Instituto Tecnológico Superior de Felipe Carrillo Puerto Materia:
Interfaces. Trabajo: Aplicación de los sensores ópticos y de aproximación en la computación Carrera:
Ingeniería en Sistemas Computacionales Computacionales Docente: MT. Oscar Raziel Chagolla Aguilar.
Alumnos:
Lino Cen Avila Daniel José Un Chi Flarencia Chable Poot Aarón I. Hernández Aguilar Gualberto Quijada Raigoza
VIII Semestre
Grupo “B”
Felipe Carrillo a 10 de febrero DEL 2012
Introducción. En este documento vamos a explicar la importancia de las aplicaciones de los sensores ópticos y de aproximación los cuales es necesario emplearlo en los procesos de automatización ya que se encargaran de detectar las magnitudes ya sea 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, etc. Una variable 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. Entonces un sensor es un dispositivo capaz de detectar diferentes tipos de materiales, con el objetivo de mandar una señal. Por lo que mencionaremos algunas de las aplicaciones en los que se podría emplear los sensores los cuales son: Control de iluminación, Control contra incendio, Control de seguridad, Control de presencia entre otros. Existe una gran cantidad de tipos de sensores para poder medir magnitudes pero solo nos enfocaremos a mencionar los tipos de sensores ópticos y de aproximación. En cuanto a los sensores ópticos hay dos tipos t ipos principales: los sensores basados en la reflexión y los que trabajan en modo barrera. El primero tiene el emisor de luz y el detector muy próximos y deducen la distancia a la que está un objeto. El segundos trabaja en modo barrera tienen la fuente a cierta distancia enfrente del sensor y solo pueden saber si el objeto se interpone al rayo. En lo que se refiere a los sensores de aproximación hay varios tipos por lo que mencionaremos los más comunes. Los sensores de aproximación capacitivos detectan objetos midiendo el cambio en la capacitancia. Los sensores de aproximación inductivo detecta el objeto cuando se produce un cambio en el campo electromagnético y envía la señal. Podemos ver que en la actualidad los sensores se emplean en áreas como Industria automotriz, Medicina, Robótica, etc. Para automatizar algún proceso necesario. Es por eso la importancia de conocer la definición, tipos, funcionamiento, características y modo de comunicación de los sensores ópticos y de aproximación .
¿Qué es un 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. Pero el tema constructivo de los captadores lo dejaremos a un lado, ya que no es el tema que nos ocupa, más adelante incluiremos en el WEB SITE algún diseño en particular de algún tipo ti po de sensor. Características de un sensor.
Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. Precisión: es el error de medida máximo esperado. Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset . Linealidad o correlación lineal. Sensibilidad de un sensor: su poniendo que es de entrada de salida y la variación de la magnitud de entrada. Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida. Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada. Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor. Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.
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 (ej. 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 los circuitos.
Sensores Ópticos Cuando hablamos de sensores ópticos nos referimos a todos aquellos que son capaces de detectar diferentes factores a través de un lente óptico. óptico . Para que podamos darnos una idea de lo que nos referimos, debemos decir que un buen ejemplo de sensor óptico es el de los mouse de computadora, los cuales mueven el cursor según el movimiento que le indicamos realizar. No obstante es importante tener en cuenta que los sensores opticos también pueden utilizarse para leer y detectar información, tal como al velocidad de un auto que viene por la carretera y si un billete grande está marcado o bien, es falso.
Descripción. Un sensor óptico se basa en el aprovechamiento de la interacción entre la luz y la materia para determinar las propiedades de ésta. Una mejora de los dispositivos sensores, comprende la utilización de la fibra óptica como elemento de transmisión de la luz.
Como funciona. Existen diferentes técnicas ópticas que pueden aplicarse a la medida de diferentes parámetros. Podemos medir la atenuación- transmisión espectral de la luz al atravesar un determinado medio, lo que nos permitirá encontrar los elementos discretos presentes en ese medio y su concentración. También pueden realizarse medidas de tipo interferométrico, en las que la propiedad de la radiación que sufre cambios debido al efecto externo es la fase, con lo que empleando otro haz luminoso de fase conocida como referencia, es posible determinar la magnitud de ese efecto externo. Una técnica que ha cobrado especial relevancia en los últimos años dentro del Departamento de Óptica, es la basada en la resonancia de plasmones superficiales, especialmente útil para la medida del índice de refracción de líquidos. En este caso lo que se mide es la atenuación de la luz guiada por una fibra óptica a la que se le ha eliminado parcialmente el revestimiento y se ha depositado una multicapa incluyendo algún medio metálico. Dependiendo del índice de refracción del medio en contacto con la capa más exterior, el acoplamiento entre los campos será más o menos intenso, o que se reflejará en la potencia luminosa que sale por el otro extremo de la fibra. Ventajas. • Los sensores ópticos, presentan importantes ventaja cuando lo que se desea
es determinar propiedades físicas o químicas: • Es un método no destructivo y no invasivo. • Ofrece posibilidades de integración en sistemas más complejos. • Bajo coste y tecnología bien establecida. • Posibilidades de control a distancia di stancia de lugares poco accesibles físicamente. • Capacidad de conformar redes espaciales de sensores para el control de
parámetros en grandes superficies. Desventajas • Distancia de detección corta . • son muy sensibles a factores ambientales como la humedad . • No selecciona el objeto a detectar .
¿Dónde se ha desarrollado? desarrollado? El Departamento de Óptica de la Facultad de CC. Físicas de la Universidad Complutense de Madrid ha desarrollado y utilizado toda esta variedad de métodos en colaboración con diferentes instituciones universitarias y empresariales. Los principales desarrollos corresponden a la realización de dispositivos codificadores para control numérico en colaboración con FagorAutomation, un dispositivo automático de control de espesor de muestras transparentes y un sensor de posición por interferometría con diodo láser. En el campo específico de los sensores de fibra óptica, cabe destacar la realización de un tacómetro magneto-óptico para un sistema de frenos ABS en colaboración con Alcatel-SESA, un sensor interferométrico de fibra óptica para la medida de presión en colaboración con el Departamento de Óptica Aplicada de la Universidad de Kent, y un sensor basado en la resonancia de plasmones superficiales aplicado a la medida de la salinidad marina enmarcado dentro del proyecto SOFIE en colaboración con diferentes Universidades y empresas europeas.
Tipos de sensores Sensor óptico lineal El AF910 es una solución rentable para los sistemas utilizados en los campos de micro mecanizado láser, micro fresado industriales, dispositivos médicos, patrón de superficie rápida y fina-filmada trazado.
El Detector PDA 2998 ha sido diseñado para una amplia gama de aplicaciones, como la detección y cuantificación de impurezas traza, la identificación de compuestos y el desarrollo de métodos.
Sensor óptico tipo barrera
Detector de barrera. Circuito de polarización con salida a nivel alto con el haz interrumpido
Aplicaciones: Mouse de computadora, los cuales mueven el cursor según el movimiento que le indicamos realizar. No obstante es importante tener en cuenta que los sensores ópticos también pueden utilizarse para leer y detectar información, tal como al velocidad de un auto que viene por la carretera y si un billete grande está marcado o bien, es falso. Las cámaras cámaras digitales y de video utilizan sensores ópticos (lentes) para poder captar las imágenes que van a capturar.
Sensor de aproximación: El sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor. Existen varios tipos de sensores de proximidad según el principio físico que utilizan. util izan.
Tipos de sensores de proximidad Entre los sensores de proximidad se encuentran:
Sensor capacitivo La función del detector capacitivo consiste en señalar un cambio de estado, basado en la variación del estímulo de un campo eléctrico. Los sensores capacitivos detectan objetos metálicos, o no metálicos, midiendo el cambio en la capacitancia, la cual depende de la constante dieléctrica del material a detectar, su masa, tamaño, y distancia hasta la superficie sensible del detector. Los detectores capacitivos están construidos en base a un oscilador RC. Debido a la influencia del objeto a detectar, y del cambio de capacitancia, la amplificación se incrementa haciendo entrar en oscilación el oscilador. El punto exacto de ésta función puede regularse mediante un potenciómetro, el cual
controla la realimentación del oscilador. La distancia de actuación en determinados materiales, pueden por ello, regularse mediante el potenciómetro. La señal de salida del oscilador alimenta otro amplificador, el cual a su vez, pasa la señal a la etapa de salida. Cuando un objeto conductor se acerca a la cara activa del detector, el objeto actúa como un condensador. El cambio de la capacitancia es significativo durante unalarga distancia. Si se aproxima un objeto no conductor, (>1) solamente se produce un cambio pequeño en la constante dieléctrica, y el incremento en su capacitancia es muy pequeño comparado con los materiales conductores.
Sensor inductivo Los sensores inductivos de proximidad han sido diseñados para trabajar generando un campo magnético y detectando las pérdidas de corriente de dicho campo generadas al introducirse en él los objetos de detección férricos y no férricos. El sensor consiste en una bobina con núcleo de ferrita, un oscilador, un sensor de nivel de disparo de la señal y un circuito de salida. Al aproximarse un objeto "metálico" o no metálico, se inducen corrientes de histéresis en el objeto. Debido a ello hay una pérdida de energía y una menor amplitud de oscilación. El circuito sensor reconoce entonces un cambio específico de amplitud y genera una señal que conmuta la salida de estado sólido o la posición "ON" y "OFF". El funcionamiento es similar al capacitivo; la bobina detecta el objeto cuando se produce un cambio en el campo electromagnético y envía la señal al oscilador, luego se activa el disparador y finalmente al circuito de salida hace la transición entre abierto o cerrado.
Sensor fin de carrera El final de carrera o sensor de contacto (también conocido como "interruptor de límite") o limit swicht, son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido de un elemento móvil, como por ejemplo una cinta transportadora, con el objetivo de enviar señales que puedan modificar el estado de un circuito. Internamente pueden contener interruptores normalmente abiertos (NA), cerrados (NC) o conmutadores dependiendo de la operación que cumplan al ser accionados. Generalmente estos sensores están compuestos por dos partes: un cuerpo donde se encuentran los contactos y una cabeza que detecta el movimiento. Su uso es muy diverso, empleándose, en general, en todas las máquinas que tengan un movimiento rectilíneo de ida y vuelta o sigan una trayectoria fija, es decir, aquellas que realicen una carrera o recorrido fijo, como por ejemplo ascensores, montacargas, robots, etc.
Sensor infrarrojo El receptor de rayos infrarrojos suele ser un fototransistor o un fotodiodo. El circuito de salida utiliza la señal del receptor para amplificarla y adaptarla a una salida que el sistema pueda entender. la señal enviada por el emisor puede ser codificada para distinguirla de otra y así identificar identif icar varios sensores a la vez esto es muy utilizado en la robótica en casos en que se necesita tener más de un emisor infrarrojo y solo se quiera tener un receptor. Los sensores infrarrojos pueden ser: ser :
Sensor infrarrojo de barrera: Las barreras tipo emisor-receptor están compuestas de dos partes, un componente que emite el haz de luz, y otro componente que lo recibe. Sensor auto réflex: La luz infrarroja viaja en línea recta, en el momento en que un objeto se interpone el haz de luz rebota contra este y cambia de dirección permitiendo que la luz sea enviada al receptor y el elemento sea censado, un objeto de color negro no es detectado ya que este color absorbe la luz y el sensor no experimenta cambios. Sensor auto réflex: La luz infrarroja viaja en línea recta, en el momento en que un objeto se interpone el haz de luz rebota contra este y cambia de dirección permitiendo que la luz sea enviada al receptor y el elemento sea censado, un objeto de color negro no es detectado ya que este color absorbe la luz y el sensor no experimenta cambios.
Sensor ultrasónico Los sensores ultrasónicos tienen como función principal la detección de objetos a través de la emisión y reflexión de ondas acústicas. Funcionan emitiendo un pulso ultrasónico contra el objeto a censar, y al detectar el pulso reflejado, se para un contador de tiempo que inicio su conteo al emitir el pulso. Este tiempo es referido a distancia y de acuerdo con los parámetros elegidos de respuesta con ello manda una señal eléctrica digital o analógica.
Sensor magnético Los sensores de proximidad magnéticos son caracterizados por la posibilidad de distancias grandes de la conmutación, disponible de los sensores con dimensiones pequeñas. Detectan los objetos magnéticos (imanes generalmente permanentes) que se utilizan para accionar el proceso de la conmutación. Los campos magnéticos pueden pasar a través de muchos materiales no magnéticos. Usando los conductores magnéticos (ej. hierro), el campo magnético se puede transmitir sobre mayores distancias para, por ejemplo, poder llevarse la señal de áreas de alta temperatura.
Sensores de humedad
La detección de humedad puede ser muy importante en un sistema si éste debe desenvolverse en entornos que no se conocen de antemano. Una humedad excesiva puede afectar los circuitos, y también la l a mecánica de un robot. Por esta razón r azón se deben tener en cuenta una variedad de sensores de humedad disponibles, entre ellos los capacitivos y resistivos, más simples, y algunos integrados con diferentes niveles de complejidad y prestaciones.
Conclusión Después de realizar la investigación podemos concluir que, hoy en día; el uso de sensores, no es un lujo, sino que es por necesidad. Existe una gran diferencia de 10 años atrás, cuando apenas se desarrolló el primer sensor; ahora se pueden conseguir de una manera más fácil y más barata; ahora la mayoría de las empresas se empeñan en utilizar este tipo de tecnología, ya que es segura, en muchos casos, fácil de programar. La diferencia entre los sensores de proximidad y los sensores ópticos es que el primero, se activa al sentir algún objeto cerca; por lo general este es la características de este tipo de sensor; por otro lado el segundo sensor está programado para captar objetos, al momento de hacer dicha acción se activa; en palabras generales estos son las características principales de estos 2 grandes sensores. Ha sido un gran logro para la humanidad estos aparatos, porque mejora el funcionar de muchos aparatos, en los hogares y en las empresas; gracias a esto se ha facilitado muchas acciones que antiguamente que por lo general eran complejas.
