Sistema Integrador Ciencia y tecnología sensores

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SENSORES

Son dispositivo con la capacidad de detectar el alcance, la proximidad y el contacto de las diversas variables físicas de los objetos como energía, velocidad, aceleración, tamaño y cantidad, con el fin de convertir la medición de estas variables en una señal eléctrica, ya sea, binaria, analógica o digital.

Figura 1. Sensores

Analogía con órganos de los sentidos

Los cinco sentidos (olfato, gusto, oído, vista y tacto) en los seres humanos son los encargados de tomar decisiones a las respuestas de los estímulos del medio.

Los sentidos transmiten al cerebro qué condiciones pueden afectar el cuerpo y poder tener control sobre el comportamiento normal de los órganos para que el sistema humano funcione adecuadamente.

Los sensores son entonces, dispositivos que cumplen una función análoga a los cinco sentidos del cuerpo.

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Características de un sensor

Entre las características técnicas de un sensor destacan las siguientes:

• 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: relación entre la variación de la magnitud de 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.

• Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.

Vista

Olfato

Oido

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Criterios de selección

Para seleccionar un sensor se deben tener en cuenta las variables físicas a sensar: Magnitud a medir

• Margen de medida • Resolución • Exactitud deseada • Estabilidad • Ancho de banda • Tiempo de respuesta • Magnitudes interferentes

Características de alimentación

• Tensión • Corriente • Potencia disponible • Estabilidad • Frecuencia

Características de salida

• Sensibilidad • Tipo: tensión, corriente, frecuencia • Impedancia • Forma de señal: Unipolar, flotante, diferencial • Destino: presentación analógica, conversión

digital

Características ambientales

• Sensibilidad • Tipo: tensión, corriente, frecuencia • Impedancia • Forma de señal: Unipolar, flotante, diferencial • Destino: presentación analógica, conversión

digital

Otros factores

• Peso • Dimensiones • Vida media • Costo de adquisición • Disponibilidad • Tiempo de instalación • Situación en caso de fallo • Costo de mantenimiento

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Clasificación según señal de salida

Los sensores se pueden clasificar según su señal de salida en: analógicos, binarios y digitales.

• Binarios

Entregan una señal de encendido (ON) y apagado (OFF) al detectar un cambio en el fenómeno físico brindando la posibilidad de abrir o cerrar algún tipo de circuito, el cual sensa el contacto con el elemento.

Ejemplos de sensores binarios:

Sensores finales de carrera:

Figura 2. Sensores finales de carrera: Roldana y microswitch

Figura 3. Sensor capacitivo

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• Digitales

Son aquellos que dan como salida una señal codificada en forma de pulsos o en forma de palabra digital en cualquier tipo de sistema, codificación binaria, BCD, entre otros.

Ejemplos de sensores digitales:

Figura 4. Sensor de presión con lectura digital

Figura 5. Termostato digital

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• Analógicos

Son aquellos que dan como salida un valor de tensión o corriente variable en forma continua dentro del campo de medida. Algunos rangos de salida son: de 0 a 10V, de -5 a 5V, de 4 a 20mA.

Ejemplos de sensores analógicos.

Figura 6. Sensor de proximidad

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Tipos de Sensores

Sensor de Presencia o Proximidad Inductivo: utilizan medios magnéticos para detectar la presencia de un objeto. Se emplean habitualmente para detectar materiales férricos. La amplitud de la salida permite un control todo o nada (on-off). Por medio de los sensores de proximidad inductivos, solo pueden detectarse materiales conductores de electricidad.

Capacitivo: El principio de funcionamiento de un sensor de proximidad capacitivo, está basado en la medición de los cambios de capacitancia eléctrica de un condensador en un circuito resonante RC, ante la aproximación de cualquier tipo de material. En un sensor de proximidad capacitivo, entre un electrodo “activo” y uno puesto a tierra, se crea un campo electrostático disperso.

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Sensor Óptico de Barrera Detecta objetos de material opaco, que interrumpen el haz de luz a través de una plataforma de transporte. Constantemente se encuentra activo y se desactiva cuando se detecta el objeto. Su alcance puede llegar hasta 1,5 km. Lo componen dos elementos: un diodo láser que emite de forma permanente un haz de luz que se convierte por la lente de proyección en un haz paralelo y un receptor, normalmente un fototransistor, el cual recibe el haz de luz y lo convierte en una señal eléctrica que es amplificada para obtener la salida.

Sensor Final de Carrera Detecta objetos que mueven la palanca. Tiene diferentes posiciones de activación lateral y de presión. Es usado para detectar la proximidad de objetos al final de un recorrido o como interruptor de corriente eléctrica de un circuito.

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Sensor de luminosidad LDR Detecta radiación luminosa. En presencia de luz, el sensor cambia su resistencia eléctrica inversamente (a mayor luz, menor resistencia). Algunas de las aplicaciones donde podemos emplearlas son: en el control de circuitos con relés, en la construcción de alarmas, en la automatización de los sistemas de iluminación, de forma que al oscurecer se enciendan las luces.

Sensor Ultrasonido Su elemento principal es un transductor electro acústico. Este elemento, en primer lugar, emite unas ondas ultrasónicas; a continuación pasa a modo de espera, en el que, durante un cierto tiempo, espera la vuelta de las ondas reflejadas en algún objeto. Si las ondas llegan, quiere decir que hay algún objeto en las proximidades.

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Panel Solar Los paneles fotovoltaicos están formados por numerosas celdas que convierten la energía solar en energía eléctrica. Estas celdas dependen del efecto fotovoltaico para transformar la energía del Sol y hacer que una corriente pase entre dos placas con cargas eléctricas opuestas. Está compuesta por varias células fotovoltaicas, cada una de ellas produce entre 0,4 y 0,5 V. Al conectarse en serie conseguimos el voltaje deseado. El voltaje resultante es el producto de la cantidad de luz solar que incide sobre las células fotovoltaicas. La celda fotovoltaica tiene dos bornes de conexión con polaridad fija.

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Sensor Fibra Óptica Detecta la proximidad a la zona de detección de objetos metálicos conductores de electricidad tales como: acero, níquel, latón, aluminio y cobre. Se utiliza en máquinas de mecanizado de metales, en sistemas de selección de metales reciclados, entre otros. Está constituido por un emisor láser y un circuito receptor cuyo componente principal es un fototransistor.

Sensor de Velocidad Los sensores de velocidad de rotación y de velocidad lineal miden el ángulo descrito o el espacio recorrido por unidad de tiempo. La aplicación más común de estos sensores es en el campo automotriz.

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Sensor de Aceleración (Acelerómetro) Es un dispositivo que mide la aceleración y las fuerzas inducidas por la gravedad. Esto quiere decir que nos permite detectar el movimiento y el giro del objeto en el cual se encuentre este sensor.

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Sensor Campo Magnético

Estos dispositivos reaccionan frente a un campo magnético en sus alrededores basándose en el principio del Efecto Hall, que recibe el nombre de su descubridor: Edwin Duntey Hall.

El efecto Hall consiste en la aparición de un campo eléctrico en un conductor cuando es atravesado por un campo magnético. A este campo eléctrico se le llama campo Hall.

Cuando por una placa metálica circula una corriente eléctrica y ésta se halla situada en un campo magnético, se desarrolla en la placa un campo eléctrico transversal.

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Sensor de Humedad Humedad: Al entrar en contacto directo con el ambiente, envían una señal eléctrica que cambia con el estado de humedad, midiendo la presión parcial del vapor de agua en el gas de que se trate y la presión de saturación del vapor, a una temperatura dada y es expresada como un porcentaje.

Sensor de PH-metro Es un sensor utilizado para medir el pH de una disolución. El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una solución. Un PH – metro consiste en un par de electrodos, uno de calomel (mercurio, cloruro de mercurio) y otro de vidrio, sumergidos en la disolución en la que queremos encontrar el Ph, y un tablero que muestra la medición.

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Sensor de Gas (Metano) Sirve para detectar concentraciones de gas metano o natural en el ambiente, por encima del límite permitido. Este sensor se ubica dentro de equipos para el corte o accionamiento de una alarma sonora, se utiliza tanto en hogares como en industrias debido a los múltiples controles que se deben tener con las instalaciones debido al poder calórico del gas metano o natural.

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Sensor de Corriente Son dispositivos electrónicos aptos para el sensado de corriente alterna en sistemas de medición , control y circuitos de protección, son utilizados en las plantas de purificación de agua, en el análisis de suelos y a nivel laboratorio para medir el nivel de salinidad de la misma.

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Sensor de Presión (Barómetro) Dispositivo electrónico que al deformarse físicamente por la acción de una presión de un gas, genera una señal eléctrica proporcional a la presión ejercida sobre él. Sistema de control de la presión de los neumáticos de un automóvil. Estos recogen la información, relacionada con la presión y la envían a la unidad electrónica, y para presentarla en pantalla.

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Sensor de Temperatura RTD Este sensor detecta temperatura gracias a la variación de resistencia del elemento sensible. Su rango de medición está entre -40°C y 260°C. Uno de los usos es la detección de temperatura dentro de un líquido.