Elementos de Mecatrónica Dr. José Sebastián Gutiérrez Calderón Profesor Investigador - Ingenierías UP [email protected]

Temas generales del curso • •

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Conceptos básicos de la mecatrónica Características principales de los transductores Sensores y sistemas de medición Actuadores y mandos Mecanismos para la automatización Control por computadora

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Unidad 2: Características principales de los transductores

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Transductores El transductor ideal sería aquel en que la relación entre la magnitud de entrada y la magnitud de salida fuese proporcional y de respuesta instantánea e idéntica para todos los elementos de un mismo tipo. Entrada Temperatura

Termómetro

Salida ºC

Sin embargo, la respuesta real de los transductores nunca es del todo lineal, tiene un rango limitado de validez, suele estar afectada por perturbaciones del entorno exterior y tiene un cierto retardo en la respuesta Las características de los transductores se pueden agrupar en dos grandes bloques: características estáticas y dinámicas 4

Transductores Las características estáticas son valores obtenidas cuando se presentan condiciones de estado estable. Cuando el transductor se asienta después de recibir cierta entrada.

Las características dinámicas se refieren al comportamiento entre el momento que cambia el valor de entrada y el tiempo en logra un valor de estado estable. Una entrada tipo escalón, la entrada cambia bruscamente de 0 a un valor constante.

Una entrada tipo rampa la entrada se modifica a velocidad constante. 5

Transductores

Características dinámicas

Tiempo de respuesta: Es el tiempo que transcurre después de aplicar una entrada constante, hasta que el transductor produce una salida correspondiente a un porcentaje del valor de la entrada (95%). 100 95

63.2

% de salida

Ej. Un termómetro de mercurio se coloca en un líquido caliente y transcurrido un tiempo apreciable (unos 100s o más), antes que indique 95% de la temperatura real del líquido.

0

Constante de tiempo

95% del tiempo de respuesta

tiempo 6

Transductores

Características dinámicas

Constante de tiempo: Es una medida de la inercia del sensor y de que tan pronto reaccionará a los cambios en su entrada. En la gráfica anterior se refiere al 63.2% del tiempo de respuesta.

Para ilustrar lo anterior veamos el siguiente problema: • •

Consideremos el tiempo de las lecturas de un instrumento, obtenidas en un termómetro hundido en un líquido en el tiempo t=0 ¿Cuál es el 95% requerido del tiempo de respuesta?

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Transductores

Características dinámicas

Tiempo (s)

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

360

Temp. (˚C)

20

28

34

39

43

46

49

51

53

54

55

55

55

Valor de estado estable: 55 ˚ C

¿Tiempo de respuesta? 95% de 55 es 52.25 ˚C Para 95% el tiempo es casi 228 s

Temperatura ˚ C

60

50 40

Tiempo de respuesta

30 20

0

120

Tiempo (s)

240

360 8

Transductores Calibración Es comparar lo que indica un instrumento y lo que debería indicar de acuerdo a un patrón de referencia calibrado, con valor conocido y de mayor exactitud. Cuando un instrumento no ha sido calibrado, el usuario no puede estar seguro que sus indicaciones son reales.

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Transductores Calibración • • •

El sensor debe ser fácil de calibrar. El tiempo y los procedimientos necesarios para llevar a cabo el proceso de calibración deben ser mínimos. Además, el sensor no debe necesitar una re-calibración frecuente.

El término desviación se aplica con frecuencia para indicar la pérdida gradual de exactitud del sensor que se produce con el tiempo y el uso, lo cual hace necesaria su re-calibración.

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Transductores Fiabilidad • •

El sensor debe tener una alta fiabilidad. No debe estar sujeto a fallos frecuentes durante el funcionamiento.

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Unidad 3: Sensores y sistemas de medición

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Clasificación de los sensores Sensores de posición, desplazamiento y proximidad • • •

Sensores resistivos Sensores inductivos y capacitivos Sensores ópticos

Sensores de presión Sensores de temperatura • •

Resistivos: (Resistance Temperature Detectors) RTDs Termoeléctricos o termopares

Sensores de velocidad, aceleración • • •

Teoría de acelerómetros y sismómetros Acelerómetros inductivos Acelerómetros piezoeléctricos 13

Clasificación de los sensores

Sensores con contacto y sin contacto Los sensores de desplazamiento y de posición se pueden clasificar en dos tipos básicos, sensores que se diferencian por la existencia o no de contacto entre ambos: Sensores con contacto: son sensores en los que el objeto toca físicamente al sensor y cierra o abre uno a más circuitos eléctricos. Sensores sin contacto: son sensores que detectan la presencia de un objeto sin necesidad de que exista un contacto físico entre el objeto y dicho sensor.

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Clasificación de los sensores Sensores de posición, desplazamiento y proximidad • • •

Los sensores de posición determinan la posición de un objeto en relación con un punto de referencia. Los sensores de desplazamiento miden la magnitud que se desplaza un objeto. Los sensores de proximidad son una modalidad de sensores de posición y determinan en qué momento un objeto se mueve dentro de una distancia crítica del sensor.

Los sensores anteriores son dispositivos cuyas salidas son, en esencia, del tipo todo o nada (encendido o apagado).

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Clasificación de los sensores

Sensores de posición Los sensores de posición suelen ser interruptores de límite o microinterruptores. Son sencillos dispositivos eléctricos que cambian de estado. Los sensores más utilizados son los interruptores de fin de carrera, se usan para saber si una parte móvil de una máquina ha llegado a un punto.

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Clasificación de los sensores

Sensores de posición Se utilizan en máquinas de herramientas de mecanizado, troqueladoras y mecanismos de presión

Máquinas de ensamblaje e instalaciones de mecanizado

Líneas de transporte

Aplicaciones de seguridad 17

Clasificación de los sensores

Sensores de posición Interruptores con cabeza de movimiento rectilíneo

Interruptores con cabeza de movimiento angular o multi-direcciones

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Clasificación de los sensores

Sensores de posición Tipo de Accionamiento

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Son dispositivos que detectan señales para actuar en un determinado proceso u operación, teniendo las siguientes características: • • • •

Son dispositivos que actúan por inducción al acercarles un objeto No requieren contacto directo con el material a detectar Son los más comunes y utilizados en la industria Se encuentran encapsulados en plástico para proveer una mayor facilidad de montaje y protección ante posibles golpees

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Aplicaciones: • • • •

• •

Control de cintas transportadoras Control de alta velocidad Detección de movimiento Conteo de piezas Sensado de aberturas en sistemas de seguridad y alarma Sistemas de control como finales de carrera

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad inductivos

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad inductivos • Sólo reaccionan ante la presencia de materiales ferromagnéticos, es decir, sólo se puede usar para detectar objetos metálicos, funcionando mejor con metales ferrosos (acero inoxidable, fierro colado, aceros) •

Se utilizan cuando las condiciones ambientales como polvo, humedad, etc, pueden dificultar el funcionamiento de contactos mecánicos

•

No se pueden utilizar en lugares en el que puedan aparecer campos magnéticos o la existencia de materiales o virutas de tipo ferromagnético 23

Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad inductivos Partes: • Cabezal del sensor (núcleo férreo y devanado de la bobina conductor alrededor del núcleo) • Circuito de alimentación de corriente oscilante • Circuito de detección • Salida

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad inductivos Principio de operación: • Cuando un metal conductor o placa metálica se mueve dentro de un campo magnético, sobre la placa o el metal se generan unas corrientes eléctricas conocidas como corrientes de Eddy o corrientes de Focault.

Sensor Metal conductor 25

Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad inductivos Principio de operación: (continuación…) • En el sensor inductivo, se aplica este principio, en donde la bobina sensora (interior) está provista de un núcleo descubierto hacia el lado de detección. • Al aplicarse tensión al sensor, la bobina produce un campo magnético alterno de alta frecuencia, dirigido hacia el lado activo o sensible.

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad inductivos Principio de operación: (continuación…) • Al acercar un metal al lado activo, se presenta en éste una inducción y corrientes parásitas, las cuales influyen en el circuito oscilador, reduciendo la amplitud de oscilación y el consumo de corriente del sensor. Estas señales son tratadas por el circuito rectificador y comparador, emitiendo la correspondiente señal de salida.

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad inductivos Ejemplo: Sensor para placas metálicas y engranaje.

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad inductivos Ejemplo: Sensor de clasificación de piezas.

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos •

•

• •

•

Son similares a los sensores inductivos, la única diferencia entre los dos tipos es que los sensores capacitivos producen un campo electrostático en lugar de un campo electromagnético. Los sensores capacitivos detectan objetos metálicos, o no metálicos (papel, liquido, tela). Este sensor capacitivo consiste en señalar un cambio de estado, basado en la variación del estímulo de un campo eléctrico. Consiste en medir la distancia entre la cara frontal del sensor y un objeto que será el material blanco (con una permitividad relativa alta). Los metales o plásticos con carbono son buenos materiales blanco para la detección. 30

Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos Principio de funcionamiento: • La capacitancia entre el sensor y el material blanco está relacionada por:

𝜀∙𝐴 𝐶= 𝑑 donde e= k e0 y k es la constante dieléctrica del medio que separa el sensor del material blanco, A es el área de las placas, d es el desplazamiento que se va a medir.

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos Principio de funcionamiento: • Por lo tanto existe una relación entre la distancia (separación) y la capacitancia. A+ e

x B-

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos Principio de funcionamiento: • La superficie de sensado (sensor capacitivo) esta formada por dos electrodos de metal. A+

B-

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos Principio de funcionamiento: • Cuando un objeto se aproxima a la superficie de sensado y éste entra al campo electrostático de los electrodos, la capacitancia cambia en un circuito oscilador Objeto Blanco

x A+ •

B-

A continuación, un circuito disparador lee la amplitud del oscilador y cuando se alcanza un nivel específico de la salida del sensor, este cambia.

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos Principio de funcionamiento: • Cuando se va alejando el objeto del sensor, la amplitud del oscilador decrece, conmutando el sensor a su estado original.

A+

B-

•

Entre más grande sea la constante dieléctrica del objeto, más fácil de detectar.

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos Ejemplo: Una cinta transportadora trae los recipientes para llevar a cabo su llenado. Los sensores 1 (para materiales aislantes) y 2 (para materiales conductores) no se encuentran activados.

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos Cuando el recipiente entra en la zona de detección del sensor 1, comienza la operación de llenado. El sensor 2 no siempre está activado.

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos El sensor 2 detecta el nivel alcanzado y detiene la operación de llenado.

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos La mayoría de los sensores de proximidad tanto inductivos como capacitivos cuentan con un potenciómetro de regulación de sensibilidad.

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad fotoeléctricos Se utilizan para detectar la presencia de un objeto opaco al interponerse entre el haz de luz luminoso o radiación infrarroja y el dispositivo, o al reflejar la luz que refleja el objeto. Foto-detector

LED

Luz

LED

El objeto interrumpe el haz luminoso

El objeto refleja la luz

Foto-detector

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad fotoeléctricos • Estos sensores utilizan un haz de luz para detectar la presencia o ausencia de un objeto. • El emisor y el detector usualmente son un fototransistor y un fotodiodo. • Existen tres tipos de sensores fotoeléctricos, los sensores por barrera de luz, reflexión sobre espejo o reflexión sobre objetos. Reflexión sobre espejo

Reflexión sobre objetos 42

Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad fotoeléctricos Ejemplos:

Detección del paso de botellas.

Detección de líquido en una ampolla. 43

Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad fotoeléctricos Ejemplos:

Detección nivel de agua en una cubeta.

Detección de coches.

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad fotoeléctricos Ejemplos:

Detección caída de objetos pequeños.

Detección de tornillos. 45

Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad fotoeléctricos Ejemplos:

Detección de objetos de color obscuro en una línea de transporte.

Detección de alineación de placas de vidrio. 46

Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad fotoeléctricos Ejemplos:

Detección de tapón de plástico.

Detección de película de plástico.

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Clasificación de los sensores

Sensores de proximidad Detectores de proximidad fotoeléctricos Ejemplos:

Control de puerta de estacionamiento.

Vigilancia de una zona. 48

Proyecto de laboratorio 2 49

Proyecto de laboratorio 2 Objetivo: Realizar un prototipo que permita la detección de objetos mediante sensores de posición y proximidad.

Características del sistema: • Desarrollar una maquina dispensadora de alguno de los siguientes productos: cereales, cigarros, latas de refresco, dulces; en la que mediante un sensor de proximidad, detecte la presencia de un objeto (la mano de una persona) y abastezca una cierta cantidad del producto. • Debe tener la opción de poder introducir monedas ($5 pesos) para proporcionar el producto. • La cantidad de dinero acumulado se mostrará en la pantalla de una computadora en formato HTML, es necesario utilizar Visual Basic. 50

Proyecto de laboratorio 2

Entrega del proyecto: • Tiempo de 1 hora y 30 minutos para entregar el proyecto. • Lunes 15/03 se realizará la segunda entrega. • Documentación en formato de artículo IEEE a doble columna, entregar la siguiente clase después de presentar el proyecto. • Documentación sin haber aprobado la entrega, no se acepta. 51

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