LOS SENSORES

UCHIngeniería Electrónica

Jhonatan David MPLIMA-PERU

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usuarioCon el avance de la tecnología , hoy en dia los sensores son muy utilizados para ello , es necesario actualizarnos con los avances. En consecuencia en este documento aprenderemos la aplicaciones, utilización, y las características de los sensores. Con la cual podremos afianzar nuestros conocimientos.

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LOS SENSORESn sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia,

aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.

UUn sensor diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, Industria aeroespacial, Medicina, Industria de manufactura, Robótica , etc.Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc

Clasificación de los sensores Internos: información sobre el propio robot- Posición (potenciómetros, inductosyn, ópticos...)- Velocidad (eléctricos, ópticos...)- Aceleración Externos: información sobre lo que rodea al robot- Proximidad (reflexión lumínica, láser, ultrasonido...)- Tacto (varillas, presión, polímeros...)- Fuerza (corriente en motores, deflexión...)- Visión (cámaras de tubo) Otras clasificaciones: sencillos / complejos, activos / pasivos Según el tipo de magnitud física a detectar podemos establecer la siguiente clasificación:

Posición lineal o angular. Desplazamiento o deformación. Velocidad lineal o angular. Aceleración. Fuerza y par. Presión. Caudal. Temperatura. Presencia o proximidad. Táctiles. Intensidad lumínica. Sistemas de visión artificial.

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Características de un sensor

Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. Precisión: es el error de medida máximo esperado. Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada

es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset.

Linealidad o correlación lineal. Sensibilidad de un sensor: suponiendo que es de entrada a salida y la variación de la

magnitud de entrada. Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la

salida. Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la

magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada.

Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.

Repetibilidad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.

Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano.Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de los circuitos.

Resolución y precisión

La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida.La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al medir una distancia la resolución es de 0,01 mm, pero la precisión es de 1 mm, entonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de 0,01 mm, pero no puede asegurarse que haya un error de medición menor a 1 mm. En la mayoría de los casos este exceso de resolución conlleva a un exceso innecesario en el coste del sistema. No obstante, en estos sistemas, si el error en la medida sigue una distribución normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos, la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión.Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de entrada que puede observarse en la magnitud de salida.

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Tipos de sensores

En la siguiente tabla se indican algunos tipos y ejemplos de sensores electrónicos.

Magnitud Transductor Característica

Posición lineal o angular Potenciómetro AnalógicaEncoder DigitalSensor Hall Digital

Desplazamiento y deformación

Transformador diferencial de variación lineal

Analógica

Galga extensiométrica AnalógicaMagnetoestrictivos A/DMagnetorresistivos AnalógicaLVDT Analógica

Velocidad lineal y angular Dinamo tacométrica AnalógicaEncoder DigitalDetector inductivo DigitalServo-inclinómetros A/DRVDT AnalógicaGiróscopo

Aceleración Acelerómetro AnalógicoServo-accelerómetros

Fuerza y par (deformación)

Galga extensiométrica AnalógicoTriaxiales A/D

Presión Membranas AnalógicaPiezoeléctricos AnalógicaManómetros Digitales Digital

Caudal Turbina AnalógicaMagnético Analógica

Temperatura Termopar AnalógicaRTD AnalógicaTermistor NTC AnalógicaTermistor PTC Analógica[Bimetal - Termostato ]] I/0

Sensores de presencia Inductivos I/0Capacitivos I/0Ópticos I/0 y Analógica

Sensores táctiles Matriz de contactos I/0Piel artificial Analógica

Visión artificial Cámaras de video Procesamiento digital

Cámaras CCD o CMOS Procesamiento digital

Sensor de proximidad Sensor final de carreraSensor capacitivo Analógica

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Sensor inductivo AnalógicaSensor fotoeléctrico Analógica

Sensor acústico (presión sonora)

micrófono Analógica

Sensores de acidez IsFETSensor de luz fotodiodo Analógica

Fotorresistencia AnalógicaFototransistor AnalógicaCélula fotoeléctrica Analógica

Sensores captura de movimiento

Sensores inerciales

Algunas magnitudes pueden calcularse mediante la medición y cálculo de otras, por ejemplo, la velocidad de un móvil puede calcularse a partir de la integración numérica de su aceleración. La masa de un objeto puede conocerse mediante la fuerza gravitatoria que se ejerce sobre él en comparación con la fuerza gravitatoria ejercida sobre un objeto de masa conocida (patrón).

Sensores de proximidad   Son dispositivos que detectan señales para actuar en un determinado proceso u operación, teniendo las siguientes características:  v     Son dispositivos que actúan por inducción al acercarles un objeto. v     No requieren contacto directo con el material a sensar.v     Son los más comunes y utilizados en la industriav     Se encuentran encapsulados en plástico para proveer una mayor facilidad de montaje y protección ante posibles golpees    APLICACIONES:  

Control de cintas transportadoras, Control de alta velocidad Detección de movimiento Conteo de piezas, Sensado de aberturas en sistemas de seguridad y alarma Sistemas de control como finales de carrera. (PLC´s) Sensor óptico.

  Características. 

• Son de confección pequeña, pero robustos• Mayor distancia de operación.• Detectan cualquier material.• Larga vida útil  Principio de operación

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Sistema de protección tipo barrera en rejillas de acceso en una prensa hidráulica, donde la seguridad del operario es una prioridad.

  Detección de piezas que viajan a muy alta velocidad en una línea de producción

(industria electrónica o embotelladoras).  

Detección de piezas en el interior de pinzas, en este caso el sensor esta constituido por un emisor y un receptor de infrarrojos ubicados uno frente a otro, de tal forma que la interrupción de la señal emitida, es un indicador de la presencia de un objeto en el interior de las pinzas.

 

  Sensores inductivos 

Consiste en un dispositivo conformado por: Una bobina y un núcleo de ferrita. Un oscilador. Un circuito detector (etapa de conmutación) Una salida de estado sólido.

El oscilador crea un campo de alta frecuencia de oscilación por el efecto electromagnético producido por la bobina en la parte frontal del sensor centrado con respecto al eje de la bobina. Así, el oscilador consume una corriente conocida. El núcleo de ferrita concentra y dirige el campo electromagnético en la parte frontal, convirtiéndose en la superficie activa del sensor.  Cuando un objeto metálico interactúa con el campo de alta frecuencia, se inducen corrientes EDDY en la superficie activa. Esto genera una disminución de las líneas de fuerza en el circuito oscilador y, en consecuencia, desciende la amplitud de oscilación. El

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circuito detector reconoce un cambio específico en la amplitud y genera una señal, la cual cambia (pilotea) la salida de estado sólido a “ON” u “OFF”. Cuando se retira el objeto metálico del área de senado, el oscilador genera el campo, permitiendo al sensor regresar a su estado normal. Sensor capacitivo  Un sensor capacitivo es adecuado para el caso de querer detectar un objeto no metálico. Para objetos metálicos es más adecuado escoger un sensor inductivo.Para distancias superiores a los 40 mm es totalmente inadecuado el uso de este tipo de sensores, siendo preferible una detección con sensores ópticos o de barrera.

  Los sensores capacitivos funcionan de manera similar a un capacitor simple.  La lámina de metal [1] en el extremo del sensor esta conectado eléctricamente a un oscilador [2].  El objeto que se detecta funciona como una segunda lámina. Cuando se aplica energía al

sensor el oscilador percibe la capacitancia externa entre el objetivo y la lámina interna.

  Los sensores capacitivos funcionan de manera opuesta a los inductivos, a medida que el objetivo se acerca al sensor capacitivo las oscilaciones aumentan hasta llegar a un nivel limite lo que activa el circuito disparador [3] que a su vez cambia el estado del switch [4].  Aplicaciones típicas

Detección de prácticamente cualquier material Control y verificación de nivel, depósitos, tanques, cubetas Medida de distancia Control del bucle de entrada-salida de máquinas Control de tensado-destensado, dilatación

      Sensores UltrasónicosExiste una línea versátil de sensores que incluyen 30 mm de laminilla metal y albergues plásticos en dos estilos de albergue rectangulares  Es estrecho análogo y con rendimientos a dispositivos discretos extensamente, sensor múltiple de posicionamiento sensando los rasgos ambientales del entorno del robot.

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  Los Blancos transparentes Los sensores ultrasónicos son la mejor opción para los blancos transparentes. Ellos pueden descubrir una hoja de película de plástico transparente tan fácilmente como una paleta de madera.  Los Ambientes polvorientos Los sensores ultrasónicos no necesitan el ambiente limpio, necesitado por los sensores fotoeléctricos. El transductor piezoeléctrico sellado de resina opera bien en muchas aplicaciones polvorientas.  Los blancos Desiguales Muchas aplicaciones, como el descubrimiento de nivelado inclinado o los materiales desiguales. Éste no es ningún problema para el sensor ultrasónico. Este sensor ofrece 60° de ángulo de cono sónico. El ángulo del cono ancho permite una inclinación designada de +-15°.  Velocidad de mando con el Rendimiento Analógico. El rasgo importante es directamente la corriente analógica y el voltaje proporcional a la distancia designada. El rendimiento analógico para la industria del tejido que procesa las aplicaciones como la tensión de la vuelta y diámetro del rollo de alfombra, papel, textil o plástico.      La circuitería de supresión de ruido. Los sensores ultrasónicos no se afecta su señal por vidrio o metal, ni vibraciones generadas por motores, inducidas a través de la línea.