INDICE

Primera parte

I INTRODUCION

1.1 sensores breve introducción

1.2 definición del sensor

1.3 sistema sensor

1.4 sistema multisensor

1.5 señales de salida

II UNIDAD DE CONTROL ELECTRONICO

2.1 MCE - MÓDULO DE CONTROL ELECTRÓNICO

2.- segunda parte

TIPOS DE SENSORES,APLICACIONES

TIPOS DE SENSORES

I SENSORES DE PROXIMIDAD

1.1 definición

1.2 aplicaciones

II SENSORES ELECTROMAGNETICOS

2.1 definición

2.2 aplicación

III SENSORES MAGNETICOS DE RED

3.1 Sensor magnético de proximidad de red

3.2 Sensor de proximidad magnéticos sin contacto

IV SENSOR DE PROXIMIDAD INDUCTIVOS

4.1 Consideraciones generales

4.2 estado se un sensor inductivo

4.3 sensores blindados y no blindados

a) sensores blindados

b) sensores no blindados

4.4 distancia de sensado

4.5 aplicaciones de sensores inductivos

V SENSORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS

5.1 Principio de operación de los sensores capasitivos de proximidad

5.2 comparacion entre sensores capasitivos blinados y no blinadados

5.3 caracteristicas generales.

5.4 observacion sobre aplicaciones

5.5 apliaciones

VI SENSORES OPTICOS DE PROXIMIDAD

6.1 descripcion de funcionamiento

6.2 sensores de proximidad con cables de fibra óptica

VII SENSORES DE PROXIMIDAD ULTRASONICOS

7.1 introduciion

7.2 descripcion de funcionamiento

7.3 apliaciones del sensor ultrasónico

7.4 caracteristicas especificas

VIII SENSORES DE PROXIMIDAD NEUMATICOS

8.1 Caracteristicas generales

8.2 sensores de obtiagcion d e fuga

8.3 sensores de refleccion

8.4 barreras de aire

8.5 aplicaciones

a) comprobación del aire

b) comprobación de funcionamiento de maquinaria

c) detección del nivel de liquido

d) procesos de producción

TERCERA PARTE

APLICACIONES

I APLICACIÓNES EN LA MEDICINA

II APLICACIONES EN LA ROBOTICA

III

1. INTRODUCCION

1.1 Sensores, Breve Introducción

A medida que se va desarrollando cada vez más la tecnología en los procesos se va haciendo necesario crear dispositivos que nos ayuden a controlar nuestros sistemas de producción ya que día con día se vuelven más complejos. Estos dispositivos de control deben de ser capaces de adquirir y transmitir información relacionada con el proceso de producción.

Los sensores son un tipo de instrumento que ha llegado para auxiliarnos con esos controles, ya que estos tienen una eficacia importante y cumplen con los requerimientos estándar a nivel mundial de calidad. Debido a esto es que ahora el uso de ellos los ha convertido en importantes dispositivos auxiliares para las tecnologías de medición y de control. Los sensores nos proporcionan la información al control en forma de variables.

Las variables que más comunes que podemos hallar en la industria pueden ser desde la temperatura, nivel, presión, fuerza, longitud, ángulo de giro; hasta variables más complejas como las utilizadas para la detección de radiación y conductividad.

La enorme cantidad de sensores de diferentes tipos y para diferentes funciones y procesos, estos nos han ayudado a cubrir todas las áreas donde se necesite medir, controlar, rectificar o transmitir algo, una señal que nos ayude a tener pleno control de un proceso de producción, para que este se lleve a cabo de manera simple, eficaz y con cada vez menos intromisión humana.

1.2 Definición de sensor

Un sensor es un dispositivo que detecta los fenómenos físicos y químicos, llamadas también variables de instrumentación y puede ser capaz de transmitir una señal de salida para medir las variables. La diferencia entre un sensor y un transductor, es que el sensor siempre se encuentra en contacto directo con las variables a medir o controlar. La señal de salida de los sensores no solo nos ayudan a medir, sino que está también se convierte en señales de transmisión estándar (4 – 20 mA, de 1 a 5 V, etc.) para si en algún momento dado se desea tener ciertos aspectos de control sobre la variable en el proceso, en la figura 1.1 nos muestra un par de sensores de proximidad.

1.3 Sistema sensor

Este tipo de sistema consiste básicamente en varios elementos que tienen como fin la medida y evaluación de una variable especifica dentro de un proceso, comúnmente con una parte significativa de funciones de procesamiento de señales. Los componentes son a menudo

modulares y pueden ser intercambiados dentro de la misma familia de productos. Además de los sensores, también se dispone de procesadores de señales, microcontroladores e interfaces de datos compatibles para el acondicionamiento de las señales. En el caso de estas capacidades e procesamiento de las señales, se habla de sensores “inteligentes” o de sensores activos (smart sensors).

1.4 Sistema Multisensor

Debido a que algunos procesos requieren de conocer o manipular una o más variables se puede hacer uso de un sistema sensor con varios tipos de sensores o diferentes.

Algunos ejemplos:

• Un sensor de temperatura y humedad o de presión y temperatura, cada uno formando parte del mismo dispositivo, en la figura 1.2 podemos ver un multisensor de temperatura y de radiación.

• Una combinación de varios sensores de proximidad para distinguir la forma y el material de una pieza.

• Una combinación de varios sensores químicos para gases, con la cual, y a través de la respuesta solapada de los rangos y por medio de una evaluación inteligente, proporcionando una mayor información como conjunto de la que emitirían como sensores individuales.

• Utilización de varios órganos sensitivos del hombre (olfato, gusto, vista, tacto de la lengua) durante la ingestión de alimentos.

1.5 Señales de salida

Los sensores que son empleados en el mercado, proveen de ciertas señales de salida, es muy importante conocer estas señales para hacer una selección acertada en el momento de seleccionar un sensor. A continuación se muestran los tipos de señales de salida:

Señal de Tipo A:

Sensores con señal de salida por interrupción (señal de salida binaria) Ej.

1. Sensores de proximidad

2. Sensores de nivel

3. Sensores bimetálicos

Por norma, estos sensores pueden conectarse directamente a los PLC

Señal de Tipo B:

Sensores con salida por trenes de pulsos Ej:

1. Sensores increméntales de longitud

2. Sensores increméntales de rotativos

Señal de Tipo C:

Componentes de sensores con salida analógica y sin amplificador integrado ni conversión electrónica, que proporcionan una señal de salida analógica muy débil, no apta para evaluaciones inmediatas o de una señal que solamente pueden ser evaluada utilizando circuitería adicional.

1. Componentes de sensores piezorresistivos o piezoeléctricos

2. Células termoeléctricas o Pt-100

3. Magnetorresistores y componentes de sensores de efecto Hall

4. Sondas de medida de conductividad y pH.

5. Potenciómetros lineales

A menudo hay aplicaciones donde, en el caso de producciones elevadas, el usuario elige sus propias soluciones electrónicas.

Señales de Tipo D:

Sensores con salidas analógicas, amplificador y conversión electrónica integrados, que proporcionan señales de salida que pueden evaluarse inmediatamente.

Ej: 1. 0 a 10V,

2. -5 a +5V,

3. 1 a 5V,

4. 0 a 20mA,

5. -10 a +10mA

6. 4 a 20 mA.

Señales de Tipo E:

Sensores y sistemas de sensores con señal de salida estandarizada.

Ej: 1. RS 232-C,

2. RS 442-A,

3. RS 485

Estas señales cuentan con interface a buses de datos tales como bus de campo (profibus, fieldbus, bus-sensor-actuador).

II MOLULOS DE CONTROL

El "Módulo de Control Electrónico" (MCE), utiliza un poderoso microcontrolador programable para efectuar operaciones a distancia, comunmente denominada Domótica.

Con el interfaz Ethernet integrado, es posible comprobar y controlar desde cualquier navegador de Internet las 32 salidas o entradas que este posee.

Posee puertos de expansión para conectar entradas analógicas e internamente cuenta con una UPS lo cual le permite seguir operando por 2 horas sin alimentación eléctrica.

El módulo MCE permite actualizar su firmware y expandir su capacidad a 32 entradas digitales opto acopladas y 32 salidas tipo normal abierto utilizando relés marca Fujitsu.

Generalidades de Hardware

Características internas

RTC (Real time clock) integrado.

Conexión Ethernet 10 BASE T RJ-45 con leds de estados integrados.

Soporta (WAN/LAN), HTTP*, TCP/IP, DHCP, DDNS, WAP por GPRS. *

Memoria de almacenamiento de eventos 128Kbytes UPS (unit power supply) autonomía de 2 hs.

Memoria no volátil para almacenamiento de FIRMWARE.

Estabilidad y función auto reset

Watchdog Timer

Respuesta a comando ping

Batería de reserva para RTC.

Gran estabilidad de firmware

Reporte de estado del equipo y funciones generales

Fuente de alimentación con triple protección fusible, VDR y

polyswich (fusible autoreseteable)

Capacidad de emular gran línea de PLC (programación de los mismo no diponible)

Disponibles en otros modelos conexión con WI-FI, BlueTooth Fuente de alimentacion con triple protección fusible, VDR y polyswich (fusbile autoreseteable)

Capacidad de emular gran línea de PLC (programación de los mismo no diponible)

Disponible en otros modelos conexión con WI-FI, BlueTooth.

Generalidades de Hardware

I

Características externas

1 Puerto RS-232 asignado a programación del equipo y configuración inicial del mismo.

3 Puertos RS-485.

16 Entradas digitales opto acopladas entradas por voltaje ON= 4V-70V configurables.

16 Salidas digitales mediante la utilización de un pequeño buffer de potencia, utilización de relés Fujitsu.

Memoria no volátil para almacenamiento de buffer de datos.

Posibilidad de expansión de puertos entradas o salidas hasta 32 entradas y 32 salidas.

Utilización de borneras enchufables para 16 entradas y 16 salidas.

Utilización de db37 para 16 entradas y 16 salidas.

Gabinete rackeable fabricado en aluminio.

Posibilidad de utilización de entradas analogícas mediante la utilización de conversores A/D conectado a unos de sus puertos Rs-485.

Generalidades de Software

Tecnología para brindar funciones de gestión y control de puertos SPI.

Programación de eventos.

Componentes de software de tipo OCX para integración con otras plataformas Funciones de Control y Diagnóstico distancia.

Gran capacidad de integración con otros sistemas de programación como los son Visual Basic o C++ mediante la utilización de HDSOCX, ocx entregada en forma gratuita.

Seguridad de datos mediante 3Des entre componente de software y equipo.

Almacenamiento temporal de puertos Port Buffering para facilitar la recolección de datos.

Memoria pos almacenamiento de datos históricos.

Posibilidad de ingresar protocolo para establecer compatibilidad con líneas de control de PLCs. Interfaz con el módulo para lectura escritura de cualquiera de sus puertos.

Se consideran los buffers de los canales RS.

Interfaz con el módulo para lectura reprogramación de sus características intrínsecas como por ejemplo: dirección IP, firmware, etc.

Posibilidad de lectura o escritura de cada una de sus entradas y salidas de modo separado o de todas en conjunto.

Capacidad de monitor de cambio de eventos o estados de sus puertas de entradas. 

Características

Gabinete

- Módulo estanco, robusto y rackeable Standard fabricado en aluminio. -Ancho, 19 pulgadas, Altura 2,5 pulgadas.

- Aletas para sujeción en rack.

- Pintura epoxi color beige.

- Sistema de ventilación forzada.

Frente Gabinete

- Indicador luminoso de encendido.

- Indicador luminoso de tráfico por ethernet.

- Conector DB9 macho para chasis asignado a canal RS232 para programación, configuración y actualización del firmware.

- Entrada Ethernet al gabinete por medio de conector RJ45.

- Llave de Seguridad para actulización y configuración de firmware.

Reverso Gabinete

- Tres horneras enchufables dobles a 90e por cada puerto RS485.

- Conector DB37 Hembra donde estarán conectadas 8 entradas y 8 salidas.

□cho horneras enchufalbes dobles a 90- por cada puerto de entrada.

PARTE II

I CLACES DE SENSORES

1.6 Sensores binarios

Los sensores binarios son aquellos que tienen la capacidad de convertir una magnitud física (resultante de un fenómeno físico) en una señal binaria y con el arrojar una señal, la señal más común es una señal de salida eléctrica con solo los dos estados, el de Conectado y Desconectado, en la figura 1.3 podemos ver un sensor electromecánico que se clasifica dentro de los sensores binarios. Ej:

1. Final de carrera

2. Sensor de proximidad

3. Presostato

4. Sensor de nivel

5. Termostato

1.7 Sensores de proximidad

Estos sensores se basan en el hecho de detectar objetos que se encuentren próximos al mismo sensor, dentro de un campo de censado, tienen posiciones discretas, pueden también detectar si un objeto se haya o no en una determinada posición. Este tipo de sensores nos proporcionan solo dos señales, las señales son “si” o “no”, para cuando un objeto ha sido detectado o no lo ha sido. Esta detección se hace en base a un punto de referencia preestablecido al que el objeto debe de llegar. Este tipo de sensores son conocidos también como sensores binarios o indicadores.

Los sensores de proximidad son los que tienen mayor auge en la industria por su simplicidad, fácil mantenimiento y precio. Además, su composición y estructura los hace muy flexibles en el caso de acoplarlos en diferentes tipos de procesos. Desde procesos en una línea de producción hasta algunos procesos mucho más sencillos como el hecho de encender y apagar una luz o abrir y cerrar seguros. Este tipo de censado es hecho con interruptores mecánicos de posición, que muchas veces están provistos de actuadores especiales para detectar los objetos o variables que van a ejercer el cambio de estado en estos. Otros términos también utilizados o microrruptores, finales de carreras, válvulas limitadoras, etc.

Por la naturaleza del sensor y los procesos donde se emplean, algunos tipos de sensores de proximidad tienen contacto directo con otras partes físicas, con ello se pueden presentar muchos problemas de interferencia y desgaste. Por eso es que deben de cumplir con algunas exigencias en lo que respecta a material y construcción, para que esto tengan una validad de vida alta.

II .- APLICACIONES

1.7.1 Aplicaciones de los sensores de proximidad.

Los campos donde se emplean este tipo de sensores son muy variados y de muchos tipos y formas, algunos de estos son mencionados a continuación:

1) Industria Automotriz

2) Industria Maquiladora

3) Ingeniería Aeronáutica

4) Industria Del Embalaje

5) Textil

6) Industria de la alimentación, figura 1.4.

7) Industria cerámica y de construcción, etc.

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Figura 1.4 Sensor electromecánico para dispensador de líquidos

2. SENSORES ELECTROMECANICOS

Por medio de estos sensores, se puede interrumpir o establecer un contacto eléctrico por medio de la acción de una fuerza extrema, el funcionamiento normal de este tipo de dispositivos es comúnmente visto en los interruptores de luz residencial o switches de otro tipo. En los cuales se tiene el cuerpo del interruptor, sus terminales que podrían ser normalmente abiertas o cerradas (se puede presentar el caso en que solo se tenga uno), y una terminal común, y un botón que es aquel en el que se ejercerá la fuerza externa para que haga conmutar el interruptor y cambie de estado.

Entre algunas de las consideraciones que se deben de hacer al pensar en hacer uso de este tipo de interruptores, es la fuerza que es necesaria para que conmute el interruptor, el rating eléctrico deseado, el numero de ciclos mínimos que se desea que llegue a tener, si está o no expuesto a condiciones difíciles de humedad y temperatura, etc.

Con los finales de carrera mecánicos, se establece o se interrumpe un contacto eléctrico por medio de una fuerza externa. En los interruptores, el final de carrera es detectado comúnmente

por medio de actuadores que facilitaran la conmutación. La vida útil de un contacto es de un máximo de 10 millones de ciclos de interrupción aunque generalmente la vida del interruptor en general es menor, al presentarse problemas mecánicos con los componentes internos. Dependiendo del diseño, pueden transmitirse tensiones e intensidades relativamente elevadas. En el caso de un final de carrera mecánico, el espacio que separa dos contactos abiertos de diferente polaridad se conoce como el intervalo entre contactos. Los tempos de conmutación de los finales de carrera mecánicos son entre uno y 10ms. Se debe de tener siempre en cuenta que se pueden presentar ciertos rebotes al momento de que las navajas con los contactos conmutan.

Algunos de estos interruptores se pueden clasificar como:

1) Interruptores miniatura de posición.

2) Interruptores de control, finales de carrera.

3) Interruptores de posición al aire.

4) Interruptores de posición sumergidos en plástico.

5) Interruptores de posición sumergidos en metal.

6) Interruptores de posición de seguridad.

7) Interruptores de posición de precisión.

Los componentes más importantes son los contactos, ya que ellos son los que soportan los arcos eléctricos y otros fenómenos que podrían llegar a ser destructivos, los materiales más comunes para estos son: níquel-oro, plata, óxido de plata-cadmio, plata-paladio y níquel-plata, en la figura 2.1 podemos ver un interruptor electromecánico y en él los contactos.

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Figura 2.1. Sensor electromecánico.

Puesto que los finales de carrera son componentes de precisión mecánica, debe observarse lo siguiente en lo que respecta a su instalación:

• Precisión en relación con el montaje (holgura precisa entre el componente que actúa el microrruptor y el objeto o leva).

• Rigidez de la conexión del interruptor/soporte de montaje.

• Cuidadosa observancia de los dispositivos de actuación (aproximación frontal o lateral).

Debe tenerse cuidado cuando se realizan las conexiones eléctricas. En el caso de conexiones a presión o atornilladas, deben utilizarse terminales aisladas térmicamente. Si los cables se sueldan, debe tenerse cuidado de no recalentar los contactos durante la soldadura. Una carcasa deformada puede producir un funcionamiento defectuoso del microrruptor. Las líneas de conexión al final de carrera deben mantenerse libres de tensiones mecánicas.

Si el final de carrera debe accionarse directamente, hay que tener en cuenta que no puede utilizarse como tope de carrera o mecánico (salvo que esté previsto para este fin en específico).

Hay aplicaciones en las que las desventajas de los finales de carrera mecánicos, tales como la actuación con contacto, rebotes o desgastes, no son importantes. En tales casos es posible aprovechar ventajosamente estos componentes de precio relativamente moderado.

Las áreas típicas de aplicaciones de finales de carrera mecánicos incluyen por ejemplo, lugares donde hay un ambiente con elevado ruido eléctrico como resultado de los campos electromagnéticos, tal como es el caso de las instalaciones de soldadura, donde los sensores electrónicos de proximidad podrían funcionar incorrectamente.

El circuito de protección puede ser tanto un elemento RC adecuado, como un diodo o un varistor. Los valores eléctricos de estos componentes dependen de la potencia del elemento que activa el contacto (relé o contactor). Si se activa un relé o contactor, es esencial que se respeten los datos técnicos del interruptor y del relé o contactor.

3 SENSOR MAGNETICO

Este tipo de sensores, por lo común conocidos como Reed, de proximidad reaccionan ante los campos magnéticos de imanes permanentes y de electroimanes. En el caso de un sensor Reed, las láminas de contacto están hechas de materiales ferromagnéticos (hierro/níquel aleado) y están

selladas dentro de un tubo de vidrio pequeño. El tubo se llena con un gas inerte; por lo general se emplea al nitrógeno pues sus propiedades de gas no activo ni combustible lo hacen apropiado, en la figura 3.1 podemos observar un sensor de tipo Reed que se emplea al abrir y cerrar puertas.

3.1. Sensor magnético de proximidad Reed y sus símbolos

Entre los sensores magnéticos se debe de tener en cuenta varios aspectos para su selección, entre los que destacan los parámetros electromagnéticos, tiempo de conmutación y temperaturas de operación, así como el medio en el que se desea emplear, en la tabla 3.1 se muestran las especificaciones para un sensor Reed.

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3.1 Sensores de proximidad magnéticos sin contacto

Estos sensores, que son semejantes a los de proximidad inductiva, se caracterizan por tener un oscilador incorporado (circuito oscilador LC). En contraste a los inductivos, la bobina osciladora no es del tipo con núcleo de media capa, que crean un campo magnético directamente hacia fuera, sino que es una bobina de capa cerrada o de núcleo de ferrita apantallado.

Al acercar un imán permanente, el material del núcleo del oscilador se satura causando con ello una variación en la corriente. Una etapa de disparo evalúa el cambio y lo convierte en una señal de salida definida. De manera similar a los sensores de proximidad de contacto, estos reaccionan variando su rango de conmutación si se les acerca un imán que cambia la orientación del eje de su campo magnético. Tal como se aprecia en la figura 3.2, donde vemos un sensor magnético de dos partes, donde no existe contacto entre ellos y solo existe las fuerzas electromagnéticas que interactúan.

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Figura 3.2 Sensores magnéticos sin contacto

4. SENSORES DE PROXIMIDAD INDUCTIVOS

Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia de objetos metálicos de4 diferentes modos (control de presencia o de ausencia, detección de paso, de atasco, de posicionamiento, de codificación y de conteo).

Sus características principales son:

• Convierten una magnitud física en una señal eléctrica.

• No necesitan contacto mecánico con la pieza a sensar.

Estos sensores constan de 4 partes principales.

1. Oscilador.

2. Bobina.

3. Circuito de disparo.

4. Circuito de conmutación de salida.

El oscilador genera un campo electromagnético el cual será emitido por la bobina radiando desde la superficie de la zona sensitiva como se ve en la figura 3.1.

Figura 4.1 Sensor de proximidad

4.1 Consideraciones generales

• La superficie del objeto a detectar no debe ser menor que el diámetro del sensor de proximidad (se recomienda 2 veces más grande que el tamaño o diámetro del sensor). Si fuera menor que le 50% del diámetro del sensor, la distancia de sensado seria menor.

• Debido a las limitaciones de los campos magnéticos, los sensores inductivos tienen una distancia de detección pequeña comparados con otros tipos de sensores. Esta distancia puede variar, en función del tipo de sensor inductivo, desde fracciones de milímetros hasta 40 mm en promedio.

• Para compensar el limitado rango de detección, existe una extensa variedad de formatos de sensores inductivos: Cilíndricos, Chatos, Rectangulares, etc.

• Los sensores inductivos cilíndricos son los más usuales en las aplicaciones presentes en la industria.

• Posibilidad de montar los sensores tanto enrasados como no enrasados.

• Gracias a no poseer partes móviles los sensores de proximidad no sufren en exceso el desgaste.

• Gracias a las especiales consideraciones en el diseño, y al grado de protección IP67, muchos sensores inductivos pueden trabajar en ambientes adversos, con fluidos corrosivos, aceites, etc.

4.2 Estados de un sensor inductivo

1.- Objeto a detectar ausente.

• Amplitud de oscilación al máximo, sobre el nivel de operación.

• La salida se mantiene inactiva (OFF)

2.- Objeto a detectar acercándose a la zona de detección.

• Se producen corrientes de Foucault -> “Transferencia de energía”.

• El circuito de detección detecta una disminución de la amplitud, la cual cae por debajo del nivel de operación.

• La salida es activada (ON)

3.- Objeto a detectar se retira de la zona de detección.

• Eliminación de corrientes de Foucault.

• El circuito de detección detecta el incremento de la amplitud de oscilación.

• Como la salida alcanza el nivel de operación, la misma se desactiva (OFF).

Las fases anteriores son básicamente la manera en cómo se comporta en sensor de tipo inductivo, en la Grafica 4.1 nos muestra lo anterior.

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Figura 4.1 Estados de un sensor inductivo

Algunas de las características de este tipo de sensores son:

• Advierten sobre la presencia de materiales férricos que afectan al campo magnético de alta frecuencia de su oscilador interno, figura 4.2 muestra un sensor de detección de engranes.

• Funcionan sin contacto mecánico y por lo tanto, no ejercen ninguna influencia sobre el detector ni sobre la pieza a explorar.

• No precisan elementos mecánicos de accionamiento. Se suprimen los rodillos, levas y las piezas de los finales de carrera convencionales.

• No disponen de contactos mecánicos para la conmutación eléctrica y su salida es estática.

Figura 4.2 Sensor de detección de engranes

Términos para los valores de las características dimensionales:

• Superficie activa:

De esta superficie parte el campo magnético que efectuará el accionamiento

• Distancia de conmutación:

Es el intervalo en el cual la placa de medición que se acerca a la superficie del sensor provoca un cambio de señal.

• Distancia nominal Sn:

Es un valor característico en el cual no se consideran las tolerancias de fabricación ni las divergencias respecto a la temperatura ó tensión.

• Distancia real Sr:

A tensión normal y con temperatura de 20oC. Es la variación respecto a la zona nominal, comprendida entre +/-10% como máximo.

• Repetibilidad R:

Diferencias en el punto de conmutación que se producen durante 8 horas a una temperatura de 15o a 30oC y con una desviación de la tensión nominal de +/-5%

• Histéresis de conmutación H:

Es la distancia entre el punto de activación y el punto de desactivación, durante la aproximación radial ó axial de la placa de calibración en la superficie activa, figura 4.3.

Figura 4.3 histéresis de conmutación

4.3 Sensores blindados y no blindados

SENSORES BLINDADOS. Los sensores blindados, al tener todo el cuerpo roscado son más resistentes a los golpes que los no blindados, figura 4.4.

Algunas de sus características:

• Son Enrasables.

• Son Especiales para posicionamiento.

• Tienen Distancias más cortas de detección.

• Tienen un Sensado limitado al frente del sensor.

• Tienen un agregado al núcleo y un blindaje metálico que limita el campo magnético al frente del sensor.

Figura 4.4 sensor blindado

SENSORES NO BLINDADOS. Los no blindados no tienen blindaje extra, lo cual nos da como resultando en un área de sensado mayor, figura 4.5.

Algunas de sus características:

• No son enrazables.

• Detección de presencia.

• Tienen Distancias más grandes de detección.

Figura 4.5 Sensor no blindado

4.4 Distancia de sensado

La distancia de sensado (Sn) especificada en la hoja de datos de un sensor inductivo está basada en un objeto de estándar con medidas de 1"x1" de acero dulce. Este valor variará sensiblemente si

se quiere detectar otros tipos de metales, aún materiales ferrosos como el acero inoxidable (SS) no ferrosos, como el aluminio, pueden ser detectados, pero a menores distancias.

En la grafica 4.2, podemos observar como varía la distancia de detección en función del material a detectar y el tamaño del mismo.

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Grafica 4.2 Grafica de distancias de sensado

4.5 Aplicaciones en sensores inductivos

• Medición de posiciones

• Medición de ángulos de giro

• Determinar magnitudes

– Velocidad

– Revoluciones

– Aceleración

5. SENSORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS

5.1 Principios de operación de los sensores capacitivos de proximidad

Los sensores de proximidad capacitivos han sido diseñados para trabajar generando un campo electrostático y detectando cambios en dicho campo a causa de un objeto que se aproxima a la superficie de detección. Los elementos de trabajo del sensor son, a saber, una sonda capacitiva de detección, un oscilador, un rectificador de señal, un circuito de filtraje y el correspondiente circuito de salida. En ausencia de objetos, el oscilador se encuentra inactivo. Cuando se aproxima un objeto, éste aumenta la capacitancia de la sonda de detección. Al superar la capacitancia un umbral predeterminado se activa el oscilador, el cual dispara el circuito de salida para que cambie entre “on” (encendido) y “off” (apagado). La capacitancia de la sonda de detección viene condicionada por el tamaño del objeto a detectar, por la constante dieléctrica y por la distancia de éste al sensor. A mayor tamaño y mayor constante dieléctrica de un objeto, mayor incremento de

capacitancia. A menor distancia entre objeto y sensor, mayor incremento de capacitancia de la sonda por parte del objeto, las figuras 5.1 y 5.2 nos muestran el principio de funcionamiento del sensor capacitivo y el diagrama de bloques.

Figura 5.1 principio de funcionamiento del sensor de proximidad capacitivo

Figura 5.2 Diagramas de bloques de un sensor de proximidad capacitivo

5.2 Comparación entre sensores Capacitivos blindados y no blindados

Los sensores capacitivos de proximidad blindados son más adecuados para detectar materiales de baja constante dieléctrica (difíciles de detectar) debido a la alta concentración de campos electrostáticos. Esto les permite detectar objetos que con sensores no blindados sería imposible. De cualquier manera, esto los hace más susceptibles a los disparos en falso a causa de la acumulación de suciedad o humedad en la superficie de detección. El campo electrostático de un sensor no blindado es de más baja concentración que el correspondiente a los modelos con blindaje. Esto los hace adecuados para la detección de materiales de alta constante dieléctrica (fáciles de detectar) o también para discriminar entre materiales de alta y baja constante dieléctrica. Para unos materiales adecuados dados, los sensores capacitivos de proximidad no blindados poseen distancias de detección mayores que los blindados.

Los modelos no blindados están equipados con una sonda de compensación que permite al sensor ignorar el agua pulverizada, polvo, un poco de suciedad y aceite pulverizado o vapor de agua condensado en el sensor. La sonda de compensación también hace al sensor más resistente a las variaciones de humedad ambiental, figura 5.3. El tipo no blindado o sin apantallar es, por tanto, la elección más adecuada para ambientes polvorientos y/o húmedos. Los sensores capacitivos no blindados son también más adecuados que los de tipo blindado para utilizarlos con anclajes de plástico, accesorios diseñados para aplicaciones en la medida del nivel de líquidos. El anclaje se monta por medio de un barrero en el depósito y el sensor se introduce en el receptáculo del anclaje. Este detecta el nivel de líquido en el interior del tanque a través de la pared del anclaje del sensor. Esto permite al anclaje la doble función de tapón del barrero por un lado y por otro de montura del sensor, figura 5.4.

Figura 5.3 sensor blindado Figura 5.4 sensor no blindado

5.3 Características Técnicas.

En la tabla 5.1 nos muestran las características técnicas de un sensor capacitivo.

Tabla 5.1 Datos técnicos de un sensor de proximidad capacitivo

5.4 Observaciones sobre la aplicación.

Al igual que con los sensores de proximidad inductivos debe distinguirse entre los sensores de proximidad capacitivos enrasables y no-enrasables. Es más debe observarse que este tipo de sensores es más sensible a perturbaciones. Asimismo, su sensibilidad en lo que respecta a la humedad es muy elevada debido a la elevada constante dieléctrica del agua (ε = 81).

Por otro lado pueden utilizarse para detectar objetos a través de una pared no-metálica. En este caso, el grosor de la pared debe ser inferior a 4 mm y la constante dieléctrica del material a detectar debe ser por lo menos 4 veces el de la pared.

Debido a esta propiedad de reaccionar ante una amplia gama de materiales, el sensor de proximidad capacitivo es más universal en aplicaciones que el sensor de proximidad inductivo. Por otro lado, los sensores de proximidad capacitivos son sensibles a los efectos de la humedad en la zona activa de detección. Muchos fabricantes, por ejemplo, utilizan un electrodo auxiliar para compensar los efectos de la humedad, rocío o hielo, reduciendo así estas perturbaciones.

5.5 Aplicaciones de los sensores de proximidad capacitivos

En las siguientes figuras (figura 5.6 - 5.9) se muestran algunas de las aplicaciones que hay para este tipo de sensores de proximidad:

Figura 5.9 aplicación de nivel de tubo indicador

6. SENSORES OPTICOS DE PROXIMIDAD

6.1 Descripción del funcionamiento

Todos los sensores ópticos de proximidad en el funcionamiento de estos utilizan diodos luminiscentes, estos diodos también son llamados como LED (Diodos Emisores de Luz). Una de las diferencias de estos sensores a los demás es que necesitan de un medio para transportar la energía de los diodos.

Los sensores de proximidad con adaptadores para fibra óptica se utilizan cuando los dispositivos convencionales ocupan demasiado espacio. Otra aplicación, donde es ventajosa la utilización de cables de fibra óptica (sensor de proximidad con cables de fibra óptica, fig. 6.1) es en áreas con riesgo de explosión debido a que al hacer uso de este tipo de cables se suprime la posibilidad de arqueo y con el de una explosión en caso de que se encuentre en un medio filmable. Estos cables se puede decir que son para la detección de con precisión de objetos pequeños.

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Figura 6.1 Sensor de proximidad con cables de fibra óptica.

Mediante el uso de cables de fibra óptica, se puede construir un sensor de barrera, esto se hace teniendo dos cables separados. Dada su extrema flexibilidad, pueden utilizarse universalmente.

Ventajas del uso de sensores ópticos de proximidad con fibra óptica:

a) Detección de objetos en áreas de acceso restringido, por ejemplo, a través de agujeros.

b) Posibilidad de instalación a distancia del cuerpo del sensor (por ejemplo en lugares peligrosos: calor, agua, radiaciones, riesgo de explosión)

c) Detección precisa de pequeños objetos.

d) Los elementos detectores pueden desplazarse.

Ventajas de los cables ópticos de polímero:

a) Mecánicamente más resistentes que los de fibra de vidrio.

b) La longitud puede reducirse fácilmente cortando los extremos de los cables con una cuchilla afilada.

c) Ahorro de costos.

Ventajas de los cables ópticos de fibra de vidrio:

a) Adecuados para elevadas temperaturas.

b) Menor atenuación óptica en distancias largas así como en rangos cercanos al infrarrojo.

c) Mayor durabilidad

Los índices de refracción de algunos materiales son importantes para la selección de este tipo de sensores. La refracción es cuando el rayo de luz es reflejado en el medio que lo contiene y que la energía se dispersa en diferentes direcciones. En este fenómeno físico se incluye el material o el medio en el que están estos dichos rayos. Un medio ópticamente denso es el que permite una baja velocidad de propagación de la luz, en cuanto un medio ópticamente claro es el que permite una mayor velocidad. La tabla 6.1 no muestra los índices de refracción de algunos materiales.

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Tabla 6.1 Índices de refracción.

7. SENSORES DE PROXIMIDAD ULTRASONICOS.

7.1 Introducción

Los detectores ultrasónicos de proximidad son detectores que trabajan sin contacto y que pueden aplicarse en muchos campos de la automatización.

Así, por ejemplo, resultan ideales para aplicaciones en las que haya que medir distancias en el aire, pues no sólo detectan objetos, sino que también son capaces de calcular e indicar la distancia absoluta que hay entre el detector y el objeto. Los cambios de las condiciones ambientales son compensados a la hora de evaluar los valores medidos.

7.2 Descripción del funcionamiento

El principio de funcionamiento de un sensor de proximidad ultrasónico está basado en la emisión y reflexión de ondas acústicas entre un emisor, un objeto y un receptor. Normalmente, el podador de estas ondas sónicas es el aire. Se mide y se evalúa el tiempo que tarda en desplazarse el sonido.

El sensor de proximidad ultrasónico puede dividirse en tres módulos principales, el transductor ultrasónico, la unidad de evaluación y la etapa de salida. Un pulso corto dispara brevemente el transmisor ultrasónico. Este es generalmente un módulo piezo-eléctrico, es decir, basado en piezo-óxidos (materiales cerámicos que reaccionan según el efecto piezoeléctrico, de forma similar al cuarzo).

El transmisor ultrasónico emite ondas sónicas en el rango inaudible a cualquier frecuencia, generalmente entro 30 y 300 kHz. En muchos casos, el transmisor ultrasónico cambia de emisor a receptor, es decir, operando como un micrófono. Los filtros dentro del sensor de proximidad ultrasónico, comprueban si el sonido recibido es realmente el eco de las ondas sónicas emitidas.

3. Aplicaciones, ventajas y desventajas de los sensores ultrasónicos.

Las áreas más adecuadas de aplicación para los sensores de proximidad ultrasónicos son:

• Instalaciones de almacenamiento.

• Sistemas de transporte.

• Industria de la alimentación.

• Proceso de metales, vidrio y plásticas, figura 7.1 y 7.2.

• Supervisión de material a granel.

7.3 Aplicación de un sensor ultrasónico

(En la cual mide el tamaño de un objeto).

Los sensores de proximidad ultrasónicos tienen las siguientes ventajas:

• Rango relativamente amplio (hasta varios metros)

• Detección del objeto independiente del color y del material.

• Detección segura de objetos transparentes (por ejemplo, botellas de vidrio)

• Relativamente insensible a la suciedad y al polvo.

• Posibilidad de desvanecimiento gradual del tondo.

• 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.

Los sensores de proximidad ultrasónicos tienen las siguientes desventajas:

• Si se utilizan sensores de proximidad ultrasónicos para objetos con superficies inclinadas, el sonido se desvía. Por ello es importante que la superficie del objeto a reflejar esté dispuesta perpendicularmente al eje de propagación del sonido o bien que se utilicen barreras ultrasónicas.

• Los sensores de proximidad ultrasónicos reaccionan con relativa lentitud. La frecuencia de conmutación máxima está entre 1 y 125 Hz.

• Los sensores de proximidad ultrasónicos son generalmente más caros que los sensores de proximidad ópticos (casi el doble).

7.4 Características específicas.

La mayoría de la veces este tipo de sensores están equipados con LED’s para poder saber la indicación del estado en el que se encuentran y también con un potenciómetro para calibrar o para ajustar el rango en el que este va a operar. También hay ejecuciones con dos potenciómetros para ajustar una ventana de conmutación, así como ejecuciones especiales programables, con las que pueden seleccionarse diferentes rangos de funcionamiento por medio de un interface electrónico. Algunos sensores de proximidad ultrasónicos están equipados con entradas sincronizadas, con lo que es posible un funcionamiento alternado y libre de interferencias, cuando se utilizan varios sensores de proximidad ultrasónicos montados cerca unos de otros.

8. SENSORES DE PROXIMIDAD NEUMATICOS

8.1 Características generales

Con los sensores de proximidad neumáticos, puede detectarse la presencia o ausencia de un objeto por medio de chorros de aire que detectan sin contacto.

Cuando se presenta un objeto, se produce un cambio en la presión de a señal, que puede ser procesado posteriormente.

Las ventajas de estos sensores de proximidad son:

• Funcionamiento seguro en ambientes con suciedad.

• Funcionamiento seguro en ambientes de elevada temperatura.

• Pueden utilizarse en ambientes con riesgo de explosión.

• Insensibles a influencias magnéticas y ondas sónicas.

• Fiables incluso en ambientes con brillo intenso y para detección de objetos transparentes a la luz, donde los sensores de proximidad ópticos podrían no ser adecuados.

8.2 Sensores de obturación de fuga

La obstrucción de un chorro de aire que fluye por un taladro, por medio del objeto a detectar, produce una subida de presión en la salida del sensor, hasta el nivel de la presión de alimentación. Designación alternativa: Tobera de contrapresión.

8.3 Sensores de reflexión.

El tipo de sensor de reflexión (réflex), consiste en un chorro anular de aire y en una boquilla central receptora.

Si se aproxima un objeto hacia el chorro de aire que escapa de la boquilla anular (emisor), se forma una sobrepresión en la boquilla central (receptor), cuando el objeto se halla a una determinada distancia del chorro. La Figura 8.1 ofrece una vista esquemática del flujo de aire.

Figura 8.1 Principio de funcionamiento de un sensor réflex

8.4 Barreras de aire

Si se instala una boquilla anular emisora en frente de una boquilla del mismo tipo pero receptora, podríamos formar una barrera de aire entre ellas tal como se puede ver en los sensores de barrera de luz cuando esta se intercepta un haz de luz por algún objeto. Estas barreras también son posibles lograrlas con un chorro de aire en lugar que un objeto. Esto se conoce como barrera de chorro interferente. La longitud máxima de barreras de aire puede ser de hasta 100 mm, figura 8.2 donde muestra la tobera emisora y receptora.

En los dispositivos de barrera, en los cuales el aire solo es transmitido por la boquilla de la tobera emisora, se puede llegar a acumular una gran cantidad de partículas contaminantes, mismas que con el tiempo pueden llegar a producir problemas serios en el funcionamiento e incluso un fallo total cuando la tobera se llega a obstruir totalmente.

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Figura 8.2 Tobera emisora y receptora

Cuando se presenta este fenómeno, se crea una reflexión del aire por la interrupción del flujo por parte del objeto a detectar, mismo que provoca una sobrepresión en la salida de control, esto depende mucho de la distancia detectada y de la presión de alimentación.

Los sensores de proximidad neumáticos son dispositivos caros en comparación con otros tipos de sensores (inductivos, capacitivos, ópticos, etc.…). Debido a lo anterior estos tipos de sensores solo son aplicados en procesos especiales.

Ventajas que presentan este tipo de sensores son:

• Funcionamiento puramente mecánico

• Se anula la posibilidad de arcos eléctricos.

• Utilizados para la medición de niveles en líquidos.

• Utilización para la medición de niveles de líquidos espumosos.

• Su mantenimiento suele ser simple y sencillo.

• Trabaja óptimamente en ambientes húmedos y sucios.

• Soportan altas temperaturas

8.5 Aplicaciones de Sensores de Proximidad Neumáticos

Adelante se muestran algunas de las aplicaciones más comunes de los sensores de proximidad de tipo neumático:

1. Comprobación de agujeros

En algunos procesos en sheet metal, es necesario comprobar que las perforaciones que se hicieron están en el lugar correcto, para hacer esto se pueden emplear sensores de proximidad neumáticos.

2. Comprobación del funcionamiento de maquinaria

Este tipo de sensor puede ser utilizado para la verificación del funcionamiento óptimo de equipo de producción, cuando se desea ver si las partes que pueden sufrir desperfectos físicos o desgaste no los presenten. Un ejemplo claro es el de un proceso en el que sea necesario barrenar el material por medio de una broca, el sensor puede ser colocado de tal manera que se puede

detectar la rotura de la misma, esto mandaría una señal que alertaría al operador de cambiar la broca.

3. Detección de nivel de liquido

Este tipo de sensor responde de una manera excelente a este tipo de casos, ya que al acercarse el nivel del liquido a la tobera, este puede detectar un cambio brusco en la presión (sobrepresión); otro de los factores más importantes del porque del uso de este tipo de dispositivos es debido a que este solo responde al liquido y no a la espuma que se pudiese formar en la superficie.

4. Procesos de Producción

Los sensores neumáticos de proximidad pueden ser utilizados en áreas de producción para verificar la instalación correcta de partes dentro del producto manufacturado. Un ejemplo podría ser la instalación de tapaderas en botellas de plástico, el sensor neumático de tipo réflex detecta la presencia o no de la tapa y puede mandar una señal de salida a un controlador que apartara aquellos productos que no cumplan con lo requerido y dejara paso libre a los que si lo cumplan.

APLICACIÓN DE LOS SENSORES

APLICACIÓN EN LA MEDICINA

BIOSENSORES

Los sensores naturales son tan viejos como los organismos vivos. Estos bioreceptores son transductores naturales que convierten todo tipo de señales físicas y químicas del ambiente en señales eléctricas, resultando en potenciales de acción que pueden ser procesados por una “computadora natural”, nuestro sistema nervioso. La presencia de bioreceptores no se limita a los órganos de nuestros sentidos sino que aparecen en todos los procesos involucrados en los organismos vivos y células. La aparición de los sensores artificiales y su progresiva expansión permitió poner en contacto a los aparatos electrónicos con el mundo exterior, dotando de "sentidos" a la tecnología. Por lo tanto, podemos definir un biosensor como un dispositivo bioquímico-electrónico que permite identificar, transformar y cuantificar un evento biológico. Está compuesto por la combinación de un bioreceptor, componente biológico y un transductor, método de detección.

En la Fig. 1 se muestra el principio de operación de un biosensor el cual, comenzando desde el analito, puede proveer toda la información necesaria para su evaluación. Esta información puede ser procesada y almacenada.

El biosensor está en contacto directo con la muestra a través del bioreceptor, que le confiere la selectividad a través de un sitio selectivo que identifica al analito y lo transforma de alguna manera. Generalmente el bioreceptor es una enzima inmovilizada que transforma el analito en un producto que es detectable por el transductor.

Estos cambios que se producen al identificar al analito pueden ser: variaciones de temperatura, de masa, constante dieléctrica, potencial de media celda, de conductividad iónica, de turbidez de la muestra, entre otros. Por lo tanto, dependiendo de esta modificación bioquímica que se produzca se escoge el transductor.

El transductor debe dar una señal óptima, sensible, fácil de monitorear y con el mínimo de ruido. El transductor puede ser electroquímico, termométrico, fotométrico o piezoeléctrico y de acuerdo al tipo de bioreceptor con el que se combina pueden formarse múltiples tipos de biosensores.

Como era de esperar, la tecnología ha llegado aún más lejos en algunos casos que nuestro sistema sensorial. Los sensores se han convertido en "sentidos ultraperfeccionados" que llegan a lugares a los que nosotros no tenemos acceso, captan imágenes y movimientos con una resolución inimaginable para el ojo humano, y detectan estímulos que nosotros no percibimos, como las ondas electromagnéticas o los ultrasonidos. La información que aportan ha cobrado un valor extraordinario en todos los ámbitos de la actividad humana, desde la Alimentación y la Medicina hasta la Seguridad Nuclear o la búsqueda de vida en otros planetas.

Fig. 1. Etapas en la determinación con un biosensor

I. EL BIORECEPTOR

El bioreceptor es crucial pues produce el efecto físico-químico que será detectado por el transductor. Esto involucra procesos como biocatálisis, acoplamientos inmunológicos o quimiorecepción.

1. Tipos de bioreceptores

Los bioreceptores más empleados son:

■ Catalizadores biológicos (enzimas). Las enzimas pueden ser extraídas de una o más fuentes biológicas (in situ) para aplicaciones específicas y pueden usarse solas o con sus cofactores. Las enzimas que se consiguen comercialmente presentan las siguientes ventajas: se reproducen por lotes, tiempo de vida y características conocidas, disponibilidad inmediata. Las desventajas de las enzimas purificadas son que no son siempre estables y necesitan la presencia de sus cofactores para operar en forma apropiada. En algunos casos se necesitan cadenas enzimáticas para realizar las transformaciones, lo que debe asegurarse la operación óptima del biosensor en forma global.

■ Microorganismos. Son entidades estructurales que poseen todas las enzimas necesarias y sus cofactores en un ambiente optimizado por la naturaleza. Pueden reproducir y compensar pérdidas en la actividad enzimática con el tiempo.

■ Tejidos y organelas. El tejido tiene la ventaja de la cohesión, y tiene una estructura que es lo suficientemente robusta para adherirse a un transductor sin necesidad de recurrir a técnicas de inmovilización de proteínas. Pueden usarse:

■ Tejidos de animales y vegetales: estos tejidos son fuentes naturales de material enzimático por lo cual pueden construirse biosensores muy estables.

■ Organelas: se pueden encontrar biocatalizadores en lisosomas, cloroplastos, mitocondrias y microsomas.

■ Inmunorreceptores. Debido a la reacción antígeno-anticuerpo se produce una débil variación del potencial que puede detectarse, pero deben utilizarse distintos procesos para mejorar la respuesta del transductor.

■ Quimiorreceptores. Se emplean los receptores celulares específicos de membranas celulares que se excitan químicamente para producir cambios conformacionales. Ej: neurorreceptores para detectar drogas y toxinas.

2. Inmovilización de los bioreceptores

Un paso crucial en la construcción de un biosensor es inmovilizar las proteínas de interés (Ej: enzimas). Esto asegura máximo contacto con la muestra, y estabilización de la proteína para poder emplearla en forma repetida.

2.1. Inmovilización de enzimas

En la Fig. 2 se muestran distintos tipos de técnicas de inmovilización de enzimas.

Atrapamiento físico

Las enzimas tienen alto peso molecular y gran tamaño, lo suficiente como para atraparlas en geles de poliacrilamida o membranas de diálisis. El primer electrodo de enzima fue construido por Updike y Hicks atrapando glucosa oxidasa en una capa de gel de poliacrilamida, que a su vez se adhería a un electrodo de oxígeno.

El atrapamiento físico no se usa generalmente porque la presencia de enzimas en una solución no permite una actividad enzimática a largo plazo.

Covalent binding Cross-linking

Adsorption Adsorption-cross-linking

Fig. 2. Técnicas de inmovilización de enzimas.

Inmovilización por enlace cruzado (cross-linking)

Este proceso usa un agente bi o multifuncional para formar un puente entre distintas especies biocatalíticas o proteínas. Esto resulta en un incremento considerable del peso molecular, y los compuestos que se forman son insolubles.

Es posible enlazar moléculas de una misma enzima, o coreticular dos o más proteínas diferentes (enzima con enzima, enzima con proteína, etc). Un agente utilizado en cross-linking es el glutaraldehído. Este agente bifuncional tiene dos grupos aldehídos en sus extremidades que reaccionan con el grupo amina de una enzima o proteína.

Los métodos de cross-linking son: método de inmersión (para inmovilizar ureasa), método de enlace directo, uso de aerosoles, uso de membranas y, membranas prefuncionalizadas.

Inmovilización electromagnética

Si una enzima puede incorporarse en un soporte magnético, entonces puede usarse un campo electromagnético para inmovilizarla. La ventaja de este método es que los componentes biocatalíticos pueden ser cambiados tan frecuentemente como se desee. La enzima puede despegarse deteniendo la corriente en el solenoide. La dificultad es la fijación de la enzima a las partículas magnéticas. La interacción bioespecífica usada es frágil e irreversible, y la enzima puede ser despegada bajo ciertas condiciones de pH.

Inmovilización multienzimática

La naturaleza proteínica de las enzimas significa que contienen un gran número de grupos reactivos que pueden ser simultáneamente inmovilizados, lo que permite que el sustrato pueda ser reciclado, aumentando la sensibilidad de la respuesta del electrodo.

El uso de mediadores para reducir el potencial aplicado en los electrodos amperométricos, y la interferencia, algunas veces requiere inmovilización multienzimática.

La inmovilización multienzimática necesita la catálisis de reacciones de descomposición sucesivas que requieren muchas enzimas diferentes, pero eventualmente los productos pueden ser detectados por un electrodo.

Inmovilización de cofactores

Un cofactor (o coenzima) puede ser inmovilizado en un soporte insoluble al mismo tiempo que una enzima, gracias a que forman una unidad indisociable con la apoenzima. Además, el cofactor puede permanecer lo suficientemente móvil después de su inmovilización para pasar de un sitio activo de una apoenzima al sitio activo de otra para su regeneración.

La inmovilización física de los cofactores es imposible debido a su tamaño tan reducido y por lo tanto debe ser unido covalentemente ya sea a una enzima o un soporte insoluble.

A veces la regeneración de un cofactor no requiere otra enzima sino simplemente otro sustrato. El cofactor es inmovilizado en un sitio activo de una enzima para obtener la reacción enzimática con el primer sustrato, y luego el cofactor es regenerado por un segundo sustrato.

Inmovilización de mediadores

Los mediadores se usan para regenerar los cofactores involucrados en las reacciones redox catalizadas por enzimas. La movilidad de un cofactor se reduce si la enzima no está en solución y se requiere un mediador para transportar electrones entre el electrodo y el cofactor. Pueden usarse ferrocenos y sales orgánicas conductoras. Los mediadores se inmovilizan usando redes poliméricas inertes o electroactivas.

Sensores miniatura

Se utilizan en microsensores implantables para análisis clínicos in vivo. Pueden ser sensores potenciométricos o amperométricos.

2.2. Inmovilización de microorganismos

Como los microorganismos son de mayor tamaño que las enzimas pueden ser inmovilizados por atrapamiento físico. Pueden atraparse en geles agar o de poliacrilamida, o en membranas de diálisis o filtración. También se pueden inmovilizar células enteras en suspensiones de colágeno tratadas con glutaraldeido.

2.3. Inmovilización de inmunoagentes

Existen dos tipos de inmunosensores: aquellos que en forma directa explotan una variación de un parámetro como resultado de un acoplamiento inmunológico y aquellos que recurren a una enzima para liberar un producto, o consumir un co-sustrato, que es detectable por un transductor. El primer paso en ambos casos es fijar un antígeno, un anticuerpo, o un compuesto que tenga bioafinidad con el analito, sobre el transductor.

Inmovilización de anticuerpos

El objetivo de inmovilizar un anticuerpo en un transductor es detectar el antígeno correspondiente. Los anticuerpos tienen estructuras proteínicas y pueden ser inmovilizados de la misma forma que las enzimas, en forma directa (enlaces covalentes) o usando membranas.

Inmovilización de antígenos

Los antígenos no siempre poseen estructuras proteínicas como para inmovilizarlos en la misma forma que los anticuerpos o las enzimas, y por lo tanto se los une a portadores iónicos.

Inmovilización de los compuestos con bioafinidad

Los compuestos con bioafinidad pueden usarse para preparar proteínas complejas por procesos similares al acoplamiento inmunológico. Los compuestos se inmovilizan usando membranas obtenidas por copolimerización de 1,8-diamino-4-amino-metiloctano con triacetato de celulosa. Las membranas se sumergen en una solución que contiene ovalbúmina y luego HABA (ácido benzoico 2[(4-hidroxifenil)azo]), el compuesto con bioafinidad, se une con carbodiimida.

2.4. Inmovilización de tejidos y organelas

Se corta un trozo de tejido animal o vegetal que se inserta entre dos membranas semipermeables que luego se adjuntan al transductor. El transductor generalmente es un electrodo de pO2, pCO2, o pNH3 los cuales tienen su propia membrana hidrofóbica permeable a un gas. Los tejidos animales pueden ser de hígado de conejo o bovinos, músculo o mucosa intestinal de conejo. Los componentes celulares también se usan, por ejemplo mitocondrias. Estas organelas hacen más selectivo al biosensor porque contienen enzimas más específicas. Los tejidos vegetales se inmovilizan usando retención mecánica.

Estos biosensores tienen un tiempo de respuesta mayor que los sensores de enzima correspondientes. Para obtener respuestas más rápidas se incorpora el tejido en pastas de carbón para facilitar el contacto entre el sitio biocatalítico y el componente sensible.

2.5. Inmovilización de quimiorreceptores

Los quimiorreceptores se adhieren en su estado natural a un electrodo potenciométrico para crear sensores llamados “receptrodes”. De esta forma pueden crearse neurorreceptores para medir toxinas y otros agentes químicos. Por ejemplo, el uso de receptores de acetilcolina permite la determinación de acetilcolina a través de la detección de una impedancia específica comparada con otros neurotransmisores.

II. TRANSDUCTORES EMPLEADOS EN BIOSENSORES

El transductor provee la evidencia de que ha ocurrido una reacción en el bioreceptor. La elección del transductor depende del tipo de reacción, y las sustancias liberadas o consumidas. Generalmente, la elección apropiada del transductor es el modelo comercial que existe para el método de detección requerido. Hay un gran número de electrodos disponibles para detección electroquímica, por ejemplo, electrodos sensibles a pH, a aniones o cationes, y a gases (pO2, pCO2, pNH3). El componente sensible puede comprarse independientemente y luego adherirlo al biosensor.

La elección del transductor también depende la aplicación deseada del biosensor. Si va a ser usado en ambientes biológicos, debe satisfacer criterios de biocompatibilidad, especialmente con respecto a la deposición de proteínas, lípidos o células sobre su superficie. Si va a ser utilizado in vivo, debe ser de tamaño reducido, y con forma adecuada para no dañar excesivamente los tejidos. Además deben tenerse en cuenta las características tóxicas, metálicas, o componentes poliméricos cuando se va a implantar por largo tiempo.

La interferencia química puede afectar la transducción, por lo que también debe tenerse en cuenta en el momento de la elección del transductor.

El transductor debe aprovechar óptimamente las modificaciones fisicoquímicas que resulten de las reacciones biológicas. Por ejemplo, si una reacción provoca una variación de la entalpía, se produce un incremento muy débil de la temperatura y por lo tanto un termistor es un transductor térmico más adecuado que una termocupla.

El mismo transductor puede usarse en modos de operación diferentes, que se eligen de acuerdo al objetivo deseado. Por ejemplo, una fibra óptica puede usarse como un transductor extrínseco, con un componente biorreactivo inmovilizado en su punta, o como un transductor intrínseco explotando la interacción entre las inmunoproteínas de su superficie y las ondas evanescentes de la superficie.

Los transductores pueden ser:

■ Electroquímicos

■ Potenciométricos

■ Amperométricos

■ Semiconductores

■ Termométricos

■ Piezoeléctricos

■ Fotométricos

1. Transductores electroquímicos

1.1. Potenciométricos

1.2. Amperométricos

1.3. Semiconductores

2. Transductores termométricos

Un sensor enzimático térmico, o entalpimétrico, mide la concentración de un sustrato usando la variación de entalpia de una reacción enzimática. Existen distintos métodos para medir temperatura (ópticos, mecánicos, eléctricos) pero los eléctricos son los más usados para la construcción de biosensores térmicos debido a que la señal eléctrica puede obtenerse directamente de la variación de la temperatura.

Pueden usarse termistores o termocuplas para la medición de temperatura. Las termocuplas simples no son lo suficientemente sensibles para detectar las variaciones de entalpía de las reacciones enzimáticas.

Los termistores y termopilas sí pueden detectar pequeñas variaciones de temperatura. Los termistores son mezclas de óxidos metálicos con semiconductores cristalinos. La alta resistividad de estos materiales les confiere una rápida respuesta temporal gracias a su pequeño tamaño y capacidad calorífica reducida. La resistencia de un termistor es función de la temperatura, lo cual se ocupa como principio para la transducción. Las termopilas se construyen alternando uniones termoeléctricas y se usan para construir biosensores. Generan señales pasivas lo que las hace particularmente aptas para mediciones en soluciones fluidas.

Se emplean dos termistores, uno de los cuales está a una temperatura de referencia. La enzima inmovilizada se coloca directamente sobre el termistor de trabajo (Fig. 3). La enzima transforma el sustrato y libera o consume calorías que pueden medirse in situ por los termistores (o termocupla).

En una determinación se colocan dos termistores, uno mide las variaciones de la temperatura del medio, y el otro las variaciones de temperatura por la reacción enzimática más las del medio. La diferencia de las dos temperatura es la variación por la actividad enzimática.

Fig. 3. Esquema de un transductor termométrico.

 

3. Transductores piezoeléctricos

Las mediciones piezoeléctricas usan la aparición de una polarización eléctrica, o una variación en la polarización existente, en materiales anisotrópicos dieléctricos, por ejemplo cuarzo, cuando se aplica una fuerza en la dirección apropiada. Este efecto piezoeléctrico es reversible.

Un sensor piezoeléctrico mide la masa depositada en la superficie de un cristal piezoeléctrico, detectando la variación en la frecuencia de resonancia característica (FRC) del cristal. Intuitivamente, al aumentar el peso del cristal su FRC disminuye, esto es análogo a las cuerdas de una guitarra, que cuanto más gruesa es, resuena a una menor frecuencia.

Un sensor piezoeléctrico consiste en un cristal de cuarzo, electrodos metálicos y el receptor que brinda la selectividad. En la Fig. 4 se presenta un esquema de un sensor piezoeléctrico.

La frecuencia de resonancia disminuye con el aumento de masa:

dF = -2.3.10 6.F2. —

A

donde F es la frecuencia fundamental, dF es la variación de frecuencia, dM es la masa adsorbida y A es el área de la superficie cubierta por el receptor. Una frecuencia típica de trabajo es 10 MHz. Con este método se pueden detectar 10-12 gramos.

Cristal de cuarzo Electrodo (oro, plata, aluminio)

Receptor (metal, sal, enzima o agente inmunológico)

Fig. 4. Esquema de un sensor piezoeléctrico.

Aplicaciones

■ Empleando enzimas

Detección y cuantificación de organofosfatos: se emplea la enzima colinesterasa, la cual forma compuestos con los derivados organofosfatados, permitiendo su detección en fase gaseosa. El aumento de peso sobre el cristal se debe a los compuestos formados.

■ Empleando agentes inmunológicos Detección y cuantificación de bacterias:

■ La variación de masa se produce por el acoplamiento antígeno-anticuerpo.

■ Inmovilizando el anticuerpo anti-Candida para la bacteria Candida albicans, se pueden medir concentraciones entre 106 y 5.108 bact/ml.

Cuantificación de Digoxina

■ Se inmoviliza anti-Digoxina sobre el cristal de cuarzo.

■ Se coloca el sensor en el ambiente con el antígeno.

■ Se deja secar el sensor con el complejo antígeno-anticuerpo.

■ Se mide frecuencia en fase gaseosa. 

■ Se obtiene una relación lineal entre concentración de Digoxina y frecuencia entre 100 y 800 ng/ml.

4. Transductores fotométricos

Se basan en la medición de la variación de las propiedades ópticas de un medio o un receptor inmovilizado. La luz puede atravesar, reflejarse o emitirse del material analizado.

Las fibras ópticas pueden usarse para construir biosensores. La luz entre una muestra y una fuente o detector se transporta a lo largo del interior de las fibras siguiendo los principios de reflexión total. La luz se propaga a lo largo de la fibra en diferentes modos, de acuerdo a un ángulo de incidencia dado.

La reflexión total en una fibra nunca es perfecta y por lo tanto algo de radiación electromagnética penetra la cubierta de la fibra. Esto se llama ondas evanescentes, y pueden usarse para detectar variaciones de las propiedades ópticas de películas químicas y biológicas que se colocan alrededor de la fibra.

Comúnmente el material (reactivo) que cambia sus propiedades ópticas (absorción, fluorescencia, y luminiscencia) es inmovilizado en la punta o alrededor de una fibra óptica.

Absorción de luz

El detector mide la reducción de la intensidad de la luz de la fuente. Esta reducción es causada por un producto absorbente que proviene de la reacción entre la sustancia inmovilizada y el analito. Generalmente se utilizan ondas de longitud de onda monocromática, y los rayos, incidente y emitido, tienen la misma longitud de onda.

Como se muestra en la Fig. 5, se basan en el recubrimiento de la punta de una fibra óptica con un indicador coloreado incorporado a una matriz polimérica. Se emplean en medidores de pH.

Fluorescencia

La longitud de onda de la emisión fluorescente es diferente de la longitud de onda de la onda de excitación, y una sola fibra es suficiente para transportar la radiación de excitación y emisión. También se usa una sola fibra para medir fluorescencia, que ocurre cuando un compuesto absorbe en la misma región espectral que la emisión presente.

Es muy sensible y detecta muy bajas concentraciones. Se emplean indicadores fluorescentes inmovilizados en la punta de una fibra. Un cambio de pH provoca un cambio en la fluorescencia del indicador. Se emplea luz láser para iluminar la punta.

Bio o Quimioluminiscencia

La Bioluminiscencia está asociada a la emisión de luz de organismos vivos como las luciérnagas. Básicamente, una reacción es catalizada por la luciferasa y libera un compuesto en su estado excitado, que emite luz cuando vuelve al estado de reposo. Se emplea para cuantificar ATP o procesos que usen ATP como cofactor.

La Quimioluminiscencia proviene de reacciones químicas, en las que ocurre una oxidación que involucra oxígeno molecular, o peróxido de hidrógeno (H2O2). Estos sensores sirven para medir H2O2 .

III. TIPOS DE BIOSENSORES

Los biosensores pueden clasificarse de acuerdo al tipo de bioreceptor o del transductor usado. En este caso están clasificados por tipo de bioreceptor porque este componente es quien determina la acción primaria del biosensor.

1. Biosensores de enzima

Un biosensor de enzima es la combinación de un transductor y una capa delgada enzimática, que se usa normalmente para medir concentración de un sustrato. La reacción enzimática transforma el sustrato en un producto de reacción que el transductor puede detectar. La concentración de una sustancia se mide según cómo afecte su presencia a la velocidad de reacción enzimática.

Principios de operación

En la Fig. 6 se presenta un biosensor de enzima. La superficie sensible del transductor está en contacto con una capa enzimática, y se asume que no hay transferencia de masa a través de esta interfase. La superficie externa de la capa enzimática está inmersa en una solución que contiene el sustrato bajo estudio. El sustrato migra hacia el interior de la capa y se convierte en productos de reacción cuando reacciona con la enzima inmovilizada. Para alcanzar un rápido equilibrio de concentración la membrana enzimática debe ser tan delgada como sea posible. La solución debe agitarse para asegurar un suministro constante de sustrato. En resumen, los diferentes pasos son:

1. Transporte del sustrato desde el seno de la solución hacia la capa enzimática.

2. Difusión del sustrato en esta capa, acompañado por la transformación enzimática del sustrato en productos de reacción.

3. Migración del producto hacia el transductor.

4. Conversión de la concentración del producto en esta superficie en una señal eléctrica por el transductor.

Fig. 6. Representación esquemática de la difusión de un sustrato S y su producto P en una capa enzimática sobre un transductor.

Los biosensores basados en enzimas pueden formarse usando principios de transducción electroquímicos, ópticos, térmicos o gravimétricos. Los basados en principios electroquímicos se denominan electrodos de enzima y miden la formación de un producto o el consumo de un sustrato, si el producto o sustrato es electroactivo. 

El principio amperométrico se ha usado extensamente en electrodos de enzima en los cuales se mide el consumo de oxígeno o la formación de peróxido de hidrógeno con un electrodo polarográfico. Por ejemplo, la glucosa se oxida por la reacción enzimática de la glucosa oxidasa (GOD) según:

Glu cos a + O2 —GOD > Gluconolactato + H2 O2

Tanto el O2 como sustrato y H2O2 como producto pueden ser detectados. El electrodo de glucosa consiste de un electrodo polarográfico con una capa de GOD inmovilizada cubierta por una membrana permeable a glucosa, como se muestra en la Fig. 7. La concentración de glucosa se mide por el cambio de la corriente del electrodo de oxígeno o del electrodo de peróxido. Cuando se emplea medición de oxígeno, se necesita la operación diferencial de dos electrodos de oxígeno, con o sin GOD, en cambio la producción de peróxido de hidrógeno puede medirse con un solo electrodo por lo cual, se utiliza esta técnica más frecuentemente.

^ Electrode body Platinum anode

Siíver cathode \\ Permsélective iay&f

\ ¡mmobiüzed enzyma ¡ayer Outer m embruñe

Fig. 7. Ejemplo de un electrodo de glucosa polarográfico.

Los electrodos de enzima también se forman por electrodos ión selectivo (ISE) y transistores de efecto de campo de ión selectivo (ISFET), ambos basados en el principio potenciométrico. A estos sensores se los denomina ENFET (Fig. 8). Consisten en un ISE o ISFET cubiertos por una capa de enzima inmovilizada y una membrana protectora. En los electrodos de enzima potenciométricos, se mide el producto de las reacciones enzimáticas. Por ejemplo, la hidrolización de urea es catalizada por la ureasa,

-*2 NH 4+ + HCO3-

y luego NH3 se forma como:

-+NH 3 + H 2O

Según estas reacciones la urea puede medirse a través de un electrodo de NH3. También hay otros electrodos potenciométricos para medir aminoácidos, penicilina, etc.

Fig. 8. Esquema de un ENFET. Las enzimas se inmovilizan en 2.

 

 

El principio termométrico también se utiliza para mediciones en algunos electrodos de enzima debido a que las reacciones enzimáticas siempre producen calor en un rango de 20 a 100 kJ mol-4. La cantidad de sustancia puede estimarse del calor producido. Inyectando una muestra estabilizada a una temperatura en una pequeña columna con enzimas inmovilizadas con una velocidad de flujo constante, puede medirse el calor producido como la diferencia entre las terminales de entrada y salida de la columna. Las sustancias típicas que se analizan por principios termométricos son etanol, glucosa, lactato, ácido oxálico, penicilina, sucrosa, y urea. Un termistor recubierto con una enzima inmovilizada puede ser un biosensor simple y se llama termistor unido a enzima.

La mayoría de los biosensores usados en medicina son biosensores de enzima debido a su especificidad, fácil implementación, y por la disponibilidad comercial de enzimas y su correspondiente transductor. El uso in vivo requiere la resolución de problemas de biocompatibilidad, especialmente aquellos referidos al depósito de fibrina y plaquetas en la membrana enzimática.

Entre las aplicaciones se encuentra el sensor de GOD para determinar glucosa en sangre y orina para el diagnóstico de diabetes. Otros biosensores también son capaces de medir metabolitos en un medio biológico. Los electrodos de urea y creatinina pueden controlar funciones renales; el electrodo de colesterol se usa para la detección y prevención de arteriosclerosis; el electrodo de acetilcolina puede monitorear los neurotransmisores relacionados a la transmisión química en la sinapsis; y el electrodo de lactato puede evaluar esfuerzo muscular. También hay enzimas con actividad antitumoral, cicatrizante y con otras acciones terapéuticas. Por ejemplo, la L-asparaginasa se utiliza en el tratamiento de leucemias y cánceres diseminados que requieren asparragina para desarrollarse. Se ha diseñado un hemodializador de fibra hueca que contiene asparaginasa inmovilizada. La tripsina o la colagenasa se utilizan para eliminar los tejidos muertos de heridas, quemaduras, úlceras, etc.; para acelerar el crecimiento de nuevos tejidos e injertos de piel, y también para inhibir el crecimiento de algunos microorganismos contaminantes. Este tipo de enzimas se pueden inmovilizar en celulosas o fibras que formarán parte del tejido de apósitos y vendas.

2. Inmunosensores

Los sensores inmunológicos o biosensores reconocen el acoplamiento entre un antígeno y un anticuerpo. El antígeno (Ag) y el anticuerpo (Ab) forman un complejo antígeno-anticuerpo (AgAb),

Ab + Ag O AgAb

donde puede definirse una constante K porque la reacción es constante y reversible en el equilibrio. K es la constante de afinidad,

K _ [ AA ]

[ A ][ Ag ]

Cuando se introduce Ag y Ab se mantiene constante, la cantidad de Ag introducida se determina por el incremento de AgAb. Si el anticuerpo Ab se inmoviliza y fija en la superficie del sensor, como se muestra en la Fig. 9, la formación de AgAb causará un cambio en potencial de electrodo [3], o de la masa o de las propiedades ópticas, que pueden ser detectados directamente con una variedad de transductores [2].

La detección potenciométrica de la reacción antígeno-anticuerpo se demostró en un estudio en el cual se inmovilizó gonadotropina coriónica humana (hCG), o un anticuerpo contra hCG, en un alambre de titanio, y se observaron los cambios de potencial cuando se agregó el anticuerpo o antígeno correspondiente. Para detectar este cambio se utilizan transistores de efecto de campo ión selectivo llamados IMFET.

Pueden formarse inmunosensores altamente sensibles utilizando reacciones enzimáticas, en los cuales se fija una cantidad de antígeno marcado con una enzima. Como se muestra en la Fig. 9, antígenos marcados o no, se unen con anticuerpos inmovilizados. Después de remover los antígenos libre, la actividad enzimática se mide introduciendo un sustrato y detectando el cambio del producto a través de alguna técnica adecuada.

Los inmunosensores tienen un gran potencial en medicina debido a la especificidad de las reacciones inmunológicas. Estos biosensores se usan para medir drogas como theophylline (alcaloide que se extrae del te), y para determinar la hormona HCG para el diagnóstico de embarazo, alfa- fetoproteína para la identificación de cáncer, y el antígeno de superficie de hepatitis B. 

Estos biosensores no pueden usarse in vivo porque la amplificación enzimática involucrada requiere la adición de un sustrato para la operación del sensor. Además, la formación del complejo anticuerpo-antígeno es lenta y requiere un gran número de pasos.

La definición de inmunosensores corresponde a un biosensor ideal. Sin embargo, en la práctica la mayor parte de los dispositivos no cumplen alguno de los requisitos. Por ejemplo, gran parte de los inmunosensores desarrollados no dan una respuesta directa ante la presencia del analito; precisan de una señal secundaria producida por un marcador radiactivo, una enzima, un compuesto fluorescente o electroactivo, etcétera. Son los denominados inmunosensores

indirectos. Por otro lado, gran número de inmunosensores no trabajan en condiciones de total reversibilidad, son difíciles de miniaturizar o no presentan la configuración electrónica adecuada para ser utilizados in-situ masivamente.

Los distintos inmunosensores pueden ser clasificados en función de la naturaleza física del transductor. De este modo existen inmunosensores electroquímicos, ópticos, piezoeléctricos, termométricos o magnéticos. Los tres primeros son los más desarrollados. 

3. Biosensores microbianos

Los sensores microbianos surgen de la combinación de un microorganismo con un transductor capaz de detectar el metabolito involucrado. Los microorganismos poseen sistemas enzimáticos que son los que dan la selectividad. Los microorganismos se inmovilizan generalmente en geles o usando membranas de diálisis. Los electrodos potenciométricos y amperométricos son útiles porque tienen una membrana hidrofóbica en la cual se insertan los microorganismos (entre esta membrana y la membrana de diálisis).

Las ventajas que presentan frente a los electrodos de enzimas aisladas son:

- Los sensores microbianos son menos sensibles a inhibirse por solutos y más tolerantes en ambientes de pH subóptimo.

- Tienen mayor tiempo de vida que los electrodos de enzimas.

- Más baratos (porque la enzima no necesita aislarse).

- Mantienen las enzimas en su ambiente natural evitando los problemas de regeneración de cofactores.

Por otro lado la construcción de estos biosensores presenta algunos problemas:

- Son inapropiados para mediciones in vivo y, en ambientes biológicos complejos.

- El gran número de enzimas presente en los microorganismos puede hacer bastante difícil las interpretaciones analíticas.

- El crecimiento microbacterial incrementa el tiempo de respuesta del sensor porque varía con el espesor de la capa activa y el coeficiente de difusión del sustrato, el cual cambia durante la operación del biosensor.

Estos biosensores pueden clasificarse como biosensores de medición de respiración o de metabolitos. Como se muestra en la Fig. 10 (a) los sensores de medición de respiración consisten de microorganismos aeróbicos inmovilizados y un electrodo de oxígeno. Cuando un sustrato, que puede ser metabolizado por el microorganismo, se encuentra en una solución saturada de oxígeno, ocurre una reacción metabólica por el consumo de oxígeno disuelto, entonces puede medirse el sustrato por la disminución de la tensión de oxígeno. A través de estos biosensores

pueden medirse muchas sustancias como glucosa, azúcares, ácido acético, amonio, y alcoholes. También puede medirse la demanda bioquímica de oxígeno (BOD).

En la Fig. 10 (b) se muestra un sensor microbiano de medición de metabolitos. Consiste de microorganismos inmovilizados y un sensor que detecta el metabolito producido por la reacción catalizada por ese microorganismo. Usando distintos tipos de sensores de gases e iones, pueden medirse muchas sustancias detectando los diferentes metabolitos. Por ejemplo, el electrodo de celda utilizado para detectar H2 para medir ácido fórmico, el electrodo de CO2 para ácido glutámico y lisina, y el electrodo de pH para céfalosporina y ácido nicotínico.

Algunas bacterias exhiben luminiscencia. Si se inmovilizan estas bacterias y se combinan con un fotodetector, se pueden medir sustancias que afecten la bioluminiscencia detectando el cambio en la luminiscencia con un sensor llamado biosensor fotomicrobiano. Algunas sustancias como la glucosa incrementan la luminiscencia, mientras que otras como el cromo, el mercurio, etc.

Existen los sensores híbridos que son la combinación de un biosensor microbiano y una membrana con enzimas inmovilizadas. Por ejemplo, el biosensor de urea se forma combinando un membrana de ureasa y un sensor microbiano de NH3 usando bacterias que causan nitración. Este sensor es superior al potenciométrico de amonio en el sentido de que la interferencia iónica o compuestos volátiles como aminas es menos común.

También se han propuesto sensores para detectar cambios químicos mutagénicos. Como la mutagenecidad se correlaciona con la carcinogenicidad, se espera usar este tipo de biosensores para monitorear carcinógenos.

ESTUDIO DE LOS SENSORES TACTILES ARTIFICIALES APLICADOS A LA ROBÓTICA DE AGARRE

Resumen

En este Artículo se muestra un estudio comparativo del sistema sensorial humano y de su aplicación a un sistema de agarre robot, mediante las diferentes tipos de sensores artificiales y su

respuesta a diversos estímulos externos. Se muestra una solución a partir de superficies táctiles artificiales, formadas por sensores piezorresistivos.

1 INTRODUCCIÓN

Desde hace tiempo, muchas han sido las soluciones planteadas para dotar a los sistemas robot de capacidad para medir sensaciones de presión, fuerza, vibración, deslizamiento, posición, etc, siendo ésta una asignatura todavía pendiente. Un dispositivo sensor que permita medir todos estos efectos de una forma eficaz, será aquél que emule, en mayor medida, el comportamiento del sistema receptor táctil humano.

El sistema humano, dispone de una serie de mecanismos nerviosos que se encargan de recoger la información sensorial generada en los diferentes receptores del cuerpo. Estos mecanismos denominados sentidos somáticos, son capaces de detectar y estimar, entre otras, las sensaciones táctiles y de posición en el tejido corporal.

Este artículo analiza los tipos de receptores táctiles presentes en el cuerpo humano, sus propiedades y su respuesta frente a diferentes tipos de estímulo.

Esto permite establecer una comparación con los sensores de fuerza empleados en determinados campos de la robótica de agarre y manipulación, avanzando hacia diseños de sensores integrados artificiales que emulen el comportamiento del sistema sensorial humano.

2 FISIOLOGÍA DE LOS SENTIDOS

Cada parte del cuerpo humano, está representada internamente en el cerebro, proporcionalmente a su importancia en la percepción sensorial. Los sentidos somáticos del sistema humano, se pueden encuadrar en tres grandes grupos:

■ Sentidos Mecanorreceptores: Incluyen las sensaciones Táctiles (Tacto, Presión, Vibración) y de Posición: Estática, de Movimiento.

■ Sentidos Termorreceptores: Incluyen las sensaciones de Frío y Calor.

■ Sentidos del Dolor: Incluyen las sensaciones que dañen los tejidos del cuerpo.

En este artículo, se estudian los mecanorreceptores, por su inmediata aplicación al campo de la robótica de agarre. Estas tres sensaciones táctiles tienen su origen en tres tipos de estímulos diferentes:

Tacto: Se debe al estímulo de los receptores táctiles en la piel o tejido situado inmediatamente debajo de ella Presión: Es el resultado de la deformación de los tejidos más profundos.

Vibración: Se debe a estímulos que se repiten con rapidez. 

Gracias a este complejo sistema neuronal, se puede llegar a determinar de forma discriminada cualquier sensación somática. Algunas de las consecuencias de este efecto discriminatorio son:

■ Determinadas zonas de la piel son más sensibles que otras.

■ Es posible localizar un estímulo táctil en una determinada zona de la piel.

■ El sistema receptor humano es más sensible a las bajas frecuencias de un estímulo vibratorio.

■ La sensibilidad al tacto es la capacidad para discriminar dos puntos próximos. Goodwin, en

[6] , presenta unos resultados experimentales que establecen una resolución de 1,2 a 2,4 mm. entre los centros de las celdas sensitivas más elementales de la piel.

■ Es posible diferenciar curvaturas de objetos en función del tacto. En [9], H. Liu concluye en que el sistema humano es capaz de discriminar, p.e., dos esferas cuyos radios de curvatura se diferencien en un 10%.

3 CARACTERIZACIÓN DE LAS SENSACIONES TÁCTILES

La capacidad del sistema humano para la recepción de las diferentes sensaciones táctiles, se debe a la existencia de unos 17.000 mecanorreceptores, clasificados en hasta 6 grupos de receptores táctiles, dependiendo del tipo de piel considerado. Esta clasificación se realiza en función de su ubicación en los distintos tejidos de la piel y los diferentes corpúsculos sensitivos que lo componen. Muchos estudios han caracterizado estos grupos de receptores táctiles y su comportamiento biológico.

En [9] se describen estos grupos, para su aplicación a la robótica de agarre, utilizando sensores artificiales en los dedos de una mano robot.

Existe una diferencia entre la respuesta al estímulo en zonas de piel glabra -sin vello- (recepción activa) y las zonas con vello (recepción pasiva). La piel glabra, es el órgano que realiza la exploración táctil en el sistema humano. La piel con vello tiene una respuesta más pasiva a la recepción.

En este artículo, se analizan las propiedades de la recepción en piel glabra, por su inmediata aplicación a la robótica. La Figura 1, muestra una los mecanorreceptores en piel glabra.

Los receptores de Meissner junto con los de Merkel, realizan una función muy importante de localización de tacto en zonas superficiales de algunas partes del cuerpo, así como la textura. Existen receptores de Adaptación Lenta que tienen una respuesta continua a un estímulo persistente.

Los de Adaptación Rápida responden al impulso de inicio y de terminación del estímulo (30 a 70 m/s excepto las terminaciones nerviosas, con rango de 5 a 30 m/s).

Meissner Merkel

Paccini

Órgano Terminal Pelo

Terminacione s Nerviosas

Todos estos corpúsculos receptivos pueden encontrase fácilmente referenciados en diferentes artículos con las siglas FA ó RA (Fast-adapting) y SA (Slow-adapting) de la siguiente forma: FAI: Meissner; FAII: Paccini; SAI: Merkel; SAII: Ruffini. El índice ‘I’ hace referencia a estímulos de zonas muy bien definidas y ‘II’ a zonas con fronteras difíciles de delimitar. V.G.Macefield, muestra en [10] diferentes comportamientos de señales de tacto para cada uno de estos mecanorreceptores

4 RECEPTORES TÁCTILES ARTIFICIALES

El estudio fisiológico del comportamiento de los mecanorreceptores del sistema humano, ha permitido identificar y separar las diferentes sensaciones y su respuesta al los estímulos externos. En el campo de la robótica muchas son las aplicaciones que precisan de un sistema sensorial integrado en diferentes partes del conjunto de un robot: agarre grueso, ensamblaje, agarre localizado, guiado entre obstáculos, etc.

Estos sistemas necesitan de una realimentación de los estímulos detectados. La tendencia ha sido la de compensar las deficiencias de medida en tiempo real de los sensores táctiles mediante el empleo de sistemas externos de visión. Esta solución, si bien en determinadas aplicaciones ha producido buenos resultados, implica un aumento de los sistemas electrónicos, y de control, que en muchos casos resulta inviable para la tarea que se quiere realizar.

En este artículo se pretenden establecer de una forma concreta las necesidades receptoras de los sistemas robot en tareas de agarre y manipulación 

mediante el uso de receptores táctiles artificiales integrados en la superficie del robot, partiendo del comportamiento biológico del sistema humano.

4.1 CLASIFICACIÓN.

Los sensores pueden ser clasificados en función de diferentes parámetros. Nicholls muestra en [11] una revisión de diferentes tecnologías de fabricación de transductores táctiles. Los parámetros que determinan los distintos comportamientos de los sensores pueden ser:

• Físico (piezoeléctrico, piezorresistivo...)

• Fenómeno que miden. (tacto, velocidad, fuerza, posición, temperatura, etc.)

En tareas de agarre robot, las sensaciones a medir son, fundamentalmente: Fuerza, Tacto, Contacto, Deslizamiento y Posición.

Según el comportamiento físico, los sensores táctiles artificiales se pueden clasificar en: Sensores

Piezoeléctricos, Capacitivos, Resistivos, Celdas de Carga, Galgas Extensiométricas, De Efecto Magnético, Acelerómetros, Biopotenciales, Sensores Basados en Análisis de Color, etc.

Tabla 1: Sensores Biológicos y Artificiales

Estímulo y Características Sensor

Biológico Sensor

Artificial

Fuerza: Medida de presión aplicada por una zona del dispositivo de agarre. Puede ser medida con algún dispositivo externo al robot. Terminac.

Nerviosas,

Merkel,

Ruffini,

Paccini Galgas,Piezo eléctricos,Cel das de Carga

Tacto: Medida continua de las fuerzas ejercidas en un array. Proporciona información muy difusa sobre el contacto. Terminac.

nerviosas,

Merkel,

Ruffini Resistivos,

Capacitivos

Contacto: Medida de simples contactos, debida a las fuerza ejercidas en pocos puntos de la superficie. Permite determinar la distribución de las fuerzas de contacto e identificar características del objeto. Meissner, Órgano terminal del pelo, Paccini Resistivos,

Capacitivos,

Magneto¬

resistor

Deslizamiento: Medida de la mínima fuerza que hay que ejercer para agarrar un objeto produciendo la suficiente fricción para detenerlo entre las superficies de contacto. Meissner, Órgano terminal del pelo Aceleróme-

tros,

Micrófonos,

Rodadores

Posición: Medida de la situación de los puntos más característicos del objeto en las superficies táctiles Meissner,

Merkel Resistivos,

Capacitivos,

Ópticos

En [11] se presenta un cuadro comparativo de las ventajas y desventajas de los principales métodos de transducción (Resistivos, Capacitivos, Piezoeléctricos, Magnéticos, Mecánicos y Óptcios).

La Tabla 1, muestra un resumen comparativo de posibles equivalencias entre los sensores biológicos expuestos anteriormente y los sensores artificiales para el conjunto de lo que se han denominado

“sensaciones táctiles”.

4.2 DESCRIPCIÓN TÉCNICA Y CARACTERÍSTICAS DE LOS SENSORES ARTIFICIALES

La necesidad de determinar, no sólo la fuerza, sino también las posición de contacto del objeto con la superficie del sensor, obliga a centrar el estudio en las características estáticas, dinámicas y de dimensionamiento de un Array de sensores, i.e, un dispositivo sensorial formado por un número, elevado de celdas de forma que los contactos de salida del mismo permitan obtener la posición de los contactos y sus intensidades de presión.

Los sensores, se puede definir en cuanto a sus características estáticas (describen la actuación del sensor en régimen permanente o con cambios lentos del estímulo) y dinámicas (en régimen transitorio):

Características estáticas:

■ Campo: Rango de valores de entrada.

■ Resolución: Es el cociente entre la longitud de una arista y el número de sensores en ella.

■ Precisión: Desviación máxima entre valor real y teórico.

■ Repetibilidad: Desviación máxima entre valores de salida al medir una misma entrada.

■ Alinealidad: Máxima desviación entre la respuesta real y la lineal.

■ Sensibilidad: Variación de salida por unidad de magnitud de entrada.

■ Ruido: Desviación de la salida por el efecto del ruido asociado al sensor.

■ Histéresis: Variación del crecimiento o disminución progresiva de la medida.

Características Dinámicas:

■ Velocidad de respuesta.

■ Respuesta frecuencial.

■ Estabilidad y derivas.

5 LOS SENSORES RESISTIVOS. CARACTERÍSTICAS DE ELECCIÓN

Debido a las aplicaciones en las que se pretende realizar una implementación de estos sensores de fuerza, se considerarán, únicamente, los sensores Piezorresistivos, por los motivos que se exponen en este apartado.

5.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS SENSORES RESISTIVOS

^ Bajo costo.

^ Diseño antropomórfico, adaptándose a cualquier diseño de dispositivos de agarre.

^ El diseño electrónico de adquisición para cada sensor es muy sencillo.

^ Rangos de medida variables desde 0 psi hasta 500 psi. (Nota: 15 psi=1Kg.)

^ Posibilidad de Combinación.

5.2 APLICACIONES A LA ROBÓTICA DE AGARRE CON SENSORES RESISTIVOS

Debido a las características de coste/unidad y de diseño a medida, los sensores de fuerza resistivos se utilizan en un elevado número de aplicaciones que requieren un control de fuerza, cuando el requisito de la precisión no es importante.

David Beebe [1] diseñó un sensor táctil con aplicaciones a la estimulación neuromuscular (FNS) basado en una estructura de un diafragma de silicona con implantaciones piezorresistivas. La fuerza aplicada se distribuye a través del diafragma mediante una semiesfera sólida, deformando el diafragma y produciendo un aumento del voltaje de salida proporcional a la fuerza aplicada.

Existe una tendencia a combinar diferentes tipos de sensores, formando así un sensor integrado de aplicación en tareas de precisión. Jockusch [8] emplea un sensor simple FSR para mediar la fuerza ejercida al que se le ha acoplado un sensor de tipo piezoeléctrico PVF para detectar el efecto del deslizamiento en aplicaciones de agarre con una mano robot (TUM, Munich).

Es posible dotar a un sensor resistivo de un tercer contacto a modo de potenciómetro, pudiendo determinar la posición de contacto con el objeto, en función de la la variación de la resistencia longitudinal a lo largo de un eje.

Jockusch [8] propone esta solución para medidas de posición en una sola dirección mientras que H. Liu

[9] calcula la posición en un array 2D aplicado a una mano robot de 3 dedos (DLR, Germany), utilizando 2 sensores FRS rectangulares, de tres contactos, combinados (XYZ pad sensor) de forma que ambos queden en posición perpendicular.

Dadas las condiciones de salida de ambos sensores, este modelo sólo es válido para objetos con puntos de contacto únicos. Además en [9] se puede encontrar un cuadro comparativo entre un XYZ pad y un array de 16 x 16 sensores y con las mismas dimensiones.

En ambos casos [8] y [9] , se han elegido estos sensores por los siguientes motivos: Capacidad de medir magnitudes de fuerza y aproximar el punto de contacto; de poco peso para no alterar el control de la mano; Razonable resolución espacial (1-2 mm);Baja histéresis; Buen rango de valores de entrada ; Linealidad en la respuesta; Bajo consumo de potencia; Modularidad.

Una característica de los sensores resistivos es su facilidad de configurarse en array de celdas simples uniformemente distribuidas.

Una implementación de array de sensores FSR, se puede encontrar en el estudio de Castro [3], formado por una matriz de 16x16 sensores FSR, con una resolución espacial de 1,54 mm y un área activa de 6,25 mm2, aplicado a tareas de agarre con una pinza robot sencilla.

La facilidad de adquisición de los arrays resistivos FSR permiten, si el número de sensores es elevado, procesar la información mediante algoritmos de procesamiento de imagen. Cutkosky [5] describe un microsensor táctil resistivo de fabricación propia, construido con una estructura de dióxido de Silicio con incrustaciones de silicios policristalinos piezorresistivos.

En otro estudio realizado por Castro [4], se determinan los contornos producidos por las distribuciones de fuerzas en cada placa de sensores, pudiendo determinar, así, centroides del objeto.

Es difícil encontrar, actualmente, estudios que, implementen sensores resistivos, en aplicaciones a la manipulación y agarre en manos robóticas, que procesen la información táctil en tiempo real y que establezca una realimentación del sistema en función de la posición del objeto, las zonas de contacto, los umbrales de fuerza y sus características geométricas.

6 CUBIERTAS ELÁSTICAS EN FSR

La implementación de sensores resistivos en los sistemas robot de agarre empezaron a utilizarse a finales de los años 80. En 1988, T.H. Speeter, presentaba en [12] resultados de distribuciones de fuerza obtenidas por sensores resistivos FSR implementados en los cuatro dedos de la mano robot Utah/MIT. En este artículo se muestran las características positivas de este tipo de sensores, tal y como se han descrito en este apartado.

No obstante, se observó un efecto negativo de bastante importancia en tareas de agarre de precisión: ausencia de “conformidad" (capacidad del sensor de adquirir la forma del objeto agarrado), lo que se traduce en un cierto efecto de “rigidez". Debido a que el sensor no es perfectamente plano y puesto que la mayoría de los objetos tampoco lo son, la medida del peso de un objeto sobre el array produce una distribución de pesos discreta sobre superficies de contacto grandes.

En [9] se adopta una solución para dotar al sensor resistivo de la capacidad de medir en lo que denomina “puntos ciegos: recubrir el área active del sensor con láminas elásticas”. Éste efecto es, principalmente, importante en los dispositivos robot de agarre que imitan la mano humana debido a la escasez de superficies de contacto planas.

Por los motivos que a continuación se detallan los sensores resistivos suelen colocarse encima de unas láminas de un material elástico. Finalmente, la estructura así formada se cubre, nuevamente, con unas gomas de unas determinadas características de grosor y elasticidad.

En la configuración de una estructura de sensores en una placa para una superficie de agarre, es importante acondicionar el diseño físico de los sensores sobre la misma, por diferentes motivos. Así, el conjunto de capas presentes en cada una de las piezas de agarre de una pinza robot son los que se muestran en la Figura 2.

Figura 2: Elementos de una placa sensora -

a) Placa soporte:

Debe ser una pieza lisa y de gran rigidez, de material sólido y poco pesado (Aluminio, Plástico duro.), con forma plana o ligeramente curvada para que se pueda acoplar una lámina de sensores sin que éstos se dañen.

b) Lámina elásticapre-sensora:

Esta lámina debe tener una superficie completamente lisa por ambas caras, un espesor mínimo y estar fabricada de un material elástico, muy flexible y ligero. Su efecto, es el de evitar que los sensores que sobre ella se depositen se rompan cuando sobre ellos se aplica una fuerza puntual, produciéndose un amortiguamiento de la presión y evitando un contacto directo del sensor sobre la placa rígida y una ruptura de los contactos resistivos.

c) Sensores de Fuerza:

Sobre la capa pre-sensora, se sitúan los sensores de fuerza, en nuestro caso, resistivos mediante algún tipo de adhesivo de grosor despreciable. Éstos deberán colocarse de forma que sus áreas activas no se solapen. Los contactos de salida se recogerán detrás de la placa soporte, donde se

integrarán en un circuito electrónico de acondicionamiento de las señales para su envío a la tarjeta de adquisición de datos.

d) Cubierta elástica:

Se sitúa inmediatamente después de los sensores. Debe ser de un material elástico, similar a la lámina pre-sensora pero con la diferencia de que la cara externa puede ser de un material liso o rugoso en función de la aplicación a que se destine. Este elemento es fundamental para este tipo de sensores de naturaleza piezorresistiva, por los motivos que se justifican a continuación:

1. La fuerza aplicada puntualmente en una posición determinada de la superficie activa del sensor implica un aumento muy grande de la relación Fuerza/Superficie, para alcanzar un umbral de fuerza fijado para la fase de agarre. Esto puede provocar un deterioro del sensor. La cubierta elástica, permite una distribución de la fuerza puntual, a lo largo de toda la superficie del array, con una determinada función de distribución dependiente de las características del sensor y de esta cubierta.

2. Cuando se emplean los sensores en tareas de agarre de un objeto con una pinza robot (de dos o más soportes), el control del sistema, determinará la posición de cada una de las placas en función de un umbral establecido, dependiente de las fuerzas de carga y de fricción presentes en el agarre.

Cuando se trata de un objeto rígido y frágil (cristal, plástico, . ) cualquier desviación mínima en el posicionamiento de la pinza producirá la ruptura del objeto. La cubierta elástica introduce un margen de flexibilidad en el control de la posición, que variará en función del grosor y coeficiente de elasticidad de la misma y, en menor grado, de la lámina pre- sensora, evitando la ruptura del objeto para pequeñas desviaciones en el control del agarre.

3. Especialmente conflictivos son los puntos que delimitan la superficie de cada sensor simple y de la estructura final del array. En estos caso, surgirán situaciones de agarre que darán lugar a contactos no medidos (puntos del borde de las áreas activas y espacios vacíos entre las celdas). El efecto de la cubierta, es el de extender el contacto en un punto a celdas vecinas. Aún más importante es el efecto sobre los puntos pertenecientes al límite de la placa soporte. Un contacto en estos puntos es transmitido distribuidamente a celdas del interior del array, salvando las impropiedades de los bordes.

4. Para el control del efecto de deslizamiento de un objeto, es necesario estimar las fuerzas de fricción presentes en el contacto objeto- superficie. Con el fin de que el objeto no deslice hasta que no se supere un determinado valor de fuerza de fricción, se emplean cubiertas con una cierta rugosidad al tacto, que permita evitar un deslizamiento del objeto y, por tanto, un mayor control en la manipulación del mismo.

Por otro lado, este tipo de cubiertas elásticas, presenta algunos inconvenientes que se evitan mediante técnicas de calibración, delimitación de restricciones, compensaciones dinámicas y control neuronal. Algunos de estos inconvenientes son:

1. Cambio en las características de respuesta del sensor en referencia a los valores máximo y mínimo de los umbrales de fuerza.

2. Efecto de Filtrado.

3. Aumento del transitorio de la señal.

4. Desviaciones en medidas de repetitividad.

7 UMBRALES DE FUERZA

Uno de los factores, además del tipo de sensor elegido, que más importancia tiene en el agarre de un objeto con un dispositivo robot es el tipo de contacto. Bicchi, Salysbury y Brock definen en [2] tres tipos fundamentales de contacto en función de la fuerza a aplicar necesaria para el agarre:

1. Contacto sin fricción.

2. Contacto con Fricción.

3. Contacto con superficies blandas.

Evidentemente, el caso 3 es el más común en la robótica de agarre y, sobre todo de manipulación, siendo los tipos 1 y 2 un caso particular de éste. Es el tipo de contacto que utiliza el sistema humano.

Por lo expuesto anteriormente, el efecto de las cubiertas elásticas en los sensores táctiles permiten establecer un contacto con un coeficiente de fricción dependiente de las propiedades del material elástico y, además, un contacto “blando” entre el objeto y la superficie sensora.

En este tipo de contacto, puesto que existe una conformidad entre la superficie y el objeto, la distribución de fuerza obtenida debe ser definida y representada por algún tipo de parámetro. Uno muy utilizado suele ser el centroide de la superficie de contacto, es decir, el centro de fuerzas obtenido de la siguiente forma:

Y^fsAj)- x(i)

Centroide x = —

— n

1tfsr(i)

i

±fir(i)-y(i)

Centroide y = —

n

i

siendo:

n: número de celdas sensoras elementales de la superficie del dispositivo robot.

fsr(i): Fuerza medida en la celda i.

x(i): Coordenada de abcisas del sensor i.

y(i): Coordenada de ordenadas del sensor i.

Una vez definido el tipo de contacto y un parámetro que defina el punto dónde se puede considerar aplicada la fuerza normal de agarre, se puede calcular el umbral de fuerza necesario para conseguir agarrar un objeto con la fuerza suficiente para que la resultante de las fuerzas del sistema sea próximo a cero, es decir:

Peso del Cuerpo = Fuerzas de Fricción + Margen de Carga 

Si el umbral estimado es inferior al teórico, el manipulador robot no será capaz de levantar el objeto. Si, por el contrario, es superior, se producirá la ruptura del objeto (si éste no es lo suficientemente rígido) o del dispositivo robot de agarre.

El margen de carga se fijará en función del movimiento que se pretenda realizar con el objeto agarrado en la posterior fase de manipulación, tal y como se muestra en la Figura 3:

Figura 3: Fuerzas presentes en el Agarre

El umbral de fuerza se puede determinar de dos formas diferentes:

1. Determinación del Umbral en Lazo Abierto: Puesto que el coeficiente de fricción debido a las cubiertas elásticas se conoce a priori, mediante la relación de fuerzas planteada anteriormente puede estimarse el umbral, siempre y cuando se conozca la masa del objeto y la rugosidad de su superficie. Lógicamente este método se emplea únicamente en procesos automatizados dónde todas las fuerzas son invariables y conocidas a priori.

2. Determinación del Umbral mediante Realimentación: Éste es el procedimiento empleado en procesos no automatizados o en aquellos que por desgaste de las superficies sensoras o deformaciones esporádicas del objeto, precisen de un control en tiempo real de la fuerza de agarre. Se trata de un control en lazo cerrado y tiempo real que controla la dirección de

deslizamiento del objeto entre las superficies táctiles. Precisa de sensores con muy poca histéresis y rapidez de respuesta.

En [7], Howe y cc. presentan los parámetros que describen una tarea de manipulación para cada fase de agarre (pre-contacto, carga, manipulación, descarga, post-contacto) y los eventos que suceden en las transiciones entre cada una de esas fases.

RESULTADOS

Para comprobar el comportamiento de los sensores resisitivos presentados en este estudio, así como su capacidad de respuesta ante una presión ejercida mediante el contacto con diferentes objetos, se han realizado una serie de experimentos con ayuda de dos arrays de sensores de fuerza FSR implementados sobre dos superficies metálicas y montadas en un dispositivo robot de agarre de dos placas paralelas. Las características de los sensores empleados y su respuesta a la presión ejercida se muestran en la Figura 4 y Figura 5.

Figura 4: Características del sensor FSR

Figura 5: Características del sensor FSR

En primer lugar, se ha estudiado el efecto de las cubierta elásticas en los sensores FSR con la plataforma descrita. 

Así, se ha medido la respuesta de uno de los sensores, con cubiertas de diferentes grosores cuando se agarra un objeto rígido, centrado en el soporte, para diferentes Los resultados obtenidos han ido los de la Figura 6.

Como se puede observar, el efecto de las gomas produce un aumento de la presión detectada, debido a que, el efecto del grosor de las gomas para una misma posición implica un contacto anterior del objeto. Es importante, también, comprobar que las respuestas en función del grosor de las gomas para una misma posición tienen un incremento no lineal.

Según las medidas realizadas para un sensor simple resistivo, se pueden añadir cuatro observaciones:

1. Las gomas elevan el transitorio de la respuesta de salida.

2. Cuanto mayor es el área activa del sensor, menor es su precisión y estabilidad.

3. Cuanto más blanda es la cubierta elástica, peor es la repetitividad del resultado.

Por último, se han obtenido resultados del comportamiento del array de sensores implementado. Este array ha sido diseñado como una matriz de 9 sensores dispuestos en 3 filas y 3 columnas. En la Figura 7 se presentan los mapas de distribución de fuerza en función de un umbral prefijado, así como las coordenadas de los centroides de la superficie de contacto.

Para determinar el centroide de una forma más eficaz, se ha realizado una interpolación (“Array múltiple”) mediante una función bilineal de la curva obtenida por el array diseñado (“Array real”);

QUÉ ES UN SENSOR:

Un sensor o captador, como prefiera llamársele, no es más que un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular.

Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR, etc... todos aquellos componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la utilización de componentes activos.

Pero el tema constructivo de los captadores lo dejaremos a un lado, ya que no es el tema que nos ocupa, más adelante incluiremos en el WEB SITE algún diseño en particular de algún tipo de sensor.

DESCRIPCIÓN DE ALGUNOS SENSORES:

Pretendo explicar de forma sencilla algunos tipos de sensores.

Sensores de posición:

Su función es medir o detectar la posición de un determinado objeto en el espacio, dentro de este grupo, podemos encontrar los siguientes tipos de captadores;

Los captadores fotoeléctricos:

La construcción de este tipo de sensores, se encuentra basada en el empleo de una fuente de señal luminosa (lámparas, diodos LED, diodos láser etc...) y una célula receptora de dicha señal, como pueden ser fotodiodos, fototransistores o LDR etc.

Este tipo de sensores, se encuentra basado en la emisión de luz, y en la detección de esta emisión realizada por los fotodetectores.

Según la forma en que se produzca esta emisión y detección de luz, podemos dividir este tipo de captadores en: captadores por barrera, o captadores por reflexión.

En el siguiente esquema podremos apreciar mejor la diferencia entre estos dos estilos de captadores:

Captadores

- Captadores por barrera. Estos detectan la existencia de un objeto, porque interfiere la recepción de la señal luminosa.

Captadores por reflexión; La señal luminosa es reflejada por el objeto, y esta luz reflejada es captada por el captador fotoeléctrico, lo que indica al sistema la presencia de un objeto.

Sensores de contacto:

Estos dispositivos, son los más simples, ya que son interruptores que se activan o desactivan si se encuentran en contacto con un objeto, por lo que de esta manera se reconoce la presencia de un objeto en un determinado lugar.

Su simplicidad de construcción añadido a su robustez, los hacen muy empleados en robótica.

Captadores de circuitos oscilantes:

Este tipo de captadores, se encuentran basados en la existencia de un circuito en el mismo que genera una determinada oscilación a una frecuencia prefijada, cuando en el campo de detección del sensor no existe ningún objeto, el circuito mantiene su oscilación de un manera fija, pero cuando un objeto se encuentra dentro de la zona de detección del mismo, la oscilación deja de producirse, por lo que el objeto es detectado.

Estos tipos de sensores son muy utilizados como detectores de presencia, ya que al no tener partes mecánicas, su robustez al mismo tiempo que su vida útil es elevada.

Sensores por ultrasonidos:

Este tipo de sensores, se basa en el mismo funcionamiento que los de tipo fotoeléctrico, ya que se emite una señal, esta vez de tipo ultrasónica, y esta señal es recibida por un receptor. De la misma manera, dependiendo del camino que realice la señal emitida podremos diferenciarlos entre los que son de barrera o los de reflexión.

Captadores de esfuerzos:

Este tipo de captadores, se encuentran basados en su mayor parte en el empleo de galgas extensométrica, que son unos dispositivos que cuando se les aplica una fuerza, ya puede ser una tracción o una compresión, varia su resistencia eléctrica, de esta forma podemos medir la fuerza que se está aplicando sobre un determinado objeto.

Sensores de Movimientos:

Este tipo de sensores es uno de los más importantes en robótica, ya que nos da información sobre las evoluciones de las distintas partes que forman el robot, y de esta manera podemos controlar con un grado de precisión elevada la evolución del robot en su entorno de trabajo.

Dentro de este tipo de sensores podemos encontrar los siguientes:

- Sensores de deslizamiento:

Este tipo de sensores se utiliza para indicar al robot con que fuerza ha de coger un objeto para que este no se rompa al aplicarle una fuerza excesiva, o por el contrario que no se caiga de las pinzas del robot por no sujetarlo debidamente.

Su funcionamiento general es simple, ya que este tipo de sensores se encuentran instalados en el órgano aprehensor (pinzas), cuando el robot decide coger el objeto, las pinzas lo agarran con una determinada fuerza y lo intentan levantar, si se produce un pequeño deslizamiento del objeto entre las pinzas, inmediatamente es incrementada la presión le las pinzas sobre el objeto, y esta operación se repite hasta que el deslizamiento del objeto se ha eliminado gracias a aplicar la fuerza de agarre suficiente.

- Sensores de Velocidad:

Estos sensores pueden detectar la velocidad de un objeto tanto sea lineal como angular, pero la aplicación más conocida de este tipo de sensores es la medición de la velocidad angular de los motores que mueven las distintas partes del robot. La forma más popular de conocer la velocidad del giro de un motor, es utilizar para ello una dinamo tacométrica acoplada al eje del que queremos saber su velocidad angular, ya que este dispositivo nos genera un nivel determinado de tensión continua en función de la velocidad de giro de su eje, pues si conocemos a que valor de tensión corresponde una determinada velocidad, podremos averiguar de forma muy fiable a qué velocidad gira un motor. De todas maneras, este tipo de sensores al ser mecánicos se deterioran, y pueden generar errores en las medidas.

Existen también otros tipos de sensores para controlar la velocidad, basados en el corte de un haz luminoso a través de un disco perforado sujetado al eje del motor, dependiendo de la frecuencia con la que el disco corte el haz luminoso indicará la velocidad del motor.

- Sensores de Aceleración:

Este tipo de sensores es muy importante, ya que la información de la aceleración sufrida por un objeto o parte de un robot es de vital importancia, ya que si se produce una aceleración en un objeto, este experimenta una fuerza que tiende ha hacer poner el objeto en movimiento.

Supongamos el caso en que un brazo robot industrial sujeta con una determinada presión un objeto en su órgano terminal, si al producirse un giro del mismo sobre su base a una determinada velocidad, se provoca una aceleración en todo el brazo, y en especial sobre su órgano terminal, si esta aceleración provoca una fuerza en determinado sentido sobre el objeto que sujeta el robot y esta fuerza no se ve contrarrestada por otra, se corre el riesgo de que el objeto salga despedido del órgano aprehensor con una trayectoria determinada, por lo que el control en cada momento de las aceleraciones a que se encuentran sometidas determinadas partes del robot son muy importantes.

9 CONCLUSIONES

La necesidad de controlar magnitudes tales como la fuerza, posición o deslizamiento en infinidad de aplicaciones robóticas tanto en el terreno industrial como doméstico implica que, además de los dispositivos de agarre, se deben diseñar, implementar y acoplar transductores que permitan medir estos estímulos externos y transformarlos en parámetros eléctricos fácilmente entendibles por los distintos dispositivos electrónicos.

La elección de un sensor adecuado, así como el diseño de nuevos modelos, es una tarea aún inacabada. Evidentemente el modelo ideal debe ser aquél cuyo comportamiento sea más próximo a del modelo somático humano.

En este estudio se ha realizado un análisis de las principales características de los sensores biológicos y una comparación con los actuales sensores táctiles artificiales aplicados a la manipulación mediante robótica antropomórfica.

Se han definido las principales características de los estímulos sensoriales y las principales tecnologías existentes, así como los diferentes tipos de contacto.

Finalmente, se ha estudiado el comportamiento de un tipo de sensores muy utilizado en robótica antropomórfica, presentando algunas curvas de resultados de Fuerza y Posición.

Referencias

[1] Beebe, D. “A Silicon-Based Tactile Sensor for Finger-Mounted Applications”. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. Vol 45, N° 2, February 1998.

[2] Bicchi A., Salisbury, Bbrock, “Contact Sensing from Force Measurements”. The Int. J. of Robotics Research, Vol 12, n° 3, pp. 249¬262, 1993.

[3] Castro D., Marques, Nunes y Almeida. “Tactile Force Control Feedback in a Parallel Jaw Gripper”. In Proc. IEEE International Symposium on Industrial Electronics ISIE’97 , Guimaraes, 1997.

[4] Castro, Marqués, Nunes y Almeida. “Prensao com Recurso a Informacao de Tacto e de Proximidade para Tarefas de Manuseamento com Incerteza Posicional”. In Proc. 4as Jornadas Luso-Espanholas de Engenharia Electrotécnica , pp. 1585-1592, Porto, 1995.

[5] Cutkosky M.R. and Hyde J.M., "Tactile Sensing anf Informaction for man and Machine systems". ONR Annual Review 1994.

[6] Goodwin, A.W. “Extracting Object Shape from Nerve Fiber Responses”. Neural Aspects of Tactile Sensation. J.W. Moeley (Editor), 1998 Elsevier Science B.V. pp 55-87.

[7] Howe R.D., Popp N., Akella, Kao and Cutkosky. “Grasping, manipulation and control with tactile sensing”. Proceedings of the 1990 IEEE International Conference on Robotics ans Automation, pp. 1258-1263, Cincinnati, Ohio, May 1990.

[8] Jockusch J., Walter J., Ritter H.. “A Tactile Sensor System for a Three-Fingered Robot Manipulation”. Proc. Int. Conf. on Robotics and Automation (ICRA) IEEE, 1997.

[9] Liu H., Meusel, and Hirzinger, “A tactile sensing system for the DLR Three-Finger Robot Hand”. ISMCR, 1995, pp 91-96

[10] Macefield V.G., “The Signalling of Touch, Finger Movements and Manipulation Forces by Mechanoreceptors in Human Skin”. Neural Aspects of Tactile Sensation. J.W. Moeley (Edit), 1998 Elsevier Science B.V. pp 89-130.

[11] Nicholls H., Lee, M.. “A Survey of Robot Tactile Sensing Technology”. IJRR, Vol 8, n°

3, pp. 3-30, 1989.

[12] Speeter T.H. “Flexible piezoresistive Touch sensing array”. In proc. SPIE Optics, Illumination, and image sensing for Machine Vision III, Vol, 1005, pp.31-43, 1988.

11. CONCLUSION

Con ayuda de este reporte podemos llegar a seleccionar con más seguridad los elementos sensores que puedan ayudarnos en los procesos que necesitamos controlar.

Con esto, se aumenta la capacidad para saber qué aspectos debemos de tomar en cuenta en el momento en el que deseamos seleccionar un sensor de tipo binario, desde aspectos técnicos como la alimentación, la función del sensor, el tipo de señal hasta la forma y aplicaciones.

También se logra hacer una comparación entre los diferentes tipos de sensores binarios, sus ventajas y desventajas, el medio en el que estarán expuestos, el nivel de confiabilidad de cada uno de ellos y la manera en cómo podemos acoplar estos elementos a nuestros procesos de fabricación, medición y control que buscamos.

12. BIBLIOGRAFIA

Libros:

• Métodos Experimentales para Ingenieros (Experimental Methods for Engineers) 7th Edition Ed. McGraw Hill New York, 2001

• Instrumentación Industrial Antonio Creus Sole 7th Edición Ed. Alfaomega Grupo Editor

Catálogos:

• Catalogo de Festo

• Catalogo de Cherry Electrical Products

Paginas Web:

• www.cherrycorp.com

• www.silge.com.ar

• www.aea.com.ar

• www.eurospectdirect.com