detectores sensores y transductores

7/25/2019 Detectores Sensores y Transductores

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Facultad de Ingeniera Mecnica

Edificio W Ciudad Universitaria

Morelia, Michoacn

Ignacio Franco Torres 2012-2013

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www.fim.umich.mx

Email: [email protected]: 4433223500 ext 3107, 3109, 3111

Ruido. Se denomina ruido en un sensor a toda seal no deseada que se mezcla con la seal tildel sensor que queremos medir.

DESCRIPTORES DINMICOS DE UN SENSORTiempo de retardo: t

d

, es el tiempo que tarda lasalida del sensor en alcanzar el 50% de su valorfinal.

Tiempo de subida:

t

r, es el tiempo que tarda la salidadel sensor hasta alcanzar su valor final. =>velocidad del sensor, es decir, lo rpido queresponde ante una entrada.Tiempo de pico: t

p

, es el tiempo que tarda la salidadel sensor en alcanzar el pico mximo de susobreoscilacinPico de sobreoscilacin: Mp, expresa cuanto se elevala evolucin temporal de la salida del sensorrespecto de su valor final.Tiempo de establecimiento: t

s

,el tiempo que tarda la

salida del sensor en entrar en la banda del 5%alrededor del valor final y ya no vuelve a salir deella.

Proceso de calibracin:consiste en realizar la comparacin de la respuesta del sensor con otros quetienen una respuesta estndar conocida; de esta manera se establece la relacin entre la variablemedida por el sensor y su seal de salida.

SENSORES INTERNOS:

La informacin que la unidad de control del robot puede obtener sobre el estado de su estructuramecnica es la relativa a su:

Posicin.

Velocidad.Aceleracin

SENSORES EXTERNOS:

Objetivo: Proporcionar informacin sobre los objetos en el entorno del robot:PresenciaLocalizacinFuerza ejercida

6.1.1 Mecnicos.Sensores de contacto choque)

Para detectar contacto fsico del robot con un obstculo se suelen utilizarinterruptores que se accionan por medio de actuadores fsicos. Un ejemplo muyclsico seran unos alambres elsticos que cumplen una funcin similar a la delas antenas de los insectos. En ingls les llaman "whiskers" (bigotes),relacionndolos con los bigotes sensibles de los animales como por ejemplolos perros y gatos. Tambin se usan bandas metlicas que rodean al robot, o su

frente y/o parte trasera, como paragolpes de autos. Bsicamente son interruptores que se activancon el golpe o interaccin con el obstculo.

Tambin se les denomina sensores de presencia y hay dos grupos o categoras


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Prximos: - todo/nada

contactos mecnicos; finales de carrera.sin contacto:

o

pticoso inductivoo

capacitivoLejanos: - radar

infrarrojossonarradio

6.1.2 Electrnicos. Como se observa de la clasificacin anterior a excepcin de contactos mecnicos;finales de carreralos dems sensores de presencia son intrnsecamente electrnicos

Prximos: - todo/nada

contactos mecnicos; finales de carrera.sin contacto:

o

pticos: Emisor de luz por diodo LED + recepcin por un fotodiodo.

Los conos de luz formados enfocando la fuente y el detector en el mismo plano

interceptan en un volumen largo.Este volumen define el campo de operacin del sensor, puesto que una superficiereflectora que intercepta ese volumen se ilumina por la fuente y es vistasimultneamente por el receptor.

Sensor con salida binaria: un objeto se detecta cuando se recibe una intensidad de luzsuperior a un umbral preestablecido.

Otra posibilidad ms sencilla:

Problemas:- Alineacin precisa.- Alta calidad del emisor: porque la energa se pierde con la distancia.

o inductivo:Modificacin de un campo magntico por presencia de objetos metlicos.Consiste en una bobina situada junto a un imn permanente.En condiciones estticas no hay ningn movimiento en las lneas de flujo y no seinduce ninguna corriente en la bobina.Cuando un objeto metlico penetra en el campo del imn o lo abandona, el cambio


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resultante en las lneas de flujo induce un impulso de corriente, cuya amplitud esproporcional a la velocidad del cambio del flujo.La forma de onda de la tensin a la salida de la bobina proporciona un medio paradetectar la proximidad de un objeto.

o Capacitivo. Modificacin de la capacidad de un condensador por presencia de objetosslidosEl elemento sensor es un condensador constituido por un electrodo sensible y unelectrodo de referencia separados por un dielctrico, una cavidad de aire seco paraaislar y un conjunto de circuitos electrnicos.

Utilizado como medidor de desplazamiento, se consigue haciendo que el desplazamientoa medir provoque un desplazamiento en algn componente del condensadorcambioen su capacidad.

El elemento capacitivo es parte de un circuito que es excitado demanera continua por una forma de onda sinusoidal de referencia.Un cambio en la capacidad, produce un desplazamiento de fase entrela seal de referencia y una seal obtenida a partir del elementocapacitivo.

El desplazamiento de fase es proporcional al cambio de capacidad, este cambio se utilizapara deteccin de proximidad.- La capacidad vara con la distancia a la que est el objeto- La capacidad depende del material objeto de deteccin

Lejanos: - radar

infrarrojos

sonarradio

Desplazamiento:

Posicin:Donde est situado el elemento.- Analgicos: de I continua, alterna.

o

pticoso Lser


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o Efecto Hall- Digitales: encoder

6.2 Sensores y Transductores de distancia. Los transductores de desplazamiento o transductores deposicin, son empleados para medir diferentes rangos de distancia y obtener as una relacin entrela magnitud fsica y la magnitud elctrica que ser la que emplearemos en los equipos de

automatizacin o adquisicin estndar. Los rangos de estos transductores de distancia son muyamplios, ya que las necesidades reales tambin lo son, desde rangos mnimos de unas pocas micras,hasta rangos muy elevados de larga distancia, 200m, por ejemplo.

Para cubrir los diferentes rangos de medida, precisin y proteccin, disponemos de una granvariedad de transductores de desplazamiento, fabricados con diferentes tecnologas, que permitencubrir todas sus necesidades. A continuacin encontrar un resumen de prcticamente todos lossensores de desplazamiento disponibles en el mercado, agrupados segn su tecnologa.

Transductores de desplazamiento por cableTransductores de distancia magnetoestrictivosEncoder lineal magnticoPotencimetro linealEncoder lineal ptico (reglas digitales)Transductores de distancia inductivos LVDTSensores de distancia lser

6.2.1 Infrarrojo. Usa como elemento de medicin un haz de luz Infrarrojo, generalmente moduladopara evitar perturbaciones de la luz ambiente.

Ejemplo: Sensor infrarrojo de distancia SHARP GP2Y0A21YK.

capaz de detectar y medir la distancia respecto a objetos quese encuentran en el rango de trabajo (10 cm a 80 cm)La salida proporciona 3,1V a 10cm hasta 0,4V a 80cm por lo

que cualquier microcontrolador con una entrada ADCdisponible puede fcilmente interpretar su seal sinnecesidad de componentes externos.La salida est disponible de forma continua, esto significa queno es necesario ningn tipo de circuito de control nitemporizacin externo.Basta con aplicar tensin para que la medida est disponiblecada 50 ms. El sensor utiliza solo una lnea de salida paracomunicarse con el microcontrolador (Arduino, AVR, PIC, etc).Distancia de medicin: 10cm hasta 80cm.Principio de funcionamiento: triangulacin de un rayo infrarrojo emitido por el sensor.Linealidad: El sensor no es lineal ([f(a)+f(b)][f(a+b)]), pero con el uso de la siguiente frmula

se puede lograr linealizar el voltaje entregado por el sensor. El voltaje analgico medido esequivalente a la distancia a la que se encuentra el objeto entre los rangos de trabajo del sensor(10 a 80 cm).

Frmula:R = (6787 / (V[valor de salida del sensor en bits] - 3)) - 4R = (3.3 / (V[valor de salida del sensor en volts] - 3)) - 4

Especificaciones:


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Voltaje de alimentacin: 4.5 V to 5.5 VConsumo de corriente promedio: 30 mA (tpica)Rango de distancia: 10 cm a 80 cm (4" to 32")Tipo de voltaje de salida: salida de voltaje analgicaTiempo de respuesta: 38 10 msTemperatura funcionamiento: -10 a 60 CDimensiones: 29.513.013.5 mm (1.160.50.53")Peso: 3.5 g (0.12 oz)El sensor Sharp GP2Y0D02YK es un sensor de distancia por infrarrojos cuyas caractersticaselctricas son idnticas a la del sensor GP2D15, pero emplea unas lentes especiales que leproporcionan un rango de trabajo mucho mayor.

Diagrama a bloques del sensor con salida analgica o digital

6.2.2 Ultrasnicos Sonar) . Los ultrasonidos son antes quenada sonido, exactamente igual que los que omosnormalmente, salvo que tienen una frecuencia mayor que lamxima audible por el odo humano. sta comienza desdeunos 16 Hz y tiene un lmite superior de aproximadamente20 KHz, mientras que nosotros vamos a utilizar sonido conuna frecuencia de 40 KHz. A este tipo de sonidos es a lo quellamamos Ultrasonidos.

El funcionamiento bsico de los ultrasonidos comomedidores de distancia se muestra de una manera muy claraen el siguiente esquema, donde se tiene un receptor que emite un pulso de ultrasonido que rebotasobre un determinado objeto y la reflexin de ese pulso es detectada por un receptor deultrasonidos:

La mayora de los sensores de ultrasonido de bajo coste se basan en la emisin de un pulso deultrasonido cuyo lbulo, o campo de accin, es de forma cnica.Midiendo el tiempo que transcurre entre la emisin del sonido y la percepcin del eco se puedeestablecer la distancia a la que se encuentra el obstculo que ha producido la reflexin de la ondasonora, mediante la frmula:

V es la velocidad del sonido en el aire

t es el tiempo transcurrido entre la emisin y saludo del pulso

Problemas con los Ultrasonidos: A pesar de que su funcionamiento parece muy sencillo, existenfactores inherentes tanto a los ultrasonidos como al mundo real, que influyen de una formadeterminante en las medidas realizadas. Por tanto, es necesario un conocimiento de las diversasfuentes de incertidumbre que afectan a las medidas para poder tratarlas de forma adecuada,minimizando su efecto en el conocimiento del entorno que se desea adquirir. Entre los diversosfactores que alteran las lecturas que se realizan con los sensores de ultrasonido cabe destacar:


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El campo de actuacin del pulso que se emite desde untransductor de ultrasonido tiene forma cnica. El ecoque se recibe como respuesta a la reflexin del sonidoindica la presencia del objeto ms cercano que seencuentra dentro del cono acstico y no especifica enningn momento la localizacin angular del mismo.Aunque la mxima probabilidad es que el objeto

detectado est sobre el eje central del cono acstico, laprobabilidad de que el eco se haya producido por unobjeto presente en la periferia del eje central no es enabsoluto despreciable y ha de ser tenida en cuenta y tratada convenientemente.

La cantidad de energa acstica reflejada por el obstculo depende en gran medida de la estructurade su superficie. Para obtener una reflexin altamente difusa del obstculo, el tamao de lasirregularidades sobre la superficie reflectora debe ser comparable a la longitud de onda de la ondade ultrasonido incidente.En los sensores de ultrasonido de bajo coste se utiliza el mismo transductor como emisor yreceptor. Tras la emisin del ultrasonido se espera un determinado tiempo a que las vibraciones enel sensor desaparezcan y est preparado para recibir el eco producido por el obstculo. Esto implicaque existe una distancia mnima d (proporcional al tiempo de relajacin del transductor) a partir dela cual el sensor mide con precisin. Por lo general, todos los objetos que se encuentren por debajode esta distancia, d, sern interpretados por el sistema como que estn a una distancia igual a ladistancia mnima.Los factores ambientales tienen una gran repercusin sobrelas medidas:Las ondas de ultrasonido se mueven por un medio materialque es el aire. La densidad del aire depende de latemperatura, influyendo este factor sobre la velocidad depropagacin de la onda segn la expresin:

Siendo Vso C, y Tla temperatura absoluta (gradosKelvin).

La temperatura afecta a la capacidad de deteccin.Un factor de error muy comn es el conocido como falsos ecos. Estos falsos ecos se pueden producirpor razones diferentes: Puede darse el caso en que la onda emitida por el transductor se reflejevarias veces en diversas superficies antes de que vuelva a incidir en el transductor (si es que incide).Este fenmeno, conocido como reflexiones mltiples, implica que la lectura del sensor evidencia lapresencia de un obstculo a una distancia proporcional al tiempo transcurrido en el viaje de la onda;es decir, una distancia mucho mayor que a la que est en realidad el obstculo ms cercano, que

pudo producir la primera reflexin de la onda.Otra fuente ms comn de falsos ecos, conocida como crosstalk, se produce cuando se emplea uncinturn de ultrasonidos donde una serie de sensores estn trabajando al mismo tiempo. En estecaso puede ocurrir (y ocurre con una frecuencia relativamente alta) que un sensor emita un pulso ysea recibido por otro sensor que estuviese esperando el eco del pulso que l haba enviado conanterioridad (o viceversa).

Incertidumbre angular en la medida

de un ultrasonido


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Adems de los problemas ya sealados con ms detalle anteriormente a continuacin se muestrande una manera ms esquemtica otras situaciones que pueden ser problemticas a la hora dedisear un sistema de deteccin de distancias para un microrrobot basado en ultrasonidos:

La posicin real del objeto es desconocida: (cualquier posicin del cono a distancia d).Reflejos especulares: la direccin del reflejo depende del ngulo de Incidencia.Cuanto menor sea el ngulo, mayor es la probabilidad de perderse y producir falsas medidas degran longitud.

Las superficies pulidas agravan el problema (las rugosas producen reflejos que llegan antes)Ejemplo: un robot que se acerca a una pared con muy poco ngulo puede no verlaQu ocurre cuando varios robots usan ultrasonidos?: Puede existir un problema de falsadeteccin.

Ejemplo de un sensor

Tensin 5VConsumo 30 mA Tip. 50mA Max.Frecuencia: 40 Khz.Distancia Mnima: 3 cm.Distancia Mxima: 300 cm.Sensibilidad: Detecta un palo de escoba a 3 m.Pulso de Disparo 10 uS min. TTLPulso de Eco: 100 uS - 18 mSRetardo entre pulsos: 10 mS MnimoPulso de Eco: 100 uS - 18 mSTamao: 43 x 20 x 17 mm

Peso: 10 gr.

6.3 Sensores y Transductores de posicin.

6.3.1 Relativa Encoder. Codificadores angulares deposicin: Constan de un disco transparente con una seriede marcas opacas colocadas radialmente y equidistantesentre s, de un sistema de iluminacin y de un elemento

fotorreceptor.

El eje cuya posicin se quiere medir va acoplado al disco,a medida que el eje gira se van generando pulsos en elreceptor cada vez que la luz atraviese las marcas,llevando una cuenta de estos pulsos es posible conocer laposicin del eje.

La resolucin depende del nmero de marcas que se pueden poner fsicamente en el disco.

El funcionamiento de un encoder absoluto es similar, pero el disco se divide en un nmero desectores (potencia de 2), codificndose cada uno de ellos con un cdigo binario (cdigo Gray), con

zonas transparentes y opacas.

La resolucin es fija y viene dada por el nmero de anillos que posea el disco 28hasta 219

6.3.2 Absoluta GPS.


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Modulo Gps para conectarse a un sistema digital comoun microcontrolador

6.4 Sensores y Transductores de fuerza.Existen variostipos de Transductores de Fuerza. Algunos trabajan enambos modos (traccin y compresin) o solo en algunode ellos. Su principio de funcionamiento se basa en

medir la deformacin de un elemento elstico (verFigura 1) a travs de unas Laminillas ElctricasMedidoras de Deformacin (LEMD), las cuales soncomnmente conocidas como "strain gauges" o "galgas extensiomtricas". Estas LEMD sonelementos elctricos que, al deformarse el elemento al cual estn adheridos, cambian su resistenciaelctrica, enviando la seal a un indicador que registra esos cambios para despus transformar estaindicacin en unidades de fuerza.


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y los cambios de resistencia estn en funcin de los cambios de longitud como se

observa en la ecuacin de resistencia

6.5 Sensores y Transductores de color. Los sensores de color detectan el color en una superficie.La primera opcin usa un fuente de luzpolicromtica (blanca) y detecta lacantidad de luz reflejada por el objeto atravs de 3 detectores de colores bsicosque pueden ser fotorresistencias,fotodiodos o fototransistores con filtrosbsicos RGB (Red Green Blue) seguido deuna etapa de calculo que a partir de lassalidas de los sensores de color bsicoestima el color resultante. La salida puedeser un cdigo digital que identifique el color o puede ser una salida analgica decorriente o voltaje en el cual estarn codificados los colores.

Otra opcion es que se emiten luz (LED rojo, verde y azul) sobre el objeto que seanaliza, calculan las coordenadas cromticas a partir de la radiacin reflejada y lascomparan con los colores de referencia previamente almacenados. La salida puedeser un cdigo digital que identifique el color o puede ser una salida analgica decorriente o voltaje en el cual estarn codificados los colores.

Ejemplo Comercial: TCS230 PROGRAMMABLE COLOR LIGHT-TO-FREQUENCY CONVERTER. ElTCS230 es un CI programable que convierte elcolor de la luz en frecuencia, combina un arregloconfigurable de fotodiodos de silicio y unconvertidor de corriente a frecuencia en un solocircuito de tecnologa CMOS. La salida es unaseal de onda cuadrada (con ciclo de trabajo del50%) cuya frecuencia es directamenteproporcional a la intensidad de la luz(irradiancia). El rango de la salida de frecuencia

a escala completa puede ser seleccionado a unode los 3 valores por default a travs de deentradas de control (entradas digitales).Entradas y salidas Digitales pueden conectarsedirectamente con microcontroladores o circuitosdigitales. La terminal Output Enable (OE) pone las salidas en alta impedancia (tercer estado)pudiendo compartir las lneas con otros dispositivos.


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El convertidor de luz a frecuencia lee un arreglo de 8 x 8 fotodiodos. Diez y seis fotodiodos tienen unfiltro azul, 16 fotodiodos tiene un filtro verde, 16 fotodiodos tienen un filtro rojo, y 16 fotodiodosestn limpios es decir no tienen filtro.Los cuatro tipos (colores) de fotodiodos estn distribuidos homogneamente para minimizar elefecto de la no uniformidad en la irradiancia incidente. Todos los 16 fotodiodos del mismo color sonconectados en paralelo y cual tipo de fotodiodo del dispositivo es usado durante su operacin esseleccionable a travs de entradas digitales. Los fotodiodos son de un tamao de 120 mm x 120 mm

6.6 Sensores y Transductores de Imagen. El sensor de imgenesfunciona con el mismo principio que la pelcula fotogrfica,transforma la luz en imagen. El sensor est constituido porclulas fotovoltaicas que miden la intensidad de la luz y sucolor. Esta intensidad luminosa luego se transforma encorriente elctrica. Cada punto del sensor, que compone unaparte de un pxel, registra la intensidad luminosa para produciruna imagen.El sensor de imgenes est compuesto por dos elementossuperpuestos: el primero est compuesto por clulas

fotosensibles, el segundo es el dispositivo de transferencia decarga. Para restituir el color, cada clula fotosensible posee 3filtros: un rojo, un azul y un verde. Cada filtro slo es receptivo aun color.

Los diferentes tipos de sensoresEl sensor CCD (Charge-Coupled Device) era el ms usado hasta hace pocoen las cmaras fotogrficas y las videocmaras digitales. El CCD estcompuesto de clulas fotosensibles que transfieren la carga hacia uncolector que traslada a su vez las cargas hacia el conversor.

El sensor CMOS (Complementary Metal Oxyde Semi-conductor) funcionaen base al mismo principio que el sensor CCD, pero con algunos detallesdiferentes. Tambin est compuesto de un matriz de clulasfotosensibles, pero en lugar de trasladar la carga hacia un colector, laconserva y la traslada directamente al conversor.

En principio, el sensor CCD es de mejor calidad y da mejores resultadosque el sensor CMOS que es incorporado en las cmaras web y en lascmaras fotogrficas digitales de baja gama. Pero algunos fabricantesrevertieron este estado y equiparon sus mejores rflex con un sensor CMOS de tipo APS-C y FullFrame. De esta manera, se puede obtener una imagen de mejor calidad en los detalles, la resoluciny la sensibilidad, con un CMOS acoplado a un buen conversor, en lugar de un CCD acoplado a un

conversor de baja calidad.El sensor CMOS es menos costoso que el sensor CCD. Esto favorece a los usuarios ya que puedenobtener, a un menor costo, un sensor ms grande con una mayor resolucin, incluso si es ms lentoque el sensor CCD.El sensor CCD es todava ms utilizado en la mayora de las cmaras compactas y en las cmarasbridge, mientras que el CMOS es ms usado en las cmaras rflex y las cmaras hbridas (cmarascompactas con objetivos intercambiables).


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La resolucin. Es calculada por el nmero de pxeles a lo largo y ancho de la imagen. De estaresolucin depender el formato de salida, es decir el tamao mximo de una imagen al imprimirsin alterar la calidad.As, un sensor de 12 millones de pxeles permite restituir una imagen de 4000 pxeles de largo por3000 de ancho (4000 x 3000 = 12000000). A 150 pxeles por pulgada, se obtendr una imagen dealta calidad de 67 cm x 50 cm (un poco ms grande que el formato A2). Sin embargo, hay que tomaren consideracin el tamao efectivo de su sensor porque ste tiene una incidencia directa sobre la

calidad general de las imgenes. Un sensor de igual resolucin con formato 36 x 24 mm full frameser de mejor calidad que un sensor de 17.3 x 13 mm (este tipo de sensor se encuentra en ciertascmaras bridge y en las cmaras compactas de objetivo intercambiable).

Ejemplo de una conexin de una CCD a un sistema digital

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