SensoresLos sensores son herramientas tecnolgicas que registran cambios ambientales en funcin del tiempo o el tiempo que transcurre entre un hecho y otro. Los sensores analgicos miden variables tales como temperatura, luz, presin o humedad. Los sensores digitales miden si un interruptor est prendido o apagado y generalmente se usan para cronometrar o sealar acontecimientos. Estas herramientas tecnolgicas permiten recolectar y presentar datos en tiempo real. 1.1 pticos Los detectores pticos basan su funcionamiento en la emisin de un haz de luz que es interrumpido o reflejado por el objeto a detectar. Tiene mucha aplicaciones en al mbito industrial y son ampliamente utilizados.

1.1.1 Tipos Los sensores pticos se dividen en Sensores pticos lineales y de tipo barrera1.1.2 Funcionamiento Los sensores pticos estn conformados por las siguientes partes: - Fuente. - Receptor. - Lentes. - Circuito de salida.

Fuente (emisor): Origina un haz luminoso, usualmente con un LED, que puede tener un amplio rango en el espectro (incluyendo luz visible e infrarroja).Para la mayora de las aplicaciones se prefiere las radiaciones infrarrojas pues son las que mayor porcentaje de luz emiten y disipan menos calor. Los LEDs tipos visibles son muy tiles sobre todo para facilitar el ajuste de la operacin del sensor. Entre los LED de luz visible los LEDs de luz roja son los ms eficaces para esta aplicacin. En la figura 1 se muestra el diagrama de un LED y se observan sus partes.

Figura 1. Foto emisor.El haz con frecuencia es modulado con pulsos, ya que la modulacin presenta ventajas como son: mayor luminosidad en el haz, mayor vida til del LED, inmunidad del sensor a otras fuentes de luz que puedan interferir con la seal. Presenta la desventaja de reducir la respuesta en frecuencia del detector ptico. La figura 2 presenta los pulsos de alimentacin para la modulacin de un emisor.

Figura 2. ModulacinReceptor:Recibe el haz luminoso de la fuente, usualmente es un fotodiodo o un foto transistor. El foto sensor debe estar acoplado espectralmente con el emisor, esto significa que el fotodiodo o el foto transistor que se encuentra en el detector debe permitir mayor circulacin de corriente cuando la longitud de onda recibida sea igual a la del LED en el emisor. El receptor recibe los pulsos de luz en sincrona con el emisor, esto permite ignorar radiaciones provenientes de otras fuentes. Este tipo de recepcin sincrnica slo es posible cuando la fuente y el receptor estn en el mismo encapsulado. En el receptor, adems, existe un circuito asociado que acondiciona la seal antes de llegar al dispositivo de salida. En la figura 3 se observa una grfica que muestra como el LED infrarrojo tiene mayor eficacia que el LED visible rojo.

Figura 3. Longitud de onda.Lentes: Tienen la funcin de dirigir el haz de luz tanto en el emisor como en el receptor para restringir el campo de visin, esto trae como consecuencia aumentar la distancia de deteccin. El rea de la base del cono de haz emitido por el LED y el lente aumenta a mayor distancia. Utilizando un lente se puede generar un cono muy estrecho, lo que permitira darle ms alcance al sensor pero con el inconveniente de presentar mayor dificultad en el momento de alinearlo. Algunos detectores son diseados para tener un amplio campo de visin, esto permite detectar objetos grandes, pero a distancias relativamente cortas. La figura 4 presenta como propaga el campo de visin en presencia y ausencia del lente.

Figura 4. LentesCircuito de salida:Existen varios tipos de salidas discretas o digitales (se denominan as por tener dos estados y las ms comunes son: rel, NPN o PNP, TRIAC, MOSFET), analgicas y. En la figura 5 se muestra un diagrama de bloque de un sensor fotoelctrico con todas sus partes.

Figura 5. Diagrama de bloques de un sensor foto elctricoLa fuente de alimentacin suministra la potencia necesaria para el funcionamiento del detector, en el regulador de voltaje se ajustan y mantienen los niveles de tensin utilizados por el resto de los bloques del sensor. El generador de pulsos suministra al LED la seal modulada que permitir la emisin de un haz discontinuo de luz que al chocar con un objeto regresa al foto detector. La salida de foto detector es amplificada (note que la ganancia del amplificador puede ser cambiada para ajustar la sensibilidad) y luego es comparada con la frecuencia de pulsos para verificar que la seal recibida provenga del LED del detector, esto se hace en el integrador. El nivel de salida del integrador es chequeado en el detector de nivel de tal forma que la cantidad de luz recibida sea suficiente para activar o desactivar el sensor. En algunos sensores se puede colocar una lgica de tiempo opcional que permite introducir retardos para activar o retardos para desactivar la salida. Finalmente se encuentra el dispositivo de salida, para el diagrama de bloque de la figura 5, que corresponde a un sensor con salida discreta, este dispositivo puede ser un rel, un transistor NPN, un transistor PNP, un TRIAC, un FET o un MOSFET. La salida alimenta directamente a la carga que puede ser la entrada de un controlador lgico programable, la bobina de un rel, de un arrancador o de una vlvula solenoide, una luz piloto, o cualquier otro dispositivo de salida. 1.1.3 Caractersticas Cuando se disean sistemas de adquisicin de datos con computadora, hay aspectos a cerca de los sensores que es necesario tener en cuenta: - La naturaleza de la seal que el sensor transductor genera: voltaje, rango de amplitud, respuesta en frecuencia, precisin necesaria, determinan el tipo de acondicionamiento de seal, convertidor A/D y cualquier otro hardware a utilizar. - La influencia de las seales de ruido as como los efectos de carga del hardware de adquisicin de datos sobre el sensor.La calibracin del sensor con respecto a la variable fsica. Si la respuesta del sensor a los cambios de la variable fsica es lineal o no. Una calibracin mal hecha va a producir mediciones errneas. - La interdependencia entre los distintos componentes del sistema de adquisicin de datos, por ejemplo un sensor muy bueno, con un pobre convertidor A/D no sirve de casi nada. - La precisin del sensor, esto es la capacidad de medir el mismo valor repetidas veces en idnticas condiciones. - El tiempo de respuesta del sensor, es decir, el tiempo requerido para responder a un cambio brusco de la variable que est siendo sensada. - El coeficiente de temperatura del sensor, el cual viene dado por el cambio que se produce en la respuesta del sensor debido al cambio en la temperatura a la cual se encuentra, por ejemplo el aumento en las corrientes de fuga y el voltaje offset de un amplificador, el aumento de la corriente en la oscuridad de un fotodiodo. - La histrisis de un sensor, la cual se define como la dependencia de la salida del sensor de la respuesta anterior. Esta es muy comn en sistemas magnticos y mecnicos. Existen varias formas de clasificar los sensores, por ejemplo se pueden clasificar por el principio fsico de funcionamiento (inductivo, capacitivo, termoelctrico o resistivo etc.), por la variable fsica medida (temperatura, presin, posicin etc. por la capacidad de generar energa (activos) o de necesitar de un circuito de excitacin (pasivos).

1.1.4 Modo de comunicacin. Los sensores pticos se colocan en tres configuraciones diferentes estas son: Transmisin directa, reflexivo y difuso.

Transmisin directa o barrera: El emisor se coloca en frente del receptor y el objeto es detectado cuando pasa entre ambos. Esta configuracin tiene la ventaja de alcanzar grandes distancias de deteccin (hasta unos 270 m). Su principal desventaja se presenta durante la instalacin en campo de estos detectores ya que por estar separados el emisor y el detector los cables de alimentacin y seal que van hacia estos dispositivos no pueden ser los mismos al igual que los ductos o tuberas por donde el cable es tendido, esto trae e como consecuencia que la cantidad de cable y tubera que se utilizan con estos sensores sea mayor. La figura 6 muestra un sensor foto elctrico en configuracin de transmisin directa.

Figura 6. Modo transmisin directa El rea cnica de proveniente de la fuente de luz y el rea de deteccin frente al receptor es lo que se denomina campo de visin y el haz efectivo en la configuracin transmisin directa es igual al dimetro del lente (rea menor de la conicidad del campo de visin) como se muestra en la figura 7.

Figura 7. Haz efectivo en la transmisin directa

Si se necesita detectar objetos de menor tamao se puede reducir el dimetro de haz efectivo colocando unas aberturas en los lentes tanto del emisor como del receptor. La figura 8 ilustra cmo se puede reducir el haz efectivo.

Figura 8. Haz efectivo con aberturas

Esta configuracin (barrera) no es muy adecuada para la deteccin de objetos traslucidos o transparentes debido al alto margen con el que funciona, por esta razn, puede que estos tipos de objetos no sean detectados. El alto margen (mayor a 100x) de deteccin tambin lo hace ser la configuracin apta para ambientes muy contaminados. De barrera Reflexivo:El emisor y el receptor se colocan en el mismo sitio uno al lado del otro y enfrente de ellos se coloca una superficie reflexiva El haz de luz emitido choca contra el reflector para ser registrado por el receptor. La deteccin ocurre cuando pasa el objeto impidiendo el haz de luz llegue hasta el receptor. Esta configuracin, que es la de uso comn, tiene la ventaja de que el emisor y el receptor vienen en el mismo empaque y utilizan el mismo ducto para el cableado, pero las distancias de deteccin son varias veces menor que en la configuracin de transmisin directa. La figura 9 muestra un sensor ptico en configuracin reflexiva.

Figura 9. Modo ReflexivoLa superficie donde choca el haz est formada por reflectores especiales o cintas reflexivas diseadas para que el haz regrese al foto interruptor, an estando desalineado, y esto es una ventaja sobre el uso de espejos en donde el haz debe incidir de forma perpendicular.El tamao y construccin de estos reflectores influyen sobre la distancia mxima de deteccin, reflectores muy pequeos no reflejaran la misma cantidad de luz que uno de mayor tamao. La figura 10 presenta algunos ejemplos de materiales reflexivos.

Figura 10. Materiales reflexivosLos detectores de tipo reflexivo pueden presentar problemas cuando el objeto a detectar es muy brillante ya que el haz de todas formas llega al detector.En estos casos es muy til usar sensores reflexivos polarizados. Este tipos de detectores tienen un filtro en el emisor y otro, desfasado 90, en el receptor. Cuando el haz de luz polarizada choca con el receptor, ste despolariza el haz y el receptor deja pasar parte de la luz reflejada. Cuando el objeto brillante pasa frente al detector la luz se refleja pero sin despolarizase y el filtro colocado en el receptor impide que la luz pase lo que ocasiona que el objeto sea detectado. Los sensores polarizados tienen entre 30 y 40 % menos alcance que los sensores reflexivos sin polarizar. La figura 11 ilustra e funcionamiento de un sensor reflexivo polarizado. Para la deteccin de objetos trasparentes se utilizan sensores reflexivos polarizados con arreglos pticos que luego se optimizan con la ayuda de la electrnica del circuito y rutinas de software.

Figura 11. Reflexivo polarizado

Difuso o proximidad:Esta configuracin se parece a la reflexiva slo que sta no utiliza el espejo sino que el objeto a detectar es el que sirve de reflector. Para lograr que objetos poco brillantes puedan ser detectados, el haz de luz no se transmite en una sola direccin como en las configuraciones anteriores, sino que viaja en varias direcciones. Esta configuracin presenta la desventaja de tener muy corta distancia de deteccin, pero es muy til cuando es difcil acceder ambos lados de objeto. La figura 12 muestra el modo de deteccin difuso.

Figura 12. Modo difuso

Modos de comunicacin

1.2 Temperatura. Los sensores de temperatura son dispositivos que transforman los cambios de temperatura en cambios en seales elctricas que son procesados por equipo elctrico o electrnico.1.2.1 Tipos Entre los sensores ms comunes empleados para medir temperatura con instrumentacin electrnica se tienen: RTDs, termistores, sensores de circuito integrado (IC) y termocuplas o Termopares.1.2.2 Funcionamiento Detector de resistencia temperatura (RTD)

El detector de resistencia temperatura RTD, es uno de los sensores ms precisos de temperatura. Se caracteriza por su excelente estabilidad, usualmente es utilizado para medir temperaturas de 0 C a 450 C. La resistencia metlica es de alambres finos o de pelculas de metales. Su resistencia vara en forma directamente proporcional con la temperatura. Ellas son fabricadas de metales como cobre, plata, oro, tungsteno y nquel, no obstante el platino es el material ms comnmente usado. El platino presenta una excelente estabilidad y la ms alta resistividad con respecto a los otros metales. Entre las desventajas de las RTDs de platino (Pt100) se pueden mencionar: 1- su alto costo, por lo que hacer instrumentacin con ellas es caro; 2- debido a su baja resistencia (100 a 0 C) y sensibilidad (0.4 /C), los alambres de conexin es uno de los principales problemas, la va para minimizarlo es usar el esquema de medicin con 4 alambres; 3- En el sistema de medicin con 4 alambres, dos alambres llevan y traen la corriente proveniente de una fuente de corriente constante y otros dos alambres se emplean para la conexin del instrumento de medicin de voltaje, convertidor A/D en un sistema de adquisicin de datos por computadora.4- La corriente de excitacin constante produce una disipacin de potencia en la RTD, lo cual le genera calentamiento que incrementa adicionalmente su temperatura que no es posible de detectar cuando se hace la medicin de temperatura, una forma de reducir este error usar una corriente de excitacin lo ms pequea posible.

Termistor

Un termistor es un semiconductor hecho de dos xidos metlicos unidos dentro de una pequea bola, disco u otra forma y recubierto con epxido o vidrio.Hay dos clases de termistores los que presentan un coeficiente negativo de temperatura (CNT), cuya resistencia disminuye con la temperatura y coeficiente positivo con la temperatura (CPT) cuya resistencia aumenta con la temperatura. Los termistores CNT son los ms usados para medicin de temperatura. Valores comunes de termistores son 2252 , 5000 y 10000 . Un termistor de 5000 tiene aproximadamente una sensibilidad de 200 /C a la temperatura ambiente, comparada con 0.4 /C de la Pt100, la sensibilidad del termistor es bastante ms alta. Los termistores se pueden emplear para medir temperaturas hasta de 300 C. Debido a que los termistores tienen una resistencia alta, la resistencia de los conductores que llevan la corriente no afecta la exactitud de las mediciones. Mediciones con dos alambres es adecuado en circuitos con termistores. Ya que la resistencia es bastante alta, la corriente de excitacin debe ser pequea para evitar el auto calentamiento que afecte la exactitud de la medicin.Sensor de circuito integrado IC

Los sensores de circuito integrado se fundamentan en la caracterstica de la unin p-n de los semiconductores. Estn formados por circuitos integrados sobre un chip, el cual presenta una salida lineal y proporcional a la temperatura. Se consiguen sensores IC que presentan salidas en voltaje analgico y en forma digital. Por estar hechos a base de silicio, su rango de temperatura est limitado aproximadamente a los 150 C. Una de las principales ventajas de los sensores IC es su fcil interface. Entre las desventajas se tienen: el limitado rango de temperatura, la necesidad de alimentacin y el auto calentamiento.Termocuplas

El funcionamiento de una termocupla se basa en el principio fsico de la unin de dos alambres de metales diferentes que produce una diferencia de potencial en los dos extremos que no se encuentran en contacto que es funcin de la temperatura a la cual se encuentra la unin. Este principio se llama efecto Seebeck, en memoria a Thomas Seebeck quien lo descubri en 1821. El voltaje producido en la unin es no lineal con respecto a la temperatura, bastante pequeo (del orden delos milivoltios). Varios tipos de termocuplas existen. Ellas se identifican mediante letras maysculas que indican su composicin de acuerdo a las convenciones establecidas por el American National Standards Institute (ANSI). Por ejemplo una termocupla tipo J est hecha de la unin de cobre-constantan. Una diferencia fundamental entre los sensores de temperatura mencionados anteriormente y la termocupla es la necesidad que se tiene de una referencia para hacer mediciones absolutas con ella.Tradicionalmente la referencia ha sido 0C, lo cual se logra manteniendo la unin de referencia bajo hielo a 0C. Bajo estas condiciones, si la temperatura encuentra sobre 0C, un milivoltaje positivo aparece a la salida del circuito abierto de la termocupla; si es menor a 0C el milivoltaje de salida es negativo, y cuando la referencia y la unin en la cual se mide la temperatura estn a 0C la salida de la termocupla es de 0 milivoltios. Aunque este mtodo es bastante exacto, no es l ms prctico. Una manera ms prctica consiste en medir la temperatura de la unin de referencia, directamente con un sensor de temperatura, tal como un termistor o un sensor de circuito integrado IC. Este proceso de compensacin de la unin fra puede simplificarse aprovechando algunas de las caractersticas de las termocuplas.La termocupla es uno de los sensores ms populares para medir temperatura. A diferencia de los otros sensores de temperatura, ella no requiere de fuente de alimentacin ya que es auto generadora de potencia; son econmicas y fciles de construir debido a que son bsicamente la unin de dos alambres. Existe una variedad de ellas en el mercado en un amplio rango de temperaturas. Se identifican por letras siendo las ms populares J, K y T.1.2.3 Caractersticas

1.2.4 Modo de comunicacin. Detectores de resistencia metlica (RTD) Tpicamente una fuente de corriente constante de alta precisin se usa como fuente de excitacin de una RTD. Debido a que la resistencia de la RDT es pequea, la conexin de 4 alambres es la ms recomendada, para evitar el error introducido por la cada de voltaje en la resistencia de los conductores que transportan la corriente. En la figura se muestra esta conexin:

En esta conexin un par de conductores transmite la corriente de excitacin hasta la RTD, y otro par lleva el voltaje medido en la resistencia hasta el instrumento de medicin, acondicionamiento de seal y tarjeta de adquisicin de datos son necesarios para hacer instrumentacin virtual con RTD. La corriente de excitacin debe ser bastante pequea para evitar errores debido a auto calentamiento de la RTD. Igualmente ya sea a nivel del mdulo de acondicionamiento o de la TAD se requiere de un amplificador de instrumentacin de ganancia alta.Termistor Para alimentar un termistor, lo ms comn es usar una fuente de corriente constante. De manera alterna una fuente de voltaje y un circuito serie formado por el termistor y una resistencia de precisin para producir un divisor de voltaje. Ya que la resistencia del termistor es elevada (ej. 5000 ), conexiones de 4 alambres podran usarse pero no son necesarias para evitar los errores debidos a las resistencias de los alambres que conducen la corriente, como si ocurre en el caso de la RTD. Al igual que en la RTD la corriente de excitacin debe ser pequea para evitar errores por auto calentamiento del termistor y se debe emplear amplificador de instrumentacin con ganancia elevada.

Sensor de circuito integrado IC Todo sensor de circuito integrado IC necesita de fuente de alimentacin. Un sensor de IC, como el LM35, tiene sensibilidad de 10 mV/C. Se debe ser usar un amplificador con ganancia alta para conseguir la mejor resolucin. Los sensores de IC son susceptibles de auto calentamiento. Especial cuidado debe ser tomado durante el montaje del sensor sobre el objeto a sensar, de manera que pueda disipar el calor y evitar que el IC pueda calentarse ms que el objeto.Termocupla Ya que el voltaje generado por una termocupla es muy pequeo (50 V/C), se debe usar un amplificador con la ganancia lo ms alta posible. Adicionalmente se debe emplear un convertidor A/D con una alta resolucin para conseguir mejor resolucin a nivel del instrumento digital virtual. La termocupla tambin requiere como ya se mencion de un circuito de compensacin de la unin que se encuentra a la temperatura de referencia, el cual incluye a un sensor que puede ser un termistor o un sensor de circuito integrado IC con su respectivo circuito elctrico.

1.3 Presin. Los sensores de presin son pequeos, fiables y de bajo coste. Ofrecen una excelente repetitividad y una alta precisin y fiabilidad bajo condiciones ambientales variables. Adems, presentan unas caractersticas operativas constantes en todas las unidades y una intercambiabilidad sin recalibracin. Sensores de Control le ofrece cuatro tipos de sensores de medicin de presin: absoluta, diferencial, relativa y de vaco y rangos de presin desde 1,25 kPa a 17 bar.1.3.1 Tipos

1.3.2 Funcionamiento 1.3.3 Caractersticas 1.3.4 Modo de comunicacin.

1.4 Proximidad. Un sensor de proximidad es un dispositivo que detecta objetos sin necesidad de tener contacto fsico con ellos. El sensor emite un campo u onda electromagntica y la deteccin se logra registrando los cambios en ese campo.Los sensores de proximidad se utilizan normalmente en casi todos los aspectos de la industria de la automatizacin. Existen brazos robticos que pueden detectar el material en su zona de trabajo, edificios con puertas automticas, y dispositivos electrnicos, como ciertos telfonos mviles cuyas pantallas se apagan al detectar que la oreja del usuario se encuentra cerca del aparato.

1.4.1 Tipos Los sensores de proximidad se presentan en varios tipos. Entre los ms utilizados estn los inductivos, capacitivos, ultrasnicos y fotoelctricos.

1.4.2 Funcionamiento Sensores inductivos y capacitivos:Los sensores inductivos poseen un oscilador en su entrada, que detecta materiales con conductividad elctrica como el metal, basndose en la resistencia que ofrecen a la seal que emite el oscilador. Los sensores capacitivos usan un electrodo detector y un electrodo de tierra para detectar los cambios en la frecuencia emitida por un oscilador. Los cambios de frecuencia se comparan con un umbral predeterminado y cuando se excede significa la presencia de un objeto.Sensores ultrasnicos:Los sensores ultrasnicos utilizan un transductor para producir seales ultrasnicas que rebotan en los objetos que se encuentran dentro de la zona de deteccin. Estas seales de retorno son captadas por el sensor para indicar la presencia de un objeto, de forma muy similar a un snar.Sensores fotoelctricos:Los sensores fotoelctricos proyectan luz en la zona de deteccin y detectan la luz reflejada o emitida por un objeto.

1.4.3 Caractersticas 1.4.4 Modo de comunicacin.