Lecci on 4: Sensores

Leccion 4:Sensores

Jesus Savage

9 de octubre de 2020

Jesus Savage Leccion 4: Sensores 9 de octubre de 2020 1 / 38

Indice

1 Introduccion

2 Componentes Basicos

3 Tipos de Sensores


Introduccion

Un robot esta dotado de un sistema de operacion que pretende optimizarde una forma integrada ciertas funciones inherentes a la operatividad,administracion y sensado del ambiente.Para conseguir esta finalidad, el sistema de operacion necesita comunicarsecon el entorno y es necesario un conjunto de sensores que le suministreninformacion, una serie de actuadores que ejecuten sus acciones de control,ası como una infraestructura de comunicaciones que los conecte entre sı, ylas interfaces y acondicionadores de senal que adapten la senal entre elcontrolador y los sensores y actuadores.En dicho sistema de operacion, la eleccion del hardware sera importante,pero tambien lo es el diseno adecuado del software de control.


Sensores y Caracterısticas

Para valorar la calidad de un sensor hay que atender sus caracterısticas:


Tipos de Sensores

Existen muchos tipos distintos de sensores que se pueden agrupar enfuncion de determinados criterios de clasificacion. A continuacion semostraran algunos de ellos.

Un ejemplo del primer tipo son las sondas de temperatura, como lasPT-100, sensores cuya resistencia varia con la temperatura, haciendovariar por tanto la corriente que los recorre.Un termometro de mercurio y un indicador de presion serıan ejemplos delsegundo tipo.


Tipos de Sensores


Acondicionador de Senales

Los acondicionadores de senal son muy variados, pudiendo seracondicionadores para senales discretas, para sensores resistivos,atenuadores pasivos para senales continuas, amplificadores, filtros de senal,convertidores de tension a frecuencia (V/F) y de frecuencia a tension(F/V), convertidores analogicos digitales (A/D) y digitales analogicos(D/A).


Actuadores

Son los dispositivos electromecanicos que actuan sobre el medio exterior yafectan fısicamente al ambiente. Convierten una magnitud electrica enotra de otro tipo (mecanica, termica, etc.), realizando, de alguna manera,un proceso inverso al de los sensores. Los actuadores pueden mantenerniveles de salida continuos o discretos. Ejemplos de actuadores pueden serlas ruedas de un robot, manipuladores, luces, sirenas, etc.


Relevadores

Son interruptores que permiten continuar circuitos de potencia maselevada mediante una senal de baja potencia. Generalmente es undispositivo electromecanico que basa su funcionamiento en la actuacion.

Interruptores


Sensor de Temperatura

Sensor de Temperatura TMP36


Fotoresistores

Los fotoresistores son detectores fotorresistivos, que a menudo pueden sersustituidos por resistencias fijas o variables para hacer que un circuitoexistente sea sensible a la luz.


Fotoresistores

La resistencia variable de un fotoresistor se puede cambiar a un voltajevariable por medio de un circuito divisor de voltaje simple.


Fototransistores

La forma mas sencilla de utilizar un fototransistor es conectarlo a unaresistencia en serie. Entonces funciona como un detector fotoconductor.


Fototransistores

Se usa un valor grande (∼ 100K a 1M) de Rs para tener una altasensibilidad. Se usa un valor pequeno (∼ 10K ) para senales rapidas,ademas siempre se debe proteger al fototransistor de la luz no deseada.


Amplificadores Operacionales

Amplifica la diferencia de voltajes aplicado en las entradas + y -.


Amplificadores Operacionales

Vout = AVOLVid

Avol = Ganancia de voltaje sin retroalimentacion

Rango de AVOL = [10000, 200000]


Ejemplo: Amplificadores Operacionales

AVOL = 50000Si los voltajes de la fuente son ± 15 V y la eficiencia del Amplificadoroperacional es del 80 % ¿cual es el voltaje Vid que saturara el amplificador?Vsat = (0.80)(±15v) = ±12v

Vid =12v

50000= 0.24mV = 240µV

Con voltajes tan pequenos se puede entrar a saturacion muy facilmente, senecesita usar retroalimentacion para limitar la ganancia.


Comparador de Voltaje


Sensor Infrarrojo


Comparador de Voltaje por Software


Amplificador Inversor


Amplificador Inversor

Asumamos que Vin es positivo con respecto a tierra:

a) El voltaje diferencial de entrada de un op amp es virtualmente cero.

b) La corriente que fluye a traves de las terminales de entrada diferenciales virtualmente cero.

La entrada + del operacional esta a tierra, entonces la entrada -esta virtualmente tambien a tierra.

VRin= Vin − Vid = Vm − 0V = Vin

Iin =VRin

Rin=

Vin

Rin


Ejemplo

Si Rin = 20 K y Vin = 4 V

entonces Iin =4V

20K= 0.2mA

Salida del AmplificadorVout es un voltaje negativo dado que Vin fue positivo.Dado que la entrada – esta virtualmente al potencial de la tierra.

VRf= −Vout

If =VRf

Rf=−Vout

Rf


Recordar que Iid ≈ 0.Usando las leyes de corriente de Kirchhoff

Iin = Iid + If = 0 + If

Iin = If

Iin =Vin

Rin= If =

−Vout

Rf

Vout =−Vin · Rf

Rin= −Vin

Rf

Rin= − Rf

Rin(+Vin) = AVVin

Ganancia = AV =−RF

Rin


Ejemplo

a) ¿Cual es el voltaje de salida si Vin = −200mV ?

Vout =−50k

8k(−200mv) = (−6.25)(−200mV ) = 1.25

b) ¿Que voltaje de entrada se requerira para llevar la salida a la saturacionpositiva?

Asuma que los voltajes de la fuente son 15V y (Avol = 13000)

±Vin =±Vout

−6.25=±12V

−6.25= ±1.92


El amplificador como derivador

Definiendo la impedancia Z1 como: Z1 = 1Cs

Vout(s) =−Rf

Z1

−Rf1

Cs

Vin(s) = −Rf C s Vin(s)

vout(t) = −Rf Cdvin(t)

dt


El amplificador como integrador

Vout(s) =−Z1

RinVin(s) =

−1CsRin

Vin(s)

= − 1

Rin CsVin(s)

vout(t) =−1

Rin C

∫vin(t) dt


Circuitos Sumadores

IR1 =V1

R1, IR2 =

V2

R2

If = IR1 + IR2 = −Vout

RF

−Vout

Rf=

V1

R1+

V2

R2

−Vout =Rf

R1V1 +

Rf

R2V2

Si R1 = R2 = Rf − Vout = V1 + V2Jesus Savage Leccion 4: Sensores 9 de octubre de 2020 28 / 38

Circuitos Sumadores

−Vout =Rf

R1V1 +

Rf

R2V2 + . . .+

Rf

RNVN

−Vout =40K

10KV1 +

40K

20KV2 = 4V1 + 2V2


Circuitos Sumadores


Amplificador Logaritmo

i =Vin

R= βoe

−α (Vout +Voff ) ⇒ Vin

R βo= e−α(Vout +Voff )

β y α son constantes del diodo en directa. Tomando el algoritmo de losdos lados:

log Vin − log R βo = −α (Vout + Voff )

Vout = − log Vin

α+

log R βo

α− Voff


Amplificador Antilogaritmo


Modelo de una Neurona Artificial

Las entradas de la neurona son xi , las cuales pueden provenir de lasentradas al sistema o de las salidas de otras neuronas.Los pesos wi multiplican cada una de las entradas.

y = f (n∑

i=1

wi xi − θ)

Donde f () es una funcion no lıneal. Haciendo el umbral θ = −w0 y x0 = 1

y = f (n∑

i=0

xi wi )


Red Neuronal usando Amplificadores Operacionales

w0 =Rf

R0; w1 =

Rf

R1; . . . ; wN =

Rf

RN


Amplificador Puente

Recuerde que cualquier red de dos terminales puede ser reemplazada por elequivalente de Thevenin; El brazo del sensor de resistencia se reemplazapor la fuente de voltaje v1 y una resistencia en serie, que es igual a Rs 2.

v1 =(Rx + ∆R)Vb

Rx + (Rx + ∆R)=

VbRx (1 + ∆R/Rx )

2Rx (1 + ∆R/2Rx )≈ Vb

2

(1 +

∆R

2Rx

)Donde se ha utilizado la expansion binomial de (1 + x)−1 conx = ∆R/2Rx para obtener el ultimo termino.


Amplificador Puente

Figura: Circuito equivalente de puente-amplificador para el (a) amplificador noinversor; (b) subcircuito del brazo sensor.


Amplificador Puente

Voltaje de Salida

vi = v1 − v2

=Vb

2(1 +

∆R

2Rx)− Vb

2

= +Vb

4

∆R

Rx

vo ≈A Vb

4

∆R

RxA =

Ra + 2Rb

Ra


Amplificador de Instrumentacion

Figura: Amplificador de instrumentacion: (a)circuito, (b) sımbolo.

Las caracterısticas son (1) alta impedancia de entrada, especialmente conamplificadores operacionales FET en la entrada, (2) alta CMRR, o m, y(3) alta ganancia de precision. El alto rechazo de modo comun se logramediante el circuito dual de configuracion no inversora, que utiliza unaresistencia de realimentacion comun Ra.


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