Electrónica ENTREGA Sensores Elaborado por Lic. Edgardo Faletti Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Estas pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, etc. Una variable del tipo eléctrica puede ser del tipo resistivo como una resistencia eléctrica, tal las RTD (resistance temperature detector), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en una termocupla), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc. Un sensor se encuentra siempre en contacto con la variable de instrumentación, con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades a fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Un ejemplo es el termómetro de mercurio, que aprovecha la propiedad que posee este elemento de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor, también puede decirse, es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Casi en cualquier tipo de máquina encontramos sensores. Características que se deben conocer de un sensor Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. Precisión: es el error de medida máximo esperado. Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset. Linealidad o correlación lineal. Sensibilidad de un sensor: suponiendo que es de entrada a salida y la variación de la magnitud de entrada. Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede detectarse a la salida. Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada. Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor. Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida. Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se desea medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display), de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano. Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de los circuitos. Resolución y precisión La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida. La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al medir una distancia la resolución es de, mm, pero la precisión es de mm, entonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de, mm, pero no puede asegurarse que haya un error de medición menor a mm. En la mayoría de los casos este exceso de resolución conlleva a un exceso innecesario en el coste del sistema. No obstante, en estos sistemas, si el error en la medida sigue una distribución normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos, la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión. Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de entrada que puede observarse en la magnitud de salida. Tipos de sensores Existen una gran variedad de sensores que se ajustan a distintas realidades de medición. Las magnitudes que se pueden medir son: Posición lineal o angular Deformación 2
Electricidad 2
Electricidad Velocidad lineal y angular Aceleración. Fuerza y par (deformación) Caudal Temperatura Presencia Táctiles Visión artificial Proximidad Acústico (presión sonora) Acidez Luz Captura de movimiento Instrumento A A Batería Tanque de combustible Figura. Sensor potenciómetro aplicado a un tanque de combustible Resistencia Combustible En este documento se detallan algunos de ellos. Posición lineal o angular Potenciómetro La magnitud afecta al valor resistivo del sensor, el ejemplo siguiente (Figura ) lo demuestra. Para el caso de la figura, al variar el nivel de combustible se modifica el valor del potenciómetro. Esto trae como consecuencia una variación proporcional de la corriente que es medida por el instrumento. El instrumento corresponde a un miliamperímetro cuya escala refleja los distintos niveles del tanque. La variable medida es analógica. Cuando se diferencia de la posición lineal o angular, se hace referencia al tipo de sensor. Esto último está en función de su desplazamiento, que tiene el cursor que modifica de manera directa al valor de su resistencia. Encoder (Codificador) Este tipo de sensor entrega señal del tipo digital, un ejemplo sencillo es que la variación del valor medido se traduzca en un conjunto de números binarios. Estos corresponden al valor de la misma variable. El funcionamiento corresponde a un conversor del tipo analógico a digital (CAD). Cursor de posición angular Figura 2. Sensor potenciómetro de posicionamiento angular Placa de captura Fuente de luz Figura 3. Encoder óptico-disco codificado Hay una gran variedad de encoders; una aplicación típica de estos se encuentra en los motores de continua (DC). Como ejemplos cercanos tenemos los motores de trenes o los generadores de las turbinas eólicas. Su función es la de convertir el movimiento mecánico (giros del eje) en pulsos digitales o también en análogos que pueden ser interpretados por un controlador de movimiento. Giro El disco codificado está construido de vidrio o plástico. La codificación está desarrollada entre las partes transparentes y opacas que dejan o no pasar la luz emitida por la fuente. La luz utilizada es normalmente infrarroja (IR). A medida que el eje rota, el emisor infrarrojo emite luz que es recibida por el sensor óptico (o fototransistor), generando los pulsos digitales a medida que la luz cruza a través del disco o es bloqueada en diferentes secciones de este. Esto produce una secuencia que puede ser usada para controlar el radio de giro, la dirección del movimiento e incluso la velocidad. Existen básicamente cinco tipos de encoders, según sus diseños básicos y funcionalidad:. Incremental Cursor de posición vectorial (recto) Figura 3. Sensor potenciómetro de posición lineal Fotorreceptores Eje Disco codificado 22
Electricidad 2. Absoluto 3. Óptico 4. Lineal 5. Cuadratura Fotorreceptores El encoder incremental, como su nombre lo indica, determina el ángulo de posición por medio cuentas incrementales. Esto quiere decir que el encoder incremental provee una posición estratégica desde donde siempre comenzará la cuenta (Marca de cero). Salida digital Marca de cero LED emisor La posición actual del sensor es incremental cuando es comparada con la última posición registrada por el mismo. Estos son un tipo de encoder óptico y en este tipo de dispositivo, cada posición es completamente única. Básicamente cuenta pulsos. El sensor encoder absoluto se basa en la información provista para determinar la posición absoluta en secuencia. En este tipo se ofrece un código único para cada posición. Figura 4. Encoder Incremental Led emisor Lente de colimación lentes cilíndricos Eje de giro fotorreceptores Como observamos en la figura 5, el disco contiene varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares concéntricas, ubicadas de tal forma que en sentido radial el rotor queda dividido en sectores, con marcas opacas y transparentes codificadas en código Gray. Un código Gray de cuatro bits lo vemos en la tabla. Los encoders absolutos se dividen en dos grupos:. Un solo giro. 2. Giro múltiple o multivueltas: puede detectar y almacenar más de una revolución. Los encoders absolutos son más comúnmente usados en motores eléctricos de corriente directa sin escobillas (Brushless). Figura 5. Encoder Absoluto Disco codificado Disco codificado de 8 bits D C B A Ubicación -ángulo -Inicio 22,5 45, 67,5 9, 2,5 35, 57,5 8, 22,5 225, 247,5 27, 292,5 35, 337,5 TABLA. Código Gray indica la zona en dónde se encuentra el rotor, específicamente su ángulo El encoder óptico (figura ) es el tipo más comúnmente usado y consta básicamente de tres partes: a. Fuente emisora de luz. b. Disco giratorio. c. Detector de luz conocido como foto detector. El encoder del tipo lineal es un dispositivo o sensor que cuenta con una escala graduada para determinar su posición. Los sensores leen la escala para después 24