InstrumentodeMedicionusandoSensordeFlexi´ on´ · Haciendo uso de la tarjeta Arduino, en su...
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Instrumento de Medici ´ on usando Sensor de Flexi ´ on Z. Bele ˜ no. a F. Bula a , ? , O. Marbello a , I. V´ asquez a , a Estudiantes de F´ ısica, Universidad del Atl´ antico. Resumen En el siguiente informe presentamos la preparaci ´ on y resultados obtenidos al implementar un circuito capaz de realizar mediciones del ´ angulo de deflexi´ on de un tubo PVC. Haciendo uso de la tarjeta Arduino, en su interface se program´ o un c´ odigo capaz de calcular el peso de una carga puesta en el tubo. Todo esto gracias a la deformaci´ on del sensor de flexi´ on y los datos registrados en el programa. Palabras Claves: Sensor, flexion, deformacion, peso, Arduino. Abstract In the following report we present the installment and the obtained results when implementing a circuit capable of performing measurements of the deflection angle in a PVC tube. By using an Arduino board, within its interface we built a code capable of calculating the weight of a load put on the tube. All this, thanks to the actual deformation of the flex sensor and the data registered in the program. Keywords:Sensor, flexion, deformation, weight, Arduino. 1. Introducci´ on Com´ unmente la industria realiza procesos de estan- darizaci´ on y calidad de los productos manufacturados, propio de cada empresa pero regidas bajo ciertas nor- mas [1] para la verificaci´ on de las propiedades mec´ ani- cas del producto y pueda salir al mercado consumidor. Unos de estos procesos es la medici´ on de la deforma- ci´ on y del esfuerzo que es muy usado en la industria metalmec´ anica y manufactura de elementos estructura- les, mediante la cuantificaci´ on de los resultados obteni- dos a partir del empleo de t´ ecnicas especiales basadas en la Ley de Hooke, el componente que hace posible la obtenci´ on de los resultados de estas mediciones es un sensor flexible de caracter´ ıstica resistiva, por lo que una deformaci´ on detectada por el elemento se ver´ a reflejado en el cambio de su resistencia y a su vez en el valor de tensi´ on el´ ectrica emitido [2], este sensor es parte de un circuito que tendr´ a como funci ´ on de cuantificar y trans- ducir una medida de entrada en una indicaci´ on de una medida de salida, todo eso con ayuda de un hardware de bajo costo, en este caso, Arduino [3]. Este proyecto est´ a motivado por la aplicaci´ on experimental y apropia- ci´ on de los conocimientos apropiados en la asignatura de Instrumentaci´ on Industrial. 2. Descripci´ on del proyecto y m´ etodos experimentales El sensor para deformaci´ on, SEN 0 123, usado en el proyecto, tiene el principal objetivo de aumentar la re- sistencia interna a partir de la flexi´ on del mismo; este puede detectar la deflexi´ on cuando cambia de su posi- ci´ on nominal variando la resistencia el´ ectrica medida entre los dos terminales de salida que tiene. Este sensor trabaja en un rango de temperaturas de entre -35 ◦ C hasta 80 ◦ C, con una resistencia debido a la flexi´ on en- tre 60 y 100 KΩ y una precisi´ on de ±0,3KΩ , ali- ment´ andose con una potencia nominal de 0,5 W. [4] ? [email protected]
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Instrumento de Medicion usando Sensor de FlexionZ. Beleno. a F. Bula a, ? , O. Marbello a, I. Vasquez a,
aEstudiantes de Fısica, Universidad del Atlantico.
Resumen
En el siguiente informe presentamos la preparacion y resultados obtenidos al implementar un circuito capazde realizar mediciones del angulo de deflexion de un tubo PVC. Haciendo uso de la tarjeta Arduino, ensu interface se programo un codigo capaz de calcular el peso de una carga puesta en el tubo. Todo estogracias a la deformacion del sensor de flexion y los datos registrados en el programa.
Palabras Claves:Sensor, flexion, deformacion, peso, Arduino.
Abstract
In the following report we present the installment and the obtained results when implementing a circuitcapable of performing measurements of the deflection angle in a PVC tube. By using an Arduino board,within its interface we built a code capable of calculating the weight of a load put on the tube. All this,thanks to the actual deformation of the flex sensor and the data registered in the program.
Keywords:Sensor, flexion, deformation, weight, Arduino.
1. Introduccion
Comunmente la industria realiza procesos de estan-darizacion y calidad de los productos manufacturados,propio de cada empresa pero regidas bajo ciertas nor-mas [1] para la verificacion de las propiedades mecani-cas del producto y pueda salir al mercado consumidor.Unos de estos procesos es la medicion de la deforma-cion y del esfuerzo que es muy usado en la industriametalmecanica y manufactura de elementos estructura-les, mediante la cuantificacion de los resultados obteni-dos a partir del empleo de tecnicas especiales basadasen la Ley de Hooke, el componente que hace posible laobtencion de los resultados de estas mediciones es unsensor flexible de caracterıstica resistiva, por lo que unadeformacion detectada por el elemento se vera reflejadoen el cambio de su resistencia y a su vez en el valor detension electrica emitido [2], este sensor es parte de uncircuito que tendra como funcion de cuantificar y trans-ducir una medida de entrada en una indicacion de unamedida de salida, todo eso con ayuda de un hardware
de bajo costo, en este caso, Arduino [3]. Este proyectoesta motivado por la aplicacion experimental y apropia-cion de los conocimientos apropiados en la asignaturade Instrumentacion Industrial.
2. Descripcion del proyecto y metodosexperimentales
El sensor para deformacion, SEN0123, usado en elproyecto, tiene el principal objetivo de aumentar la re-sistencia interna a partir de la flexion del mismo; estepuede detectar la deflexion cuando cambia de su posi-cion nominal variando la resistencia electrica medidaentre los dos terminales de salida que tiene. Este sensortrabaja en un rango de temperaturas de entre −35Chasta 80C, con una resistencia debido a la flexion en-tre 60 y 100 KΩ y una precision de ±0,3KΩ , ali-mentandose con una potencia nominal de 0,5 W. [4]
UNIVERSIDAD DEL ATLANTICO. 3 METODOS EXPERIMENTALES
Figura 1. Representacion esquematica del sensor, tomado del datas-heet oficial del sensor.
De la ecuacion anterior vemos que depende delmodulo de elasticidad de material, dada por E =28000 kgfcm2 = 2, 745862GPa, tomado de la pagina ofi-cial del fabricante del tubo, en este caso la empresacolombiana TIGRE. Para el momento de inercia se to-ma para un tubo, el cual tiene de radio externo Re =10, 5mm y radio interno Ri = 9mm. La inercia de untubo se calcula facilmente como
3. Metodos Experimentales
La practica tiene como objetivo principal los siguien-tes objetivos:
-Realizar la integracion de un microprocesador conun sensor de deformacion con un sistema de adquisi-cion de datos, implementado directamente a una vigaen cantilever para procesar y analizar la informacion.
-Seleccionar el sensor y el sistema de adquisicion dedatos, adecuado para la realizar de manera confiable lamedicion de deformacion en la viga en cantilever.
-Realizar la programacion mediante un software de ba-jo costo, ARDUINO, para la adquisicion de los datosprovenientes del sensor.
-Calibrar el sensor para obtener datos precisos de lasdeformaciones en la viga y sea consecuente con el pesoaplicado.
Figura 2. Metodologıa implementada en la realizacion del proyecto.
En el proceso de acondicionamiento de senal se tieneel siguiente montaje referente al Arduino y el sensor:
Figura 3. Esquematizacion del montaje del sistema.
Referente a la forma para calcular el peso colocado,en el anexo esta disponible el codigo utilizado en Ar-duino, en este se muestra en pantalla el angulo que sedeforma la barra, entonces aprovechando esto se buscala fuerza. Para empezar el codigo arroja un estimadodel angulo en funcion de los valores medidos de la re-sistencia maxima y mınima medida; este valor lo arrojade forma entera, por tanto se realizo un procedimien-to relacionado a mejorar la precision del sistema, paraesto se considera que la variacion del angulo varıa li-nealmente con la resistencia del sensor, ası:
θ = mR+ b (1)
Con angulo 0
0 = mR0 + b (2)
Donde b = −R0
m
Luego para un angulo de 90
90 = m(Rmax −R0) (3)
m =90
Rmax −R0(4)
De esta forma fue posible obtener el angulo medidode forma mas precisa para el calculo del peso. Se utiliza
la expresion propuesta en el libro de Diseno en inge-nierıa mecanica de Shigley, octava edicion, del autor R.G. Budynas, J. K. Nisbett, dada por:
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4 ANALISIS Y DISCUCION DE RESULTADOS
Figura 4. Deformacion en un objeto en voladizo.
R1 = V = F (5)
M1 = Fl (6)
M = F (x− l) (7)
M = F (x− l) (8)
y =Fx2
6EI(x− 3l) (9)
ymax = − Fl3
3EI(10)
De la ecuacion anterior vemos que depende delmodulo de elasticidad de material, dada por E =28000kgf/cm2 = 2, 745862GPa, tomado de la pagi-na oficial del fabricante del tubo, en este caso la em-presa colombiana TIGRE. Para el momento de iner-cia se toma para un tubo, el cual tiene de radio ex-terno Re = 10, 5mm y radio interno Ri = 9mm. Lainercia de un tubo se calcula facilmente como I =π4 ((0, 105m)4 − (0,009m)4) = 4, 3935x10−9m4 Esfacil ver que cuando la barra se deforma, puede mode-larse como un triangulo recto, donde x es la distanciadel sensor hasta el punto de aplicacion y L es la lon-gitud total del tubo (basada en la imagen anterior); portanto gracias a la funcion tangente es posible tener lamedida directa del peso aplicado, que expresado en kgfse tiene:
F = − 6EItanθ
x(x− 3l)g(11)
En la anterior ecuacion se muestra el signo negati-vo, referente a la deformacion negativa para el planoestablecida; se omite el signo pues nos interesa solo sumagnitud. Vemos entonces una relacion directa con elangulo, que para valores pequenos es lineal.
4. Analisis y discucion de resultados
A continuacion se muestra el montaje final del siste-ma:
Figura 5. Montaje final.
Figura 6. Detalle de la conexion protoboard − Arduino.
Figura 7. Detalle del sensor utilizado.
A continuacion se muestran resultados obtenido dela medicion realizada en el programa para un peso de 1kg.
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UNIVERSIDAD DEL ATLANTICO. 6 ANEXO
Figura 8. Resultados del sensor.
5. Conclusiones
Se realizo perfectamente el montaje del sistema deadquisicion de datos con el tubo de PVC apoyado en for-ma de Voladizo, con la implementacion el sensor de de-formacion utilizado. La programacion del sensor cum-plio con la tarea especificada pues en el monitor serialse aprecia la resistencia electrica del sensor, el angulode deformacion estimado y la fuerza del objeto medido.Al momento de arrojar los datos se realizaron las prue-bas de calibracion del sistema para verificar la viabili-dad del sensor, dependientes de la resistencia mınima ymaxima del mismo, es decir cuando esta totalmente pla-na y cuando esta totalmente deformada. Como ultimaapreciacion se recomienda un trato muy especial coneste sensor pues es muy sensible a pequenos cambios.
Referencias
[1] H.B. Motra, J. Hildebrand, A. Dimmig-Osburg, Assessmentof strain measurement techniques to characterize mechanicalproperties of structural steel, JESTECH, vol. 17, pp. 260-269,September 2014.
[2] Y. Kim, Y. Kim, C. Lee, S. Kwon, Thin polysilicon gaugefor strain measurement for structural elements, IEEE sensorsjournal, vol. 10, no. 8, pp. 1320-1327, August 2010.
[3] J. M. Pearce, Open-Source Microcontrollers for Science: Howto Use, Design Automated Equipment With and Troubleshoot,In Open-Source Lab, J. M. Pearce, Elsevier, Boston, 2014, pp.59-93.
[4] Flex sensor. SPECTRASYMBOL. Hoja tecnica, en lınea:http://www.tiendaderobotica.com/download/FLEXSENSOR(REVA1).pdf
6. Anexo
Figura 9. Codigo ARDUINO utilizado.
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