Sensores 11BTPI
- 1. Tema 3 Sensores 1. Definición de sensor 2. Clasificación de sensores 3. Características generales 4. Descripción de sensores utilizados en robótica 1
- 2. Definición de sensor • Definición: – dispositivo que mide una magnitud física o química, por ejemplo, temperatura, presión, posición, velocidad, pH, etc., y la transforma, en la mayoría de los casos, en una señal eléctrica • Fases del proceso de medición de una magnitud física o química 2 SENSOR MAGNITUD FÍSICA O QUÍMICA SISTEMA ACONDICIONADOR DESEÑAL CONVERTIDOR A/ D SEÑAL ELÉCTRICA SEÑAL DIGITAL SISTEMA DE PROCESADO
- 3. Definición de sensor – Ejemplo 3 Galga extensométrica + puente de Wheastone Amplificador de tensión Tarjeta de adquisición de datos Computador Sensor Sistema acondicionador de señal Convertidor A/ D Sistema de procesado SEÑAL DIGITAL SEÑAL ELÉCTRICA Deformación mecánica de un material
- 4. Clasificación de sensores CLASIFICACIÓN TIPO DESCRIPCIÓN EJEMPLO Según la fuente de energía Generadores (activos) Utilizan la energía del medio donde miden Sensor piezoeléctrico Moduladores (pasivos) Necesitan de una fuente externa de energía Galga resistiva extensométrica Según la señal de salida Analógico La señal de salida es continua en el tiempo Sensor piezoeléctrico Digital La señal de salida es discreta en el tiempo Codificador óptico 4
- 5. Clasificación de sensores CLASIFICACIÓN TIPO DESCRIPCIÓN EJEMPLO Según el principio físico Resistivo Variación de una resistencia mediante un contacto móvil Potenciómetro Capacitivo Variación de la capacidad de conductores separados por un dieléctrico Sensor capacitivo Inductivo Variación de la inductancia de una o varias bobinas LVDT (Linear variable differential transformer) Termoeléctrico Variación de tensión cuando existe diferencia de temperatura entre las uniones de dos materiales distintos Termopar Piezoeléctrico Generación de carga eléctrica con la deformación mecánica de un material cristalino PZT sensor Piezorresistivo Variación de resistencia con la deformación mecánica Galga extensométrica Otros 5
- 6. Clasificación de sensores CLASIFICACIÓN TIPO DESCRIPCIÓN EJEMPLO Según la variable medida Presión El sensor mide la variable física que da nombre al sensor Sensor de “variable medida”. Temperatura Humedad Proximidad/contacto Posición/Desplazamiento Velocidad Aceleración Fuerza Sonido Caudal Otros 6
- 7. Características generales 7 • Características estáticas – hacen referencia al comportamiento del sensor en régimen permanente o estacionario • Características dinámicas – Hacen referencia a la evolución temporal de la señal eléctrica que proporciona el sensor entre dos estados estacionarios
- 8. Características generales • Características estáticas: – Rango: son los valores mínimos y máximos de las magnitudes físicas que el sensor puede convertir en señales eléctricas. – Precisión: es el error cometido entre el valor medido por el sensor y el valor real. – Repetitividad: es la capacidad de repetir una medición con una precisión dada. – Resolución: es la cantidad más pequeña que se puede detectar en la magnitud medida. Esta característica solo se da en aquellos sensores donde la salida cambia en forma de pequeños saltos ante una entrada continua. – Sensibilidad: es la variación de la señal de salida con respecto a la variación de la señal de entrada. – Linealidad: es la capacidad del sensor para que la señal de salida sea lineal con respecto a la variable medida. 8
- 9. Características generales • Características dinámicas – Tiempo de asentamiento o establecimiento: es el tiempo que tarda la señal de salida en estabilizarse, después de producirse un cambio brusco en la señal de entrada. – Pico de sobreoscilación: es el valor máximo que alcanza la señal de salida con respecto a su valor estabilizado, después de producirse un cambio brusco en la señal de entrada. – Tiempo de pico: es el tiempo que tarda la señal de salida en alcanzar el pico de sobreoscilación. 9
- 10. Sensores utilizados en robótica • Sensores de contacto – Este tipo de sensor detecta el contacto con un objeto al establecerse o interrumpirse un contacto eléctrico por medio de una fuerza externa – Esquema de funcionamiento – Ejemplos 10 Cables de conexión con el circuito eléctrico de control Muelle Interruptor Palpador Sensor de contacto del robot educacional Lego Sensor de contacto Octopus de Arduino
- 11. Sensores utilizados en robótica • Sensores de proximidad – Se utilizan para detectar objetos en las inmediaciones del robot, pero sin que exista contacto – Tipos: • Sensor capacitivo de proximidad. Se basa en el principio de funcionamiento de un condensador 11 Circuito electrónico detector Objeto Líneas de campo Electrodo Electrodo Sensor capacitivo de proximidad
- 12. Sensores utilizados en robótica – Tipos: • Sensor inductivo de proximidad. Basado en el efecto de inducción electromagnética. – Esquema de funcionamiento 12 Líneas de campo magnético variable Bobina Corriente eléctrica generada Objeto N S Circuito electrónico detectorimán bobina Líneas del campo magnético Sensor inductivo de proximidad
- 13. Sensores utilizados en robótica – Tipos: • Sensor de ultrasonidos. Se basa en utilizar ondas ultrasónicas que son reflejadas cuando encuentran un objeto en su camino – Esquema de funcionamiento 13 Objeto Emisor Receptor Onda reflejada Onda emitida Sensor de ultrasonidos Sensores de ultrasonidos Lego Arduino
- 14. Sensores utilizados en robótica – Tipos: • Sensor óptico o de luz. Miden la intensidad luminosa. Normalmente están constituidos por células fotoeléctricas (fotodiodos, fototransistores o fotorresistencias) y se utilizan junto con una fuente de luz (diodos láser o LED), – Esquema de funcionamiento 14 R Fototransistor Vcc Luz ic LED Sensores de luz Lego Arduino
- 15. Sensores utilizados en robótica – Estrategias para detectar la presencia de objetos con sensores de luz 15 Objeto Emisor Receptor Objeto Emisor Receptor Superficie reflectante Objeto Objeto Lentes Receptor 1 Receptor 2 Emisor a) b) c) a) Alineación del emisor y receptor b) Modo retrorreflectivo c) Modo basado en lentes
- 16. Sensores utilizados en robótica • Sensores de posición o desplazamiento – Se utilizan, en la mayoría de los casos, para conocer la posición lineal o angular de las articulaciones del robot, dependiendo de si estas son prismáticas o rotacionales – Tipos: • Potenciómetros. – Esquema de funcionamiento 16 V Vs x V Vs q a) b) R Rs qmaxxmax Rs R 𝑉𝑠 𝑉 = 𝑅 𝑠 𝑅 = 𝑥 𝑥 𝑚𝑎𝑥 = 𝜃 𝜃 𝑚𝑎𝑥 Lineal Angular
- 17. Sensores utilizados en robótica – Tipos: • Sensores capacitivos de desplazamiento. Se basan en la variación de la capacidad de un condensador para medir desplazamientos lineales o angulares • C es la capacidad del condensador • ϵ es la constante dieléctrica del medio que se encuentra entre las dos placas, • A es el área de las placas • d es la distancia entre ellas 17 Eje fijo Eje giratorio a) b) c) 𝐶 = 𝜖 𝐴 𝑑
- 18. Sensores utilizados en robótica – Tipos: • Sensores inductivos de desplazamiento. Se basan en el mismo efecto de inducción magnética explicado con los sensores de proximidad. Se dividen en: – Transformadores diferenciales » Miden desplazamiento lineal » Esquema de funcionamiento 18 VA VB Ve Vs Bobina primaria Bobinas secundarias Vs VA Ve VB D D Núcleo magnético 𝐷 = 𝐾 · 𝑉𝐴 − 𝑉𝐵
- 19. Sensores utilizados en robótica – Sincro-resolvers » Miden desplazamiento angular » Esquema de funcionamiento 19 Ve A BC Ve A B C Estátor Rotor Estátor de tres fases SINCRO Ve Ve A B Rotor Estátor Estátor de dos fases A B RESOLVER
- 20. Sensores utilizados en robótica – Codificadores ópticos (encoders) » Miden desplazamiento angular. Los hay de dos tipos: incrementales y absolutos » Esquema de funcionamiento Incremental Absoluto » Imagen de un encoder incremental 20 Emisor Receptor Eje de giro a) b)
- 21. Sensores utilizados en robótica • Sensores de velocidad (tacogeneradores) – El principio de funcionamiento es similar al de un motor de corriente continua, pero trabajando de manera inversa, es decir, convierte una energía mecánica de rotación en energía eléctrica – Esquema de funcionamiento 21 Eje de giro Estátor Rotor Tensióndesalida original Tensióndesalida rectificada
- 22. Sensores utilizados en robótica • Sensores de fuerza – Se utilizan para determinar las fuerzas y momentos con las que el extremo de un robot interactúa con un objeto. Se basan en la medición de la deformación que sufre un cierto material cuando se le aplican fuerzas o momentos determinados – Esquema 22 Pieza donde se aplican fuerzas y momentos x y z Galgas extensiométricas Sensor de fuerza
- 23. Sensores utilizados en robótica • Sensores de aceleración – Miden, como su propio nombre indica, la aceleración del cuerpo donde van colocados. 23
- 24. Sensores utilizados en robótica • Sensores de sonido (micrófonos) – Sirven al robot para realizar ciertas tareas a partir del sonido detectado. Estos sonidos pueden ser desde una simple palmada o grito hasta una palabra o frase 24 Robot móvil Cambio de dirección Sensor de sonido de Lego