo encima agrega unos pocos pF más: suficiente para que la librería CapacitiveSensor de Arduino lo detecte.
  3. Si en a) la placa móvil se acerca de 2 µm a 1,9 µm, C sube un 5,3 %. Un desplazamiento de 0,1 µm ya es medible.
Sensor táctil capacitivo TTP223$2.000 · ver →
Ventajas
  • Resolución “infinita” y bajo consumo
  • Detecta casi cualquier material
  • Baja dependencia de la temperatura
  • Tolera desalineaciones y se aísla fácil del ruido eléctrico
Desventajas
  • Circuitos de lectura muy especializados
  • Capacitancias parásitas en cada conexión: el acople debe hacerse en la fabricación
Aplicaciones
  • Presión, micrófonos, MEMS, acelerómetros
  • Posición lineal, nivel, proximidad
  • Touch e interruptores

Por estas ventajas, el principio capacitivo ha ido desplazando poco a poco a los piezoeléctricos y piezoresistivos.

4.3 Principio piezoeléctrico

Descubierta por los hermanos Pierre y Jacques Curie, la piezoelectricidad (del griego piezo, presión) es la capacidad de ciertos materiales de generar carga eléctrica cuando se les aplica una presión. Estos materiales son un subconjunto de los ferroeléctricos: cada elemento interno es un dipolo, con un extremo más negativo que el otro. En reposo, los dipolos están desordenados. Al deformar el material (estirarlo o comprimirlo), los dipolos se alinean y aparece una tensión medible.

a) En reposodipolos desordenados → V = 0b) Efecto directoFVpresión → dipolos alineados → tensiónc) Efecto inverso+ −se expande ose contraetensión → deformación (zumbador)
ANIMADAFigura 6. El efecto es reversible. Con presión genera tensión (sensor de golpe); con tensión se deforma (zumbador, emisor ultrasónico). El sentido de la deformación depende de la polaridad aplicada.
Ec. 1.3Ecuación constitutiva piezoeléctrica
σ=c·S−e·E
Símbolo Significado Unidad
σ Esfuerzo mecánico (sigma) N/m² = Pa
c Rigidez elástica del material N/m² = Pa
S Deformación del material adimensional
e Coeficiente piezoeléctrico C/m²
E Campo eléctrico V/m = N/C

El esfuerzo depende a la vez de la deformación y del campo eléctrico: ese acoplamiento es lo que hace reversible el efecto.

Carga y tensión generadas por una fuerza
q=d33·FV=qC
Símbolo Significado Unidad
q Carga eléctrica generada C (coulomb)
d33 Coeficiente de carga del material en el eje de la fuerza C/N (se usa pC/N)
F Fuerza aplicada N
V Tensión en vacío V
C Capacitancia propia del disco F

Arquitectura de un sensor piezoeléctrico: una cubierta que aísla el elemento del ambiente (para evitar ruido), cables que lo acoplan a la electrónica, una interfaz amortiguadora que protege al cristal de golpes y una capa acopladora con el medio. Como el propio elemento genera la carga, se le llama sensor auto-generador.

En baja frecuencia y potencia (sonares), se usa el transductor de Langevin (o “sándwich”, o Tonpilz): anillos piezoeléctricos en pares, una masa trasera que absorbe la energía emitida hacia atrás y una masa delantera que acopla el elemento activo con el medio y lo protege.

Ejemplo resuelto

Un disco piezoeléctrico tipo PZT de 27 mm (coeficiente de carga típico d33 ≈ 400 pC/N y capacitancia ≈ 20 nF) recibe un golpe de 10 N. ¿Qué carga y qué tensión genera?

  1. q = d33 · F = 400×10⁻¹² · 10 = 4 nC
  2. V = q / C = 4×10⁻⁹ / 20×10⁻⁹ = 0,2 V (en vacío). Un golpe seco sobre el disco puede dar varios volts en el pico: pon una resistencia de 1 MΩ en paralelo y, si hace falta, un zener de 5,1 V para proteger la entrada del Arduino.

d33 y C son valores típicos de catálogo para PZT, no del libro.

Sensor de golpe KY-031$2.000 · ver →
Zumbador piezoeléctrico SFM-20B$1.000 · ver →
Ventajas
  • Salida proporcional a la deformación (lineal)
  • Auto-generador: no necesita alimentación para producir señal
  • Reversible: sirve como sensor y como actuador
Desventajas
  • Muy sensible a la temperatura: la dilatación genera carga indeseada (ruido)
  • Poco compatible con procesos de microelectrónica (más caro)
  • No mide fuerzas estáticas: la carga se fuga
Aplicaciones
  • Sensores de golpe y vibración
  • Zumbadores, emisores ultrasónicos
  • Sonares (Langevin), encendedores

Piezoresistivo vs. piezoeléctrico: los dos reaccionan a una deformación, pero el piezoresistivo cambia su resistencia (necesita alimentación y un circuito de lectura), mientras que el piezoeléctrico genera una tensión por sí mismo.

4.4 Principio ultrasónico

Una onda ultrasónica está por encima de la frecuencia audible (≈ 20 kHz). Sirve para detectar y evaluar objetos en gases, líquidos e incluso sólidos. Frente a las ondas electromagnéticas tiene dos ventajas: no se atenúa rápido en metales ni en el cuerpo humano, y es lenta (entre 300 y 10.000 m/s, contra 300.000.000 m/s de la luz), así que su tiempo de viaje se mide con facilidad. Va más rápido en sólidos, a velocidad media en líquidos y más lento en gases.

a) Al chocar con un objetoincidenteparte se absorbereflejada (eco)transmitidab) Efecto Dopplervreceptoradelante:frecuencia ↑atrás: frecuencia ↓
ANIMADAFigura 7. a) Cuando la onda llega a un objeto, una parte se refleja, otra se absorbe y otra se transmite. b) Si emisor y receptor se acercan, la frecuencia aparente aumenta; si se alejan, disminuye.

Con eso, un transductor ultrasónico puede medir el tiempo de vuelo del eco, su atenuación, el cambio de frecuencia (Doppler) o si el haz fue interrumpido. Para emitir y recibir usa un elemento piezoeléctrico: la onda mecánica que regresa comprime o tensa el cristal y produce una señal eléctrica variable. Hay dos montajes típicos:

  • Emisor y receptor contiguos (como el HC-SR04): miden proximidad, nivel o velocidad de un objeto.
  • Emisor y receptor enfrentados: detectan la interrupción del haz por un objeto o la velocidad de un fluido que pasa entre ellos.
Distancia por tiempo de vuelo
d=v·t2
Símbolo Significado Unidad
d Distancia al objeto m
v Velocidad del sonido en el medio m/s
t Tiempo de ida y vuelta del eco s
2 Se divide por 2 porque t incluye ida y regreso —
Velocidad del sonido en el aire
vaire ≈ 331,3 + 0,606·T
Símbolo Significado Unidad
vaire Velocidad del sonido en aire seco m/s
T Temperatura del aire °C
Corrimiento Doppler de un eco
Δf≈2·f·vobjv
Símbolo Significado Unidad
Δf Cambio de frecuencia del eco Hz
f Frecuencia emitida Hz
vobj Velocidad del objeto (positiva si se acerca) m/s
v Velocidad del sonido m/s

Aproximación válida cuando el objeto se mueve mucho más lento que el sonido.

Ejemplo resuelto

Un HC-SR04 (40 kHz) recibe el eco 2,9 ms después de emitir. a) Distancia a 20 °C. b) Error si en realidad hay 30 °C. c) Cambio de frecuencia si el objeto se acerca a 1 m/s.

  1. a) v(20 °C) = 343,4 m/s → d = 343,4 · 0,0029 / 2 = 49,8 cm
  2. b) v(30 °C) = 349,5 m/s → la distancia real es 50,7 cm: un error de ≈ 1,8 % por no compensar la temperatura. Con un DHT11 al lado puedes corregirlo.
  3. c) Δf ≈ 2 · 40.000 · 1 / 343 = 233 Hz: el eco vuelve a ≈ 40,23 kHz.
Sensor ultrasónico HC-SR04$1.990 · ver →
Sensor DHT11 temperatura y humedad$1.500 · ver →
Ventajas
  • Funciona en gases, líquidos y sólidos
  • Penetra metales y tejido humano
  • Onda lenta: tiempos fáciles de medir
Desventajas
  • La velocidad depende de la temperatura y del medio
  • Superficies blandas o inclinadas absorben o desvían el eco
Aplicaciones
  • Imagenología y diagnóstico médico
  • Sonar, giroscopios de vibración
  • Detección de fallas en metales, microscopios ultrasónicos
  • Mecanizado, soldadura y limpieza

4.5 Principio magnético

Agrupa tres efectos que convierten un campo magnético, o sus cambios, en una señal eléctrica.

a) Efecto Hall

Descubierto por Edwin H. Hall en 1879. Si una corriente I recorre una placa conductora en presencia de un campo magnético B, sobre los portadores de carga actúa una fuerza transversal (fuerza de Lorentz) que los desvía hacia un borde. Entre los bordes aparece una diferencia de potencial: el voltaje Hall. Usa un campo de corriente continua (un imán permanente) y una placa; no necesita bobinas ni corriente alterna.

IB (imán)− − − −+ + + +VHfuerza transversal(Lorentz) separalas cargasespesor d
ANIMADAFigura 8. Efecto Hall: la corriente atraviesa la placa, el campo B empuja las cargas hacia un borde y aparece el voltaje Hall entre los costados.
Voltaje Hall
VH=I·Bn·e·d
Símbolo Significado Unidad
VH Voltaje Hall entre los bordes de la placa V
I Corriente que atraviesa la placa A
B Densidad de campo magnético T (tesla)
n Densidad de portadores de carga 1/m³
e Carga del electrón = 1,602×10⁻¹⁹ C
d Espesor de la placa m
Coeficiente de Hall
RH=1n·e
Símbolo Significado Unidad
RH Coeficiente de Hall del material m³/C
n · e Carga total disponible por unidad de volumen C/m³
Ejemplo resuelto: ¿por qué los sensores Hall son de semiconductor?

Placa de 0,1 mm de espesor, B = 1 T. Compara cobre (n = 8,5×10²⁸ m⁻³, I = 1 A) con un semiconductor (n ≈ 1×10²² m⁻³, I = 1 mA).

  1. Cobre: VH = 1 · 1 / (8,5×10²⁸ · 1,602×10⁻¹⁹ · 1×10⁻⁴) = 0,73 µV. Imposible de medir con un Arduino.
  2. Semiconductor: VH = 0,001 · 1 / (1×10²² · 1,602×10⁻¹⁹ · 1×10⁻⁴) = 6,2 mV, con mil veces menos corriente.
  3. Con menos portadores, cada uno se desvía más: por eso módulos como el KY-003 (A3144) usan silicio y traen el amplificador y el comparador integrados.
Módulo sensor Hall KY-003 (A3144)$2.000 · ver →
Módulo Hall lineal KY-024 (salida analógica)$2.000 · ver →
Ventajas
  • Inmune a suciedad, agua y polvo
  • Sin contacto mecánico: no se desgasta
Desventajas
  • Sensible al ruido magnético (motores cerca)
  • Si el material es muy piezoresistivo, una deformación genera voltaje falso
  • La corriente calienta la placa y desvía VH
Aplicaciones (automotriz)
  • Posición y cigüeñal
  • Detección de arranque del motor
  • Cinturones de seguridad, cierre de puertas
  • rpm con un imán en la rueda

b) Transducción basada en la ley de Faraday (inductiva)

Todo conductor con corriente tiene asociado un campo magnético. La inductancia (L) es su capacidad de almacenar energía en ese campo. Este principio usa un inductor (una bobina con núcleo) y, como el Hall, un imán permanente; pero en lugar de la placa conductora hay una bobina. Cuando el flujo magnético que la atraviesa cambia, se induce una tensión.

Ec. 1.4Inductancia de una bobina
L=N2·μ·Al
Símbolo Significado Unidad
L Inductancia H (henry)
N Número de vueltas de la bobina —
μ Permeabilidad del núcleo: μ = μ0·μr, con μ0 = 4π×10⁻⁷ H/m
A Área de la sección del núcleo m²
l Largo del núcleo m
Ec. 1.5Ley de Faraday
V=−N·dΦdt
Símbolo Significado Unidad
V Tensión inducida V
N Número de vueltas —
dΦ/dt Rapidez de cambio del flujo magnético Wb/s
Φ Flujo magnético (fi) Wb (weber)
− Ley de Lenz: la tensión se opone al cambio que la produce —
Ec. 1.6Tensión con flujo periódico (rueda dentada)
V=N·n·ω·Φm·cos(n·ω·t)
Símbolo Significado Unidad
n Número de dientes de la rueda —
ω Velocidad angular de la rueda (omega) rad/s
Φm Amplitud del flujo magnético Wb
t Tiempo s
N · n · ω · Φm Amplitud (valor pico) de la tensión V
ωN Sbobina (N vueltas)imántensión alterna: un pulso por diente↑ entrehierro
ANIMADAFigura 9. Sensor de reluctancia variable: cada diente que pasa frente al núcleo cambia el flujo y se induce una tensión. Convierte velocidad angular en voltaje sin contacto. El mismo principio, con un núcleo móvil dentro de la bobina, convierte desplazamiento lineal en inductancia (núcleo afuera = L baja; dentro = L alta).
Ejemplo resuelto

a) Bobina de 200 vueltas, núcleo de aire de 1 cm² y 2 cm de largo: calcula L. b) Rueda de 60 dientes a 1.000 rpm frente a una bobina de 500 vueltas, con Φm = 1×10⁻⁶ Wb: frecuencia y amplitud de la tensión.

  1. a) L = 200² · (4π×10⁻⁷) · 1×10⁻⁴ / 0,02 = 0,25 mH. Con un núcleo de ferrita (μr ≈ 1.000), L ≈ 0,25 H.
  2. b) ω = 1.000 · 2π / 60 = 104,7 rad/s. f = n · rpm / 60 = 60 · 1.000 / 60 = 1.000 Hz
  3. Vpico = N · n · ω · Φm = 500 · 60 · 104,7 · 1×10⁻⁶ = 3,14 V. La amplitud crece con la velocidad: a 3.000 rpm serían 9,4 V. Hay que limitarla antes de entrar al microcontrolador.
Ventajas
  • Implementación de bajo costo
  • Sin contacto, poco sensible a la suciedad
Desventajas
  • No interactúa con materiales dieléctricos
  • Difícil enfocar el campo en la dirección del núcleo
  • Mayor consumo que el capacitivo; lectura especializada
Aplicaciones
  • Sensores de reluctancia variable (ABS, cigüeñal)
  • Desplazamiento lineal (LVDT)
  • Detectores inductivos de metal

c) Corrientes de Foucault (Eddy)

La impedancia de una bobina alimentada con corriente alterna depende de lo que la rodea. Si hay un material conductor o permeable cerca, se inducen en él corrientes en remolino (de Foucault o Eddy), que generan su propio campo y cambian notablemente la impedancia de la bobina. Para que el cambio sea apreciable, la alterna suele ser de algunas decenas de kHz. Mientras más grandes las corrientes inducidas, mayor el cambio. El cálculo exacto es complejo y se hace con modelos de elementos finitos.

bobina con CA (decenas de kHz)placa metálica:corrientes en remolinola impedancia de la bobina cambia → metal detectado
ANIMADAFigura 10. Arquitectura base de un transductor por corrientes de Foucault. Es el principio de los sensores inductivos de proximidad industriales y de los detectores de metales.

Como el resto de los principios magnéticos, es poco susceptible al ruido y a la suciedad, y por eso es el estándar para detectar piezas metálicas en la industria.

4.6 Principio térmico

El calor es una forma de energía, pero la cantidad total de calor de un sistema no se puede medir directamente: lo que sí se mide son sus cambios, y para eso está la temperatura. Para pasar de energía eléctrica a térmica se aprovecha la relación entre corriente y temperatura (efecto Joule). Para pasar de térmica a eléctrica se usan las relaciones de Thomson: los efectos Seebeck, Peltier y Thomson.

JouleI² · R · t → calor(irreversible)Seebeck (termopar)unión caliente T₁metal Ametal BmVuniones frías T₀ en el medidorPeltiercara que emite calorcara que absorbe calorinvertir la corriente invierte las carasThomson: un conductor con corriente dentro de un gradiente de temperatura absorbe o emite calorproporcional a la corriente × gradiente. Es reversible.
ANIMADAFigura 11. Los efectos térmicos. Seebeck y Peltier son dos caras de la misma física: uno genera tensión con una diferencia de temperatura; el otro mueve calor con una corriente.
Efecto Año / autor Qué ocurre Uso típico
Joule James P. Joule Los portadores chocan entre sí al circular y disipan calor. Irreversible. Calefactores, fusibles, anemómetros de hilo caliente
Seebeck 1821 · T. J. Seebeck Dos conductores distintos unidos, con sus uniones a temperaturas diferentes, generan una fuerza electromotriz. Si las uniones están a la misma temperatura, los campos se anulan. Termopares
Peltier 1834 · J. C. A. Peltier Al pasar corriente por la unión de dos metales distintos, esta absorbe o emite calor en proporción a la corriente. El sentido de la corriente decide cuál. Celdas Peltier (enfriadores TEC)
Thomson W. Thomson Conductor con corriente en un gradiente de temperatura: calor ∝ I × gradiente. Reversible. Corrección fina en termoelectricidad
Ec. 1.7Efecto Joule
Q=I2·R·t
Símbolo Significado Unidad
Q Calor generado J (joule)
I Corriente eléctrica A
R Resistencia eléctrica Ω
t Tiempo s
Tensión de un termopar (aproximación lineal)
V≈α·ΔT
Símbolo Significado Unidad
V Tensión generada (efecto Seebeck) V
α Coeficiente de Seebeck del par de metales (tipo K ≈ 41 µV/°C) V/°C
ΔT Diferencia de temperatura entre la unión caliente y la fría °C
Ejemplo resuelto

a) Se aplican 25 V a una resistencia de 1 kΩ durante 5 s: ¿cuánto calor se produce? b) Un termopar tipo K (≈ 41 µV/°C, valor típico) tiene la unión caliente a 125 °C y la fría a 25 °C: ¿qué tensión entrega?

  1. a) I = 25 / 1.000 = 0,025 A → Q = 0,025² · 1.000 · 5 = 3,125 J
  2. b) ΔT = 100 °C → V ≈ 41×10⁻⁶ · 100 = 4,1 mV. Por eso los termopares necesitan un amplificador con compensación de unión fría (MAX6675, MAX31855) antes del Arduino.
Resistencias de potencia 5 W (calefactor de prueba)$2.500 · ver →
Termistor NTC MF52ATDesde $500 · ver →
Módulo termistor NTC KY-013$2.000 · ver →

El calor afecta a todos los sensores. Todos los materiales son sensibles a la temperatura: cambia su volumen o estado, su resistencia, su deformación o la radiación que emiten. Por eso el efecto térmico suele aparecer como error en los demás principios (recuerda la galga y el piezoeléctrico).

4.7 Principio fotoeléctrico

Un fotón es la partícula elemental de la luz, el “cuanto de luz” de Einstein. Hay efecto fotoeléctrico cuando un fotón incide sobre un material y este libera un electrón. Solo ocurre si la energía del fotón supera la que el material necesita para liberarlo, y esa energía depende de la longitud de onda: mientras más corta la longitud de onda, más energía. Si se dirige luz hacia una película delgada, los electrones liberados aumentan su conductancia y crece la corriente del circuito de medición.

material (por ejemplo, silicio: necesita ≈ 1,12 eV)λ larga (IR lejano)poca energía✗ no libera electronesλ corta (visible)más energíae⁻ liberado ✓
ANIMADAFigura 12. Si la energía del fotón no alcanza la que requiere el material, no hay efecto fotoeléctrico, sin importar cuánta luz llegue.
Energía de un fotón
E=h·cλ
Símbolo Significado Unidad
E Energía del fotón J (o eV: 1 eV = 1,602×10⁻¹⁹ J)
h Constante de Planck = 6,626×10⁻³⁴ J·s
c Velocidad de la luz = 3×10⁸ m/s
λ Longitud de onda (lambda) m (se usa nm)

Complementa el capítulo: permite saber si un fotón tiene energía suficiente para liberar un electrón.

Ejemplo resuelto

¿Qué energía tienen los fotones de un LED rojo (650 nm) y de un LED infrarrojo de control remoto (940 nm)? ¿Hasta qué longitud de onda responde un fotodiodo de silicio (1,12 eV)?

  1. Rojo: E = 6,626×10⁻³⁴ · 3×10⁸ / 650×10⁻⁹ = 3,06×10⁻¹⁹ J = 1,91 eV
  2. IR: E = 1,32 eV. Ambos superan 1,12 eV: el silicio responde.
  3. λmáx = h·c / E = ≈ 1.108 nm. Más allá (infrarrojo lejano, calor corporal), un fotodiodo de silicio no ve nada. Por eso los sensores PIR usan otro principio (piroeléctrico).
Fotorresistencia GL5516 (LDR)$200 · ver →
Emisor y receptor infrarrojo$300 · ver →
Seguidor de línea KY-033 (TCRT5000)$2.000 · ver →
Ventajas
  • Alta sensibilidad
  • Funciona en condiciones ambientales muy diversas
  • Sin contacto y muy rápido
Desventajas
  • Sensible a la luz ambiente y al polvo en la óptica
  • Responde solo a ciertas longitudes de onda
Aplicaciones
  • Dimensiones, desplazamientos y deformaciones
  • Fuerza, presión, torque y flujo (vía ópticas)
  • Fotodiodos, fototransistores, LDR, barreras IR

4.8 Principio químico-eléctrico

Genera una señal eléctrica manipulable a partir de una actividad química. Las formas de hacerlo son muy variadas y dependen de la reacción y del compuesto que se quiere detectar. Requiere un medio controlado: aunque el transductor sea selectivo a un compuesto, los cambios de temperatura o la presencia de otros gases alteran la medición.

●●●●▲●●aire: ● alcohol · ● otros gases · ▲ COcapa selectiva (no debe reaccionar)transductor + calefactorseñal eléctrica(R o V)Si T varía mucho,el sensor de alcoholtambién reacciona abenceno y CO:señal ruidosa
ANIMADAFigura 13. La parte receptora debe ser selectiva y no reaccionar químicamente con lo que mide; si lo hiciera, alteraría la medición.

En Arduino: los módulos MQ (MQ-2 gas, MQ-3 alcohol, MQ-135 calidad de aire) son químico-eléctricos: una película de óxido de estaño calentada cambia su resistencia según el gas. Necesitan 24 a 48 h de precalentamiento la primera vez y una calibración con la curva de la hoja de datos. Su relación entre concentración y voltaje no es lineal.

Sensor de gas MQ-2 (GLP, humo)$3.500 · ver →
Sensor de alcohol MQ-3$2.500 · ver →
Sensor de calidad de aire MQ-135$4.000 · ver →

4.9 Principio resistivo

La resistencia eléctrica es la oposición de un material al paso de la corriente. Depende de cuánto material hay (largo y sección), a diferencia de la resistividad, que es propia del material. Si cortas un trozo de una pieza, ese trozo tiene menos resistencia que la pieza completa. El principio resistivo aprovecha justamente eso: cambiar la cantidad de material en el camino de la corriente, típicamente moviendo un contacto (cursor).

Ec. 1.9Ley de Ohm
V=R·I
Símbolo Significado Unidad
V Tensión (voltaje) V
R Resistencia Ω
I Corriente A
Potenciómetro como divisor de tensión
Vout=Vin·x
Símbolo Significado Unidad
Vout Tensión en el cursor V
Vin Tensión aplicada a los extremos de la pista V
x Posición del cursor (0 = GND, 1 = Vin) fracción de 0 a 1
Lectura del ADC de 10 bits (Arduino UNO)
ADC=VoutVref·1023
Símbolo Significado Unidad
ADC Número que entrega analogRead() 0 a 1023
Vref Tensión de referencia del conversor (normalmente 5 V) V
1023 Mayor número posible con 10 bits (2¹⁰ − 1) —
pista resistiva (10 kΩ)x (posición)GND+5 VVout → A0x = 30 %Vout = 1,5 VADC ≈ 307x = 50 %Vout = 2,5 VADC ≈ 512x = 80 %Vout = 4,0 VADC ≈ 818
ANIMADAFigura 14. Arquitectura base de un transductor resistivo: al mover el cursor cambia la porción de pista entre él y tierra, y con ella la tensión de salida.
Ejemplo resuelto

a) Un alambre de cobre de 1 mm de diámetro, 30 mm de largo y ρ = 1,71×10⁻⁸ Ω·m: ¿qué resistencia tiene? b) Un potenciómetro de 10 kΩ alimentado con 5 V tiene el cursor al 30 %: ¿qué lee el Arduino?

  1. a) A = π·(0,5×10⁻³)² = 7,85×10⁻⁷ m² → R = 1,71×10⁻⁸ · 0,03 / 7,85×10⁻⁷ = 0,65 mΩ
  2. b) Vout = 5 · 0,30 = 1,5 V → ADC = 1,5 / 5 · 1023 ≈ 307
Potenciómetro rotativo WH148$1.500 · ver →
Joystick KY-023$2.000 · ver →
Actividad práctica: la resistencia de un lápiz

Saca punta a ambos extremos de un lápiz de grafito hasta dejar la mina expuesta. Mide su largo y su resistencia con el multímetro. Corta un trozo, repite la medición y anótala. Haz varias mediciones y grafica resistencia vs. longitud. Deberías obtener una recta que pasa cerca del origen: al cortar el lápiz a la mitad, la resistencia también baja a la mitad (R ∝ L).

Resistivo vs. piezoresistivo: el resistivo cambia cuánto material recorre la corriente (geometría). El piezoresistivo cambia la resistividad del material al deformarlo.

Simulador: transducción resistiva con una LDR

Una LDR combina dos principios: la luz libera portadores (fotoeléctrico) y eso se lee como un cambio de resistencia (resistivo). Aquí está en un divisor de 5 V, con la LDR arriba y 10 kΩ fijos abajo. El Arduino enciende una lámpara cuando su ADC baja de 400.

☀️☁️🌇🌙
RLDR: 0,5 kΩ2 kΩ15 kΩ100 kΩ
Vout: 4,76 V4,17 V2,00 V0,45 V
ADC: 97485340993 / 1023
LUZ
Mucha luz: muchos portadores, la LDR baja a 0,5 kΩ. Lámpara apagada.Nublado: 2 kΩ. La lectura baja un poco, pero sigue sobre 400.Atardecer: 15 kΩ y lectura de 409, justo en el umbral. Sin histéresis, la lámpara parpadearía.Noche: pocos portadores, 100 kΩ y lectura de 93. ¡Se enciende la lámpara!
Arma este simuladorMódulo LDR KY-018$2.000 · ver →
Arma este simuladorPlaca compatible Arduino UNODesde $4.990 · ver →

Resumen comparativo de los nueve principios

Principio Qué cambia Ecuación clave Punto fuerte Punto débil Ejemplo en Arduino
Piezoresistivo Resistividad por deformación GF = (ΔR/R)/ε Robusto, simple Temperatura Celda de carga + HX711
Capacitivo d, A o ε C = ε₀εrA/d Resolución, bajo consumo Lectura especializada Touch, humedad de suelo
Piezoeléctrico Carga por presión σ = cS − eE Auto-generador, reversible Temperatura Sensor de golpe, zumbador
Ultrasónico Tiempo, frecuencia o atenuación del eco d = v·t/2 Atraviesa medios v depende de T HC-SR04
Hall Tensión por campo B VH = IB/(ned) Inmune a suciedad Ruido magnético KY-003, A3144
Faraday Tensión por dΦ/dt V = −N dΦ/dt Barato, sin contacto Solo con materiales ferrosos Sensor de reluctancia (ABS)
Foucault Impedancia de la bobina (modelo numérico) Detecta metales sucios Cálculo complejo Inductivo NPN LJ12A3
Térmico Calor ↔ electricidad Q = I²Rt Termopares de alto rango Señales de µV a mV Termopar K + MAX6675
Fotoeléctrico Conductancia por fotones E = hc/λ Alta sensibilidad Luz ambiente LDR, fotodiodo, TCRT5000
Químico Señal por reacción química (curva del fabricante) Selectivo Temperatura, gases cruzados MQ-2, MQ-3
Resistivo Cantidad de material R = ρL/A Muy simple Desgaste por contacto Potenciómetro, joystick

Sección 5Sensores y su clasificación

Sensor

Dispositivo de entrada que entrega una salida manipulable de la variable física medida. Siempre usa un transductor, pero además su salida debe estar en el dominio que el sistema de medida necesita. Hoy ese dominio es eléctrico: analógico o digital.

A diferencia de un transductor, un sensor solo puede ser de entrada: siempre es el intermediario entre la variable física y el sistema de medida. Los sensores se clasifican de dos maneras.

Por principio de transducciónPor variable medida (la más usada)▸ Piezoresistivos▸ Capacitivos▸ Piezoeléctricos▸ Ultrasónicos▸ Magnéticos▸ Termoeléctricos▸ Fotoeléctricos▸ Químicos▸ Resistivos▸ Posición, velocidad y aceleración▸ Nivel y proximidad▸ Humedad y temperatura▸ Fuerza y deformación▸ Flujo y presión▸ Color, luz y visión▸ Gas y pH · Biométricos · Corriente− Poco práctica: no dice quévariable puede medir− Puede confundir: un mismo sensormide varias variables
Figura 15. El ultrasónico es el ejemplo clásico de la segunda limitación: con el mismo principio mide proximidad, nivel de un líquido, presencia de un objeto o velocidad de un fluido. Solo cambia cómo se monta y cómo se interpreta su salida.

Sección 6Características estáticas y dinámicas

Dos cámaras de marcas distintas sirven para lo mismo y, aun así, no son iguales. Con los sensores pasa lo mismo: lo que los distingue son sus características. Las estáticas no cambian con el tiempo; las dinámicas describen al sensor en función del tiempo.

6.1 Características estáticas

Característica Definición Ejemplo
Sensitividad Entrada mínima que provoca una salida detectable. Gráficamente, es la pendiente de la curva de salida. Acelerómetro analógico: 800 mV/g
Rango Intervalo entre el valor mínimo y el máximo que puede medir. HC-SR04: 2 a 400 cm
Precisión Repetibilidad: ante el mismo valor, entregar siempre la misma salida. 10 lecturas de un mismo objeto ±1 mm
Exactitud Diferencia máxima entre la salida y el valor real, normalmente en %. DHT11: ±2 °C
Linealidad estática Desviación entre la curva del fabricante (condiciones controladas) y la curva real. % de no linealidad
Offset Corrimiento en el eje y: lo que entrega el sensor cuando debería marcar cero. Sensor de presión que marca 0,2 V sin presión
Resolución El cambio más pequeño de la variable que puede registrar. LM35 + ADC de 10 bits: 0,49 °C
Error estático Errores de lectura; por ejemplo, interpolar mal entre dos puntos de una gráfica de la hoja de datos. Leer 37 °C “entre” 30 y 40 en una curva no lineal
Preciso y exactoPreciso, no exactoExacto (en promedio),poco precisoNi preciso ni exacto(típico de un offset)El centro es el valor real · cada punto es una medición del mismo valor
ANIMADAFigura 16. Precisión = qué tan agrupadas están las mediciones. Exactitud = qué tan cerca del valor real caen. En la práctica, la mayoría de los sensores reparte sus lecturas alrededor del valor real aunque este no cambie.
a) Offset por temperaturaentradasalidaT altaidealT bajaoffsetb) Histéresissubiendobajandovariable física
ANIMADAFigura 17. a) Un cambio de temperatura desplaza la curva completa hacia arriba o hacia abajo: eso es el offset. b) Con histéresis, la salida para un mismo valor depende de si la variable venía subiendo o bajando; la curva real cruza la ideal en ambos sentidos.
Sensitividad
S=Δ salidaΔ entrada
Símbolo Significado Unidad
S Sensitividad: pendiente de la curva de salida unidad de salida / unidad de entrada (ej.: mV/g, mV/°C)
No linealidad estática
% NL=DmáxFS·100
Símbolo Significado Unidad
% NL Porcentaje de no linealidad %
Dmáx Desviación máxima entre la curva real y la ideal unidad de salida
FS Valor máximo a escala completa (Full Scale) unidad de salida
Resolución de un conversor A/D
LSB=Vref2n
Símbolo Significado Unidad
LSB Paso mínimo de tensión que distingue el ADC (Least Significant Bit) V
Vref Tensión de referencia del ADC V
n Número de bits del conversor (Arduino UNO: 10) bits
Ejemplos resueltos
  1. Sensitividad. Un acelerómetro de 800 mV/g mide un cambio de 0,4 V. ¿Qué aceleración fue? Regla de tres: 0,4 / 0,8 = 0,5 g ≈ 4,9 m/s². Los sensores de gas no son lineales: ahí no basta una regla de tres y hay que caracterizar el sensor en todo su rango.
  2. No linealidad. Un sensor de 0–5 V se desvía como máximo 0,12 V de su recta ideal: (0,12 / 5) · 100 = 2,4 %
  3. Resolución. ADC de 10 bits con 5 V de referencia: 5 / 1024 = 4,88 mV por paso. Con un LM35 (10 mV/°C), la resolución del sistema es 0,49 °C. Si usas la referencia interna de 1,1 V del UNO, baja a 0,11 °C, pero el rango se acorta a 110 °C.
Compara su exactitudSensor DHT11 temperatura y humedad$1.500 · ver →
Compara su exactitudSensor DHT22 (AM2302) de mayor exactitud$4.500 · ver →

6.2 Características dinámicas

Característica Definición
Tiempo de respuesta Lo que tarda el sensor en registrar un cambio de la variable. La temperatura cambia lento, así que un termómetro puede ser lento; la velocidad angular de un motor exige un sensor muy rápido.
Histéresis Capacidad del sensor para seguir la curva ideal según la tendencia de la variable. A diferencia de la no linealidad, la curva real cruza a la ideal en ambos sentidos (figura 17b).
Linealidad dinámica Capacidad de seguir la curva del fabricante ante cambios repentinos y muy rápidos. La no linealidad dinámica es la distorsión que aparece en la salida por esos cambios bruscos.
Error dinámico Error causado, entre otras cosas, por la carga que el instrumento de medición impone al sensor, o por cómo está montado el sensor (posición, movimiento relativo).
Ejemplo resuelto: el voltímetro que “carga” al sensor

Un sensor resistivo de 10 kΩ forma un divisor con otra resistencia de 10 kΩ a 5 V. La salida debería ser 2,5 V. Si la medimos con un instrumento de 10 kΩ de impedancia de entrada, ¿qué lee?

  1. El instrumento queda en paralelo con la resistencia inferior: 10 kΩ ∥ 10 kΩ = 5 kΩ.
  2. V = 5 · 5 / (10 + 5) = 1,67 V en lugar de 2,5 V: un error del 33 % causado por el instrumento.
  3. Un multímetro digital típico tiene 10 MΩ de entrada (error despreciable). La entrada analógica del Arduino es de alta impedancia, pero el fabricante recomienda que la fuente tenga menos de 10 kΩ para que el ADC lea bien.

Sección 7Sensores inteligentes y MEMS

La electrónica avanza hacia lo más pequeño y barato: integrar en un solo componente lo que antes requería muchos elementos discretos. Cada interconexión hace la placa más compleja y cara de ensamblar. De esa necesidad nacen los sensores inteligentes.

Sensor inteligente

El término se propuso a mediados de los años 80. El IEEE lo define, en su familia de estándares 1451, como el sensor que entrega funciones más allá de las necesarias para representar correctamente la cantidad medida, típicamente para facilitar su integración en una red. Suele incluir acondicionamiento, conversión A/D o D/A, memoria, parte del control y un protocolo de comunicación.

TransductorAcondicionadorConvertidor A/DDisp. programable1234TransductorAcondic.A/DProgramableTransductorAcondic.A/DProgramableTransductorAcondic.A/DProgramableTransductorAcondic.A/DProgramableBaja integración: discretos en una misma placa (tarjeta acondicionadora)Acondicionador + A/D + control en un chip; el sensor va aparteTransductor y acondicionador en el mismo chip; salida aún analógica (algunos MEMS)Transductor + acondicionador + A/D en un encapsulado; se configura por I²C/SPI (la mayoría de los MEMS)módulo LM393ESP32 + NTCADXL335MPU-6050
Figura 18. Los cuatro modos de integración. El recuadro naranja marca qué bloques comparten placa, chip o encapsulado. Los del tercer modo son los más fáciles de usar, pero casi imposibles de modificar; los del cuarto se reconfiguran enviando un valor digital.

Sensores MEMS

MEMS = Micro-Electro-Mechanical System, un sistema microelectromecánico con componentes de tamaño micrométrico (1 µm = 0,001 mm), diseñado para una función específica. Su núcleo tiene dos partes: un sensor o actuador y una unidad de transducción de la señal. Detectan temperatura, presión, fuerza, aceleración, radiación, flujo magnético o composición química.

sustrato (referencia fija)masa móvilvigaaCómo funciona1. La aceleración desplazala masa (inercia).2. Sus dedos se acercan a unoselectrodos fijos y se alejan deotros: ΔC diferencial.3. El chip convierte ΔC enun número (I²C).
ANIMADAFigura 19. Estructura clásica de un acelerómetro MEMS: el electrodo móvil es la masa suspendida por vigas; el opuesto está fijo al sustrato. Es una aplicación directa del capacitor interdigitado de la figura 5.
  • Integración monolítica: la estructura sensora y la electrónica se fabrican sobre el mismo sustrato. Si están en chips separados y se encapsulan juntos, no es monolítica.
  • Tecnologías de fabricación: PolyMUMPs, SOI-MEMS, LIGA y CMOS-MEMS. La geometría se obtiene por micromaquinado, un proceso químico.
  • Tres categorías: desarrollo tecnológico (probar conceptos o límites de una tecnología), herramientas de búsqueda (estudiar nuevos materiales y procesos) y productos comerciales (acelerómetros, giroscopios, magnetómetros, sensores de gas).
  • Estado sólido: los MEMS son sensores de estado sólido. Se construyen con un sustrato y capas que se depositan o crecen sobre él para formar la estructura transductora. En un sensor de gas, por ejemplo, una membrana lleva una película selectiva al gas y se conecta a la electrónica que acondiciona la señal.

En Arduino: el MPU-6050 (acelerómetro + giroscopio) es un MEMS de cuarto modo. Trae el transductor capacitivo, el acondicionador, un ADC de 16 bits y un procesador de movimiento; tú solo eliges el rango (±2, ±4, ±8 o ±16 g) escribiendo un registro por I²C.

Sensores y placas digitalesPlaca ESP32 DevKitC (WiFi + Bluetooth)$11.990 · ver →
Sensores y placas digitalesSensor DHT22 (AM2302) de mayor exactitud$4.500 · ver →

Sección 8Actuadores

Actuador

Dispositivo capaz de generar una fuerza que cambia la posición, la velocidad o el estado de un elemento mecánico, a partir de la transformación de energía.

Se clasifican de dos formas: por el tipo de energía que usan (neumáticos, hidráulicos, eléctricos) y por el tipo de movimiento que generan (lineal o rotatorio).

ACTUADORESNeumáticosenergía: aire a presiónHidráulicosenergía: aceite a presiónEléctricosenergía: electricidad▸ Cilindro simple efecto▸ Cilindro doble efecto▸ Motores neumáticos▸ Válvulas neumáticas yelectroneumáticas▸ Cilindro simple efecto▸ Cilindro doble efecto▸ Motores hidráulicos▸ Válvulas hidráulicas yelectrohidráulicas▸ Motores de corriente directa▸ Motores de corriente alterna▸ Motores paso a paso▸ Servomotores, solenoidesPor movimiento: lineales (cilindros, solenoides) · rotatorios (motores) · de giro limitado o ilimitado
Figura 20. Clasificación de los actuadores por tipo de energía, con sus ejemplos más comunes.

8.1 Actuadores neumáticos

Transforman la energía acumulada en el aire comprimido en trabajo mecánico, rectilíneo o rotatorio. El aire comprimido es energía mecánica almacenable: si se empuja el aire dentro de un recipiente cerrado, este presiona las paredes, y esa presión se puede usar después para producir fuerza o desplazamiento. Se dividen en lineales (cilindros de simple o doble efecto) y de giro (giro limitado, o ilimitado: motores).

a) Simple efectoresorte de retornoairePtrabajo enun solo sentidob) Doble efectoavanceretrocesotrabajo de saliday de retroceso
ANIMADAFigura 21. a) El aire empuja el vástago en un sentido; el resorte lo devuelve. b) Dos entradas de aire, una en cada extremo de la cámara: el vástago trabaja al salir y al volver.

Los motores neumáticos hacen girar un eje cuando el aire que entra a una cámara hermética se expande contra los álabes de un mecanismo de rotación. Dan muchas rpm, pero poco torque. Como el aire es muy compresible, los actuadores neumáticos tienen errores de posicionamiento: son ideales para movimientos de tope a tope, no para posiciones intermedias precisas.

Fuerza de un cilindro
F=P·A
Símbolo Significado Unidad
F Fuerza teórica del vástago N
P Presión del aire o del aceite Pa (1 bar = 100.000 Pa)
A Área efectiva del émbolo m²

El roce de las juntas resta entre un 5 y un 15 % a la fuerza teórica.

Área de avance y de retroceso
Aav=π·D24Aret=π·(D2−d2)4
Símbolo Significado Unidad
Aav Área que empuja al avanzar (cara completa del émbolo) m²
Aret Área que empuja al retroceder (se descuenta el vástago) m²
D Diámetro interior del cilindro m
d Diámetro del vástago m
π Pi ≈ 3,1416 —
Ejemplo resuelto

Cilindro neumático de doble efecto, Ø 32 mm, vástago de Ø 12 mm, red de 6 bar. Fuerza al avanzar y al retroceder.

  1. Aavance = π · 0,032² / 4 = 8,04×10⁻⁴ m² → F = 600.000 · 8,04×10⁻⁴ = 483 N (≈ 49 kgf)
  2. Aretroceso = π · (0,032² − 0,012²) / 4 = 6,91×10⁻⁴ m² → F = 415 N
  3. Retrocede con menos fuerza porque el vástago ocupa parte del área del émbolo.

8.2 Actuadores hidráulicos

Funcionan como los neumáticos, pero el fluido es aceite mineral. Su gran ventaja es la relación potencia/peso. La energía viaja por tubos y mangueras y depende del caudal y de la presión del aceite: la presión fija la fuerza; el caudal fija la velocidad. Fuerza por recorrido es trabajo, y trabajo en un tiempo es potencia.

Neumático (aire) Hidráulico (aceite)
Compresibilidad Alta → errores de posición Baja → movimiento suave y preciso
Presiones típicas 4 – 8 bar 100 – 300 bar
Fuerza Baja a media Muy alta
Carga estática Cede si baja la presión La sostiene sin aporte de energía
Instalación Simple; necesita compresor Compleja: filtrado, purga de aire, refrigeración
Problemas Ruido, condensación Fugas de aceite por las altas presiones
Extra Limpio y barato Autolubricado y robusto

Cilindros hidráulicos: se les llama también “motores lineales”. Los de simple efecto empujan en un sentido y vuelven por un resorte o por gravedad; los de doble efecto invierten el flujo con una válvula (por lo general solenoide) y son los más usados en posicionamiento y generación de fuerza.

Motores hidráulicos: generan torque a partir de la presión del fluido; si se invierte el flujo, se invierte el giro.

  • De engranajes: dos engranajes de dientes rectos en una cámara hermética. Simples, confiables y rápidos (hasta unas 6.000 rpm en casos especiales).
  • De pistones axiales: pistones alojados en un rotor y paralelos al eje del motor.
  • De pistones radiales: pistones perpendiculares al eje. Una excentricidad hace que la fuerza de los pistones no se anule en posiciones opuestas, y esa resultante produce el par.
Velocidad del vástago
v=QA
Símbolo Significado Unidad
v Velocidad de avance m/s
Q Caudal de aceite m³/s (1 L/min = 1,667×10⁻⁵ m³/s)
A Área efectiva del émbolo m²
Ejemplo resuelto

Cilindro hidráulico de Ø 50 mm a 100 bar, alimentado con 10 L/min. Fuerza y velocidad de avance.

  1. A = π · 0,05² / 4 = 1,96×10⁻³ m² → F = 10.000.000 · 1,96×10⁻³ = 19,6 kN (≈ 2 toneladas)
  2. Q = 10 L/min = 1,667×10⁻⁴ m³/s → v = Q / A = 0,085 m/s (8,5 cm/s)
  3. Compara: el cilindro neumático, con un diámetro parecido, daba menos de 500 N. Esa es la diferencia de presión (100 vs. 6 bar).

8.3 Actuadores eléctricos

Convierten energía eléctrica en mecánica, rotacional o lineal. Son los más usados porque su energía está disponible en la red; los neumáticos e hidráulicos necesitan además un compresor o una bomba.

Principio: una partícula cargada dentro de un campo magnético sufre una fuerza (de Lorentz). Lo mismo le pasa a un conductor con corriente: se desplaza perpendicular a las líneas de campo. Para aumentar la fuerza, el motor tiene muchos conductores en forma de espiras, y la interacción con los polos (imanes o electroimanes) hace girar el eje.

Fuerza de Lorentz sobre una carga
F=q·(E+v×B)
Símbolo Significado Unidad
F Fuerza sobre la partícula N
q Carga eléctrica C
E Campo eléctrico V/m
v Velocidad de la partícula m/s
B Densidad de campo magnético T
× Producto vectorial: la fuerza es perpendicular a v y a B —
Fuerza sobre un conductor (perpendicular al campo)
F=B·I·L
Símbolo Significado Unidad
F Fuerza sobre el conductor N
B Densidad de campo magnético T
I Corriente en el conductor A
L Largo del conductor dentro del campo m
NSBI sale del papelFF = B · I · L, perpendicular a B y a Iestator (fijo): imanesrotor (móvil): espiras
ANIMADAFigura 22. Izquierda: un conductor con corriente dentro de un campo recibe una fuerza perpendicular. Derecha: en un motor DC, el estator pone el campo y el rotor lleva las espiras que reciben la fuerza.
Ejemplo resuelto

Un conductor de 10 cm dentro de un campo de 0,5 T lleva 2 A. ¿Qué fuerza recibe? ¿Y una bobina con 100 espiras activas?

  1. F = B · I · L = 0,5 · 2 · 0,1 = 0,1 N
  2. Con 100 espiras: F = 10 N. Por eso los motores tienen tantas vueltas de alambre.
Motorreductor N20 3–6 V$4.990 · ver →

Actuadores de corriente directa (CD)

La corriente circula en un solo sentido. Tienen rotor (parte móvil, que entrega la fuerza) y estator (parte fija, que pone el magnetismo). Dos relaciones clave: la velocidad es proporcional al voltaje y el par es proporcional a la corriente. Por eso un PWM (que cambia el voltaje promedio) controla la velocidad de un motor DC.

Actuadores de corriente alterna (CA)

La corriente cambia de sentido periódicamente. Para variar la velocidad, el recurso principal es la frecuencia del voltaje aplicado (variadores de frecuencia).

Velocidad sincrónica de un motor de CA
ns=120·fp
Símbolo Significado Unidad
ns Velocidad sincrónica rpm
f Frecuencia de la red o del variador (Chile: 50 Hz) Hz
p Número de polos del motor —
120 Constante: 60 s/min × 2 (pares de polos) —

Fórmula estándar de máquinas eléctricas; complementa el capítulo.

Motores paso a paso

Convierten una serie de pulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos: cada pulso avanza el eje un ángulo fijo (un paso).

Tipo Rotor Sin energía Característica
Imán permanente Imán cerámico cilíndrico dentado; estator de láminas ferromagnéticas Mantiene su posición Simple, pasos más grandes
Reluctancia variable Dentado de láminas ferromagnéticas; bobinas del estator en ranuras Gira libre (sin par de retención) Puede tener pasos más pequeños
Híbrido Disco imantado en posición longitudinal + dientes Mantiene su posición Pasos pequeños con alto par (los NEMA 17 de las impresoras 3D)
Pasos por vuelta de un motor paso a paso
pasos=360°θpaso
Símbolo Significado Unidad
pasos Número de pasos para dar una vuelta completa —
θpaso Ángulo que avanza el eje en cada pulso (theta) grados (°)
Ejemplo resuelto
  1. Un híbrido de 1,8° por paso necesita 360 / 1,8 = 200 pasos por vuelta.
  2. El 28BYJ-48 (unipolar, con reductora de ≈ 64:1) da ≈ 2.048 pasos por vuelta del eje de salida en modo de paso completo: 0,18° por paso.
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El servomotor: un lazo cerrado en miniatura

Señal PWM1 – 2 ms cada 20 msControlcompara y decideMotor DCactuadorEngranajes↓ velocidad ↑ parEje0 – 180°PotenciómetroEl potenciómetro (sensor resistivo) informa la posición real del eje al control
ANIMADAFigura 23. Un servo de hobby (SG90, MG996R) reúne en una caja todo lo visto: un actuador eléctrico, una transmisión mecánica, un sensor resistivo de posición y un control que cierra el lazo.

Etapa de potencia, siempre. Un pin del Arduino UNO entrega unos 20 mA (40 mA es el máximo absoluto). Un motor DC pequeño pide entre 100 y 300 mA y, al desconectarse, genera picos de tensión por ser una carga inductiva. Usa un transistor o MOSFET con diodo de rueda libre, un puente H (L298N, TB6612) o un módulo relé, y una fuente aparte para el motor con GND común.

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Driver de motores L298N (puente H)$4.490 · ver →
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Sección 9Todo junto: el lazo cerrado

Con todas las piezas sobre la mesa, así se ve un sistema completo de control de nivel. Fíjate en qué principio trabaja en cada paso.

1
Sensor ultrasónicoEl HC-SR04 mide la distancia hasta el agua; el Arduino la convierte en nivel: 22 %.principio ultrasónico + piezoeléctrico
📏
dato digital
¿Nivel < 30 %?
NO → bomba apagadaEl nivel está en rango: el sistema sigue midiendo.

SÍ ↓

2
Etapa de potenciaEl pin activa un módulo relé (su bobina es un pequeño actuador electromagnético).ley de Faraday · Lorentz
⚡
energía
3
Bomba (motor DC)El agua sube.actuador eléctrico rotatorio
💧
proceso
¿Nivel ≥ 90 %?
NO → sigue llenandoEl sensor continúa midiendo.

SÍ ↓

✔ Apaga la bombaQue encienda en 30 % y apague en 90 % es una histéresis intencional: evita que la bomba encienda y apague a cada rato.
↺ RealimentaciónEl sistema mide el efecto de su propia acción: control en lazo cerrado.
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Arma este control de nivelMini bomba de agua 3–5 V$2.990 · ver →
Mapa de 10 preguntas para diseñar cualquier sistema
  1. ¿Qué variable física quiero conocer?
  2. ¿En qué rango, con qué resolución y exactitud?
  3. ¿Qué principio de transducción sirve en ese ambiente (polvo, agua, temperatura, campos magnéticos)?
  4. ¿Qué sensor entrega una salida adecuada (analógica, digital, I²C)?
  5. ¿La señal necesita acondicionamiento (puente, amplificador, filtro)?
  6. ¿Quién procesa la información?
  7. ¿Qué acción física quiero producir?
  8. ¿Qué actuador la realiza: neumático, hidráulico o eléctrico; lineal o rotatorio?
  9. ¿Qué etapa de potencia necesita?
  10. ¿Cómo vuelvo a medir el resultado?

La pregunta 5 es el tema de la Parte 2: acondicionamiento de señal (divisores, puentes, amplificadores, convertidores y filtros).

Glosario rápido

Término Significado
Dominio Tipo de energía o variable: mecánico, eléctrico, térmico, óptico, químico, magnético.
Deformación (ε) Cambio relativo de longitud: ΔL/L. Se expresa en µε (microdeformaciones).
Puente de Wheatstone Arreglo de cuatro resistencias que convierte pequeños ΔR en una tensión diferencial.
Dieléctrico Material aislante entre los electrodos de un capacitor.
Portadores mayoritarios Electrones (tipo N) o huecos (tipo P) que dominan la conducción en un semiconductor.
Reluctancia Oposición de un circuito magnético al flujo; el equivalente magnético de la resistencia.
Auto-generador Sensor que produce su propia señal sin alimentación (piezoeléctrico, termopar).
Monolítico Sensor y electrónica fabricados sobre el mismo sustrato.
Vástago Barra que sale del cilindro y transmite el trabajo.

Practica: guía y solucionario

La guía trae repaso con las figuras del artículo, un formulario explicado, dos prácticas con Arduino y una evaluación (selección múltiple, verdadero o falso, pareados, cálculos y un proyecto integrador) para trabajar en clase o en casa.

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  • 2 prácticas con Arduino: LDR y HC-SR04
  • 29 preguntas en 5 partes, con cálculos de capacitancia, Joule, Hall, galga y ultrasonido
  • Proyecto integrador con 2 sensores y 2 actuadores
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El kit de 37 sensores reúne en una caja casi todos los principios de este artículo: Hall, piezoeléctrico, fotoeléctrico, térmico, resistivo y más.

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Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre sensitividad y resolución?

La sensitividad dice cuánto cambia la salida por cada unidad de entrada (por ejemplo, 10 mV/°C). La resolución es el cambio más pequeño de la entrada que el sistema logra distinguir. Un sensor muy sensible leído con un ADC grueso puede tener mala resolución.

¿Por qué casi todos los sensores modernos son capacitivos o MEMS?

Porque el principio capacitivo consume poco, depende poco de la temperatura y se puede fabricar en silicio junto con su electrónica (integración monolítica). Eso abarata y achica el sensor y le permite entregar datos digitales listos para usar.

¿Un relé es sensor o actuador?

Es un actuador: su bobina convierte energía eléctrica en movimiento (cierra un contacto) gracias a la fuerza electromagnética. Se usa como interruptor de potencia controlado por el Arduino.

¿Neumático o hidráulico para un proyecto escolar?

Neumático: es más limpio, barato y seguro a 6 bar. El hidráulico se justifica cuando se necesitan fuerzas muy grandes o sostener cargas sin consumir energía.

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Fuente y alcance

Explicación didáctica original basada en el capítulo 1, “Introducción”, de Sensores y actuadores: aplicaciones con Arduino, de Leonel G. Corona Ramírez, Griselda S. Abarca Jiménez y Jesús Mares Carreño (Grupo Editorial Patria, 2014). Las figuras fueron rediseñadas por Electrineill y los ejemplos numéricos, los datos de componentes comerciales (marcados como valores típicos) y las aplicaciones con Arduino son complementos propios.

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