INSTITUTO TECNOLOGICO DE TUXTLA GUTIERREZ

INGENIERIA EN SISTEMAS COMPUTACIONALES

INTERFACES

CARLOS ALBERTO MARTINEZ GARCIA

INVESTIGACION DE LA UNIDAD 1:1.1 SENSORES OPTICOS

1.2 SENSORES DE PROXIMIDAD

TUXTLA GUTIERREZ CHIAPAS A 24 DE FEBRERO DE 2011

1 SENSORES

Es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas.[1]

1.1 SENSORES OPTICOS

En electrónica se utiliza como sensores ópticos ciertos componentes sensibles a la luz, en el sentido que modifican su comportamiento eléctrico según tengan luz incidente o no.

Un sensor óptico es un dispositivo que convierte los rayos de luz en señales electrónicas. Similar a una fotorresistencia, que mide la cantidad física de la luz y la traduce en una forma leído por el instrumento. Por lo general, el sensor óptico es parte de un sistema mayor integración de un dispositivo de medición, una fuente de luz y el sensor sí mismo. Esto es generalmente relacionado con una activación eléctrica, que reacciona a un cambio en la señal en el sensor de luz.[1]

Cuando hablamos de sensores ópticos nos referimos a todos aquellos que son capaces de detectar diferentes factores a través de un lente óptico. Para que podamos darnos una idea de lo que nos referimos, debemos decir que un buen ejemplo de sensor óptico es el de los mouse de computadora, los cuales mueven el cursor según el movimiento que le indicamos realizar.[1]

Figura 1. Sensores ópticos

Ventajas:

Los sensores ópticos, presentan importantes ventajas cuando lo que se desea es determinar propiedades físicas o químicas:

Es un método no destructivo y no invasivo. Ofrece posibilidades de integración en sistemas más complejos. Bajo coste y tecnología bien establecida. Posibilidades de control a distancia de lugares poco accesibles físicamente. Capacidad de conformar redes espaciales de sensores para el control de parámetros en

grandes superficies.[4]

Desventajas:

Distancia de detención corta

Son muy sensible a factores ambientales como la humedad No selecciona el objeto a detectar.[4]

1.1.1 TIPOS

Los sensores ópticos los formas los fotointerruptores de barrera, reflectivos y los enconders ópticos.

Foto-interruptores de Barrera.

Están formados por un emisor de infrarrojos y un fototransistor separados por una abertura donde se insertará un elemento mecánico que producirá un corte del haz. La salida será 0 o 1.[2]

Figura 2. Foto Interruptores de barrera

Foto-interruptores Reflectivos.

Están formados por un emisor y un receptor de infrarrojos situados en el mismo plano de superficie, que por reflexión permite detectar dos tipos de colores: blanco y negro normalmente, sobre un elemento mecánico.[2]

Figura 3. Circuito de un Foto Interruptor Reflectivo

Encoders Ópticos.

Con los foto-interruptores y los reflectivos se puede montar los encoders ópticos, formados por un disco que tiene dibujado segmentos para ser detectados por los sensores. Existen dos tipos de encoders: los Encoders Incrementales y Encoders Absolutos.[2]

Figura 4. Encoders óptico.

Encoders Incrementales. Permiten que un sensor óptico detecte el número de segmentos que dispone el disco y otro sensor detecte la posición cero de dicho disco. [4]

Figura 5. Encoder incremental

Encoders Absolutos: Permiten conectar la posición exacta en cada momento sin tener que dar una vuelta entera para detectar el punto cero del disco. La diferencia es que se necesitan varios sensores ópticos y el disco debe de tener una codificación tipo Manchester.[2]

Figura 6. Funcionamiento de un encoder absoluto

1.1.2 FUNCIONAMIENTO

Principio básico de funcionamiento:

Emisión y recepción de luz. Tanto en el emisor como en el receptor existen pequeñas lentes ópticas que permiten concentrar el haz de luz y se encuentra en un mismo encapsulado. El primero suele ser un diodo emisor de luz (LED) y el receptor un fotodiodo. Generalmente trabajan por reflexión de la luz, es decir, el emisor emite luz y si esta luz es reflejada por un objeto, el receptor lo detecta.[4]

1.1.3 CARACTERÍSTICAS

Algunas características más importantes de los sensores ópticos son los siguientes:

La luz como medio detector. Los sensores ópticos utilizan principalmente los siguientes componentes emisores:

LED de luz roja: luz visible, óptima como ayuda de alineación y para el ajuste de sensor.[1]

LED Infrarrojo (IR): radiación invisible con elevada energía.[1]

Laser de luz roja: la luz visible, óptima para la detección de piezas pequeñas y elevados alcances debido a las propiedades físicas del láser.[1]

Refracción de luz

Conducción de luz reflexión total

Distancia de actuación.

Una de las características de un sensor óptico es su capacidad para medir los cambios de las vigas de uno o más luz. Este cambio es más a menudo en torno a las modificaciones de la intensidad de la luz. Cuando se produce un cambio de fase, el sensor de luz actúa como un disparador fotoeléctrico, ya sea aumentando o disminuyendo la producción eléctrica, en función del tipo de sensor.[1]

1.1.4 MODO DE COMUNICACIÓN

El modo de operación de los sensores ópticos varía de acuerdo a su tipo, a continuación mencionaremos estas comunicación es en los tipos de sensores ya descritos.[4]

Barrera de luz.

Rango amplio (20m). El alineamiento es crítico.

Retro-reflectivos (Réflex)

Rango 1-3 m.

Popular y barato.

Reflectivo Difuso

Rango 12-300 mm Barato y fácil de usar.

1.2 SENSORES DE APROXIMACIÓNEl sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor.

Figura 7. Sensores de aproximación

1.2.1 TIPOSExisten varios tipos de sensores de proximidad según el principio físico que utilizan. Los mas comunes son:

Los detectores capacitivos. Los detectores inductivos Sensor de fin de carrera. Sensores ultrasónicos. Sensor Magnético Fotoeléctricos Sensor de humedad[4]

1.2.1 FUNCIONAMIENTO

El funcionamiento de los sensores de aproximación dependen de su tipo y aplicación, a continuación se describe el funcionamiento de los sensores de aproximación más utilizados.[3]

Sensor inductivo.

Los sensores inductivos de proximidad han sido diseñados para trabajar generando un campo magnético y detectando las pérdidas de corriente de dicho campo generadas al introducirse en él los objetos de detección férricos y no férricos.[3]

Sensor capacitivo.

Este tipo de transductor trabaja con un campo electrostático. Al aproximarse un objeto (conductor o no conductor, en forma líquida o sólida) se produce un cambio en el campo electrostático alrededor del elemento sensor. Este cambio es detectado y enviado al sistema de detección.[3]

El sistema de detección típico está formado por una sonda, un oscilador, un rectificador, un filtro y un circuito de salida.

Cuando un objeto se aproxima al sensor la sonda aumenta su capacitancia y activa el oscilador provocando que éste dispare el circuito de salida.[3]

Figura 8. Sensor capacitivo.

Sensor de fin de carrera.

Basan la detección en el contacto mecánico del elemento a detectar con una parte del sensor (pulsador, palanca, etc). Este contacto mecánico produce la apertura o cierre de un interruptor.[3]

Sensor infrarrojo.

El receptor de rayos infrarrojos suele ser un fototransistor o un fotodiodo. El circuito de salida utiliza la señal del receptor para amplificarla y adaptarla a una salida que el sistema pueda entender. La señal enviada por el emisor puede ser codificada para distinguirla de otra y así identificar varios sensores a la vez. Esto es muy utilizado en la robótica en casos en que se necesita tener más de un emisor infrarrojo y solo se quiera tener un receptor.[3]

Sensor Ultrasónico.

También se denominan fotocélulas. Este tipo de transductor trabaja con un emisor y detector de luz, como rayos infrarrojos. Cuando un objeto refleja o interrumpe la luz del emisor hacia el receptor, éste la censa y activa la etapa de control.[3]

El sistema de detección típico está formado por un transmisor de luz, una etapa de control, un receptor de luz y un circuito de salida.[3]

Por lo general el transmisor está conectado a una etapa de control que decide la activación de la transmisión e inclusive puede generar pulsos de frecuencia constante que hacen la detección del sensor más robusta.[3]

Figura 9.Sensor Uultrasónico

Sensor Magnético.

En robótica, algunas situaciones de medición del entorno pueden requerir del uso de elementos de detección sensibles a los campos magnéticos.[3]

Sensor de humedad.

La detección de humedad es importante en un sistema si éste debe desenvolverse en entornos que no se conocen de antemano. 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.[3]

1.2.3 CARACTERÍSTICASAlgunas características importantes que presentan la mayoría de los sensores de proximidad más usuales (inductivos y capacitivos) son:

Sensores capacitivos: Tipo de sensor Rosca M6, M8,...Distancia de detección nominal mm,mRango de detecciónFrecuencia de detección Hz (500Hz)Tipo de salida Transistor, ReléMaterial de la carcasa Plástico, PVC, etc.Dimensiones Diámetro x longitud (M12x30mm)Tensión de operación V (10-30V DC) (20-300 AC)Temperatura de trabajo ° centígrados (-25 + 55°C)Objeto detectable estándar Acero (12x12x1mm)

Consumo nominal ma (12 ma)Protección IPConexión Cable 2m, 3m,...Peso gr

Sensores inductivos

Tipo de sensor Rosca M12, M18, M30,...Distancia de detección nominal mm +-x%(3mm +-10%)Rango de detección mm (0-2mm)Frecuencia de detección Hz (500Hz)Objeto detectable estándar Acero (12x12x1mm)Histéresis <x% del rango de medida (<20% del rango)Tipo de salida ma (50, 100, 200 ma)Consumo nominal ma (0.8 ma)Material de la carcasa Acero, latón, níquel, etc.Protección IPDimensiones Diámetro x longitud (M12x30mm)Conexión Cable 2m, 3m,...Tensión de operación V (10-30V DC)Temperatura de trabajo ° centígrados (-25 + 55°C)[6]

1.2.4 MODO DE COMUNICACIÓN

Sensor Capacitivo.

La distancia de actuación en determinados materiales, pueden por ello, regularse mediante el potenciómetro.Los detectores capacitivos están construidos en base a un oscilador RC. Debido a la influencia del objeto a detectar, y del cambio de capacitancia.[5]

Figura 10. Estructura de un sensor capacitivo

Sensor inductivo.

Los sensores inductivos de proximidad han sido diseñados para trabajar generando un campo magnético y detectando las pérdidas de corriente de dicho campo generadas al introducirse en él los objetos de detección metálicos y no metálicos.[5]

El sensor consiste en una bobina con núcleo de ferrita, un oscilador, un sensor de nivel de disparo de la señal y un circuito de salida. Al aproximarse un objeto “metálico” o no metálico, se inducen corrientes de histéresis en el objeto.[5]

Figura 11. Estructura de un Sensor inductivo

CUESTIONARIO

1. ¿Qué es un sensor?

Es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas.

2. ¿Qué son los sensores ópticos?

Un sensor óptico es un dispositivo que convierte los rayos de luz en señales electrónicas.

3. ¿Qué son los sensores de proximidad?

El sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor.

4. ¿Cuáles son los tipos de sensores ópticos?

Fotointerruptores de barrera, Fotointerruptores Reflectivos Los enconders ópticos.

5. ¿Cuáles son los tipos de sensores de aproximación? Sensores capacitivos Sensores inductivos Sensor de fin de carrera Sensor Ultrasónico Sensor Magnético Los fotoeléctricos

6. ¿Cómo está hecho un sensor inductivo?

El sensor consiste en una bobina con núcleo de ferrita, un oscilador, un sensor de nivel de disparo de la señal y un circuito de salida.

7. ¿Qué es un sensor infrarrojo?

El receptor de rayos infrarrojos suele ser un fototransistor o un fotodiodo

8. ¿Menciona algunas ventajas tiene un sensor óptico?

Es un método no destructivo y no invasivo. Ofrece posibilidades de integración en sistemas más complejos. Bajo coste y tecnología bien establecida.

9. ¿Qué es un Fotointerruptores Reflectivos?

Están formados por un emisor y un receptor de infrarrojos situados en el mismo plano, que por reflexión permite detectar dos tipos de colores: blanco y negro

10. ¿Con que otro nombre se le conoces a los sensores ultrasónicos?

También se denominan fotocélulas.

BIBLIOGRAFÍA

[1]Sensores ÓpticosConcepción PérezUniversidad de Valencia1996

[2]Sensores y acondicionadores de señalRamón Pallás Areny4 EdiciónEditorial Marcombo.2001

[3]Modelling and Control of Robot ManipulatorsL. Sciavacco, B. SicilianoSpringer

[4]MicroelectronicaTecnologias, diseño, aplicacionesA. M. Burón Romero, J. A. Universidad de Cantabria

[5]Medical Instrumentation: Application and DesignJohn G. WebsterJohn Wiley and Sons, Inc.1998

[6]Robot AnalysisLung Wen TsaiJohn Wiley and Sons, Inc.1999