Leccion 4:Sensores
Jesus Savage
9 de octubre de 2020
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Indice
1 Introduccion
2 Componentes Basicos
3 Tipos de Sensores
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Introduccion
Un robot esta dotado de un sistema de operacion que pretende optimizarde una forma integrada ciertas funciones inherentes a la operatividad,administracion y sensado del ambiente.Para conseguir esta finalidad, el sistema de operacion necesita comunicarsecon el entorno y es necesario un conjunto de sensores que le suministreninformacion, una serie de actuadores que ejecuten sus acciones de control,ası como una infraestructura de comunicaciones que los conecte entre sı, ylas interfaces y acondicionadores de senal que adapten la senal entre elcontrolador y los sensores y actuadores.En dicho sistema de operacion, la eleccion del hardware sera importante,pero tambien lo es el diseno adecuado del software de control.
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Sensores y Caracterısticas
Para valorar la calidad de un sensor hay que atender sus caracterısticas:
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Tipos de Sensores
Existen muchos tipos distintos de sensores que se pueden agrupar enfuncion de determinados criterios de clasificacion. A continuacion semostraran algunos de ellos.
Un ejemplo del primer tipo son las sondas de temperatura, como lasPT-100, sensores cuya resistencia varia con la temperatura, haciendovariar por tanto la corriente que los recorre.Un termometro de mercurio y un indicador de presion serıan ejemplos delsegundo tipo.
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Tipos de Sensores
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Acondicionador de Senales
Los acondicionadores de senal son muy variados, pudiendo seracondicionadores para senales discretas, para sensores resistivos,atenuadores pasivos para senales continuas, amplificadores, filtros de senal,convertidores de tension a frecuencia (V/F) y de frecuencia a tension(F/V), convertidores analogicos digitales (A/D) y digitales analogicos(D/A).
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Actuadores
Son los dispositivos electromecanicos que actuan sobre el medio exterior yafectan fısicamente al ambiente. Convierten una magnitud electrica enotra de otro tipo (mecanica, termica, etc.), realizando, de alguna manera,un proceso inverso al de los sensores. Los actuadores pueden mantenerniveles de salida continuos o discretos. Ejemplos de actuadores pueden serlas ruedas de un robot, manipuladores, luces, sirenas, etc.
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Relevadores
Son interruptores que permiten continuar circuitos de potencia maselevada mediante una senal de baja potencia. Generalmente es undispositivo electromecanico que basa su funcionamiento en la actuacion.
Interruptores
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Sensor de Temperatura
Sensor de Temperatura TMP36
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Fotoresistores
Los fotoresistores son detectores fotorresistivos, que a menudo pueden sersustituidos por resistencias fijas o variables para hacer que un circuitoexistente sea sensible a la luz.
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Fotoresistores
La resistencia variable de un fotoresistor se puede cambiar a un voltajevariable por medio de un circuito divisor de voltaje simple.
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Fototransistores
La forma mas sencilla de utilizar un fototransistor es conectarlo a unaresistencia en serie. Entonces funciona como un detector fotoconductor.
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Fototransistores
Se usa un valor grande (∼ 100K a 1M) de Rs para tener una altasensibilidad. Se usa un valor pequeno (∼ 10K ) para senales rapidas,ademas siempre se debe proteger al fototransistor de la luz no deseada.
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Amplificadores Operacionales
Amplifica la diferencia de voltajes aplicado en las entradas + y -.
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Amplificadores Operacionales
Vout = AVOLVid
Avol = Ganancia de voltaje sin retroalimentacion
Rango de AVOL = [10000, 200000]
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Ejemplo: Amplificadores Operacionales
AVOL = 50000Si los voltajes de la fuente son ± 15 V y la eficiencia del Amplificadoroperacional es del 80 % ¿cual es el voltaje Vid que saturara el amplificador?Vsat = (0.80)(±15v) = ±12v
Vid =12v
50000= 0.24mV = 240µV
Con voltajes tan pequenos se puede entrar a saturacion muy facilmente, senecesita usar retroalimentacion para limitar la ganancia.
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Comparador de Voltaje
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Sensor Infrarrojo
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Comparador de Voltaje por Software
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Amplificador Inversor
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Amplificador Inversor
Asumamos que Vin es positivo con respecto a tierra:
a) El voltaje diferencial de entrada de un op amp es virtualmente cero.
b) La corriente que fluye a traves de las terminales de entrada diferenciales virtualmente cero.
La entrada + del operacional esta a tierra, entonces la entrada -esta virtualmente tambien a tierra.
VRin= Vin − Vid = Vm − 0V = Vin
Iin =VRin
Rin=
Vin
Rin
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Ejemplo
Si Rin = 20 K y Vin = 4 V
entonces Iin =4V
20K= 0.2mA
Salida del AmplificadorVout es un voltaje negativo dado que Vin fue positivo.Dado que la entrada – esta virtualmente al potencial de la tierra.
VRf= −Vout
If =VRf
Rf=−Vout
Rf
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Recordar que Iid ≈ 0.Usando las leyes de corriente de Kirchhoff
Iin = Iid + If = 0 + If
Iin = If
Iin =Vin
Rin= If =
−Vout
Rf
Vout =−Vin · Rf
Rin= −Vin
Rf
Rin= − Rf
Rin(+Vin) = AVVin
Ganancia = AV =−RF
Rin
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Ejemplo
a) ¿Cual es el voltaje de salida si Vin = −200mV ?
Vout =−50k
8k(−200mv) = (−6.25)(−200mV ) = 1.25
b) ¿Que voltaje de entrada se requerira para llevar la salida a la saturacionpositiva?
Asuma que los voltajes de la fuente son 15V y (Avol = 13000)
±Vin =±Vout
−6.25=±12V
−6.25= ±1.92
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El amplificador como derivador
Definiendo la impedancia Z1 como: Z1 = 1Cs
Vout(s) =−Rf
Z1
−Rf1
Cs
Vin(s) = −Rf C s Vin(s)
vout(t) = −Rf Cdvin(t)
dt
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El amplificador como integrador
Vout(s) =−Z1
RinVin(s) =
−1CsRin
Vin(s)
= − 1
Rin CsVin(s)
vout(t) =−1
Rin C
∫vin(t) dt
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Circuitos Sumadores
IR1 =V1
R1, IR2 =
V2
R2
If = IR1 + IR2 = −Vout
RF
−Vout
Rf=
V1
R1+
V2
R2
−Vout =Rf
R1V1 +
Rf
R2V2
Si R1 = R2 = Rf − Vout = V1 + V2Jesus Savage Leccion 4: Sensores 9 de octubre de 2020 28 / 38
Circuitos Sumadores
−Vout =Rf
R1V1 +
Rf
R2V2 + . . .+
Rf
RNVN
−Vout =40K
10KV1 +
40K
20KV2 = 4V1 + 2V2
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Circuitos Sumadores
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Amplificador Logaritmo
i =Vin
R= βoe
−α (Vout +Voff ) ⇒ Vin
R βo= e−α(Vout +Voff )
β y α son constantes del diodo en directa. Tomando el algoritmo de losdos lados:
log Vin − log R βo = −α (Vout + Voff )
Vout = − log Vin
α+
log R βo
α− Voff
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Amplificador Antilogaritmo
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Modelo de una Neurona Artificial
Las entradas de la neurona son xi , las cuales pueden provenir de lasentradas al sistema o de las salidas de otras neuronas.Los pesos wi multiplican cada una de las entradas.
y = f (n∑
i=1
wi xi − θ)
Donde f () es una funcion no lıneal. Haciendo el umbral θ = −w0 y x0 = 1
y = f (n∑
i=0
xi wi )
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Red Neuronal usando Amplificadores Operacionales
w0 =Rf
R0; w1 =
Rf
R1; . . . ; wN =
Rf
RN
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Amplificador Puente
Recuerde que cualquier red de dos terminales puede ser reemplazada por elequivalente de Thevenin; El brazo del sensor de resistencia se reemplazapor la fuente de voltaje v1 y una resistencia en serie, que es igual a Rs 2.
v1 =(Rx + ∆R)Vb
Rx + (Rx + ∆R)=
VbRx (1 + ∆R/Rx )
2Rx (1 + ∆R/2Rx )≈ Vb
2
(1 +
∆R
2Rx
)Donde se ha utilizado la expansion binomial de (1 + x)−1 conx = ∆R/2Rx para obtener el ultimo termino.
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Amplificador Puente
Figura: Circuito equivalente de puente-amplificador para el (a) amplificador noinversor; (b) subcircuito del brazo sensor.
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Amplificador Puente
Voltaje de Salida
vi = v1 − v2
=Vb
2(1 +
∆R
2Rx)− Vb
2
= +Vb
4
∆R
Rx
vo ≈A Vb
4
∆R
RxA =
Ra + 2Rb
Ra
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Amplificador de Instrumentacion
Figura: Amplificador de instrumentacion: (a)circuito, (b) sımbolo.
Las caracterısticas son (1) alta impedancia de entrada, especialmente conamplificadores operacionales FET en la entrada, (2) alta CMRR, o m, y(3) alta ganancia de precision. El alto rechazo de modo comun se logramediante el circuito dual de configuracion no inversora, que utiliza unaresistencia de realimentacion comun Ra.
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