Elementos de Mecatrónica · Sensores de posición, desplazamiento y proximidad • Sensores...

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

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Elementos de Mecatrónica

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

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Unidad 3: Sensores y sistemas de medición

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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

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Clasificación de los sensores

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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:

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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.

Clasificación de los sensores

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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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Sensores de posición Los sensores de posición suelen ser interruptores de límite o micro-interruptores. 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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Sensores de posición

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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

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Sensores de posición Interruptores con cabeza de movimiento rectilíneo

Interruptores con cabeza de movimiento angular o multi-direcciones

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Sensores de posición Tipo de Accionamiento

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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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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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Sensores de proximidad Detectores de proximidad inductivos

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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

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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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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.

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Metal conductor

Sensor

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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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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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Sensores de proximidad Detectores de proximidad inductivos

Ejemplo: Sensor para placas metálicas y engranaje.

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Sensores de proximidad Detectores de proximidad inductivos

Ejemplo: Sensor de clasificación de piezas.

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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.

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Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos

Principio de funcionamiento:

• La capacitancia entre el sensor y el material blanco está relacionada por:

𝐶 =𝜀 ∙ 𝐴

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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Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos

Principio de funcionamiento:

• Por lo tanto existe una relación entre la distancia (separación) y la capacitancia.

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x

A+

B-

e

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Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos

Principio de funcionamiento:

• La superficie de sensado (sensor capacitivo) esta formada por dos electrodos de metal.

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A+

B-

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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

• 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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x

A+ B-

Objeto Blanco

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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.

• Entre más grande sea la constante dieléctrica del objeto, más fácil de detectar. 25

A+

B-

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Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos

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Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos

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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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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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Sensores de proximidad Detectores de proximidad capacitivos

El sensor 2 detecta el nivel alcanzado y detiene la operación de llenado.

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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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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.

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El objeto interrumpe el haz luminoso

Luz LED

Foto-detector

El objeto refleja la luz

LED

Foto-detector

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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.

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Reflexión sobre espejo

Reflexión sobre objetos

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Sensores de proximidad Detectores de proximidad fotoeléctricos

Ejemplos:

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Detección del paso de botellas. Detección de líquido en una ampolla.

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Sensores de proximidad Detectores de proximidad fotoeléctricos

Ejemplos:

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Detección nivel de agua en una cubeta. Detección de coches.

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Sensores de proximidad Detectores de proximidad fotoeléctricos

Ejemplos:

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Detección caída de objetos pequeños. Detección de tornillos.

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Sensores de proximidad Detectores de proximidad fotoeléctricos

Ejemplos:

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

Detección de alineación de placas de vidrio.

Clasificación de los sensores

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Sensores de proximidad Detectores de proximidad fotoeléctricos

Ejemplos:

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Detección de tapón de plástico. Detección de película de plástico.

Clasificación de los sensores

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Sensores de proximidad Detectores de proximidad fotoeléctricos

Ejemplos:

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Control de puerta de estacionamiento. Vigilancia de una zona.

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Proyecto de laboratorio 2

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Proyecto de laboratorio 2

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Realizar un prototipo que permita la detección de objetos mediante sensores de posición y proximidad.

Objetivo:

Características del sistema: • Desarrollar una maquina dispensadora con 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 ($1, $5, $10 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.

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