INTRODUCCION

Todo sistema de medida o regulación necesita dispositivos que le informen de la

situación en que se encuentra la magnitud que se está midiendo o regulando. Hoy

en día, los equipos de medida son, fundamentalmente, de carácter electrónico, por

lo que uno de los principales objetivos de este parte trabajo es conocer los

principios básicos de funcionamiento así como los criterios de selección de todos

aquellos captadores o sensores cuya señal de salida presentes en la mayor parte

de los sistemas de medida más habituales.

Los sensores pueden ser utilizados en varios dominios incluyendo las artes y las

ciencias. Esto se logra por medio de un ordenamiento de datos tomando muestras

que hacen sentido y descartando las redundantes o las que son error. En

convertidores análogo digital el ancho de banda a veces excede nuestras

expectativas y por lo tanto es necesario encontrar un rango óptimo para el dominio

de la aplicación en la que se esta trabajando. Por ejemplo en el caso del audio es

practica común utilizar un filtro pasa altos para eliminar frecuencias por debajo de

la escucha y de la misma manera con frecuencias por encima del rango humano

con el filtro pasa bajos.

Es de gran utilidad conocer los varios tipos de sensores y sus características para

diseñar sistemas de clasificación y reconocimiento de patrones para que operen

dentro de las normas y restricciones del mecanismo en el que se está trabajando.

SensoresPara que un sistema electrónico de control pueda controlar un proceso o producto

es necesario que reciba información de la evolución de determinadas variables

físicas del mismo, que en su mayoría no son eléctricas (temperatura, presión,

nivel, fuerza, posición, velocidad, desplazamiento.)

Los dispositivos que realizan esta función reciben diversos nombres: captador,

detector, transductor, transmisor, sonda y sensor.

Un sensor o captador, como prefiera llamársele, no es más que un dispositivo

diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en

otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y

manipular.

Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización

de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR, etc; todos

aquellos componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la

utilización de componentes activos.

El sensor es sensible a los cambios de la magnitud a medir, como una

temperatura, una posición o una concentración química.

Un sensor es un dispositivo capaz de medir magnitudes físicas o químicas,

llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas.

Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad

lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza,

torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia

eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de

humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica

(como en un fototransistor), etc.

Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere

medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa

(un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador

(posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un

display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano.

Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura

directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de

acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y

filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de

la circuitería.

Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en

contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que

es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la

señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el

termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de

dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede

decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Algunas

áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, Industria aeroespacial,

Medicina , Industria de manufactura, Robótica , etc.

Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas

como son el acceso a una base de datos, la toma de valores.

Dentro de la selección de un sensor, se deben considerar diferentes factores, tales

como: la forma de la carcasa, distancia operativa, datos eléctricos y conexiones.

La selección se basa en la decisión sobre cual es el sensor más adecuado. Esto

depende del material del objeto el cual debe detectarse.

Si el objeto es metálico, se requiere un sensor inductivo. Si el objeto es de

plástico, papel, o si es líquido (basado en aceite o agua), granulado o en polvo, se

requiere un sensor capacitvo. Si el objeto puede llevar un imán, es apropiado un

sensor magnético.

A los sensores, se les debe exigir una serie de características, que pasamos ahora

a enumerar y comentar:

Exactitud.

Hace referencia a que se debe poder detectar el valor verdadero de la variable sin

errores sistemáticos. Sobre varias mediciones, la media de los errores cometidos

debe tender a cero.

Precisión.

Una medida será más precisa que otra si los posibles errores aleatorios en la

medición son menores. Debemos procurar la máxima precisión posible.

Rango de funcionamiento.

El sensor debe tener un amplio rango de funcionamiento, es decir, debe ser

capaz de medir de manera exacta y precisa un amplio abanico de valores de la

magnitud correspondiente.

Velocidad de respuesta

El sensor debe responder a los cambios de la variable a medir en un tiempo

mínimo. Lo ideal sería que la respuesta fuera instantánea.

Calibración

La calibración es el proceso mediante el que se establece la relación entre la

variable medida y la señal de salida que produce el sensor. La calibración debe

poder realizarse de manera sencilla y además el sensor no debe precisar una

recalibración frecuente.

Fiabilidad

El sensor debe ser fiable, es decir, no debe estar sujeto a fallos inesperados

durante su funcionamiento.

Coste

El coste para comprar, instalar y manejar el sensor debe ser lo más bajo posible.

Facilidad de funcionamiento. Por último, sería ideal que la instalación del sensor

no necesitara de un trabajo excesivo.

Todas estas características son las deseables en los sensores. Sin embargo, en la

mayoría de los casos lo que se procurará será un compromiso entre su

cumplimiento y el coste que ello suponga a la hora del diseño y fabricación.

Resolución y precisión

La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se

aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error

esperado en la medida.

La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al medir

una distancia la resolución es de 0,01 mm, pero la precisión es de 1 mm, entonces

pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de 0,01 mm, pero no puede

asegurarse que haya un error de medición menor a 1 mm. En la mayoría de los

casos este exceso de resolución conlleva a un exceso innecesario en el coste del

sistema. No obstante, en estos sistemas, si el error en la medida sigue una

distribución normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir,

no sistemáticos, la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión.

Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no

puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la

magnitud de entrada que puede observarse en la magnitud de salida.

No existe una única definición de sensor aceptada de manera universal. Se

considera, en general, que es todo “dispositivo que tiene algún parámetro que es

función del valor de una determinada variable física del medio en el cual está

situado”.

¿PARA QUE SIRVEN?

Detectar (todo o nada) :

Presencia

Material

Color

Marcas

Movimiento

MEDIR (analógico) :

Presión

Posición

distancia

DESCRIPCIÓN DE ALGUNOS SENSORES:

Estos son algunos tipos de sensores

Sensores de posición:

Su función es medir o detectar la posición de un determinado objeto en el espacio,

dentro de este grupo, podemos encontrar los siguientes tipos de sensores;

-Los sensores fotoeléctricos:

La construcción de este tipo de sensores, se encuentra basada en el empleo de

una fuente de señal luminosa (lámparas, diodos LED, diodos láser etc...) y una

célula receptora de dicha señal, como pueden ser fotodiodos, fototransistores o

LDR etc.

Este tipo de sensores, se encuentra basado en la emisión de luz, y en la detección

de esta emisión realizada por los fotodetectores.

Según la forma en que se produzca esta emisión y detección de luz, podemos

dividir este tipo de sensores en: sensores por barrera, o sensores por reflexión.

En el siguiente esquema podremos apreciar mejor la diferencia entre estos dos

estilos de sensores:

- sensores por barrera.

Estos detectan la existencia de un objeto, porque interfiere la recepción de la señal

luminosa.

-sensores por reflexión; La señal luminosa es reflejada por el objeto, y esta luz

reflejada es captada por el captador fotoeléctrico, lo que indica al sistema la

presencia de un objeto.

Aplicaciones

Detección en puertas automáticas, en ascensores, funciones de seguridad para

puertas en autobuses, mediciones de tubos, medición de alturas en piezas,

sensores de nivel de llenado, detección de destensamientos en cintas

transportadoras, detección de posicionamiento etc.

Sensores de contacto:

Estos dispositivos, son los más simples, ya que son interruptores que se activan o

desactivan si se encuentran en contacto con un objeto, por lo que de esta manera

se reconoce la presencia de un objeto en un determinado lugar.

Su simplicidad de construcción añadido a su robustez, los hacen muy empleados

en robótica.

sensores de circuitos oscilantes:

Este tipo de sensores, se encuentran basados en la existencia de un circuito en el

mismo que genera una determinada oscilación a una frecuencia prefijada, cuando

en el campo de detección del sensor no existe ningún objeto, el circuito mantiene

su oscilación de un manera fija, pero cuando un objeto se encuentra dentro de la

zona de detección del mismo, la oscilación deja de producirse, por lo que el objeto

es detectado.

Estos tipos de sensores son muy utilizados como detectores de presencia, ya que

al no tener partes mecánicas, su robustez al mismo tiempo que su vida útil es

elevada.

Sensores por ultrasonidos:

Este tipo de sensores, se basa en el mismo funcionamiento que los de tipo

fotoeléctrico, ya que se emite una señal, esta vez de tipo ultrasónica, y esta señal

es recibida por un receptor. De la misma manera, dependiendo del camino que

realice la señal emitida podremos diferenciarlos entre los que son de barrera o los

de reflexión.

sensores de esfuerzos:

Este tipo de captadores, se encuentran basados en su mayor parte en el empleo

de galgas extensométrica, que son unos dispositivos que cuando se les aplica una

fuerza, ya puede ser una tracción o una compresión, varia su resistencia eléctrica,

de esta forma podemos medir la fuerza que se está aplicando sobre un

determinado objeto.

Sensores de Movimientos:

Son elementos sensores para detectar pequeños o grandes movimentos (por

ejemplo el movimiento de una mano) generalmente suelen ser detectores por

infrarojos o por reflexión directa, muchas veces están protegidos contra la

contaminación lumínica y se pueden usar varios sin que interfieran entre si.

Debido a su utilización como detectores para alarmas o como elementos de

seguridad, pueden estar alimentados a pilas (debido a su ubicación en

determinadas aplicaciones)

Sensores de Velocidad:

Estos sensores pueden detectar la velocidad de un objeto tanto sea lineal como

angular, pero la aplicación más conocida de este tipo de sensores es la medición

de la velocidad angular de los motores que mueven las distintas partes de un

robot.

- Sensores de Aceleración:

Este tipo de sensores es muy importante, ya que la información de la aceleración

sufrida por un objeto o parte de un robot es de vital importancia, ya que si se

produce una aceleración en un objeto, este experimenta una fuerza que tiende ha

hacer poner el objeto en movimiento.

Aplicaciones

Alarmas, grifos de agua automáticos, aseos automatizados, detección de

personas en cajeros automáticos, control de luz y ventilación etc

Sensores de proximidad

Son sensores para detectar presencia o ausencia de objetos metálicos, estan

basados en distintos tipos de actuadores siendo los más comunes:

-Sensores inductivos : Detectan materiales férricos basándose en variaciones de

campo magnético.

-Sensores capacitivos : En determinados entornos no se pueden utilizar las

variaciones de campo magnético y se utilizan otros dispositivos cuya característica

de variación es la capacidad eléctrica.

Aplicaciones

Control de desplazamiento de piezas, detección de materiales metálicos en

procesos de alimentación, posicionamiento de piezas metálicas, posicionamiento

de máquinas, detección de planchas en movimiento, etc.

SENSORES PRESIÓN

Suelen estar basados en la deformación de un elemento elástico cuyo movimiento

es detectado por un transductor que convierte pequeños desplazamientos en

señales eléctricas analógicas, mas tarde se pueden obtener salidas digitales

acondicionando la señal.

Pueden efectuar medidas de presión absoluta (respecto a una referencia) y de

presión relativa o diferencial (midiendo diferencia de presión entre dos puntos)

Generalmente vienen con visualizadores e indicadores de funcionamiento

Aplicaciones

Control de sujeción, Succión de elementos, succión de tornillos en atornilladores

automáticos, apretado de tuercas automáticas, control de fuerza en pinzas

prensoras , confirmación de presión a la soldadura

Sensores de Temperatura

Sensores capaces de detectar temperaturas en amplios rangos.

Podemos englobar los diferentes tipos de sensores en:

-Termostatos que conmutan a cierto valor de temperatura, generalmente basados

en interruptores bimetales o mediante sondas NTC (Coeficiente térmico negativo)

ó PTC (Coeficiente térmico positivo) y un comparador de salida.

-Termoresistencias cuya salida es analógica y su funcionamiento está basado en

el cambio de resistencia del sensor dependiendo de la temperatura. Termopares

de unión (Tipos J,K R,E de 0ºC a +1000ºC) Termoresistencias PT100 (-250º ...

+850º). Termoresistencias NTC y PTC (Semiconductores que varian su valor

resistivo con la temperatura )

- Pirómetros. Estos sensores actúan por radiación, al tener que medir

temperaturas que son superiores al punto de fusión de los propios sensores, en

este caso se mide la radiación térmica emitida por el cuerpo a determinar su

temperatura.(400ºC hasta 2000ºC)

Aplicaciones

Controles de temperatura en procesos industriales.

APLICACIÓN DE SENSORES

Detector de proximidad por infrarrojo

El detector de proximidad por infrarrojo es quizás uno de los circuitos de mayor

aplicación en el automatismo electrónico.

Lo encontramos en los dispensadores de agua automáticos, los secadores de

mano automáticos y con algunas variantes lo encontramos en las puertas

automáticas de los grandes almacenes.

Principio de funcionamiento

Generamos una ráfaga de pulsos de alta intensidad con el LM555 a baja

frecuencia y los transmitimos por el led de chorro infrarrojo. Luego los recibimos

en un fototransistor colocado de tal manera que solo los reciba cuando un objeto

refleje los pulsos.

Luego procesamos esa señal para poder utilizarla en el encendido-apagado de

nuestros aparatos.

Para ello colocamos un fototransistor de tal manera que cuando haya una

superficie que refleje los pulsos, bien sea una mano, un objeto cualquiera, a una

distancia de unos 10 cm, este los pueda recibir y enviar a un amplificador de

corriente, en este caso un par de transistores en configuración darlington.

Cuando esta débil señal alcanza una intensidad suficiente, debido a que se acercó

un objeto, entonces logra disparar un temporizador de unos 10 segundos

construido con un LM555.

Luego colocamos una interfase a transistor para alimentar un relé de 12 V 5

PINES, el cual nos servirá para controlar el aparato que queramos.

Detector de nivel de agua

Ideal para controlar el llenado de una piscina, este circuito hace sonar una alarma

cuando el nivel del agua alcanza sus electrodos sensores.

El circuito esta formado por un circuito integrado que en su interior contiene cuatro

compuertas NAND.  La primera de ellas se empleo para, por un lado detectar

resistencia entre los electrodos y por el otro para oscilar produciendo el sonido de

la alarma. Las tres restantes se configuraron en paralelo para amplificar la salida y

colocarlo sobre el parlante. La detección del agua se efectúa por medio de dos

electrodos de al menos cinco centímetros de largo y separados uno del otro por no

mas de un centímetro. Estos electrodos, al entrar en contacto con el agua

producen una cierta resistencia (mucho menor al mega) provocando un estado

ALTO en la terminal 1. Activada esta entrada queda esta compuerta oscilando

gracias a la resistencia de 470 y el capacitor de 1µF.

Se alimenta con 9V) y el consumo en reposo es casi nulo y sonando no mas de

medio vatio. El parlante puede ser cualquiera de una radio portátil y la impedancia

puede estar entre 4 y 16 ohm sin problemas.

Alarma activada por Luz

 

Esta alarma se activa cuando recibe luz a través del foto-transistor, sirve para

controlar áreas oscura ( zonas donde no debe entrar la luz ), también como

detector de grietas, etc. El foto transistor es un componente muy sensible a la luz

por ello cuando este reciba el nivel de luz pre-establecido por la resistencia de 300

kΩ hará que el IC pase a un nivel alto activando el transistor de salida y este al

altavoz, el tono de salida de audio es de 100 Hz.

si quiere experimentar instale una resistencia variable de 500 kΩ en lugar de la fija

de 300 kΩ, y buscar el punto de sensibilidad que mas interese.

Sensor de temperatura LM35

El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1ºC y un

rango que abarca desde -55º a +150ºC.

El sensor se presenta en diferentes encapsulados pero el mas común es el to-92

de igual forma que un típico transistor con 3 patas, dos de ellas para alimentarlo y

la tercera nos entrega un valor de tensión proporcional a la temperatura medida

por el dispositivo.

La salida es lineal y equivale a 10mV/ºC por lo tanto:

+1500mV = 150ºC

+250mV = 25ºC

-550mV = -55ºC

Funcionamiento: Para hacernos un termómetro lo único que necesitamos es un

voltímetro bien calibrado y en la escala correcta para que nos muestre el voltaje

equivalente a temperatura. El LM35 funciona en el rango de alimentación

comprendido entre 4 y 30 voltios.

Podemos conectarlo a un conversor Analógico/Digital y tratar la medida

digitalmente, almacenarla o procesarla con un microcontrolador o similar.

Usos: El sensor de temperatura puede usarse para compensar un dispositivo de

medida sensible a la temperatura ambiente, refrigerar partes delicadas de un robot

o bien para loggear temperaturas en el transcurso de un trayecto de exploración.

 Circuito de prueba: El siguiente montaje es un medidor de temperatura de 4

canales usando un PIC16F876 y un LCD para mostrar

los datos aunque se puede modificar fácilmente el

programa para obtener los datos de temperatura y

calcular con ellos lo que fuese necesario.

Para una medida real con el conversor del Analógico/Digital se ha dispuesto un

generador de tensión de referencia ajustable modelo LM336 externo al pic, con lo

cual la medida de temperatura será simple y fiable. El rango de medidas que

soporta este montaje es solo de temperaturas positivas y abarca desde 0º a

+150ºC.

En el LCD se muestran los 4 canales T1=RA0, T2=RA1, T3=RA2, T4=RA5.

Conclusiones

Sin lugar a dudas, el empleo de los sensores nos permiten mejoras en

algún proceso que se esté llevando a cabo, traducidas en:

exactitud, seguridad, disminución de tiempos, pocas fallas, etc-

Actualmente sería impensable realizar maniobras mas o menos

complicadas, dentro del mundo industrial, sin los sensores, que permiten

controlar las variables que afectan el proceso industrial.

Los sensores trasladan la información desde el mundo real al mundo

abstracto de los microcontroladores.