Clasificacion de Los Sensores.pdf

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Martín Villa Bracamontes

SENSORES Y TRANSDUCTORESTodo el control industrial depende de la habilidad para medir el valor de la variablecontrolada con exactitud y velocidad, y la mejor forma de medir el valor de la variablecontrolada es convirtiéndola en alguna clase de señal eléctrica; debido a que setienen ciertas ventajas sobre las señales mecánicas, como:

a. Se pueden transmitir de un lugar a otro mucho más fácilmente.b. Son más fáciles de amplificar y filtrar.c. Se pueden manipular fácilmente.

Tomando en cuenta que los sensores son la principal fuente de información, señaleso datos de un PLC, comencemos a analizar a cada uno de estos, pero antes decomenzar a estudiar cómo funcionan, cómo se utilizan, cómo se clasifican o cuálesson sus principios de operación, analicemos algunos conceptos importantes.

Una MAGNITUD es una propiedad física susceptible de ser medida.

Ejemplo: Velocidad, Temperatura, Presión, etc.

Existen 6 tipos de magnitudes:

1. Magnitudes Mecánicas, como posición, velocidad, presión, fuerza, etc.2. Magnitudes Eléctricas, como corriente, potencia eléctrica o voltaje, etc.3. Magnitudes Térmicas, como cantidad de calor, temperatura, etc.4. Magnitudes Químicas o Moleculares como acidez, concentración,

consistencia, etc.5. Magnitudes Ópticas, como la intensidad luminosa, el color, etc.6. Magnitudes Magnéticas, como flujo magnético, intensidad de campo, etc.

Actualmente tenemos muy diversos tipos de sensores para medir cualquier variablefísica como las mencionadas anteriormente; es decir, los sensores son tan diversoscomo los principios físicos en los que se basan.

MEDIR, es comparar la cantidad de una magnitud con su respectiva unidad, con elfin de averiguar cuántas veces esta unidad, está contenida en esa cantidad.

Existen 2 formas de medir:

Medición Indirecta.- En las medidas indirectas la cantidad de interés se calcula apartir de OTRAS medidas, aplicando la ley que las relaciona. Por ejemplo, paramedir la potencia eléctrica utilizamos el producto de la medida del voltaje por lamedida de la corriente.

Medición Directa.- En las medidas directas la cantidad de interés se obtienedirectamente de los trazos o divisiones de los instrumentos y aparatos de medición.Por ejemplo, para medir la corriente se requiere del Amperímetro.

Tomando en cuenta que una señal es la variación temporal de una magnitud,entonces podremos hablar de la señal asociada a una fuerza, a una velocidad, a una

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temperatura o una presión, etc.

Un transductor es un dispositivo que convierte la señal que tiene a la entrada (señalprocedente de una magnitud física) en una señal de salida de otro tipo (pero tambiénasociada a una magnitud física), esta señal de salida generalmente es de tipoeléctrico.

En este punto cabe señalar la siguiente diferencia:

Por convención un TRANSMISOR provee una señal de salida de corriente, y unTRANSDUCTOR provee una señal de salida de voltaje.

Entonces, las señales de salida y de entrada de un transductor son de tiposdiferentes pero están relacionadas por una ley que generalmente es deproporcionalidad y dentro del cual siempre se produce una transformación deenergía.

Aunque los transductores pueden tener en su entrada y en su salida cualquier tipode señal, normalmente solo se usan los transductores que proveen señaleseléctricas o que tienen como entrada una señal de tipo eléctrico.

Las siguientes figuras muestran ejemplos de transductores

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Medida de un desplazamiento físico utilizando un Transformador Diferencial devariación lineal (LUDT).

Medida de temperatura usando un termistor o un detector resistivo de temperatura.

Un sensor es un dispositivo que proporciona la capacidad de medir cantidadesfísicas o variables físicas que no pueden ser observadas como señales eléctricas.

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CLASIFICACION DE LOS SENSORES

Se han inventado transductores eléctricos para medir prácticamente todavariable física, por lo que el número de sensores disponibles para las distintasmagnitudes físicas es tan elevado que se deben clasificar siguiendo algunoscriterios.

CARACTERÍSTICAS IDEALES DE LOS SENSORES

Las definiciones siguientes, además de formar parte del léxico básico delcontrol y la automatización, son las características más deseables quequeremos obtener de todo sensor, aunque son pocos los sensores que lastienen todas, nos proporcionan una buena idea para seleccionar el sensor masadecuado a nuestras necesidades.

EXACTITUD Y PRECISION

Cualquier sensor responde a un principio físico, químico o biológico quepermite su funcionamiento, es por eso que todo sensor tendrá limitaciones queserán inherentes a sus principios, y una de estas limitaciones es la exactitud, laEXACTITUD es que el valor verdadero de la variable monitoreada, se puedaDETECTAR SIN ERRORES en la medición, por lo tanto esta debe ser tan altacomo sea posible. Y la PRECISION significa que en la medición de la variable,existe o no una pequeña variación aleatoria, es decir la precisión regula elmargen de imprecisión instrumental; para entenderlo mejor pongamos elsiguiente ejemplo, tenemos un sistema para medir temperatura, el cual tieneuna precisión de 0.05 °C, cuando este sistema muestra una lectura de 26.8 °C,significa que la temperatura del proceso o ambiente que se esta midiendo estáentre 26.75 °C y 26.85 °C. Normalmente la precisión se expresa como unporcentaje de la escala completa y esta asociada al cálculo de la desviaciónestándar del instrumento. Así entonces esta precisión debe ser lo mas altaposible.

VELOCIDAD DE RESPUESTA

El transductor debe de ser capaz de responder rápidamente a los cambios dela variable que se esta monitoreando o detectando; si la medición tiene unacinética mas lenta que la de la propia variable, tendremos que disponer desistemas de predicción de este valor, si es que el proceso así lo requiere, y nodepender solo del valor instrumental.

CALIBRACIÓN

Debe de ser fácil de calibrar y no debe de necesitar una recalibraciónfrecuente. El término desviación se aplica con frecuencia para indicar la pérdidagradual de exactitud del sensor que se produce con el tiempo y el uso, lo cualhace necesaria su recalibración.

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RANGO DE FUNCIONAMIENTO

El sensor debe de tener un rango de funcionamiento amplio y debe de serpreciso y exacto en todo este rango, sabemos que el rango expresa los límitesinferior y superior del instrumento, y muchos de estos, sobretodo losindustriales, permiten definir sub rangos. El rango de trabajo mejora resoluciónpero no necesariamente la sensibilidad.

CONFIABILIDAD

Debe de tener una alta confiabilidad, es decir, no debe de estar sujeto a fallosfrecuentes durante su funcionamiento.

COSTO Y FACILIDAD DE OPERACIÓN

El costo para instalar manejar y comprar nuestro sensor debe de adecuarse anuestro presupuesto, y lo ideal sería que la instalación y el manejo de estosdispositivos no necesiten

de personal altamente calificado.

Aunque es un poco complicado realizar una clasificación única, debido a lagran cantidad de sensores que existen actualmente, las siguientes son lasclasificaciones más generales y comunes.

I. Un tipo de clasificación muy básico es diferenciar a los sensores entrePASIVOS o ACTIVOS; los sensores activos generan la señal de salidasin la necesidad de una fuente de alimentación externa, mientras que lospasivos si requieren de esta alimentación para poder efectuar sufunción.

II. Según el tipo de señal que proveen a la salida:o Todo o nada, son los sensores que solo poseen dos estados, y

que, estos estados, únicamente están separados por un valorumbral de la variable monitoreada.

o Digitales, estos sensores proporcionan una señal codificada enpulsos o sistemas como BCD, binario, etcétera.

o Analógicos, estos sensores proporcionan un valor de voltaje ocorriente, donde la señal más común utilizada en aplicacionesindustriales es un circuito de corriente de 2 hilos y 4-20 mA.

III. Según el tipo de magnitud física a detectar:a. Medición de temperatura.

Pirómetro ópticoPirómetro de radiación.Termistor.Termopar.

b. Medición de esfuerzos y deformaciones.c. Medición de movimiento.

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Grandes distancias: Radar, láser, Ultrasonido, etc.

Distancias pequeñas:

Métodos ópticos.Métodos inductivos (LDT y VDT).Métodos resistivos y capacitivos.

Posición linear o angular:

Codificadores increméntales.Codificadores absolutos.Transductores capacitivos.

d. Sensores de Presencia o Proximidad.

Inductivos.Capacitivos.Fotoeléctricos.De efecto Hall.Radiación.Infrarrojos.

e. Sistemas de visión artificial.

Cámaras CCD.

f. Sensores de humedad y punto de rocío.

Humedad en aire – gases.Humedad en sólidos.Punto de rocío.

g. Sensores de caudal.

De sólidos, líquidos o gases.Presión diferencial.Medidores magnéticos.Medidores por fuerzas de Coriolis.Medidores de área variable.Medidores de desplazamiento positivo.

h. Sensores de nivel.

De líquidos y sólidos.

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i. Sensores de presión.j. Sensores de Fuerza y par.

Calibrador de tensión.De array táctil.

k. Sensores de intensidad lumínica.l. Sensores de aceleración.m. Sensores de velocidad lineal o angular.n. Sensores táctiles.

Matriz piezoeléctrica, óptica o capacitiva.Matriz de contactos.

Como podemos apreciar, existen sensores para satisfacer cualquier necesidad,y sería muy largo el explicar el funcionamiento de cada uno de ellos, por lo quea lo largo de estos temas explicaremos el funcionamiento de solo algunos deestos, enfocándonos mas a los sensores de presencia o proximidad, y aalgunos de temperatura o presión, que son para nuestro fin, los que masutilizaremos para el estudio y aplicación de los PLC´s.

Las siguientes ilustraciones nos muestran algunas aplicaciones típicas de lossensores de presencia, del tipo fotoeléctrico.

Control de posición de mecanismos.

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Control de apertura y cierre de puertas automáticas.

Sistema para detección de objetos.

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Control de flujo de objetos.

Sistema para detectar presencia, movimiento,posición o conteo de objetos.

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LOS SENSORES FOTOELÉCTRICOS

Los sensores o detectores fotoeléctricos, son de los dispositivos mas utilizadosen la industria, y en general en cualquier sistema de control automático, es poreso, que es muy recomendable su estudio, así que comencemos a analizarlosmas a fondo.

El objetivo principal de un sensor, es DETECTAR.

Estos sensores logran su objetivo utilizando cualquiera de los siguientesprocedimientos: BLOQUEAR o REFLEJAR.

En el procedimiento de BLOQUEO, el objeto que se va a detectar bloquea laluz emitida por el emisor del sensor.

Mientras que en el de REFLEJAR, la luz emitida por el emisor del sensor, esreflejada por el objeto que se esta detectando.

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Para estos métodos o procedimientos de detección encontramos 5 SISTEMAS:

En el método de BLOQUEO encontramos el sistema de BARRERA, elREFLEX y el REFLEX POLARIZADO.

Las ventajas que ofrece el sistema de BARRERA son:

LARGO ALCANCE. DETECCIÓN PRECISA Y CONFIABLE. ADAPTACIÓN A LOS ENTORNOS DIFÍCILES.

La FACILIDAD EN SU INSTALACIÓN, es una de las ventajas que ofrece elsistema REFLEX.

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La gran ventaja del sistema REFLEX POLARIZADO es la DETECCIÓN DEOBJETOS BRILLANTES.

En el segundo método que es el de REFLEXIÓN tenemos los últimos 2sistemas de los 5 existentes.

El sistema de detección por PROXIMIDAD.

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Y PROXIMIDAD con BORRADO del PLANO POSTERIOR. El cual tiene laventaja de DETECTAR los objetos IGNORANDO el plano posterior o la dedetectar hasta una CIERTA DISTANCIA dada INDEPENDIENTEMENTE delCOLOR del objeto.

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Existen 3 tipos de ALIMENTACIÓN:

1.- CORRIENTE ALTERNA

2.- CORRIENTE CONTINUA

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3.- CORRIENTE ALTERNA Y CONTINÚA

LOS SENSORES FOTOELÉCTRICOS II

Continuamos con algunas de las consideraciones más importantes que sedeben de tener a la hora de elegir un detector o sensor del tipofotoeléctrico.

Encontraremos 3 GAMAS:

1.- Gama Miniatura

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2.- Gama Compacta

3.- Gama Detectores de fibra óptica

Existen 2 TIPOS DE SALIDA:

1.- Salida relé.

Ventajas:

Sus contactos pueden conmutar una buena intensidad de corriente. Instalación fácil.

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Una de sus características principales es que su salida puede tener cualquierade los estados normalmente abierto (NO) o normalmente cerrado (NC).

2.- Salida estática o salida a transistor.

Ventajas:

Larga duración. Conexión directa hacia los PLC´s. No contienen partes electromecánicas que pudieran deteriorarse.

Entre sus características encontramos que existen 2 versiones, PNP y/o NPN,la elección de cualquiera de estos tipos de salida esta determinada por el tipo ocondiciones que tengan los módulos de entrada de los PLC´s.

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CARACTERÍSTICAS DE SALIDA

Existen dos tipos de funcionamiento en un sensor del tipo fotoeléctrico:

Función a la luz y/o función a la sombra.

Para los sistemas de barrera o sistemas reflex, utilizando la función a lasombra, la salida siempre esta APAGADA mientras que no se detecte algúnobjeto, es decir, si el sensor esta recibiendo el reflejo de el haz de luz emitidopor él mismo, entonces mantendrá su salida desactivada.

Por lo tanto un sensor de este tipo al ser utilizado con función a la luz,mantendrá su salida ENCENDIDA o activa si no esta detectando algo, es decirsu salida se apaga al detectar algún objeto.

Estas características cambian si utilizamos un sensor que utilice un sistema deproximidad, es decir, si utilizamos la función a la luz, la salida se ACTIVARAhasta que algún objeto sea detectado.

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Y en el caso contrario que es la función a la sombra, la salida se APAGARAcuando el sensor DETECTE algún objeto.

Sabemos que en el sistema REFLEX se utiliza el procedimiento de detecciónpor BLOQUEO, el objeto a detectar bloquea la luz reflejada emitida por elemisor del sensor, así entonces el reflejante es parte importante de estemétodo, y básicamente debemos tener en cuenta los siguientes puntos:

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La elección del reflector adecuado; el reflector debe ser mas pequeño que elobjeto a detectar.

El posicionamiento o la correcta orientación del sensor con respecto alreflector.

En la siguiente figura observamos un reflector mal orientado, donde el receptorno capta el reflejo del haz de luz proveniente del reflejante.

Un mal centrado del sensor y su reflector puede ocasionar que se tenganlecturas erróneas.

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La siguiente ilustración nos muestra en sensor y su reflector bien posicionados.

Para pequeños alcances, los reflectores estándar no funcionan, la explicaciónde esto la analizaremos después cuando estudiemos los principios de ladetección óptica.

Entonces para estos caso debemos de utilizar un reflector con triedros grandes.

Cuando ya hemos encontrado el tipo de sensor mas adecuado a nuestrasnecesidades, y hemos determinado que tipo de alimentación utiliza, que tipo desalida nos proporciona y cual método de funcionamiento es el apropiado, unavez instalado debemos saber ajustar su sensibilidad o su alcance útil.

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AJUSTE DE LA SENSIBILIDAD DE UN SENSOR DE PROXIMIDAD.

En un sensor de proximidad estándar debemos de aumentar o ajustar lasensibilidad hasta detectar el objeto deseado.

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Si tenemos un objeto menos REFLECTANTE a la misma distancia que el de lafigura anterior, el sensor aún con la sensibilidad ajustada no lo va a detectar.

Entonces es necesario aumentar más la sensibilidad.

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Pero ATENCIÓN, si el plano posterior es MAS REFLECTANTE que elobjeto.......

Debemos de utilizar un sensor fotoeléctrico de proximidad con borrado delplano posterior.

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AJUSTE DEL ALCANCE UTIL de un sensor fotoeléctrico de proximidad conborrado del plano posterior.

Para comenzar, se regula la sensibilidad de manera que no detecte el planoposterior.

Después se verifica la conmutación de la salida del sensor en presencia delobjeto a detectar.

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Las ventajas que tenemos en este tipo de sensores es que podemos detectarobjetos ignorando el plano posterior o detectarlos hasta una cierta distanciadada cualquiera que sea su color.

¿FUNCIONAN NUESTROS SENSORES?

Después de ver en los capítulos anteriores como se clasifican los transductoresy sensores y los principios de funcionamiento y clasificación de sensoresfotoeléctricos, ahora es turno de explicar un método muy sencillo paradeterminar si un sensor esta en buen estado o no, o si esta completamentedañado, tal ves sea un método muy fácil para muchas personas que trabajan adiario con este tipo de dispositivos, pero es muy rápido y eficaz en la practica,en la que el tiempo es un factor muy importante.

Para utilizar este método, no necesitamos tener una computadora conectada aldispositivo de control, o al PLC del proceso, utilizaremos solo un multímetroanalógico o digital, y también el diagrama eléctrico de conexiones, aunque eluso de este ultimo depende de la complejidad de la maquinaria o proceso quetenemos por diagnosticar.

La mayoría de los sensores que envían una señal digital por su salida, comoson los fotoeléctricos, tienen integrados uno, dos o más LED´s de estadoDependiendo del fabricante, el color de estos leds nos pueden indicar lossiguientes parámetros:

1. Alimentación eléctrica al sensor.2. Sensor sensando la variable para el que fue diseñado.3. Sensor en estado de calibración.

Los leds de los puntos 1 y 2 son los más comunes y son los que nos van aayudar a determinar el estado del dispositivo.

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Primero debemos de verificar que la alimentación al sensor seasuministrada correctamente, y para esto tenemos UN LED QUE NOS LOINDICA, pero tal vez este led pudiera estar dañado, aunque la alimentación seala correcta, en este caso y para asegurarnos de esto, utilizamos nuestromultímetro para medir el voltaje de alimentación. En este punto nos podemosencontrar con sensores que son de algún fabricante no muy conocido, o tal vezsea algún sensor con características especiales, pero por lo general la mayoríade los sensores tienen la siguiente configuración de colores en sus cables:

CAFÉ: Terminal positiva (+24 Vcd)AZUL: Terminal negativa (0 Vcd)NEGRO: SEÑAL DE CONTROL

Así entonces conectando las terminales del multímetro en los cables café yazul del sensor verificaremos que la alimentación sea la correcta aunque el ledno nos lo indique. Veamos la siguiente figura:

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Si el sensor esta alimentado correctamente, y de todas formas “no pasa nada”cuando sensa, usamos el siguiente led y verificamos entonces que el sensoreste enviando correctamente LA SEÑAL DE CONTROL al PLC, por ejemplo, sinuestro sensor es un sensor fotoeléctrico, el led que nos indica la detección,DEBERA PRENDER cuando algún objeto “pase” enfrente del sensor, si esteled prende correctamente, y no pasa nada tenemos 2 caminos a seguir:

1.- Buscar en nuestro diagrama eléctrico en que terminal esta conectado elcable que tiene la señal de control del sensor, (cable negro) y a que terminal deentrada del PLC llega. Como ya sabemos cada modulo de entradas o desalidas tiene leds indicadores del estado de estas entradas o de estas salidas,una vez localizada la entrada a la que esta conectada la señal de control delsensor en prueba, procedemos a hacer actual al sensor, que no es otra cosaque hacer que DETECTE, si al detectar el sensor, en nuestra entrada PRENDEel led indicador de entrada activa, entonces nuestro sensor esta correctamentealimentado y funcionando perfectamente, y entonces debemos proceder abuscar la falla por otro lado, descartando completamente al sensor comocausante de esta.

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2.- Si el led indicador en el PLC no prende cuando el sensor esta sensando,puede ser que la señal de control se pierda en algún punto. Pero antes de quedesarmemos y desconectemos todo, buscando en donde se pierde esta señal,verifiquemos primero QUE EL SENSOR LA ESTA ENVIANDO.

Para esto conectamos las puntas del multímetro como se ve en la siguientefigura:

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Observamos que la punta positiva esta conectada al cable negro, esto es asíporque generalmente las señales de control son positivas y de 24 Vcd que esigual que la alimentación eléctrica al mismo sensor, y aquí observamos queindependientemente del tipo de sensor o de la variable a detectar, cualquiersensor del tipo digital funciona como un Interruptor NC o NA y que su estadocambia cuando esta sensando.

Regresando al la prueba, una vez que tenemos nuestro multímetro conectado ala señal de control, hacemos que el sensor detecte, y en ese momento nuestromultímetro debe de medir 24VCD, si podemos medir esto, entonces podemosproceder a desarmar todo lo que queramos para poder encontrar en donde sepierde esta señal de control desde el sensor hasta el PLC

Si nuestro multímetro no mide los 24 VCD de la señal de control como en eldibujo siguiente:

Pueden estar pasando cualquiera de estas 2 cosas:

1. El sensor esta mal CALIBRADO, ORIENTADO o POSICIONADO, ó2. El sensor ESTA DAÑADO.

Para cualquiera de estas 2 opciones pienso que es muy obvio cuales son lasacciones debemos de realizar.

Estas pruebas son muy simples pero efectivas, y las podemos aplicar a todoslos sensores que envíen una señal digital como señal de control, pero es muyimportante tener en cuenta si el sensor es normalmente abierto (NA o NO) onormalmente cerrado (NC), para no confundirnos a la hora de medir la señal decontrol, en capítulos anteriores explicamos muy bien estos dos estados de loselementos de control. Los sensores de tipo analógico y sus correspondientespruebas las estudiaremos en el siguiente tema.

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SENSORES DE ACELERACION Y VELOCIDADUn robot se puede definir como un sistema eléctro-mecánico e informático queinteractúa con el medio. Los robots tal y como los concebimos actualmente,necesitan relacionarse con su alrededor para poder llevar a cabo susactividades.La actividad global de cualquier robot se puede entender como la sucesión delas siguientes cinco fases o actividades:

Medida Modelaje Percepción Planificación Acción

Las tres primeras actividades están encaminadas a que el robot pueda percibirlo que esta pasando en su entorno. La planificación consiste en, a partir de lainformación percibida, tomar las decisiones oportunas para desarrollar suactividad. Por último, la acción consiste en la ejecución de las tareasplanificadas en la fase anterior.

Para un informático, la fase que puede resultar más atractiva es la de laplanificación, ya que es en la que se concentra la mayor parte de la actividad"inteligente" del robot. Sin embargo, un robot no podría hacer nada sino pudiera"medir" de alguna forma lo que le interesa del medio en el que se dearrolla suactividad. Para poder realizar esta primera ( y fundamental ) fase, los robotsdisponen de unos dispositivos llamados SENSORES.

Los sensores cumplen la misma función en los robots que los órganossensoriales en la mayoría de los seres vivos. Sin ellos los robots no podríanlocalizar objetos para poder cogerlos, evitar obstáculos para no chocarse,comprobar el correcto funcionamiento de una actividad, Además, los sensoresayudan al robot a conocer sus parámetros internos, tales como la posición, lavelocidad.

Los sensores son en realidad unos elementos físicos que pertenecen a un tipode dispositivo llamado transductor. Los transductores son unos elementoscapaces de transformar una variable física en otra diferente. Los sensores sonun tipo concreto de transductores que se caracterizan porque son usados paramedir la variable transformada. La magnitud física que suele ser empleada porlos sensores como resultado suele ser la tensión eléctrica, debido a la facilidaddel trabajo con ella.

Desde el punto de vista de la forma de la variable de salida, podemos clasificarlos sensores en dos grupos: analógicos, en los que la señal de salida es unaseñal continua, analógica; y digitales, que transforman la variable medida enuna señal digital, a modo de pulsos o bits. En la actualidad los sensores más

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empleados son los digitales, debido sobre todo a la compatibilidad de su usocon los ordenadores.

A los sensores, se les debe exigir una serie de características, que pasamosahora a enumerar y comentar:

Exactitud. Hace referencia a que se debe poder detectar el valorverdadero de la variable sin errores sistemáticos. Sobre variasmediciones, la media de los errores cometidos debe tender a cero.

Precisión. Una medida será más precisa que otra si los posibles erroresaleatorios en la medición son menores. Debemos procurar la máximaprecisión posible.

Rango de funcionamiento. El sensor de be tener un amplio rango defuncionamiento, es decir, debe ser capaz de medir de manera exacta yprecisa un amplio abanico de valores de la magnitud correspondiente.

Velocidad de respuesta. El sensor debe responder a los cambios de lavariable a medir en un tiempo mínimo. Lo ideal sería que la respuestafuera instantánea.

Calibración. La calibración es el proceso mediante el que se establece larelación entre la variable medida y la señal de salida que produce elsensor. La calibración debe poder realizarse de manera sencilla yademás el sensor no debe precisar una recalibración frecuente.

Fiabilidad. El sensor debe ser fiable, es decir, no debe estar sujeto afallos inesperados durante su funcionamiento.

Coste. El coste para comprar, instalar y manejar el sensor debe ser lomás bajo posible.

Facilidad de funcionamiento. Por último, sería ideal que la instalación yiso del sensor no necesitara de un aprendizaje excesivo.

Todas estas características son las deseables en los sensores. Sin embargo,en la mayoría de los casos lo que se procurará será un compromiso entre sucumplimiento y el coste que ello suponga a la hora del diseño y fabricación.

Después de esta introducción, lo lógico sería pasar a comentar los distintostipos de sensores existentes, así como sus principales características. Sinembargo esto plantea el problema de clasificar los sensores de alguna forma.Podemos clasificar los sensores por la variable que miden (velocidad,

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proximidad) por el principio físico en el que se basa su funcionamiento ( efectoHall), por la tecnología en la que se basan ( silicio, eléctro-mecánica) ,larelación entre el sensor y la característica a medir ( contacto, sin contacto), etc .

En el desarrollo del presente trabajo nos basaremos en una clasificacióngeneral que engloba a los sensores en dos grandes grupos, según la relaciónde la variable a medir con el sensor: INTERNOS y EXTERNOS. Además,dentro de cada gran grupo, distinguiremos distintos tipos según la variable quemidan e iremos comentando para cada caso otros aspectos como la tecnologíaen la que se pueden basar.

Como ya hemos comentado, para que un robot realice su tarea de formaeficiente, rápida e inteligente, es preciso que tenga conocimiento de una seriede parámetros o características internas. Tales características son muydiversas y se intentará controlar unas u otras en función de las necesidades.Por ejemplo, puede ser necesario controlar la temperatura a la que está ciertaparte del robot o la presión de sus ruedas. Sin embargo, hay ciertascaracterísticas que resulta interesante poder controlar para la mayoría de losrobots: la posición, la velocidad y la aceleración.

Estas tres variables y los diferentes métodos para conocer su valor en uninstante determinado es lo que vamos a tratar en esta sección.

PosiciónEl problema de poder determinar la posición en la que se encuentra el robot enun momento determinado es uno de los más importantes e interesantes en elcampo de estudio de la robótica. Actualmente no existe un método infalible yuniversal para calcular la posición, sino que, por el contrario, existen una seriede métodos basados en diversas técnicas que intentan resolver el problema.En la mayoría de los casos reales, la solución adoptada pasa por el empleo devarios de estos métodos. A continuación vamos a comentar los principales, enque se basan así como su funcionamiento.

Encoders Incrementales

Los codificadores ópticos o encoders incrementales se utilizanfundamentalmente para el cálculo de la posición angular. Básicamente constande un disco transparente, el cual tiene una serie de marcas opacas colocadasradialmente y equidistantes entre si; de un elemento emisor de luz (como undiodo LED); y de un elemento fotosensible que actúa como receptor. El ejecuya posición angular se va a medir va acoplado al disco. (Ver figura)

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El funcionamiento es elsiguiente: cuando elsistema comienza afuncionar el emisor de luzempieza a emitir; a medidaque el eje vaya girando, seproducirán una serie depulsos de luz en elreceptor, correspondientes

a la luz que atraviesa los huecos entre las marcas. Llevando una cuenta deesos pulsos es posible conocer la posición del eje.

Sobre este esquema básico es habitual encontrar algunas mejoras. Porejemplo, se suele introducir otra franja de marcas por debajo, desplazadade la anterior, para poder controlar el sentido del giro; además suele sernecesario el empleo de una marca de referencia que nos ayudará a saber sihemos completado una vuelta.

Realmente los encoders incrementales miden la velocidad de giro, peropodemos extrapolar la posición angular. Como es lógico, la resolución deeste tipo de sensores depende directamente del número de marcas quepodamos poner físicamente en el disco.

Encoder absoluto

La función de este tipo de dispositivos es similar a la de los anteriores,medir la posición angular. Sin embargo en este caso lo que se va a medirno es el incremento de esa posición, sino la posición exacta. La disposiciónes parecida a la de los encoders incrementales. También se dispone de unafuente de luz, de un disco graduado y de un

fotorreceptor. La diferencia estriba en la graduación o codificación del disco.En este caso el disco se divide en un número fijo de sectores (potencia de2) y se codifica cada uno con un código cíclico (normalmente un código deGray); este código queda representado en el disco por zonas transparentesy opacas dispuestas radicalmente, como se puede apreciar en la figura. No

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es necesaria ninguna mejora para detectar el sentido del giro, ya que lacodificación de los distintos sectores angulares es absoluta.La resolución de estos sensores es fija y viene dada por el número deanillos que posea el disco, o lo que es lo mismo, el número de bits delcódigo utilizado. Normalmente se usan códigos de 8 a 19 bits.Tanto los encoders absolutos como los incrementales pueden presentarproblemas debido a la gran precisión que es necesaria en el proceso defabricación. Además son dispositivos especialmente sensibles a golpes yvibraciones.

Potenciómetro

Los potenciómetros son unos dispositivos capaces de medir la posiciónangular y pequeños desplazamientos de posición lineal. Según el tipo deposición a medir tendremos dos tipos distintos de dispositivos pero laidea básica es común.

Constan de una resistencia a través de la cual hay una determinadadiferencia de potencial. Además hay un contacto unido a la resistenciapero que se puede deslizar a su alrededor; este elemento es conocidocomo wiper. El wiper se conecta físicamente al elemento cuyomovimiento vamos a medir. Cuando este elemento se mueva el wiper seira moviendo por la resistencia y la tensión de salida en él (en el wiper)irá cambiando. Si medimos está tensión de salida, podremos determinarcuanto se ha desplazado el wiper, y por lo tanto cuanto se hadesplazado el elemento que pretendíamos controlar.

Transformador diferencial de variación lineal (LVDT)

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Como la mayoría de los dispositivos vistos hasta ahora, este tipo de sensoresse basan en fenómenos eléctro-magnéticos. En el LVDT se une al eje cuyodesplazamiento vamos a medir un núcleo ferromagnético. Si situamos estenúcleo entre una serie de inductancias, tal y como muestra el esquema, ladiferencia de potencial E0 será proporcional al movimiento del núcleo (y por lotanto al del eje).

Este sistema se utiliza ampliamente debido asu gran resolución, alta linealidad y rápidarespuesta. Sin embargo, tiene elinconveniente de que no permite medirgrandes desplazamientos (por razonesobvias).

Todos los sensores de posición que hemosvisto hasta ahora suelen ser usados para

medir la posición angular y lineal de uniones de brazos de robot o de efectoresfinales de los mismos. Quizá la única excepción sean los encoders, quepodemos encontrar en algunos sistemas móviles.A continuación, vamos a ver una serie de métodos para determinar la posiciónque suelen usarse en los sistemas robóticos móviles.

Giroscopios

Los giroscopios son dispositivos que nos ayudan a medir el ángulo degiro de un objeto. Hay muchos tipos de giroscopio con estructuras muydiversas y complejas, pero todos se basan en el mismo principio, en laspropiedades inerciales. Todos hemos realizado alguna vez elexperimento de coger una rueda por su eje de giro con las dos manos yhacerla girar. Cuando la rueda gira en su sentido natural notamos quetambién intenta girar con relación a otro eje, un eje vertical que iría denuestros pies a nuestra cabeza. Basándose en este principio, losgiroscopios son capaces de medir el ángulo de giro de un objeto.

Inclinómetros

Estos sensores sirven para medir la inclinación, el ángulo de un objetocon respecto a un eje horizontal. Están formados por un electrolito(liquido conductor) situado en un recipiente en el cual hay introducidosdos electrodos de platino enfrentados y ambos con una parte fuera delelectrolito. Cuando el sensor se inclina, uno de los electrodos entra másen contacto con el electrolito y el otro menos. Si se miden las corrientesde salida de los electrodos, es posible determinar el ángulo deinclinación.

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Sistemas basados en "faros"

Estos sistemas están orientados aconocer la posición de un robot móvilen un sistema de coordenadas. Elprincipio básico de funcionamiento,como indica su nombre, es similar alde los faros usados en navegaciónmarítima. La idea consiste en situaruna serie de puntos de referencia(cuya posición es conocida) que elrobot pueda consultar en cualquiermomento (su posición, la distancia a

ellos, etc...), y así pueda calcular su posición. El tipo de señal queemiten esos puntos de referencia o "faros" puede ser de muchos tipos,como láser, ultrasonido o radiofrecuencia. Son estas las que ese suelenemplear en sistemas reales. Existen dos subtipos fundamentales: lossistemas pasivos de medición de fase, y los sistemas activos detrilateración mediante radar.

Los sistemas del primer tipo, se basan en la comparación del tiempo dellegada de dos señales emitidas simultáneamente desde dostransmisores conocidos. Conocida la diferencia en tiempo de la llegadade esas dos señales, es posible concluir que el robot se encantará enalgún punto de una línea hiperbólica concreta (ver figura). Si repetimosel proceso con más parejas de transmisores, podremos determinar comoposición del robot el punto de intersección de todas estas líneashiperbólicas.Este tipo de medición de la posición tiene un error de unos 100 metros,pero un rango de operación de más de 1500 kilómetros. Es por esto, quesuele ser empleado en sistemas que se van a desplazar distancias muyamplias, y en los que no se necesita una excesiva precisión en lamedida de la posición, como barcos.Los sistemas basados en "faros" del segundo tipo, los activos detrilateración mediante radar, se basan en unos elementos fijos llamadostransponders. El sistema se dedica a medir el tiempo que tarda en ir y envolver una determinada señal enviada; con este tiempo puede calcular ladistancia que hay entre él y ese transponder. Si tenemos las distancias avarios de estos transponders seremos capaces de calcular nuestraposición.El error cometido en este tipo de sistemas depende del número detransponders; se suelen emplear desde dos hasta dieciséis, y el errorpuede acotarse a 2 metros. Aunque mejora el tipo anterior, todavía sonerrores demasiado grandes para las aplicaciones que suelen tener losrobots móviles.

Sistema de Posicionamiento Global (GPS)

Este sistema para determinar la posición absoluta en un determinadomomento fue desarrollado por el Departamento de Defensa

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estadounidense. Elsistema se basa en unaconstelación de 24satélitesgeoestacionarios, conuna frecuencia deórbita de 12 horas ysituados a una alturade 10.900 millasnáuticas.

Para poder usar este sistemade medida se necesita un elemento receptor. Realmente lo que se calculaes la posición de este receptor. El procedimiento es sencillo: el receptormide el tiempo de vuelo de las señales que le llegan de los distintossatélites y por triangulación es capaz de deducir su posición exacta entérminos de longitud, latitud y altitud.

A la hora de utilizar este dispositivo de medida es conveniente tener encuenta cuatro aspectos:

- El tiempo de sincronización entre los satélites y los receptores- La precisa localización en tiempo real de la posición de los satélites- La precisión con la que hay que medir el tiempo de propagación de laseñal- Una relación señal / ruido adecuada a posibles perturbaciones.

Este sistema de medida puede tener una precisión centímetros, pero laposibilidad de ruido y el tiempo que transcurre en todo el proceso, hace queno sea un método adecuado para su uso en robots móviles que sedesenvuelven en entornos más bien reducidos (sobre todo comparados conel total de la tierra).

Velocidad

La velocidad es otro de los parámetros internos del robot que puede ser útilpara el desarrollo de su tarea. Aunque su importancia es menor que la de laposición, existen algunos métodos para determinar la velocidad (lineal yangular) del robot.El primer método que podemos encontrar es el que se basa en la medida de laposición. Puesto que hemos visto que existe gran diversidad de métodos paracalcular la posición del robot, podemos derivar de esta medida la velocidad.Esto se haría aplicando directamente la definición de velocidad, es decir,incremento de posición dividido entre el tiempo.Aparte de ese sencillo primer método, podemos citar algunos otros un pocomás elaborados:

Tacogenerador

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Es un dispositivo para medir lavelocidad angular. Su funcionamientoes sencillo: convertir la energíarotacional del eje en cuestión enenergía eléctrica, proporcional a larotacional y que puede ser fácilmentemedida.Una posible configuración podría ser

la que se ve en la figura.Para generar la corriente a partir del giro se acopla al motor o eje que seva a medir, una espira situada dentro de un campo magnético fijo(creado por los dos imanes). Al girar el motor, la espira girará en elinterior del campo magnético, lo que provocará una corriente eléctrica.Estos dispositivos pueden llegar a tener una precisión del 0,5 %, por loque pueden resultar una solución aceptable a la hora de medir lavelocidad angular.

Sensores Doppler

Los sensores basados en el efecto Doppler miden la velocidad lineal deun objeto móvil apoyándose en otra superficie. Se basan en laobservación del desplazamiento en frecuencia de una radiación emitidapor el sensor y reflejada en una superficie que se está moviendo conrespecto al robot.Este sistema es usado amenudo en sistemasmarítimos, donde seemplean ondas acústicasque se reflejan en lasuperficie oceánica.Como se puede apreciar enel dibujo, una vez conocidala velocidad de vuelta de laseñal al sensor, se puedecalcular mediante unarelación trigonométricasimple la velocidad de la superficie (a partir de la cual se calcularía lavelocidad del móvil). Es para calcular la velocidad de vuelta de la señalal sensor cuando se realiza una comprobación del desfase defrecuencias.

LVT (Linear Velocity Transducers)

Este tipo de sensores se basan en un principio electromagnético similaral que veíamos en los sensores de posición LVDT. Los sensores LVTconstan de un núcleo magnético permanente en forma de varilla; estenúcleo es el que es conectado al dispositivo cuya velocidad vamos amedir. Arriba y abajo de la varilla se disponen dos espirales conductoras.Por la ley de Faraday, en las espiras se desarrolla una diferencia depotencial proporcional al cambio en el campo magnético al que están

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sometidas. Puesto que el núcleo es un imán permanente, el cambio enel campo sólo puede estar provocado por el movimiento de dicho núcleo.Así, si medimos la diferencia de potencial en las espiras podremosdeducir la velocidad a la que se ha movido el núcleo y, por consiguiente,el elemento de interés.

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AceleraciónEl último tipo de sensores internos que vamos a ver son los sensores para elcálculo de la aceleración. La aceleración es una variable interna del robot cuyovalor es utilizado para aplicaciones bastante concretas; no obstante existen unaserie de métodos y sensores para su cálculo.Al igual que ocurría con la velocidad, la primera manera que podemos pensarpara conocer la aceleración de un robot es derivar de la velocidad, de formaanáloga a como se puede conocer la velocidad a partir de la posición. Sinembargo, este sistema no suele aportar demasiados buenos resultados. Es poresto que también existen sensores especializados en el cálculo de laaceleración. La mayoría de ellos se basan en la segunda ley de Newton, deforma que si conocemos la masa del robot y la fuerza que está ejerciendo undeterminado motor podríamos conocer la aceleración. Vamos a ver dosdispositivos concretos para el cálculo de la aceleración.

Servo-acelerómetro

Este es un dispositivo para medir la aceleración angular. El dispositivocuya aceleración de giro vamos medir se conecta a un péndulo. Cuandogira dicho elemento el péndulo lo hace con él. Un sensor de posicióncapta el movimiento del péndulo y mediante un circuito electrónico secompara la señal del sensor de posición con una señal de referencia.Entonces un motor de rotación aplica una fuerza al péndulo determinadapor ese circuito electrónico y que hace girar al péndulo en sentidoopuesto al del elemento. La posición en la que se detiene el péndulo esproporción a la aceleración inicial aplicada.

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Estos sensores pueden medir aceleraciones de hasta 1000 radianes porsegundo al cuadrado y con precisiones muy elevadas.

Acelerómetro piezo-resistivo

Este dispositivo consta de una masa en forma de travesaño y dosmedidores de tensión. La masa está introducida en un receptáculo ytiene situados arriba y abajo los dos medidores. Cuando se produce unaaceleración en el elemento a medir (que estará unido de alguna forma aesa masa) la pieza en forma de travesaño se dobla y los con losmedidores de tensión se podrá calcular la aceleración que ha provocadoesa torsión. Realmente uno de los medidores se usa para la tensión yotro para la compresión.

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Sensores de desplazamiento.

Es quizás el tipo de sensor más antiguo y de uso común, utiliza un mecanismopara medir la expansión o contracción de un cierto material.

Un sensor de desplazamiento se encarga de cuantificar los desplazamientos deobjetos, la velocidad y aceleración de los mismos.

Todo sistema sensor responde a un principio físico, químico o biológico quepermite su funcionamiento. Por ende, todo sistema sensor tendrá limitacionesque serán inherentes a sus principios. Una de tales limitaciones es la precisión

Las ventajas de este tipo de sensos son el bajo costo de fabricación y esaltamente inmune a la contaminación. Las desventajas son la tendencia a ladescalibración en el tiempo y los efectos de histéresis significativos.

Estado Real del Sensor de Desplazamiento.

Indica la posición real del sensor de desplazamiento, es útil para lograrposicionar el sensor de manera adecuada para iniciar las mediciones.Ubicarlo en una zona media del rango total mostrado; para que cualquieraque sea el sentido del movimiento, el sensor pueda tener la capacidad deacompañar ese movimiento.

Ejemplos de sensores de desplazamiento:

- Captadores a galgas extensometricas.Rangos de medida: +/- 5 a +/- 500 mm

- Captadores potenciométrico.Rango de medida: 0-500 mm a 0-5.000 mm

- Captadores de desplazamiento sin contacto.Corrientes de FoucaultRangos de medida:0,5 mm a 4.2 mm

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• - Captadores de desplazamiento inductivos.Rangos de medida: +/- 0.25 a +/- 600 mm

Bibliografía.http://www.monografias.com/trabajos10/humed/humed.shtml

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http://www.monografias.com/trabajos10/humed/humed.shtml

Documents

Clasificacion de Los Sensores.pdf