Examen PDF

Dr. Toms SALGADO 1

Dr. Toms SALGADO 1

Introduccin a la Mecatrnica

Dr. Toms Salgado

Investigador

Dr. Toms SALGADO 2

Temario

1. Definicin de mecatrnica.- Qu es Mecatrnica?

2. Historia- Por qu surge la mecatrnica?

3. Importancia de la mecatrnica- Qu es un ingeniero o especialista en Mecatrnica?- Aplicaciones de la mecatrnica- Traditional vs Mechatronics

4. Perspectivas- Conclusiones

Dr. Toms SALGADO 3

1.- Definicin de Mecatrnica

Dr. Toms SALGADO 4

Qu es Mecatrnica?

Definicin de la compaa de componentes elctricos Yaskawa:

La palabra, Mecatrnica, esta compuesta de meca de mecnica y de trnica de electrnica.

En otras palabras, la Mecatrnica son las tecnologas y productos que incorporan electrnica y mecnica ntimamente ligados y haciendo imposible saber donde inicia una y termina la otra.

Dr. Toms SALGADO 2

Dr. Toms SALGADO 5

La combinacin sinrgica de la ingeniera mecnica, electrnica, control y computacin aplicada al diseo y la manufactura.

Qu es Mecatrnica?

Dr. Toms SALGADO 6

La combinacin sinrgica de la ingeniera mecnica, electrnica, control y computacin aplicada al diseo y la manufactura.

Qu es Mecatrnica?

Sinergia. (Del gr. sea, cooperacin).1. f. Accin de dos o ms causas cuyo efecto es superior a la suma de los efectos individuales.

2. f. Biol. Concurso activo y concertado de varios rganos para realizar una funcin.

Dr. Toms SALGADO 7

rea interdisciplinaria que envuelve la aplicacin simultanea de la mecnica, electrnica y computacin para el diseo de productos.

Campo interdisciplinario de la ingeniera que integra en forma innovadora y sinrgica (dar valor agregado), algunos conceptos y herramientas de la ingeniera mecnica, electrnica y el control computarizado, todo esto para el diseo y manufactura industrial de productos y procesos

Otras

Qu es Mecatrnica? (otras definiciones)

Dr. Toms SALGADO 8

Definicin de Mecatrnica de manera grafica

Dr. Toms SALGADO 3

Dr. Toms SALGADO 9

Filosofa de diseo integral.

Por qu existen otras definiciones de mecatrnica?

Dr. Toms SALGADO 10

2.- Historia de la Mecatrnica

Dr. Toms SALGADO 11

Historia Las disciplinas de la ingeniera

(Mecnica, Electrnica, Civil, Qumica) estuvieron separadas en el siglo XIX y casi todo el siglo XX. Actualmente, la electrnica es parte de casi todos los productos.

Dr. Toms SALGADO 12

El termino Mecatrnica fue usado inicialmente

a finales de los aos60s en la compaa de

componentes elctricos Yaskawa (en Japn),

para referirse a las aplicaciones de control

electrnico de los motores producidos por

Yaskawa.

Historia

Dr. Toms SALGADO 4

Dr. Toms SALGADO 13

En los aos 70s la mecatrnica fue

relacionada principalmente con la

servo tecnologa, por ejemplo:

puertas automticas y maquinas

expedidoras.

Durante los 80s se volvi comn el

uso de microcontroladores en los

sistemas mecnicos para mejorar

su desempeo, reducir su tamao y

costo.

Historia

Dr. Toms SALGADO 14

En los 90s, se incorporo la tecnologa

de comunicaciones haciendo posible la

conexin de los sistemas a Internet.

La Mecatrnica ha continuado

avanzando en: precisin, velocidad,

flexibilidad, miniaturizacin, seguridad,

consumo de potencia, inteligencia y

reduccin de costo.

Historia

Dr. Toms SALGADO 15

Por qu surge la mecatrnica?

?????...

Dr. Toms SALGADO 16

Los dispositivos y sistemas mecatrnicos son producto de la

evolucin natural de los sistemas automatizados.

Puede considerarse que esta evolucin tiene tres fases principales:

1. Sistemas automticos completamente mecnicos (antes y a inicios de

1800).

Controlador de maquilas de vapor de Watt,

inicio de la revolucin industrial.

2. Dispositivos automticos con componentes electrnicos, como

relevadores, transistores, amplificadores operacionales (de inicios de

1900 a 1970).

3. Sistemas automticos controlados por computadora (de la dcada de

1970 al presente).


Dr. Toms SALGADO 5

Dr. Toms SALGADO 17


Evolucin de la tecnologa

Evolucin en

los productos

Evolucin en

los mercados

Dr. Toms SALGADO 18

Evolucin de los productos

Ejemplo 1: El fongrafo 1/2

Puramente mecnico ~ 1910

- Potencia Cuerda.

- Fuerza de contacto (Gravedad)

Electromecnico

- Potencia: Motor de CD.

- Lazo abierto de velocidad.

Dr. Toms SALGADO 19


Ejemplo 1: El fongrafo 2/2

Electromecnico controlado

- Potencia Motor de CD.

- Sensor de velocidad angular.

Lector de discos compactos ->

-Control de velocidad angular.

- Control de cabeza lectora.

- Lector pticos.

- Cdigos de correccin de errores de lectura.Dr. Toms SALGADO 20

El CD player

Dr. Toms SALGADO 6

Dr. Toms SALGADO 21

Evolucin de los productosEjemplo 2: Lavadora 1/3

Sistema electro-mecnico

En el mejo de los casos:- Temporizador para controlar, nivel de agua y tiempo de lavado. Dr. Toms SALGADO 22

Lavadora moderna

Actuadores:

Motores de CD o AC

Sensores:

Nivel de liquido.

De carga.

Control


Ejemplo 2: Lavadora 2/3

Dr. Toms SALGADO 23

Sistema Mecatrnico


Ejemplo 2: Lavadora 3/3

- Microcontrolador.- Sensor de nivel de liquido.- Sensor de temperatura del agua.

- Sensor de carga.- Determinacin del tiempo de lavado en funcin de la carga (cantidad de ropa).

Dr. Toms SALGADO 24

-Mayor produccin- Ms rpido.

- Ms barato.

- Mejor calidad.

- Productos innovadores.

- etc.

-Mayores ventas

- Mejor posicin en el mercado

Evolucin de los mercados

Dr. Toms SALGADO 7

Dr. Toms SALGADO 25

Incremento en la complejidad de los sistemas

Parmetros de complejidad:

- Numero de componentes y tipos de componentes.

- El nivel de interaccin entre ellos.

- Numer de lneas de cdigo de software.

Dr. Toms SALGADO 26

Leonardo da Vinci fue el primer mecatrnico?

Leonardo's robot

Leonardo's robot refers to a humanoid automaton designed by Leonardo daVinci around the year 1495.

The design notes for the robot appear in sketchbooks that were rediscovered in the 1950s.

The robot is a knight, clad in German-Italian medieval armor, that is apparently able to make several human-like motions. These motions included sitting up, moving its arms, neck, and an anatomically correct jaw.

Dr. Toms SALGADO 27

3.- Importancia de la Mecatrnica

Dr. Toms SALGADO 28

Recapitulacin:


Evolucin en

Los productos

Evolucin en

los mercados

Productos ms complejos en su diseo y mantenimiento, por incluir 2 o ms disciplinas (mecnica, electrnica, etc.).

Mayor automatizacin y maquinaria ms sofisticada para la produccin, por ejemplo (Robots, tornos de control numrico, celular flexibles de manufactura, etc.)

Incremento en la complejidad de los sistemas

Dr. Toms SALGADO 8

Dr. Toms SALGADO 29


Evolucin en

Los productos

Evolucin en

los mercados

Productos ms complejos en su diseo y mantenimiento, por incluir 2 o ms disciplinas

(mecnica, electrnica, etc)

MECATRNICA

-Nueva tecnologa interdisciplinaria.

-Especialistas interdisciplinarios.

-Nuevo enfoque de diseo.

Mayor automatizacin y maquinaria ms sofisticada para la produccin, por ejemplo (Robots, tornos de control numrico, celular flexibles de manufactura, etc.)

Incremento en la complejidad

de los sistemas

Dr. Toms SALGADO 30

Importancia de la Mecatrnica

Es la disciplina de la tecnologa que nos

va a permitir adaptarnos a los nuevos

cambios tecnolgicos.

Nos permitir contar con una nueva

herramienta, para el diseo de productos

innovadores.

Dr. Toms SALGADO 31

Qu es un ingeniero o

especialista en Mecatrnica?

Una nueva pieza en el mundo de la tecnologa que nos va a

permitir adaptarnos a los cambios tecnolgicos, trabajando

en equipo con todas las otras piezas. T. Salgado

Dr. Toms SALGADO 32

El ingeniero en mecatrnica

remplaza a todos los otros?.

La Mecatrnica requiere de un conocimiento

interdisciplinario.

Trabajo en equipo.

Dr. Toms SALGADO 9

Dr. Toms SALGADO 33

Analoga con el ajedrez Dr. T. SalgadoEvolucin de los productos: El enemigo evolucion (piezas mutantes).Evolucin de los mercados: el tablero es diferentes.

Se recomienda ampliamente no jugar de manera tradicional, el utilizar nuevas piezas es una buena alternativa Dr. T. Salgado

Dr. T. Salgado

Dr. Toms SALGADO 34

- Ing. Mecnico.- Ing. Electrnico.- Ing. Control.- Ing. Sistemas computacionales

Cada uno de los especialistas tender a pensar en la solucin del problema en trminos de su rea de especialidad.

- Ing. Mecatrnica.

El ingeniero en mecatrnica remplaza a todos los otros?.

El Mecatrnico conoce de todos las especialidades, sin ser forzosamente especialista en ellas, y uno de sus papeles es el de ser el medio de comunicacin entre los diferentes especialistas.

- Diagrama de visualizacin de problemas con respecto a la experiencia (Background).

Dr. Toms SALGADO 35

Problema Interdisciplinario

Mecnico

Electrnico

Computacin

Cuando se intenta resolver un problema, las personas se basan en sus experiencias previas

Dr. T. Salgado Dr. Toms SALGADO 36

Problema Interdisciplinario

Mecnico

Electrnico

Computacin

Mecat

rnico

Dr. T. Salgado

Dr. Toms SALGADO 10

Dr. Toms SALGADO 37

Ingeniero en automatizacion Vs Mecatronico

SINODiseo Interdisciplinario

SINODisea un sistema con base a los requerimientosde produccin (controlar)

SINODisea mquinas / elementos

SISIIntegra sistemas

SISIDiagnostica procesos

SISIInstrumenta

SISIAutomatiza: Sincronizacin, Programa (PLC, PC)

MecatrnicaAutomatizacinndices de desempeo

Dr. Toms SALGADO 38

Ingeniero en Robtica VS Mecatrnica

SINODiseo Interdisciplinario

SINODisea sistemas con base a los requerimientos de produccin

SISIEstudios de viabilidad sobre el uso de Robots

SISIPrograma Robots

MecatrnicaRobticandices de desempeo

Dr. Toms SALGADO 39

La caracterstica bsica de los productos y

sistemas mecatrnicos son:

Buen desempeo.

Gran flexibilidad.

Su inteligencia.

Caractersticas de los productos

Aplicaciones de la Mecatrnica

Dr. Toms SALGADO 40


Aparatos electrnicos:

Reproductores de CD y DVD.

Control de velocidad de rotacin.

Control de la posicin del lector lser.

Filtros digitales de procesamiento de informacin.

Conversin de seales a digital analgico.

Dr. Toms SALGADO 11

Dr. Toms SALGADO 41


Aparatos electrnicos:

Cmaras de video y fotogrficas. Control de Servomecanismos de lentes pticos.

Algoritmos de autoenfoque.

Filtros digitales de movimiento.

Dr. Toms SALGADO 42


Sector Comercial:

Cajeros automticos y expedidores de bebidas y dulces.

Control de mecanismo expedidor.

Reconocimiento de monedas y algoritmo para devolver cambio.

Comunicacin con central.

Dr. Toms SALGADO 43


Sector Industrial:

Robots industriales.

Simulacin del robot.

Generacin de trayectoria y Control de posicin y velocidad.

Interfase hombre Maquina..

Dr. Toms SALGADO 44


Sector Industrial:

Tornos y fresadoras de control numrico.

Diseo mecnico de las piezas.

Control de velocidad y posicin de la herramienta.

Compensacin de desgaste de herramienta.

Dr. Toms SALGADO 12

Dr. Toms SALGADO 45


Sector Automotriz:

Autos modernos. Control de velocidad crucero.

Inyeccin electrnica de combustible.

Control de temperatura.

Encendido electrnico.

Suspensin activa.

Frenos antibloqueo.

Control de las bolsas de aire.

Dr. Toms SALGADO 46


Sector Informtico:

Discos duros.

Control de velocidad de giro

Control de la posicin de las cabezas lectoras.

Extraccin de informacin digital de medios magnticos.

Dr. Toms SALGADO 47


Sector Informtico:

Impresoras y ploters.

Control de la posicin de la cabezas de escritura.

Control de la tinta o del toner.

Dr. Toms SALGADO 48

Robot Mvil

Electrnica: De potencia motores.

Electrnica de instrumentacin para los sensores: ultrasnicos. encoders, etc.

Control: Control con

computadora interna.

Seguimiento de trayectorias.

Localizacin en el espacio.

Ejemplos de Aplicaciones

Dr. Toms SALGADO 13

Dr. Toms SALGADO 49


Inertial Geometry Tool - Girmetro

- Acelermetro

- Odmetro

- Brazos deformacin

-Seguidor / amplificador

- Sensor Ultrasnico o Magntico

Pipe Inspection Gage (PIG)

Dr. Toms SALGADO 50

Dr. Toms SALGADO 51

Robot Submarino

Mecnica:

Diseo para soportar

grandes presiones.

Electrnica: De potencia.

Electrnica de

instrumentacin para los

sensores: Inerciales, de

profundidad, etc.

Control: Control con

computadora interna.

Seguimiento de

trayectorias.

Compensacin de

perturbaciones.


Dr. Toms SALGADO 52

Modelo de los sistemas Mecatrnicos

Dr. Toms SALGADO 14

Dr. Toms SALGADO 53

Mechanical Sistema fsico.

Actuators Actan en el ambiente.

Sensors Monitorean aspectos del ambiente.Electronics La interfase entre los sensores y actuadores.

Computing Procesa la informacin.

Control Proporciona el control a los actuadores en respuesta a un estado particular del sistema.

Desire System Perf. El estado deseado del sistema.

Mechatronics system Components

Dr. Toms SALGADO 54

Traditional vs. Mechatronics

P procesadores, PLC, que proveen flexibilidad.

Control con relevadores y circuitos de lgica digital

Proceso de control distribuido, con controles individuales.

Computo centralizado y secuencial.

Enfoque MecatrnicoEnfoque Tradicional

Dr. Toms SALGADO 55

Traditional vs. Mechatronics

Control automtico y/o programable.

Control manual

Sistemas compactos.Sistemas voluminosos

Mecanismos simplificadosMecanismo complejos.

Enfoque MecatrnicoEnfoque Tradicional

Dr. Toms SALGADO 56

Ventajas y desventajas de la mecatrnica en las empresas

Dr. Toms SALGADO 15

Dr. Toms SALGADO 57

4.- Perspectivas

Dr. Toms SALGADO 58

- Los consumidores requieren productos individualizados, que satisfagan sus necesidades.

- El Software incrementar la funcionalidad de los sistemas.

- Los sistemas mecnicos e hidrulicos sern remplazados por sistemas elctricos y electrnicos.

- Se incrementar el uso de sistemas micro-electrnicos con el uso de sensores inteligentes.

- Se incrementara el uso del Internet y la realidad virtual.

- Las normas que rigen el medio ambiente, sern reforzadas.

Perspectivas generalesLos requerimientos del mercado y las tendencias tecnolgicas son los

principales propulsores de la nueva generacin de productos mecatrnicos.

Dr. Toms SALGADO 59

Tendencias tecnolgicas para el diseo de productos

Dr. Toms SALGADO 60

Tendencias tecnolgicas para el diseo de productos

Dr. Toms SALGADO 16

Dr. Toms SALGADO 61

MEMs

MicroElectroMechanical System

Dr. Toms SALGADO 62

INTELIGENCIA ARTIFICIAL

Imitar el comportamiento y razonamiento humano.

El entendimiento de algn lenguaje natural, reconocimiento de imgenes, encontrar la ruta ptima para llegar a una objetivo especfico, etc.

Dr. Toms SALGADO 63

- Las tendencias tecnolgicas estn incrementando la complejidad de los productos.

- La formacin interdisciplinaria (mecatrnica) es importante para adaptarse a los cambios, sin embargo no es suficiente.

- La combinacin de los esfuerzos de las diferentes rea de la ingeniera es indispensable para afrontar los cambios tecnolgicos.

-Trabajar duro para lograr tener la formacin interdisciplinaria que requiere un mecatrnico.

- Identificar en cada caso que requieren fortalecer para lograr laformacin interdisciplinaria que debern tener al termino de la especialidad.

Conclusiones

Dr. Toms SALGADO 64

Gracias por su atencin!

FIN

1Dr. Toms SALGADO 1

MEMs

MicroElectroMechanical System

Dr. Toms Salgado

Investigador

Dr. Toms SALGADO 2

Dr. Toms SALGADO 3

Tecnologa de los circuitos integrados

Dr. Toms SALGADO 4

2Dr. Toms SALGADO 5

MEMs

Proceso de fabricacin

Dr. Toms SALGADO 6

MEMsMicroElectroMechanical Systems

Escalas y dimensiones

Dr. Toms SALGADO 7 Dr. Toms SALGADO 8

MEMs

Productos

Engranes Sensores

Motores Grippers

3Dr. Toms SALGADO 9 Dr. Toms SALGADO 10

Video MEMs

Dr. Toms SALGADO 11

Ejemplo de productos:

Acelermetros

Girmetros

Dr. Toms SALGADO 12

Sensor principle Acceleration sensors principally function as spring-mass-systems.

An external acceleration causes a movement of the mass, which isdetected by a appropriate sensing principle.

The dynamic properties of the acceleration sensor are determined by the resonance frequency of the spring-mass-system

The spring returns the mass back to its zero position. The linear force-path characteristic of the spring causes the deflection of the mass to be proportional to the external acceleration to be sensed.

The damping of the moving mass, e.g. by the air in the sensor package.

Acelermetros

4Dr. Toms SALGADO 13

Accordingly the behavior of an acceleration sensor can be mathematically described by a 2nd order differential equation:

where x is the deflection of the proof mass m, k the spring constant and c the damping constant of the system. The external acceleration to be measured is described by the function a(t).

)()(2

2

tmatFkxdt

dxc

dt

xdm

Sensor principle

Dr. Toms SALGADO 14

A similar type of piezoresistive acceleration sensor is shown in the cross sectional view of the follow Fig.

The sensor chip is fabricated from two separate silicon wafers. The sensor chip is bonded to a glass substrate (Si-Si Bond line), which also

acts a overload protection stop for downward movements of the test mass.

For upwards movements an additional stop has been integrated into the bulk micromachined sensor structure.

The gap between the test mass and the pyrex substrate is also being used to provide a controlled air damping of the test mass.

Micro-machined acceleration sensors

Dr. Toms SALGADO 15

Surface micromachined capacitive acceleration sensorsThe Fig. shows the schematic design of the first surface micromachined

acceleration sensor ADXL50 of Analog Devices.

Very typical for almost all surface micromachined acceleration sensors is the comb-like (peine) inertial mass, which is suspended by thin tethers approximately 1 m above the substrate wafer.

The capacitive read-out structure consists of three sets of fingers, two of which are stationary, while the third is part of the inertial mass.

All fingers and the inertial mass have a structural height of only 2 m and consist of polycristalline silicon.

The stationary and the moving fingers together form a differential capacitor, i.e. when an acceleration acting parallel to the central axis leads to a deflection of the inertial mass and the moving electrodes, one capacitance increases, while the other decreases.

Dr. Toms SALGADO 16

Surface micromachined capacitive acceleration sensorsThe ADXL 50 uses a feedback mechanism to improve linearity and increase the

usable measuring range.

The output voltage is proportional to the deflection and consequently to the acceleration.

The Two phase square wave signals with a frequency of about 1 MHz are supplied by the two capacitances.

Due to the small structural heights the total capacitance of surface micromachined accelerometers, e.g. 100 fF(f femto 10-15) and consequently also the changes in capacitance which need to be detected are quite small e.g. 100 aF (a atto 10-18) for an acceleration of 1 g.

The small signal levels in conjunction with the comparatively small masses lead to a much larger noise level. These sensors definitely require an on-chip detection electronics.


Surface micromachined capacitive acceleration sensors

The in-plane configuration of the sensitive axis of surface micromachinedacceleration sensors allows for an easy integration of two separate orthogonal accelerometers on one chip.

The optical micrographs show the ADXL 202 sensor, one can clearly see the single inertial mass and the two orthogonal sets of combs. The mass is suspended by a two suspension spring, which allows only movements in two orthogonal directions. The advantage of this type of design is the larger inertial mass, leading to a more sensitive sensor with a better signal-to-noise ratio.

Dr. Toms SALGADO 18

Airbag deploymentCrash detection systems

typically include a number of different sensors, like:

- Sensitive sensors (precrashsensor), located in the front and

- Side impacts sensor.- A main acceleration sensor

located in the passenger cabin.

- In order to avoid the unnecessary firing of an airbag modern airbag systems also include seat occupation sensors.

Dr. Toms SALGADO 19 Dr. Toms SALGADO 20

GirmetrosFunctional principles of angular rate sensors

6.2.3 Angular rate sensors based on the Coriolis effect

The Coriolis effect was used by Foucault to demonstrate the rotation of the earth by means of a pendulum (see Fig.). In an inertial reference frame the plane of oscillation of the pendulum stays constant if no other force besides gravity act on the pendulum. However, when seen from the rotating reference frame of the earth, the plane of oscillation slowly turns. The rate of turn depends on the position of the pendulum on the earth. The effect is largest at the poles and vanishes at the equator.

This can be seen directly from the following equation for the Coriolis force acting on a point-like mass m moving with velocity v in a reference frame rotating with angular velocity :


6.4 Bulk micromachined angular rate sensors

A micromachined automotive angular rate sensor, which also uses a tuning fork structure, is shown in Fig.

It consists of two bulk micromachined silicon chips bonded together by silicon fusion bonding. The tines oscillate out of the plane of the chips. The excitation is achieved by thin piezoelectric films deposited on the planar tines. Rotation of the sensor around the stem of the tuning fork causes a common torsional movement of the tines, which is detected via measuring the resulting shear stress on the surface of the stem by diffused piezoresistors.

Dr. Toms SALGADO 22

6.4 Miniaturized piezoelectric angular rate sensors

The angular rate sensor developed by Bosch shown in the Fig. employs completely different excitation and detection principles.

It consists of two bulk micromachined proof masses suspended by springs from an outer frame. The two masses are coupled by an additional spring.

They can be excited to vibrate by means of Lorentz forces acting on current carrying conductors on the surface of the chip (red lines in Fig.) in an external magnetic field, which is generated by a permanent magnet mounted underneath the sensor chip.

The two proof mass structures each carry a surface micromachinedacceleration sensor on their top surface.

Dr. Toms SALGADO 23


A rotation of the sensor around an axis normal to the plane of the chip results in Coriolis forces acting on the two masses in opposite directions, but orthogonal to the oscillation direction.

These forces are detected by means of the two capacitive acceleration sensor. It is possible to differentiate linear accelerations from rotations acting on the sensor chip, since the two masses always have opposite velocities. The difference of the two acceleration sensor signals is a measure of the angular rate.

Dr. Toms SALGADO 24


This yaw-rate sensor has a sensitivity of 18 mV/(/s) over a measuring range of +/- 100 /s.

Without external temperature compensation schemes, the temperature dependence would cause an offset amplitude of 0.5 /s over a temperature range from - 40 C to 85 C.

The figure show a wafer with the Bosch yaw rate sensor and a detail.


In the automotive sector the most important axis is the yaw axis angular rate.

One example is in active suspension systems and anti-skidding (anti-derrape) systems, like the ESP system (Electronic Stability Program) for

automobiles.

The heart of the ESP system is a yaw rate sensor, whose signal is compared with the theoretical yaw rate calculated from the steering angle

of the wheels and the velocity of the car. If the two yaw rates differ, the car

must be skidding. The ESP system then uses the ABS system to brake

individual wheels in order to get the car back in a controlled motion mode.

6.1 Introduction

l

r

rV

id

id

2

2ZZZZZ

Dr. Toms SALGADO 26

Angular rate sensors are also used for roll-over detection in cars in order to activate safety systems, like active seat-belt fasteners, lateral airbags.

6.1 Introduction

Dr. Toms SALGADO 27

Navegacin inercial en un solo circuito integrado

Estructura de sensores distribuidos.

Sistemas embebidos (Sensor, electrnica, actuador, etc).

Sistema de almacenamiento masivo de datos.

Etc.

Aplicaciones

Dr. Toms SALGADO 28

8Dr. Toms SALGADO 29 Dr. Toms SALGADO 30

Dr. Toms SALGADO 31

Fuerzas electrostticas.

Se tienen ultra baja masa.

Los sistemas pticos tienen que ser ultra precisos, para no ser afectador por las deflexiones en las anchos de banda de las ondas de luz.

Otros relacionados con el tamao.

Problemtica

Dr. Toms SALGADO 32

Fin

12.- Sensores y actuadores

Introduccin

Los sensores y actuadores son la parte medular de cualquier proceso de control en lazo cerrado, de ah la importancia de tener en mente las caractersticas generales de estos elementos. De hecho se puede afirmar que, un proceso de control es igual a la suma de:

3Sensor: El trmino sensor se refiere a un elemento que produce una seal relacionada con la cantidad que se est midiendo. Por ejemplo, en el caso de un elemento para medir temperatura mediante resistencia elctrica, la cantidad que se mide es la temperatura y el sensor transforma una entrada de temperatura enun cambio de resistencia.

Actuadores: Los actuadores son los elementos del sistema de control que transforman la salida del proceso en una accin de control para una maquina o dispositivo. Por ejemplo, transformanuna salida elctrica del control en un movimiento lineal que realiza el desplazamiento de una carga.

Ejemplos de actuadores: Motor de CD Pistones Neumticos e Hidrulicos.

Caractersticas de los sensores:Pag. 12, 13 y 14

4Clasificacin de sensoresLos sensores se pueden clasificar de diferentes maneras considerando, su utilidad, principio, tipo de seal que entregan, etc. Una clasificacin general es hacerlo por activos o pasivos. En los sensores pasivos la energa requerida para producir la salida es producida por el fenmeno fsico que se est midiendo (por ejemplo, un termopar). En cambio para los sensores activos requieren una fuente de potencia externa.

En la Tabla siguiente son listados varios tipos de sensores clasificados por su objetivo de medicin. Dicha lista no es exhaustiva, debido a la gran variedad de sensores que existen actualmente en el mercado. Para mayor informacin se recomienda revisar al bibliografa propuesta y la pgina de proveedores de sensores.

Sensor de no contacto, usado para altas temperaturas.Infrarrojo

Respuesta lineal y alta sensibilidad.RTD (Resistor Temperatura Detector)

Alta sensibilidad en rangos de temperatura superior a 100qC.Termistor

Son de bajo costo y son usados para medir altas temperaturas.

Termopares

Sensor de temperatura

Interruptor. Sensores de contacto

Para medir fuerza.Sensores piezoelctricos

Cambio de velocidad.Acelermetro

Medir velocidades angulares.Girmetro

Usados para medir nivel de liquido, detectar presencia, etc.

Sensor capacitivo

No requieren de un contacto fsico para la medicin.Sensores de efecto Hall

Usados para medir posicin rotatoria absoluta o incremental.

Codificadores pticos (encoders)

Rotacin y desplazamiento lineal

Utilidad / CaractersticasSensor

5Usado para detectar fallas en tuberas pequeas.Sensor micro ultrasnico

Tamao pequeo y alta resolucin en imgenes.Sensor CCD para cmara

Micro y Nano sensores

Usados como sensores de fuerza, aceleracin, etc.Piezoelctricos

Usados como sensores de fuerza, nivel de liquido, temperatura, etc.

Fibra ptica

Sensores de materiales especiales

Robustos y no requieren contacto fsico.Inductivos, efecto Hall, fotoelctrico, capacitivo, etc.

Sensor de proximidad

Clasificacin de actuadoresComo se mencion anteriormente, los actuadores son los elementos encargados de realizar las acciones de control en un proceso. Para esto el actuador realiza un cambio de energa, por ejemplo un actuadorhidrulico se encarga de convertir la energa de un fluido en energa mecnica. Un motor elctrico convierte energa electromagntica en energa mecnica rotatoria, etc.Los actuadores pueden ser clasificados por su principio de conversin de energa, algunos ejemplos son:

- Principio electromagntico. Motores elctricos.

Relevadores.

- Hidrulicos. Vlvulas hidrulicas. Cilindros hidrulicos.

- Neumticos. Vlvulas neumticas. Cilindros neumticos.

10

Codificadores pticos

11

Son sensores que se basan en la interrupcin de un rayo de luz infrarroja.

Codificadores pticos

ENCODERS Relativos

12

ENCODERS Absolutos

13

ENCODERS Absolutos

Por qu cdigo Gray en lugar de Cdigo

Binario?...

011

101

110

000

SalidaBAOR Exclusivo

Gray to Binary

14

Codificadores pticos (ENCODERS)

15

Permiten detectar posiciones lmite de los mecanismos.

Interruptores lmite

Interruptores y botones APED

Interruptores lmite

16

Formas de conexin:

Interruptores lmite

17

Sensores de proximidad Inductivos

18

Sensores de proximidad Inductivos

20

Sensores de proximidad pticos

21

Son activados por medio de un flujo magntico, y se colocan alrededor del rotor del motor o en una lnea de ensamble.

Sensores efecto Hall

24

Depending on the packaging pressure sensors can be used to measure: Absolute pressure: It is equal to gauge pressure plus atmospheric pressure. Gauge pressure: It is equal to absolute pressure minus atmospheric pressure. Differential pressure: is the difference in pressure between two points.

The pressure with respect to a reference pressure, such as the ambient pressure.

Functional principle

25

Piezoresistive pressure sensorsSurface micromachined piezoresistive pressure sensors- Although most piezoresistive pressure sensors are fabricated by bulk

micromachining, it is also possible to manufacture pressure sensors with piezoresistive read-out by a surface micromachining process. The advantage of the surface micromachined sensors is mostly their extremely small size. However, in terms of sensitivity and accuracy they are in general inferior to their bulk micromachined counterparts.

- The Figure show a Schematic of a surface micromachined piezoresistive pressure sensor

Diaphragm diameter: 100m, cavity pressure: 200 mTorr

Piezoresistive pressure sensorsMPX2200

200 kPa On-Chip Temperature

Compensated & Calibrated

Pressure Sensors

Bonding

The MPX2200 series device is a silicon piezoresistive pressure sensor providing a highly accurate and linear voltage output - directly proportional to the applied pressure. The sensor is a single monolithic silicon diaphragm with the strain gauge and a thin-film resistor network integrated on-chip. The chip is laser trimmed for precise span and offset calibration and temperature compensation.

They are designed for use in applications such as pump/motor controllers, robotics, level indicators, medical diagnostics, pressure switching, barometers, altimeters, etc.

26

Sensores de presin de diafragma

27

Piezoresistive pressure sensors, for automotive applications

In many applications such packages are themselves mounted in larger housings to enable easy assembly and further protection. The show a piezoresistivepressure sensor for automotive applications.

28

Application

Cowealth TPMS Wireless issues early warnings of potential tire failure by checking

tire pressure and temperature in real time. Drivers are well-informed right at

their driver seats with the most up-to-date tire condition reports from

Cowealth TPMS Wireless.

When a High pressure, Low pressure or flat tire

is detected a Wireless signal is sent by the

sensor to the display.

Application

29

Application

Advantages

Sensores de flujo de fluidos

30

Placa de orificio

Turbina

31

Medidor electromagntico

Medidor ultrasnico

32

Sensores de nivel de liquido

Medidor con flotador

33

Medidor por presin diferencial

Medidor por conductividad

1Sensores de Temperatura

Bandas bimetlicas

2Thermocouples (Bimaterials Thermometers)

John Harrison Clock DURING THE GREAT AGES of exploration,

"the longitude problem" was the gravest of scientific challenges. Lacking the ability to determine their longitude, sailors were literally lost at sea as soon as they lost sight of land. Ships ran aground on rocky shores; those traveling well-known routes were easy prey to pirates.

In 1714, England's Parliament offered a huge reward to anyone whose method of measuring longitude could be proven successful. The scientific establishment-from Galileo to Sir Isaac Newton-had mapped the heavens in its certainty of a celestial answer. In stark contrast, one man, John Harrison, dared to imagine a mechanical solution- a clock that would keep precise time at sea, something no clock had been able to do on land. And the race was on...

Used metals expansion and contraction properties

Medidor de temp. Por resistencia (RTD)

3Resistive Temperature Detectors (RTDs)

RTDs use the effects of temperature change on conductivity.

Uses resistive wires made of materials such as,- platinum

- nickel

- copper

- nickel-iron

These devices typically have positive temperature coefficients that cause resistance to increase linearly with temperature.

Medidor de temp. Por resistencia (RTD)

4Resistive Temperature Detectors (RTDs)

Resistance of Metals

Whether an RTDs element is constructed of platinum, copper, or nickel, each type of metal has a different sensitivity, accuracy, and temperature range.

The Figure shows the sensitivity for the most common metals used to build RTDs.

Platinum, a noble metal, has the most stable resistance-to-temperature relationship over the largest temperature range 184.44C to 648.88C. Platinum is a common choice for RTD sensors because it is known for its long-term stability over time at high temperatures.

Resistive Temperature Detectors (RTDs)

Advantages,- stable

- accurate

- more linear than thermocouples

Disadvantages,

- expensive

- requires a power supply

- small absolute resistance and resistance change

- self heating

5Termistor

Termopares

6Termopares

Thermocouples

Advantages,

- self powered

- simple, rugged

- inexpensive and commonly available

- wide temperature ranges

Disadvantages,

- nonlinear

- low voltage

- reference devices needed

7Semiconductor Junction Thermometers

Temperature sensors can be easily produced with semiconductor processing technology by using the temperature characteristics of the pn junction.

the typical temperature operating range of 55C to +150C.

Most semiconductor junction temperature sensors use a diode-connected bipolar transistor (shortcircuited collector-base junction). A constant current passed through the base-emitter junction produces a junction voltage between the base and emitter (Vbe) that is a linear function of the absolute temperature (Figure).

Semiconductor Junction Thermometers

As shown in the Figure a silicon temperature sensor has a nominal output of 730 mV at 40C and an output of 300 mV at 150C.

The linearity error, or variation from a straight line, of this device is shown in Figure . The total accuracy is within 3.0 mV including nonlinearity which is typically within 1C in the range of 40C to 150C.

8Semiconductor Junction Thermometers

Integrated circuit temperature sensors LM35 Linear output: 10 mV/C -55 150 C range 4 30 V input needed Accurate to at least 0.75 C Cheap Relatively slow

9Infrared Cameras

Infrared Thermometers

The Fluke 576 Photographic

Non-contact Thermometer

Infrared temperature

measurement with digital photos.

1Otros sensores

2Development of the acceleration sensors

3Girmetro

4Cmara digital:

En aplicaciones industriales se est generalizando el uso de las

cmaras digitales para procesos de control de calidad , por

ejemplo:

-Componentes electrnicos.- Revisar etiquetas de la marca. - Control de calidad (medidas del producto, color o defectos).

En las aplicaciones de la robtica se usa tambin con

frecuencia debido a la gran cantidad de informacin que se

puede obtener

La desventaja principal consisten:

-Algoritmos de identificacin complicados.- No permite cambios de iluminacin.

5Seleccin de Sensores

Seleccin de Sensores: Al seleccionar un sensor para una aplicacin en particular hay que considerar varios factores:

1. El tipo de medicin que se requiere, por ejemplo, la variable que se va a medir, su valor nominal, el rango de valores, la exactitud, velocidad de medicin y confiabilidad requeridas, las condiciones ambientales en las que se realizar la medicin.

2. El tipo de salida que se requiere del sensor, lo cual determinar las condiciones de acondicionamiento de la seal, a fin de contar con seales de salida idneas para la medicin.

3. Con base en lo anterior se pueden identificar algunos posibles sensores, teniendo en cuenta rango, exactitud, linealidad, velocidad de respuesta, confiabilidad, facilidad de mantenimiento, duracin, requisitos de alimentacin elctrica, solidez, disponibilidad y costo.

6Ejemplos de aplicacin

Interiores (In-door)

Robots mviles

Exteriores (Out-door)


- Girmetro

- Acelermetro

- Codificadores

- Sensor Ultrasnico

- Cmara

- Sensor de contacto

- Sensor Lser

- etc.

7Ejemplos de Aplicaciones

Corrosion Inspection Tool

Inertial Geometry Tool

- Girmetro

- Acelermetro

- Odmetro

- Brazos deformacin

-Seguidor / amplificador

- Girmetro

- Acelermetro

- Odmetro

- Seguidos / amplificador

- Sensor Ultrasnico o Magntico

Pipe Inspection Gage (PIG)


(Torpedo for Active Inspection, Piloting and Autonomous Navigation)

Taipan 2 Largo 1.7 m Dimetro 0.2 m Peso 50 Kg

3 Sonares

Tarjeta pentium III (1,26 MHz)

Hlice de propulsin

GPS

comunicac. radio y Wifi

Cmara digital

Sonar Doppler (u,v,w)

Sonar lateral

Timones de direccin y profundidad

3 Girmetros (p,q, r)3 Inclinmetros (I,T,\)

11

2.- Sensores y actuadotes

2.1 Introduccin y definiciones

Los sensores y actuadores son la parte medular de cualquier proceso de control en lazo cerrado, de ah la importancia de tener en mente las caractersticas generales de estos elementos. De hecho se puede afirmar que, un proceso de control es igual a la suma de sensores ms computo ms actuadores, ver la Figura 2.1.

En esta seccin hablaremos de las principales caractersticas y principales tipos de sensores y actuadores.

Figura 2.1 Proceso de control de un sistema mecatrnico.

Sensor: El trmino sensor se refiere a un elemento que produce una seal relacionada con la cantidad que se est midiendo. Por ejemplo, en el caso de un elemento para medir temperatura mediante resistencia elctrica, la cantidad que se mide es la temperatura y el sensor transforma una entrada de temperatura en un cambio de resistencia. Con frecuencia se utiliza el trmino transductor en vez de sensor. Los transductores se definen como el elemento que al someterlo a un cambio fsico experimenta un cambio relacionado. Es decir, los sensores son transductores.

Actuadores: Los actuadores son los elementos del sistema de control que transforman la salida del proceso en una accin de control para una maquina o dispositivo. Por ejemplo, transforman una salida elctrica del control en un movimiento lineal que realiza el desplazamiento de una carga.

12

Los siguientes trminos son utilizados para definir el funcionamiento de los sensores:

Rango y margen: El rango de un transductor define los lmites entre los cuales puede variar la entrada. El margen es el valor mximo de la estrada menos el valor mnimo. Por ejemplo, una celda de carga utilizada para medir fuerzas, podra tener un rango de 0 a 50 kN y un margen de 50 kN.

Error: El error es la diferencia entre el resultado de una medicin y el valor verdadero de la cantidad que se mide.

realValormedidoValorError Exactitud: La exactitud es el grado hasta el cual un valor producido por un sistema de medicin podra estar equivocado. Es por lo tanto, igual a la suma de todos los errores posibles ms el error en la exactitud de la calibracin del transductor. Por ejemplo, si la exactitud de un instrumento para medir temperatura se especifica como valor de 2 qC, la lectura en el instrumento estar entre +2 y -2 qC del valor real. Precisin: Es el grado de concordancia dentro de un grupo de mediciones o instrumentos. La diferencia entre exactitud y precisin su muestra de manera clara en la Figura 2.2.

Figura 2.2 Exactitud y precisin.

Sensibilidad: Es la relacin que indica qu tanta salida se obtiene por unidad de entrada, es decir, salida/entrada. Por ejemplo un termmetro de resistencia puede tener una sensibilidad de 0.5 :/qC.

13

Error por histresis: Los transductores pueden producir distintas salidas de la misma magnitud que se mide, si dicha magnitud se obtuvo mediante un incremento o una reduccin continuos. A este efecto se le conoce como histresis. La Figura 2.3 muestra una salida de este tipo, donde el error por histresis es la diferencia mxima en la salida obtenida a partir de valores de incremento y de decremento.

Figura 2.3 Histresis.

Error por linealidad: Para muchos transductores se supone que en su rango de funcionamiento la relacin entre la entrada y la salida es lineal, es decir, la grfica de la salida respecto a la entrada produce una lnea recta. Sin embargo, son pocos los transductores en los que la relacin anterior es realmente una lnea recta; por ello, al suponer la existencia de esta linealidad se producen errores.

Repetibilidad / Reproducibilidad: Los trminos repetibilidad y reproducibilidad se utilizan para describir la capacidad del transductor para reproducir la misma salida despus de aplicar varias veces el mismo valor de entrada. Cuando ya no se logra obtener la misma salida despus de aplicar el valor de entrada, el error se expresa como un porcentaje de la salida a rango total.

100..

Re u totalrango

obtedomnimovalmxvaldpetibilida

Se dice que un transductor para medir la velocidad angular tiene une repetibilidad de 0.01% del rango total a una velocidad angular determinada.

Banda / tiempo muerto: La banda muerta o espacio muerto de un transductor es el rango de valores de entrada durante los cuales no hay salida. Por ejemplo, en la friccin de rodamiento de un medidor de flujo con rotor significa que no se produce salida hasta que la entrada alcanza cierto umbral de velocidad. El tiempo muerto es el lapso que transcurre desde la aplicacin de una entrada hasta que la salida empieza a responder y a cambiar.

Resolucin: Es el cambio mnimo del valor de la entrada capaz de producir un cambio observable en la salida. Por ejemplo, la resolucin de un potencimetro podra ser 0.05q,o quizs un porcentaje de la desviacin a escala total. Para sensores con salida digital, el cambio mnimo de la seal de salida sera de 1 bit. Por lo tanto, un sensor que produzca

14

una palabra de datos de N bits, es decir, un total de 2N bits, la resolucin se expresara como 1/2N.

Impedancia de salida: Cuando un sensor que produce una salida elctrica se vincula con un circuito electrnico, es necesario conocer la impedancia de salida dado que sta se va a conectar en serie o en paralelo con dicho circuito.

2.1.1 Caractersticas estticas y dinmicas de los sensores Las caractersticas dinmicas se refieren al comportamiento entre el momento en que cambia el valor de entrada y cuando el valor que produce el transductor logra su valor de estado estable. Las caractersticas dinmicas se expresan en funcin de la respuesta del transductor a entradas con determinadas formas. Por ejemplo, en una entrada tipo escaln, la entrada cambia bruscamente de 0 a un valor constante; en una entrad rampa, la entrada se modifica a velocidad constante; o en una entrada senoidal con una frecuencia determinada. Enseguida listaremos algunos trminos:

Tiempo de respuesta: Es el tiempo que transcurre despus de aplicar una entrada escaln constante, hasta que el transductor produce una salida correspondiente a determinado porcentaje, como 95% del valor de la entrada ver la Figura 2.4.

Figura 2.4 Respuesta a una entrada tipo escaln.

Constante de tiempo: Es el 63.2% del tiempo de respuesta. La constante de tiempo es una medida de la inercia del sensor, de qu tan pronto reaccionar a los cambios en su entrada; cuanto mayor sea la constante de tiempo ms lenta ser su reaccin ante una seal de entrada variable.

Tiempo de estabilizacin: Es el tiempo que tarda la salida en estabilizarse a un porcentaje de un valor determinado, por ejemplo, 2% del valor en estado estable.

2.2 Clasificacin de sensores

Los sensores se pueden clasificar de diferentes maneras considerando, su utilidad, principio, tipo de seal que entregan, etc. Una clasificacin general es hacerlo por

15

activos o pasivos. En los sensores pasivos la energa requerida para producir la salida es producida por el fenmeno fsico que se esta midiendo (por ejemplo, un termopar). En cambio para los sensores activos requieren una fuente de potencia externa.

En la Tabla 2.1 son listados varios tipos de sensores clasificados por su objetivo de medicin. Dicha lista no es exhaustiva, debido a la gran variedad de sensores que existen actualmente en el mercado. Para mayor informacin se recomienda revisar al bibliografa propuesta.

Sensor Utilidad / Caractersticas

Rotacin y desplazamiento lineal

Codificadores pticos (encoders)

Usados para medir posicin rotatoria absoluta o incremental.

Sensores de efecto Hall No requieren de un contacto fsico para la medicin. Sensor capacitivo Usados para medir nivel de liquido, detectar presencia,

etc.Girmetro Medir velocidades angulares. Acelermetro Cambio de velocidad. Sensores piezoelctricos Para medir fuerza. Sensores de contacto Interruptor.

Sensor de temperatura

Termopares Son de bajo costo y son usados para medir altas temperaturas.

Termistor Alta sensibilidad en rangos de temperatura superior a 100qC.

RTD (Resistor Temperatura Detector)

Respuesta lineal y alta sensibilidad.

Infrarrojo Sensor de no contacto, usado para altas temperaturas.

Sensor de proximidad

Inductivos, efecto Hall, fotoelctrico, capacitivo, etc.

Robustos y no requieren contacto fsico.

Sensores de materiales especiales

Fibra ptica Usados como sensores de fuerza, nivel de liquido, temperatura, etc.

Piezoelctricos Usados como sensores de fuerza, aceleracin, etc.

Micro y Nano sensores

Sensor CCD para cmara Tamao pequeo y alta resolucin en imgenes. Sensor micro ultrasnico Usado para detectar fallas en tuberas pequeas.

Tabla 2.1 Clasificacin de sensores por su objetivo de medicin.

16

2.3 Clasificacin de actuadores

Como se mencion anteriormente, los actuadores son los elementos encargados de realizar las acciones de control en un proceso. Para esto el actuador realiza un cambio de energa, por ejemplo un actuador hidrulico se encarga de convertir la energa de un fluido en energa mecnica. Un motor elctrico convierte energa electromagntica en energa mecnica rotatoria, etc. Los actuadores pueden ser clasificados por su principio de conversin de energa, algunos ejemplos son: x Principio electromagntico.

o Motores elctricos. o Relevadores.x Hidrulicos. o Vlvulas hidrulicas. o Cilindros hidrulicos. x Neumticos. o Vlvulas neumticas. o Cilindros neumticos.

2.4 Sensores

2.4.1 Sensores de rotacin y desplazamiento lineal

Potencimetro: Es un elemento resistivo que cuentan con un contacto deslizante que puede desplazarse a lo largo de dicho elemento. ste se puede utilizar tanto en desplazamientos lineales como rotacionales, el desplazamiento se convierte en una diferencia de potencial.Existen dos tipos de escalas de los potencimetros, que relacionan el ngulo de giro del potencimetro y el cambio en la resistencia elctrica del mismo. Estas escalas son; logartmicas o lineales. Las Figuras 2.5 y 2.6, muestran una fotografas y un diagrama de los potencimetros.

Figura 2.5 Potencimetros.

17

Figura 2.6 Diagrama elctrico de un potencimetro.

Ventajas: x Bajo costo. x Facilidad de implementacin. Inconvenientes:x La exactitud de la medida puede ser afectada por la temperatura. Sensor Capacitivo: La capacitancia C de un capacitor de placas paralelas est dada por la expresin:

d

AC r 0

HH Donde Hr es la constante de permitividad relativa del material dielctrico que est entre las placas, H0 es una constante conocida como dielctrica de espacio libre, A es el rea de sobreposicin de dos placas y d es la separacin entre las placas. Los sensores capacitivos para medir desplazamiento lineal pueden tener formas como las mostradas en la Figura 2.7, en a) una de las placas se mueve debido al desplazamiento, en b) del desplazamiento modifica el rea, y en c) el desplazamiento modifica la porcin de dielctrico que se encuentra entre las placas.

Figura 2.7 Formas de los sensores capacitivos.

Transformadores diferenciales: El transformador diferencial de varias lneas, ms conocido como LVDT por sus siglas en ingles, est formado por tres devanados espaciados de manera simtrica a lo largo de un tubo aislado (Figura 2.8). El devanado de en medio es el primario y los otros son secundarios idnticos conectados en seria de manera que sus salidas se oponen entre s. El desplazamiento que se monitorea desplaza a travs del tubo central un ncleo magntico.

18

Figura 2.8 Transformador diferencial LVDT.

Codificadores pticos:Un codificador es un dispositivo que produce una salida digital como resultado de un desplazamiento lineal o angular. Los codificadores de posicin se clasifican en dos categoras: codificadores de incremento, los cuales detectan cambio en la rotacin a partir de una posicin de datos y codificadores absolutos, que proporcionan la posicin angular real.La Figura 2.9 muestra la configuracin bsica de un codificador de incremento para medir un desplazamiento angular. Un haz luminoso, al atravesar las ranuras de un disco es detectado por un sensor de luz. Cuando el disco gira, el sensor produce una salida en forma de pulsos; la cantidad de pulsos es proporcional al ngulo que gira el disco. As, la posicin angular del disco y, por lo tanto, del eje al que esta acoplado, se determina mediante la cantidad de pulsos producidos desde una posicin. En la prctica se utilizan 2 pistas concntricas con sus respectivos sensores de luz. Las pistas presentan una seria de orificios a iguales distancias unas de las otras cubriendo toda la circunferencia del disco. Los orificios de la segunda pista estn separados la mitad del ancho de un orificio, esto con la finalidad de determinar el sentido de giro.

Figura 2.9 Codificador incremental.

La Figura 2.10 muestra el disco de un codificador absoluto. Con esta disco la salida es un nmero binario de varios dgitos que representa determinad posicin angular. Este disco tiene 10 pistas, y la cantidad de posiciones que es posible detectar es de 210, es decir 1024, con una resolucin de 360/1024 = 0.35q.

19

Figura 2.10 Disco de un codificador absoluto.

Los cdigos digitales ms frecuentemente usados son el cdigo Binario y el cdigo Gray. En la Figura 2.10 se muestran las pistas y sus respectivos cdigos binario y Gray, para un codificador de absoluto de 4 pistas.

Figura 2.11 Cdigo binario y Gray, para un codificar absoluto de 4 pistas.

Interruptores de proximidad: Existen diversas modalidades de interruptores que se activan por la presencia de un objeto y sirven como sensor de proximidad, cuya salida corresponde al estado de encendido o de apagado. Enseguida describiremos los sensores que son usados con mayor frecuencia:

Microinterruptor: Es un interruptor elctrico que requiere un contacto fsico y una pequea fuerza de accin para ser activado. Por ejemplo, si se desea determinar la presencia de un objeto en una banda transportadora, el interruptor es activado por el objeto. La Figura 2.12 muestra 3 microinterruptores.

20

Figura 2.12 Microinterruptores activados por palanca con rodillo y activado por polea.

Los microinterruptores pueden tener diferentes condiciones iniciales dependiendo de la aplicacin. Enseguida se listan las configuraciones ms comunes:

x Interruptor contacto normalmente abierto x Interruptor contacto normalmente cerrado x Pulsador contacto normalmente abierto x Pulsador contacto normalmente cerrado

Interruptor ptico: Su principio de funcionamiento se basa en la interrupcin de un haz de luz por un objeto, no requiere el contacto fsico con el objeto. Es instalado en maquinas rotatorias y el sensor generara un pulso cada vez que la maquina de un giro. La Figura 2.13 muestra en interruptor ptico.

Figura 2.13 Interruptor ptico.

Interruptor Reflexivo: Este interruptor en una variante de los interruptores pticos, pero en este caso el haz de luz es reflejo por el objeto. La Figura 2.14 muestra un interruptor reflexivo.

Figura 2.14 Interruptor reflexivo.

Interruptor de efecto Hall: Primeramente describiremos el principio del efecto Hall descubierto por E. R. Hall en 1879.

21

Efecto Hall descripcin del fenmeno: Cuando una placa metlica por la que pasa una corriente I se coloca en un campo magntico B, perpendicular a I, aparece una diferencia de potencial entre puntos opuestos en los bordes de la placa.

1

d

d

a

a

2

Los portadores de carga son electrones (q = - e), por lo tanto la velocidad del electrn es opuesta a I.Si B es el indicado en la figura, resulta que la fuerza que acta sobre el electrn es: BveBvqF u u Vemos, por tanto, que F sigue la direccin del eje y, con lo cual hay un desplazamiento de electrones hacia la derecha. El lado derecho de la placa se carga negativamente y el izquierdo positivamente. Aparece un campo elctrico en el sentido del eje y, y en consecuencia una diferencia de potencial entre los bordes de la placa (1 y 2).

La Figura 2.15 representa en sensor de efecto Hall, en este caso cada vez que pasa un imn proporcionndole un campo magntico al censor, este generara una diferencia de potencial a la salida.

Figura 2.15 Interruptor de efecto Hall.

Interruptor magntico: El interruptor magntico consta de dos contactos dentro de un tubo de vidrio. Cuando un imn se aproxima al interruptor los contactos magnticos se atraen, cerrando de esta manera el circuito. La Figura 2.16 muestra un interruptor magntico.

22

Figura 2.16 Interruptor magntico.

Sensor Ultrasnico: Es un sensor de principio reflexivo que utiliza el sonido para medir la distancia. Los sensores ultrasnicos tienen un transductor acstico que vibra a frecuencias ultrasnicas, emitiendo de esta manera pulsos ultrasnicos. Los pulsos son reflejados por el objeto y un receptor detecta estos ecos. El sensor determina el tiempo entre los pulsos emitidos y los ecos recibidos por el objeto, conociendo de esta manera la distancia del objeto. La Figura 2.17 Muestra en sensor ultrasnico. Las ventajas de estos sensores son que no depende del color del objeto como los pticos reflexivos, que inclusive este puede ser de color opaco o transparente.

Figura 2.17 Sensor ultrasnico.

Los sensores ultrasnicos pueden ser usados para medir flujo, para ello el sensor es colocado dentro de la tubera como se muestra en la Figura 2.18.

Figura 2.18 Medicin de flujo con sensor ultrasnico.

2.4.2 Sensores de velocidad

Tacogenerador: dispositivo que sirve para medir la velocidad angular. El ms comn ese le generador de CA (Corriente Alterna), el cual esta formado por una bobina,

23

denominada rotor que gira en el interior de un campo magntico producido por un imn permanente (Figura 2.19). De esta manera se produce una f.e.m alterna en la bobina. La amplitud o la frecuencia de esta f.e.m. de corriente alterna son utilizadas como medida de la velocidad angular de una maquina rotatoria. La salida puede ser rectificada para obtener un voltaje de CD (corriente directa) cuya magnitud es proporcional a la velocidad angular.

Figura 2.19 Tacogenerador de CA.

2.4.3 Sensores de Fuerza

Indicador de presin por deformacin: Una modalidad de transductor para medir fuerza se basa en el empleo de deformmetros de resistencia elctrica para monitorear la deformacin de cierto elemento cuando ste se estira, comprime o dobla por la aplicacin de una fuerza. A este transductor se le conoce como indicador de presiones; en la Figura 2.20 se muestra un ejemplo. El indicador de presiones es un tubo cilndrico en el que se colocan deformmetros. Al aplicar fuerzas para comprimir el cilindro, los deformmetros producen un cambio de resistencia, proporcional a las fuerzas aplicadas. Dado que la temperatura tambin produce cambios en la resistencia, el circuito acondicionador de seal que se utilice deber eliminar los efectos debidos a la temperatura. Por lo general, estos indicadores de presin se utilizan para fuerzas de hasta 10 MN.

Figura 2.20 Deformmetro que producen un cambio de resistencia.

24

2.4.4 Sensores presin de fluidos En muchos de los dispositivos utilizados para monitorear la presin de fluidos de procesos industriales se monitorea la deformacin elstica de diafragmas. Los tipos de medicin que se necesitan son: presin absoluta, en cuyo caso la presin que se mide es relativa a una presin cero (es decir, al vaco). Presin diferencial, con la cual se mide una diferencia de presiones, y presin manomtrica, la presin que se mide en relacin con la presin atmosfrica.

Sensor de presin de diafragma: En el diafragma de la Figura 2.21, hay una diferencia de presin entre ambas caras, por lo que el centro del diafragma se desplaza. El movimiento del diafragma se monitorea mediante un sensor de desplazamiento que puede ser un deformmetro. Es frecuente utilizar deformmetros de diseo especial, los cuales constan de cuatro deformmetros, los cuales se conectan de manera que formen los brazos de un puente de Wheatstone.

Figura 2.21 Sensor de presin de diafragma.

Sensor de presin con fuelle: Las cpsulas de la Figura 2.22 se pueden considerar como la combinacin de dos diafragmas corrugados para formar un fuelle, con lo cual se logra una sensibilidad mucho mayor. En esta figura se muestra cmo los fuelles se combinan con un TDVL para obtener un sensor de presin que produce una salida elctrica. Los diafragmas, las cpsulas y los fuelles estn hechos de acero inoxidable, bronce fosforado y nquel e, incluso de hule y nylon.

Figura 2.22 Sensor de presin con fuelle +TDVL.

25

Sensores piezoelctricos: Piezoelectricidad del griego piezein, "estrujar o apretar". Este fenmeno fue observado por primera vez por Pierre y Jacques Curie en 1881 estudiando la compresin del cuarzo. El cual al someterlo a la accin mecnica de la compresin, las cargas de la materia se separan y esto da lugar a una polarizacin de la carga.Cuando un material piezoelctrico se estira o comprime genera cargas elctricas; una de sus caras se carga en forma positiva y la cara opuesta se carga en forma negativa (Figura 2.23). En consecuencia se produce un voltaje. Los materiales piezoelctricos son cristales inicos que al estirados o comprimidos producen una distribucin de carga en el cristal que origina un desplazamiento neto de carga; una de las caras del material se carga positivamente y la otra negativamente. La carga neta q en una superficie es proporcional a la cantidad x que las cargas hayan sido desplazadas y, dado que el desplazamiento es proporcional a la fuerza aplicada F:

SFkxq Donde k es una constante y S una constante denominada sensibilidad de carga. stadepende del material y de la orientacin de sus cristales.

Figura 2.23 Efecto piezoelctrico.

Sensor tctil: El sensor tctil o de tacto, es una forma particular de sensor de presin. Se utiliza en 'las yemas de los dedos' de las 'manos' de los robots para determinar en qu momento la 'mano' tiene contacto con un objeto. Tambin se utiliza en las pantallas 'sensibles al tacto', donde se requiere detectar contactos fsicos. Una modalidad de sensor tctil utiliza una capa de fluoruro de polivinilideno piezoelctrico (PVDF, por sus siglas en ingls). Se usan dos capas de la pelcula separadas con una capa suave, la cual transmite las vibraciones (Figura 2.24). A la capa inferior de PVDF se le aplica un voltaje alterno que produce oscilaciones mecnicas en la pelcula. La pelcula inter-media transmite estas vibraciones a la capa de PVDF de la parte superior. Debido al efecto piezoelctrico, estas vibraciones producen un voltaje alterno a travs de la pelcula superior. Cuando se aplica presin a la pelcula superior de PVDF se afectan sus vibraciones y se modifica el voltaje alterno de salida.

Figura 2.24 Sensor de tacto.

26

2.4.5 Sensores de Flujo de fluidos

Placa de orificio: La placa de orificio (Figura 2.25) es un disco con un orificio en el centro que se coloca en un tubo a travs del cual fluye un lquido. Se mide la diferencia de presiones entre un punto del dimetro del tubo y un punto en el tubo de dimetro reducido.Este dispositivo utiliza el principio de que la cantidad de fluido que pasa por la tubera por segundo es proporcional a la diferencia de presiones. La placa de orificio es sencilla, barata, no tiene partes movibles y se utiliza con amplitud. Su exactitud aproximada caracterstica es de, 1.5% del rango total, es no lineal y causa una apreciable cada de presin en el sistema al que se conecte.

Figura 2.25 Placa de orificio.

Medidor de turbina: El medidor de flujo de turbina (Figura 2.26) consta de un rotor con varios labes y se coloca en medio de la tubera del flujo que se desea medir. Al fluir el lquido este hace que gire el rotor, y la velocidad angular es casi proporcional al gasto. El rango de velocidad del rotor se determina mediante un captador magntico o un interruptor. Los pulsos se cuentan para determinar el nmero de revoluciones del rotor. La exactitud de estos sensores en general es de 0.3%.

Figura 2.26 Medidor de flujo de turbina.

27

2.4.6 Sensores de nivel de lquido El nivel de lquido en un recipiente se mide en forma directa monitoreando la posicin de la superficie del lquido, o de manera indirecta midiendo alguna variable relacionada con la altura. En los mtodos directos una posibilidad es usar flotadores; entre los indirectos figura el monitoreo del peso de la columna de un lquido, utilizando por ejemplo indicadores de presin. El peso de la columna del lquido es igual a AhUg, endonde A es el rea transversal, h la altura del lquido, U su densidad y g la aceleracin de la gravedad.

Flotador: Un mtodo directo de monitorear el nivel de lquido en un recipiente es a travs del movimiento de un flotador. La Figura 2.27 ilustra dos sistema con flotador. En la primera el flotador se desplaza, y en el segundo la palanca de un brazo gira. Para medir este desplazamiento o giro y tener una salida de voltaje se utilizan, potencimetro, el desplazamiento del ncleo de un TDVL, etc.

Figura 2.27 Sistemas de nivel de lquido con flotador.

Presin diferencial: La Figura 2.28 muestra como medir el nivel de un lquido basndose en el principio de presin diferencial. En este figura, la celda de presin diferencial determina la diferencia de presin entre el lquido que est en la base del recipiente y la presin atmosfrica.

Figura 2.28 Medicin de nivel de lquido con celda de presin diferencial.

2.4.7 Sensores de Temperatura En general, los cambios que se utilizan para monitorear la temperatura son la expansin o contraccin de slidos, lquidos o gases, el cambio de la resistencia elctrica en conductores y la f.e.m. termoelctrica. Enseguida detallaremos los mtodos ms comunes en los sistemas de medicin de temperatura.

28

Bandas bimetlicas: Este dispositivo consta de dos bandas unidas de metal distinto. Los coeficientes de expansin de los dos metales son distintos y al cambiar la temperatura la banda conjunta se dobla y se curva; el metal con coeficiente mayor queda en la parte externa de la curva. Esta deformacin es usada como interruptor controlado por temperatura, por ejemplo los interruptores elctricos, o un termostato para los sistemas de calefaccin domsticos (Figura 2.29). El pequeo imn sirve para que el sensor tenga histresis, es decir los contactos del interruptor se cierran a diferente temperatura que a la que se abren.

Figura 2.29 Bandas bimetlicas.

Medidor de temperatura por resistencia (DTR):La resistencia de la mayora de los metales aumenta, en un rango limitado de temperatura, de manera razonablemente lineal con la temperatura (Figura 2.31). Para una relacin lineal, se tiene que: atRRt 10Donde Rt es la resistencia a una temperatura de t C, R0 la resistencia a 0 C y a es una constante del metal denominada coeficiente de temperatura de la resistencia. Los detectores de temperatura por resistencia (DTR) son elementos resistivos sencillos que adoptan la forma de bobinas de alambre hechas de platino, nquel o aleaciones nquel-cobre; el platino es el que ms utilizado debido a que su respuesta es ms lineal. Estos detectores son muy estables y sus respuestas son reproducibles durante largos periodos. Sus tiempos de respuesta tienden a ser del orden de 0.5 a 5 s. La Figura 2.30 presenta una foto con este tipo de sensores.

29

Figura 2.30 Sensor de temperatura DTR.

Figura 2.31 Variacin de la resistencia en funcin de la temperatura en los DTR.

Termistores: Los termistores son pequeas piezas de materiales hechos con la mezcla de xidos metlicos, por ejemplo, de cromo, cobalto, hierro, manganeso y nquel. Todos estos xidos son semiconductores. El material puede tener formas diversas como cuentas, discos y varillas (Figura 2.32). La resistencia de los termistores convencionales de xido metlico disminuye de una manera no lineal con el aumento en la temperatura, como ilustra la Figura 2.33. Estos termistores tienen coeficientes de temperatura negativos, aunque tambin los hay con coeficientes de temperatura positivos. El cambio de la resistencia por cada grado de temperatura que cambie es mucho mayor que el que ocurre con los metales. La relacin resistencia temperatura de un termistor se puede expresar mediante la siguiente ecuacin:

tt eKR

/E Donde Rt es la resistencia de la temperatura t, K y E son constantes. Si se comparan con otros sensores de temperatura, los termistores ofrecen muchas ventajas. Son fuertes ypueden ser muy pequeos, por lo cual permiten el monitoreo de temperaturas casi en cualquier punto. Gracias a su reducido tamao, responden muy rpido a los cambios de temperatura. Producen cambios de resistencia muy grandes por cada grado de cambio en la temperatura, pero su principal desventaja es su no linealidad. El rango de temperatura tpica es de -40 a +150 C.

30

Figura 2.32 Tipos de termistores.

Figura 2.33 Variacin de la resistencia en funcin de la temperatura en un termistor.

Termodiodos y transistores: El diodo semiconductor de unin con frecuencia se utiliza como sensor de temperatura. Cuando cambia la temperatura de semiconductores con impurezas, tambin se modifica la movilidad de sus portadores de carga, lo cual afecta la velocidad de difusin de electrones y huecos a travs de una unin p-n. Por lo tanto, si una unin p-n tiene una diferencia de potencial V, la corriente I que circula por la unin ser funcin de la temperatura, la cual est dada por: 1/0 kTeVeIIDonde T es la temperatura en la escala Kelvin, e la carga de un electrn y k , I0 sonconstantes. Utilizando logaritmos, la ecuacin anterior se puede expresar, en funcin del voltaje, de la siguiente manera:

1ln 0IIekTVSi la corriente es constante, V es proporcional a la temperatura en la escala Kelvin, por lo que la medida de la diferencia de potencial en un diodo con corriente constante puede servir como medida de la temperatura. Este tipo de sensores son tan compactos como

31

los termistores, pero tienen adems la gran ventaja de que su respuesta es una funcin lineal de la temperatura. Circuitos integrados como el LM3911 tienen este tipo de diodos que se utilizan como sensores de temperatura, y proporcionan el acondicionamiento de seal respectivo (Figura 2.34). El voltaje de salida del LM3911 es proporcional a la temperatura a razn de 10 mV/C y trabaja en un rango de -25C a +85C.

Figura 2.34 Sensor LM3911.

En un termotransistor el voltaje en la unin de la base y el emisor depende de la temperatura y sirve como medida de la misma. Un mtodo comn es usar dos transisto-res con corrientes de colector diferentes y determinar la diferencia de sus voltajes base-emisor, la cual es directamente proporcional a la temperatura en la escala Kelvin. Estos transistores se combinan con otros componentes de circuito en un solo chip y de esta manera se obtiene un sensor de temperatura, as como el acondicionador de seal respectivo, por ejemplo, el LM35 (Figura 2.35). Este sensor se puede usar en un rango de -40C a +110C y produce una salida de 10 mV/oC

Figura 2.35 Sensor LM35.

Termopares: En el ao 1821, Seebeck not que al juntar dos conductores de metales distintos, de manera que se forme un circuito elctrico cerrado, flua una corriente elctrica que dependa de la diferencia de temperatura entre las junturas, ver la Figura 2.36.

Figura 2.36 Efecto Seebeck.

Cuando dos metales se unen, en el sitio de unin se produce una diferencia de potencial. sta depende de los metales utilizados y la temperatura de la unin. Los termopares constituyen circuitos completos en los que hay este tipo de uniones (Figura 2.37). Si ambas uniones estn a la misma temperatura, no existe f.e.m. neta. En cambio, si la

32

temperatura es diferente, s se produce una f.e.m.. El valor de E depender de los dos metales utilizados y de las temperaturas t de ambas uniones. Por lo general una de ellas se mantiene a 0 C, cumpliendo en grado razonable la siguiente relacin:

2btatE Donde a y b son las constantes de los metales utilizados.

Figura 2.37 Termopar.

En la Tabla 2.2 se muestran los termopares de uso ms comn, los rangos de temperatura en los que generalmente se usan y sus sensibilidades caractersticas. A estos termopares de uso comn se les asignan letras de referencia. Por ejemplo, al de hierro-constantn se le conoce como termopar tipo J. La Figura 2.38 muestra una grfica de variacin de la f.e.m en funcin de la temperatura para varios metales de uso comn.

Ref. Materiales Rango C PV/qCB

Rodio/platino, platino 30%, rodio 6%

0 a 1800 3

E Cromel / constantn -200 a 1000 63

J Hierro/constantn -200 a 900 53

K Cromel /alumel - 200 a 1300 41N Nirosi / nisil - 200 a 1300 28R Platino/platino con 13% rodio 0 a 1400 6

S Platino/platino con 10% rodio 0 a 1400 6

T Cobre/constantn -200 a 400 43 Tabla 2.2 Tipos de termopares.

33

Figura 2.38 Grfica f.e.m. contra temperatuira de los termopares.

Por lo general los termopares estn montados dentro de una cubierta que les da proteccin mecnica y qumica. El tipo de cubierta depende de las temperaturas para las que se utilizar el termopar, la Figura 2.39 muestra algunos tipos de cubiertas de termopares. En algunos casos la cubierta se rellena de un mineral que sea buen con-ductor del calor, as como un buen aislante elctrico. El tiempo de respuesta de los termopares sin cubierta es muy rpido. Cuando se emplea una cubierta grande este tiempo puede aumentar en varios segundos. En algunos casos un grupo de termopares se conecta en serie, de manera que hay diez o ms uniones calientes que detectan una temperatura; las f.e.m.s de todos los termopares se suman. A este conjunto se le conoce como termopila.

Figura 2.39 Tipos de cubiertas de termopares.

2.4.8 Sensores de Luz

Los fotodiodos: Son diodos de unin hechos con semiconductores, los cuales estn conectados en un circuito con polarizacin inversa, por lo que su resistencia es muy

34

elevada. Cuando la luz incide en la unin, la resistencia del diodo disminuye y la corriente del circuito aumenta de manera notable. La resistencia del dispositivo cuando no hay es 120 k:, y cuando hay luz es 8 k:. Es decir, el fotodiodo sirve como dispositivo de resistencia variable, controlado por la luz que incide en l. Los fotodiodos responden muy rpido a la presencia de la luz. La Figura 2.40 Muestra un circuito con un fotodiodo.

Figura 2.40 Fotodiodo.

Fototransistores: tienen una unin base colector p-n sensible a la luz. Cuando la luz no incide, la corriente colector-emisor es muy pequea. Al incidir la luz, se produce una corriente de base directamente proporcional a la intensidad luminosa. Debido a ello se produce una corriente de colector que es una medida de la intensidad luminosa.

Figura 2.41 Fototransistor.

Es comn encontrar fototransistores en forma de paquetes integrados, en los cuales el fototransistor est conectado a una configuracin Darlington con un transistor convencional (Figura 2.42). Dado que con el arreglo anterior se obtiene una mayor ganancia en corriente, este dispositivo produce una corriente de colector mucho mayor para una intensidad de luz determinada.

Figura 2.42 Fototransistor Darlington.

Fotorresistencia: La fotorresistencia LDR (Light Dependent Resistor) es una resistencia que vara su valor dependiendo de la cantidad de luz que la ilumina. Los valores de una fotorresistencia cuando est totalmente iluminada y cuando est totalmente a oscuras vara, puede medir de 50 : a 1,000 : (1 K:) en iluminacin total y puede ser de 50K: (50,000 :) a varios megaohmios (M:) cuando est a oscuras. El

35

LDR es fabricado con materiales de estructura cristalina, y utiliza sus propiedades fotoconductoras. Los cristales utilizados ms comunes son: sulfuro de cadmio y seleniuro de cadmio.

Figura 2.43 Smbolo de la fotorresistencia o LDR.

El valor de la fotorresistencia (en Ohmios) no vara de forma instantnea cuando se pasa de luz a oscuridad o al contrario, y el tiempo que se dura en este proceso no siempre es igual si se pasa de oscuro a iluminado o si se pasa de iluminado a oscuro. Esto hace que el LDR no se pueda utilizar en muchas aplicaciones, especialmente aquellas que necesitan de mucha exactitud en cuanto a tiempo para cambiar de estado (oscuridad a iluminacin o iluminacin a oscuridad) y a exactitud de los valores de la fotorresistencia al estar en los mismos estados anteriores. Su tiempo de respuesta tpico es de aproximadamente 0.1 segundos. Pero hay muchas aplicaciones en las que una fotorresistencia es muy til. En casos en que la exactitud de los cambios no es importante, por ejemplo: - Luz nocturna de encendido automtico, que utiliza una fotorresistencia para activar una o mas luces al llegar la noche. - El LDR o forresistencia es un elemento muy til para aplicaciones en circuitos donde se necesita detectar la ausencia de luz de da

Figura 2.44 Fotorresistencia.

2.4.9 Seleccin de Sensores Al seleccionar un sensor para una aplicacin en particular hay que considerar varios factores:

1. El tipo de medicin que se requiere, por ejemplo, la variable que se va a medir, su valor nominal, el rango de valores, la exactitud, velocidad de medicin y confiabilidad requeridas, las condiciones ambientales en las que se realizar la medicin.

36

2. El tipo de salida que se requiere del sensor, lo cual determinar las condiciones de acondicionamiento de la seal, a fin de contar con seales de salida idneas para la medicin. 3. Con base en lo anterior se pueden identificar algunos posibles sensores, teniendo en cuenta rango, exactitud, linealidad, velocidad de respuesta, confiabilidad, facilidad de mantenimiento, duracin, requisitos de alimentacin elctrica, solidez, disponibilidad y costo.

2.5 Actuadores

2.5.1 Principio electromagntico

Motores elctricos Los motores elctricos con frecuencia se emplean como elemento de control final en los procesos de control de posicin o velocidad. Los motores se clasifican principalmente en dos categoras: Motores de CD (corriente directa) y motores de CA (corriente alterna). La mayora de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de CD.

Motores de corriente Continua CD: Los principios bsicos del funcionamiento de un motor esta dado por la fuerza de Lorentz:

Fuerza de Lorentz: Dado un campo magntico B y una partcula de carga q que se desplaza por el interior de dicho campo con una velocidad Q, Lorentz descubri que esta partcula sufre una fuerza magntica igual a:

BqvF u La unidad de campo magntico en el Sistema Internacional es el Tesla

mC

NsT

(Newton segundo entre metro Culombio). Adems .10/11 42 gaussmweberT .Elementos a destacar de esta frmula es que la fuerza magntica se deja notar slo sobre partculas cargadas, para partculas neutras (q=0) se tendr que F=0. Un hecho an ms reseable es que slo acta sobre partculas en movimiento. Si una partcula est en reposo respecto a nuestro sistema de referencia la fuerza magntica ejercida sobre ella es nula.

Para caracterizar el sentido del campo se puede emplear la denominada regla de la mano izquierda, como se muestra en la Figura 2.45.

37

Figura 2.45 Sentido de la fuerza de Lorentz.

Fuerza magntica sobre una corriente: Una corriente es un conjunto de cargas en movimiento. Debido a que un campo magntico ejerce fuerzas lateral sobre una carga en movimiento, esperemos que tambin ejerza una fuerza sobre un alambre que lleva corriente. La figura siguiente muestra un tramo de alambre de longitud L que lleva una corriente i y que esta colocado en un campo magntico B.

La fuerza ejercida sobre el almagre esta determinada por:

BiLF u En un motor CD una espiral de alambre que gira de manera libre en medio del campo de un imn permanente. Cuando por el devanado pasa una corriente, las fuerzas resultantes ejercidas en sus lados y en ngulo recto al campo provocan fuerzas que actan a cada lado produciendo una rotacin.

L

b

Motor de CD de imn permanente: Considere el caso de un motor de CD con un imn permanente, que tienen una densidad

38

de flujo de valor constante. Para un conductor de armadura de longitud L y una corriente i, la fuerza producida por una densidad de flujo magntico B perpendicular al conductor es iLB. Si hay N conductores, la fuerza producida es NBiL. Las fuerzas dan por resultado un par de rotacin T en el eje del devanado con un valor de Fb, siendo b elancho de la espira. Por lo tanto:

par de rotacin T = NbiLB = kt i

Donde kt es la constante del par de rotacin. Dado que la espira de una armadura gira en un campo magntico, se produce una induccin electromagntica y se induce una fuerza contraelectromotriz Vb, que es proporcional a la velocidad de cambio del flujo vinculado a la espira y, por lo tanto, en un campo magntico constante, que es proporcional a la velocidad angular de la rotacin, w. Por lo tanto:

fuerza contra electromotriz Vb = kv w

Donde kv es la constante de fuerza electromotriz.

Podemos considerar que el circuito equivalente de un motor de CD es como se ilustra en la Figura 2.46. Donde la espira de la armadura esta representada por una resistencia Ren seri con una inductancia L y que a su vez estn enserie con una fuerza contra electromotriz Vb. Si despreciamos el voltaje de la inductancia L, tenemos:

R

wkV

R

VVi vb

El par rotacional T entonces, es: wkV

R

kikT v

tt

Figura 2.46 Circuito equivalente de motor de CD.

Motor de CD con devanado de campo:Los motores de CD con devanados de campo se dividen en: Motores en serie, Motor en derivacin (en paralelo), Motor de excitacin compuesta y de excitacin independiente, dependiendo de la manera como se encuentran conectados los devanado de campo y los devanados de la armadura (Figura 2.47).

1.- Motor en serie: En el motor en serie, los devanados de la armadura y de los campos estn en serie. Este motor produce el par de rotacin de arranque de mayor intensidad y alcanza la mayor velocidad sin carga. Con cargas ligeras existe el riesgo de que el motor alcance velocidades muy altas. La inversin de la polaridad de la alimentacin elctrica

39

de los devanados no tiene efecto en la direccin de rotacin del motor; ste sigue girando en la misma direccin dado que tanto las corrientes de campo como de arma-dura quedaron invertidas (Figura 2.47.a).

2.- Motor en derivacin (en paralelo): En ste, los devanados de armadura y de campo estn en paralelo; genera un par de rotacin de menor intensidad, en el arranque tiene una velocidad sin carga mucho menor y permite una buena regulacin de la velocidad. Debido a esta velocidad casi constante, independiente de la carga, estos motores se utilizan mucho. Para invertir la direccin de giro, hay que invertir la armadura o el campo. Por ello en este caso es preferible utilizar los devanados de excitacin independiente (Figura 2.47.b).

3.- Motor de excitacin compuesta: Este motor tiene dos devanados de campo, uno en serie con la armadura y otro en paralelo. En estos motores se intenta conjuntar lo mejor del motor en serie y del motor en paralelo, es decir, un gran par inicial y una buena regulacin de la velocidad (Figura 2.47.c).

4.- . Motor de excitacin independiente: En este motor el control de las corrientes de armadura y de campo son independientes y se le puede considerar como un caso espe-cial del motor en paralelo (Figura 2.47.d).

Figura 2.47 Configuraciones de conexin de los motores de CD.

Control de motores de CD El mtodo ms frecuentemente usado para controlar la velocidad de un motor de imn permanente es el control del voltaje que se aplica a la armadura. Sin embargo, dado que el empleo de fuentes de voltaje de valor fijo es frecuente, el voltaje variable se logra mediante un circuito electrnico. La tcnica se llama modulacin por ancho de pulso (PWM, por sus siglas en ingls), la cual utiliza una fuente de voltaje de CD constante y secciona su voltaje para que vare su valor promedio como se muestra en la Figura 2.48, donde Vcc es el voltaje aplicado al motor, las lneas punteadas representan el voltaje promedio aplicado al motor Vpromedio y t es el tiempo. El voltaje promedio aplicado a la armadura del motor est dado por la expresin siguiente:

40

ccalto

promedio VT

TV

Donde, Talto es el tiempo en alto de la seal PWM y T es el periodo de la seal PWM.

Figura 2.48 Modulacin de Ancho de Pulso (PWM).

La Figura 2.49 muestra cmo obtener el PWM utilizando un circuito de transistor bsico. El transistor se activa y desactiva mediante una seal que se aplica a su base. El diodo tiene por objeto servir de trayectoria a la corriente que surge cuando el transistor se desconecta, debido a que el motor se comporta como generador. Este circuito slo se usa para operar el motor en una direccin. Para utilizar el motor en direccin directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores, conocido como puente H.

Figura 2.49 Circuito para PWM.

El puente H, recibe este nombre debido a que su configuracin elctrica tiene similitud con la letra H (ver Figura 2.50). La ventaja principal de esta configuracin es que nos permite cambiar el sentido de giro del motor modificando la polaridad del voltaje V0aplicado al motor. Para esto, se manipulan los interruptores S1, S1 y S2, S2. Cuando se activaran los interruptores S1y S1, provocan que la corriente fluya de izquierda a derecha. En cambio, cuando se activan los interruptores S2 y S2, y la corriente fluir de derecha a izqu

Examen PDF

Documents

Transcript of Examen PDF