Sensor -Electrosector/Lic- Edgardo Faletti-2014
0 recomendaciones404 vistas
Este documento describe los diferentes tipos de sensores, sus características y aplicaciones. Un sensor es un dispositivo que detecta magnitudes físicas o químicas y las convierte a señales eléctricas. Los sensores más comunes miden propiedades como temperatura, posición, velocidad y fuerza. Algunos ejemplos detallados son los potenciómetros, encoders y sensores de posición lineal o angular.
Sensor -Electrosector/Lic- Edgardo Faletti-2014
- 1. | Electrónica Sensores Elaborado por Lic. Edgardo Faletti Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Estas pueden ser por ejemplo: tempe-ratura, 20 | intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamien-to, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, etc. Una variable del tipo eléctrica puede ser del tipo resistivo como una resistencia eléctrica, tal las RTD (resistance tempe-rature detector), una capacidad eléctri-ca (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en una ter-mocupla), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc. Un sensor se encuentra siempre en con-tacto con la variable de instrumentación, con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades a fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Un ejemplo es el termóme-tro de mercurio, que aprovecha la pro-piedad que posee este elemento de di-latarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor, también puede decirse, es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Casi en cualquier tipo de máquina en-contramos sensores. Características que se deben co-nocer de un sensor • Rango de medida: dominio en la mag-nitud medida en el que puede aplicar-se el sensor. • Precisión: es el error de medida máxi-mo esperado. • Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la va-riable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset. • Linealidad o correlación lineal. • Sensibilidad de un sensor: supo-niendo que es de entrada a salida y la variación de la magnitud de entrada. • Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede de-tectarse a la salida. • Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto va-ríe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada. • Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de en-trada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser con-diciones ambientales, como la hume-dad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor. • Repetitividad: error esperado al re-petir varias veces la misma medida. Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se desea medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación direc-ta (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display), de modo que los valores detec-tados puedan ser leídos por un humano. Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura direc-ta y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicio-namiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros elec-trónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de los circuitos. Resolución y precisión La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida. La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al me-dir una distancia la resolución es de 0,01 mm, pero la precisión es de 1 mm, en-tonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de 0,01 mm, pero no puede asegurarse que haya un error de medición menor a 1 mm. En la mayoría de los casos este exceso de resolución conlleva a un exceso innecesario en el coste del sistema. No obstante, en estos sistemas, si el error en la medida sigue una distribución normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos, la repetitividad po-dría ser de un valor inferior a la precisión. Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de entrada que puede ob-servarse en la magnitud de salida. Tipos de sensores Existen una gran variedad de sensores que se ajustan a distintas realidades de medición. Las magnitudes que se pue-den medir son: • Posición lineal o angular • Deformación ENTREGA 1
- 2. | 21 Electricidad |
- 3. 22 | | Electricidad • Velocidad lineal y angular • Aceleración. • Fuerza y par (deformación) • Caudal • Temperatura • Presencia • Táctiles • Visión artificial • Proximidad • Acústico (presión sonora) • Acidez • Luz • Captura de movimiento En este documento se detallan algu-nos de ellos. Posición lineal o angular Potenciómetro La magnitud afecta al valor resistivo del sensor, el ejemplo siguiente (Figura 1) lo demuestra. Para el caso de la figura 1, al variar el ni-vel de combustible se modifica el valor del potenciómetro. Esto trae como con-secuencia una variación proporcional de la corriente que es medida por el instru-mento. El instrumento corresponde a un miliamperímetro cuya escala refleja los distintos niveles del tanque. La variable medida es analógica. Cuando se diferencia de la posición li-neal o angular, se hace referencia al ti-po de sensor. Esto último está en fun-ción de su desplazamiento, que tiene el cursor que modifica de manera directa al valor de su resistencia. Encoder (Codificador) Este tipo de sensor entrega señal del tipo digital, un ejemplo sencillo es que la varia-ción del valor medido se traduzca en un conjunto de números binarios. Estos co-rresponden al valor de la misma variable. El funcionamiento corresponde a un con-versor del tipo analógico a digital (CAD). Hay una gran variedad de encoders; una aplicación típica de estos se encuentra en los motores de continua (DC). Como ejemplos cercanos tenemos los motores de trenes o los generadores de las turbi-nas eólicas. Su función es la de conver-tir Instrumento el movimiento mecánico (giros del eje) en pulsos digitales o también en análo-gos que pueden ser interpretados por un controlador de movimiento. El disco codificado está construido de vi-drio o plástico. La codificación está desa-rrollada entre las partes transparentes y opacas que dejan o no pasar la luz emi-tida por la fuente. La luz utilizada es nor-malmente infrarroja (IR). A medida que el eje rota, el emisor infrarrojo emite luz que es recibida por el sensor óptico (o foto-transistor), Resistencia generando los pulsos digitales a medida que la luz cruza a través del dis-co o es bloqueada en diferentes seccio-nes de este. Esto produce una secuen-cia que puede ser usada para controlar el radio de giro, la dirección del movimiento e incluso la velocidad. Existen básicamente cinco tipos de en-coders, según sus diseños básicos y funcionalidad: 1. Incremental Combustible Tanque de combustible Batería A A Cursor de posición angular Cursor de posición vectorial (recto) Figura 1. Sensor potenciómetro aplicado a un tanque de combustible Figura 2. Sensor potenciómetro de posicionamien-to angular Figura 3. Encoder óptico-Disco codificado Figura 3. Sensor potenciómetro de posición lineal Fotorreceptores Eje Disco codificado Placa de captura Fuente de luz Giro
- 5. 24 | | Electricidad 2. Absoluto 3. Óptico 4. Lineal 5. Cuadratura El encoder incremental, como su nom-bre lo indica, determina el ángulo de po-sición por medio cuentas incrementales. Esto quiere decir que el encoder incre-mental provee una posición estratégi-ca desde donde siempre comenzará la cuenta (Marca de cero). La posición actual del sensor es incre-mental cuando es comparada con la úl-tima posición registrada por el mismo. Estos son un tipo de encoder óptico y en este tipo de dispositivo, cada posi-ción es completamente única. Básica-mente cuenta pulsos. El sensor encoder absoluto se basa en la información provista para determinar la posición absoluta en secuencia. En este tipo se ofrece un código único pa-ra cada posición. Como observamos en la figura 5, el dis-co contiene varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares concéntri-cas, ubicadas de tal forma que en senti-do radial el rotor queda dividido en sec-tores, con marcas opacas y transparen-tes codificadas en código Gray. Un código Gray de cuatro bits lo vemos en la tabla 1. Los encoders absolutos se dividen en dos grupos: 1. Un solo giro. 2. Giro múltiple o multivueltas: puede detectar y almacenar más de una re-volución. Los encoders absolutos son más co-múnmente usados en motores eléctri-cos de corriente directa sin escobillas (Brushless). El encoder óptico (figura 1) es el tipo más comúnmente usado y consta bá-sicamente de tres partes: a. Fuente emisora de luz. Fotorreceptores Salida digital Marca de cero Led emisor Lente de colimación lentes cilíndricos Disco codificado D C B A Ubicación -ángulo 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 b. Disco giratorio. c. Detector de luz conocido como “fo-to detector”. LED emisor Eje de giro fotorreceptores Disco codificado de 8 bits 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0°-Inicio 22,5° 45,0° 67,5° 90,0° 112,5° 135,0° 157,5° 180,0° 202,5° 225,0° 247,5° 270,0° 292,5° 315,0° 337,5° El encoder del tipo lineal es un dispositi-vo o sensor que cuenta con una escala graduada para determinar su posición. Los sensores leen la escala para después Figura 4. Encoder Incremental Figura 5. Encoder Absoluto TABLA 1. Código Gray indica la zona en dónde se encuentra el rotor, específicamente su ángulo