Sensores

Sistemas Programables | Tipos de sensores

29 DE AGOSTO DE 2015

ÍndiceIntroducción.........................................................................................................................2

Objetivo................................................................................................................................2

Justificación.........................................................................................................................2

Marco teórico...................................................................................................................... 2

Sensor de temperatura......................................................................................................2

Características................................................................................................................3

Tipos.................................................................................................................................3

Termopares..................................................................................................................3

RTD...............................................................................................................................4

Termistor...................................................................................................................... 5

Sensor de presión..............................................................................................................6

Unidades de Medida...................................................................................................6

Columna de Líquido....................................................................................................7

Sensor Diferencial.......................................................................................................8

Sensor óptico......................................................................................................................8

Tipos de sensores ópticos.............................................................................................9

Funcionamiento.............................................................................................................12

Características.............................................................................................................. 13

Sensor de proximidad......................................................................................................13

Conclusión.........................................................................................................................16

Bibliografía.........................................................................................................................17

IntroducciónEn la actualidad, en un mundo tan avanzado y envuelto en la tecnología, el uso de

dispositivos electrónicos es mucho más común, la mayor parte del tiempo, no

reaccionamos, o nos detenemos a pensar, observar, y analizar las herramientas

y/o dispositivos que usamos a diario por pequeños o grandes que estos sean, su

uso y razón de existir son de importancia en los varios dispositivos tecnológicos

actuales.

ObjetivoEn el presente documento, se hace mención y se describe lo que es un sensor,

sus diferentes tipos, características y su funcionamiento.

Así mismo se trata de explicar el uso e importancia de los diferentes sensores y su

funcionalidad y en los dispositivos donde se emplean.

JustificaciónEn esta investigación se puede observar la definición de cada uno de los sensores

que se mencionan, así como los tipos de sensores existentes, cuales son las

características de cada uno de ellos, su funcionamiento y cómo podemos

utilizarlos.

Marco teóricoUn 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, movimiento, pH, etc. 

Sensor de temperaturaLos sensores de temperatura son dispositivos que transforman los cambios de

temperatura en cambios en señales eléctricas que son procesados por equipo

eléctrico o electrónico.

Características

El sensor de temperatura, típicamente suele estar formado por el elemento sensor,

de cualquiera de los tipos anteriores, la vaina que lo envuelve y que está rellena

de un material muy conductor de la temperatura, para que los cambios se

transmitan rápidamente al elemento sensor y del cable al que se conectarán el

equipo electrónico.

Tipos

Hay tres tipos de sensores de temperatura, los termistores, los RTD y los

termopares.

Termopares

Es un instrumento de medida cuyo principio de funcionamiento es el efecto termoeléctrico.

Un material termoeléctrico permite transformar directamente el calor en

electricidad, o bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica.

Funcionamiento

El termopar genera una tensión que está en función de la temperatura que se está

aplicando al sensor. Midiendo con un voltímetro la tensión generada, conoceremos

la temperatura.

Un termopar se crea cuando dos metales diferentes se juntan y el punto de

contacto produce un pequeño voltaje de circuito abierto como una función de

temperatura. Puede usar este voltaje termoeléctrico, conocido como voltaje

Seebeck para calcular la temperatura. Para pequeños cambios en temperatura, el

voltaje es aproximadamente lineal:

Puede escoger entre diferentes tipos de termopares asignados con letras

mayúsculas que indican su composición de acuerdo al American National

Standards Institute (ANSI).

Tipos de termopares

Los tipos de termopares más comunes incluyen B, E, K, N, R, S y T.

Características

Los termopares tienen un amplio rango de medida, son económicos y están muy

extendidos en la industria.

RTD

Figura 2. Los RTDs están hechos de bobinas de metal y pueden medir temperaturas hasta 850 °C.

Un RTD es un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de

un conductor con la temperatura.

Los metales empleados normalmente como RTD son platino, cobre, niquel y

molibdeno. De entre los anteriores, los sensores de platino son los más comunes

por tener mejor linealidad, más rapidez y mayor margen de temperatura.

Funcionamiento

Un RTD de platino es un dispositivo hecho de bobinas o películas de metal (platino

generalmente). Al calentarse, la resistencia del metal aumenta; al enfriarse, la

resistencia disminuye. Pasar corriente a través de un RTD genera un voltaje en el

RTD. Al medir este voltaje, usted puede determinar su resistencia y por lo tanto, su

temperatura. La relación entre la resistencia y la temperatura es relativamente

lineal.

Características

Generalmente, los RTDs tienen una resistencia de 100 Ω a 0 °C y pueden medir

temperaturas hasta 850 °C.

Termistor

Los termistores son sensores de temperatura resistivos donde la el elemento

sensor cambia su resistencia de acuerdo con las variaciones de temperatura.

Tipos de termistores

Existen dos tipos de termistor, aquellos cuya resistencia aumenta en función de la

temperatura, también llamados PTC (Positive Temperature Coefficient) y aquellos

cuya resistencia disminuye conforme aumenta la temperatura, llamados NTC

(Negative Temperature Coefficient).

Figura 3. Pasar corriente a través de un termistor genera un voltaje proporcional a la temperatura.

Funcionamiento de un termistor

Un termistor es una pieza de semiconductor hecha de óxidos de metal que están

comprimidos en una pieza, disco, oblea u otra forma y son sometidos a altas

temperaturas. Por último son cubiertos con epoxi o vidrio. Al igual que con los

RTDs, usted puede pasar una corriente a través de un termistor para leer el voltaje

en el termistor y determinar su temperatura. Sin embargo, a diferencia de los

RTDs, los termistores tienen más alta resistencia (2,000 a 10,000 Ω) y una

sensibilidad mucho más alta (~200 Ω/°C), permitiéndoles alcanzar más alta

sensibilidad en un rango de temperatura limitado (hasta 300 °C).

Sensor de presiónLa presión es una fuerza que ejerce sobre un área determinada, y se mide en

unidades de fuerzas por unidades de área. Esta fuerza se puede aplicar a un

punto en una superficie o distribuirse sobre esta. Cada vez que se ejerce se

produce una deflexión, una distorsión o un cambio de volumen o dimensión. Las

mediciones de presión pueden ser desde valores muy bajos que se consideran un

vacío, hasta miles de toneladas de por unidad de área.

Los principios que se aplican a la medición de presión se utilizan también en la

determinación de temperaturas, flujos y niveles de líquidos. Por lo tanto, es muy

importante conocer los principios generales de operación, los tipos de

instrumentos, los principios de instalación, la forma en que se deben mantener los

instrumentos, para obtener el mejor funcionamiento posible, cómo se debe usar

para controlar un sistema o una operación y la manera como se calibran. Para

medir la presión se utilizan sensores que están dotados de un elemento sensible a

la presión y que emiten una señal eléctrica al variar la presión o que provocan

operaciones de conmutación si esta supera un determinado valor límite.

Es importante tener en cuenta la presión que se mide, ya que pueden distinguirse

los siguientes tipos:

Presión absoluta

Presión diferencial

Sobrepresión.

Unidades de Medida

En el sistema internacional de medidas, está estandarizada en Pascales. En los

países de habla inglesa se utiliza PSI La equivalencia entre la unidad de medida

inglesa y la del sistema internacional de medidas resulta:

1PSI = 6.895kPascal

Tabla de conversiones

Columna de Líquido

Es el instrumento de medición de presión más antiguo, y de los más exactos en

los rango de alcance 500[Pa] a 200[kPa]. La selección de la configuración de la

columna y del fluido manométrico permite la medición de todos los tipos de

presión. La ventajas de éste instrumento es su versatilidad.

La ecuación que rige la medición de presión con este tipo de columnas es:

p1 = ρgh + p2

Si la columna de fluido en el nivel superior está abierta a la atmósfera (p2 =

presión barométrica) tendremos que p1 es una presión relativa. Si la columna es

sometida a vacío (p2 es cero absoluto), entonces p1 es la presión absoluta

(teniéndose un barómetro).

El manómetro en forma de "U" conforma, según se especificó, un sistema de

medición más bien absoluto y no depende, por lo tanto, de calibración. Esta

ventaja lo hace un artefacto muy común. Su desventaja principal es la longitud de

tubos necesarios para una medición de presiones altas y, desde el punto de vista

de la instrumentación de procesos, no es trivial transformarlo en un sistema de

transmisión remota de información sobre presión.

Sensor Diferencial

Los sistemas discutidos antes, para medición de Presión (Bourdon, Tubos en "U"

de líquidos de alta densidad, miden, en general, la presión relativa a la presión

atmosférica (si bien tanto P1 como P2 en el manómetro en "U" podrían ser parte

de un proceso). A menudo es necesario conocer la presión relativa entre dos

puntos; tales sistemas se conocen como sensores (o manómetros) de presión

diferencial.

Sensor ópticoCuando hablamos de sensores ópticos nos referimos a todos aquellos que son

capaces de detectar diferentes factores a través de un lente óptico. Para que

podamos darnos una idea de lo que nos referimos, debemos decir que un buen

ejemplo de sensor óptico es el de los mouse de computadora, los cuales mueven

el cursor según el movimiento que le indicamos realizar.

Tipos de

sensores ópticos Cilíndricos

o Esta familia de Sensores de la línea Visolux contiene 7 series con un

amplio rango de versiones en distintos tamaños y alcances. Todos

están disponibles en versiones para detección directa o por barrera.

o Serie KT9: Ø 4mm, alcance 0–250 mm (como barrera) y 0–50 mm

(detección directa). Versiones con conector o cable.

o Serie KT 10?: alcance 0–500 mm (barrera) y 0–80 mm (detección

directa). Conexión con cable. Disponible en versiones con supresión

de fondo. Cuerpo roscado M4.

o Serie KT 11?: alcance 0–250 mm (barrera) y 0–50 mm (detección

directa). Versiones con conector y cable. Convertidor de señal

incorporado. Cuerpo roscado M4. Disponible con lente de cristal

resistente a ralladuras y ataques de sustancias químicas.

o Serie GLV 12?: alcance de 0–5 m (barrera), 0–2 m (con espejo) y 0–

200 mm (detección directa). Versiones con conector y cable. Luz roja

visible para una fácil alineación. Cuerpo roscado M12.

o Serie VL 18?: alcance 0–15 m (barrera), 0–4 m (con espejo) y 0–400

mm (detección directa). Conector M12. Luz roja visible para una fácil

alineación. Cuerpo roscado M12. Versiones con salida de luz directa

y con salida de luz lateral. Disponible en versiones con supresión de

fondo.

o Serie 18GM: alcance 0–5 m (barrera), 0–3 m (con espejo) y 0–200

mm (detección directa). Versiones con cable o conector. Disponible

en versiones con supresión de fondo. Cuerpo roscado M18.

o Serie GLV 30: alcance 20–2.500 mm (detección directa). Conector

M12. Disponible en versiones con supresión de fondo. Cuerpo

roscado M30.

Rectangulares

Series 28, 32 y 39. Comprende 16 series, cada una con distinto formato

físico y diversas prestaciones. Algunas series ofrecen modelos aptos para

parametrización programable y sistemas de autoaprendizaje. Existen

versiones para detección directa, para detección por barrera y para

detección mediante espejo. Estos sensores ofrecen protección ambiental IP

65 o IP 67, carcaza de aluminio o de plástico reforzado, circuito de control

incorporado y están disponibles con alcances que van desde 0–2,5 m hasta

0–35 m.

o Serie 28

• Extensa gama de sensores

• Indicadores LED de alta luminosidad de encendido y de preavería

• Fijación de cola de milano y taladros pasantes

• Regulador de la sensibilidad y conmutador claro/oscuro de serie

• Insensible a la luz ambiente incluso en lámparas de ahorro

energético

o Serie 32

• Diseño estrecho, especial para la técnica de almacenaje y

transporte

• Condiciones ópticas muy elevadas

• Cubierta óptica de vidrio resistente al rayado y a disolventes

o Serie 39

• Excelentes condiciones ópticas

• Indicación y salida de preavería

• Funciones de tiempo programable.

• Certificado AS-interfase

• Serie Vari Kont? L2

• Variantes ópticas, filtro polarizado-Réflex y detección directa

• Cabeza censora orientable a 2 niveles

• Panel plástico muy resistente

• Sensores Ópticos Serie MLV 12

Una familia que incluye 5 clases, cada una con el mismo formato físico y diversas

prestaciones. Comprenden versiones de detección por espejo, detección directa,

detección de objetos transparentes, barreras con emisor y receptor separado y

versiones para aplicaciones de seguridad personal. Estos sensores ofrecen

protección ambiental IP 67, carcaza con marco de fundición y cuerpo de plástico

inyectado, y sus múltiples ranuras y agujeros de montaje son compatibles con la

mayoría de los accesorios de montaje existentes en el mercado. Su diseño

innovador permite una alta resistencia ambiental IP 67, al mismo tiempo que

asegura gran resistencia mecánica. Los conectores son rotativos en 90. Las

versiones programables mediante no requieren software ni accesorios adicionales,

todos los ajustes se realizan mediante los botones en la carcasa.

De tipo horquilla

Desarrollados para aplicaciones muy específicas en ciertas industrias

como:

o Detección del correcto pegado de etiquetas.

o Detección de velocidad de avance.

o Detección de partes pequeñas en zonas de alimentación de

piezas.

o Control de calidad de bordes en la fabricación de cintas

continúas.

o Monitoreo del flujo de material.

Detección de marcas de impresión

Sensores especialmente diseñados para detectar cualquier tipo de marca

de impresión. Versión Scanner Láser para marcas muy pequeñas. La

electrónica incorporada permite la selección automática del color de la luz

transmitida (rojo, verde, azul) para garantizar detección aun con contraste

reducido.

FuncionamientoEl funcionamiento de los sensores ópticos consiste en la emisión y recepción de

luz, se basa en el aprovechamiento de la interacción entre la luz y la materia para

determinar las propiedades de ésta. Tanto en el emisor como en el receptor se

encuentran en el mismo encapsulado, y en ambos son colocadas pequeñas lentes

ópticas que permiten concentrar el haz de luz, de modo que cuando un objeto

refleja el haz de luz, el receptor con detecta.

En base a esto, las pantallas táctiles mediante sensores ópticos, disponen de una

red de sensores que permiten obtener la posición de varios puntos de contacto

sobre ella de manera simultánea, por lo que las pantallas que incorporan sensores

ópticos, tienen la función multitáctil.

Los sensores ópticos detectan la presencia de una persona o de un objeto que

interrumpen el haz de luz que llega al sensor. Los principales sensores ópticos son

las fotorresistencias, las LDR.

LDR: (Light Dependent Resistor) o Resistencia dependiente de la luz o también

fotocélula, es una resistencia que varía su resistencia en función de la luz que

incide sobre su superficie. Cuanto mayor sea la intensidad de la luz que incide en

la superficie del LDR menor será su resistencia y cuanto menos luz incida mayor

será su resistencia.

Se emplean en iluminación, apagado y encendido de alumbrado (interruptores

crepusculares), en alarmas, en cámaras fotográficas, en medidores de luz. Las de

la gama infrarroja en control de máquinas y procesos de contaje y detección de

objetos, suelen ser muy útiles en robótica para regular el movimiento de los robots

y detener su movimiento cuando van a tropezar con un obstáculo o bien disparar

alguna alarma. También sirven para regular la iluminación artificial en función de la

luz natural.

Una mejora de los dispositivos sensores, comprende la utilización de la fibra óptica

como elemento de transmisión de la luz.

CaracterísticasLos sensores ópticos, presentan importantes ventaja cuando lo que se desea

es determinar propiedades físicas o químicas:

Es un método no destructivo y no invasivo.

Ofrece posibilidades de integración en sistemas más complejos.

Bajo coste y tecnología bien establecida.

Posibilidades de control a distancia de lugares poco accesibles

físicamente.

Capacidad de conformar redes espaciales de sensores para el

control de parámetros en grandes superficies.

Sensor de proximidadEl sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se

encuentran cerca del elemento sensor. Existen varios tipos de sensores de

proximidad según el principio físico que utilizan, entre los se encuentran:

Sensor capacitivo.

Sensor inductivo.

Sensor fin de carrera.

Sensor infrarrojo.

Sensor ultrasónico.

Sensor magnético.

Sensor capacitivo

La función del detector capacitivo consiste en señalar un cambio de estado,

basado en la variación del estímulo de un campo eléctrico. Los sensores

capacitivos detectan objetos metálicos, o no metálicos, midiendo el cambio en la

capacitancia, la cual depende de la constante dieléctrica del material a detectar, su

masa, tamaño, y distancia hasta la superficie sensible del detector. Los detectores

capacitivos están construidos en base a un oscilador RC. Debido a la influencia

del objeto a detectar, y del cambio de capacitancia, la amplificación se incrementa

haciendo entrar en oscilación el oscilador. El punto exacto de ésta función puede

regularse mediante un potenciómetro, el cual controla la realimentación del

oscilador.

La distancia de actuación en determinados materiales, pueden por ello, regularse

mediante el potenciómetro. La señal de salida del oscilador alimenta otro

amplificador, el cual a su vez, pasa la señal a la etapa de salida. Cuando un objeto

conductor se acerca a la cara activa del detector, el objeto actúa como un

condensador. El cambio de la capacitancia es significativo durante una larga

distancia. Si se aproxima un objeto no conductor, (>1) solamente se produce un

cambio pequeño en la constante dieléctrica, y el incremento en su capacitancia es

muy pequeño comparado con los materiales conductores.

Sensor inductivo

Los sensores inductivos de proximidad han sido diseñados para trabajar

generando un campo magnético y detectando las pérdidas de corriente de dicho

campo generadas al introducirse en él los objetos de detección férricos y no

férricos. El sensor consiste en una bobina con núcleo de ferrita, un oscilador, un

sensor de nivel de disparo de la señal y un circuito de salida. Al aproximarse un

objeto "metálico" o no metálico, se inducen corrientes de histéresis en el objeto.

Debido a ello hay una pérdida de energía y una menor amplitud de oscilación. El

circuito sensor reconoce entonces un cambio específico de amplitud y genera una

señal que conmuta la salida de estado sólido o la posición "ON" y "OFF". El

funcionamiento es similar al capacitivo; la bobina detecta el objeto cuando se

produce un cambio en el campo electromagnético y envía la señal al oscilador,

luego se activa el disparador y finalmente al circuito de salida hace la transición

entre abierto o cerrado.

Sensor fin de carrera

El final de carrera o sensor de contacto (también conocido como "interruptor de

límite") o limit swicht, son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados

al final del recorrido de un elemento móvil, como por ejemplo una cinta

transportadora, con el objetivo de enviar señales que puedan modificar el estado

de un circuito. Internamente pueden contener interruptores normalmente abiertos

(NA), cerrados (NC) o conmutadores dependiendo de la operación que cumplan al

ser accionados. Generalmente estos sensores están compuestos por dos partes:

un cuerpo donde se encuentran los contactos y una cabeza que detecta el

movimiento. Su uso es muy diverso, empleándose, en general, en todas las

máquinas que tengan un movimiento rectilíneo de ida y vuelta o sigan una

trayectoria fija, es decir, aquellas que realicen una carrera o recorrido fijo, como

por ejemplo ascensores, montacargas, robots, etc.

Sensor infrarrojo

El receptor de rayos infrarrojos suele ser un fototransistor o un fotodiodo. El

circuito de salida utiliza la señal del receptor para amplificarla y adaptarla a una

salida que el sistema pueda entender. La señal enviada por el emisor puede ser

codificada para distinguirla de otra y así identificar varios sensores a la vez esto es

muy utilizado en la robótica en casos en que se necesita tener más de un emisor

infrarrojo y solo se quiera tener un receptor.

Los sensores infrarrojos pueden ser:

Sensor infrarrojo de barrera: Las barreras tipo emisor-receptor están compuestas

de dos partes, un componente que emite el haz de luz, y otro componente que lo

recibe. Se establece un área de detección donde el objeto a detectar es

reconocido cuando el mismo interrumpe el haz de luz. Debido a que el modo de

operación de esta clase de sensores se basa en la interrupción del haz de luz, la

detección no se ve afectada por el color, la textura o el brillo del objeto a detectar.

Estos sensores operan de una manera precisa cuando el emisor y el receptor se

encuentran alineados. Esto se debe a que la luz emitida siempre tiende a alejarse

del centro de la trayectoria.

Sensor auto réflex: La luz infrarroja viaja en línea recta, en el momento en que un

objeto se interpone el haz de luz rebota contra este y cambia de dirección

permitiendo que la luz sea enviada al receptor y el elemento sea censado, un

objeto de color negro no es detectado ya que este color absorbe la luz y el sensor

no experimenta cambios.

Sensor réflex: Tienen el componente emisor y el componente receptor en un solo

cuerpo, el haz de luz se establece mediante la utilización de un reflector

catadióptrico. El objeto es detectado cuando el haz formado entre el componente

emisor, el reflector y el componente receptor es interrumpido. Debido a esto, la

detección no es afectada por el color del mismo. La ventaja de las barreras réflex

es que el cableado es en un solo lado, a diferencia de las barreras emisor-receptor

que es en ambos lados.

Sensor ultrasónico

Los sensores ultrasónicos tienen como función principal la detección de objetos a

través de la emisión y reflexión de ondas acústicas. Funcionan emitiendo un pulso

ultrasónico contra el objeto a censar, y al detectar el pulso reflejado, se para un

contador de tiempo que inicio su conteo al emitir el pulso. Este tiempo es referido

a distancia y de acuerdo con los parámetros elegidos de respuesta con ello manda

una señal eléctrica digital o analógica.

Sensor magnético

Los sensores de proximidad magnéticos son caracterizados por la posibilidad de

distancias grandes de la conmutación, disponible de los sensores con

dimensiones pequeñas. Detectan los objetos magnéticos (imanes generalmente

campos magnéticos pueden pasar a través de muchos materiales no magnéticos,

el proceso de la conmutación se puede también accionar sin la necesidad de la

exposición directa al objeto. Usando los conductores magnéticos (ej. hierro), el

campo magnético se puede transmitir sobre mayores distancias para, por ejemplo,

poder llevarse la señal de áreas de alta temperatura.

ConclusiónEl uso de sensores en la actualidad es mucho más común, práctico, sencillo y

recurrente cada vez más, ya sea en el ámbito científico, tecnológico, industrial o

demás. Sus usos y aplicaciones cada vez son más variados, extensos y

necesarios para desarrollar tecnología o herramientas del uso diario y común, por

lo mismo, se debe resaltar la importancia en cada una de sus aplicaciones y

manejos.

Bibliografía http://www.eosiberica.es/seccion/Sensores-opticos

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