Sensores arduino

1. UNIDAD II.- Sensores
2.1. Sensores y/o transmisores de posición
binarios
Un sensor es un dispositivo que está capacitado
para detectar acciones o estímulos externos y
responder en consecuencia. Estos aparatos
pueden transformar las magnitudes físicas o
químicas en magnitudes eléctricas.
Transductor: Dispositivo que transforma el
efecto de una causa física, como la presión, la
temperatura, la dilatación, la humedad, etc., en
otro tipo de señal, normalmente eléctrica.

2. Estructura de un transductor

3. Clasificación
Según el tipo de señal de salida:
1.- Analógicos. Dan como salida un valor de
tensión o corriente variables en forma continua
dentro del campo de medida.
2.-Digitales. Dan como salida una señal en forma
de una palabra digital.
3.-Todo-nada. Indican cuándo la variable
detectada rebasa un cierto umbral.
Según la magnitud física a detectar:
Posición, velocidad, fuerza y par, presión, caudal,
proximidad, etc.

5. Tipos de sensores
1.- Mecánicos
2.-Ultrasonicos
3.- Inductivos
4.-Capacitivos
5.- Fotoeléctricos
Existe en el mercado una gran variedad de marcas y tipos de sensores,
pero la mayoría pertenece a alguna de las clasificaciones dadas a
continuación
- De acción mecánica o de Contacto
- De acción magnética
- De acción capacitiva
- Accionado por luz
- De acción ultrasónica
- De acción neumática

6. 2.1.2. Sensores Mecánicos.
Estos interruptores se usan ordinariamente para
desconectar, limites de carrera, el avance de
bancadas en maquinas o herramientas como
fresadoras, así como limitar el avance de los porta
herramientas de los tornos, en montacargas,
ascensores, robots, etc.
Para poder accionar estos interruptores se
requiere contacto físico entre la parte de la
maquina y la palanca del interruptor con la fuerza
suficiente para operar.

7. 2.1.1. Sensores de Final de carrera.
Principio de funcionamiento: El movimiento
mecánico en forma de leva o empujador actúa
sobre la palanca o pistón de accionamiento del
interruptor de posición haciendo abrir o cerrar un
contacto eléctrico del interruptor.
Esta señal eléctrica se utiliza para posicionar, contar,
parar o iniciar una secuencia operativa al actuar
sobre los elementos de control de la máquina.

9. Componentes se un sensor de carrera

10. Modo de funcionamiento

11. Cuando usar un interruptor mecánico
- Donde sea posible un contacto físico
- Donde sea requerida una posición definitiva
- En situaciones de operación critica o de seguridad-critica
- Donde las condiciones ambientales no permiten el uso de sensores
ópticos o inductivos
Aplicaciones y usos de interruptores mecánicos
- Fácil de integrar a maquinaria de todo tipo
- Requiere contacto(por tanto hay uso)
- Rango de voltajes: DC 0-1000V
- Muy robustos
Generalmente Usados como:
- Finales de carrera
- Indicador de presencia/ausencia
- Puerta cerrada/abierta

12. Desventajas mas importantes
- Producen rebote mecánico al conmutar
- El contacto físico produce desgaste y requiere
mantenimiento
- Son de respuesta lenta
- Son ruidosos
- Voluminosos
- Vida limitada
- No se pueden utilizar en todas las aplicaciones.

13. 2.1.3. Sensores Eléctricos.
El sensor se define como un dispositivo que convierte señales
obtenidas de un tipo de energía en señales eléctricas. Por ejemplo un
termo par convierte señales de temperatura en señales eléctricas.
Todos los sensores son transductores.

14. 2.1.4. Sensores Fotoeléctricos(ópticos)
Un detector fotoeléctrico detecta un objeto por medio de un haz luminoso.
Sus dos componentes básicos son un emisor y un receptor de luz.
La detección es efectiva cuando el objeto penetra en el haz de luz y
modifica suficientemente la cantidad de luz que llega al receptor para
provocar el cambio de estado de la salida.
Se siguen dos procedimientos:
– bloqueo del haz por el objeto detectado
– retorno del haz sobre el receptor por el objeto detectado.
Los detectores fotoeléctricos disponen de un emisor de diodo
electroluminiscente y de un receptor de fototransistor. Estos componentes
se utilizan por su elevado rendimiento luminoso, su insensibilidad a los
golpes y a las vibraciones, su resistencia a la temperatura, su durabilidad
prácticamente ilimitada y su velocidad de respuesta.
Dependiendo del modelo de detector, la emisión se realiza en infrarrojo o
en luz visible verde o roja. La corriente que atraviesa el LED emisor se
modula para obtener una emisión luminosa pulsante e insensibilizar los
sistemas.

15. •Procedimientos de detección
Los detectores fotoeléctricos emplean dos procedimientos para detectar
objetos:
– por bloqueo del haz
– por retorno del haz
Bloqueo del haz
En ausencia de un objeto, el haz luminoso alcanza el receptor.
Un objeto bloquea el haz al penetrar en él:
no hay luz en el receptor = detección
Tres sistemas básicos emplean este procedimiento, que se basa en las
propiedades absorbentes de los objetos:
– barrera,
– réflex,
– réflex polarizado.

16. Retorno del haz
En ausencia de un objeto, el haz no llega al receptor. Cuando un
objeto penetra en el haz, lo envía al receptor:
luz en el receptor = detección
Dos sistemas básicos emplean este procedimiento, que se basa en
las propiedades reflectantes de los objetos:
– proximidad,
– proximidad con borrado del plano posterior
Sistema de barrera
El emisor y el receptor se sitúan en dos cajas separadas. Es el sistema
que permite los mayores alcances, hasta 100 m con ciertos modelos.
El haz se emite en infrarrojo o láser.
A excepción de los objetos transparentes, que no bloquean el haz
luminoso, puede detectar todo tipo de objetos (opacos,
reflectantes...) gracias a la excelente precisión que proporciona la
forma cilíndrica de la zona útil del haz.
Los detectores de barrera disponen de un margen de ganancia muy
amplio. Por ello, son muy adecuados para los entornos
contaminados(humos, polvo, intemperie, etc.).

18. Sistema réflex
El emisor y el receptor están situados en una misma caja. En
ausencia de un objeto, un reflector devuelve al receptor el haz
infrarrojo que emite el emisor. El reflector consta de una elevada
cantidad de triedros trirrectángulos de reflexión total cuya
propiedad consiste en devolver todo rayo luminoso incidente en la
misma dirección.
El alcance nominal de un detector fotoeléctrico réflex es del orden
de dos a tres veces inferior al de un sistema de barrera.

20. Los objetos brillantes, que en lugar de bloquear el haz reflejan parte
de la luz hacia el receptor, no pueden detectarse con un sistema
réflex estándar.
En estos casos, es preciso utilizar un sistema réflex polarizado.
Este tipo de detector emite una luz roja visible y está equipado con
dos filtros polarizadores opuestos:
– un filtro sobre el emisor que impide el paso de los rayos
emitidos en un plano vertical,
– un filtro sobre el receptor que sólo permite el paso de los
rayos recibidos en un plano horizontal.
En ausencia de un objeto
El reflector devuelve el haz emitido, polarizado verticalmente,
después de haberlo despolarizado.
El filtro receptor deja pasar la luz reflejada en el plano horizontal.

22. En presencia de un objeto
El objeto detectado devuelve el haz emitido sin ninguna
modificación.
El haz reflejado, polarizado verticalmente, queda por tanto
bloqueado por el filtro horizontal del receptor.

23. Detectores ópticos de proximidad
Al igual que en el caso de los sistemas réflex, el emisor y el receptor están
ubicados en un misma caja. El haz luminoso se emite en infrarrojo y se
proyecta hacia el receptor cuando un objeto suficientemente
reflectante penetra en la zona de detección mostrado en la figura.

24. El alcance de un sistema de proximidad es inferior al de un sistema
réflex, lo que desaconseja su uso en entornos contaminados. El
alcance depende:
– del color del objeto detectado y de su poder reflectante (un
objeto de color claro se detecta a mayor distancia que un objeto
oscuro),
– de las dimensiones del objeto (el alcance disminuye con el
tamaño).
Los detectores de proximidad se equipan frecuentemente con un
potenciómetro de reglaje de sensibilidad. Para una distancia dada
entre el objeto detectado y el emisor, la detección de un objeto
menos reflectante requiere un aumento de la sensibilidad, lo que
puede provocar la detección del plano posterior en caso de ser
más reflectante que el propio objeto.
Los detectores de proximidad con borrado del plano posterior están
equipados con un potenciómetro de regulación de alcance que
permite "enfocar” una zona de detección y evitar la detección del
plano posterior.

25. 2.1.5. Sensores Ultrasónicos.
El principio de detección ultrasónica se basa en la medida del
tiempo transcurrido entre la emisión de una onda ultrasónica y
la recepción de su eco.
El transductor (emisor-receptor) genera una onda ultrasónica
pulsada(200 a 500kHz según el producto) que se desplaza en el
aire ambiente a la velocidad del sonido.
En el momento en el que la onda encuentra un objeto una
onda reflejada(eco) vuelve hacia el transductor. Un
microcontrolador analiza la señal recibida y mide el intervalo
de tiempo entre la señal emitida y el eco.
Dado que las ondas ultrasónicas se mueven por el aire, no
podrán ser utilizados en lugares donde éste circulen con
violencia, o en medios de elevada contaminación acústica.

27. Ventajas
- Rango relativamente alto(hasta varios metros)
- Detección segura del objeto independiente del color y del
material
- Detección del objetos transparentes(ejem. botellas de vidrio)
- Relativamente insensible a la suciedad y el polvo
- Posibilidad de desvanecimiento gradual del fondo
- Posibilidad de aplicaciones al aire libre
- Posibilidad de detección sin contacto con puntos de
conmutación de precisión variable. La zona de detección puede
dividirse a voluntad. Se dispone de versiones programables
Inconvenientes
- Objetos con superficie inclinadas, el sonido se desvía.
- Reaccionan con relativa lentitud. Frecuencia de conmutación
máxima entre 1 y 125 Hz
- Mas caros que los ópticos, prácticamente el doble
Efecto del tipo de objeto
- Los materiales que absorben el sonido tales como telas gruesas,
lana, algodón, goma espuma, a barreras ultrasónicas.
- Objetos reflectantes, transparentes o intensamente negros que no
podrían con ópticos
- Laminas finas de material transparente de 0.1 mm se pueden
detectar.

28. 2.1.6. Sensores Inductivos y capacitivos.
Los sensores de proximidad inductivos permiten detectar
sin contacto objetos metálicos a una distancia de 0 a 60
mm.

29. Los sensores de proximidad inductivos incorporan una bobina
electromagnética la cual es usada para detectar la presencia
de un objeto metálico conductor. Este tipo de sensor ignora los
objetos no metálicos

31. El principio de Eddy Current
El principio de medición de Corrientes de
Eddy es un método inductivo basado en la
extracción de energía de un circuito
oscilante. Esta energía es requerida para la
inducción de corrientes de eddy en
materiales eléctricamente conductivos.
Una bobina es alimentada con una corriente
alterna que genera un campo magnético a
su alrededor, si un metal conductor es
colocado dentro de este campo
electromagnético, se inducen corrientes de
eddy las cuales forman un campo
electromagnético de acuerdo a la Ley de
Inducción de Faraday. Este campo actúa en
contra del campo generado por la bobina, lo
que también provoca un cambio en la
impedancia de la misma. El controlador
calcula la impedancia considerando el
cambio en la amplitud y la fase de la posición
de la bobina sensora.

32. Principio de Funcionamiento

33. Versiones funcionales

34. Ventajas
- Muy buena adaptación a los entornos industriales
- Estáticos duración independiente del numero de maniobras
- Detectan sin contacto físico
- Exclusivamente objetos metálicos a una distancia de 0 a 60 mm.
- Cedencias de funcionamiento elevadas
- Consideración de datos de corta duración
Inconvenientes:
Detección de solamente objetos metálicos.
Alcance débil.

35. Capacitivos
Un detector de proximidad capacitivo se basa en un
oscilador cuyo condensador esta formado por 2 electrodos
situados en la parte delantera del aparato.
En el aire la permitividad es de 1, la capacidad del
condensador es la capacitancia. La permitivilidad es la
constante dieléctrica y depende de la naturaleza del
material. Cualquier material que su dieléctrica sea 2 será
detectado.

36. Principio de funcionamiento
el detector crea un campo eléctrico
La entrada de un objeto altera el campo, provocando la
detección.

37. Aplicaciones industriales
Detección de objetos aislantes y conductores.
Se detecta la masa del objeto.
Puede ser solido o liquido.
El alcance depende de la constante dieléctrica del
material.

38. Ventajas
Detectan sin contacto físico, cualquier objeto.
Muy buena adaptación a los entornos industriales.
Estáticos, duración independiente del numero de
maniobras.
Inconvenientes.
Alcance débil.
Depende de la masa.

39. Analógicos: potenciómetros, resolver, sincro, LVDT.
Digitales: encoders (absolutos e incrementales).
POTENCIÓMETROS: Se usan para la determinación de
desplazamiento lineales o angulares. Eléctricamente se
cumple la relación:
Este potencial puede medirse y disponer de un sistema
de calibrado de manera que por cada potencial se
obtenga proporcionalmente una distancia de
desplazamiento. Ventajas: facilidad de uso y bajo
precio. Desventajas: deben estar fijados al dispositivo
cuyo desplazamiento se quiere medir, precisión limitada.
2.1.7. Sensores de posición proporcionales

40. RESOLVERS: (captadores angulares de posición) Constan de
una bobina solidaria al eje excitada por una portadora, y
dos bobinas fijas situadas a su alrededor. La bobina móvil
excitada con tensión Vsen(ωt) y girada un ángulo θ induce
en las bobinas fijas las tensiones:

41. SINCROS: la bobina que hace función de primario o rotor se
encuentra solidaria al eje de giro. El secundario está formado
por tres bobinas fijas colocadas alrededor del primario en
forma de estrella y desfasadas entre si 120º (estator). Al rotor se
le aplica una señal senoidal y se genera en cada una de las
bobinas fijas un voltaje inducido con un desfase entre ellos de
120º:
V13 = 31/2 V cos(ωt) senθ
V32 = 31/2 V cos(ωt) sen(θ+120)
V21 = 31/2 V cos(ωt) sen(θ+240)
Para los sistemas de control hay que pasar la señal analógica
a digital, para lo cual se utilizan convertidores resolver.

42. SENSORES LINEALES DE POSICIÓN (LVDT) : Es un transformador
diferencial de variación lineal, que consta de un núcleo de material
ferromagnético unido al eje, que se mueve linealmente entre un
devanado primario y dos secundarios haciendo que varíe la
inductancia entre ellos. Se puede afirmar que la energía de la
corriente en la bobina primaria es igual a la que circula en las
secundarias:
Como resultado de un desplazamiento que se quiere medir, el
núcleo magnético es desplazado de manera que una de las
bobinas secundarias no recubra totalmente el núcleo => la corriente
inducida en un secundario será mayor que la inducida en el otro.
De la diferencia de las tensiones medidas en los dos secundarios se
obtiene el desplazamiento realizado por el núcleo.
Ventajas: alta resolución, poco rozamiento y alta repetitividad
Inconvenientes: sólo puede aplicarse a medición de pequeños
desplazamientos.

44. ENCODERS: (codificadores angulares de posición) Constan de
un disco transparente con una serie de marcas opacas
colocadas radialmente y equidistantes entre sí, de un sistema
de iluminación y de un elemento fotorreceptor. El eje cuya
posición se quiere medir va acoplado al disco, a medida que
el eje gira se van generando pulsos en el receptor cada vez
que la luz atraviese las marcas, llevando una cuenta de estos
pulsos es posible conocer la posición del eje. La resolución
depende del número de marcas que se pueden poner
físicamente en el disco.

45. El funcionamiento de un encoder absoluto es similar, pero el
disco se divide en un número de sectores (potencia de 2),
codificándose cada uno de ellos con un código binario
(código Gray), con zonas transparentes y opacas. La
resolución es fija y viene dada por el número de anillos que
posea el disco granulado => 28
ℎ𝑎𝑠𝑡𝑎 219

46. 2.1.8. Sensores de velocidad y aceleración
Tacogenerador: proporciona una tensión proporcional a la
velocidad de giro del eje. Utiliza un interruptor llamado “reed
switch”, que utiliza fuerzas magnéticas para activarse o no
dependiendo si un objeto magnético se encuentra físicamente
cercano al interruptor. Se desea medir la velocidad de giro de una
rueda dentada, se dispone de uno de los dientes magnetizados de
forma que cada vez que éste diente pase junto al interruptor será
accionado por la fuerza magnética. Así por cada vuelta descrita
por la rueda, el interruptor se activa y en su salida se obtiene un
pulso de corriente. Midiendo estos pulsos de corriente (número de
vueltas) por unidad de tiempo => velocidad.

47. Sensores de aceleración
Los sensores utilizados para medir la aceleración se denominan
acelerómetros. Un acelerómetro como se intuye por su nombre es
un instrumento para medir la aceleración de un objeto al que va
unido, lo hace midiendo respecto de una masa inercial interna. Los
acelerómetros son sensores inerciales que miden la segunda
derivada de la posición. Un acelerómetro mide la fuerza de inercia
generada cuando una masa es afectada por un cambio de
velocidad. Existen varios tipos de tecnologías (piezo-eléctrico,
piezo-resistivo, galgas extensométricas, láser, térmico …) y diseños
que aunque todos tienen el mismo fin pueden ser muy distintos
unos de otros según la aplicación a la cual van destinados y las
condiciones en las que han de trabajar.

48. Hay dos parámetros principales a la hora de escoger el
medidor adecuado, los rangos de funcionamiento de
temperatura y frecuencia. Otros parámetros importantes
pueden ser el tamaño, si tienen más funciones, la resistencia
a golpes y por supuesto el precio.

49. 2.1.9. Sensores de fuerza, par y deformación
El peso de un cuerpo es la fuerza con que es atraído por la tierra. La
relación entre la masa del cuerpo, es decir, la cantidad de materia que
contiene, y su peso viene dado por la expresión
𝑃 = 𝑚 𝑥 𝑔
En donde P= peso
m= masa
g= aceleración debido a la gravedad
Como la masa del cuerpo es constante y la aceleración de la gravedad
varia con el lugar y también con la altura, es obvio que el peso del
cuerpo variara según el lugar de la tierra y la altura a los que este sobre el
nivel del mar.
Esto es evidente efectuando la medida con una balanza o resorte. Sin
embargo, en una balanza clásica de cruz, la medida efectuada por
comparación con masas conocidas y como están sometidas también a
la misma fuerza gravitacional, la lectura será independiente del lugar
donde se realiza la medición . Así mismo como los demás tipos de
basculas se ajustan usualmente con pesos patrón las medidas realizadas
serán también independientes de las variaciones de g respecto a la altura
y al lugar de la tierra donde estén instaladas.

50. Otro factor que influye en la medición es la diferencia del
empuje del aire sobre el cuerpo y sobre el patrón su
influencia están pequeña que el error cometido queda
comprendido dentro del error normal aceptado en las
operaciones de pesaje.
En la industria interesa determinar el peso de las sustancias
en las operaciones de inventario de las materias primas, de
productos finales, en la mezcla de ingredientes.
Existen varios métodos para medir peso:
1.- Comparación con otros pesos patrones(balanzas y
básculas).
2.- Células de carga a base de galgas extensométricas.
3.- Células de carga Hidráulicas.
4.- Células de carga neumáticas

51. La comparación con otros pesos patrones la realizan las
balanzas y las básculas.
La balanza clásica esta constituida por una palanca de
brazos iguales, llamados cruz que se apoya en su centro y
cuyos extremos cuelgan los platillos que soportan los
pesos. Puede medir desde unos pocos gramos hasta
300kg. La balanza de Roberval consiste , esencialmente,
en un paralelogramo articulado que puede oscilar
alrededor de un punto central del lado superior del
paralelogramo, manteniéndose verticales las varillas que
soportan los platillos; se caracteriza por que su equilibrio se
alcanza independientemente de la posición de los pesos
en los platillos. Su campo de medida llega hasta los 40kg y
se emplea en las operaciones de llenado o de
comprobación de pesos terminados.

52. Las balanzas y las basculas son sencillas y de gran exactitud
pudiendo alcanzar del ±0.002% al ±0.05%. Sin embargo presentan
los inconvenientes de su lenta velocidad de respuesta, la posible
corrosión que ataca el al juego de palancas en particular en los
puntos de apoyo y que es debido a la suciedad, al polvo ,a los
vapores y a la humedad presente en ambientes industriales y al
desgaste de las piezas móviles.

53. La balanza electromagnética utiliza un sensor de posición y
una bobina de par montados en un servosistema que
equilibra un peso patrón y el peso desconocido. La señal
eléctrica de salida del controlador, que genera la
corrección del desplazamiento provocado por el peso, crea
un campo magnético en la bobina del electroimán que
equilibra la atracción del imán permanente. El sistema
permite, mediante un microprocesador, proporcionar unas
rutinas estadísticas con calculo de la media y desviación
estándar de la pesadas y una compensación de
temperatura. La exactitud es de 1 mg=500 gr

54. La célula de carga a base de Galgas extensiometricas consiste
esencialmente en una célula que contiene una pieza elástica
conocida(E) capaz de soportar la carga sin excederse de su
limite de elasticidad. A esta pieza se encuentra cementada
una galga extensiometrica, que puede estar formada por
varias espiras de hilo (.0025mm) pegado a un soporte de papel
o de resina sintética, o bien puede estar formada por bandas
delgadas unidas con pegamento a la estructura sometida a
carga esta operación de pegado debe de ser muy cuidadoso
y esencial , para obtener lecturas exactas y estables de las
tensiones presentes en la estructura.

55. La tensión o la compresión a que el peso somete a la célula
de carga hacen variar la longitud del hilo metálico y
modifican, por lo tanto su resistencia eléctrica.
Se usan acondicionadores de señal, que son los puentes de
Wheatstone que captan pequeños cambios en la resistencia y
compensan los efectos de temperatura

56. 2.1.11. Sistemas de medición de coordenadas y sistemas de visión.
PROCESAMIENTO DIGITAL DE IMAGEN (PDI)
El procesamiento digital de imágenes es el procesado,
entendiendo este como el almacenamiento, trasmisión y
representación de información, de imágenes digitales por medio de
una computadora digital.
El termino imagen se refiere a una función bidimensional de intensidad
de luz f(x, y) donde x e y denotan las coordenadas espaciales y el valor
de f en cualquier punto(x, y) es proporcional a la intensidad de la
imagen en ese punto. Una imagen digital puede escribirse como una
matriz cuyos índices de fila y columna identifican un punto en la
imagen y cuyo valor coincide con el nivel de intensidad de luz en ese
punto. Cada elemento del array se corresponde con un elemento en
la imagen y se le denomina pixel.

57. El interés en el procesado digital de imágenes se basa
esencialmente en dos aspectos: la mejora de la información
contenida en una imagen para la interpretación humana y el
tratamiento de los datos de una escena para favorecer la
percepción autónoma por parte de una máquina.
Debido al amplio rango de tipos de imágenes empleadas en el
PDI, no existe un límite claro respecto donde se encuentra la línea
divisoria entre el PDI y otra área a fines, como el análisis de
imágenes o la visión por computadora entre otras. El análisis de
imágenes se refiere al proceso por el cual se extrae la información
cuantitativa de la imagen y en donde el resultado del análisis es
siempre una tabla de datos, una gráfica o cualquier
representación de los datos numéricos.

58. El procesado de imagen sin embargo siempre produce otra
imagen como resultado de la operación, por lo que
generalmente se pretende mejorar la calidad de la imagen
para poder apreciar mejor determinados detalles. La visión
por computadora o visión artificial es un subcampo de la
inteligencia artificial cuyo propósito es programar una
computadora para que entienda una escena o las
características de una imagen, emulando la visión humana.
Atendiendo a los tipos de procesos implicados en estas
disciplinas, se suelen hacer una clasificación de tres niveles:
nivel bajo (procesado), nivel medio (análisis) y nivel alto
(interpretación).