DETECTORES, SENSORES Y TRANSDUCTORES (6 Hrs)

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1 1 CAPITULO 6 DETECTORES, SENSORES Y TRANSDUCTORES (6 Hrs) Objetivo: El alumno analizara, reconocerá y usará diversos sensores y transductores enfocados a la robótica. 6.1 Sensores y Transductores de obstáculo. Los transductores son elementos capaces de transformar una variable física en otra variable física más fácil de medir. Se les llama sensores a aquellos transductores que transforman variables físicas en variables eléctricas. SENSORES Para conseguir que el robot realice su tarea con la adecuada precisión es preciso que tenga conocimiento tanto de su propio estado como del estado de su entorno. Dos tipos de sensores: Sensores internos: sensores integrados en la propia estructura mecánica del robot, que dan información del estado del robot: fundamentalmente de la posición, velocidad y aceleración de las articulaciones. Sensores externos: dan información del entorno del robot: alcance, proximidad, contacto, fuerza, etc. Se utilizan para guiado de robots, para identificación y manipulación de objetos. Definición: un sensor es un dispositivo eléctrico y/o mecánico que convierte magnitudes físicas (luz, magnetismo, presión, etc.) en valores medibles de dicha magnitud. Esto se realiza en tres fases: Un fenómeno físico a ser medido es captado por un sensor, y muestra en su salida una señal eléctrica dependiente del valor de la variable física. La señal eléctrica es modificada por un sistema de acondicionamiento de señal, cuya salida es un voltaje. El sensor dispone de una circuitería que transforma y/o amplifica la tensión de salida, la cual pasa a un convertidor A/D, conectado a sistema digital (como una PC). El convertidor A/D transforma la señal de tensión continua en una señal discreta. DESCRIPTORES ESTÁTICOS DE UN SENSOR Los descriptores estáticos definen el comportamiento en régimen permanente del sensor: Rango: valores máximos y mínimos para las variables de entrada y salida de un sensor. Exactitud: la desviación de la lectura de un sistema de medida respecto a una entrada conocida. El mayor error esperado entre las señales medida e ideal. Repetitividad: la capacidad de reproducir una lectura con una precisión dada. Reproducibilidad: tiene el mismo sentido que la repetitividad excepto que se utiliza cuando se toman medidas distintas bajo condiciones diferentes. Resolución: la cantidad de medida más pequeña que se pueda detectar. Error: es la diferencia entre el valor medido y el valor real. No linealidades: la desviación de la medida de su valor real, supuesto que la respuesta del sensor es lineal. No-linealidades típicas: saturación, zona muerta e histéresis. Sensibilidad: es la razón de cambio de la salida frente a cambios en la entrada: Excitación: es la cantidad de corriente o voltaje requerida para el funcionamiento del sensor. Estabilidad: es una medida de la posibilidad de un sensor de mostrar la misma salida en un rango en que la entrada permanece constante.

2 2 Ruido. Se denomina ruido en un sensor a toda señal no deseada que se mezcla con la señal útil del sensor que queremos medir. DESCRIPTORES DINÁMICOS DE UN SENSOR Tiempo de retardo: td, es el tiempo que tarda la salida del sensor en alcanzar el 50% de su valor final. Tiempo de subida: tr, es el tiempo que tarda la salida del sensor hasta alcanzar su valor final. => velocidad del sensor, es decir, lo rápido que responde ante una entrada. Tiempo de pico: tp, es el tiempo que tarda la salida del sensor en alcanzar el pico máximo de su sobreoscilación Pico de sobreoscilación: Mp, expresa cuanto se eleva la evolución temporal de la salida del sensor respecto de su valor final. Tiempo de establecimiento: ts, 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 de ella. Proceso de calibración: consiste en realizar la comparación de la respuesta del sensor con otros que tienen una respuesta estándar conocida; de esta manera se establece la relación entre la variable medida por el sensor y su señal de salida. SENSORES INTERNOS: La información que la unidad de control del robot puede obtener sobre el estado de su estructura mecánica es la relativa a su: Posición. Velocidad. Aceleración SENSORES EXTERNOS: Objetivo: Proporcionar información sobre los objetos en el entorno del robot: Presencia Localización Fuerza ejercida Mecánicos. Sensores de contacto (choque) Para detectar contacto físico del robot con un obstáculo se suelen utilizar interruptores que se accionan por medio de actuadores físicos. Un ejemplo muy clásico serían unos alambres elásticos que cumplen una función similar a la de las antenas de los insectos. En inglés les llaman "whiskers" (bigotes), relacionándolos con los bigotes sensibles de los animales como por ejemplo los perros y gatos. También se usan bandas metálicas que rodean al robot, o su frente y/o parte trasera, como paragolpes de autos. Básicamente son interruptores que se activan con el golpe o interacción con el obstáculo. También se les denomina sensores de presencia y hay dos grupos o categorías

3 3 Próximos: - todo/nada contactos mecánicos; finales de carrera. sin contacto: o ópticos o inductivo o capacitivo Lejanos: - radar infrarrojos sonar radio Electrónicos. Como se observa de la clasificación anterior a excepción de contactos mecánicos; finales de carrera los demás sensores de presencia son intrínsecamente electrónicos Próximos: - todo/nada contactos mecánicos; finales de carrera. sin contacto: o ópticos: Emisor de luz por diodo LED + recepción 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 operación del sensor, puesto que una superficie reflectora que intercepta ese volumen se ilumina por la fuente y es vista simultáneamente por el receptor. Sensor con salida binaria: un objeto se detecta cuando se recibe una intensidad de luz superior a un umbral preestablecido. Otra posibilidad más sencilla: Problemas: - Alineación precisa. - Alta calidad del emisor: porque la energía se pierde con la distancia. o inductivo: Modificación de un campo magnético por presencia de objetos metálicos. Consiste en una bobina situada junto a un imán permanente. En condiciones estáticas no hay ningún movimiento en las líneas de flujo y no se induce ninguna corriente en la bobina. Cuando un objeto metálico penetra en el campo del imán o lo abandona, el cambio

4 4 resultante en las líneas de flujo induce un impulso de corriente, cuya amplitud es proporcional a la velocidad del cambio del flujo. La forma de onda de la tensión a la salida de la bobina proporciona un medio para detectar la proximidad de un objeto. o Capacitivo. Modificación de la capacidad de un condensador por presencia de objetos sólidos El elemento sensor es un condensador constituido por un electrodo sensible y un electrodo de referencia separados por un dieléctrico, una cavidad de aire seco para aislar y un conjunto de circuitos electrónicos. Utilizado como medidor de desplazamiento, se consigue haciendo que el desplazamiento a medir provoque un desplazamiento en algún componente del condensador cambio en su capacidad. El elemento capacitivo es parte de un circuito que es excitado de manera continua por una forma de onda sinusoidal de referencia. Un cambio en la capacidad, produce un desplazamiento de fase entre la señal de referencia y una señal obtenida a partir del elemento capacitivo. El desplazamiento de fase es proporcional al cambio de capacidad, este cambio se utiliza para detección de proximidad. - La capacidad varía con la distancia a la que está el objeto - La capacidad depende del material objeto de detección Lejanos: - radar infrarrojos sonar radio Desplazamiento: Posición: Donde está situado el elemento. - Analógicos: de I continua, alterna. o Ópticos o Láser

5 5 o Efecto Hall - Digitales: encoder 6.2 Sensores y Transductores de distancia. Los transductores de desplazamiento o transductores de posición, son empleados para medir diferentes rangos de distancia y obtener así una relación entre la magnitud física y la magnitud eléctrica que será la que emplearemos en los equipos de automatización o adquisición estándar. Los rangos de estos transductores de distancia son muy amplios, ya que las necesidades reales también lo son, desde rangos mínimos de unas pocas micras, hasta rangos muy elevados de larga distancia, 200m, por ejemplo. Para cubrir los diferentes rangos de medida, precisión y protección, disponemos de una gran variedad de transductores de desplazamiento, fabricados con diferentes tecnologías, que permiten cubrir todas sus necesidades. A continuación encontrará un resumen de prácticamente todos los sensores de desplazamiento disponibles en el mercado, agrupados según su tecnología. Transductores de desplazamiento por cable Transductores de distancia magnetoestrictivos Encoder lineal magnético Potenciómetro lineal Encoder lineal óptico (reglas digitales) Transductores de distancia inductivos LVDT Sensores de distancia láser Infrarrojo. Usa como elemento de medición un haz de luz Infrarrojo, generalmente modulado para evitar perturbaciones de la luz ambiente. Ejemplo: Sensor infrarrojo de distancia SHARP GP2Y0A21YK. capaz de detectar y medir la distancia respecto a objetos que se 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 ADC disponible puede fácilmente interpretar su señal sin necesidad de componentes externos. La salida está disponible de forma continua, esto significa que no es necesario ningún tipo de circuito de control ni temporización externo. Basta con aplicar tensión para que la medida esté disponible cada 50 ms. El sensor utiliza solo una línea de salida para comunicarse con el microcontrolador (Arduino, AVR, PIC, etc). Distancia de medición: 10cm hasta 80cm. Principio de funcionamiento: triangulación 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 fórmula se puede lograr linealizar el voltaje entregado por el sensor. El voltaje analógico medido es equivalente a la distancia a la que se encuentra el objeto entre los rangos de trabajo del sensor (10 a 80 cm). Fórmula: R = (6787 / (V[valor de salida del sensor en bits] - 3)) - 4 R = (3.3 / (V[valor de salida del sensor en volts] - 3)) - 4 Especificaciones:

6 6 Voltaje de alimentación: 4.5 V to 5.5 V Consumo de corriente promedio: 30 ma (típica) Rango de distancia: 10 cm a 80 cm (4" to 32") Tipo de voltaje de salida: salida de voltaje analógica Tiempo de respuesta: 38 ± 10 ms Temperatura funcionamiento: -10 a 60 ºC Dimensiones: mm ( ") Peso: 3.5 g (0.12 oz) El sensor Sharp GP2Y0D02YK es un sensor de distancia por infrarrojos cuyas características eléctricas son idénticas a la del sensor GP2D15, pero emplea unas lentes especiales que le proporcionan un rango de trabajo mucho mayor. Diagrama a bloques del sensor con salida analógica o digital Ultrasónicos (Sonar). Los ultrasonidos son antes que nada sonido, exactamente igual que los que oímos normalmente, salvo que tienen una frecuencia mayor que la máxima audible por el oído humano. Ésta comienza desde unos 16 Hz y tiene un límite superior de aproximadamente 20 KHz, mientras que nosotros vamos a utilizar sonido con una frecuencia de 40 KHz. A este tipo de sonidos es a lo que llamamos Ultrasonidos. El funcionamiento básico de los ultrasonidos como medidores de distancia se muestra de una manera muy clara en el siguiente esquema, donde se tiene un receptor que emite un pulso de ultrasonido que rebota sobre un determinado objeto y la reflexión de ese pulso es detectada por un receptor de ultrasonidos: La mayoría de los sensores de ultrasonido de bajo coste se basan en la emisión de un pulso de ultrasonido cuyo lóbulo, o campo de acción, es de forma cónica. Midiendo el tiempo que transcurre entre la emisión del sonido y la percepción del eco se puede establecer la distancia a la que se encuentra el obstáculo que ha producido la reflexión de la onda sonora, mediante la fórmula: V es la velocidad del sonido en el aire t es el tiempo transcurrido entre la emisión y saludo del pulso Problemas con los Ultrasonidos: A pesar de que su funcionamiento parece muy sencillo, existen factores inherentes tanto a los ultrasonidos como al mundo real, que influyen de una forma determinante en las medidas realizadas. Por tanto, es necesario un conocimiento de las diversas fuentes 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 diversos factores que alteran las lecturas que se realizan con los sensores de ultrasonido cabe destacar:

7 7 El campo de actuación del pulso que se emite desde un transductor de ultrasonido tiene forma cónica. El eco que se recibe como respuesta a la reflexión del sonido indica la presencia del objeto más cercano que se encuentra dentro del cono acústico y no especifica en ningún momento la localización angular del mismo. Aunque la máxima probabilidad es que el objeto detectado esté sobre el eje central del cono acústico, la probabilidad de que el eco se haya producido por un Incertidumbre angular en la medida objeto presente en la periferia del eje central no es en de un ultrasonido absoluto despreciable y ha de ser tenida en cuenta y tratada convenientemente. La cantidad de energía acústica reflejada por el obstáculo depende en gran medida de la estructura de su superficie. Para obtener una reflexión altamente difusa del obstáculo, el tamaño de las irregularidades sobre la superficie reflectora debe ser comparable a la longitud de onda de la onda de ultrasonido incidente. En los sensores de ultrasonido de bajo coste se utiliza el mismo transductor como emisor y receptor. Tras la emisión del ultrasonido se espera un determinado tiempo a que las vibraciones en el sensor desaparezcan y esté preparado para recibir el eco producido por el obstáculo. Esto implica que existe una distancia mínima d (proporcional al tiempo de relajación del transductor) a partir de la cual el sensor mide con precisión. Por lo general, todos los objetos que se encuentren por debajo de esta distancia, d, serán interpretados por el sistema como que están a una distancia igual a la distancia mínima. Los factores ambientales tienen una gran repercusión sobre las medidas: Las ondas de ultrasonido se mueven por un medio material que es el aire. La densidad del aire depende de la temperatura, influyendo este factor sobre la velocidad de propagación de la onda según la expresión: Siendo Vso Kelvin). C, y T la temperatura absoluta (grados La temperatura afecta a la capacidad de detección. Un factor de error muy común es el conocido como falsos ecos. Estos falsos ecos se pueden producir por razones diferentes: Puede darse el caso en que la onda emitida por el transductor se refleje varias veces en diversas superficies antes de que vuelva a incidir en el transductor (si es que incide). Este fenómeno, conocido como reflexiones múltiples, implica que la lectura del sensor evidencia la presencia de un obstáculo a una distancia proporcional al tiempo transcurrido en el viaje de la onda; es decir, una distancia mucho mayor que a la que está en realidad el obstáculo más cercano, que pudo producir la primera reflexión de la onda. Otra fuente más común de falsos ecos, conocida como crosstalk, se produce cuando se emplea un cinturón de ultrasonidos donde una serie de sensores están trabajando al mismo tiempo. En este caso puede ocurrir (y ocurre con una frecuencia relativamente alta) que un sensor emita un pulso y sea recibido por otro sensor que estuviese esperando el eco del pulso que él había enviado con anterioridad (o viceversa).

8 8 Además de los problemas ya señalados con más detalle anteriormente a continuación se muestran de una manera más esquemática otras situaciones que pueden ser problemáticas a la hora de diseñar un sistema de detección de distancias para un microrrobot basado en ultrasonidos: La posición real del objeto es desconocida: (cualquier posición del cono a distancia d). Reflejos especulares: la dirección del reflejo depende del ángulo de Incidencia. Cuanto menor sea el ángulo, mayor es la probabilidad de perderse y producir falsas medidas de gran 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 ángulo puede no verla Qué ocurre cuando varios robots usan ultrasonidos?: Puede existir un problema de falsa detección. Ejemplo de un sensor Tensión 5V Consumo 30 ma Tip. 50mA Max. Frecuencia: 40 Khz. Distancia Mínima: 3 cm. Distancia Máxima: 300 cm. Sensibilidad: Detecta un palo de escoba a 3 m. Pulso de Disparo 10 us min. TTL Pulso de Eco: 100 us - 18 ms Retardo entre pulsos: 10 ms Mínimo Pulso de Eco: 100 us - 18 ms Tamaño: 43 x 20 x 17 mm Peso: 10 gr. 6.3 Sensores y Transductores de posición Relativa Encoder. Codificadores angulares de posición: Constan de un disco transparente con una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sí, de un sistema de iluminación y de un elemento fotorreceptor. El eje cuya posición se quiere medir va acoplado al disco, a medida que el eje gira se van generando pulsos en el receptor cada vez que la luz atraviese las marcas, llevando una cuenta de estos pulsos es posible conocer la posición del eje. La resolución depende del número de marcas que se pueden poner físicamente en el disco. El funcionamiento de un encoder absoluto es similar, pero el disco se divide en un número de sectores (potencia de 2), codificándose cada uno de ellos con un código binario (código Gray), con zonas transparentes y opacas. La resolución es fija y viene dada por el número de anillos que posea el disco 2 8 hasta Absoluta GPS.

9 9 Modulo Gps para conectarse a un sistema digital como un microcontrolador 6.4 Sensores y Transductores de fuerza. Existen varios tipos de Transductores de Fuerza. Algunos trabajan en ambos modos (tracción y compresión) o solo en alguno de ellos. Su principio de funcionamiento se basa en medir la deformación de un elemento elástico (ver Figura 1) a través de unas Laminillas Eléctricas Medidoras de Deformación (LEMD), las cuales son comúnmente conocidas como "strain gauges" o "galgas extensiométricas". Estas LEMD son elementos eléctricos que, al deformarse el elemento al cual están adheridos, cambian su resistencia eléctrica, enviando la señal a un indicador que registra esos cambios para después transformar esta indicación en unidades de fuerza.

10 10 y los cambios de resistencia están en función de los cambios de longitud como se observa en la ecuación de resistencia 6.5 Sensores y Transductores de color. Los sensores de color detectan el color en una superficie. La primera opción usa un fuente de luz policromática (blanca) y detecta la cantidad de luz reflejada por el objeto a través de 3 detectores de colores básicos que pueden ser fotorresistencias, fotodiodos o fototransistores con filtros básicos RGB (Red Green Blue) seguido de una etapa de calculo que a partir de las salidas de los sensores de color básico estima el color resultante. La salida puede ser un código digital que identifique el color o puede ser una salida analógica de corriente o voltaje en el cual estarán codificados los colores. Otra opcion es que se emiten luz (LED rojo, verde y azul) sobre el objeto que se analiza, calculan las coordenadas cromáticas a partir de la radiación reflejada y las comparan con los colores de referencia previamente almacenados. La salida puede ser un código digital que identifique el color o puede ser una salida analógica de corriente o voltaje en el cual estarán codificados los colores. Ejemplo Comercial: TCS230 PROGRAMMABLE COLOR LIGHT-TO-FREQUENCY CONVERTER. El TCS230 es un CI programable que convierte el color de la luz en frecuencia, combina un arreglo configurable de fotodiodos de silicio y un convertidor de corriente a frecuencia en un solo circuito de tecnología CMOS. La salida es una señal de onda cuadrada (con ciclo de trabajo del 50%) cuya frecuencia es directamente proporcional a la intensidad de la luz (irradiancia). El rango de la salida de frecuencia a escala completa puede ser seleccionado a uno de los 3 valores por default a través de de entradas de control (entradas digitales). Entradas y salidas Digitales pueden conectarse directamente con microcontroladores o circuitos digitales. La terminal Output Enable (OE) pone las salidas en alta impedancia (tercer estado) pudiendo compartir las líneas con otros dispositivos.

11 11 El convertidor de luz a frecuencia lee un arreglo de 8 x 8 fotodiodos. Diez y seis fotodiodos tienen un filtro azul, 16 fotodiodos tiene un filtro verde, 16 fotodiodos tienen un filtro rojo, y 16 fotodiodos están limpios es decir no tienen filtro. Los cuatro tipos (colores) de fotodiodos están distribuidos homogéneamente para minimizar el efecto de la no uniformidad en la irradiancia incidente. Todos los 16 fotodiodos del mismo color son conectados en paralelo y cual tipo de fotodiodo del dispositivo es usado durante su operación es seleccionable a través de entradas digitales. Los fotodiodos son de un tamaño de 120 mm x 120 mm 6.6 Sensores y Transductores de Imagen. El sensor de imágenes funciona con el mismo principio que la película fotográfica, transforma la luz en imagen. El sensor está constituido por células fotovoltaicas que miden la intensidad de la luz y su color. Esta intensidad luminosa luego se transforma en corriente eléctrica. Cada punto del sensor, que compone una parte de un píxel, registra la intensidad luminosa para producir una imagen. El sensor de imágenes está compuesto por dos elementos superpuestos: el primero está compuesto por células fotosensibles, el segundo es el dispositivo de transferencia de carga. Para restituir el color, cada célula fotosensible posee 3 filtros: un rojo, un azul y un verde. Cada filtro sólo es receptivo a un color. Los diferentes tipos de sensores El sensor CCD (Charge-Coupled Device) era el más usado hasta hace poco en las cámaras fotográficas y las videocámaras digitales. El CCD está compuesto de células fotosensibles que transfieren la carga hacia un colector que traslada a su vez las cargas hacia el conversor. El sensor CMOS (Complementary Metal Oxyde Semi-conductor) funciona en base al mismo principio que el sensor CCD, pero con algunos detalles diferentes. También está compuesto de un matriz de células fotosensibles, pero en lugar de trasladar la carga hacia un colector, la conserva y la traslada directamente al conversor. En principio, el sensor CCD es de mejor calidad y da mejores resultados que el sensor CMOS que es incorporado en las cámaras web y en las cámaras fotográficas digitales de baja gama. Pero algunos fabricantes revertieron este estado y equiparon sus mejores réflex con un sensor CMOS de tipo APS-C y Full Frame. De esta manera, se puede obtener una imagen de mejor calidad en los detalles, la resolución y 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 pueden obtener, a un menor costo, un sensor más grande con una mayor resolución, incluso si es más lento que el sensor CCD. El sensor CCD es todavía más utilizado en la mayoría de las cámaras compactas y en las cámaras bridge, mientras que el CMOS es más usado en las cámaras réflex y las cámaras híbridas (cámaras compactas con objetivos intercambiables).

12 12 La resolución. Es calculada por el número de píxeles a lo largo y ancho de la imagen. De esta resolución dependerá el formato de salida, es decir el tamaño máximo de una imagen al imprimir sin alterar la calidad. Así, un sensor de 12 millones de píxeles permite restituir una imagen de 4000 píxeles de largo por 3000 de ancho (4000 x 3000 = ). A 150 píxeles por pulgada, se obtendrá una imagen de alta calidad de 67 cm x 50 cm (un poco más grande que el formato A2). Sin embargo, hay que tomar en consideración el tamaño efectivo de su sensor porque éste tiene una incidencia directa sobre la calidad general de las imágenes. Un sensor de igual resolución con formato 36 x 24 mm full frame será de mejor calidad que un sensor de 17.3 x 13 mm (este tipo de sensor se encuentra en ciertas cámaras bridge y en las cámaras compactas de objetivo intercambiable). Ejemplo de una conexión de una CCD a un sistema digital