Transductores y Actuadores de Uso Común

Transcripción

1 Transductores y Actuadores de Uso Común Profesor: Ing. Andrés Felipe Suárez Sánchez Grupo de Investigación en Percepción y Sistemas Inteligentes.

2 Tabla de Contenidos Definiciones Sensores y definiciones Adecuación de señal Temperatura Desplazamientos Posición Infrarrojos Proximidad Interruptores Capacitivos Actuadores

3 Transductor Todo dispositivo que convierte una señal de una forma física en una señal correspondiente pero de forma física distinta. Por tanto es un dispositivo que convierte un tipo de energía en otro. La energía que se toma del sistema es despreciable. Químico Transductor Eléctrico

4 Transductor Tipos de señales (energía): Mecánicas, térmicas, Magnéticas, eléctricas, ópticas y moleculares

5 Sensores y actuadores Esquema básico de un sistema electrónico Transductor de entrada Micrófono SISTEMA ELECTRÓNICO Transductor de salida Micrófono Energía Mecánica Energía Eléctrica Energía Eléctrica Energía Mecánica

6 Sensores y actuadores Esquema básico de un sistema electrónico Sensor (micrófono) Conversor A/D Procesador Conversor D/A Memoria Amplificador Analógico Transductor de entrada Actuador (altavoz) Transductor de salida

7 Sensores y actuadores Esquema básico de un sistema electrónico Sensor (micrófono) Conversor A/D Procesador Conversor D/A Memoria Amplificador Analógico Acondicionamiento Entrega una señal apta para ser procesada o registrada Filtros Amplificadores Adaptación de impedancias Modulación-Demodulación Actuador (altavoz)

8 Sensores y actuadores ENEGÍAS DE ENTRADA Mecánicas térmicas Magnéticas eléctricas ópticas moleculares ENEGÍAS DE SALIDA Mecánicas térmicas Magnéticas eléctricas Ópticas moleculares

9 Sensores Un sensor es un dispositivo que detecta una señal de el medio y entrega una señal medible. A menudo se usa como sinónimo de transductor, pero hacen parte de los transductores de entrada. En general se busca la conversión de las señales de entrada a señales eléctricas

10 Sensores Clasificación de los sensores de acuerdo al aporte de energía. Criterio Clases Ejemplos Aporte de energía Señal de salida Modo de operación Pasivos Activos Analógicos Digitales De Deflexión De comparación Termistor Termopar Potenciómetro Codificador de posición Acelerómetro de deflexión Servo-acelerómetro

11 Glosario Exactitud: Es la cualidad que caracteriza la capacidad del instrumento de medida de dar indicaciones que se aproximen al verdadero valor de la magnitud medida. La discrepancia entre la indicación del instrumento y el verdadero valor de la medida de magnitud se denomina error. Error Absoluto= Medida Valor Verdadero Se suele usar también el error relativo que es el cociente de las dos medidas y expresarlo como un porcentaje Error relativo= Error Absoluto x100 Valor Verdadero

12 Glosario Fidelidad : Es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida de dar el mismo valor de la magnitud medida, al medir varias veces en la mismas condiciones. Cuando en un sensor se tienen variaciones de la salida a lo largo del tiempo se habla de inestabilidad, y se dice que el sensor tiene derivas.

13 Glosario Sensibilidad: o factor de escala, es la pendiente de la curva de calibración, puede o no ser constante a lo largo de la escala de medida. Para un sensor cuya salida esté relacionada con la entrada x mediante la ecuación y=f(x), la sensibilidad en el punto Xa, es S Xa = dy con x =Xa dx En los sensores interesa una sensibilidad alta y, si es posible constante.

14 Sensores de Temperatura: RTD RTD (Resistance Temperature Detector) La resistencia de distintos materiales depende de manera decisiva de la temperatura. Una resistencia metálica depende de la temperatura de acuerdo al siguiente polinomio. Donde R o es la resistencia a la temperatura de referencia y T el incremento de la temperatura respecto a la referencia.

15 Sensores de Temperatura: RTD Las resistencias de tipo metálico son las más usuales debido a que suelen ser casi lineales. Platino- Precisión, estabilidad, alto punto de fusión

16 Sensores de Temperatura: RTD Las resistencias de tipo metálico son las más usuales debido a que suelen ser casi lineales. Platino- Precisión, estabilidad, alto punto de fusión Problema:

17 Sensores de Temperatura: RTD A nivel de la industria la sonda más utilizada es la PT100 (R 0 =100Ω, T o = C)

18 Sensores de Temperatura: RTD Si se desea linearizar el comportamiento de la RTD, usualmente se usa una configuración puente de Wheastone: Corriente entre C y B sea nula. Sistema balanceado: relación resistencias R1/R2 y Rx/R3 es igual En equilibrio se cumple la ecuación expresada abajo.

19 Sensor de Temperatura: Termistor Si se usa un material semiconductor como sensor en lugar de uno metálico recibe el nombre de TERMISTOR. El coeficiente de temperatura es negativo por tanto se denominan NTC. También existen casos especiales de coeficiente positivo, donde la resistencia aumenta denominado PTC. Variación de la temperatura No-lineal.

20 Sensor de Temperatura: Termistor La relación de resistencia del termistor y la temperatura viene dada por la expresión Cómo se linealiza esta ecuación? Donde: R T = Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta T (K). R o = Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia T 0 (K). B = Temperatura característica del material. Constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas.

21 Sensor de Temperatura: Termistor Linealización en circuito de medida

22 Sensor de Temperatura: Termistor Linealización con resistor en paralelo

23 Sensor de Temperatura: Termistor Debido al alto coeficiente de temperatura, los termistores presentan variaciones rápidas y grandes para valores relativamente pequeños en la temperatura

24 Sensor de Temperatura

25 Sensor de Temperatura Aplicaciones básicas: LM35 LM335 Integrados especializados: Dallas DS1615/20 Dallas DS1820 Maxim MAX6575/76/77

26 Medición de Desplazamiento: Potenciómetro Un potenciómetro es una resistencia con un contacto móvil deslizante o giratorio. Convierte un movimiento linear o angular en una medida de resistencia. Presenta desgaste por fricción y alto ruido Rangos de desplazamiento limitados Tipos: Alambre devanado: Resolución limitada, 10 a 200 k, linealidad de ± 1% Película (film): 100 a 1 M, linealidad de ± 0.01%

27 Medición de Desplazamiento: Potenciómetro Por lo general como elemento de adecuación de señal se usa un amplificador operacional. Para la medición lineal un puente de Wheatstone. Cuando se trata de potenciómetros giratorios, se puede medir el desplazamiento angular.

28 Medición de Desplazamiento: Potenciómetro El eje de los potenciómetros ofrece una resistencia mecánica relativamente alta al sistema acoplado al mismo. Durante el diseño del circuito de adecuación hay que considerar el efecto de la impedancia de entrada sobre la linealidad de la respuesta.

29 Medición de Desplazamiento Codificadores Ópticos - Encoders Dispositivos con salida digital; requieren circuito de decodificación. Dos canales de salida desfasados 90 permiten conocer la magnitud y la dirección del movimiento. Puede lograrse alta resolución aumentando la sensibilidad mediante piñones. Larga vida mecánica.

30 Medición de Desplazamiento

31 Presencia-Proximidad Fotoeléctricos Usan un rayo de luz visible o infrarroja como elemento de detección. Los detectores fotoeléctricos se clasifican en: Barrera Réflex De proximidad

32 Presencia-Proximidad Incorporan un emisor y un receptor. La variación de luz es la que activa su salida. Pueden conmutar por luz o por oscuridad. Palpación Directa: Emisor y receptor en la misma unidad. El objeto se detecta cuando el haz de luz se refleja en él. Sistema Enfocado: Emisor y receptor en la misma unidad. El punto de enfoque (por medio de una lente) se encuentra a una distancia prefijada del receptor. Sólo la reflexión de un objeto a esa distancia provoca la activación de la salida.

33 Presencia-Proximidad Sistema Emisor / Receptor: Emisor y receptor en distintas unidades. La interrupción del haz de luz provoca la conmutación. Sistema Barrera: Emisor y receptor en la misma unidad. El haz de luz se refleja con un reflector. La interrupción del haz de luz provoca la conmutación.

34 Presencia-Proximidad IP69K Sensor de posición Distancias a sensar: Modo reflectivo: 4m Modo barrera: 20m. Modo retro-reflectivo: 1m.

35 Presencia-Proximidad Ultrasonidos Principio de funcionamiento: tiempo de vuelo. Campo de visión amplio. Influenciado por la temperatura y en consecuencia por la velocidad de propagación del sonido. Miden distancias en relación a superficies transparentes. Frecuencia de operación: 40Khz 180Khz. Rango de operación: 12cm 5m. Resolución: 2cm.

36 Presencia-Proximidad Rango usando sensor Óptico: Rango de operación: cm Salida análoga Sensor típico: Sharp GP2D02. Frecuencia de operación: 200hz.

37 Intensidad de Iluminación LDR (Light Dependent Resistor) Útiles para circuitos de detección de iluminación: lámparas de iluminación externa. Normalmente su resistencia es alta en bajas iluminaciones, sino, es baja. Criterios de selección: Rango de iluminación soportada, medida en LUX. Rango de resistencia.

38 Barreras Infrarrojas Componente fundamental: Fototransistor Los dispositivos debe estar acoplados. Sensibles a la misma longitud de onda. Los más utilizados son los infrarrojos. En una barrera infrarroja se ubican los dispositivos en oposición.

39 Interruptores de Final de Carrera Propiedades Detección de presencia / ausencia. Contacto físico. Final de recorrido de un elemento móvil. Comúnmente mecánicos. Cumplen varias normas para operación en industria (sellamientos, seguridad, resistencia a la corrosión, etc.)

40 Interruptores de Final de Carrera Problemas: Rebote: Cambio brúsco de la señal eléctrica. Soluciones: Comp. discretos. Temporizadores. Mono estables.

41 Sensores Capacitivos Propiedades Dispositivos para medida sin contacto. Detección de presencia o cambio de posición de objetos conductores. Dependen del material del objeto a medir. Baratos en comparación con dispositivos láser. No son adecuados en ambientes sucios o húmedos, y deben estar muy cerca del objeto a medir.

42 Medición de Presión: Galgas Propiedades: Principio de funcionamiento basado en la variación de la longitud y en consecuencia de su resistencia. El material es flexible y debe deformarse junto con el objeto. Tiene gran dependencia con la temperatura. Las variaciones de elongación deben realizarse en el sentido del largo de la galga.

43 Medición de Presión: Galgas Adecuación de señal: Puente de Wheatstone. Amplificación usando amplificador de instrumentación Señal diferencial.

44 Algunas aplicaciones de galgas

45 Actuadores Motores DC Actuador: Es el termino usado para los transductores de salida, con ellos se busca transformar la energía a una señal de salida del sistema. Motores de DC: Imán permanente, dirección de giro depende del sentido de la corriente. Control Motor DC: PWM Pulse Width Modulation. Circuito: Puente H.

46 Actuadores Motores DC Control Motor DC: Puente H.

47 Lecturas Complementarias d/sensores_proximidad.swf Capítulos 1, 4, 5 y 6, Instrumentación Electrónica Moderna y Técnicas de Medición, William Cooper, Albert Helfrick, Prentice-Hall.

48 Preguntas?