CARRERA INGENIERIA EN SISTEMAS COMPUTACIONALES

MATERIA SISTEMAS PROGRAMABLES

CLAVE SCD-1023

UNIDAD 1 SENSORES

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CIUDAD VICTORIA

Diciembre de 2012

Apuntes

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Contenido

PÁG. UNIDAD 1 SENSORES………………………………………………………………………………………....

1.1 SENSORES ÓPTICOS……………………………………………………………………………… 4

1.1.1 Tipos………………………………………………………………………………………………… 5

1.1.2 Funcionamiento…………………………………………………………………………………….. 5

1.1.3 Características……………………………………………………………………………………… 6

1.2 SENSORES DE TEMPERATURA………………………………………………………………….. 6

1.2.1 Tipos y funcionamientos….….……………………………………..………………………………. 8

1.2.2 Circuitos electrónicos….…………………………………………………………………………… 11

1.3 SENSORES DE PRESIÓN………………………………………………………………………….. 12

1.3.1 Tipos de sensores de presión y su funcionamiento………..……………………………………….. 13

1.4 SENSORES DE PROXIMIDAD…………………………………………………………………….. 18

1.4.1 Tipos y funcionamiento…….………………………………………………………………………. 20

1.5 MODOS DE COMUNICACIÓN…………………………………………………………………………………….…… 23

CONCLUSIONES…………………………………………………………………………………. 25

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………………………………………………………… 25

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Lista de tablas y figuras

PÁG. Figura 1 Diferentes tipos de sensores y sus señales de salida 5 Figura 2 Diferentes tipos de sensores ópticos 6 Figura 3 Principio de funcionamiento de los sensores ópticos 7 Figura 4 Software Speccy para conocer entre otras las características la

temperatura de la PC. 8

Figura 5 Clasificación de los sensores de temperatura. 9 Figura 6 Diversos termómetros de vidrio y sus límites de medición. 9 Figura 7 Diversos termómetros bimetálicos 10 Figura 8 Curvas características de termómetros de resistencia 11 Figura 9 Figura 10 Figura 11

Curva característica de un termistor Ejemplo de funcionamiento de un termopar Circuito con termisor para la computación de temperatura.

11 12 12

Figura 12 Conversiones entre las diferentes unidades de presión 14 Figura 13 Diferentes tipos de instrumentos medidores de presión 15 Figura 14 Diferentes tipos de instrumentos electromecánicos medidores de

presión. 16

Figura 15 Tubo Boudon 17 Figura 16 Galgas extensométricas 17 Figura 17 Transductor piezoeléctrico 18 Figura 18 Ejemplo de aplicación de sensores de proximidad 20 Figura 19 Ejemplo de sensor de proximidad salida analógica 21 Figura 20 Circuito acondicionador para un sensor de proximidad analógica. 22 Figura 21 Ejemplo de sensor de presencia salida digital 22 Figura 22 Circuitos acondicionador para un sensor de proximidad digital 22 Figura 23 Circuito no comercial detector de presencia 23 Figura 24 Dispositivo sensor por contacto 23 Figura 25 Dispositivo sensor de presencia por contacto 24

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PÁG.

TABLA 1 TABLA 2 TABLA 3

Características de los sensores Conceptos empleados en la medicio de la presion Mapas de comandos en memoria del SRF10

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INTRODUCCIÓN

En nuestra vida diaria empleamos los 5 sentidos para captar las señales que nos rodean: auditivas, táctiles u visuales por mencionar algunas; dichas señales son captadas por sensores biológicos. La idea de tener un sensor en el sistema es que nos dé una idea del estado actual del mismo y en base a esta reaccionar de una forma determinada.

Un sensor es un dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas, químicas, biológicas, etc., llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas.

Para valorar la calidad de un sensor se deben de tomar en cuenta las siguientes características:

Tabla 1. Características generales de los sensores Característica Definición Amplitud Diferencia entre los límites de medida

Calibración Patrón conocido de la variable medida que se aplica mientras se observa la señal de salida

Error Diferencia entre el valor medido y valor real Exactitud Concordancia entre el valor medido y el valor real Factor de escala Relación entre la salida y la variable medida

Fiabilidad Probabilidad de no error Histéresis Diferente recorrido de la medida al aumentar o disminuir esta

Precisión Dispersión de los valores de salida Ruido Perturbación no deseada que modifica el valor

Sensibilidad Relación entre la salida y el cambio en la variable medida Temperatura de servicio

Temperatura de trabajo del sensor

Zona de error Banda de desviaciones permisibles en la salida

Los sensores se clasifican en:

Según el tipo de señal de salida:

• Analógicos. Dan como salida un valor de tensión o corriente variables en forma continua dentro del campo de medida.

• Digitales. Dan como salida una señal en forma de una palabra digital.

• Todo-nada. Indican cuándo la variable detectada rebasa un cierto umbral.

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Según la magnitud física a detectar:

• Posición

• Velocidad

• Fuerza y par

• Presión

• Caudal

• Proximidad

La siguiente figura muestra los diferentes tipos de sensores y sus señales de salida.

Figura 1. Diferentes tipos de sensores y sus señales de salida

1.1 Sensores ópticos

Los sensores ópticos se componen de dos elementos principales, un sensor y un emisor de luz, pudiendo estar este último integrado dentro del sensor o estar situado fuera. La fuente de luz genera luz de una cierta frecuencia para que el sensor pueda detectarla más fácilmente y diferenciarla de otras fuentes cercanas.

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1.1.1 Tipos

Como se abordó anteriormente, los sensores se pueden clasificar en diversas formas, por lo que un sensor óptico puede ser empleado para medir diversas variables: detectar objetos, presencia, temperatura, ángulos etcétera; sin embargo siempre tienen la característica de requerir un emisor de luz y un receptor de luz para poder detectar/medir una característica en particular. La figura 2 nos muestra diferentes tipos de sensores ópticos.

Figura 1. Diferentes tipos de sensores ópticos

1.1.2 Principio de funcionamiento

Cuando un objeto pasa entre el emisor y receptor se dice que se ha detectado un objeto, realmente se trata de un haz de luz que envía un LED infrarrojo y un sensor fototransistor. Todos los sensores ópticos se basan en la transducción de la luz del receptor.

El tipo de luz más usado es el infrarrojo y, en este caso, para diferenciar la luz de la fuente se deja una frecuencia fija y lo que se hace es emitir pulsos. El sensor

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simplemente descartará cualquier luz infrarroja que le llegue y que no sea intermitente, pudiendo así diferenciar la luz de la fuente de radiación infrarroja proveniente de otros objetos que generen calor.

Figura 3. Principio de funcionamiento de un sensor óptico

1.1.3 Características Los sensores ópticos pueden medir distancias, discernir colores, detectar objetos etcétera, sin embargo requieren el uso de componentes externos para su funcionamiento. El tipo de respuesta puede ser digital o analógica, todo depende del acondicionador.

1.2 Sensores de temperatura

La temperatura es en la mayoría una de las variables más importantes, por lo que su medición y control son importantes.

La temperatura es en sí, es un índice del estado de energía cinética de un material y su medición se basa en efectos de calor aplicable a los sólidos, líquidos o gases.

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Figura 4 Software Speccy para conocer entre otras características la temperatura de la PC

Los componentes internos de una computadora se calientan, si no se conoce y regula la temperatura esta podría dañarse permanente mente. Las computadoras contienen sensores que permite activar los extractores de aire. No solo en las PC se emplean los sensores, también en alarmas contra incendios o procesos industriales, de hecho es una de las variables más importantes a considerar.

¿Cómo medir la temperatura?

Los instrumentos medidores de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y entre los cuales figuran:

a) Variaciones de volumen

b) Variaciones de resistencia

c) Variaciones de la f.e.m. de dos metales distintos

d) Radiación emitida por un cuerpo

e) Velocidad, sonido, gas, frecuencia etcétera

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1.2.1 Tipos de sensores de temperatura

No es lo mismo medir la temperatura cuando el agua es hielo o vapor, a medirla en calderas o en el polo norte. Cada sensor tiene un rango de valores que puede medir, por lo que el tipo de sensor a emplear depende en si de la aplicación.

Figura 5 Clasificación de los sensores de temperatura Termómetro de vidrio

Consta de un depósito de vidrio que contiene un elemento que se expande y sube por el tubo capilar.

Figura 6 Diversos termómetros de vidrio y sus límites de medición

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Termómetro de bulbo y capilar

Es un bulbo conectado por un capilar a un espiral, cuando la temperatura cambia un gas o líquido sube por la espiral ocasionando que se desenrolle y una aguja apunte la temperatura.

Termómetro de Bimetálico

Se fundan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como latón, monel o acero y una aleación de ferroniquel o invar laminados conjuntamente.

Figura 7 Diversos termómetros bimetálicos

Termómetro de Resistencia

Es un hilo muy fino enrollado en un conductor, que al calentarse provoca el cambio de resistencia. Los materiales más comunes son níquel, cobre y platino.

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Figura 8 Curvas características de termómetros de resistencia.

Termómetro de Termistores

Son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado, presentan variaciones rápidas y extremadamente grandes para los cambios relativamente pequeños.

Figura 9 Curva característica de un Termistor

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Termopar

Se basa en el efecto Seebeck, cuando se hace circular una corriente por un circuito formado por dos metales y se somete a cambio de temperatura, existirá una diferencia de potencial en dichos conductores.

Figura 10 Ejemplo del funcionamiento de un termopar

1.2.2 Circuitos electrónicos

El circuito empleado es un termistor, el cual es un dispositivo semiconductor que varía su resistencia con respecto a su temperatura. El OPAMP permite comparar la temperatura deseada (set point) con la temperatura real. La salida del circuito puede conectarse a un motor ventilador para disminuir la temperatura.

Figura 11 Circuito con termistor para la comparación de temperatura

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1.3 Sensores de presión La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmósferas, kilogramos por centímetro cuadrado y psi. (libras por pulgada cuadrada)

Preconceptos errados sobre la presión

a) Cuando compramos pan, decimos: ¿me pesa el pan por favor? Pero en realidad lo que hacemos es masar el cuerpo, ya que no compramos un Newton de pan, sino un kilo.

b) A veces decimos: ¡tienes mucha fuerza!, pero en realidad la fuerza no es una propiedad, ya que la fuerza solamente se ejerce, y algunos individuos ejercen más fuerza que otros.

Existen diversos conceptos asociados a la presión, los cuales se muestran en la tabla 2.

Tabla 2 Conceptos empleados en la medición de la presión

Presión absoluta Se mide con al cero absoluto de presión.

Presión atmosférica

Es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida mediante un barómetro.

Presión relativa Es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se efectúa la medición

Presión diferencial

Es la diferencia entre dos presiones

Vacío Es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión ,medida por debajo de la atmosférica

Existen diversas unidades en las que se puede medir la presión, la figura 12 muestra la relación entre las diversas unidades.

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Figura 12 Conversiones entre las diferentes unidades de presión

1.3.1 Tipos de sensores de presión y funcionamiento

Los sensores de presión se clasifican en mecánicos, neumáticos, electromecánicos y electrónicos; la figura 13 muestra su clasificación y rangos de operación. Algunos ejemplos de estos sensores son:

Mecánicos � Primario de Medida Directa � Primarios Elásticos

Electromecánicos � Transmisores electrónicos de equilibro de fuerza � Resistivos � Magnéticos � Capacitivos � Extensométricas � Piezoeléctricos

Neumáticos � Utilizan elementos mecánicos con desplazamiento de gases

Electrónicos � Mecánicos � Medidor McLeod � Térmicos � Ionización

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Figura 13 Diferentes tipos de instrumentos medidores de presión

Los instrumentos de medición de presión realizan las mediciones de forma directa e indirecta.

Los Elementos primarios de medida directa que miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocidas, por ejemplo el barómetro cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro pendular, manómetro de campana.

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Otra forma de medir la presión es a través de elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna del fluido que contienen.

ELEMENTOS PRIMARIOS DE MEDICIÓN

El diafragma consiste en una o varias capsulas circulares conectadas rígidamente entre si por la soldadura, de forma que al aplicar presión, cada capsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas.

El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.

MEDIDORES DE PRESIÓN ABSOLUTA

Los medidores de presión absoluta consisten en un conjunto de fuelle y muelle opuesto a un fuelle opuesto sellado al vacío absoluto. El movimiento resultante de la unión de los dos fuelles equivale a la presión absoluta del fluido.

MEDIDORES DE PRESIÓN ELECTROMECÁNICOS

Figura 14 Diferentes tipos de instrumentos electromecánicos medidores de presión

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Tubo bourdon

Tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo, al aumentar la presión este tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora por medio de un piñón y una cremallera.

Figura 15 Tubo Bourdon

El tubo Bourdon contiene un elemento espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común, y el helicoidal arrollando más de una espira en forma de hélice.

Figura 16 Galgas Extensométricas

Galgas Extensométricas

Se basan en la variación de longitud y de diámetro, por lo tanto de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una

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tensión mecánica por la acción de una presión. El puente de Wheastone es empleado como circuito acondicionador.

Transductores piezoeléctricos

Son materiales cristalinos que, al deformarse físicamente por la acción de una presión, general una señal eléctrica.

Figura 17 Transductor piezoeléctrico

MEDIDORES DE PRESIÓN ELECTRÓNICOS

Medidores electrónicos de vacío MCLEOD

Se utiliza como aparato de precisión en la calibración de los restantes instrumentos. Se basa en comprimir una muestra del gas de gran volumen conocido a un volumen más pequeño y a mayor presión mediante una columna de mercurio en un tubo capilar.

Transductores mecánicos de fuelle y diafragma

Trabajan en forma diferencial entre la presión atmosférica y la del proceso. Pueden estar compensados con relación a la presión atmosférica y calibrados en unidades absolutas.

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Transductores térmicos

Se basan en el principio de la proporcionalidad entre la energía disipada desde la superficie caliente de un filamento calentado por una corriente constante y la presión del gas ambiente cuando el gas esa a bajas presiones absolutas, entre los transductores térmicos se encuentran:

� Transductor térmico de termopar

� Transductor Pirani

� Transductor bi-metálico.

Transductores bimetálicos

Utiliza una espiral bimetalica calentada por una fuente de tensión estabilizada. Cualquier cambio en la presión produce una deflexión de la espiral, que a su vez esta acoplada a un índice que señala la escala el vacío.

Transductores de ionización

Se basan en la formación de los iones que se producen en las colisiones que existan entre moléculas y electrones. La velocidad de formación de estos iones, es decir la corriente iónica, varia directamente con la presión.

� Transductor de filamento caliente

� Transductor de catado frío

1.4 Sensores de proximidad El sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor. Existen varios tipos de sensores de proximidad según el principio físico que utilizan. Los más comunes son los interruptores de posición, los detectores capacitivos, los inductivos y los fotoeléctricos, como el de infrarrojos.

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¿PORQUE ES IMPORTANTE DETECTAR OBJETOS?

Figura 18 Ejemplo de aplicación de sensores de proximidad

Algunas veces es necesario si un motor se ha trabado, o si el carrito de la impresora ha llegado al fin de su carrera, o simplemente detectar un persona para abrir una puerta de forma automática, por ello son necesarios los sensores de detección de objetos.

¿COMO DETECTAR LA PRESENCIA DE LOS OBJETOS?

Existen varios tipos de sensores de proximidad según el principio físico que utilizan. Los más comunes son:

� Sensor de contacto

� Detectores capacitivos

� Inductivos

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� Ultrasónicos

� Fotoeléctricos, siendo el más común el de infrarrojos.

1.4.1 Tipos y funcionamiento

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.

Existen tres tipos de sensores fotoeléctricos, los sensores por barrera de luz, reflexión sobre espejo o reflexión sobre objetos.

Infrarrojos

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.

GP2Y0A02YK0F

El GP2Y0A02YK0F es un sensor de distancia analógico, mide de 20 a 150 cm . Su diagrama de conexión es el mostrado en la figura, se puede apreciar que solo es necesario VCC y GND; la simpleza de sus conexiones viene del hecho a que es comercial.

Figura 19 Ejemplo de sensor de proximidad salida analógica

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Figura 20 Circuito acondicionador para un sensor de proximidad analógico

GP2Y0D810Z0F

El GP2Y0D810Z0F es un sensor de distancia digital, mide a 10 cm. Su diagrama de conexión es el mostrado en la figura, se puede apreciar; la cantidad reducida de componentes viene del hecho a que es comercial.

Figura 21 Ejemplo de sensor de presencia salida digital

Figura 22 Circuitos acondicionador para un sensor de proximidad digital

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DETECTORES DE PRESENCIA INFRARROJOS

Figura 23 Circuito no comercial detector de presencia

Los sensores de presencia no comerciales dependen de más componentes como los mostrados en la parte superior. Una consideración importante de estos sensores no comerciales es que deben de contener un PLL (Phase Locked Loop) para captar la señal en VCO (Voltaje Controlled Oscilator) y devolver en voltaje/cm la distancia.

DETECTORES DE PRESENCIA DE CONTACTO

Figura 24 Dispositivo sensor de presencia por contacto

Los sensores de presencia de contacto detectan cuando se ha “golpeado” un objeto, a diferencia de otros estos detectan cuando ya el golpe fue hecho, de allí su nombre de “contacto”.

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1.5 Modos de comunicación

Figura 25 Ejemplo de sensor que emplea una comunicación I2C

Los sensores de presencia ultrasónicos emplean este tipo de ondas. Cuando NO hay objeto, no se recibe eco. Cuando SI hay objeto, se mide el tiempo en el que tarda en llegar el eco ultrasónico. La distancia va en relación con el tiempo de llegada del eco. El sensor SRF10 emplea un protocolo conocido como I2C, el cual nos permite colocar diversos sensores para formar una red. En la Tabla 3 se muestra las direcciones que emplea este sensor en específico.

Tabla 3 Mapa de comandos en memoria del SRF10

Command Action

Decimal Hex

80 0x50 Ranging Mode - Result in inches

81 0x51 Ranging Mode - Result in centimeters

82 0x52 Ranging Mode - Result in micro-seconds

160 0xA0 1st in sequence to change I2C address

165 0xA5 3rd in sequence to change I2C address

170 0xAA 2nd in sequence to change I2C address

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Conclusiones Las interfaces con la computadora requieren de circuitos que les digan en qué estado se encuentra el sistema; lo podemos encontrar desde mouse, impresoras, microprocesadores. También en otras aplicaciones más ambiciosas como robots con Inteligencia Artificial, televisores, carros etcétera. Los diversos tipos de sensores existen debido a que son muy diversas las variables que existen en nuestro medio, así como variado son los usos que se les dan a las computadoras. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Instrumentación virtual: adquisición, procesado y análisis de señales, Antoni Manuel, Domingo Biel, 2001, Barcelona Digital.

2. Instrumentación electrónica, Enrique Mandado, 1995, Marcombo.

3. Direct sensor to microcontroller interfase circuits, Ferran reverter, 2009, Marcombo.

4. Diseño de interfaces de usuario, Shneiderman Ben, 2006, Addison Wesley

5. Diseño de interfaces de usuario Autor Shneiderman 6. Microcontroladores PIC: Diseño práctico de aplicaciones, Autor José Ma.

Angulo Usategui. 7. USERS POWER, Robótica: Guía teórica y práctica 8. Manual Niplesoft