¡Hey! ¿Cómo estás? Espero que te encuentres muy bien, preparado para aprender algo nuevo, o simplemente recordar algunos conceptos que quizás algún día hayas visto. Como pudiste ver en el titulo de este artículo, vamos a conocer un sensor que a simple vista parece no ser importante, sin embargo,  déjame decirte que es muy interesante y relevante en muchas aplicaciones; si, hablamos del SENSOR DE PRESIÓN.

Para entender a este sensor, iremos desde lo básico hasta los más profundos detalles; conocerás la definición exacta de este sensor, sus características, tipos, clasificación, conceptos de presión, los detalles en la elección de un sensor de este tipo y, por último, una aplicación en la famosa tarjeta de programación Arduino.

El objetivo es que cuando finalices este artículo, tengas la capacidad y te sientas listo para trabajar con toda seguridad con este tipo de sensores, aplicando conocimientos teóricos y prácticos; estos conocimientos , por supuesto, son los que estas a punto de adquirir.

Sin más preámbulo, vayamos a ver qué nos cuenta el sensor de presión.

¿Qué es un sensor de presión?

Muy bien, podemos definir al sensor de presión de la siguiente forma:

Un sensor de presión es un transductor con la capacidad de detectar, controlar y/o monitorear la presión de gases o líquidos.

Bajo estos términos, recuerda que un transductor tiene la capacidad de generar una señal eléctrica relativamente pequeña en función de una energía de entrada con valores mucho más grandes; en este caso, el sensor genera una señal de voltaje dependiendo de la presión medida.

Esta ha sido la definición de lo que es un sensor de presión; sin embargo, ¿Para qué sirve en realidad? Aunque la respuesta sea algo evidente, conozcamos a detalle para qué nos sirve este sensor.

¿Para qué sirve un sensor de presión?

Este tipo de sensor nos sirve para controlar y tener una mejor medición de la presión, ya sea ejercida por un liquido o por un gas.

• Recordemos rápidamente que la presión es una magnitud física definida como una cantidad de fuerza ejercida por un elemento gaseoso o liquido, la cual es aplicada a una unidad de área y, su unidad de medida tradicional es el Pascal (Pa) y el bar(bar); este último generalmente es la unidad que arrojan los sensores de presión.

Aunque a simple vista no sea notorio su uso, este sensor se encuentra en muchísimas aplicaciones, sobre todo aquellas en las que se necesita un control y una monitorización muy estricta, ya sea por protección, control fiscal o control de calidad.

Otra forma de usar estos sensores es para medir de forma indirecta otras variables, como:

• El flujo de gases.
• La velocidad del agua.
• La altitud y las condiciones atmosféricas (usado mucho en aviones).

Por ejemplo, en los automóviles se utilizan bastante para medir la presión de combustión en un motor. 

En el mercado existen muchísimas variantes de sensores de presión, cada uno con una distinta tecnología de medición, diferente diseño o coste. Más adelante en este artículo conocerás la variedad de sensores de presión que existen.

Ahora que ya hemos visto el para qué nos sirve el sensor de presión, es hora de empezar a ir un poco más allá y conocer el principio de funcionamiento de este sensor, te prometo que será muy sencillo de comprender.

Principios de funcionamiento del sensor de presión

El principio básico de funcionamiento de los sensores de presión se debe primeramente a su estructura, pues estos poseen elementos sensibles a la presión que emiten señales de voltaje cuando la presión que se está midiendo varia; sin embargo, también se puede generar conmutaciones si la presión medida supera un valor determinado.

La presión, al ser una fuerza que se ejerce en un área, puede producir un cambio de dimensión o de volumen, una distorsión sobre dicha área de aplicación. Las medidas que se pueden obtener pueden ir desde medidas muy bajas o vacíos, hasta mediciones que superen fácilmente las toneladas por unidad de área.

No obstante, para conocer con detalle el funcionamiento de los sensores de presión se requiere también conocer los diferentes principios de funcionamiento en los que se basan los sensores de presión; estos principios dependen directamente del tipo de medición y del tipo de tecnología al que pertenezca el sensor de presión que estamos buscando manejar.

Te puedo adelantar que hay muchísimas tecnologías en lo que respecta a los sensores de presión; van desde:

• Los sensores de presión capacitivos o piezoeléctricos
• Hasta ópticos o resonantes, por mencionar algunos.

No te preocupes si por ahora no comprendes muy bien estos conceptos, más adelante veremos las características de cada tecnología.

No obstante, antes de ver los detalles de las tecnologías, sería bueno que conocieras la clasificación de los sensores de presión, tópico que veremos en seguida.

¿Cómo se clasifican los sensores de presión?

Los sensores de presión se pueden clasificar respecto al tipo de presión que miden, y este es uno de los factores más importantes que se deben tomar en cuenta al trabajar con estos dispositivos. Aquí pueden influir otras características, como el rango de presiones que el sensor puede llegar a detectar y la temperatura de operación.

Esencialmente tenemos tres tipos de presión:

• Presión absoluta.
• Presión relativa
• Y presión diferencial.

➤ Sensor de presión absoluta

• El sensor de presión absoluta (Pabs) básicamente mide la presión con respecto a un vacío perfecto; este vacío se define de forma sencilla como la ausencia total de material en los elementos en un espacio físico.
• Una de las ventajas más significativas de este tipo de sensor, es que la medición esta relacionada con una misma presión de referencia, lo que permite que no haya alteraciones en la medición por cambios en la presión atmosférica ni por cambios de temperatura.
• Un ejemplo de aplicación de estos sensores se encuentra en los coches, ya que en el mercado puedes encontrar sensores que utilizan la presión del aire del colector de admisión para establecer la cantidad perfecta de aire y combustible que necesitan los cilindros de encendido. Prácticamente este sensor detecta y mide la aspiración de la admisión.

➤ Sensor de presión relativa

• Los sensores de presión relativa o presión manométrica (Pe) son aquellos sensores que se utilizan para medir la presión tomando como referencia la presión atmosférica que se encuentre en el momento que se realiza la medición.
• En términos técnicos, esta presión es la diferencia (resta) entre la presión absoluta y la presión atmosférica, y se aplica cuando la presión es superior a la presión atmosférica.
• Para ejemplificar la aplicación de este sensor tenemos que volver a los automóviles, pues los nanómetros se usa mucho para medir la presión de una llanta; si esta medición es igual a cero, la presión de dicha llanta mide igual que la presión del ambiente.
• Existe otro sensor llamado sensor de presión sellado, este sensor puede llegar a confundirte con el sensor de presión relativa, pero son totalmente distintos; la diferencia se encuentra en que el sensor de presión de sellado mide la presión relativa en relación con una presión fija en vez de la presión ambiental, como lo haría el sensor de presión relativa.

➤ Sensor de presión diferencial

• Este tipo de sensores de presión se caracterizan por medir la diferencia entre dos presiones distintas, las cuales son conectadas en los extremos del sensor. En términos técnicos, la presión diferencial se define como la diferencia de la presión medida entre dos puntos distintos del vacío o la atmosfera (P1-P2).
• Como puedes darte cuenta, el sensor de presión tiene una definición sencilla, pero de este sensor se derivan las mediciones de otras propiedades igual de importantes, como la medición en los niveles de fluido, las caídas de presión en filtros de aire o de aceite en los autos, o la medición del cambio de presión a través de una restricción, la cual también es llamada tasa de flujo.
• Volvemos a los automóviles para explicar un ejemplo de aplicación, y esta vez nos centraremos en el escape, pues en esta parte se utiliza un sensor de presión para gases de escape, que no es mas que un sensor diferencial que mide la diferencia de presión entre los gases del escape y la presión atmosférica. Esto es importante, porque gracias a la aplicación de este sensor hay un mejor control de la contaminación por parte de los autos con motores diésel.
• Como puedes darte cuenta, es muy importante conocer qué tipo de presión vamos a medir, porque el comportamiento e incluso la estructura de los sensores puede cambiar totalmente.

Ahora que ya hemos visto la clasificación de los sensores respecto al tipo de presión que miden, es tiempo de conocer las diversas tecnologías que existen en el mercado y sus características, hasta incluso saber como elegir la tecnología correcta.

¿Qué tecnología de sensor de presión elegir?

Como te mencioné anteriormente, para conocer por completo de los principios de funcionamiento de los sensores de presión, debes también conocer las tecnologías que hay disponibles, y justo es una de las cosas que lograrás en este apartado; aprenderás los principios de funcionamiento de los sensores de presión en función de su tecnología.

Sin embargo, el objetivo primordial es que reconozcas cada una de las tecnologías para que puedas decidir que tecnología elegir; para este fin, te daré una descripción detallada del principio de funcionamiento y las aplicaciones de cada una de las tecnologías. Verás que no es muy difícil diferenciar a cada una de las tecnologías, pues muchas de ellas son parecidas.

➤ Sensores de presión piezorresistivos

• Estos son los sensores de presión mas comunes. constituidos por una membrana de silicio unida a galgas extensométricas capaz de detectar con precisión las deformaciones que puede provocar la presión en el área de medición.
• El rango de la medición llega cerca de los 1000 bar, debido al material de construcción.
• El principio de funcionamiento de esta tecnología es sencillo: se utiliza un medidor de tensión hecho de material semiconductor (silicio) que cambia el valor de su resistencia cuando se estira, y este cambio de resistencia es el valor de salida del sensor; si recuerdas un poco de la teoría eléctrica sabrás que esto tiene sentido, pues la resistencia de un conductor es directamente proporcional a su longitud, es decir, hay más resistencia si el estiramiento aumenta.

➤ Sensores de presión piezoeléctricos

• Los sensores de presión piezoeléctricos están hechos principalmente de cuarzo para utilizar el efecto piezoeléctrico, el cual tiene como objetivo la medición de voltaje a través de esta pieza de cuarzo; este voltaje se genera gracias a una carga eléctrica creada a través de las paredes del material piezoeléctrico cuando se aplica una fuerza de presión.
• Debido a su principio de funcionamiento, se recomienda que con este sensor no midas presiones estáticas, ya que la señal que vas a obtener en la salida caerá gradualmente a pesar de tener una presión constante.
• Los sensores piezoeléctricos son perfectos para medir los pequeños cambios de presión, esto gracias a la sensibilidad tan alta a los cambios dinámicos de presión. Son ideales para medir la presión dinámica en las turbulencias y la combustión de motores en aviones, automóviles o aplicaciones industriales. También es muy utilizado en el campo de la medicina para monitorear el pulso arterial en tiempo real.

➤ Sensores de presión capacitivos

• En este tipo de tecnología se usa una cavidad de presión y un diafragma  o membrana hecha de materiales cerámicos, metálicos o semiconductores para crear un capacitor variable. Esta variación de capacitancia se debe a la deformación que sufre el diafragma cuando se aplica una fuerza de presión; entre más se deforma este diafragma, la capacitancia disminuye más.
• Una de las formas más fáciles de medir el cambio de capacitancia que se produce en el sensor, es conectarlo a un circuito de tanque LC o un oscilador, pues podremos observar como cambia la frecuencia de resonancia mientras la capacitancia cambia también de valor debido a la presión.
• Los sensores de presión capacitivos son perfectos para la medición de la presión de gases y líquidos en motores y llantas de coches. Gracias a su versatilidad mecánica se puede utilizar para medir diferentes presiones, como la presión absoluta, diferencial y relativa.

➤ Sensores de presión con galgas extensométricas

• Esta tecnología proporciona al sensor de presión un elemento de detección que posee galgas extensométricas hechas de metal; estas galgas pueden estar pegadas con adhesivo industrial o por medio de pulverización catódica.
• El diseño del elemento de detección puede variar, pues existen dos presentaciones: como membrana y como tubo; este ultimo tiene la ventaja de medir altas presiones, llegando a medir casi 15,000 bar.

➤ Sensores de presión electromagnéticos

• Al igual que los demás sensores que hemos visto anteriormente, los sensores de presión electromagnéticos miden la deformación de una membrana debido a la presión que se mide; sin embargo, esta medición se realiza por medio de cambios en la inductancia, efecto Hall, corrientes parásitas o efecto LVDT.

➤ Sensores de presión ópticos

• Esta tecnología es fascinante, pues utiliza el cambio físico de una fibra óptica para detectar las deformaciones ocasionadas por la presión en el área de medición; prácticamente podemos definir que los sensores ópticos detectan la variación de la presión a través de la luz.
• Estos sensores de presión se clasifican en dos: sensores de medición extrínsecos (la detección de la presión se realiza de forma externa a la fibra óptica) y sensores de medición intrínsecos (la medición afecta a la fibra óptica).
• Este tipo de sensores son ideales en entornos con mucho calor, por lo que sus aplicaciones se encuentran mas en la industria petrolera y de gases.
• Su diminuto tamaño, la ausencia de voltajes altos y sus materiales de fabricación cero tóxicos hacen que también sean perfectos para aplicaciones médicas; medir la presión de la vejiga, los huesos, el tracto digestivo, los pulmones o del cerebro, son algunos ejemplos prácticos de este sensor.

➤ Sensores de presión resonante, térmico y de ionización

• Los sensores de presión resonante se caracterizan por utilizar las variaciones en la frecuencia de resonancia para medir el voltaje, y también suele utilizar los cambios de densidad de un gas ocasionados por la presión en el área de medición. Un ejemplo de este tipo de sensor es el sensor critico de DART, el cual es capaz de detectar olas de determinado tamaño para previsualizar peligros de tsunamis.
• El sensor de presión térmico hace uso de las variaciones de la conductividad térmica de un gas para monitorizar la presión, tal como el calibre Pirani, un medidor de conductividad térmica inventado en el año 1906.
• Por último, tenemos el sensor de presión de ionización, el cual mide los iones en un gas para medir la presión, como los manómetros de cátodo, ya sean fríos o calientes.

Ahora que ya hemos visto cada una de las tecnologías utilizadas en los sensores de presión, puedes estudiarlas con detenimiento y saber cuál es la que te conviene elegir.

Y hablando de elección, como última parte debes conocer como elegir el sensor de presión ideal para ti. Esta parte es muy importante si decides trabajar pronto con este tipo de dispositivos. Veámoslo en el siguiente apartado.

¿Cómo elegir un sensor de presión?

Entonces, ¿Cómo selecciono mi sensor de presión? ¿Qué pautas debo de considerar? Quizás estas preguntas ahora rondan por tu cabeza, y es bastante normal después de haber conocido todo lo que hay en los apartados anteriores; después de saber que presión deseas medir y seleccionar una tecnología. Conozcamos a continuación cuáles son los parámetros que debes tener en cuenta.

➤ Temperatura

• Para seleccionar un sensor de presión, debes tomar en cuenta la temperatura de operación, donde la mayoría de los sensores trabajan de los -25°C hasta aproximadamente los 100°C; si tu aplicación requiere mucha temperatura, vas a necesitar un sensor que soporte altas temperaturas, como el sensor de presión óptico.

➤ Rango de medición

• Debes seleccionar un sensor de presión que su rango de medición corresponda con el rango de presión que deseas obtener en tus mediciones. También debes tomar en cuenta las condiciones normales y cuánto puede variar la presión, un margen de error.

➤ Señal de salida

• Al seleccionar un sensor de presión, debes fijarte si en su señal de salida corresponde al bucle de regulación.

➤ Aplicación en el área

• Por último, debes conocer como se monta el sensor en el área de medición, es decir, que sistema tiene el sensor para ser instalado en el área de trabajo. Básicamente existen tres mecanismos de instalación: mecanismo roscado (el más común), bridas para soldar a un circuito impreso y sensores de membrana aflorante (ideales para fluidos cargados).

Estos son los criterios más importantes que debes tomar en cuenta para seleccionar un sensor de presión. Recuerda que antes de evaluar todo lo anterior, ya debes de saber que tipo de presión vas a medir y el tipo de tecnología con la que vas a trabajar; de esta forma, ya estas listo para trabajar con este dispositivo.

Ya nos estamos acercando al final, y no hay mejor despedida que una aplicación práctica. En el siguiente apartado veremos la aplicación de un sensor de presión con Arduino, un sistema embebido muy famoso en el mundo de la electrónica. Veamos como se hace.

Diseñando un sensor de presión con Arduino

Para esta aplicación con Arduino, utilizaremos un sensor de presión muy famoso: el sensor de presión o de fuerza MF01. Si bien podríamos usar el sensor de presión MPX5010DP (usado muchas veces para medir el nivel de agua), el sensor MF01 es el más común, el más barato y el más fácil de utilizar. La idea principal es que después de este artículo te animes a probar este sensor con tu Arduino, te prometo que será muy sencillo.

• Veamos de que trata el sensor de presión MF01.

Funcionamiento del sensor de presión MF01

Este sensor de presión tiene como aplicación principal la de detectar una fuerza de presión ejercida en su membrana, y cuando sucede esto, el sensor cambia el valor de su resistencia interna (tal como lo vimos en el apartado de teoría). Para lograr el efecto del cambio de la resistencia, este sensor está construido por 2 capas que se encuentran separadas por un elemento espaciados, y cuanto más se presiona, la resistencia va a disminuir.

¿Cuál es el valor de la resistencia inicial? Este valor está definido por 20 Mega Ohms, el rango de temperatura va de los -30°C a los 70°C y su rango de presión va de los 30 g a 1 kg. Para medir su señal de salida con un ADC (convertidor de señales analógico-digital), es necesario ponerlo en un divisor de voltaje.

La mayor ventaja: son muy fáciles de utilizar en microcontroladores o tarjetas de desarrollo que tengan etapa ADC y son muy sencillos de aplicar en cualquier área de trabajo, pues son auto adheribles. La mayor desventaja: son poco precisos, pues pueden detectar muy bien un peso, pero no pueden detectar exactamente los gramos de peso que se están detectando.

Para el circuito de prueba, requieres los siguientes materiales:

• Sensor de presión MF01.
• Arduino uno.
• Resistencia de 10k.
• Protoboard o placa de pruebas.

El objetivo del circuito es ver el funcionamiento del sensor de presión a través del monitor serial; veremos la lectura representante del cambio de resistencia que hay por parte del sensor cuando se ejerce fuerza o presión sobre la membrana.

El código de programación es el siguiente:

// Sensor de fuerza o presión MF01 con Arduino
//BY:EWEBIK

int PinAnalogico = 5;   // Sensor conectado a A5      
int lecturaRes;         // Lectura de la resistencia por división de voltaje (10kohm)

void setup()
{
Serial.begin(9600); // Envío de información al monitor serial
}
void loop()
{
lecturaRes = analogRead(PinAnalogico); // La Resistencia es igual a la lectura del sensor A5
Serial.print("Valor de lectura = ");
Serial.println(lecturaRes);

delay(1000); //un segundo de espera
}

Mientras tanto, el circuito queda de la siguiente manera:

Como puedes observar en la imagen, las lecturas de resistencia se muestran en el monitor serial. Te invito a probarlo e intentar experimentar con esto asignándole otra salida que trabaje en conjunto con el sensor, como un LED o un Buzzer.

Recuerda que no solo este sensor es aplicable al Arduino o a un microcontrolador en general, como el modelo MPX10DP, MPX4115 o el MPX5010SP; no obstante, para hacer uso eficaz de estos sensores de presión debemos acoplarlos a un circuito amplificador de voltaje para que las señales sean leídas por el Arduino o el sistema que estemos ocupando.

Vídeo relacionado al sensor de presión

Conclusiones

Hemos llegado al final de este artículo, espero que hayas disfrutado mucho aprender todo sobre este magnífico sensor. Como pudiste darte cuenta, la medición y el control de la presión tiene muchísima utilidad, tanto en la vida diaria como en aplicaciones orientadas al campo industrial o médico; no obstante, tan importante como es el valor de la presión como la herramienta que se utiliza para obtener ese valor, y aquí entra en juego el tan necesitado sensor de presión.

También pudiste notar que no solo es decir que deseas medir la presión, sino que debes saber que tipo de presión vas a medir y que mediciones deseas obtener; en esto último tiene que ver más el saber qué tecnología escoger. Al final, tus objetivos son la estructura fundamental para hacer uso del sensor de presión y muchos otros sensores que pueden llegar a encontrarte.

Finalmente, y como ya es costumbre, te dejaré algunos puntos que valen la pena llevarse frescos en la memoria para que te sientas mucho más preparado para trabajar con este dispositivo. Vamos allá.

• Definición: un sensor de presión es un transductor con la capacidad de detectar, controlar y/o monitorear la presión de gases o líquidos.
• El sensor de presión nos sirve para controlar y tener una mejor medición de la presión, ya sea ejercida por un liquido o por un gas.
• Prácticamente existen tres tipos de presión medibles: presión relativa, presión absoluta y presión diferencial.
• Los sensores de presión relativa o presión manométrica (Pe) son aquellos sensores que se utilizan para medir la presión tomando como referencia la presión atmosférica que se encuentre en el momento que se realiza la medición.
• El sensor de presión absoluta (Pabs) básicamente mide la presión con respecto a un vacío perfecto; este vacío se define de forma sencilla como la ausencia total de material en los elementos en un espacio físico.
• Los sensores de presión diferencial se caracterizan por medir la diferencia entre dos presiones distintas, las cuales son conectadas en los extremos del sensor. En términos técnicos, la presión diferencial se define como la diferencia de la presión medida entre dos puntos distintos del vacío o la atmosfera (P1-P2).
• Existen muchas tecnologías de sensores de presión, pero las más usadas están representadas por la tecnología piezoresistiva, galgas extensométricas y tecnología de capacitancia.
• Los puntos que debes tomar en cuenta para elegir un sensor de presión es la temperatura de operación, la señal de salida, el rango de medición y el montaje en el área de medición.
• Las aplicaciones de este sensor van desde la medición de la presión atmosférica en un determinado lugar, hasta aplicación en instrumentación en el campo de la meteorología, automóviles, aviones o simplemente en sistemas que requieran de presión para funcionar correctamente.

Y así es como hemos llegado al final. No olvides compartir este artículo con tus amigos o con quien creas que le ayudará mucho leer todo sobre los sensores de presión. Espero que hayas aprendido mucho y te sientas listo para trabajar con los sensores de presión.

Sigue aprendiendo, sigue manteniéndote curioso.

¡Hasta la próxima!