Unidad Orientativa - diagramas.diagramasde.comdiagramas.diagramasde.com/otros/Tutorial-Sensores.pdf · Para detección a corta distancia se suele utilizar en robótica el sensor de

Curso introducción a los Sensores de Instrumentación – Modulo Instrumentación

Autor: Ing. Martin A. Torres

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Unidad Orientativa (Instrumentación)

“Sensores”



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La instrumentación electrónica se aplica en el sensado y procesamiento de la información proveniente de variables físicas y químicas, a partir de las cuales realiza el monitoreo y control de procesos, empleando dispositivos y tecnologías electrónicas. Estos dispositivos son:

Sensores

Acondicionadores

Digitalizadores

Sensores Un elemento imprescindible para la toma de medidas es el sensor que se encarga de transformar la variación de la magnitud a medir en una señal eléctrica. Los sensores se pueden dividir en: Pasivos: los que necesitan un aporte de energía externa.

1. Resistivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de su resistencia eléctrica. Un ejemplo puede ser un termistor, que sirve para medir temperaturas.

2. Capacitivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de la capacidad de un condensador. Un ejemplo es un condensador con un material en el dieléctrico que cambie su conductividad ante la presencia de ciertas sustancias.

3. Inductivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de la inductancia de una bobina. Un ejemplo puede ser una bobina con el núcleo móvil, que puede servir para medir desplazamientos.

Activos: los que son capaces de generar su propia energía. A veces también se les llama sensores generadores. Un ejemplo puede ser un transistor en el que la puerta se sustituye por una membrana permeable sólo a algunas sustancias (IsFET), que puede servir para medir concentraciones.

Otros ejemplos son: termopar, fotorresistencia, fotodiodo, fototransistor, condensador de placas móviles, sensor de efecto Hall, etc.



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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.

Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano.

Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de la circuitería.



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Resolución y precisión La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida. La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al medir una distancia la resolución es de 0,01 mm, pero la precisión es de 1 mm, entonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de 0,01 mm, pero no puede asegurarse que haya un error de medición menor a 1 mm. En la mayoría de los casos este exceso de resolución conlleva a un exceso innecesario en el coste del sistema. No obstante, en estos sistemas, si el error en la medida sigue una distribución normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos, la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión. Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de entrada que puede observarse en la magnitud de salida.

Detalles y Tipos de Sensores Existe una amplia variedad de dispositivos diseñados para percibir la información externa de una magnitud física y transformarla en un valor electrónico que sea posible introducir al circuito de control, de modo que el robot sea capaz de cuantificarla y reaccionar en consecuencia. Un sensor consta de algún elemento sensible a una magnitud física —como por ejemplo la intensidad o color de la luz, temperatura, presión, magnetismo, humedad— y debe ser capaz, por su propias características, o por medio de dispositivos intermedios, de transformar esa magnitud física en un cambio eléctrico que se pueda alimentar en un circuito que la utilice directamente, o sino en una etapa previa que la condicione (amplificando, filtrando, etc.), para que finalmente se la pueda utilizar para el control del robot.

Detalles sobre los sensores para robots Existe una amplia variedad de dispositivos diseñados para percibir la información externa de una magnitud física y transformarla en un valor electrónico que sea posible introducir al circuito de control, de modo que el robot sea capaz de cuantificarla y reaccionar en consecuencia. Un sensor consta de algún elemento sensible a una magnitud física —como por ejemplo la intensidad o color de la luz, temperatura, presión, magnetismo, humedad— y debe ser capaz, por su propias características, o por medio de dispositivos intermedios, de transformar esa magnitud física en un cambio eléctrico que se pueda alimentar en un circuito que la utilice directamente, o sino en una etapa previa que la condicione (amplificando, filtrando, etc.), para que finalmente se la pueda utilizar para el control del robot.



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Diversos tipos de captadores o sensores: • Sensores de luz

o Elementos sensibles

� LDRs o Fotorresistores (resistores variables por la incidencia de la luz) � Fotoceldas o celdas fotovoltaicas � Fotodiodos � Fototransistores � CCD � Cámaras de vídeo

o Módulos integrados

� Reflectivo � De ranura

• Sensores de presión y fuerza


� Microinterruptores � Sensores de presión � Sensores de fuerza

o Sensores

� Sensores de contacto (sandwich, bigotes, antenas) � Piel robótica

• Sensores de sonido


� Micrófonos � Captadores piezoeléctricos

o Módulos integrados

� Rangers (medidores de distancia) ultrasónicos • Sensores de gravedad (posición)

o Acelerómetros, sensores de vibración o Sensores pendulares (Inclinómetros) o Contactos de mercurio o Giróscopos

• Sensores de temperatura

o Termistores o RTDs (Termorresistencias) o Termopares, Termocuplas o Diodos o Circuitos integrados o Pirosensores (a distancia)

• Sensores de humedad

o Sensores capacitivos o Sensores resistivos o Módulos integrados

• Sensores de velocidad

o Tacómetros o Codificadores (encoders)

• Sensores de magnetismo

o Efecto Hall o Brújulas electrónicas o Interruptores magnéticos

• Sensores de proximidad

o Sensores capacitivos o Sensores inductivos



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Sensores reflectivos y por intercepción (de ranura)

Los sensores de objetos por reflexión están basados en el empleo de una fuente de señal luminosa (lámparas, diodos LED, diodos láser, etc.) y una célula receptora del reflejo de esta señal, que puede ser un fotodiodo, un fototransistor, LDR, incluso chips especializados, como los receptores de control remoto. Hay de diversas sensibilidades, desde los que detectan un objeto recién cuando está a 5 mm de distancia hasta los que, usando haces de infrarrojo modulados, pueden hacerlo a más de un metro. Para detección a corta distancia se suele utilizar en robótica el sensor de reflexión CNY70, de Telefunken, que está especificado en su hoja de datos para detección a 0,3 mm (ya que fue pensado para usarlo en la detección en discos de encoders, en los que el dibujo de ranuras está bien cerca del sensor), pero se usa en robots para detectar objetos a 10 ó 20 mm, según informan los artículos que encontré en la red. Consta de un diodo emisor de infrarrojos y un fototransistor como elemento sensible. Tiene la ventaja de ser pequeño, compacto y de precio muy accesible. Para distancias mayores existe una serie de detectores de Sharp, entre los que menciono al GP2D02, uno de los más conocidos, capaz de detectar objetos a 80 cm de distancia. Tiene interesantes prestaciones integradas, ya que entrega un valor ya digitalizado en 8 bits, a través de una salida serie. Un hermanito es el GP2D12, con la diferencia de que su salida de datos es analógica. Con elementos ópticos similares, es decir emisor-receptor, existen los sensores "de ranura" (en algunos lugares lo he visto referenciado como "de barrera"), donde se establece un haz directo entre el emisor y el receptor, con un espacio entre ellos que puede ser ocupado por un objeto. Al interceptar el haz se activa la detección. Este tipo de elemento (en especial los más comunes disponibles en el mercado, cuya apertura o zona sensible es muy estrecha) no es tan útil en un robot, aunque es posible encontrarlos en algunas aplicaciones. Existen además módulos para control industrial con una apertura mucho mayor.



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LDR (Light-Dependent Resistor, resistor dependiente de la luz)

Un LDR es un resistor que varía su valor de resistencia eléctrica dependiendo de la cantidad de luz que incide sobre él. Se le llama, también, fotorresistor o fotorresistencia. El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (en algunos casos puede descender a tan bajo como 50 ohms) y muy alto cuando está a oscuras (puede ser de varios megaohms).Los LDR se fabrican con un cristal semiconductor fotosensible como el sulfuro de cadmio (CdS). Esta celdas son sensibles a un rango amplio de frecuencias lumínicas, desde la luz infrarroja, pasando por la luz visible, y hasta la ultravioleta. La variación de valor resistivo de un LDR tiene cierto retardo, qie es diferente si se pasa de oscuro a iluminado o de iluminado a oscuro. Por esta razón un LDR no se puede utilizar algunas aplicaciones, en especial en aquellas en que la señal luminosa varía con rapidez. El tiempo de respuesta típico de un LDR está en el orden de una décima de segundo. La lentitud relativa del cambio es una ventaja en algunos casos, porque así se filtran variaciones rápidas de iluminación que podrían hacer inestable un sensor (por ejemplo cuando está iluminado por un tubo fluorescente alimentado por corriente alterna), En otras aplicaciones (como la detección de luminosidad para saber si es de día o es de noche) la lentitud de la detección no es importante.



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Fotoceldas o celdas fotovoltaicas

La conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico se llama generación fotovoltaica. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico, que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando se captura a estos electrones libres emitidos, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como energía para alimentar circuitos. Las celdas fotovoltaicas, llamadas también celdas solares, están compuestas de la misma clase de materiales semiconductores que se usan en la industria microelectrónica, como por ejemplo el silicio. Una delgada lámina semiconductora, especialmente tratada, forma un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando incide energía luminosa sobre ella, los electrones son golpeados y extraídos de los átomos del material semiconductor. Como se han dispuesto conductores eléctricos en forma de una rejilla que cubre ambas caras del semiconductor, los electrones circulan para formar una corriente eléctrica que aporta energía.

Si bien en la actualidad las celdas fotovoltaicas se utilizan más bien para tomar energía solar y cargar baterías (como lo hacen las sondas espaciales y los robots que se mueven en Marte), un sensor basado en una celda de éstas tiene la ventaja de poder activar un circuito con su propia energía ante la presencia de suficiente luz. En otros sentidos, más que nada por tamaño, fragilidad y precio, no son la opción más conveniente para usarlas en la detección de una señal luminosa.



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Fotodiodos

El fotodiodo es un diodo semiconductor, construido con una unión PN, como muchos otros diodos que se utilizan en diversas aplicaciones, pero en este caso el semiconductor está expuesto a la luz a través de una cobertura cristalina y a veces en forma de lente, y por su diseño y construcción será especialmente sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Todos los semiconductores tienen esta sensibilidad a la luz, aunque en el caso de los fotodiodos, diseñados específicamente para esto, la construcción está orientada a lograr que esta sensibilidad sea máxima. Los diodos tienen un sentido normal de circulación de corriente, que se llama polarización directa. En ese sentido el diodo deja pasar la corriente eléctrica y prácticamente no lo permite en el inverso: es la base del funcionamiento de un diodo. Pero en el fotodiodo la corriente que está en juego (y que varía con los cambios de la luz) es la que circula en sentido inverso al permitido por la juntura del diodo. Es decir, para su funcionamiento el fotodiodo es polarizado de manera inversa. Se producirá un aumento de la circulación de corriente cuando el diodo es excitado por la luz. Lo que define las propiedades de sensibilidad al espectro de un fotodiodo es el material semiconductor que se emplea en la construcción. Los fotodiodos están construidos de silicio, sensible a la luz visible (longitud de onda de hasta 1,1 µm), de germanio para luz infrarroja (longitud de onda hasta aproximadamente 1,8 µm), y los hay de otros materiales semiconductores. El rango de espectro es:

Rangos de Expectros Silicio: 190–1100 nm Germanio: 800–1700 nm Indio galio arsénico (InGaAs): 800–2600 nm Sulfuro de plomo: 1000-3500 nm



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Fototransistores

Los fototransistores no son muy diferentes de un transistor normal, es decir, están compuestos por el mismo material semiconductor, tienen dos junturas y las mismas tres conexiones externas: colector, base y emisor. Por supuesto, siendo un elemento sensible a la luz, la primera diferencia evidente es en su cápsula, que posee una ventana o es totalmente transparente, para dejar que la luz ingrese hasta las junturas de la pastilla semiconductora y produzca el efecto fotoeléctrico. Teniendo las mismas características de un transistor normal, es podible regular su corriente de colector por medio de la corriente de base. Y también, dentro de sus características de elemento optoelectrónico, el fototransistor conduce más o menos corriente de colector cuando incide más o menos luz sobre sus junturas. Los dos modos de regulación de la corriente de colector se pueden utilizar en forma simultánea. Si bien es común que la conexión de base de los fototransistores no se utilice, e incluso que no se la conecte o ni siquiera venga de fábrica, a veces se aplica a ella una corriente que estabiliza el funcionamiento del transistor dentro de cierta gama deseada, o lo hace un poco más sensible cuando se debe detectar una luz muy débil. Esta corriente de estabilización (llamada bias, en inglés) cumple con las mismas reglas de cualquier transistor, es decir, tendrá una relación de amplificación determinada por la ganancia típica de corriente, o hfe. A esta corriente prefijada se le suman la variaciones producidas por los cambios en la luz que incide sobre el fototransistor. Los fototransistores, al igual que los fotodiodos, tienen un tiempo de respuesta muy corto, es decir que pueden responder a variaciones muy rápidas en la luz. Debido a que existe un factor de amplificación de por medio, el fototransistor entrega variaciones mucho mayores de corriente eléctrica en respuesta a las variaciones en la intensidad de la luz.



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Microinterruptores - Sensores mecánicos de choque

Uno de los detectores que más comúnmente se instalan en los procesos, es algún tipo de sensor de presión o choque. Estos sensores se llaman MICRO SWITCH y sencillamente es un interruptor eléctrico que se acciona por el movimiento físico de dispositivos mecánicos. El accionamiento del interruptor generalmente “enciende” o “apaga” algo. Los MICRO SWITCH generalmente se empacan en un diseño pequeño, para permitir su ubicación en lugares reducidos. Los hay de distintas clases y modelos

Pero todos ellos cumplen la misma función, abrir o cerrar un contacto por intermedio de un accionador mecánico



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Sensores de presión

En la industria hay un amplísimo rango de sensores de presión, la mayoría orientados a medir la presión de un fluido sobre una membrana. En robótica puede ser necesario realizar mediciones sobre fluidos hidráulicos (por dar un ejemplo), aunque es más probable que los medidores de presión disponibles resulten útiles como sensores de fuerza (el esfuerzo que realiza una parte mecánica, como por ejemplo un brazo robótico), con la debida adaptación. Se puede mencionar un sensor integrado de silicio como el MPX2100 de Motorola, de pequeño tamaño y precio accesible. Los dispositivos de la serie MPX2100 son piezorresistencias de silicio sensibles a la presión. Proporcionan una variación de tensión exacta y directamente proporcional a la presión que se les aplica. El sensor consta de un diafragma monolítico de silicio para medir el esfuerzo y una fina película con una red de resistencias integradas en un chip. El chips se ajusta, calibra y compensa en temperatura por láser. En los sensores electrónicos en general, la presión actúa sobre una membrana elástica, midiéndose la flexión. Para detectarla pueden aprovecharse diversos principios físicos, tales como inductivos, capacitivos, piezorresistivos, ópticos, monolíticos (con módulos electrónicos extremadamente pequeños, totalmente unidos) u óhmicos (mediante cintas extensométricas). En los sensores de presión con elemento por efecto Hall, un imán permanente pequeño (que está unido a una membrana) provoca un cambio del potencial Hall. El sensor de presión piezorresistivo tiene un elemento de medición en forma de placa con resistencias obtenidas por difusión o implantación de iones. Si estas placas se someten a una carga, cambia su resistencia eléctrica. Lo mismo se aplica en el caso de los sensores de presión monolíticos, obtenidos mediante la cauterización gradual de silicio.



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Micrófonos y sensores de sonido

El uso de micrófonos en un robot se puede hallar en dos aplicaciones: primero, dentro de un sistema de medición de distancia, en el que el micrófono recibe sonidos emitidos desde el mismo robot, luego de que éstos rebotan en los obstáculos que tiene enfrente, es decir, un sistema de sonar; y segundo, un micrófono para captar el sonido ambiente y utilizarlo en algún sentido. En este segundo caso, hay dos razones básicas para que un robot esté provisto de un micrófono u otro sensor de sonido (como los piezoeléctricos): recibir órdenes a través de sonidos (palabra o tonos) y, un poco más avanzado, determinar la dirección de estos sonidos. Ambas opciones le dan al robot la posibilidad de interactuar de una manera muy interesante con una persona que le hable. En sentido técnico, la implementación más básica serían aquella en la que se coloca el micrófono dentro de una bocina direccional, algo así como un concentrador parabólico de radar, de modo que haga de pantalla en todos los sentidos excepto en una dirección bien definida. Si el robot detecta un sonido (con otro sensor o con el mismo) hace girar la bocina como un radar y busca la dirección del sonido por una simple medición del máximo volumen. Es obvio que un sistema así está demasiado sujeto a errores, ya que el robot puede resultar engañado con sonidos de intensidad variable, y también puede ocurrir que el sonido no dure lo suficiente como para determinar la dirección. La otra implementación es la más conocida en la naturaleza: el oído biaural. Básicamente, se trata de dos sensores separados por una distancia adecuada que reciben y procesan las diferencias de tiempo entre las dos señales sonoras percibidas. Los sonidos recibidos por dos micrófonos capacitivos se amplifican en sendos circuitos. Estas señales se procesan en un microcontrolador, donde se detecta la longitud, frecuencia y diferencia de fase de las señales llegadas a los micrófonos. Se puede determinar así la dirección del sonido que ha llegado al robot. Por otra parte, y cumpliendo una función más específica de detección y medición de tipo sonar, se encuentran, incorporados en los medidores de distancia por ultrasonidos, los receptores especializados en el rango de los ultrasonidos, que en algunos casos pueden ser —como en los medidores ultrasónicos de distancia que utilizan las cámaras Polaroid con autoranging ("autorango") para ajustar la distancia a la que se toma la fotografía— de doble uso: emisores y sensores a la vez. Su funcionamiento no es simultáneo: las dos funciones se conmutan por circuito, ya que se emite un tren de sonidos y luego se conmuta el emisor/receptor a modo de recepción, a la espera del retorno del sonido que ha rebotado en los objetos que circundan al medidor.



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Rangers (medidores de distancia) ultrasónicos

Los medidores ultrasónicos de distancia y sensores de ultrasonidos que se utilizan en los procesos industriales y robots son, básicamente, un sistema de sonar. En el módulo de medición, un emisor lanza un tren de pulsos ultrasónicos —con una frecuencia en el orden de los 38 a 50 Khz— y el receptor espera el rebote. Se mide el tiempo entre la emisión y el retorno, lo que da como resultado la distancia entre el emisor y el objeto donde se produjo el rebote. Esta medición se calcula teniendo en cuenta la velocidad del sonido en el aire, que si bien varía según algunos parámetros ambientales, como la presión atmosférica, igualmente permite una medición bastante precisa. Se pueden señalar dos clases de medidores, los que tienen un emisor y un receptor separados, y los que alternan la función, por medio de un circuito de conmutación, sobre un mismo emisor/receptor piezoeléctrico. Este último es el caso de los medidores de distancia que venían incluidos en las cámaras Polaroid "autofocus", que se utilizan (despiece mediante) en la experimentación personal de robótica. Ejemplos característicos de sensores que se utilizan en robots:

• 1. Los módulos de ultrasonido contenidos en las viejas cámaras Polaroid con autofoco, que se pueden obtener en el mercado de usados por poco dinero.

• 2. Los módulos SRF de Devantech (SRF04, SRF05, SRF08, SRF10, etc.), que son capaces de detectar objetos a una distancia de hasta 6 metros, además de conectarse al microcontrolador mediante un bus I2C. El SRF08, por ejemplo, permite programar la dirección del dispositivo sobre el I2C, por lo que se pueden instalar varios sensores sobre el mismo bus.



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Acelerómetros, sensores de vibración

Un acelerómetro es un dispositivo que permite medir el movimiento y las vibraciones a las que está sometido un robot (o una parte de él), en su modo de medición dinámico, y la inclinación (con respecto a la gravedad), en su modo estático. De los antiguos acelerómetros mecánicos, de tamaño grande y dificultosos de construir, porque incluían imanes, resortes y bobinas (en algunos modelos), se ha pasado en esta época a dispositivos integrados, con los elementos sensibles creados sobre los propios microcircuitos. Estos sensores, disponibles en forma de circuito integrado, son los que se utilizan normalmente en robótica experimental. Uno de los acelerómetros integrados más conocidos es el ADXL202, muy pequeño, versátil y de costo accesible. El acelerómetro de dos ejes ADXL202 El ADXL202 es un acelerómetro de dos ejes de bajo consumo y salida digital, integrado en un chip monolítico. Mide aceleraciones hasta una escala máxima de + 2 g. Soporta golpes de hasta 1000 g. Puede medir aceleración dinámica (como por ejemplo una vibración) y también aceleración estática, como por ejemplo la atracción de la gravedad. Este circuito integrado tiene salidas digitales, en forma de pulsos repetidos cuyo ancho varía en relación con la medición. Estas salidas en forma de pulsos se pueden medir con microcontroladores sin necesidad de contar con una entrada para la conversión Analógica/Digital. El ritmo de repetición del pulso es ajustable de 0,5 a 10 ms por medio de un resistor. Un ciclo de relación 50% significa una aceleración de 9 g. El ruido de la señal es muy bajo, lo que permite realizar mediciones menores a 2 mg (mili g) a una frecuencia de 60 hertz. El ancho de banda de respuesta se puede determinar por medio de capacitores de filtro conectables en ambos circuitos, X e Y.



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Sensores pendulares

Queda claro que la inclinación de un objeto u pieza se puede medir con facilidad utilizando las características de medición estática del sensor ADXL202 que describimos aquí arriba. Las ventajas de este sensor son grandes, debido a su pequeño tamaño, sólida integración y facilidad de conexión con microcontroladores. De todos modos, existen otras soluciones para determinar la posición de la vertical (en base a la fuerza de la gravedad), y las listaremos brevemente. El mercado ofrece dispositivos con diversas soluciones mecánicas, todas basadas en un peso, a veces suelto aunque flotando en un medio viscoso, a veces ubicado sobre una rueda cargada sobre un lado de su circunferencia, en ocasiones una esfera. Hasta hay sensores basados en el movimiento de un líquido viscoso y conductor de la electricidad dentro de una cavidad. Las partes móviles en muchos casos están sumergidas en aceite, para evitar que la masa que hace de péndulo quede realizando movimientos oscilantes. Los sensores pueden estar basados en efecto capacitivo, electrolítico, de torsión (piezoeléctrico), magnético (inducción sobre bobinas) y variación resistiva. Contactos de mercurio

También para medir inclinación, aunque en este caso sin obtener valores intermedios, sino simplemente un contacto abierto o cerrado, existen las llaves o contactos de mercurio, que consisten en un cilindro (por lo general de vidrio) en el que existen dos contactos a cerrar y una cantidad suficiente de mercurio que se puede deslizar a un extremo u otro del cilindro y cerrar el contacto. Sensores de proximidad

Los sensores de proximidad que se obtienen en la industria son resultado de la necesidad de contar con indicadores de posición en los que no existe contacto mecánico entre el actuador y el detector. Pueden ser de tipo lineal (detectores de desplazamiento) o de tipo conmutador (la conmutación entre dos estados indica una posición particular). Hay dos tipos de detectores de proximidad muy utilizados en la industria: inductivos y capacitivos. Los detectores de proximidad inductivos se basan en el fenómeno de amortiguamiento que se produce en un campo magnético a causa de las corrientes inducidas (corrientes de Foucault) en materiales situados en las cercanías. El material debe ser metálico. Los capacitivos funcionan detectando las variaciones de la capacidad parásita que se origina entre el detector propiamente dicho y el objeto cuya distancia se desea medir. Se emplean para medir distancias a objetos metálicos y no metálicos, como la madera, los líquidos y los materiales plásticos.



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Termistores

Un termistor es un resistor cuyo valor varía en función de la temperatura. Existen dos clases de termistores: NTC (Negative Temperature Coefficient, Coeficiente de Temperatura Negativo), que es una resistencia variable cuyo valor se decrementa a medida que aumenta la temperatura; y PTC (Positive Temperature Coefficient, Coeficiente de Temperatura Positivo), cuyo valor de resistencia eléctrica aumenta cuando aumenta la temperatura. La lectura de temperaturas en un robot, tanto en su interior como en el exterior, puede ser algo extremadamente importante para proteger los circuitos, motores y estructura de la posibilidad de que, por fricción, esfuerzo, trabas o excesos mecánicos de cualquier tipo se alcancen niveles peligrosos de calentamiento.

RTD (Termorresistencias)

Los sensores RTD (Resistance Temperature Detector), basados en un conductor de platino y otros metales, se utilizan para medir temperaturas por contacto o inmersión, y en especial para un rango de temperaturas elevadas, donde no se pueden utilizar semiconductores u otros materiales sensibles. Su funcionamiento está basados en el hecho de que en un metal, cuando sube la temperatura, aumenta la resistencia eléctrica.

Termocuplas

El sensor de una termocupla está formado por la unión de dos piezas de metales diferentes. La unión de los metales genera un voltaje muy pequeño, que varía con la temperatura. Su valor está en el orden de los milivolts, y aumenta en proporción con la temperatura. Este tipo de sensores cubre un amplio rango de temperaturas: -180 a 1370 °C.



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Diodos para medir temperatura

Se puede usar un diodo semiconductor ordinario como sensor de temperatura. Un diodo es el sensor de temperatura de menor costo que se puede hallar, y a pesar de ser tan barato es capaz de producir resultados más que satisfactorios. Sólo es necesario hacer una buena calibración y mantener una corriente de excitación bien estable. El voltaje sobre un diodo conduciendo corriente en directo tiene un coeficiente de temperatura de alrededor de 2,3 mV/°C y la variación, dentro de un rango, es razonablemente lineal. Se debe establecer una corriente básica de excitación, y lo mejor es utilizar una fuente de corriente constante, o sino un resistor conectado a una fuente estable de voltaje.

Integrados para medir temperatura

Existe una amplia variedad de integrados sensores de temperatura. Estos sensores se pueden agrupar en cinco categorías principales: salida de voltaje, salida de corriente, salida de resistencia, salida digital y diodos simples (aunque en este caso, obviamente, se trata de diodos diseñados especialmente para medición de temperatura). Con salida de voltaje podemos encontrar los muy comunes LM34 (grados Fahrenheit), LM35 (grados Centígrados), de National Semiconductor. Con salida de corriente uno de los más conocidos es el AD590, de Analog Devices. Con salida digital son conocidos el LM56 y LM75 (también de National). Los de salida de resistencia son menos comunes, fabricados por Phillips y Siemens.



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Integrados medidores de temperatura con salida de voltaje Sensor Fabricante Salida

Tolerancia (rango)

Cápsula Comentarios

AD22100 Analog Devices 22,5mV/°C a 5V

250mV offset ±2°C y ±4°C

(-50 a +150°C) TO-92 SO-8

Salida proporcional a la alimentación - ideal para ADC del mismo estilo

AD22103 Analog Devices 28mV/°C (a 3,3V),

250mV offset ±2,5°C

(0°C a +100°C) TO-92 SO-8

Salida proporcional a la alimentación

LM135 LM235 LM335

National Semi, Linear Tech 10mV/°K o 10mV/°C

±2,7°C a ±9°C (-55°C a 150°C -40°C a 100°C)

TO-92 TO-46

Opera como un Zener con entrada para ajuste de escala, 400µA

LM34 National Semi 10mV/°F ±3°F y ±4°F

(-20°C a 120°C)

TO-46 TO-92 SO-8

Necesita una fuente negativa para temperaturas < -5°C

LM35 National Semi 10mV/°C ±1°C y ±1,5°C

(-20°C a 120°C)

TO-46 TO-92 SO-8

Necesita una fuente negativa para temperaturas < 10°C

LM45 National Semi

10mV/°C 500mV offset

±1°C y ±1,5°C (-20°C a 120°C)

TO-46 TO-9 SO-8

LM35 con corrimiento de salida 500mV

LM50 National Semi

10mV/°C 500mV offset

±3°C y ±4°C (-40°C a 125°C)

TO-46 TO-92 SO-8

Bajo costo, corrimiento 500mV, fácil de usar

LM60 National Semi 6,24 mV offset ±3°C y ±4°C

(-40°C a 125°C) SOT-23

Acepta alimentación inferior a 2,7V

S-8110 S-8120

Seiko Instruments

-8,5 mV/°C (nota neg. TC)

±2,5°C y ±5°C (-40°C a 100°C)

SOT-23 SC-82AB

Corriente de operación muy baja: 10µA

TC102 TC103 TC1132 TC1133

Telcom Semi 10 mV/°C ±8°C

(-20°C a 125°C) SOT-23 TO-92

.

TMP35 Analog Devices 10 mV/°C ±3°C ±4°C

(10°C a 125°C)

TO-92 SO-8

SOT-23

Similar al LM35 con apagado aut. para ahorrar consumo (no en TO-92)

TMP36 Analog Devices 10 mV/°C

500 mV offset ±3°C ±4°C

(-40°C a 125°C)

TO-92 SO-8

SOT-23

Similar a LM50 con apagado aut. (no en TO-92)

TMP37 Analog Devices 20 mV/°C ±3°C ±4°C

(5°C a 100°C)

TO-92 SO-8

SOT-23 Alta sensibilidad

LM94021 LM94022

National Semi programable ±2,5°C

(-50°C a 150°C) SC80

Bajo consumo, fácil de usar

FM20 Fairchild -11,77 mV/°C ±5°C

-55°C a 130°C SOT23 Bajo consumo

FM50 Fairchild 10 mV/°C ±3°C

-40°C a 125°C SOT23 Similar al LM50

Integrados medidores de temperatura con salida de corriente



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Sensor Fabricante Salida Tolerancia

(rango) Cápsula Comentarios

AD590 Analog Devices 1µA/°K ±5,5°C y ±10°C

(-55°C a +150°C) TO-52

Viejo favorito, se deben considerar las corrientes de pérdida del cable

AD592 Analog Devices 1µA/°K ±1°C y ±3,5°C

(-25°C a +105°C) TO-92 Un AD590 más preciso

TMP17 Analog Devices 1µA/°K ±4°C

(-40°C a +105°C) SO-8

Un AD590 térmicamente más rápido

LM134 LM234 LM334

National Semi

Programable 0,1µA/°K a 4µA/°K

±3°C y ±20°C (-25°C a +100°C)

TO-46 TO-92

Con calibración puede ser efectivo

Integrados medidores de temperatura con salida digital Sensor Fabricante Salida

Tolerancia (rango)


LM95071 National Semi 14 bit SPI ±2°C

(-45°C a 150°C) SOT-5

Alta resolución (0,03°C) opera con 2,4-5,5V

LM56 National Semi

2 comparadores con umbral definible

±3°C y ±4°C (-40°C a 125°C)

SOP-8 MSOP-8

Termostato con dos salidas con histéresis

LM75 National Semi

I2C Serie, Resolución 9 bit o 0,5°C

±3°C (-55°C a +125°C)

SOP-8 MSOP-8

Conexión direccionable múltiple. Especial para sistemas embebidos

TMP03 TMP04

Analog Devices

Modulación de ancho de pulso ±4°C

(-25°C a 100°C)

TO-92 SO-8

TSSOP-8

Salida nominal 35 Hz con relación 1:1 mark-space a 25°C

DS1620 DS1621

National Semi

serie 2 o 3 cables, resolución 0,5°C

±0.5°C (0°C a 70°C)

±5°C (-55°C a 125°C)

SOP-8 DIP-8

Además tiene salidas de termostado programadas digitalmente. Resolución posible ±0,03°C

DS1624 Dallas

Serie de 2 cables Resolución 0,3°C

±5°C (-55°C a 125°C)

SOP-8 DIP-8

Direccionable, conexión múltiple. Tiene 256 bits de EEPROM

DS1820 Dallas

Serie de 1 cable Resolución 0,5°C

±0,5°C (0°C a 70°C)

±5°C (-55°C a 125°C)

TO-92 modificada SSOP-16

Buena tolerancia sin calibrar, rango mayor a 0-70°C.

DS1821 Dallas

Serie de 1 cable Resolution 1°C

±1°C (0°C a 70°C)

TO-92 modificada

Tiene un modo de



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±2°C (-55°C a 125°C)

TO-220 SO-8

termostato

DS2435 Dallas

Serie de 1 cable Resolución 0,5°C o 1°C

±4°C (0°C a 127.5°C -40°C a 85°C)

TO-92 modificada

Incluye un histograma temperatura / tiempo

TCN75 Telcom Semi

Serie I2C, Resolución 9 bit o 0,5°C

±3°C (-55°C a +125°C)

DIP-8 SOP-8

TSSOP-8

Reemplazo del LM75

FM75 Fairchild

SMBus Resolución 12 bit / 0,07°C

±4°C -40°C a 125°C

MSOP8

Resolución variable, salida con umbral

Integrados medidores de temperatura con salida de resistencia Sensor Fabricante Salida

Tolerancia (rango)


KTY81 KTY82 KTY83 KTY84 KTY85

Phillips 1K o 2K a 25°C, +0,8%/°C ±1°C a ±12°C

(-55°C a +150°C algunos hasta 300°C)

SOD-70, SOT-23 SOD-68 SOD-80

Resistencia principal de silicio. Mantener la corriente de excitación >0,1mA y < 1mA

KYY10 KTY11 KTY13

Siemens 1K o 2K a 25°C, +0,8%/°C ±1°C y ±3,5°C

(-50°C a +150°C) TO-92

modificada Resistencia principal de silicio

Pirosensores (sensores de llama a distancia)

Existen sensores que, basados en la detección de una gama muy angosta de ultravioletas, permiten determinar la presencia de un fuego a buena distancia. Con los circuitos que provee el fabricante, un sensor de estos (construido con el bulbo UVTron) puede detectar a 5 metros de distancia un fósforo (cerilla) encendido dentro de una habitación soleada. En el mercado de sensores industriales se puede encontrar una variedad amplia de sensores de llama a distancia, algunos que detectan también ultravioleta y otros que se basan en los infrarrojos, aunque por lo que pude ver, la mayoría son de tamaño bastante mayor que el que utiliza la tecnología UVTRon. Sensor de llama UVTron



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El bulbo UVTron, fabricado por Hamamatsu, es un sensor que detecta llama a distancia con muy buena sensibilidad. Se ofrece con un circuito de manejo que mide los fotones del espectro ultravioleta que están asociados con las llamas y el fuego en general. Las aplicaciones típicas de este sensor son:

• Detector de llama en encendedores de gas y de combustibles líquidos • Alarmas de fuego • Monitores de combustión en quemadores • Detección de descargas • Conmutación ultravioleta

Este detector es muy sensible en el rango de las longitudes de onda de 185-260nm. Es ideal para la detección de llams y otras fuentes de radiación UV que están en este rango de frecuencias. El detector es omnidireccional, debido a que la energía UV que emiten las llamas se refleja en las paredes. Por esta razón no es necesario que se dispongan varios sensores dirigidos a distintas áreas de un ambiente.

Sensores – Humedad

La detección de humedad puede ser muy importante en un sistema si éste debe desenvolverse en entornos que no se conocen de antemano. Una humedad excesiva puede afectar los circuitos, y también la mecánica de un robot. Por esta razón se deben tener en cuenta una variedad de sensores de humedad disponibles, entre ellos los capacitivos y resistivos, más simples, y algunos integrados con diferentes niveles de complejidad y prestaciones.

Sensores resistivos y capacitivos: -Los sensores de humedad resistivos están hechos sobre una delgada tableta de un polímero capaz de absorber agua, sobre la cual se han impreso dos contactos entrelazados de material conductor metálico o de carbón. En la imagen se ve un ejemplo, fabricado por General Eastern. Tiene una longitud de unos 10 mm. Es un componente que se vende independientemente, sin la electrónica necesaria para procesar la medición. El parámetro que se mide es la resistencia eléctrica a través del polímero, que cambia con el contenido de agua. -Para el caso de los sensores de humedad capacitivos, al igual que un capacitor, están constituidos por dos conductores o armaduras, generalmente en forma de placas o láminas, separados por un material dieléctrico. El principio de funcionamiento de esta aplicación se refleja cuando el aire espeso por la humedad penetra en el campo eléctrico que hay entre las placas sensor, varía el dieléctrico, variando consecuentemente el valor de capacitancia.



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Sensores de Magnetismo

En robótica, algunas situaciones de medición del entorno pueden requerir del uso de elementos de detección sensibles a los campos magnéticos. En principio, si nuestro robot debe moverse en ambientes externos a un laboratorio, una aplicación importante es una brújula que forme parte de un sistema de orientación para nuestro robot. Otra aplicación es la medición directa de campos magnéticos presentes en las inmediaciones, que podrían volverse peligrosos para el "cerebro" de nuestro robot si su intensidad es importante. Una tercera aplicación es la medición de sobrecorrientes en la parte motriz (detectando la intensidad del campo magnético que genera un conductor en la fuente de alimentación). También se podrán encontrar sensores magnéticos en la medición de movimientos, como el uso de detectores de "cero movimiento" y tacómetros basados en sensores por efecto Hall o pickups magnéticos.

a-Pickups magnéticos (sensores inductivos)

Entre los sensores de proximidad industriales de uso frecuente se encuentran los sensores basados en un cambio de inductancia debido a la cercanía de un objeto metálico.

La figura muestra el esquema de un sensor inductivo o "pickup magnético", que consiste en una bobina devanada sobre un imán permanente, ambos insertos en un receptáculo o cápsula de soporte. Si se coloca el núcleo del sensor en proximidad de un material ferromagnético, se produce un cambio en la posición de las líneas de flujo del imán permanente. En condiciones estáticas, no hay movimiento en las líneas de flujo y, por consiguiente, no se induce corriente en la bobina. Sin embargo, cuando un objeto ferromagnético ingresa en el campo del imán y/o lo abandona, el cambio que resulta en las líneas de flujo induce un impulso de corriente, cuya amplitud y forma son proporcionales a la velocidad de cambio del flujo. La tensión que se mide sobre la bobina varía como función de la velocidad a la que se introduce el material ferromagnético en el campo del imán. La polaridad de la tensión depende de que el objeto esté ingresando en el campo o abandonándolo. También existe una relación entre la amplitud de la tensión y la distancia sensor-objeto. La sensibilidad cae rápidamente al aumentar la distancia. El sensor es eficaz a un milímetro o menos.



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b-Sensores por "Efecto Hall"

En el mercado existe gran cantidad de sensores industriales para diversos usos, basados en el efecto que descubrió el científico Edwin Herbert Hall. El nombre de Hall, físico norteamericano, ha pasado a la posteridad debido a una singularidad electromagnética que descubrió por causalidad en el curso de un montaje eléctrico: el "Efecto Hall". Cuando por una placa metálica circula una corriente eléctrica y ésta se halla situada en un campo magnético perpendicular a la dirección de la corriente, se desarrolla en la placa un campo eléctrico transversal, es decir, perpendicular al sentido de la corriente. Este campo, denominado Campo de Hall, es la resultante de fuerzas ejercidas por el campo magnético sobre las partículas de la corriente eléctrica, sean positivas o negativas.

Este fenómeno tiene dos consecuencias principales. La primera es que la acumulación de cargas en un lado de la placa, en el campo así creado, implica que el otro lado tiene una carga opuesta, creándose entonces una diferencia de potencial; la segunda es que la carga positiva posee un potencial superior al de la carga negativa. La medida del potencial permite, por tanto, determinar si se trata de un campo positivo o negativo. En la mayor parte de los metales, la carga es negativa, pero en algunos metales como el hierro, el zinc, el berilio y el cadmio es positiva, y en los semiconductores es positiva y negativa al mismo tiempo. Hay una desigualdad entre los intercambios negativos y los positivos; también en este caso, la medida del potencial permite saber cuál domina, el positivo o el negativo. Los sensores basados en efecto Hall suelen constar de un elemento conductor o semiconductor y un imán. Cuando un objeto ferromagnético se aproxima al sensor, el campo que provoca el imán en el elemento se debilita. Así se puede determinar la proximidad de un objeto, siempre que sea ferromagnético.



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Aplicaciones de sensores por efecto Hall Una de las aplicaciones de los sensores por efecto Hall que más se ha instalado en la industria, en especial en la automotriz, es como reemplazo del sensor inductivo o pickup magnético que describimos más arriba (basado en un imán permanente y una bobina). Dado que en este caso el sensor, por estar implementado por un semiconductor, tiene la capacidad de poseer electrónica integrada, la señal que sale de los sensores por efecto Hall para uso como detectores de proximidad por lo general ya está amplificada y condicionada, de modo que su utilización es mucho más directa, fácil y económica. Otra aplicación es la medición de la corriente que circula por un conductor, con lo que se pueden implementar medidores de seguridad sin necesidad de insertarlos en el circuito eléctrico de un sistema donde se maneja potencia. Los sensores pueden estar construidos en una cápsula de tipo circuito integrado o una de transistor

Se utilizan también chips por efecto Hall como interruptores accionados por el campo magnético de un imán. Un caso concreto es en los sensores de los sistemas de alarma (aquellos que se colocan en puertas y ventanas, para detectar su apertura). Estos interruptores tienen la ventaja de no sufrir fricción al ser accionados, ya que el único elemento que toma contacto es el campo magnético. Son utilizados en teclados de alta eficiencia, y estos mismos interruptores se pueden usar como sensores de choque (contacto físico), posición de un mecanismo, cuentavueltas, límite de carrera y otras detecciones mecánicas dentro y en el exterior de un proceso.

Acondicionadores: La señal de salida de un sensor no suele ser válida para su procesado. Por lo general requiere de una amplificación para adaptar sus niveles a los del resto de la circuitería. Un ejemplo de amplificador es el amplificador de instrumentación, que es muy inmune a cierto tipo de ruido. No sólo hay que adaptar niveles, también puede que la salida del sensor no sea lineal o incluso que ésta dependa de las condiciones de funcionamiento (como la temperatura ambiente o la tensión de alimentación) por lo que hay que linealizar el sensor y compensar sus variaciones. La compensación puede ser hardware o software, en este último caso ya no es parte del acondicionador. Otras veces la información de la señal no está en su nivel de tensión, puede que esté en su frecuencia, su corriente o en algún otro parámetro, por lo que también se pueden necesitar demoduladores, filtros o convertidores corriente-tensión. Un ejemplo de cuando la información no está en el nivel de tensión puede ser un sensor capacitivo, en el que se necesita que tenga una señal variable en el tiempo (preferentemente sinusoidal). Por último, entre el acondicionador y el siguiente paso en el proceso de la señal puede haber una cierta distancia o un alto nivel de ruido, por lo que una señal de tensión no es adecuada al verse muy afectada por estos dos factores. En este caso se debe adecuar la señal para su transporte, por ejemplo transmitiendo la información en la frecuencia o en la corriente (por ejemplo el bucle de 4-20mA).



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Digitalización: Para un procesado de la señal eficaz hay que convertir la señal en digital. La instrumentación también estudia la conversión analógica-digital, así como la conversión digital-analógica. Por otra parte también pueden usarse técnicas de multiplexación de señales en el caso que haya más de una para medir.

En nuestro próximo capitulo introductorio a la instrumentación y control, veremos los actuadores y conoceremos sus funciones, tipos y clasificaciones….

Fuentes: http://es.wikipedia.org http://robots-argentina.com.ar http://www.rincondelvago.com Libros – Apuntes de materia: - Control I (Universidad Tecnológica Nacional)

- El manual del Electrotécnico – Cap. Sensores y Actuadores (Ing. Martin Torres)

- Instrumentación

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Unidad Orientativa - diagramas.diagramasde.comdiagramas.diagramasde.com/otros/Tutorial-Sensores.pdf · Para detección a corta distancia se suele utilizar en robótica el sensor de