5º jornadas amuva - sensores

SENSORESSENSORES

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• Introducción: definiciones y clasificación

• Sensibilidad, Rango y Ruido

• Señales Analógicas y Digitales

• Sensores habituales en Microbots

Sensores de Luz: CNY70, Fotorresistencias, Fotodiodos, GP2D12

Sensores de Contacto: Bumpers

Sensores de Posición: Encoders, Potenciómetros

Sensores de Proximidad: Ultrasonidos, Inductivos, Capacitivos

• Descripción de Circuitos Electrónicos. Aplicaciones

• Tendencias Futuras

II Jornadas de Nuevas TecnologiasSENSORES

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• Qué es un sensor ?

SensorMundo FísicoSer Humano

Robot

Un sensor es cualquier dispositivo que realice la conversión de una magnitud física (presión, caudal, velocidad...) en una señal más fácil de medir y de tratar, por lo general de carácter eléctrico. También se les denomina transductores.

Las señales eléctricas que genera son proporcionales a los cambios que produce algún fenómeno físico. El desarrollo de la microelectrónica permite un tratamiento muy potente de las señales eléctricas generadas por los sensores.


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• Por qué usamos sensores?

La capacidad que tiene el hombre de manipular el entorno está limitada por la cantidad, calidad y tipo de sensores de que disponga.

El cuerpo humano viene equipado de serie con algunos sensores que nos permiten interaccionar y conocer algunas características de nuestro entorno.


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• Por qué usamos sensores en Microbótica?

Los sensores permiten obtener información del entorno, cerrando el lazo de realimentación que une el microcontrolador con los sistemas de actuación, por lo general motores.

Un microbot debe realizar algún tipo de tarea en un entorno. Su comportamiento vendrá determinado por alguna característica física dinámica del mismo.

Microcontrolador Etapa Potencia Motores

Sensores


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• Una reflexión: la cinestesia

“ La cinestesia hace referencia a un tipo de sensibilidad del tipo propioceptiva que nos permite conocer en todo momento la posición y orientación de nuestros miembros sin necesidad de establecer un contacto visual con los mismos “

• Una reflexión: Realidad Aumentada

Los órganos de los sentidos son limitados. El uso de los sensores permite percibir fenómenos físicos que están fuera de la escala de percepciones del ser humano. Por lo tanto, los sensores son una ampliación de los sentidos.


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• Tipos de Sensores

Según la naturaleza de la señal

• mecánicos, térmicos, magnéticos, eléctricos, ópticos y moleculares.

Según el tratamiento que se de a la señal• analógicos

• digitales o binarios

Sensores Activos

• efectos termoeléctrico, pieozoeléctrico, fotovoltaico

Sensores Pasivos

• resistivos, inductivos, capacitivos


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• Sensibilidad

• La sensibilidad es la relación entre la variación de la magnitud real medida y la variación de la señal eléctrica generada por el sensor.

xx

Srr

·

x

tt

r


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•Rango

• El rango hace referencia al intervalo de valores detectables por un sensor. Los sensores suelen calibrarse en un punto de funcionamiento y se establece una escala de valores.

• Por ejemplo, un voltímetro permite elegir diferentes escalas de medida: mV o V, CC o CA.


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•Ruido

• El ruido es el efecto que se produce en cualquier tipo de señal debido a la presencia de fuentes naturales o artificiales que perturban el valor real de la señal.

•Tener presente que estamos rodeados de distintas fuentes que perturban las señales: la red eléctrica de 50 Hz, microondas, interruptores o máquinas que se ponen en funcionamiento, líneas telefónicas....

• La forma de combatir contra los ruidos eléctricos es utilizando filtros electrónicos, utilizando generalmente amplificadores operacionales. Los filtros paso-bajo sólo dejan pasar señales cuya frecuencia es menor que una determinada.


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•Ruido

Jornadas de Iniciación a la MicrobóticaSENSORES

0 1 2 3 4 5 6-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5sin(x)+0.1*cos(50*x)

0 1 2 3 4 5 6-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

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• Los modernos microcontroladores tienen salidas/entradas digitales/analógicas. Según el tipo de aplicación que realicemos será interesante utilizar uno u otro tipo de entradas/salidas.

• Las señales analógicas son aquellas cuyo rango de variación es continuo, es decir, el paso de un valor a otro se hace sin saltos bruscos.

• Las señales digitales son aquellas cuyo rango de variación no es continuo, es decir, no son capaces de representar todos los posibles estados de una señal, sólo los que están cuantificados.

0 1 2 3 4 5 6

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1


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• Señales Digitales

• El PIC16F88 de sus 18 patillas posee 16 E/S:


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• Señales Analógicas

• El PIC16F88 dispone de 5 pines analógicos:


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• Señales Analógicas

• Puerto B del PIC16F88 dispone de:


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Sensores de Luz• Corresponden a sensores capaces de detectar luz visible y luz infrarroja. Hablaremos de los siguientes:

• Sensores habituales en Microbótica

• Fotorresistencias

• CNY70

• Sensores de Proximidad infrarrojos: GP2D12

• Reflexivo IS471F

• Fotodiodos y Fototransistores

• Cámaras CCD

• La optoeléctronica engloba a todos los dispositivos que basan su comportamiento en la incidencia de algún tipo de radiación electromagnética, por lo general radiación visible o infrarroja cercano.


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Fotorresistencias o LDR (Light Dependent Resistors)

• Las fotorresistencias son las más empleadas para la detección de luz. Es un sensor del tipo resistivo. La resistencia varía según el nivel de iluminación que incide sobre el sensor.

• Pueden utilizarse como sensores analógicos, midiendo la intensidad luminosa que reciben, o como sensores digitales, fijando un umbral de iluminación como punto de conmutación.

• Sensores habituales en MicrobóticaSensores habituales en Microbótica


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CNY70

• El CNY70 es un sensor compacto que se emplea mucho en las pruebas de sumo y rastreadores. La ventaja de este sensor es que en un mismo encapsulado contiene la fuente de iluminación y de detección.

• Contiene en un mismo encapsulado un LED y un fototransistor. El LED es la fuente de iluminación infrarroja y el fototransistor es elemento detector. El punto de operación se sitúa entorno a los 950 nm. La distancia máxima de detección es de 0.3 mm.

• El circuito del LED requiere de una resistenciade unos 330 Vpara polarizar correctamente el LED (Imax = 10 - 40 mA)



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• Sensores habituales en MicrobóticaSensores habituales en MicrobóticaLEDS• Un diodo emisor de luz es un dispositivo de unión PN que cuando se polariza directamente emite luz.

• Los LEDs operan con un voltaje relativamente bajo, entre 1 y 4 volts y la corriente está en un rango entre 10 y 40 mA. Se debe colocar una resistencia en serie para limitar la corriente que circula por el LED. Cada LED debe tener su propia resistencia.

5 V

2 2 0


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• Sensores habituales en MicrobóticaSensores habituales en MicrobóticaGP2D12

• La distancia de operación varía entre 10 y 80 cm. El color y la reflectancia de los objetos iluminados tiene baja influencia. Se puede utilizar en las pruebas de sumo para detectar la distancia del contrincante, como alternativa a los ultrasonidos.

• El GP2D12 es un sensor de distancia fabricado por Sharp.


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• Sensores habituales en MicrobóticaSensores habituales en MicrobóticaReflexivo IS471F• Detector luminoso de proximidad con circuito procesador incorporado para sistemas de modulación luminosa.

• Consiste en un diodo de emisión infrarrojo y de un fototransistor de silicio NPN montados en la misma cara y recubiertos por una carcasa de plástico. El fototransistor responde a la radiación procedente del emisor sólo cuando un objeto reflectante se antepone a su campo visual.

Reflexivo OPB704

• Este sensor permite detectar movimiento de personas y mascotas. Tambien puede emplearse para encontrar fuentes de calor. El interfaz con el micro consiste sólo en un pin analógico. El sensor está sintonizado para detectar la emisividad infrarroja del cuerpo humano.

Piroeléctrico


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Fotodiodos y Fototransistores

• Se encuentran en encapsulados junto con un LED en los optoacopladores.

• Los fotodiodos son diodos cuyas características eléctricas varían con la intensidad de luz. Para aprovechar este comportamiento conviene polarizar el diodo en inversa.

• Los fototransistores se comportan como interruptores accionados por RE. Su comportamiento es parecido a los fotodiodos, pero son mucho más sensibles debido a la ganancia intrínsica del transistor.



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• Sensores habituales en MicrobóticaSensores habituales en MicrobóticaReferencias:TCS1000TCS1000

TCS2000TCS2000

CNY70CNY70

GP1A01GP1A01TCS1103TCS1103

H21A1H21A1

H21A2H21A2

H22A2H22A2

H24B2H24B2

OPB701OPB701

OPB707OPB707

OPB711OPB711

OPB742OPB742

OPB804OPB804


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Bumpers• El bumper es un conmutador de 2 posiciones con muelle de retorno a la posición de reposo y con una palanca de accionamiento mas o menos larga según el modelo elegido.

• En estado de reposo la patita común (C) y la de reposo (R) están en contacto permanente hasta que la presión aplicada a la palanca del bumper hace saltar la pequeña pletina acerada interior y entonces el contacto pasa de la posición de reposo a la de activo (A),


APLICACIONES: • Detección de obstáculos


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• Sensores habituales en MicrobóticaSensores habituales en MicrobóticaEncoders

• Son dispositivos que sirven para determinar la posición de un eje o para calcular la velocidad angular de giro.

• Los encoders empleados en microbótica son generalmente ópticos. Se basan en el paso o no de la luz por un patrón codificado en un disco ranurado. Los ratones de bola hacen uso de este tipo de sensores para determinar la dirección de movimiento.

• Los códigos utilizados son cíclicos, por lo común se emplea el código Gray.

APLICACIONES: • Realimentación de la posición angular de un eje• Cálculo de velocidades angulares• Detección del sentido del movimiento


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• Sensores habituales en MicrobóticaSensores habituales en MicrobóticaPotenciómetros

• Un potenciómetro es una resistencia que varía según la posición de un cursor.

• Los hay en varias configuraciones: desplazamiento lineal y angular.

• Según el comportamiento al mover el cursor los hay lineales y logarítmicos.

• También existe la posibilidad de encontrarlos multipaso o de un solo paso.

• Es importante elegirlos de una escala acorde con nuestra aplicación.

APLICACIONES: • Realimentación de la posición angular de un eje• Ajuste de la sensibilidad de un circuito con componentes optoelectrónicos.


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• Sensores habituales en MicrobóticaSensores habituales en MicrobóticaUltrasonidos

• Los ultrasonidos son ondas acústicas con una frecuencia superior a 20 kHz. • Los generadores de ultrasonidos modernos permiten generar frecuencias del orden de GHz.

• Las altas frecuencias tienen longitud de onda cortas, lo cual les permite reflejarse desde cualquier objeto.

• La detección y medida de ultrasonidos se realiza mediante receptores piezoeléctricos o por medios ópticos.

APLICACIONES:• Medición de flujo, como el refrigerante en una planta nuclear• Pruebas no destructivas• Procesos de conformación de materiales (acero blando, tungsteno...) • Medición de distancias. Localización de objetos.• Electrónica...


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• Sensores habituales en MicrobóticaSensores habituales en MicrobóticaUltrasonidos: detector de movimiento

UT

X

UR

X

UTX

URX


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Sensores de Temperatura•El sensor se presenta en diferentes encapsulados pero el mas común es el to-92 de igual forma que un típico transistor con 3 patas, dos de ellas para alimentarlo y la tercera nos entrega un valor de tensión proporcional a la temperatura medida por el dispositivo. Con el LM35 sobre la mesa las patillas hacia nosotros y las letras del encapsulado hacia arriba tenemos que de izquierda a derecha los pines son: VCC - Vout - GND.


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• Sensores habituales en MicrobóticaSensores habituales en MicrobóticaSENSOR DE INCLINACION

•Proporciona una tensión de salida proporcional al grado de inclinación. El sensor se conecta directamente en el circuito de control en alguna de los conversores analógicos digitales y permite saber al robot cual es su grado de inclinación actual, de una forma muy sencilla. Características técnicas: Rango de medida +- 60º. Resolución: 0,1 º. Tiempo de respuesta: 0,5 Sec. Alimentación: 5V 1 mA. Peso 5 g. Sensibilidad: 30 uS/º. Medidas 15 x 19 x 12 mm.

APLICACIONES: • Movimiento.


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• Sensores habituales en MicrobóticaSensores habituales en MicrobóticaACELERACIÓN LINEAL

•Formado por una cápsula hermética que contiene un contacto normalmente abierto y que se cierra cuando se produce una aceleración o impacto superior a 5 G +-1,5 G. Cuando en nivel de aceleración decrece por debajo del umbral de disparo, el contacto se habré de nuevo. Este sensor resulta útil para detectar impactos y agresiones en los robots. Dado la brevedad del contacto en caso de impacto, es recomendable utilizarlo junto con alguna entrada de interrupción, o con algún circuito de tipo biestable con memoria que permita reconocer el evento ocurrido.


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• Sensores habituales en MicrobóticaSensores habituales en MicrobóticaBRÚJULA DIGITAL

•Es un sensor de campos magneticos que ofrece una precision de 3-4 grados y una resolucion de decimas. Interfaces, mediante pulsos temporizados (modulación en anchura), o bien por medio de un bus I2C. Este sensor magnetico esta especificamente diseñado como sistema de navegacion para robots. Un ejemplo de sensor: KMZ51 de Philips, lo suficientemente sensibles como para captar el campo magnetico de la tierra. Usando dos de estos sensores colocados en angulo de 90 grados, permite al microprocesador calcular la direccion de la componente horizontal del campo magnetico natural.


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• Sensores habituales en MicrobóticaSensores habituales en MicrobóticaOTROS SENSORES:

•EFECTO HALL •SENSORES CHOQUE E INCLINACIÓN •SENSOR DE GASES •SENSOR DE PRESIÓN •TENSIÓN


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• Descripción de Circuitos Eléctricos. AplicacionesDescripción de Circuitos Eléctricos. AplicacionesFotorresistencias

• La tensión Vout puede utilizarse interpretarse como señal analógica o como señal digital. La sensibilidad se puede ajustar con un potenciómetro.

L D R

V o u t

5 V

1 0 k

L D R

V o u t

5 V

1 0 k

• Necesitamos una fuente de iluminación lo más uniforme posible


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• Descripción de Circuitos Eléctricos. AplicacionesDescripción de Circuitos Eléctricos. AplicacionesCNY70

220

47k

A

K

C

E

a l m icro co n tro la do r

4 0 1 0 6

V cc (5 V )


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• Descripción de Circuitos Eléctricos. AplicacionesDescripción de Circuitos Eléctricos. AplicacionesTrigger Smith 40106

• Para poder conformar las señales a los sistemas digitales como puede ser nuestro circuito o a la entrada de un microcontrolador hemos utilizado puertas inversoras Trigger Schmitt, que además tienen la ventaja de que en el mismo chip nos encontramos con seis inversores.


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• Descripción de Circuitos Eléctricos. AplicacionesDescripción de Circuitos Eléctricos. AplicacionesFotodiodos

5 V

V o u t

1 0 k

5 V

2 2 0


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• Descripción de Circuitos Eléctricos. AplicacionesDescripción de Circuitos Eléctricos. AplicacionesBumpers

• 0 lámina libre

• 1 lamina presinoda 4 7 k

RC A

V cc4 0 1 0 6

V o u t


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• En el futuro los avances en la nanotecnología y de la micromecánica permitirán el desarrollo de mecanismos de precisión integrados en pastillas de silicio.

• Otra línea de investigación es la que trata de fusionar la biología con la microelectrónica. Los sensores que hagan uso de esta tecnología disponen de una parte activa biológica (enzimas, bacterias) y una parte microelectrónica que se encarga del procesamiento de las señales biológicas.

• Los primeros sensores biológicos se emplearon para el análisis de las sustancias orgánicas, como la concentración de azúcar en la sangre, aplicación muy interesante para el desarrollo de aparatos de inyección automática de insulina en el caso de diabéticos.


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• Galerías de Robots LEMURLEMUR: es un robot de 6 patas desarrollado en el JPL capaz de escalar por pequeñas estructuras reticulares. Dispone de visión estéreo, sensores inerciales y sensores de contactoDirección de contacto: http://prl.jpl.nasa.gov/projects/lemur1/lemur_index.html


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