Introducción a la sensorica

Sensor y transductor. Fibras ópticas. Codificadores. Detección por código de barras. Regularización y control. Sistema de control. Fusión de transferencia

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Temario

Unidad 1.- “Introducción a la sensorica”

Tema 1.- definición de sensor y transductor

Tema 2.- rol de la detección en un sistema de mecatronica

Tema 3.- tipos de conversiones: electroacústica, electromecánica, termoeléctrica y optoelectrica.

Unidad 2.- “Sensores y transductores”

Tema 1.- sensores manuales

Tema 2.- sensores de contacto mecánico

Tema 3.- sensores de proximidad

Tema 4.- sensores magnéticos

Tema 5.- sensores fotoeléctricos

Tema 6.- fibras ópticas

Tema 7.- sensores de temperatura

Tema 8.- sensores de presión

Tema 9.- conexión de un sensor de dos y tres hilos

Tema 10.- conexión de un sensor a un PLC

Tema 11.- codificadores

Tema 12.- detección por código de barras

Unidad 3.- “iniciación a la teoría de control”

Tema 1.- definición de regularización y control

Tema 2.- estructura de un sistema de control

Tema 3.- función de transferencia

Tema 4.- precisión de un sistema de control

¿Qué es mecatronica?

El termino mecatronica se usa para describir la integración de sistemas de control basados en microprocesadores, sistemas eléctricos y sistemas mecánicos. Un sistema mecatronico es la integración completa de todo lo anterior.

En la mecatronica se conjuntan áreas tecnológicas relacionadas con sensores y sistemas de medición, sistemas de manejo y accionamiento, análisis del comportamiento de los sistemas de control y basados en microprocesadores.

Sistemas

La mecatronica trabaja con sistemas. Un sistema puede concebirse como una caja con una entrada y una salida y de la cual no nos interesa su contenido, si no la relación que existe dentro de la salida y la entrada.

Sistemas de medición.- este de podría considerar como una caja negra que se utiliza para medir. Su entrada es la magnitud que se desea medir y su salida s el valor como correspondida mente dicha magnitud.

Sistema

Entrada Salida

En conclusión en la mecatronica se conjuntan diversas tecnologías eléctrica, mecánica, informática y de control. Podría decirse que es un conjunto de técnicas de control digital, basados en computadoras a través de interfaces eléctricas. Aplicadas a problemas mecánicos.

SENSORES Y TRANSDUCTORES (definición)

El termino SENSOR se refiere a un elemento que produce una señal relacionada con la cantidad que se está midiendo

Cantidad a medir ----------------- Cambio ---------------------- cantidad o señal medible

Por ejemplo en el caso de un elemento para medir temperatura mediante resistencia eléctrica la cantidad que se mide es la temperatura y el sensor entrada de temperatura en un cambio de la resistencia.

Con frecuencia se utiliza el término transductor, en vez de sensor un TRANSDUCTOR se define como el elemento que al someterlo a un cambio físico experimenta un cambio relacionado entonces los sensores son transductores, sin embargo un sistema de medición puede utilizar transductores además de sensores para convertir señales de una forma dada a una que sea útil para dar información.

TRANSDUCTOR

Magnitud física otra magnitud física

Cambio

SENSORES

Dado de que hay seis tipos de señales: mecánica, térmica, magnética, eléctrica, óptica y molecular (química), cualquier dispositivo que convierte una señal de uno de estos tipos en una señal de otros tipos debería considerarse un transductor, y la señal de salida podría ser de cualquier forma física útil.

En la práctica, sin embargo se considera un transductor aquel que nos da como salida una señal eléctrica.

Según el tipo de sensores, se pueden dividir en moduladores y generadores. En los moduladores, la energía de salida puede ser una fuerza de energía auxiliar. La entrada solo contara la salida. En los sensores generadores la energía de salida es suministrada por la energía de entrada.

En los analógicos la energía varía a nivel microscópico de manera fluida. La información esta en la amplitud.

En los sensores digitales la salida varía en forma de saltos en vasos discretos.

Atendiendo al modo de funcionamiento los sensores pueden ser de flexión, o de comparación. En los sensores que funcionan por deflexión, la magnitud medida produce algún efecto medido físico, que engendra algún efecto similar y que está relacionado con una variable útil.

En los sensores que funcionan por de comparación hay un detector de desequilibrio y un medico para restablecerlo.

Según el tipo de relación entrada salida, los sensores pueden ser de orden 0,1 orden o de orden superior. El orden está relacionado con el número de elementos almacenadores de energía independientes que incluyan al sensor.

Criterio

Clases

Ejemplos

Aporte de energía

Moduladores y generadores

Termistor, termopar

Señal de salida

Analógicos y digitales

Potenciómetro, codificador de posición

Modo de operación

Reflexión y comparación

Acelerómetro de flexión

Convertidores de señal

1.- electro-mecánica

a) interruptores mecánicos

Tienen uno o varios pares de contactos que se abren y se cierran en forma mecánica, con lo que cierran y abren circuitos eléctricos

Los interruptores mecánicos tienen una cantidad de “polos” y “tiros”. Los polos determinan la cantidad de circuitos independientes y los tiros la cantidad de contacto.

SPST SPDT

DPDT

Otro tipo de convertidores mecanico-electrico, llamado microswitch.

b) Opto-eléctrico

-Fotodiodo

Son diodos que están conectados en un circuito con polarización inversa por lo que su resistencia es muy elevada. Cuando la luz incide en el diodo la resistencia del diodo disminuye y la corriente del circuito aumenta.

-Fototransistor

Funciona cuando hay una corriente en la base y cuando hay incidencia de luz

M


-Fotorresistor

Es una resistencia que varía dependiendo de la intensidad de la luz

Soluciones para el problema de rebote en interruptores mecánicos

-hardware

1.- por medio de flip-flop

El flip-flop es el elemento mas básico de memoria, nos permite almacenar un bit de información. El modo de funcionamiento del flip-flop “D” consiste en garantizar una salida “Q” en un valor de 1. En el momento que coincida nuestra señal “de” con el pulso de reloj; evitando así el problema de rebote.

2.-Por medio de Schmitt-triger

II



R2

R1

C

Software

Esta solución consiste en programar un tiempo de 20 ms a partir del momento en que se produce el primer rebote. Después de haber pasado este tiempo el valor del interruptor será el valor de salida

Sensores Capacitivos:

Los sensores de propiedad capacitiva han sido creados para detectar objetos que se aproximen a la superficie en su radio de capacitancia.

Los elementos que componen a este sensor son: una sonda capacitiva, un oscilador, un rectificador de señal y un circuito de salida.

En ausencia de objetos el oscilador se encuentra inactivo. En cambio cuando un objeto se aproxima este aumenta la capacitancia de las ondas de detección. Al superar un cierto nivel de capacitancia, se activa el oscilador, disparando así el circuito de salida entre encendido y apagado

La capacitancia de los sensores depende de:

-El tamaño del objeto a detectar (específicamente la superficie del objeto a detectar)

-La constante dieléctrica

-La distancia del objeto al sensor

A mayor tamaño y mayor constante dieléctrica de un objeto, es mayor el incremento de capacitancia. Entre mayor distancia del objeto y el sensor menor capacitancia en las ondas.

Corrección del examen

Sensores: elemento que a partir de una magnitud cualquiera genera una señal medible

Transductor: el elemento que a partir de una energía de un tipo se transforma en otra distinta

Diferencia entre un sensor y u transductor: la única diferencia es que la señal de salida del sensor es una señal medible

Rol de los sensores en un sistema mecátronico: proporcionar el sistema de medición para controlar los procesos

Sensores fotoeléctricos (ópticos)

Estos sensores detectan haces de luz

Gracias a ello podemos controlar variables en los materiales como:

- color y opacidad

- transparencia y translucidez

Los componentes a grandes rasgos son:

Con E: fuente de luz o emisor

Con R: detector o receptor

Circuito lógico Circuito salida


E


R


Tipos de sensores fotoeléctricos:

Directo o de haz de luz:

R

E


NO HAY DETECCION

E

R


HAY DETECCION

Ventajas: alcanza a detectar a largas distancias

Desventajas: módulos emisor y receptor separados igual 2 cableados a corta distancia no detecta objetos traslucidos

Retro reflector o réflex:

R

E

R

E


No hay deteccion Hay deteccion

Ventajas: existe un solo modulo e/r = un solo cableado

Desventajas: requiere un reflector, no detecta objetos reflejantes

Difuso:

Este sensor aprovecha las propiedades reflectivas de los materiales

E


E


R


R


Sin deteccion Hay deteccion

Fibra óptica:

Son conductores de luz cuya función es llevar la luz a largas distancias sin pérdida de potencia considerable

Existen dos materiales comunes para fabricar fibras ópticas

1.- fibra de vidrio es poco flexible pero su fidelidad es alta ayuda en aplicaciones a larga distancia

2.- fibra de plástico (acrílico) son muy flexibles, aunque su fidelidad a largas distancias no es 100% son más baratas

Aplicaciones:

Directo: detector de piezas pequeñas

Difuso: detección en lugares difíciles

Sensores de temperatura

¿Por qué la temperatura?

Tipos de sensores térmicos

Termopar:

Está basado en la unión de 2 metales que varía su tensión dependiendo de los cambios de temperatura

Resistivos:

Varían su resistencia eléctrica en los cambios de temperatura

R m+

PTC

T

R

NTC

T

Semiconductores:

Son aquellos sensores térmicos que conducen o no, dependiendo de la temperatura a la que estemos

Sensores termopares:

La siguiente tabla nos indica los diferentes tipos de sensores termopares estandarizados (ANSI) y su razón de voltaje/°c

ANSI

razón mv/°c

B

13.6

C

37

E

75

J

42.9

K

56

N

51.8

R

18.7

S

16

T

26

Sensor tipo J Morgan 0- 760° c

¿Qué voltaje me ofrecieron a 200°c si a 0°c tengo 0v?

8.58v

¿Y a 760 °c?

32.604v

Operación:

.0429 x 200 = 8.58v

Codificadores

¿Qué son?

Son dispositivos que ofrecen una salida digital dependiendo de un desplazamiento angular o lineal

Tipos:

Incremental:

Las pulsaciones que detecta son proporcionales al desplazamiento

sensor optico

Codificador incremental lineal

Absoluto:

Este codificador tiene como salida un código binario que este corresponde a la posición exacta de desplazamiento

No utilizan el código DCB sino el código GRAY por cuestiones de evitar errores de lectura

D

C

B

G

R

A

Y

0

1

2

0

1

2

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

1

0

0

1

1

0

1

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

1

0

1

1

0

0

Relevadores

Compuestos

1 bobina, 2 o más contactos eléctricos

¿Cómo funciona?

Al aplicar un voltaje a la bobina, se genera un campo magnético lo suficientemente fuerte, como para atraer una laminita, esta lamina abre y cierra contactos electricos

Simbología

Bobina Contacto normalmente cerrado Contacto normalmente abierto

Diagrama de control

b1 b2 b3

R1


L1

L2


Diagrama de memoria