UNIDAD II.- Sensores 2.1. Sensores y/o transmisores de posición binarios Un sensor es un dispositivo que está capacitado para detectar acciones o estímulos externos y responder en consecuencia. Estos aparatos pueden transformar las magnitudes físicas o químicas en magnitudes eléctricas. Transductor: Dispositivo que transforma el efecto de una causa física, como la presión, la temperatura, la dilatación, la humedad, etc., en otro tipo de señal, normalmente eléctrica.

Estructura de un transductor

Clasificación Según el tipo de señal de salida: 1.- Analógicos. Dan como salida un valor de tensión o corriente variables en forma continua dentro del campo de medida.

2.-Digitales. Dan como salida una señal en forma de una palabra digital. 3.-Todo-nada. Indican cuándo la variable detectada rebasa un cierto umbral. Según la magnitud física a detectar:

Posición, velocidad, fuerza y par, presión, caudal, proximidad, etc.

Tipos de sensores 1.- Mecánicos 2.-Ultrasonicos

3.- Inductivos 4.-Capacitivos

5.- Fotoeléctricos Existe en el mercado una gran variedad de marcas y tipos de sensores, pero la mayoría pertenece a alguna de las clasificaciones dadas a continuación

A) B) C) D) E) F)

De acción mecánica o de Contacto De acción magnética

De acción capacitiva Accionado por luz De acción ultrasónica De acción neumática

2.1.2. Sensores Mecánicos. Estos interruptores se usan ordinariamente para desconectar, limites de carrera, el avance de bancadas en maquinas o herramientas como fresadoras, así como limitar el avance de los porta herramientas de los tornos, en montacargas, ascensores, robots, etc.

Para poder accionar estos interruptores se requiere contacto físico entre la parte de la maquina y la palanca del interruptor con la fuerza suficiente para operar

2.1.1. Sensores de Final de carrera. Principio de funcionamiento: El movimiento mecánico en forma de leva o empujador actúa sobre la palanca o pistón de accionamiento del interruptor de posición haciendo abrir o cerrar un contacto eléctrico del interruptor.

Esta señal eléctrica se utiliza para posicionar, contar, parar o iniciar una secuencia operativa al actuar sobre los elementos de control de la máquina.

Componentes se un sensor de carrera

Modo de funcionamiento

-

Cuando usar un interruptor mecánico Donde sea posible un contacto físico Donde sea requerida una posición definitiva En situaciones de operación critica o de seguridad-critica Donde las condiciones ambientales no permiten el uso de sensores ópticos o inductivos Aplicaciones y usos de interruptores mecánicos

- Fácil de integrar a maquinaria de todo tipo - Requiere contacto(por tanto hay uso) - Rango de voltajes: DC 0-1000V - Muy robustos Generalmente Usados como: - Finales de carrera - Indicador de presencia/ausencia - Puerta cerrada/abierta

Desventajas mas importantes

-

Producen rebote mecánico al conmutar

-

Son de respuesta lenta

El contacto físico produce desgaste y requiere mantenimiento Son ruidosos Voluminosos

Vida limitada No se pueden utilizar en todas las aplicaciones.

2.1.3. Sensores Eléctricos. El sensor se define como un dispositivo que convierte señales obtenidas de un tipo de energía en señales eléctricas. Por ejemplo un termo par convierte señales de temperatura en señales eléctricas. Todos los sensores son transductores.

2.1.4. Sensores Fotoeléctricos(ópticos) Un detector fotoeléctrico detecta un objeto por medio de un haz luminoso. Sus dos componentes básicos son un emisor y un receptor de luz. La detección es efectiva cuando el objeto penetra en el haz de luz y modifica suficientemente la cantidad de luz que llega al receptor para provocar el cambio de estado de la salida. Se siguen dos procedimientos: – bloqueo del haz por el objeto detectado – retorno del haz sobre el receptor por el objeto detectado. Los detectores fotoeléctricos disponen de un emisor de diodo electroluminiscente y de un receptor de fototransistor. Estos componentes se utilizan por su elevado rendimiento luminoso, su insensibilidad a los golpes y a las vibraciones, su resistencia a la temperatura, su durabilidad prácticamente ilimitada y su velocidad de respuesta. Dependiendo del modelo de detector, la emisión se realiza en infrarrojo o en luz visible verde o roja. La corriente que atraviesa el LED emisor se modula para obtener una emisión luminosa pulsante e insensibilizar los sistemas

•Procedimientos de detección Los detectores fotoeléctricos emplean dos procedimientos para detectar objetos: – por bloqueo del haz – por retorno del haz Bloqueo del haz En ausencia de un objeto, el haz luminoso alcanza el receptor. Un objeto bloquea el haz al penetrar en él: no hay luz en el receptor = detección Tres sistemas básicos emplean este procedimiento, que se basa en las

propiedades absorbentes de los objetos: – barrera, – réflex, – réflex polarizado.

Retorno del haz

En ausencia de un objeto, el haz no llega al receptor. Cuando un objeto penetra en el haz, lo envía al receptor: luz en el receptor = detección

Dos sistemas básicos emplean este procedimiento, que se basa en las propiedades reflectantes de los objetos: – proximidad, – proximidad con borrado del plano posterior Sistema de barrera El emisor y el receptor se sitúan en dos cajas separadas. Es el sistema que permite los mayores alcances, hasta 100 m con ciertos modelos. El haz se emite en infrarrojo o láser. A excepción de los objetos transparentes, que no bloquean el haz luminoso, puede detectar todo tipo de objetos (opacos, reflectantes...) gracias a la excelente precisión que proporciona la forma cilíndrica de la zona útil del haz. Los detectores de barrera disponen de un margen de ganancia muy amplio. Por ello, son muy adecuados para los entornos contaminados(humos, polvo, intemperie, etc.).

Sistema réflex

El emisor y el receptor están situados en una misma caja. En ausencia de un objeto, un reflector devuelve al receptor el haz infrarrojo que emite el emisor. El reflector consta de una elevada cantidad de triedros trirrectángulos de reflexión total cuya propiedad consiste en devolver todo rayo luminoso incidente en la misma dirección. El alcance nominal de un detector fotoeléctrico réflex es del orden de dos a tres veces inferior al de un sistema de barrera.

Los objetos brillantes, que en lugar de bloquear el haz reflejan parte de la luz hacia el receptor, no pueden detectarse con un sistema réflex estándar. En estos casos, es preciso utilizar un sistema réflex polarizado. Este tipo de detector emite una luz roja visible y está equipado con dos filtros polarizadores opuestos: – un filtro sobre el emisor que impide el paso de los rayos emitidos en un plano vertical, – un filtro sobre el receptor que sólo permite el paso de los rayos recibidos en un plano horizontal. En ausencia de un objeto El reflector devuelve el haz emitido, polarizado verticalmente, después de haberlo despolarizado. El filtro receptor deja pasar la luz reflejada en el plano horizontal.

En presencia de un objeto El objeto detectado devuelve el haz emitido sin ninguna modificación.

El haz reflejado, polarizado verticalmente, queda por tanto bloqueado por el filtro horizontal del receptor.

Detectores ópticos de proximidad

Al igual que en el caso de los sistemas réflex, el emisor y el receptor están ubicados en un misma caja. El haz luminoso se emite en infrarrojo y se proyecta hacia el receptor cuando un objeto suficientemente reflectante penetra en la zona de detección mostrado en la figura.

El alcance de un sistema de proximidad es inferior al de un sistema réflex, lo que desaconseja su uso en entornos contaminados. El alcance depende: – del color del objeto detectado y de su poder reflectante (un objeto de color claro se detecta a mayor distancia que un objeto oscuro), – de las dimensiones del objeto (el alcance disminuye con el tamaño). Los detectores de proximidad se equipan frecuentemente con un potenciómetro de reglaje de sensibilidad. Para una distancia dada

entre el objeto detectado y el emisor, la detección de un objeto menos reflectante requiere un aumento de la sensibilidad, lo que puede provocar la detección del plano posterior en caso de ser más reflectante que el propio objeto. Los detectores de proximidad con borrado del plano posterior están equipados con un potenciómetro de regulación de alcance que permite “enfocar” una zona de detección y evitar la detección del plano posterior.

2.1.5. Sensores Ultrasónicos. El principio de detección ultrasónica se basa en la medida del tiempo transcurrido entre la emisión de una onda ultrasónica y la recepción de su eco. El transductor (emisor-receptor) genera una onda ultrasónica pulsada(200 a 500kHz según el producto) que se desplaza en el aire ambiente a la velocidad del sonido. En el momento en el que la onda encuentra un objeto una onda reflejada(eco) vuelve hacia el transductor. Un microcontrolador analiza la señal recibida y mide el intervalo de tiempo entre la señal emitida y el eco.

Dado que las ondas ultrasónicas se mueven por el aire, no podrán ser utilizados en lugares donde éste circulen con violencia, o en medios de elevada contaminación acústica.

Ventajas

-

Rango relativamente alto(hasta varios metros) Detección segura del objeto independiente del color y del material

Detección del objetos transparentes(ejem. botellas de vidrio) Relativamente insensible a la suciedad y el polvo Posibilidad de desvanecimiento gradual del fondo

Posibilidad de aplicaciones al aire libre Posibilidad de detección sin contacto con puntos de conmutación de precisión variable. La zona de detección puede dividirse a voluntad. Se dispone de versiones programables

Inconvenientes

-

Objetos con superficie inclinadas, el sonido se desvía.

-

Mas caros que los ópticos, prácticamente el doble

Reaccionan con relativa lentitud. Frecuencia de conmutación máxima entre 1 y 125 Hz

Efecto del tipo de objeto

-

Los materiales que absorben el sonido tales como telas gruesas, lana, algodón, goma espuma, a barreras ultrasónicas.

-

Objetos reflectantes, transparentes o intensamente negros que no podrían con ópticos

-

Laminas finas de material transparente de 0.1 mm se pueden detectar.

2.1.6. Sensores Inductivos y capacitivos.

Los sensores de proximidad inductivos permiten detectar sin contacto objetos metálicos a una distancia de 0 a 60 mm.

Principio de funcionamiento

Cuando se coloca una placa metálica en el campo magnético del detector, las corrientes inducidas constituyen una carga adicional que provoca la parada de las oscilaciones.

Versiones funcionales

Ventajas - Muy buena adaptación a los entornos industriales - Estáticos duración independiente del numero de maniobras

- Detectan sin contacto físico - Exclusivamente objetos metálicos a una distancia de 0 a 60 mm. - Cedencias de funcionamiento elevadas - Consideración de datos de corta duración

Inconvenientes: Detección de solamente objetos metálicos.

Alcance débil.

Capacitivos Un detector de proximidad capacitivo se basa en un oscilador cuyo condensador esta formado por 2 electrodos situados en la parte delantera del aparato.

En el aire la permitividad es de 1, la capacidad del condensador es la capacitancia. La permitivilidad es la constante dieléctrica y depende da la naturaleza del material. Cualquier material que su dieléctrica sea 2 será detectado.

Principio de funcionamiento

el detector crea un campo eléctrico

La entrada de un objeto altera el campo, provocando la detección.

Aplicaciones industriales

Detección de objetos aislantes y conductores. Se detecta la masa del objeto.

Puede ser solido o liquido. El alcance depende de la constante dieléctrica del material.

Ventajas

Detectan sin contacto físico, cualquier objeto. Muy buena adaptación a los entornos industriales.

Estáticos, duración independiente del numero de maniobras. Inconvenientes. Alcance débil. Depende de la masa.

2.1.7. Sensores de posición proporcionales Analógicos: potenciómetros, resolver, sincro, LVDT. Digitales: encoders (absolutos e incrementales). POTENCIÓMETROS: Se usan para la determinación de desplazamiento lineales o angulares. Eléctricamente se cumple la relación:

Este potencial puede medirse y disponer de un sistema de calibrado de manera que por cada potencial se obtenga proporcionalmente una distancia de desplazamiento. Ventajas: facilidad de uso y bajo precio. Desventajas: deben estar fijados al dispositivo cuyo desplazamiento se quiere medir, precisión limitada.

RESOLVERS: (captadores angulares de posición) Constan de una bobina solidaria al eje excitada por una portadora, y dos bobinas fijas situadas a su alrededor. La bobina móvil excitada con tensión Vsen(ωt) y girada un ángulo θ induce en las bobinas fijas las tensiones:

SINCROS: la bobina que hace función de primario o rotor se encuentra solidaria al eje de giro. El secundario está formado por tres bobinas fijas colocadas alrededor del primario en forma de estrella y desfasadas entre si 120º (estator). Al rotor se le aplica una señal senoidal y se genera en cada una de las bobinas fijas un voltaje inducido con un desfase entre ellos de 120º: V13 = 31/2 V cos(ωt) senθ

V32 = 31/2 V cos(ωt) sen(θ+120) V21 = 31/2 V cos(ωt) sen(θ+240)

Para los sistemas de control hay que pasar la señal analógica a digital, para lo cual se utilizan convertidores resolver.

SENSORES LINEALES DE POSICIÓN (LVDT) : transformador diferencial de variación lineal, que consta de un núcleo de material ferromagnético unido al eje, que se mueve linealmente entre un devanado primario y dos secundarios haciendo que varíe la inductancia entre ellos. En el caso de la figura, se puede afirmar que la energía de la corriente en la bobina primaria es igual a la que circula en las secundarias: Como resultado de un desplazamiento que se quiere medir, el núcleo magnético es desplazado de manera que una de las bobinas secundarias no recubra totalmente el núcleo => la corriente inducida en un secundario será mayor que la inducida en el otro. De la diferencia de las tensiones medidas en los dos secundarios se obtiene el desplazamiento realizado por el núcleo. Ventajas: alta resolución, poco rozamiento y alta repetitividad Inconvenientes: sólo puede aplicarse a medición de pequeños desplazamientos.

ENCODERS: (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 granulado => 28 ℎ𝑎𝑠𝑡𝑎 219

2.1.8. Sensores de velocidad y aceleración Tacogenerador: proporciona una tensión proporcional a la velocidad de giro del eje. Utiliza un interruptor llamado “reed switch”, que utiliza fuerzas magnéticas para activarse o no dependiendo si un objeto magnético se encuentra físicamente cercano al interruptor. Se desea medir la velocidad de giro de una rueda dentada, se dispone de uno de los dientes magnetizados de forma que cada vez que éste diente pase junto al interruptor será accionado por la fuerza magnética. Así por cada vuelta descrita por la rueda, el interruptor se activa y en su salida se obtiene un pulso de corriente. Midiendo estos pulsos de corriente (número de vueltas) por unidad de tiempo => velocidad.

Sensores de aceleración Los sensores utilizados para medir la aceleración se denominan acelerómetros. Un acelerómetro como se intuye por su nombre es un instrumento para medir la aceleración de un objeto al que va unido, lo hace midiendo respecto de una masa inercial interna. Los acelerómetros son sensores inerciales que miden la segunda derivada de la posición. Un acelerómetro mide la fuerza de inercia generada cuando una masa es afectada por un cambio de velocidad. Existen varios tipos de tecnologías (piezo-eléctrico, piezo-resistivo, galgas extensométricas, láser, térmico …) y diseños que aunque todos tienen el mismo fin pueden ser muy distintos unos de otros según la aplicación a la cual van destinados y las condiciones en las que han de trabajar.

Hay dos parámetros principales a la hora de escoger el medidor adecuado, los rangos de funcionamiento de temperatura y frecuencia. Otros parámetros importantes pueden ser el tamaño, si tienen más funciones, la resistencia a golpes y por supuesto el precio.

2.1.9. Sensores de fuerza, par y deformación El peso de un cuerpo es la fuerza con que es atraído por la tierra. La relación entre la masa del cuerpo, es decir, la cantidad de materia que contiene, y su peso viene dado por la expresión 𝑃=𝑚𝑥𝑔 En donde P= peso m= masa g= aceleración debido a la gravedad Como la masa del cuerpo es constante y la aceleración de la gravedad varia con el lugar y también con la altura, se obvio que el peso del cuerpo variara según el lugar de la tierra y la altura a los que este sobre el nivel del mar. Esto es evidente efectuando la medida con una balanza o resorte. Sin embargo, en una balanza clásica de cruz, la medida efectuada por comparación con masas conocidas y como están sometidas también a la misma fuerza gravitacional, la lectura será independiente del lugar donde se realiza la medición . Así mismo como los demás tipos de basculas se ajustan usualmente con pesos patrón las medidas realizadas serán también independientes de las variaciones de g respecto a la altura y al lugar de la tierra donde estén instaladas.

Otro factor que influye en la medición es la diferencia del empuje del aire sobre el cuerpo y sobre el patrón su influencia están pequeña que el error cometido queda comprendido dentro del error normal aceptado en las operaciones de pesaje. En la industria interesa determinar el peso de las sustancias en las operaciones de inventario de las materias primas, de productos finales, en la mezcla de ingredientes. Existen varios métodos para medir peso:

1.- Comparación con otros pesos patrones(balanzas y básculas). 2.- Células de carga a base de galgas extensométricas. 3.- Células de carga Hidráulicas. 4.- Células de carga neumáticas

La comparación con otros pesos patrones la realizan las balanzas y las básculas. La balanza clásica esta constituida por una palanca de brazos iguales, llamados cruz que se apoya en su centro y cuyos extremos cuelgan los platillos que soportan los pesos. Puede medir desde unos pocos gramos hasta 300kg. La balanza de Roberval consiste , esencialmente, en un paralelogramo articulado que puede oscilar alrededor de un punto central del lado superior del paralelogramo, manteniéndose verticales las varillas que soportan los platillos; se caracteriza por que su equilibrio se alcanza independientemente de la posición de los pesos en los platillos. Su campo de medida llega hasta los 40kg y se emplea en las operaciones de llenado o de comprobación de pesos terminados. Las balanzas y las basculas son sencillas y de gran exactitud pudiendo alcanzar del ±0.002% al ±0.05%. Sin embargo presentan los inconvenientes de su lenta velocidad de respuesta, la posible corrosión que ataca el al juego de palancas en particular en los puntos de apoyo y que es debido a la suciedad, al polvo ,a los vapores y a la humedad presente en ambientes industriales y al desgaste de las piezas móviles.

La balanza electromagnética utiliza un sensor de posición y una bobina de par montados en un servosistema que equilibra un peso patrón y el peso desconocido. La señal eléctrica de salida del controlador, que genera la corrección del desplazamiento provocado por el peso, crea un campo magnético en la bobina del electroimán que equilibra la atracción del imán permanente. El sistema permite, mediante un microprocesador, proporcionar unas rutinas estadísticas con calculo de la media y desviación estándar de la pesadas y una compensación de temperatura. La exactitud es de 1 mg=500 gr

La célula de carga a base de Galgas extensiometricas consiste esencialmente en una célula que contiene una pieza elástica conocida(E) capaz de soportar la carga sin excederse de su limite de elasticidad. A esta pieza se encuentra cementada una galga extensiometrica, que puede estar formada por varias espiras de hilo (.0025mm) pegado a un soporte de papel o de resina sintética, o bien puede estar formada por bandas delgadas unidas con pegamento a la estructura sometida a carga esta operación de pegado debe de ser muy cuidadoso y esencial , para obtener lecturas exactas y estables de las tensiones presentes en la estructura.

La tensión o la compresión a que el peso somete a la célula de carga hacen variar la longitud del hilo metálico y modifican, por lo tanto su resistencia eléctrica. Se usan acondicionadores de señal, que son los puentes de Wheatstone que captan pequeños cambios en la resistencia y compensan los efectos de temperatura

2.1.11. Sistemas de medición de coordenadas y sistemas de visión. PROCESAMIENTO DIGITAL DE IMAGEN (PDI)

El procesamiento digital de imágenes es el procesado, entendiendo este

como el almacenamiento, trasmisión y representación de información, de imágenes digitales por medio de una computadora digital. El termino imagen se refiere a una función bidimensional de intensidad de luz f(x, y) donde x e y denotan las coordenadas espaciales y el valor de f en cualquier punto(x, y) es proporcional a la intensidad de la imagen en ese punto. Una imagen digital puede escribirse como una matriz cuyos índices de fila y columna identifican un punto en la imagen y cuyo valor coincide con

el nivel de intensidad de luz en ese punto. Cada elemento del array se corresponde con un elemento en la imagen y se le denomina pixel.

El interés en el procesado digital de imágenes se basa esencialmente en dos aspectos: la mejora de la información contenida en una imagen para la interpretación humana y el tratamiento de los datos de una escena para

favorecer la percepción autónoma por parte de una máquina. Debido al amplio rango de tipos de imágenes empleadas en el PDI, no existe

un límite claro respecto donde se encuentra la línea divisoria entre el PDI y otra área a fines, como el análisis de imágenes o la visión por computadora

entre otras. El análisis de imágenes se refiere al proceso por el cual se extrae la información cuantitativa de la imagen y en donde el resultado del análisis es siempre una tabla de datos, una gráfica o cualquier representación de los datos numéricos.

El procesado de imagen sin embargo siempre produce otra imagen como resultado de la operación, por lo que generalmente se pretende mejorar la calidad de la imagen para poder apreciar mejor determinados detalles. La visión por computadora o visión artificial es un subcampo de la inteligencia artificial cuyo propósito es programar una computadora para que entienda una escena o las características de una imagen, emulando la visión humana. Atendiendo a los tipos de procesos implicados en estas disciplinas, se suelen hacer una clasificación de tres niveles: nivel bajo (procesado), nivel medio (análisis) y nivel alto (interpretación).