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metrologia
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F. Hugo Ramírez Leyva Cubículo 3
Instituto de Electrónica y Mecatrónica
Octubre 2015
3. Estructura General de un Sistema
de Medida
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Contenido de tema
2
1. Sensor/actuador.
2. Acondicionamiento de la señal.
3. Adquisición de datos.
4. Procesamiento y análisis.
5. Presentación.
6. Control.
Sensor Actuador
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El mundo real es por naturaleza analógico
En la mayoría de los casos es más adecuado el
procesamiento digital.
Es preciso intercalar en la entrada y en la salida
del sistema digital unos interfaces convertidores
analógico-digital (ADC) y digital analógico
(ADC).
Con al DAC y el ADC se puede hacer el
procesador digital y que éste interaccionar con su
entorno
Sensor Actuador
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Sensor Actuador
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Sensor.
Convierte un parámetro físico en una cantidad eléctrica
Transductor.
Dispositivo usado en mediciones, que hace corresponder una magnitud de entrada a una magnitud de salida según una relación determinada.
Acondicionamiento.
Interfaz de entrada en la que se usan amplificadores operacionales para acondicionar la señal proveniente del sensor.
Procesamiento.
Consta de un convertidor analógico digital, microcontrolador o microprocesador y un convertidor digital analógico
Sensor Actuador
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Convertidor Analógico Digital (ADC) Digitaliza la seña analógica
El convertidor digital Analógico (DAC) Convierte los datos digitales en un voltaje analógico
Interfaz de salida. Aísla el uC y de las cargas de alto voltaje o alta corriente.
Dispositivos de salida típicos son los Triacs, SCR, transistores de potencia, relevadores, etc.
Carga. Motores calderas, bombas, unidades de aire acondicionado,
calentadores etc.
Características de un Sensor
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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 no llega a valores nulos de la variable de entrada se
establece otro punto de referencia para definir el offset.
Linealidad o correlación lineal.
Características de un Sensor
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Sensitividad (sensitivity) de un sensor:
Indica el cambio a la salida de un sensor cuando la
cantidad medida cambia.
Un termómetro de mercurio tiene una sensitividad de
1cm/ºC.
Sensibilidad:
Mínima variación de la magnitud de entrada que puede
apreciarse a la salida.
Rapidez de respuesta:
Es la capacidad del sistema para seguir las variaciones
de la magnitud de entrada.
Características de un Sensor
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Derivas:
Son otras magnitudes, aparte de la medida como
magnitud de entrada, que influyen en la variable de
salida.
Resultan de condiciones ambientales, como la
humedad, temperatura o envejecimiento (oxidación,
desgaste, etc.) del sensor.
Repetitividad:
Error esperado al repetir varias veces la misma
medida.
Clasificación de los Sensores
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1. Según el principio de
funcionamiento
2. Según el tipo de señal
eléctrica que generan
3. Según el Rango de Valores
que proporcional
4. Según el nivel de
integración
5. Según el tipo de variable
física medida
http://micronova.wordpress.com/2010/03/17/clasificacion-de-
los-sensores/
Por Principio de Funcionamiento
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Pasivos y Activos
Pasivos Resistivos (Resistencia
variable) Potenciométricos Termoresistivos Fotoresistivos Extensiométricos Magnenetoresistivos
Electroquímicos Capacitivos (Capacitancia
variable)
Otros
Inductivos (Inductancia Variable) Reluctancia Variable Permeancia Variable Magnetoresistivos Transformador Variable
Optoelectrónicos Dispositivos electrónicos Detectotes de luz. Foto diodo y foto
transistor Par emisor / detector de
luz.
Por Principio de Funcionamiento
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Activos Piezoeléctricos Fotoeléctricos u opto
eléctricos Foto emisivos Fotovoltaicos
Termoeléctricos (Termopares)
Magnetoeléctricos Electromecánicos Semiconductores
Otros
Clasificación de los Sensores
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Según el tipo de señal
eléctrica que generan
Analógicos
Digitales
Temporales
Según el Rango de Valores
que proporcional
De medida
Todo o nada (On-Off)
Según el nivel de integración
Discreto
El acondicionamiento se hace
por separado
Integrado
El acondicionamiento y el
sensor están en el mismo chip.
Inteligente
Sensor que tiene al elemento
de sensado, acondicionamiento
y procesador en un mismo CI
monolítico o híbrido.
Clasificación de los Sensores
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Según el tipo de variable física medida Presión Temperatura Humedad Fuerza Aceleración Velocidad Caudal Presencia o ausencia de objetos Nivel de sólidos o líquidos Posición de objetos Desplazamiento de objetos Otros
Acondicionamiento de Señales
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La señal de salida de los sensores
no es apta para su lectura directa y
a veces tampoco para su procesado.
Se necesita usa un circuito de
acondicionamiento.
Algunos tipos son el puente de
Wheatstone, amplificadores y
filtros electrónicos.
En el acondicionamiento se usan
amplificadores operacionales.
Acondicionamiento
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El acondicionamiento se puede realizar dentro o fuera. Los tipos son:
Amplificación. Aumenta el nivel de la señal analógica
Filtrado Elimina señales eléctricas indeseadas
Aislamiento Evita que la señal eléctrica a medir
pueda dañar al operador o al equipo. Protege a la señal a medir de
influencias no deseadas
Multiplexación Permite la selección de diferentes
señales a ser procesadas por la TAD
http://www.sc.ehu.es/acwamurc/Transparencias/%284%29TAD.pdf
Sistemas de adquisición de datos
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El mundo técnico es cada vez mas digital debido a que las señales son mas convenientes para su procesamiento
Las señales de los sensores se acondicionan analógicamente se digitalizan se procesan y convierten nuevamente a analógicas.
El proceso de digitalización es realizado por los convertidores Analógicos Digitales y el Digital Analógico.
Conversión ADC y DAC
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Las señales analógicas son continuas en tiempo.
El valor de estas señales esta determinada cada instante de tiempo x(t).
La conversión analógica digital convierte la señal x(t) en una señal discreta de la misma x(n).
La señal digital es discreta en tiempo, lo que significa que el valor de la señal solo cambia en ciertos instantes de tiempo.
El tiempo en el cual ocurren los cambios se le llama Periodo de Muestreo (Ts)
Conversión ADC y DAC
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Para garantizar una correcta digitalización y reconstrucción, es necesario cumplir con el teorema del muestreo.
La frecuencia de muestreo debe ser del doble de la máxima frecuencia a digitalizar.
Si no se cumple se genera el fenómeno de Aliasing o submuestreo.
Una forma de prevenir este efecto es poniendo un filtro pasa bajas
Conversión ADC y DAC
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La conversión Analógica
Digital además de
cuantiza en tiempo y
amplitud.
Debido a que se tiene una
cantidad limitada de bits.
En la figura se observa la
forma en que se digitaliza
una señal con un
convertidor de 2 bits
Convertidores Analógicos Digitales
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En el mercado existen varios tipos de
convertidores analógicos digitales.
Estos son:
Aproximaciones sucesivas (successive
approximations register SAR)
Pipeline
Sigma delta (delta-sigma)
Flash
Integrados
Convertidores Analógicos Digitales
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Resolución (ADC)
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La resolución q es la relación del cambio de voltaje en la salida que se produce como consecuencia de un cambio de 1 LSB en la entrada analógica (LSB-Least Significat Bit).
N= Número de bits.
VFS = Voltaje a escala completa.
El error de cuantización (esta en el rango de 0 a q).
Para reducir el error de cuantización hay que aumentar el número de bits.
24
Convertidor Digital Analógico
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Los DAC son usados para recuperar las señales analógicas a partir del código digital.
Este proceso a veces se le llama reconstrucción de la señal analógica.
Cada valor digital esta relacionado al valor definido en la señal analógica como se ve en la figura.
Resolución (DAC)
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La resolución q de un DAC se define
como la cantidad de valores de salida
analógicos que se pueden obtener con
un DAC.
También se define como el cambio de
voltaje a la salida que se produce
como consecuencia de un cambio de
1LSB en las entradas digitales
Vo=Voltaje de salida del DAC
D= Dato
𝑉𝑜 = 𝑞𝐷
Ejemplo
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Un DAC de 8 bits tiene un rango de valores de 0 a 2.5v, de 0
a 5V y de -10 a +10V. Encontrar la resolución
Un DAC de 8 bits tiene un resolución de 10mV/LSB.
Calcule Vofs y Vo, cuando el código de entrada es 0x80H
Tarjetas de Adquisición de Datos (TAD)
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La adquisición de datos (DAQ) es el proceso de medir con
una PC un fenómeno eléctrico o físico como voltaje,
corriente, temperatura, presión o sonido.
Un sistema DAQ consiste de sensores, hardware de
medidas DAQ y una PC con software programable.
Tarjetas de Adquisición de Datos (TAD)
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Los sistemas DAQ basados en PC aprovechan la potencia
del procesamiento, la productividad, la visualización y las
habilidades de conectividad de las PCs estándares en la
industria.
Proporcionan una solución de medidas más potente,
flexible y rentable.
DAC
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El hardware DAQ funciona
principalmente como un dispositivo que
digitaliza señales analógicas entrantes para
que una PC pueda interpretarlas.
Los tres componentes clave de un
dispositivo DAQ son:
El circuito de acondicionamiento de
señales
Convertidor analógico-digital (ADC)
Un bus de PC.
DAC
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Varios dispositivos DAQ incluyen
funciones para automatizar
sistemas de medidas y procesos.
Por ejemplo:
Convertidores digitales-
analógicos (DACs)
Líneas de E/S
Contadores/temporizadores
Líneas de PWM
Componentes de un Dispositivo DAQ
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Bus de la PC
Los dispositivos DAQ se conectan a una PC
a través de una ranura o puerto.
El bus de la PC sirve como la interfaz de
comunicación entre el dispositivo DAQ y la
PC para pasar instrucciones y datos
medidos.
Los buses de PC más comunes son USB,
PCI, PCI Express y Ethernet.
Recientemente esta disponible el 802.11
Wi-Fi para comunicación inalámbrica.
Presentación de las Mediciones
(Analógico)
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Presentación de las Mediciones
(Digitales)
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Presentación de las Mediciones
(Gráfica)
Grafícadores
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Medidor de Tensión
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Tesis
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“Diseño, Construcción y Caracterización de un Sensor para Medir Cargas a Tensión por Extesiometría“
Alumno: Guillermo Amando Ruiz Rojas
Asesores: F. Hugo Ramírez Leyva y Víctor Manuel Cruz Martínez
Año: 2005
Identificación del Módulo de Elasticidad del Aluminio 6061 por medio de la deformación con Galgas Extensiométricas
Alumno: Jesús Villegas Guzmán
Asesores: José Alberto Antonio García y F. Hugo Ramírez Leyva
Año: 2011
Actuadores
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Generan el movimiento de los
elementos del robot según las
ordenes dadas por la unidad de
control. Tipos de actuadores:
Neumáticos (aire).
Hidráulicos (aceite).
Eléctricos (motores).
Características más importantes:
Potencia, controlabilidad, peso y
volumen, precisión, velocidad,
mantenimiento, costo.
