Unidad I

Sensores Opticos

Detectan la presencia de una persona o de un objeto que interrumpen el haz de luz que le llega al sensor.

Se trataba de resistencias cuyo valor disminuía con la luz, de forma que cuando reciben un haz de luz permiten el paso de la corriente eléctrica por el circuito de control. Cuando una persona o un obstáculo interrumpen el paso de la luz, la LDR aumenta su resistencia e interrumpe el paso de corriente por el circuito de control.

Tipos:

• 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.

• Foto-interruptores reflectivos: Están formados por un emisor y un receptor de infrarrojos situados en el mismo plano de superficie, que por reflexión permiten detectar dos tipos de colores, blanco y negro normalmente, sobre un elemento mecánico.

• Los encoders ópticos:

Existen dos tipos de encoders:

1. 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.

2. Encoders Absolutos: Permiten conocer 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.

Funcionamiento General

El sensor debe tener un amplio rango de funcionamiento, es decir, debe ser capaz de medir de manera exacta y precisa un amplio abanico de valores de la magnitud correspondiente.

Características

Los sensores ópticos están conformados por las siguientes partes:* Fuente.* Receptor.* Lentes.* Circuito de salida.Fuente.

Origina un haz luminoso, usualmente con un LED, que puede tener un amplio rango en el espectro (incluyendo luz visible e infrarroja). Para la mayoría de las aplicaciones se prefiere las radiaciones infrarrojas pues son las que mayor porcentaje de luz emite y disipan menos calor. Los LEDs tipos visibles son muy útiles sobre todo para facilitar el ajuste de la operación del sensor. Entre los LED de luz visible los LEDs de luz roja son los más eficaces para esta aplicación.

Receptor.

Recibe el haz luminoso de la fuente, usualmente es un fotodiodo o un foto transistor. El foto sensor debe estar acopiado espectralmente con el emisor, esto significa que el fotodiodo o el foto transistor que se encuentra en el detector debe permitir mayor circulación de corriente cuando la longitud de onda recibida sea igual a la del LED en el emisor. El receptor recibe los pulsos de luz en sincronía con el emisor, esto permite ignorar radiaciones provenientes de otras fuentes. Este tipo de recepción sincrónica solo es posible cuando la fuente y el receptor están en el mismo encapsulad. En el receptor, además, existe un circuito asociado que acondiciona la señal antes de llegar al dispositivo de salida.

Lentes.

Tiene la función de dirigir el haz de luz tanto en el emisor como en el receptor para restringir el campo de visión, esto trae como consecuencia aumentar la distancia de detección. El area de la base del cono de haz emitido por el LED y el lente aumenta a mayor distancia. Utilizando un lente se puede generar un cono muy estrecho, lo que permitiría darle más alcance al sensor pero con el inconveniente de presentar mayor dificultad en el momento de alinearlo. Algunos detectores son diseñados para tener un amplio campo de visión, esto permite detectar objetos grandes, pero a distancias relativamente cortas.

Circuito de salida.

La fuente de alimentación suministra la potencia necesaria para el funcionamiento del detector, en el regulador de voltaje se ajustan y mantienen los niveles de tensión utilizados por el resto de los bloques del sensor. El generador de pulsos suministra el LED la señal modulada que permitiría la emisión de un haz discontinuo de luz que al chocar con un objeto regresa al foto detector. La salida de foto detector es amplificada (note que la ganancia del amplificador puede ser cambiada para ajustar la sensibilidad) y luego es comparada con la frecuencia de pulsos para verificar que la señal recibida provenga del LED del detector, esto se hace en el integrador. En algunos sensores se puede colocar una lógica de tiempo opcional que permite introducir retardos para activar o retardos para desactivar la salida.

Modo de comunicación

El sensor debe responder a los cambios de la variable a medir en un tiempo mínimo. Lo ideal sería que la respuesta fuera instantánea.

Calibración. Es el proceso mediante el que se establece la relación entre la variable medida y la señal de salida que produce el sensor. Debe poder realizarse de manera sencilla y además el sensor no debe precisar una recalibración frecuente

Sensores Temperatura

Entre los sensores más comunes empleados para medir temperatura con instrumentación electrónica se tienen: RTDs, termistores, sensores de circuito integrado (IC ) y termocuplas.

Tipos

Detector de resistencia metálica (RTD)

El detector de resistencia metálica RTD, es uno de los sensores más precisos de temperatura. Se caracteriza por su excelente estabilidad, usualmente es utilizado para medir temperaturas de 0 °C a 450 °C.

Característica:

La resistencia metálica es de alambres finos o de películas de metales. Su resistencia varía en forma directamente proporcional con la temperatura. Ellas son fabricadas de metales como cobre, plata, oro, tungsteno y níquel, no obstante el platino es el material más comúnmente usado. El platino presenta una excelente estabilidad y la más alta resistividad con respecto a los otros metales.

Funcionamiento y Comunicación:

RTDs de platino (Pt100) se pueden mencionar: 1- su alto costo, por lo que hacer instrumentación con ellas es caro; 2- debido a su baja resistencia (100 Ω a 0 °C) y sensibilidad (0.4 Ω/°C), los alambres de conexión es uno de los principales problemas, la vía para minimizarlo es usar el esquema de medición con 4 alambres; 3- en el sistema de medición con 4 alambres, dos alambres llevan y traen la corriente proveniente de una fuente de corriente constante y otros dos alambres se emplean para la conexión del instrumento de medición de voltaje, convertidor A/D en un sistema de adquisición de datos por computadora; 4- la corriente de excitación constante produce una disipación de potencia en la RTD, lo cual le genera calentamiento que incrementa adicionalmente su temperatura que no es posible de detectar cuando se hace la medición de temperatura, una forma de reducir este error usar una corriente de excitación lo más pequeña posible.

Termistor

Un termistor es un semiconductor hecho de dos óxidos metálicos unidos dentro de una pequeña bola, disco u otra forma y recubierto con epóxido o vidrio.

Características:

Hay dos clases de termistores los que presentan un coeficiente negativo de temperatura (CNT), cuya resistencia disminuye con la temperatura y coeficiente positivo con la temperatura ( CPT) cuya resistencia aumenta con la temperatura. Los termistores CNT son los más usados para medición de temperatura. Valores comunes de termistores son 2252 Ω, 5000 Ω y 10000 Ω. Un termistor de 5000 Ω tiene aproximadamente una sensibilidad de 200 Ω/°C a la temperatura ambiente, comparada con 0.4 Ω/°C de la Pt100, la sensibilidad del termistor es bastante más alta.

Funcionamiento y Modo de Comunicación:

Los termistores se pueden emplear para medir temperaturas hasta de 300 °C. Debido a que los termistores tienen una resistencia alta, la resistencia de los conductores que llevan la corriente no afecta la exactitud de las mediciones. Mediciones con dos alambres es adecuado en circuitos con termistores.

Ya que la resistencia es bastante alta, la corriente de excitación debe ser pequeña para evitar el auto calentamiento que afecte la exactitud de la medición.

Sensores magnetorresistivos de IC

Funcionamiento

Los sensores magnetorresistivos (MR) de IC de Honeywell, de la serie Nanopower, son dispositivos ultrasensibles que pueden adaptarse a una amplia gama de aplicaciones con grandes entrehierros, campos magnéticos reducidos y requisitos de baja potencia. Los sensores de IC responden a los polos norte o sur aplicados en una dirección paralela al sensor. Dado que no es necesario identificar la polaridad del imán, la instalación es más sencilla, lo que a su vez puede reducir el costo del sistema.

Modo de Comunicación:

Estos sensores de IC tienen un promedio de consumo de corriente muy bajo y una salida tipo push-pull que no requiere un resistor de accionamiento. Promueven el uso eficiente de la energía, ya que pueden funcionar con un voltaje de alimentación sumamente bajo, de 1,65 V.

La serie Nanopower incluye dos clases de sensibilidad magnética para cubrir las distintas necesidades de las aplicaciones:

• SM351LT: para aplicaciones que requieren sensibilidad magnética ultra alta (7 G, funcionamiento típico; 11 G, funcionamiento máximo) y muy bajo consumo de corriente (360 nA, típico).

• SM353LT: para aplicaciones que requieren sensibilidad magnética muy alta (14 G, funcionamiento típico; 20 G, funcionamiento máximo) y muy bajo consumo de corriente (310 nA, típico).

Caracteristicas:

• Alta sensibilidad: 7 gauss típ., 11 gauss máx. (SM351LT); 14 gauss típ., 20 gauss máx. (SM353LT)

• Nanopotencia: corriente promedio de 360 nA típ. (SM351LT) y de 310 nA típ. (SM353LT)

• Gama de voltaje de alimentación: 1,65 Vcc a 5,5 Vcc; reduce la complejidad del diseño

• Detección omnipolar: se activa con cualquiera de los dos polos desde un imán

• Gama de temperaturas: -40 °C a 85 °C [-40 °F a 185 °F]

• Salida tipo push-pull: no requiere un resistor de accionamiento externo

• Diseño sin estabilización por troceador

• Materiales sujetos a directiva RoHS: cumplen con la directiva 2002/95 CE

• Paquete: SOT-23

Sensores Presion

Se llama sensor al instrumento que produce una señal, usualmente eléctrica (anteriormente se utilizaban señales hidráulicas), que refleja el valor de una propiedad, mediante alguna correlación definida (su ganancia).

Transductor es un instrumento que convierte una forma de energía en otra (o una propiedad en otra).

Tipos:

Sensor Medición directa:

Funcionamiento

Miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocida

Ejemplos: barómetro cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de pozo.

Caracteristicas:

Contiene mercurio, agua, aceite, entre otros.

Es preciso en el rango 500 [Pa] a 200 [KPa].

Ventaja: Versatilidad.

Desventajas: Longitud de tubo necesaria para medir presiones altas.

Modo de Comunicación

Mide diferencia de presión entre el fluido y la presión atmosférica.

BarómetrosSe usa en la calibración de altímetros y estaciones meteorológicas.

Se requiere aplicar una corrección por altura.

Funcionamiento del barómetro

El barómetro es un sensor que mide la presión del aire sobre el lugar donde realizamos la medida.

La palabra barómetro puede descomponerse en dos partes. Por un lado 'baros', que significa presión; por otro lado, 'metro' que significa "medida". Así que la expresión "barómetro" significa "medida de presión".

La presión del aire sobre nuestras cabezas corresponde al peso del aire que tenemos inmediatamente sobre nosotros. La presión atmosférica o presión barométrica (puede llamarse de las dos formas) se mide en BARES (normalmente se usan los milibares, que se escriben "mbar") o en MILíMETROS DE MERCURIO (que se simbolizan así: "mm Hg").

Las dos escalas son distintas, pero EQUIVALENTES. La presión del aire a nivel del mar es de 1013 mbar ó 760 mm Hg.

Caracteristicas

Los primeros barómetros estaban formados por una columna de líquido encerrada en un tubo cuya parte superior está cerrada. El peso de la columna de líquido compensa exactamente el peso de la atmósfera.

El primer Barómetro lo ideo Evangelista Torricelli cuando trataba de explicar que las bombas aspirantes no pueden hacer subir el agua más allá de cierta altura. Existen varios tipos de barómetros entre ellos encontramos los siguientes:

• Barómetro de mercurio.

• Barómetro de Fortín.

• Barómetro Aneroide.

Modo de Comunicación

Un barómetro es un instrumento que mide la presión atmosférica. La presión atmosférica es el peso por unidad de superficie ejercida por la atmosfera. La unidad de medida de la presión atmosférica que suelen marcar los barómetros se llama hectopascal, de abreviación (hPa). Esta unidad significa "cien (hecto) pascales (unidad de medida de presión)". El barómetro de mercurio, determina en muchas ocasiones la unidad de medición, la cual es denominada como "pulgadas de mercurio" o "milímetros de mercurio" (método abreviado mmHg). Una presión de 1 mmHg es 1 torr (por Torricelli).

Sensores Elásticos

Tubo Bourdon:

Es el método más común para medir presiones. Tubo aplanado de bronce o acero curvado en arco.

Funcionamiento

Los tubos de Bourdon son tubos curvados en forma circular de sección oval. La presión a medir actúa sobre la cara interior del tubo, con lo que la sección oval se aproxima a la forma circular. Mediante el acodamiento del tubo de Bourdon se producen tensiones en el borde que flexionan el tubo. El extremo del tubo sin tensar ejecuta un movimiento que representa una medida de la presión el cual se traslada a una aguja indicadora.

Caracteristica

El tubo Bourdon es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo y el tubo se encuentra cerrado en un extremo.

Al aumentar la presión dentro del tubo, este se deforma, y el movimiento se transmite a la aguja indicadora.

Empíricamente se halla el tubo adecuado al rango de presión deseado.

El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espirar alrededor de un eje común.

En el helicoidal se aplica el mismo concepto, pero sólo que en forma de hélice.

Modo de Comunicación:

Al aplicar presión al interior del tubo, tiende a enderezarse, transmitiendo este movimiento a una aguja por medio de un mecanismo amplificador adecuado.

Muy preciso hasta 200 atm. con precisión del 2 – 3 %.

Escala máx. 7000 Kg/cm2.

Esta deformación puede trasladarse a una aguja o a un sistema de resistencia variable o a un campo electromagnético.

Sensores de Proximidad

Los sensores de proximidad son los más comunes y asequibles para la solución de detección de objetos que no se pueden tocar. El sensor de proximidad comúnmente más usado es el tipo inductivo, el cual genera un campo electromagnético, el cual detecta los objetos de metal que pasan cerca de su cara. Esta es la tecnología de detección que usualmente se usa en aplicaciones en donde el objeto de metal que va a ser detectado esta dentro de una pulgada o dos de la cara del sensor.

Tipos:

Existen varios tipos de sensores de proximidad según el principio físico que utilizan. Entre los sensores de proximidad se encuentran:

Sensor capacitivo:

Funcionamiento:

La función del detector capacitivo consiste en señalar un cambio de estado, basado en la variación del estímulo de un campo eléctrico. Los sensores capacitivos detectan objetos metálicos, o no metálicos, midiendo el cambio en la capacitancia, la cual depende de la constante dieléctrica del material a detectar, su masa, tamaño, y distancia hasta la superficie sensible del detector.

Características:

Los detectores capacitivos están construidos en base a un oscilador RC. Debido a la influencia del objeto a detectar, y del cambio de capacitancia, la amplificación se incrementa haciendo entrar en oscilación el oscilador. El punto exacto de ésta función puede regularse mediante un potenciómetro, el cual controla la realimentación del oscilador. La distancia de actuación en determinados materiales, pueden por ello, regularse mediante el potenciómetro.

Modo de Comunicación:

La señal de salida del oscilador alimenta otro amplificador, el cual a su vez, pasa la señal a la etapa de salida. Cuando un objeto conductor se acerca a la cara activa del detector, el objeto actúa como un condensador. El cambio de la capacitancia es significativo durante una larga distancia. Si se aproxima un objeto no conductor, (>1) solamente se produce un cambio pequeño en la constante dieléctrica, y el incremento en su capacitancia es muy pequeño comparado con los materiales conductores

Sensor inductivo

Funcionamiento:

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.

Características:

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. Debido a ello hay una pérdida de energía y una menor amplitud de oscilación.

Modo de Comunicación:

El circuito sensor reconoce entonces un cambio específico de amplitud y genera una señal que conmuta la salida de estado sólido o la posición "ON" y "OFF". El funcionamiento es similar al capacitivo; la bobina detecta el objeto cuando se produce un cambio en el campo electromagnético y envía la señal al oscilador, luego se activa el disparador y finalmente al circuito de salida hace la transición entre abierto o cerrado.

Sensor fin de carrera

Funcionamiento

El final de carrera o sensor de contacto (también conocido como "interruptor de límite") o limit swicht, son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido de un elemento móvil.

Características:

Generalmente estos sensores están compuestos por dos partes: un cuerpo donde se encuentran los contactos y una cabeza que detecta el movimiento. Su uso es muy diverso, empleándose, en general, en todas las máquinas que tengan un movimiento rectilíneo de ida y vuelta o sigan una trayectoria fija, es decir, aquellas que realicen una carrera o recorrido fijo, como por ejemplo ascensores, montacargas, robots, etc.

Modo de comunicación:

Internamente pueden contener interruptores normalmente abiertos (NA), cerrados (NC) o conmutadores dependiendo de la operación que cumplan al ser accionados.

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 robotica en casos en que se necesita tener mas de un emisor infrarrojo y solo se quiera tener un receptor.

Los sensores infrarrojos pueden ser:

Sensor infrarrojo de barrera: Las barreras tipo emisor-receptor están compuestas de dos partes, un componente que emite el haz de luz, y otro componente que lo recibe. Se establece un área de detección donde el objeto a detectar es reconocido cuando el mismo interrumpe el haz de luz. Debido a que el modo de operación de esta clase de sensores se basa en la interrupción del haz de luz, la detección no se ve afectada por el color, la textura o el brillo del objeto a detectar. Estos sensores operan de una manera precisa cuando el emisor y el receptor se encuentran alineados. Esto se debe a que la luz emitida siempre tiende a alejarse del centro de la trayectoria.

Sensor auto réflex: La luz infrarroja viaja en línea recta, en el momento en que un objeto se interpone el haz de luz rebota contra este y cambia de dirección permitiendo que la luz sea enviada al receptor y el elemento sea censado, un objeto de color negro no es detectado ya que este color absorbe la luz y el sensor no experimenta cambios.

Sensor réflex: Tienen el componente emisor y el componente receptor en un solo cuerpo, el haz de luz se establece mediante la utilización de un reflector catadióptrico. El objeto es detectado cuando el haz formado entre el componente emisor, el reflector y el componente receptor es interrumpido. Debido a esto, la detección no es afectada por el color del mismo. La ventaja de las barreras réflex es que el cableado es en un solo lado, a diferencia de las barreras emisor-receptor que es en ambos lados.

Sensor ultrasónico

Los sensores ultrasonicos tienen como funcion principal la deteccion de objetos a traves de la emision y reflexion de ondas acusticas. Funcionan emitiendo un pulso ultrasonico contra el objeto a sensar, y al detectar el pulso reflejado, se para un contador de tiempo que inicio su conteo al emitir el pulso. Este tiempo es referido a distancia y de acuerdo con los parametros elegidos de respuesta con ello manda una señal electrica digital o analogica.

sensores magnéticos

Los sensores de proximidad magnéticos son caracterizados por la posibilidad de distancias grandes de la conmutación, disponible de los sensores con dimensiones pequeñas. Detectan los objetos magnéticos (imanes generalmente permanentes) que se utilizan para accionar el proceso de la conmutación.Los campos magnéticos pueden pasar a través de muchos materiales no magnéticos, el proceso de la conmutación se puede también accionar sin la necesidad de la exposición directa al objeto. Usando los conductores magnéticos (ej. hierro), el campo magnético se puede transmitir sobre mayores distancias para, por ejemplo, poder llevarse la señal de áreas de alta temperatura.