TEMA 5: SENSORES Y TRANSDUCTORES

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TEMA 5 SENSORES Y TRANSDUCTORES
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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sistemas electrónicos de medida y regulación
• Sensores y transductores
• Sensores de posición, distancia y desplazamiento
• Sensores de temperatura
• Sensores de velocidad
• Sensores de presión
• Sensores de proximidad
• Reguladores
• Preaccionadores y actuadores
• Distintas tecnologías

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Sensores y transductores

• Sistemas electrónicos de medida y regulación

Sistema conjunto formado por una serie de
elementos para realizar una función
dada. Variable de entrada son señales que llegan
al sistema desde el exterior. Pueden ser
variables o fijas Variable de salida es la
respuesta del sistema. Variables de perturbación
Son señales no deseadas y hay que tratar de
minimizar sus efectos. Variables de estado son
el conjunto mínimo de variables del sistema
capaces de definir de manera única al sistema, en
el sentido que permita conocer la variable de
salida para cualquier variable de entrada.
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Sensores y transductores

• Sistemas electrónicos de medida y regulación

Ejemplo Si se desea posicionar una antena
mediante un mando eléctrico, la variable de
entrada sería la tensión eléctrica suministrada
al motor de giro por un operador. Una variable de
perturbación sería el viento que podría modificar
la posición alcanzada. La variable de salida
sería la posición de la antena y las variables de
estado las distintas posiciones del potenciómetro
para cada posición de la antena.
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Sensores y transductores

• Sistemas de control continuo

Sistemas de cadena abierta no existe vigilancia
sobre la señal de salida. Problema es incapaz de
resolver los problemas causados por las posibles
perturbaciones Sistema de cadena cerrada o
realimentada recibe información desde la salida
para determinar si ésta se ha ejecutado
correctamente. Para ello, se establece una
realimentación desde la salida hacia la entrada.
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Sensores y transductores

• Sistemas de control continuo

Servosistema sistema de cadena cerrada y entrada
variable. Servomecanismo servosistema en el que
la salida es una magnitud física como posición,
velocidad, temperatura, etc. La estructura
general de un servosistema es el siguiente
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Sensores y transductores

• Sistemas de control continuo

Ejemplo Un ejemplo práctico de servomecanismo
puede ser un regulador de velocidad de un motor.
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Sensores y transductores

• Sistemas de control continuo
• Función de transferencia FDT

FDT total relaciona la señal de salida con la
entrada. Indica la estabilidad del sistema. FDT
de error relaciona la señal de error con la
señal de entrada. Se utiliza para determinar la
precisión de un servosistema. FDT de lazo
abierto es la función de transferencia que se
obtiene si al lazo cerrado se le desconecta la
red de realimentación.
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Sensores y transductores

• Sistemas de control por ordenadorCPC

Consiste en la introducción de un ordenador como
elemento constituyente del sistema de control. De
los elementos que componen un servosistema, el
más importante era el regulador, ya que
determinada muchas de las características del
sistema. Se empieza a utilizar un ordenador como
elemento regulador de control. Este hecho da
lugar a las técnicas de análisis y diseño de
sistemas de control digital, también denominadas
sistemas muestreados o discretos de control.
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Sensores y transductores

• Sistemas de control por ordenadorCPC

El ordenador asume la función del comparador y
del regulador analógico. La distinta naturaleza
de las señales implica que debe existir otro
bloque más, capaz de realizar la conversión entre
ambos tipos de señales. Estos bloques están
implementados físicamente por los convertidores
analógicos-digitales (A/D) o digital-analógico
(D/A). A estos bloques también se les denomina
interfaces.
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Sensores y transductores

• Sistemas de control por ordenadorCPC

• Ventajas
• Mayor calidad se pueden obtener señales de
  control muy complejas a partir de las señales de
  error, sin necesidad de cambiar ningún elemento
  del sistema.
• Mayor exactitud esto se debe a la mayor
  capacidad de cálculo del ordenador.
• Control múltiple Un mismo elemento puede ser
  utilizado para realizar el control de varios
  procesos simultáneamente.
• Mayor versatilidad del sistema se puede cambiar
  la acción de control sin más que cambiar el
  programa en ejecución.
• Acciones complementarias es posible realizar una
  serie de acciones complementarias como
  visualización instantánea de todas las variables
  de proceso, presentación, análisis estadístico,
  simulaciones, etc.

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Sensores y transductores

• Sistemas de control por ordenadorCPC

• Inconveniente
• Seguridad de funcionamiento. Es habitual que un
  mismo ordenador realice esta función para
  distintos procesos, por lo que una avería del
  mismo, dejará todo el sistema paralizado. Suele
  aumentarse la seguridad duplicando o triplicando
  la alimentación, la programación, etc.

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Sensores y transductores

• Sistemas de control por ordenadorCPC

• Para evitar este problema se ha desarrollado el
  control analógico-digital o control de punto de
  referencia (DAC).
• El ordenador está encargado únicamente de la
  generación de las señales de referencia. Estas
  señales actúan sobre comparadores de control
  continuo, que junto con los reguladores mantienen
  íntegro el concepto de control continuo. Para
  asegurar su funcionamiento, se realiza la
  conexión directa (by-pass) de las variables de
  entrada al comparador.

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sistemas electrónicos de medida y regulación
• Sensores y transductores
• Sensores de posición, distancia y desplazamiento
• Sensores de temperatura
• Sensores de velocidad
• Sensores de presión
• Sensores de proximidad
• Reguladores
• Preaccionadores y actuadores
• Distintas tecnologías

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sensores y transductores
• 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.

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sensores y transductores
• 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.

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sensores y transductores
• 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.

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Clasificación
• Señal de salida. Puede ser analógica o digital.
  En los analógicos, la información variará de
  forma continua, la información está en la
  amplitud (por ejemplo un potenciómetro). En una
  salida digital, la salida variará de forma
  discreta y hará que la transmisión de su salida
  sea más fácil (por ejemplo un codificador de
  posición).
• Parámetro variable. Resistencia, capacidad,
  inductancia, añadiendo luego los sensores
  generadores de tensión, carga o corriente, y así
  se hablará de sensores de tipo resistivo,
  inductivo, capacitivo, etc.
• Magnitud medida. Se habla así de sensores de
  posición, distancia, desplazamiento, temperatura,
  presión, fuerza, velocidad y presencia. Esta
  clasificación permite escoger el dispositivo
  correcto dentro de un sistema de control.

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Elección de un sensor
• Magnitud a medir conociendo cuál ha de ser el
  margen de medida, la exactitud deseada, la
  estabilidad, el tiempo de respuesta y las
  magnitudes que pueden interferir.
• Características de alimentación tensión,
  corriente, potencia disponible, frecuencia (si es
  alterna), estabilidad.
• Características ambientales teniendo en cuenta
  los márgenes del fabricante.
• Otros factores vida media, coste de fabricación,
  coste de mantenimiento, tiempo de instalación,
  situación en caso de fallo.

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sistemas electrónicos de medida y regulación
• Sensores y transductores
• Sensores de posición, distancia y desplazamiento
• Sensores de temperatura
• Sensores de velocidad
• Sensores de presión
• Sensores de proximidad
• Reguladores
• Preaccionadores y actuadores
• Distintas tecnologías

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• 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
• Sensores de tipo inductivo
• Sensores de tipo capacitivo
• Medida de ángulos
• Sensores inductivos resolver
• Sensores digitales
• Codificadores incrementales
• Codificadores absolutos

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Medida de 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.

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Medida de distancias cortas 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.

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Medida de pequeños desplazamientos
• Sensores de tipo resistivo
• Potenciómetro
• Galgas extensiométricas
• Sensores de tipo inductivo
• Sensores de tipo capacitivo

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Medida de pequeños desplazamientos

• Sensores de tipo resistivo
• Potenciómetro
• Galgas extensiométricas

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Medida de pequeños desplazamientos

• Sensores de tipo inductivo

Consiste en la variación de la inductancia mutua
entre un primario y cada uno de los dos
secundarios al desplazarse a lo largo de su
interior un material ferromagnético, arrastrado
por un vástago no ferromagnético, unido a la
pieza, cuyo movimiento se desea medir.
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Medida de pequeños desplazamientos

• Sensores de tipo capacitivo

Están formado por dos condensadores variables
dispuestos físicamente de tal modo que
experimentan el mismo cambio pero en sentidos
opuestos. Los sensores capacitivos diferenciales
se emplean para medir desplazamientos entre 10
y10mm, con valores de capacidad del orden de 1 a
1000pF
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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• 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
• Sensores de tipo inductivo
• Sensores de tipo capacitivo
• Medida de ángulos
• Sensores inductivos resolver
• Sensores digitales
• Codificadores incrementales
• Codificadores absolutos

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Medida de ángulos
• Sensores inductivos resolver
• Sensores digitales
• Codificadores incrementales
• Codificadores absolutos

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Medida de ángulos

• Sensores inductivos resolver

El giro de la bobina móvil hace que el
acoplamiento con las bobinas fijas varíe,
consiguiendo que la señal resultante en éstas
dependa del seno del ángulo de giro
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Medida de ángulos

• Sensores inductivos resolver

La bobina móvil excitada con tensión V sen(wt) y
girada un ángulo Ø induce en las bobinas fijas
situadas en cuadratura las siguientes tensiones
V1 V sen(wt) sen ØV2 V sen(wt) cos Ø
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Medida de ángulos

• Sensores digitales
• Codificadores incrementales
• Codificadores absolutos

El disco se divide en un número de sectores
(potencia de 2) codificándose cada uno de ellos
con un código binario
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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sistemas electrónicos de medida y regulación
• Sensores y transductores
• Sensores de posición, distancia y desplazamiento
• Sensores de temperatura
• Sensores de velocidad
• Sensores de presión
• Sensores de proximidad
• Reguladores
• Preaccionadores y actuadores
• Distintas tecnologías

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sensores de temperatura
• Sensores resistivos
• RTD
• Termistores
• Sensores termoeléctricos
• Efecto Seebeck
• Efecto Thomson
• Efecto Peltier

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Sensores de temperatura

• Sensores resistivos
• RTD(Resistance Temperatura Dependent).
  Detectores de temperatura basados en la variación
  de su resistencia eléctrica. La resistencia
  aumenta con la temperatura. La dependencia se
  expresa mediante
• TermistoresA diferencia de las RTD, que están
  basadas en conductores, los termistores se basan
  en semiconductores. Si su coeficiente de
  temperatura es negativo, se denominan NTC
  (Negative Temperature Coeficient), mientas que si
  es positivo se denominan PTC (Positive
  Temperature Coefficient )

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Sensores de temperatura

• Sensores resistivos
• Los termistores tienen numerosas aplicaciones
  entre ellas se propone un termómetro digital. El
  sistema de control se basa en que la tensión
  entre los puntos A y B del puente de Wheatstone
  variará en función del NTC.

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Sensores de temperatura

• Sensores termoeléctricos
• Efecto Seebeck
• Efecto Thomson
• Efecto Peltier

Efecto Seebeck en un termopar aparece una
corriente o una diferencia de potencial cuando
hay dos uniones a diferente temperatura.
Efecto Peltier al hacer circular corriente por
un circuito de termopares, una unión se enfría y
la otra se calienta.
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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sistemas electrónicos de medida y regulación
• Sensores y transductores
• Sensores de posición, distancia y desplazamiento
• Sensores de temperatura
• Sensores de velocidad
• Sensores de presión
• Sensores de proximidad
• Reguladores
• Preaccionadores y actuadores
• Distintas tecnologías

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sensores de velocidad
• De tipo digital (tacómetro)
• Por ultrasonidos Efecto Doopler

a partir de un codificador incremental obtiene m
impulsos por cada vuelta. Si se contabilizan N
impulsos durante un intervalo T, la velocidad
angular es
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Sensores de velocidad

• Por ultrasonidos Efecto Doopler

Diseño en bloque de un radar de tráfico.
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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sistemas electrónicos de medida y regulación
• Sensores y transductores
• Sensores de posición, distancia y desplazamiento
• Sensores de temperatura
• Sensores de velocidad
• Sensores de presión
• Sensores de proximidad
• Reguladores
• Preaccionadores y actuadores
• Distintas tecnologías

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sensores de presión
• Tubo Bourdon
• Piezoeléctricos El efecto piezoeléctrico
  descubierto en 1881 por Jacques y Pierre Curie,
  es un efecto que consiste en la aparición de una
  polarización eléctrica en un material al
  deformase bajo la acción de un esfuerzo.
• Materiales piezoeléctricos naturales cuarzo y
  la turmalina.
• Sustancias sintéticas cerámicas.

Tubo metálico de sección transversal no circular,
obtenido a base de aplanar un tubo de sección
circular, que tiende a recuperara dicha forma
cuando se aplica una diferencia de presión entre
el interior y el exterior. La señal eléctrica se
obtiene mediante un sensor de desplazamiento.
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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sistemas electrónicos de medida y regulación
• Sensores y transductores
• Sensores de posición, distancia y desplazamiento
• Sensores de temperatura
• Sensores de velocidad
• Sensores de presión
• Sensores de proximidad
• Reguladores
• Preaccionadores y actuadores
• Distintas tecnologías

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sensores de proximidad
• Sensores de tipo resistivo
• Sensores de tipo inductivo
• Sensores de tipo óptico

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Sensores de proximidad

• Sensores de tipo resistivo
• Fotorresistencias LDR. Las siglas inglesas
  corresponden a Light Dependent Resistor. Están
  basadas en la variación de la resistencia
  eléctrica de un semiconductor al incidir en él
  radiación óptica (radiación electromagnética con
  longitud de onda entre 1mm y 10nm).

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Sensores de proximidad

• Sensores de tipo inductivo
• Basados en el fecto Hall cuando por un
  conductor circula corriente y se le aplica un
  campo magnético en dirección perpendicular a
  ésta, aparece una diferencia de potencial
  transversal. A la tensión obtenida se le denomina
  tensión Hall, y depende del grosor t del material
  en la dirección del campo magnético aplicado, de
  la corriente primaria I, del campo magnético
  aplicado B y de las propiedades eléctricas del
  material, recogidas en el coeficiente A. Estos
  parámetros se relacionan mediante la expresión

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Sensores de proximidad

• Sensores de tipo inductivo

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Sensores de proximidad

• Sensores de tipo inductivo

Sensores basados en un cambio de inductancia
debido a la presencia de un objeto metálico
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Sensores de proximidad

• Sensores de tipo óptico
• Sensores basados en el efecto fotovoltaico ?
  fotodiodos. Se basan en el efecto fotovoltaico
  (generación de un potencial cuando una radiación
  ioniza una zona donde hay una barrera de
  potencial). Así, según sea la radiación
  incidente, se produce un cambio en el potencial
  de contacto de la unión p-n o en la corriente de
  cortocircuito.
• Utilizados como detectores de presencia, se basan
  en la interrupción del haz de luz por parte del
  objeto. Tienen un alcance de hasta 50m en
  condiciones ideales, pero puede verse disminuido
  este alcance si hay humo, polvo o si se acumulan
  partículas contaminantes sobres las partes
  ópticas.

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sistemas electrónicos de medida y regulación
• Sensores y transductores
• Sensores de posición, distancia y desplazamiento
• Sensores de temperatura
• Sensores de velocidad
• Sensores de presión
• Sensores de proximidad
• Reguladores
• Preaccionadores y actuadores
• Distintas tecnologías

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Reguladores

Si la variable de salida es un sistema mecánico,
el sistema de control realimentado recibe el
nombre de servosistema. Si la entrada permanece
constante y lo que varía es la ganancia B del
lazo de realimentación, el sistema se denomina
regulador. La función del regulador es mantener
constante la salida, mientras que la función del
servosistema es conseguir que la salida siga a la
entrada.
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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Reguladores Se realiza un control automático por
  existir un control en el propio sistema. Para
  ello se utiliza un regulador. Todo regulador
  consta de un transductor de entrada, otro de
  salida y de un sistema de estabilización. Es
  estable si ante cualquier perturbación la salida
  es acotada y no se produce una oscilación. Se
  realiza una compensación de ajuste de ganancia,
  de adelanto de fase o retarde de fase para
  compensar las variaciones. Esto implica una
  acción proporcional, integral, derivativa o PID.
• La regulación con ordenador consta, además del
  ordenador, de un convertidos D/A y de otro A/D y
  de una serie de captadores o sensores.
  Básicamente responde al siguiente diagrama de
  bloques

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Reguladores. Los controles que se pueden emplear
  en lazo cerrado son
• Control P o control proporcional se debe
  estudiar la respuesta a la entrada en escalón y
  se debe estudiar el parámetro Kp y la constante
  de tiempo.
• Control PI, Control PD y control PID o controles
  donde se introduce la acción proporcional, la
  acción integral y la acción derivativa,
  respectivamente.
• En la acción proporcional, la actuación es
  proporcional a la variación de la salida respecto
  al punto de referencia. En la acción integral, la
  actuación está en función del tiempo en que la
  salida ha sido distinta a la esperada. En la
  acción derivativa, la actuación está en función
  de la velocidad con la que la salida cambia
  respecto a la tomada como referencia.

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sistemas electrónicos de medida y regulación
• Sensores y transductores
• Sensores de posición, distancia y desplazamiento
• Sensores de temperatura
• Sensores de velocidad
• Sensores de presión
• Sensores de proximidad
• Reguladores
• Preaccionadores y actuadores
• Distintas tecnologías

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Preaccionadores y actuadores
• En todo control de potencia, por una parte
  se encuentran los circuitos de control y por otra
  los de potencia. La unión entre ambos la realizan
  unos elementos intermedios, como por ejemplo
  relés, relés de estado sólido y contactores,
  entre otros. Estos elementos intermedios se
  conocen también como preaccionadotes. En un
  control de arranque de un motor trifásico, los
  preaccionadotes son los relés y el actuador el
  motor. Lo mismo ocurre con elementos neumáticos e
  hidráulicos.

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Sistemas electrónicos de medida y regulación
• Sensores y transductores
• Sensores de posición, distancia y desplazamiento
• Sensores de temperatura
• Sensores de velocidad
• Sensores de presión
• Sensores de proximidad
• Reguladores
• Preaccionadores y actuadores
• Distintas tecnologías

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

• Distintas tecnologías
• El sistema de medida y regulación para conseguir
  un control automático estable puede usar un lazo
  de realimentación y un control analógico, pero
  también puede usar un control por ordenador
  formando parte del lazo de realimentación. La
  señal analógica se muestrea y se convierte a un
  valor digital con la cual el ordenador realiza el
  procesado. La salida se convierte nuevamente a un
  valor analógico con un convertido D/A. En lugar
  de utilizar un ordenador se puede realiza el
  control con un microcontrolador o un PIC.