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Elementos de Mecatrónica

Dr. José Sebastián Gutiérrez Calderón Profesor Investigador - Ingenierías UP [email protected]

Temas generales del curso • Conceptos básicos de la mecatrónica

• Características principales de los transductores

• Sensores y sistemas de medición

• Actuadores y mandos

• Mecanismos para la automatización

• Control por computadora

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Unidad 3: Sensores y sistemas de medición (continuación…)

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Sensores de posición, desplazamiento y proximidad • Sensores resistivos

• Sensores inductivos y capacitivos

• Sensores ópticos

Sensores de presión

Sensores de temperatura • Resistivos: (Resistance Temperature Detectors) RTDs

• Termoeléctricos o termopares

Sensores de velocidad, aceleración • Teoría de acelerómetros y sismómetros

• Acelerómetros inductivos

• Acelerómetros piezoeléctricos

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Clasificación de los sensores

Sensores de desplazamiento Los sensores de desplazamiento miden la magnitud en la que se desplaza un objeto.

Funcionan electromecánicamente.

Constan de una resistencia de valor fijo sobre la cual, se desplaza un cursor dividiendo a la resistencia eléctricamente.

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Sensores de desplazamiento Potenciómetro:

Es un elemento resistivo que tiene un contacto deslizante llamado cursor, que puede desplazarse a lo largo del elemento. Estos elementos se pueden usar en desplazamientos lineales o rotacionales.

El desplazamiento se convierte en una diferencia de potencial.

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Estos potenciómetros relacionan el cambio de la posición (lineal o rotacional) en un cambio de resistencia.

El cambio de resistencia se convierte en un cambio de voltaje proporcional en la parte del circuito eléctrico del sensor.

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Para un potenciómetro ideal el voltaje de salida es:

donde x = desplazamiento traslacional, q = desplazamiento rotatorio y K∙Vr es una función de la resistencia del devanado y de la forma física del devanado.

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Vsal= K ∙ Vr ∙ q Vsal= K ∙ Vr ∙ x

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Sensores de desplazamiento Potenciómetro rotacional:

Esta formado por una pista o canal circular con devanado de alambre o por una capa de plástico conductor; sobre la pista rota un cursor giratorio y ésta puede ser una sola circunferencia o helicoidal.


Material resistivo

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A la hora de conectar un potenciómetro, se puede utilizar el valor de su resistencia total o el de una de las resistencias variables ya que los potenciómetros tienen tres terminales, dos de ellos en los extremos de la resistencia total y otro unido al cursor.


Resistencia Flecha o cursor

Terminal Terminal

Terminal variable

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Los potenciómetros se conectan en paralelo al circuito y se comporta como un divisor de voltaje.


1 2 3

Entrada

1

2

3

Tierra

Elemento resistivo Contacto

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Sensores de desplazamiento Potenciómetro lineal:

La medida se obtiene mediante el deslizamiento de unas escobillas sobre una pista plástica resistiva, que en función del punto donde se encuentre, dará un valor proporcional en resistencia.

Estos se utilizan para medir desplazamientos que van desde 1 mm hasta 1m aproximadamente.


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Ejemplos:


Pedales de guitarra. Mezcladora de música.

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Ejemplos:


Pedal para videojuegos. Dispositivos táctiles.

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Sensores de presión Piezoeléctrico:

Son dispositivos que utilizan un efecto piezoeléctrico para medir presión, fuerza y aceleración. Transforman las lecturas en señales eléctricas.


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Cuando un material piezoeléctrico se estira o comprime genera cargas eléctricas.

Los materiales piezoeléctricos son cristales iónicos que al estirarlos o comprimirlos producen una distribución de carga que origina un desplazamiento neto de carga (carga positiva en una cara material y negativa en la otra cara).


Fuerza

+ + + + + + +

- - - - - - - - Las superficies se cargan

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La carga neta q en una superficie es proporcional a la cantidad x de las cargas desplazadas, y dado que el desplazamiento es proporcional a la fuerza aplicada F.

donde k es una constante y S es una constante denominada sensibilidad de carga (depende del material y dirección del cristal).

• El cuarzo tiene una sensibilidad de 2.2 pC/N

• El titanato de bario tiene una sensibilidad de 130 pC/N

• El titanato – zirconato tiene una sensibilidad de 265 pC/N


𝑞 = 𝑘 𝑥 = 𝑆 𝐹

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En dos caras opuestas del cristal piezoeléctrico se colocan electrodos metálicos. La capacitancia C del material que esta entre la placa se puede calcular mediante:

donde er es la constante dieléctrica relativa del material, A es el área metálica y t es el espesor de ésta.


Área A

t 𝐶 =𝜀0 𝜀𝑟 𝐴

𝑡

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Dado que la carga q = C v, donde v es la diferencia de potencia creada en el capacitor, entonces:

De esta forma, la fuerza F se aplica en un área A, por lo que la presión aplicada p es F/A y si Sv = (S/ eo er), llamado factor de sensibilidad de voltaje:


𝑣 =𝑆𝑡

𝜀0 𝜀𝑟 𝐴 𝐹

𝑣 = 𝑆𝑣 𝑡 𝑝

Diferencia de potencial

El voltaje es proporcional a la presión aplicada.

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Ejemplos:


Pastillas para amplificar sonido. Báscula electrónica.

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Ejemplos:


Contador de vehículos. Medición de velocidad.

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Sensores de presión Táctil:

Este sensor táctil es una forma particular de sensor de presión. Es usado en pantallas sensibles al tacto, donde se requiere detectar el contacto físico.

El sensor táctil utiliza una capa de fluoruro de polivinilideno piezoeléctrico PVDF (polyvinylidene flour). Para este tipo de sensor, se utilizan dos capas de la película separadas por una capa suave, la cual transmite las vibraciones.


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Sensores de presión Táctil:

A la capa inferior 3 de PVDF se le aplica un voltaje alterno que produce oscilaciones mecánicas en la película. La película intermedia 2 transmite estas vibraciones a la capa 1 de PVDF de la parte superior.

Debido al efecto piezoeléctrico, estas vibraciones producen un voltaje alterno a través de la película superior y cuando se aplica presión a la película superior de PVDF se afectan sus vibraciones y se modifica el voltaje alterno de salida.


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Sensores de presión Galga extensiométrica:

Es un alambre metálico, una cinta de papel metálico o una tira de material semiconductor en forma de oblea que se adhiere a la superficie como si fuera un timbre postal.


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Para sensar se basa en la variación de longitud y diámetro (y, por lo tanto, de resistencia) que tiene lugar en el hilo del conductor o semiconductor al ser sometido a un esfuerzo mecánico como consecuencia de una presión (efecto piezoresistivo).


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Cuando se somete a un esfuerzo, la resistencia R cambia, y el cambio de resistencia DR/R es proporcional al esfuerzo e y a la constante de proporcionalidad G, es decir:

donde G, se conoce también como factor de calibración o factor de sensibilidad (2.0 para extensómetros de alambre metálico o papel metálico)


DRR

= G e

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Un problema en todos los extensómetros es que su resistencia no sólo cambia con el esfuerzo, sino también cambia con la temperatura.

Los extensómetros de semiconductor tienen mayor sensibilidad a la temperatura que los extensómetros mecánicos.

Por ejemplo, un extensómetro con resistencia eléctrica de 100 W y un factor de calibración de 2.0 ¿Cuál es el cambio de resistencia cuando se somete a un esfuerzo de 0.001(e)?

Cambio de resistencia = 2.0 x 0.001 x 100 = 0.2 W


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Sensores de temperatura

Los cambios que se utilizan para monitorear la temperatura son la expansión o contracción de sólidos, líquidos o gases, el cambio en la resistencia eléctrica de conductores y semiconductores.

La resistencia de la mayoría de los materiales aumenta, en un intervalo limitado de temperatura, lineal con la temperatura:

donde Rt es la resistencia a una temperatura en °C, R0 la resistencia a

0°C y a coeficiente de temperatura de la resistencia.


Rt = R0 ( 1 + a t )

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Sensores de temperatura

Entre los sensores más comunes empleados para medir temperatura con instrumentación electrónica se encuentran:

• RTD’s (termoresistencia)

• Termistores

• Sensores de circuito integrado (IC )

• Termopares


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Sensores de temperatura RTD (termoresistencia):

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 (- 200°C y aprox. 600°C), donde no se

pueden utilizar semiconductores u otros materiales sensibles.


Transductor RTD Sensor RTD

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Sensores de temperatura RTD (termoresistencia):

Las características que deben tener los metales son un alto coeficiente de resistencia y alta resistividad para que tenga mayor sensibilidad y que haya una relación lineal entre la resistencia y la temperatura.

El platino es el metal más óptimo, ya que, además de cumplir las características, tiene un rango de temperatura mayor; pero, puesto que es muy caro, se utilizan otros como el níquel o cobre.


../Videos/RTD.mp4

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Sensores de temperatura Termistores:

Se emplean fundamentalmente para temperaturas entre los -50°C y los 150°C no obstante las unidades encapsuladas pueden alcanzar los 300°C. El tamaño reducido de los termistores hace que la respuesta a los cambios de temperatura sean muy rápidas.

Este sensor resistivo de temperatura, sensible a la temperatura, experimenta grandes cambios en la resistencia eléctrica cuando está sujeto a pequeños cambios de temperatura.

• Si la temperatura aumenta, disminuye la resistencia.

• Si la temperatura disminuye, aumenta la resistencia.


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Este sensor semiconductor contiene pequeñas piezas de materiales hechas con mezclas de óxidos metálicos como el cromo, cobalto, hierro, magnesio y níquel.

El material puede tener formas como discos, cápsula y varillas.


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Ejemplos:


Sensor de refrigerante motor. Alarma contra incendio.

../Videos/TERMISTOR.mp4

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Hay dos clases de termistores los que presentan un coeficiente negativo de temperatura (NTC), cuya resistencia disminuye con la temperatura y coeficiente positivo con la temperatura (PTC) cuya resistencia aumenta con la temperatura.

Los termistores NTC son los más usados para medición de temperatura. Valores comunes de termistores son 2,252 W, 5,000 W

y 10,000 W.


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Ejemplos:


Temperatura del motor. Temperatura de líquidos.

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Sensores de temperatura Circuito integrado:

Los sensores de circuito integrado se fundamentan en la característica de la unión p-n de los semiconductores. Este chip presenta una salida lineal y proporcional a la temperatura.

Por estar hechos a base de silicio, su rango de temperatura está limitado aproximadamente a los 150 °C.

Una de las principales ventajas estos sensores es su fácil utilización. Entre las desventajas se tienen: el limitado rango de temperatura, la necesidad de alimentación y el auto calentamiento.


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Sensores de temperatura Circuito integrado:

Ejemplos:


Termostato (interruptor) Cámara con detección temperatura.

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Sensores de temperatura Termodiodos:

El diodo semiconductor de unión con frecuencia se utiliza como sensor de temperatura.

Cuando cambia la temperatura de los semiconductores con impurezas, también se modifica la movilidad de sus portadores de carga, lo cual afecta la velocidad de difusión de electrones y huecos a través de una unión p-n.

La medida de la diferencia de potencial en un diodo con una corriente constante puede servir como medida de la temperatura.


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Por lo tanto si una unión p-n tiene una diferencia de potencial V, la corriente I que circula por la unión será una función de temperatura, la cual esta dada por:

donde T es la temperatura (˚K), e la carga de un electrón y k e I0 constantes.

En términos de voltaje se puede expresar como:


𝐼 = 𝐼0 𝑒𝑒𝑉𝑘𝑇 − 1

𝑉 =𝐾𝑇

𝑒𝑙𝑛

𝐼

𝐼0+ 1

Así la temperatura es constante, y V es proporcional a la temperatura (˚K).

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Estos sensores también son compactos como los termistores, pero la gran ventaja de estos sensores es que su respuesta es una función lineal de la temperatura.

LM3911, tiene este tipo de diodos. El voltaje de salida es proporcional a la temperatura a razón de 10mV/˚C.


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Sensores de temperatura Termotransistores:

En un termotransistor el voltaje en la unión de la base y el emisor depende de la temperatura y sirve como medida de la misma

Estos transistores se combinan con otros componentes en un solo encapsulado para obtener un sensor de temperatura con su acondicionamiento de señal asociado, ej. LM35, es un sensor con un intervalo de entre -40 ˚C a 110 ˚C y un voltaje de salida de 10mV/˚C.


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Sensores de temperatura Termopares:

El funcionamiento se basa en el principio físico de la unión de dos alambres de metales diferentes que produce una diferencia de potencial (fuerza electromagnética por el efecto Seebeck) en los dos extremos que no se encuentran en contacto.


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• Sensores de temperatura más populares, fáciles de usar y baratos.

• Excelente linealidad sobre rangos de temperaturas grandes.

• La salida de voltaje del termopar es de milivolts (mV).

• Los termopares son adecuados para la medición de temperatura en un rango de entre 0°C y +1800°C.

• Destacan por su tiempo de respuesta rápido y su alta resistencia a vibraciones.


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Existen varios tipos de termopares; estos se identifican mediante letras mayúsculas que indican su composición de acuerdo a las convenciones establecidas por la ANSI (American National Standards Institute ). El 90% de los termopares son del tipo J o del tipo K.

Por ejemplo un termopar tipo J está hecho de la unión de material A Hierro (Fe) y material B constantán (cobre-nickel).


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Usos del termopar J:

• Mediciones de 0 a 700 °C.

• Industria del plástico y goma (extrusión e inyección).

• Medición en tambores rotatorios con termopares de contacto.

• Temperatura de motores (carcaza).

• Procesos en general donde el sensor está sometido a vibración.


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Usos del termopar K:

• Fundición de metales hasta 1300°C (no ferrosos).

• En agujas de una jeringa para tomar temperatura en el interior de una fruta.

• Hornos en general.


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Ejemplos:


Piloto de calentador de agua

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Sensores de velocidad Tacómetro:

Sirve para medir la velocidad angular. Su funcionamiento es sencillo, ya que convertir la energía rotacional del eje en cuestión en energía eléctrica, proporcional a la rotacional y que puede ser fácilmente medida. La velocidad se mide en revoluciones por minuto (RPM). Existen medidores con contacto y sin contacto (óptico).


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Un tipo de tacómetro es el de reluctancia variable, el cual esta formado por una rueda dentada de material ferromagnético unida a un eje. En un imán permanente se enrolla un devanado y conforme gira la rueda los dientes pasan por la bobina, variando el volumen de aire entre la bobina y el material ferromagnético.


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Si la rueda tiene n dientes y gira a una velocidad angular w, el cambio de flujo con el tiempo en la bobina sería:

donde Φ0 es el valor medio de flujo y Φ𝑎 la amplitud de variación de flujo. La fem inducida, e, en las N vueltas de la bobina captadora es, por tanto:

donde 𝐸𝑚á𝑥= 𝑁 Φ𝑎 𝑛 𝑤, es el valor máximo de la fem inducida. El valor máximo de la fem inducida es una medida de la velocidad angular.


Φ = Φ0 + Φ𝑎 cos 𝑛 𝑤 𝑡

e = 𝐸𝑚á𝑥 𝑠𝑒𝑛 𝑤 𝑡

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Sensores magnéticos

Los sensores magnéticos son dispositivos electrónicos que reaccionan a la presencia de un campo magnético generado por el imán; por ejemplo en un pistón su uso permite la simplificación considerable en la instalación neumática y permite una inmediata posibilidad de comunicación con circuitos eléctricos o electrónicos.

Un tipo de sensor magnético muy simple son los sensores tipo Reed Switch.


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Sensores magnéticos

Ejemplos:


Pistón neumático. Capota para coches.

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Sensores efecto Hall

El efecto Hall fue descubierto por Edwin C. Hall en 1879. En sus primeros experimentos Hall encontró que si se aplicaba un campo magnético elevado a una fina lámina de oro por la que circula corriente, se produce un voltaje en la lámina transversalmente a como fluye la corriente, y a este voltaje se llamó voltaje Hall.

Para esto es necesario que la dirección del campo magnético sea perpendicular a la dirección de flujo de la corriente.

Este efecto consiste básicamente en la producción de una caída de voltaje a través de un conductor o semiconductor con corriente, bajo la influencia de un campo magnético externo.


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El efecto Hall fue descubierto por Edwin C. Hall en 1879. En sus primeros experimentos Hall encontró que si se aplicaba un campo magnético elevado a una fina lámina de oro por la que circula corriente, se produce un voltaje en la lámina transversalmente a como fluye la corriente, y a este voltaje se llamó voltaje Hall.

Para esto es necesario que la dirección del campo magnético sea perpendicular a la dirección de flujo de la corriente.


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Un sensor de efecto Hall es una delgada oblea de material semiconductor o una película de semiconductor depositada sobre un sustrato dieléctrico. Se utiliza para detectar movimiento, posición o cambio en un material magnético o ferromagnético o en un campo electromagnético, cuando existe un campo eléctrico aplicado.

Su consumo de energía es muy bajo, es estable térmicamente y de bajo costo.


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Los sensores basados en efecto Hall constan 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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Estos sensores son utilizados particularmente para el automóvil, para detectar la velocidad del vehículo y en algunos distribuidores para determinar el momento de encendido.

Son utilizados debajo de las techas de instrumentos musicales modernos (órganos digitales, sintetizadores) evitando así el desgaste que sufren los contactos eléctricos tradicionales.

Son utilizados como sensores en 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.


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Ejemplos:


Sensor de flujo. Alarma de puertas y ventanas.

Proyecto de laboratorio 3

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Realizar un prototipo que permita leer y controlar la velocidad de un motor mediante un potenciómetro lineal.

Objetivo: Objetivo:

Características del sistema: • Desarrollar un dispositivo que permita mover mediante una interfaz

gráfica (Visual Basic) un pin montado sobre un potenciómetro lineal.

• Debemos de controlar y conocer la posición en la que se encuentra el pin, utilizando un motor de corriente directa.


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Entrega del proyecto: • Tiempo de 1 hora y 30 minutos para entregar el proyecto. • Jueves 05/09 se realizará la tercera entrega. • Documentación en formato de artículo IEEE a doble columna, entregar la

siguiente clase después de presentar el proyecto. • Documentación sin haber aprobado la entrega, no se acepta.

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(ʘ‿ʘ)

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