UNIDAD II.- Sensores

2.1. Sensores y/o transmisores de posición

binarios

Un sensor es un dispositivo que está capacitado

para detectar acciones o estímulos externos y

responder en consecuencia. Estos aparatos

pueden transformar las magnitudes físicas o

químicas en magnitudes eléctricas.

Transductor: Dispositivo que transforma el

efecto de una causa física, como la presión, la

temperatura, la dilatación, la humedad, etc., en

otro tipo de señal, normalmente eléctrica.

Estructura de un transductor

Clasificación

Según el tipo de señal de salida:

1.- Analógicos. Dan como salida un valor de

tensión o corriente variables en forma continua

dentro del campo de medida.

2.-Digitales. Dan como salida una señal en forma

de una palabra digital.

3.-Todo-nada. Indican cuándo la variable

detectada rebasa un cierto umbral.

Según la magnitud física a detectar:

Posición, velocidad, fuerza y par, presión, caudal,

proximidad, etc.

Tipos de sensores1.- Mecánicos

2.-Ultrasonicos

3.- Inductivos

4.-Capacitivos

5.- Fotoeléctricos

Existe en el mercado una gran variedad de marcas y tipos de sensores,pero la mayoría pertenece a alguna de las clasificaciones dadas acontinuación

- De acción mecánica o de Contacto

- De acción magnética

- De acción capacitiva

- Accionado por luz

- De acción ultrasónica

- De acción neumática

2.1.2. Sensores Mecánicos.

Estos interruptores se usan ordinariamente para

desconectar, limites de carrera, el avance de

bancadas en maquinas o herramientas como

fresadoras, así como limitar el avance de los porta

herramientas de los tornos, en montacargas,

ascensores, robots, etc.

Para poder accionar estos interruptores se

requiere contacto físico entre la parte de la

maquina y la palanca del interruptor con la fuerza

suficiente para operar.

2.1.1. Sensores de Final de carrera.

Principio de funcionamiento: El movimiento

mecánico en forma de leva o empujador actúa

sobre la palanca o pistón de accionamiento del

interruptor de posición haciendo abrir o cerrar un

contacto eléctrico del interruptor.

Esta señal eléctrica se utiliza para posicionar, contar,

parar o iniciar una secuencia operativa al actuar

sobre los elementos de control de la máquina.

Componentes se un sensor de carrera

Modo de funcionamiento

Cuando usar un interruptor mecánico

- Donde sea posible un contacto físico

- Donde sea requerida una posición definitiva

- En situaciones de operación critica o de seguridad-critica

- Donde las condiciones ambientales no permiten el uso de sensores ópticos o inductivos

Aplicaciones y usos de interruptores mecánicos

- Fácil de integrar a maquinaria de todo tipo

- Requiere contacto(por tanto hay uso)

- Rango de voltajes: DC 0-1000V

- Muy robustos

Generalmente Usados como:

- Finales de carrera

- Indicador de presencia/ausencia

- Puerta cerrada/abierta

Desventajas mas importantes

- Producen rebote mecánico al conmutar

- El contacto físico produce desgaste y requiere

mantenimiento

- Son de respuesta lenta

- Son ruidosos

- Voluminosos

- Vida limitada

- No se pueden utilizar en todas las aplicaciones.

2.1.3. Sensores Eléctricos.

El sensor se define como un dispositivo que convierte señales

obtenidas de un tipo de energía en señales eléctricas. Por ejemplo un

termo par convierte señales de temperatura en señales eléctricas.

Todos los sensores son transductores.

2.1.4. Sensores Fotoeléctricos(ópticos)

Un detector fotoeléctrico detecta un objeto por medio de un haz luminoso.

Sus dos componentes básicos son un emisor y un receptor de luz.

La detección es efectiva cuando el objeto penetra en el haz de luz y

modifica suficientemente la cantidad de luz que llega al receptor para

provocar el cambio de estado de la salida.

Se siguen dos procedimientos:

– bloqueo del haz por el objeto detectado

– retorno del haz sobre el receptor por el objeto detectado.

Los detectores fotoeléctricos disponen de un emisor de diodo

electroluminiscente y de un receptor de fototransistor. Estos componentes

se utilizan por su elevado rendimiento luminoso, su insensibilidad a los

golpes y a las vibraciones, su resistencia a la temperatura, su durabilidad

prácticamente ilimitada y su velocidad de respuesta.

Dependiendo del modelo de detector, la emisión se realiza en infrarrojo o

en luz visible verde o roja. La corriente que atraviesa el LED emisor se

modula para obtener una emisión luminosa pulsante e insensibilizar los

sistemas.

•Procedimientos de detección

Los detectores fotoeléctricos emplean dos procedimientos para detectar

objetos:

– por bloqueo del haz

– por retorno del haz

Bloqueo del haz

En ausencia de un objeto, el haz luminoso alcanza el receptor.

Un objeto bloquea el haz al penetrar en él:

no hay luz en el receptor = detección

Tres sistemas básicos emplean este procedimiento, que se basa en las

propiedades absorbentes de los objetos:

– barrera,

– réflex,

– réflex polarizado.

Retorno del haz

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

luz en el receptor = detección

Dos sistemas básicos emplean este procedimiento, que se basa enlas propiedades reflectantes de los objetos:

– proximidad,

– proximidad con borrado del plano posterior

Sistema de barrera

El emisor y el receptor se sitúan en dos cajas separadas. Es el sistemaque permite los mayores alcances, hasta 100 m con ciertos modelos.El haz se emite en infrarrojo o láser.

A excepción de los objetos transparentes, que no bloquean el hazluminoso, puede detectar todo tipo de objetos (opacos,reflectantes...) gracias a la excelente precisión que proporciona laforma cilíndrica de la zona útil del haz.

Los detectores de barrera disponen de un margen de ganancia muyamplio. Por ello, son muy adecuados para los entornoscontaminados(humos, polvo, intemperie, etc.).

Sistema réflex

El emisor y el receptor están situados en una misma caja. En

ausencia de un objeto, un reflector devuelve al receptor el haz

infrarrojo que emite el emisor. El reflector consta de una elevada

cantidad de triedros trirrectángulos de reflexión total cuya

propiedad consiste en devolver todo rayo luminoso incidente en la

misma dirección.

El alcance nominal de un detector fotoeléctrico réflex es del orden

de dos a tres veces inferior al de un sistema de barrera.

Los objetos brillantes, que en lugar de bloquear el haz reflejan parte

de la luz hacia el receptor, no pueden detectarse con un sistema

réflex estándar.

En estos casos, es preciso utilizar un sistema réflex polarizado.

Este tipo de detector emite una luz roja visible y está equipado con

dos filtros polarizadores opuestos:

– un filtro sobre el emisor que impide el paso de los rayos

emitidos en un plano vertical,

– un filtro sobre el receptor que sólo permite el paso de los

rayos recibidos en un plano horizontal.

En ausencia de un objeto

El reflector devuelve el haz emitido, polarizado verticalmente,

después de haberlo despolarizado.

El filtro receptor deja pasar la luz reflejada en el plano horizontal.

En presencia de un objeto

El objeto detectado devuelve el haz emitido sin ninguna

modificación.

El haz reflejado, polarizado verticalmente, queda por tanto

bloqueado por el filtro horizontal del receptor.

Detectores ópticos de proximidad

Al igual que en el caso de los sistemas réflex, el emisor y el receptor están

ubicados en un misma caja. El haz luminoso se emite en infrarrojo y se

proyecta hacia el receptor cuando un objeto suficientemente

reflectante penetra en la zona de detección mostrado en la figura.

El alcance de un sistema de proximidad es inferior al de un sistema

réflex, lo que desaconseja su uso en entornos contaminados. El

alcance depende:

– del color del objeto detectado y de su poder reflectante (un

objeto de color claro se detecta a mayor distancia que un objeto

oscuro),

– de las dimensiones del objeto (el alcance disminuye con el

tamaño).

Los detectores de proximidad se equipan frecuentemente con un

potenciómetro de reglaje de sensibilidad. Para una distancia dada

entre el objeto detectado y el emisor, la detección de un objeto

menos reflectante requiere un aumento de la sensibilidad, lo que

puede provocar la detección del plano posterior en caso de ser

más reflectante que el propio objeto.

Los detectores de proximidad con borrado del plano posterior están

equipados con un potenciómetro de regulación de alcance que

permite "enfocar” una zona de detección y evitar la detección del

plano posterior.

2.1.5. Sensores Ultrasónicos.

El principio de detección ultrasónica se basa en la medida del

tiempo transcurrido entre la emisión de una onda ultrasónica y

la recepción de su eco.

El transductor (emisor-receptor) genera una onda ultrasónica

pulsada(200 a 500kHz según el producto) que se desplaza en el

aire ambiente a la velocidad del sonido.

En el momento en el que la onda encuentra un objeto una

onda reflejada(eco) vuelve hacia el transductor. Un

microcontrolador analiza la señal recibida y mide el intervalo

de tiempo entre la señal emitida y el eco.

Dado que las ondas ultrasónicas se mueven por el aire, no

podrán ser utilizados en lugares donde éste circulen con

violencia, o en medios de elevada contaminación acústica.

Ventajas

- Rango relativamente alto(hasta varios metros)

- Detección segura del objeto independiente del color y del material

- Detección del objetos transparentes(ejem. botellas de vidrio)

- Relativamente insensible a la suciedad y el polvo

- Posibilidad de desvanecimiento gradual del fondo

- Posibilidad de aplicaciones al aire libre

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

Inconvenientes

- Objetos con superficie inclinadas, el sonido se desvía.

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

- Mas caros que los ópticos, prácticamente el doble

Efecto del tipo de objeto

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

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

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

2.1.6. Sensores Inductivos y capacitivos.

Los sensores de proximidad inductivos permiten detectar

sin contacto objetos metálicos a una distancia de 0 a 60

mm.

Los sensores de proximidad inductivos incorporan una bobina

electromagnética la cual es usada para detectar la presencia

de un objeto metálico conductor. Este tipo de sensor ignora los

objetos no metálicos

El principio de Eddy Current

El principio de medición de Corrientes de

Eddy es un método inductivo basado en la

extracción de energía de un circuito

oscilante. Esta energía es requerida para la

inducción de corrientes de eddy en

materiales eléctricamente conductivos.

Una bobina es alimentada con una corriente

alterna que genera un campo magnético a

su alrededor, si un metal conductor es

colocado dentro de este campo

electromagnético, se inducen corrientes de

eddy las cuales forman un campo

electromagnético de acuerdo a la Ley de

Inducción de Faraday. Este campo actúa en

contra del campo generado por la bobina, lo

que también provoca un cambio en la

impedancia de la misma. El controlador

calcula la impedancia considerando el

cambio en la amplitud y la fase de la posición

de la bobina sensora.

Principio de Funcionamiento

Versiones funcionales

Ventajas

- Muy buena adaptación a los entornos industriales

- Estáticos duración independiente del numero de maniobras

- Detectan sin contacto físico

- Exclusivamente objetos metálicos a una distancia de 0 a 60 mm.

- Cedencias de funcionamiento elevadas

- Consideración de datos de corta duración

Inconvenientes:

Detección de solamente objetos metálicos.

Alcance débil.

Capacitivos

Un detector de proximidad capacitivo se basa en un

oscilador cuyo condensador esta formado por 2 electrodos

situados en la parte delantera del aparato.

En el aire la permitividad es de 1, la capacidad del

condensador es la capacitancia. La permitivilidad es la

constante dieléctrica y depende de la naturaleza del

material. Cualquier material que su dieléctrica sea 2 será

detectado.

Principio de funcionamiento

el detector crea un campo eléctrico

La entrada de un objeto altera el campo, provocando la

detección.

Aplicaciones industriales

Detección de objetos aislantes y conductores.

Se detecta la masa del objeto.

Puede ser solido o liquido.

El alcance depende de la constante dieléctrica del

material.

Ventajas

Detectan sin contacto físico, cualquier objeto.

Muy buena adaptación a los entornos industriales.

Estáticos, duración independiente del numero de

maniobras.

Inconvenientes.

Alcance débil.

Depende de la masa.

Analógicos: potenciómetros, resolver, sincro, LVDT.

Digitales: encoders (absolutos e incrementales).

POTENCIÓMETROS: Se usan para la determinación dedesplazamiento lineales o angulares. Eléctricamente secumple la relación:

Este potencial puede medirse y disponer de un sistemade calibrado de manera que por cada potencial seobtenga proporcionalmente una distancia dedesplazamiento. Ventajas: facilidad de uso y bajoprecio. Desventajas: deben estar fijados al dispositivocuyo desplazamiento se quiere medir, precisión limitada.

2.1.7. Sensores de posición proporcionales

RESOLVERS: (captadores angulares de posición) Constan de

una bobina solidaria al eje excitada por una portadora, y

dos bobinas fijas situadas a su alrededor. La bobina móvil

excitada con tensión Vsen(ωt) y girada un ángulo θ induce

en las bobinas fijas las tensiones:

SINCROS: la bobina que hace función de primario o rotor se

encuentra solidaria al eje de giro. El secundario está formado

por tres bobinas fijas colocadas alrededor del primario en

forma de estrella y desfasadas entre si 120º (estator). Al rotor se

le aplica una señal senoidal y se genera en cada una de las

bobinas fijas un voltaje inducido con un desfase entre ellos de

120º:

V13 = 31/2 V cos(ωt) senθ

V32 = 31/2 V cos(ωt) sen(θ+120)

V21 = 31/2 V cos(ωt) sen(θ+240)

Para los sistemas de control hay que pasar la señal analógica

a digital, para lo cual se utilizan convertidores resolver.

SENSORES LINEALES DE POSICIÓN (LVDT) : Es un transformadordiferencial de variación lineal, que consta de un núcleo de materialferromagnético unido al eje, que se mueve linealmente entre undevanado primario y dos secundarios haciendo que varíe lainductancia entre ellos. Se puede afirmar que la energía de lacorriente en la bobina primaria es igual a la que circula en lassecundarias:

Como resultado de un desplazamiento que se quiere medir, elnúcleo magnético es desplazado de manera que una de lasbobinas secundarias no recubra totalmente el núcleo => la corrienteinducida en un secundario será mayor que la inducida en el otro.De la diferencia de las tensiones medidas en los dos secundarios seobtiene el desplazamiento realizado por el núcleo.

Ventajas: alta resolución, poco rozamiento y alta repetitividadInconvenientes: sólo puede aplicarse a medición de pequeñosdesplazamientos.

ENCODERS: (codificadores angulares de posición) Constan de

un disco transparente con una serie de marcas opacas

colocadas radialmente y equidistantes entre sí, de un sistema

de iluminación y de un elemento fotorreceptor. El eje cuya

posición se quiere medir va acoplado al disco, a medida que

el eje gira se van generando pulsos en el receptor cada vez

que la luz atraviese las marcas, llevando una cuenta de estos

pulsos es posible conocer la posición del eje. La resolución

depende del número de marcas que se pueden poner

físicamente en el disco.

El funcionamiento de un encoder absoluto es similar, pero el

disco se divide en un número de sectores (potencia de 2),

codificándose cada uno de ellos con un código binario

(código Gray), con zonas transparentes y opacas. La

resolución es fija y viene dada por el número de anillos que

posea el disco granulado => 28 ℎ𝑎𝑠𝑡𝑎 219

2.1.8. Sensores de velocidad y aceleración

Tacogenerador: proporciona una tensión proporcional a la

velocidad de giro del eje. Utiliza un interruptor llamado “reed

switch”, que utiliza fuerzas magnéticas para activarse o no

dependiendo si un objeto magnético se encuentra físicamente

cercano al interruptor. Se desea medir la velocidad de giro de una

rueda dentada, se dispone de uno de los dientes magnetizados de

forma que cada vez que éste diente pase junto al interruptor será

accionado por la fuerza magnética. Así por cada vuelta descrita

por la rueda, el interruptor se activa y en su salida se obtiene un

pulso de corriente. Midiendo estos pulsos de corriente (número de

vueltas) por unidad de tiempo => velocidad.

Sensores de aceleración

Los sensores utilizados para medir la aceleración se denominanacelerómetros. Un acelerómetro como se intuye por su nombre esun instrumento para medir la aceleración de un objeto al que vaunido, lo hace midiendo respecto de una masa inercial interna. Losacelerómetros son sensores inerciales que miden la segundaderivada de la posición. Un acelerómetro mide la fuerza de inerciagenerada cuando una masa es afectada por un cambio develocidad. Existen varios tipos de tecnologías (piezo-eléctrico,piezo-resistivo, galgas extensométricas, láser, térmico …) y diseñosque aunque todos tienen el mismo fin pueden ser muy distintosunos de otros según la aplicación a la cual van destinados y lascondiciones en las que han de trabajar.

Hay dos parámetros principales a la hora de escoger el

medidor adecuado, los rangos de funcionamiento de

temperatura y frecuencia. Otros parámetros importantes

pueden ser el tamaño, si tienen más funciones, la resistencia

a golpes y por supuesto el precio.

2.1.9. Sensores de fuerza, par y deformación

El peso de un cuerpo es la fuerza con que es atraído por la tierra. Larelación entre la masa del cuerpo, es decir, la cantidad de materia quecontiene, y su peso viene dado por la expresión

𝑃 = 𝑚 𝑥 𝑔

En donde P= peso

m= masa

g= aceleración debido a la gravedad

Como la masa del cuerpo es constante y la aceleración de la gravedadvaria con el lugar y también con la altura, es obvio que el peso delcuerpo variara según el lugar de la tierra y la altura a los que este sobre elnivel del mar.

Esto es evidente efectuando la medida con una balanza o resorte. Sinembargo, en una balanza clásica de cruz, la medida efectuada porcomparación con masas conocidas y como están sometidas también ala misma fuerza gravitacional, la lectura será independiente del lugardonde se realiza la medición . Así mismo como los demás tipos debasculas se ajustan usualmente con pesos patrón las medidas realizadasserán también independientes de las variaciones de g respecto a la alturay al lugar de la tierra donde estén instaladas.

Otro factor que influye en la medición es la diferencia del

empuje del aire sobre el cuerpo y sobre el patrón su

influencia están pequeña que el error cometido queda

comprendido dentro del error normal aceptado en las

operaciones de pesaje.

En la industria interesa determinar el peso de las sustancias

en las operaciones de inventario de las materias primas, de

productos finales, en la mezcla de ingredientes.

Existen varios métodos para medir peso:

1.- Comparación con otros pesos patrones(balanzas y

básculas).

2.- Células de carga a base de galgas extensométricas.

3.- Células de carga Hidráulicas.

4.- Células de carga neumáticas

La comparación con otros pesos patrones la realizan lasbalanzas y las básculas.

La balanza clásica esta constituida por una palanca debrazos iguales, llamados cruz que se apoya en su centro ycuyos extremos cuelgan los platillos que soportan lospesos. Puede medir desde unos pocos gramos hasta300kg. La balanza de Roberval consiste , esencialmente,en un paralelogramo articulado que puede oscilaralrededor de un punto central del lado superior delparalelogramo, manteniéndose verticales las varillas quesoportan los platillos; se caracteriza por que su equilibrio sealcanza independientemente de la posición de los pesosen los platillos. Su campo de medida llega hasta los 40kg yse emplea en las operaciones de llenado o decomprobación de pesos terminados.

Las balanzas y las basculas son sencillas y de gran exactitud

pudiendo alcanzar del ±0.002% al ±0.05%. Sin embargo presentan

los inconvenientes de su lenta velocidad de respuesta, la posible

corrosión que ataca el al juego de palancas en particular en los

puntos de apoyo y que es debido a la suciedad, al polvo ,a los

vapores y a la humedad presente en ambientes industriales y al

desgaste de las piezas móviles.

La balanza electromagnética utiliza un sensor de posición y

una bobina de par montados en un servosistema que

equilibra un peso patrón y el peso desconocido. La señal

eléctrica de salida del controlador, que genera la

corrección del desplazamiento provocado por el peso, crea

un campo magnético en la bobina del electroimán que

equilibra la atracción del imán permanente. El sistema

permite, mediante un microprocesador, proporcionar unas

rutinas estadísticas con calculo de la media y desviación

estándar de la pesadas y una compensación de

temperatura. La exactitud es de 1 mg=500 gr

La célula de carga a base de Galgas extensiometricas consiste

esencialmente en una célula que contiene una pieza elástica

conocida(E) capaz de soportar la carga sin excederse de su

limite de elasticidad. A esta pieza se encuentra cementada

una galga extensiometrica, que puede estar formada por

varias espiras de hilo (.0025mm) pegado a un soporte de papel

o de resina sintética, o bien puede estar formada por bandas

delgadas unidas con pegamento a la estructura sometida a

carga esta operación de pegado debe de ser muy cuidadoso

y esencial , para obtener lecturas exactas y estables de las

tensiones presentes en la estructura.

La tensión o la compresión a que el peso somete a la célula

de carga hacen variar la longitud del hilo metálico y

modifican, por lo tanto su resistencia eléctrica.

Se usan acondicionadores de señal, que son los puentes de

Wheatstone que captan pequeños cambios en la resistencia y

compensan los efectos de temperatura

2.1.11. Sistemas de medición de coordenadas y sistemas de visión.

PROCESAMIENTO DIGITAL DE IMAGEN (PDI)

El procesamiento digital de imágenes es el procesado,

entendiendo este como el almacenamiento, trasmisión y

representación de información, de imágenes digitales por medio de

una computadora digital.

El termino imagen se refiere a una función bidimensional de intensidad

de luz f(x, y) donde x e y denotan las coordenadas espaciales y el valor

de f en cualquier punto(x, y) es proporcional a la intensidad de la

imagen en ese punto. Una imagen digital puede escribirse como una

matriz cuyos índices de fila y columna identifican un punto en la

imagen y cuyo valor coincide con el nivel de intensidad de luz en ese

punto. Cada elemento del array se corresponde con un elemento en

la imagen y se le denomina pixel.

El interés en el procesado digital de imágenes se basa

esencialmente en dos aspectos: la mejora de la información

contenida en una imagen para la interpretación humana y el

tratamiento de los datos de una escena para favorecer la

percepción autónoma por parte de una máquina.

Debido al amplio rango de tipos de imágenes empleadas en el

PDI, no existe un límite claro respecto donde se encuentra la línea

divisoria entre el PDI y otra área a fines, como el análisis de

imágenes o la visión por computadora entre otras. El análisis de

imágenes se refiere al proceso por el cual se extrae la información

cuantitativa de la imagen y en donde el resultado del análisis es

siempre una tabla de datos, una gráfica o cualquier

representación de los datos numéricos.

El procesado de imagen sin embargo siempre produce otra

imagen como resultado de la operación, por lo que

generalmente se pretende mejorar la calidad de la imagen

para poder apreciar mejor determinados detalles. La visión

por computadora o visión artificial es un subcampo de la

inteligencia artificial cuyo propósito es programar una

computadora para que entienda una escena o las

características de una imagen, emulando la visión humana.

Atendiendo a los tipos de procesos implicados en estas

disciplinas, se suelen hacer una clasificación de tres niveles:

nivel bajo (procesado), nivel medio (análisis) y nivel alto

(interpretación).