Introducción a la ingeniería mecatrónica

Sensores

Dispositivos de medición

• La medición de las variables físicas es necesaria para propósitos de monitoreo y control.

• El dispositivo de medición se llama sensor.

• Se localiza el sensor en el ambiente donde se quiere medir la variable.

• Se expone el sensor al efecto de la variable medida.

Principios básicos de operación

1. El cambio (o el valor absoluto) de la variable física (presión, temperatura, desplazamiento), se transforma en un cambio en alguna propiedad del sensor (resistencia, campo eléctrico, capacitancia).

2. El cambio en la propiedad del sensor se transforma en una señal eléctrica de baja potencia (voltaje o corriente).

3. La señal de baja potencia se amplifica, acondiciona y transmite a un display o a algún otro dispositivo para ser usada en el algoritmo de control.

Sensores de posición

• Sensores de posición absoluta. – Potenciómetros– Encoders ópticos absolutos– LVDT– Resolver– Sensores capacitivos de no contacto

• Sensores de posición incremental.– Encoders ópticos incrementales– Interferómetros láser.

Potenciómetros

• Los potenciómetros relacionan cambios de posición (lineal o angular) con cambios de resistencia eléctrica.

LVDT y resolver• El transformador diferencial variable lineal es un sensor que

proporciona un voltaje de salida de CA proporcional al desplazamiento de su núcleo entre sus bobinas.

• Los LVDTs proporcionan una salida lineal para pequeños desplazamientos.

Encoders o decodificadores ópticos

• Existen dos tipos principales de encoders: absolutos e incrementales.

• Existen encoders para movimiento rotacional y translacional.

• Los encoders son los sensores de posición más utilizados en el control de motores eléctricos: motores de CD, motores sin escobillas, motores a pasos, motores de inducción, etc.

Encoders absolutos

• Miden la posición de un objeto relativa a una posición de referencia.• En el encoder absoluto, el disco contiene varias bandas dispuestas en

forma de coronas circulares concéntricas, dispuestas de tal forma que en sentido radial el rotor queda dividido en sectores, con marcas opacas y transparentes.

• El estator tiene un fotorreceptor por cada bit representado en el disco. • El valor binario obtenido de los fotorreceptores es único para cada

posición del rotor y representa su posición absoluta.

Encoders incrementales

• Miden cambios en la posición, no posiciones absolutas.• Determina el desplazamiento contando el numero de impulsos que se

generan cuando un rayo de luz, es atravesado por marcas opacas en la superficie de un disco unido al eje.

• En el estator hay como mínimo dos pares de fotorreceptores ópticos.• Al girar el rotor genera un par de señales cuadradas, con un desfase

de ¼ de periodo si el rotor gira en un sentido y de ¾ si gira en el sentido contrario, lo que se utiliza para determinar el sentido de giro.

Especificaciones para encoders

• Resolución. Número de pulsos por revolución. Es el número de líneas en el disco para encoders incrementales. Un encoder absoluto con resolución de n bits tiene una resolución de 2^n pulsos por revolución.

• Velocidad máxima. Puede estar limitada por factores eléctricos o mecánicos, como la rapidez de respuesta de los fotorreceptores y los rodamientos del encoder.

• Canales de salida del encoder.

• Tipo de señal eléctrica de salida. TTL, colector abierto, etc.

• Límites mecánicos. Cargas máximas radial y axial, límites de temperatura y condiciones de operación (ruido, polvo, vibraciones).

Sensores de posición capacitivos

• Un sensor capacitivo mide la distancia entre la cara frontal del sensor y el objetivo.

• El objeto a sensar deben tener alta permitividad relativa. Los metales o plásticos con carbono son buenos objetivos para este tipo de sensores.

• Existen también sensores capacitivos de presencia que proporcionan únicamente dos estados ON/OFF.

Sensores de posición inductivos

• Estos sensores consisten en un núcleo de fierro y carbón arreglados de forma que generan una alta frecuencia electromagnética en la cabeza del sensor.

• Un objeto metálico que entra al campo electromagnético causa que se generen corrientes de Eddy, las cuales a su vez provocan pérdidas de energía, de esta forma se puede detectar la presencia de un objeto.

Sensor magnético de proximidad

• Uno de los sensores de proximidad magnéticos más simples es la combinación de un interruptor tipo Reed y un magneto permanente.

• La aplicación típica de este tipo de sensores es en los sistemas de seguridad, donde los sensores son montados en el borde de la puerta para indicar si ésta se encuentra abierta o cerrada.

Sensor ultrasónico

• Mide la distancia a la que se encuentra un objeto midiendo el periodo de tiempo entre el envío del pulso ultrasónico y la recepción de su eco.

Sensor fotoeléctrico

• La configuración presenta una fuente de luz y un sensor.

• El objeto al ser detectado interrumpe el rayo.