Este documento trata sobre sensores resistivos. Explica los fundamentos básicos de los sensores resistivos, incluyendo cómo varía la resistencia eléctrica de un material con factores como la deformación, temperatura y radiación. Luego clasifica y describe diversos tipos de sensores resistivos como potenciómetros, RTDs, termistores, galgas extensiométricas y más. Proporciona detalles sobre el funcionamiento y aplicaciones de cada uno.

1. Ing. Biomédica – Bioinstrumentación I
Unidad II
Sensores resistivos
Unidad III
SENSORES RESISTIVOS
BIOINSTRUMENTACIÓN I
Rigoberto Meléndez Cuauro
TSU en Electromedicina
Programa de Ingeniería Biomédica
Universidad Nacional Experimental
“Francisco de Miranda”

2. Ing. Biomédica – Bioinstrumentación I 2/43
Contenido
1. Definiciones
2. Clasificación de los sensores
3. Sensores primarios
4. Sensores resistivos
• Potenciómetros
• Detectores de temperatura resistivos (RTD)
• Termistores
• Galgas extensiométricas
• Resistores dependientes de la luz (LDR)
• Humistores
• Magnetorresistencias

3. Tema 1: Definición y clasificación de los sensores 3/43
• Condiciones específicas
- Seguridad eléctrica
- Biocompatibilidad → debe aguantar la agresividad del medio biológico
- Robustez vs. coste → la tendencia es hacerlo de un solo uso (desechable)
• Problemática general
- Señales débiles
- Presencia de ruido
• Sensibilidad:
• Sensibilidad relativa: normalizada a un valor de salida típico (y0)
Sensores biomédicos
1. Definiciones
dx
dy
S 
dx
dy
y0
1

  
ruido:
1 00
n
nxxyy  

4. Tema 1: Definición y clasificación de los sensores 4/43
• Criterios de clasificación
- Según el aporte de energía y el modelo eléctrico
• Moduladores
- Resistivos, reactivos, electromagnéticos
- Necesitan alimentación externa
- La salida depende de la alimentación
externa
- Sensibilidad:
• Generadores
- tensión, corriente, carga
- La alimentación se extrae del propio evento
de medida
- Sensibilidad:
Sensores biomédicos
2. Clasificación de los sensores
Sensor
modulador
x y
V (alimentación)
Sensor
generador
x y
sensores)algunos(enVdxdyS 
dxdyS 

5. Tema 1: Definición y clasificación de los sensores 5/43
• Criterios de clasificación
- Según la magnitud de medida
• Variables mecánicas: Desplazamiento, fuerza, presión,…
• Variables térmicas: Temperatura, flujo de calor
• Variables eléctricas y magnéticas
• …
- Según la señal de salida
• Analógicos: La salida varía continuamente
• Digitales: La salida varía de forma discreta (codificadores de posición)
• Casi-digitales: f, T T, ,  (duty cycle)
- Según la aplicación en el entorno biomédico
• Sensores para medidas en el sistema cardiovascular
• Sensores para medidas en el sistema respiratorio
• …
Sensores biomédicos
2. Clasificación de los sensores

6. Tema 2: Transductores primarios 6/43
• Definición
- Transductor entre dos variables físicas no eléctricas
- Permite el paso final a una variable eléctrica mediante un mecanismo de
transducción más simple
• Tipos
- Transductores primarios de fuerza y par
- Transductores primarios de presión
- Transductores primarios de flujo y caudal
- Transductores primarios de aceleración
Sensores biomédicos
1. Definición

7. Tema 2: Transductores primarios 7/43
• Transductores primarios de fuerza y par
- Células de carga: fuerza/par → desplazamiento
- Elemento elástico: Ley de Hooke → valida en el margen elástico
 : esfuerzo mecánico
: deformación
E: modulo de Young
Sensores biomédicos
2. Tipos de transductores primarios
  E
L
L
E
A
F 


8. Tema 2: Transductores primarios 8/43
• Transductores primarios de presión
- Presión → desplazamiento (diafragma)
- Presiones altas → diafragmas corrugados
- Presiones pequeñas por largo tiempo → tubo de Bourdon
- Diafragmas micromecanizados de silicio
• Transductores primarios de flujo y caudal
- Flujo → presión/desplazamiento
- Caudalímetro de obstrucción (pneumotacógrafo)
- Detección de energía cinética (teorema de bernoulli)
• Transductores primarios de aceleración
- Aceleración → desplazamiento
- Sistema masa-resorte-amortiguador
- Realizaciones micromecanizadas
Sensores biomédicos
2. Tipos de transductores primarios
constante
2
2

v
gzp



9. Tema 3: Sensores resistivos 9/43
• Fundamentos:
- Es necesario que por el sensor circule una corriente eléctrica
- Variaciones pequeñas de resistencia → eliminar la caída de tensión
- La señal de salida hay que amplificarla con ganancia elevada
• Clasificación:
- Lineal
- No lineal
Sensores resistivos
1. Fundamentos básicos
    
sensordeladsensibilid:
11
00
0000
R
xRvvRR

 
T
B
TT
B
T AeeRR 







0
11
0

10. Tema 3: Sensores resistivos 10/43
• Resistencia eléctrica de un material
- Oposición al paso de la
corriente eléctrica
- Depende de:
• Dimensiones
• Resistividad del material
 Densidad de portadores N
 Movilidad de portadores 
- Efectos de:
• Deformación
• Efecto mecánico
• Temperatura
• Radiación
• …
Sensores resistivos
1. Fundamentos básicos
- -
-
- -- -
-
- -
--
-
-
A
L
V
I I
+ -
A
L
I
V
R 




N
1

11. Tema 3: Sensores resistivos 11/43
• Resistencia eléctrica de un conductor metálico
- Densidad de portadores (electrones) aproximadamente constante
• Cambios en dimensiones
• Aumento de agitación
 de los nodos de la red cristalina (tensión mecánica)
 de los electrones (Temperatura)
- Resistencia eléctrica de un semiconductor dopado
• Cambios en dimensiones
• Aumento de agitación
• Electrones de las impurezas pueden pasar a conducir por:
 cambio de temperatura
 incidencia de fotones
Sensores resistivos
1. Fundamentos básicos

12. Tema 3: Sensores resistivos 12/43
• Medida de resistencia eléctrica
- Aplicar la ley de Ohm
- Se ha ce circular una corriente y se detecta la caída de tensión
- En distancias largas → efecto de la resistencia de los hilos de conexión
- Método Kelvin (4 hilos) → evita el efecto de los hilos de conexión
Sensores resistivos
1. Fundamentos básicos
VI R(x) VI R(x)
Medida a 2 hilos
Medida a 4 hilos
(Método de Kelvin)

13. Tema 4: Potenciómetros 13/43
• Medida de desplazamientos lineales o angulares
• Hilo bobinado, película de carbón, película metálica,…
• Está provisto de un contacto móvil deslizante o giratorio
• Márgenes de medida. 2 mm a 8 mm; 10 a 60 vueltas
• Linealidad: 0,002 % a 1 % del fondo de escala
• Resolución: 50 m; 0,2 a 2
• Frecuencia máxima 3 Hz
• Alimentación continua o alterna
• Aplicación para desplazamientos grandes > 1 cm (> 10)
Sensores resistivos
2. Potenciómetros
Translacional Rotacional

14. Tema 4: Potenciómetros 14/43
• Son de orden cero
• Se supone que la resistencia es uniforme en todo el recorrido
• Se supone que el contacto deslizante no presenta saltos (resolución = )
• El recorrido mecánico suele ser mayor al eléctrico
• Cuando se alimentan con tensión alterna L y C deben ser despreciables
• Si el circuito de medida carga al potenciómetro → autocalentamiento
• Potencia tolerable:
Sensores resistivos
2. Potenciómetros
 xL
A
R
R
V
P



2

15. Tema 4: Potenciómetros 15/43
Sensores resistivos
2. Potenciómetros
Sensor de presión
(Tubo de Bourdon)
Sensor de nivel
Sensor de inclinación

16. Tema 5: RTDs 16/43
Sensores resistivos
3. Detectores de temperatura resistivos
• Basados en el cambio de R(T) en metales (Pt, …)
• T↑  Agitación de electrones ↑   ↑  R ↑  R/T > 0
• Comportamiento lineal:
- R = R0[1+(T-T0)]
• T = T0  R = R0
• T0 = 0 °C
• Ejemplo: Pt100
- R0 = 100 
-  = 0,385 %/°C
• Exactitud elevada
• Reemplazables
• Coste elevado
• Valor óhmico elevado
- Efecto de la resistencia de los hilos
- Autocalentamiento

17. Tema 5: RTDs 17/43
Sensores resistivos
3. Detectores de temperatura resistivos
• Son de primer orden  capacidad calorífica despreciable
• Con recubrimiento pasa a ser de segundo orden sobremortiguado
• Se deben evitar deformaciones mecánicas al medir T superficiales
• Símbolo:
• Tipos:
+t

18. Tema 5: RTDs 18/43
Sensores resistivos
3. Detectores de temperatura resistivos

19. Tema 6: Termistores 19/43
Sensores resistivos
4. Termistores
• Basados en el cambio de R(T) en semiconductores dopados
• T ↑  electrones de impurezas libres   ↓  R ↓  R/T < 0
• Comportamiento no lineal
• = -B/T2  -5%/K
• T = T0  R = R0
• T0 = 298 K (25 °C)
• B = temperatura característica (2000 K – 5000 K)







 0
11
0)(
TT
B
t eRTR
21
21
21
11
ln
TTB
TT
RR
B 


t
t
R
dT
dR


20. Tema 6: Termistores 20/43
Sensores resistivos
4. Termistores
• Curva característica

21. Tema 6: Termistores 21/43
Sensores resistivos
4. Termistores
• Constante de tiempo:  = Cp
•  : constante de disipación térmica
• Cp: capacidad calorífica
•Valor óhmico elevado (1 k - 100 k)
• Pequeño tamaño (respuesta rápida)
• Baja exactitud
• Tolerancia elevada
• Bajo coste
•Tipos:
- NTC: si ↑ T  ↓ R
- PTC: si ↑ T  ↑ R
•Símbolo:

22. Tema 6: Termistores 22/43
Sensores resistivos
4. Termistores

23. Tema 6: Termistores 23/43
Sensores resistivos
4. Termistores
Zona A: Efecto de autocalentamiento despreciable (I pequeña). V e I son proporcionales.
Tdisp = Tamb
Zona B: I produce autocalentamiento. Tdisp > Tamb. Ritmo de disipación de calor alterado
Zona C: Agotamiento de portadores  se comporta como una PTC.

24. Tema 6: Termistores 24/43
Sensores resistivos
4. Termistores

25. Tema 7: Galgas extensiométricas 25/43
Sensores resistivos
5. Galgas extensiométricas
• Esfuerzo mecánico → R de un metal o semiconductor
• La deformación de un material → R
• Si el esfuerzo es longitudinal, resulta:
• Dentro del límite elástico aplica la ley de Hooke:
A
L
R 
A
dA
L
dLd
R
dR



L
dL
EE
A
F
 
 : tensión mecánica
E: Módulo de Young
: microdeformación
- Fundamentos
t
F
L
t - t
L+L

26. Tema 7: Galgas extensiométricas 26/43
Sensores resistivos
5. Galgas extensiométricas
• Efecto piezorresistivo:  debido a un esfuerzo mecánico
• El efecto piezorresistivo predomina en galgas semiconductoras
• En galgas metálicas predomina R debido a una deformación
• Sensibilidad de las galgas = factor gage:
- Gmetal: 1,8 – 4,5
- Gsemiconductor: 40 – 200
• Galga sola → amplio BW
• Galga soportada → BW reducido por la mecánica
• Dentro del límite elástico →R y  son proporcionales al esfuerzo aplicado
• Para R pequeñas →

0RR
G


- Fundamentos
  %210  xRR

27. Tema 7: Galgas extensiométricas 27/43
Sensores resistivos
5. Galgas extensiométricas
- Consideraciones de uso y limitaciones
• El esfuerzo no debe exceder el límite elástico
• El esfuerzo se debe aplicar correctamente
a la galga (galgas soportadas)
• La temperatura debe ser lo más estable posible
• Las galgas deben estar aisladas eléctricamente
del objeto que se adhieren
• Se asume que no hay esfuerzos perpendiculares
al plano de las galgas
• Las galgas deben ser lo más pequeñas
posibles → esfuerzos puntuales
• Al medir vibraciones,  > L
• Galgas de silicio son dependientes de la luz


Límite elástico
Ruptura

28. Tema 7: Galgas extensiométricas 28/43
Sensores resistivos
5. Galgas extensiométricas
- Tipos de galgas

29. Tema 7: Galgas extensiométricas 29/43
Sensores resistivos
5. Galgas extensiométricas
- Aplicaciones

30. Tema 7: Galgas extensiométricas 30/43
Sensores resistivos
5. Galgas extensiométricas
x
x
VV


2
d

31. Tema 7: Galgas extensiométricas 31/43
Sensores resistivos
5. Galgas extensiométricas
VxV d

32. Tema 7: Galgas extensiométricas 32/43
Sensores resistivos
5. Galgas extensiométricas
- Aplicaciones

33. Tema 7: Galgas extensiométricas 33/43
Sensores resistivos
5. Galgas extensiométricas
- Aplicaciones

34. Tema 8: LDRs 34/43
Sensores resistivos
6. Resistencias dependientes de luz
- Fundamentos
• LDRs: fotorresistencia o fotoconductores
• R de un semiconductor debido a la incidencia de una radiación óptica
• Radiación: 1 mm <  < 10 nm
• Símbolo:
• Poseen encapsulado plástico transparente
• La sensibilidad a la radiación depende del tiempo de recombinación
de portadores libres
• La energía óptica necesaria para obtener portadores libres es:
h = 6,62  10-34 J (constante de Planck)
f : frecuencia de la radiación
fhE 

35. Tema 8: LDRs 35/43
Sensores resistivos
6. Resistencias dependientes de luz
- Fundamentos
• Efecto fotoeléctrico:
 Electrones pasan de la banda de valencia a la de conducción, pero
sin abandonar el material.
 Mayor iluminación → mayor conductividad → menor R
 En conductores, el cambio de conductividad debida a la radiación es
despreciable
• La relación entre la iluminación y R es no lineal
A,  : dependen del material
0,7 <  < 0,9
• Poseen una respuesta de primer orden

 VEAR

36. Tema 8: LDRs 36/43
Sensores resistivos
6. Resistencias dependientes de luz
- Respuesta R - luz

37. Tema 8: LDRs 37/43
Sensores resistivos
6. Resistencias dependientes de luz
- Consideraciones y limitaciones
• No se deben almacenar en la oscuridad → ralentizan la respuesta
• La LDR depende de T (ruido térmico). Afecta la sensibilidad
• En espacios fríos, el tiempo de respuesta es lento
• La respuesta espectral depende del material
 Visible (400 nm – 700 nm) → materiales basados en Cd (CdS)
 Infrarrojo (700 nm – 1400 nm) → materiales basados en Pb (PbS)
 Infrarrojo lejano (> 1mm) → materiales basados en In

38. Tema 9: Higrómetros resistivos 38/43
Sensores resistivos
7. Higrómetros resistivos
- Fundamentos
• Humedad (humidity): cantidad de agua presente en un gas
• Humedad (moisture): cantidad de agua absorbida por un líquido o sólido
• Humedad absoluta: masa de vapor de agua contenida en un volumen de
gas
• Humedad relativa (RH): relación entre la presión parcial de vapor de agua
presente y la presión parcial necesaria para saturar
un gas a una determinada temperatura
• Aislantes → H → R → permitividad eléctrica (resistivos, capacitivos)
• R se puede incrementar → se añade un medio higroscópico (LiCl) o sal
• Tienen una respuesta de primer orden lenta
• Los higrómetros resistivos son más exactos que los capacitivos a RH > 95%
• Los higrómetros resistivos no se saturan pero son más lentos

39. Tema 9: Higrómetros resistivos 39/43
Sensores resistivos
7. Higrómetros resistivos
- Fundamentos
• El sensor tiene un recubrimiento protector permeable al vapor de agua
• La relación entre RH y R no es lineal (polímeros) y depende de T

40. Tema 9: Higrómetros resistivos 40/43
Sensores resistivos
7. Higrómetros resistivos
- Consideraciones y limitaciones
• Prevenir la polarización de los electrodos → medir R con corriente alterna
• La constante de tiempo depende del tamaño del sensor
• Utilizar amplificadores logarítmicos si R es de cuatro décadas

41. Tema 9: Higrómetros resistivos 41/43
Sensores resistivos
7. Higrómetros resistivos
Sensores de humedad capacitivos
Sensores de humedad resistivos

42. Tema 10: Magnetorresistencias 42/43
Sensores resistivos
7. Magnetorresistencias
- Fundamentos
• Efecto magnetorresistivo: R al aplicar un campo magnético H
• Sensores magnetorresitivos: constituidas por una película delgada de una
aleación metálica ferromagnética, depositada
sobre una oblea de silicio
• Comportamiento dinámico → corresponde a un sistema de orden cero
• Aleaciones de niquel y hierro (20 % - 80 %)
• Relación entre R y H → cuadrática
• En semiconductores el efecto magnetorresistivo es de primer orden también
• Sensibilidad alta
• Amplio margen de temperatura
• Gran estabilidad, bajo offset
• Baja sensibilidad a la tensión mecánica

43. Tema 10: Magnetorresistencias 43/43
Sensores resistivos
7. Magnetorresistencias

44. Tema 7: Galgas extensiométricas