Generalidades y construcción de sensores Un sensor es un dispositivo que responde a un estímulo externo tal como la luz, una fuerza, vibraciones, temperatura, sonido o un campo magnético generando un cambio en una señal de salida. Este cambio de la señal de salida acoplado a un circuito eléctrico adecuado puede usarse para muchos propósitos. En este artículo veremos como construir algunos sensores con materiales de fácil acceso y además algunos proyectos proyectos simples de aplicación de estos y otros sensores para diferentes propósitos. La mayor parte de los sensores pueden clasificarse en dos grupos: • •
Sensores de abierto/cerrado como un interruptor. Sensores analógicos que muestran una salida proporcional al estímulo.
Sensores de apagado/encendido. También conocidos como sensores si/no, sensores 0/1, sensores on/off, o sensores binarios son en general dispositivos mecánicos simples, los mas comunes son: • •
Interruptores Reed que se conectan por la proximidad de un imán. Interruptor de péndulo, donde un peso cuelga de un hilo conductor dentro de un anillo metálico y las vibraciones o movimiento del anillo producen el cierre del circuito.
Interruptor Reed. La siguiente figura muestra un esquema del Interruptor Reed, también conocidos como Relé Reed. Consta de dos electrodos fijos en los extremos de un bulbo generalmente de vidrio transparente, acoplados a estos electrodos hay dos láminas separadas una de las cuales esta construida muy flexible de un material ferromagnético. Cuando se acerca un imán al relé, la atracción sobre la lámina ferromagnética la encorva y se produce el contacto con la otra lámina cerrando el circuito. Si se separa el imán, de nuevo vuelve la lámina atraída a su posición original y el circuito se abre. Estos interruptores son muy utilizados en los sistemas de seguridad y las alarmas para la detección de la apertura y cierre de puertas y ventanas.
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Interruptor de péndulo. En la figura a continuación puede verse un esquema del interruptor de péndulo que sirve como sensor de movimiento o de vibraciones. En él como un conjunto, dentro de un cuerpo metálico conductor con un agujero cilíndrico cuelga una bola metálica algo mas pequeña que el agujero a través de un hilo conductor. Los movimientos laterales rápidos o de inclinación del aparato hacen que la bola haga contacto con el interior del agujero cerrando el circuito. La sensibilidad del dispositivo dependerá de diferencia de diámetro entre la bola y el agujero.
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Sensores analógicos. En estos sensores se obtiene una salida proporcional a la señal de entrada y pueden ser de muchos tipos, los mas comunes son: 1. Fotoresistencias: son resistencias eléctricas cuyo funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico. En ellas el valor de la resistencia eléctrica cambia de acuerdo a la intensidad de la luz que les incide. 2. Fotodiodos: estos sensores funcionan como un transistor cuya conducción va desde circuito abierto en la oscuridad, luego la conducción varía proporcionalmente a la iluminación que incide sobre ellos y finalmente a partir de cierta intensidad de luz se comportan como circuito cerrado. 3. Termistores o termoresistencias: son resistencias eléctricas fabricadas con ciertos semiconductores cuyo valor depende de la temperatura a que se someten. 4. Micrófono: los que producen un voltaje o cambio de capacidad en dependencia del nivel de sonido. 5. Sensores piezoeléctricos: construidos de ciertos cristales o cerámicas que producen un voltaje cuando se doblan o se someten a un impacto mecánico. 6. Extensiómetros: son resistencias eléctricas construidas de alambres sumamente finos en forma de zigzag adheridas a una lámina de papel o plástica. El estiramiento de la resistencia debido a la aplicación de una fuerza, estira a su vez los alambres conductores por lo que cambia su resistencia eléctrica. Se utilizan con frecuencia para determinar deformaciones mecánicas de piezas a las que son adheridos.
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Modificación de las señales. La salida de los sensores puede clasificarse en dos grupos: • •
Señales activas; que son aquellas portadores de energía tal como un voltaje. Señales pasivas; que son aquellas no portadoras de energía tales como cambios en la resistencia o capacidad eléctrica.
En el caso de señales activas, generalmente pueden ser utilizadas directamente por el medio indicador, pero en ocasiones su potencia es pequeña y deben ser amplificadas. Las señales pasivas casi universalmente se convierte a un voltaje proporcional para alimentar el medio indicador. Circuito típico de amplificación de voltaje:
Conversor resistencia eléctrica / voltaje utilizando amplificadores operacionales:
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Construcción de un interruptor de soplado. Un interruptor por soplado se cierra por aire comprimido o simplemente soplando por un tubo, estos interruptores son caros y difíciles de conseguir pero puede construirse uno fácilmente. De los muchos posibles, el que se muestra en la figura es uno de los mas realizables.
Construcción de un sensor de vibraciones digital. En la figura se muestra un esquema de como construir un sensor del tipo digital, capaz de detectar las vibraciones, que puede ser utilizado con bajo voltaje. A los cables de salida puede conectarse un zumbador una luz o una alarma.
Se unen como se muestra, una placa de circuito con la cubierta de cobre a otra mas pequeña sin cobre utilizando un tornillo, este tornillo a su vez aprieta un lazo hecho de alambre conductor que sirve como entrada de la corriente. En el tornillo además se ha anclado un presilla de oficina de manera que la corriente se conduce a ella. La presilla sujeta, y conecta a la corriente de entrada, un alambre de acero flexible del tipo de "cuerda de guitarra" con su extremo doblado hacia la cubierta de cobre de la placa de abajo, pero ligeramente separado de esta. Con el uso de otro tornillo se conecta el cable de salida a la placa de abajo según se muestra.
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Un contrapeso tal como una plomada de pescar montado sobre el alambre aumenta la sensibilidad. Moviendo el contrapeso hacia la presilla o separando la punta del alambre de la superficie de cobre se reduce la sensibilidad. Cuando se somete el dispositivo a vibraciones el alambre de acero hace contacto con la placa de cobre cerrando el circuito a la misma frecuencia que las vibraciones. Construcción de un sensor de vibraciones analógico. En la figura se muestra un esquema de otro dispositivo que puede sensar las vibraciones de manera analógica y no necesita alimentación con electricidad. Como elemento sensor se usa un platillo piezoeléctrico extraído de un zumbador de los utilizados en los aparatos domésticos. Este elemento piezoeléctrico se coloca con la mitad de su diámetro debajo de una regla y presionado por dos ladrillos como se muestra, en el extremo de la regla se coloca un contrapeso.
Cuando el dispositivo se somete a vibraciones los movimientos verticales de la regla doblan un tanto el elemento piezoeléctrico y este entonces, generará un voltaje proporcional al doblado. Un voltímetro de aguja conectado a los cables de salida del elemento piezoeléctrico mostrará su aguja vibrando al mismo ritmo que las vibraciones a que se someta el dispositivo. Si se conecta un LED de alto brillo con la polaridad adecuada a los cables de salida del dispositivo y el extremo de la regla sin contrapeso se golpea ligeramente, se verá al LED iluminarse con cada golpe. Usando un osciloscopio como elemento indicador podrá determinarse la forma y frecuencia de la oscilación. Construcción de un sensor de inclinación. Este interruptor de péndulo es ideal para detectar inclinación o movimientos laterales. Se usa en sistemas de seguridad y sensores sísmicos. Puede construirse partiendo de materiales de fácil acceso.
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Utilice arandelas electro-galvanizadas o niqueladas, péguelas sobre los estantes intermedios a los que previamente se han hecho los agujeros para que pase el hilo del péndulo.
El orificio del estante y arandela superiores son mas pequeños que los del estante inferior para lograr una segunda señal opcional si la inclinación se hace muy grande. El recipiente lleno de aceite es opcional, y sirve para amortiguar los movimientos del péndulo. Observe que si el conjunto se inclina, el alambre de la plomada hace contacto con la arandela superior primero, cerrando el circuito, por lo que el zumbador 1 comienza a sonar. Si continua el movimiento entonces hará contacto la arandela 2 y sonará también el otro zumbador. El interruptor S1 sirve para poner en marcha el sensor. Construcción de un sensor de agua o fuego. La figura muestra como puede hacerse un interruptor normalmente cerrado muy simple, capaz de sensar el calor del fuego o la presencia de agua, utilizando un broche. Una presilla para papeles doblada de forma adecuada se atornilla a una de las palancas como se muestra, otro tornillo asegurado a la otra palanca cierra el contacto cuando las palancas se accionan. Los cables de conexión a la alarma o al indicador se acoplan a los tornillos de las palancas.
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Para sensar fuego: Ponga una lasca de cera de una vela entre las piezas de apriete de manera que el contacto se cierre y quede cerrado, la fusión de la cera por el calor del fuego abrirá el contacto y se accionará la alarma. Para sensar agua: Puede usar una tableta soluble en agua tal como una aspirina.
Construcción de un sensor de voltaje. En la figura se muestra un esquema de como sensar un valor de un voltaje de manera muy simple. Cuando se supera en umbral de voltaje del diodo zener el LED se enciende, mientras tanto permanece apagado. La resistencia R sirve para limitar el valor de la corriente.
En la figura se puede ver un diagrama de un indicador luminoso que puede servir para determinar múltiples rangos de valores de voltaje. A medida que el voltaje de entrada crece se van superando los umbrales de voltaje de los diferentes LED y estos se van iluminando consecutivamente.
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Construcción de un sensor de infrarrojos. En la figura se muestra un esquema de como construir un sensor de rayos infrarrojos muy simple para detectar las radiaciones de una fuente de calor.
En el foco del reflector de una linterna se coloca una termo resistencia con los alambres de salida arrollados en sus electrodos de salida. Estos alambre se doblan adecuadamente y se fijan al reflector con el uso de cinta adhesiva. Es muy importante para aumentar la sensibilidad del dispositivo colocar el termistor en el foco de la parábola formada por el reflector, este foco es exactamente donde el bombillo original tiene el filamento. Construcción de un interruptor de infrarrojos. Elabore el circuito como se muestra en la figura , en ella T1 y T2 son termistores. Conecte la batería y espere algunos segundos hasta que los termistores se estabilicen. Mueva el potenciometro R2 muy despacio hasta que el LED se apague, luego si acerca la mano al reflector o enciende un fósforo desde la distancia de 1 metro o mas el LED se enciende.
Observe que los cambios de temperatura de la habitación no influyen, debido a que producen un cambio de resistencia igual en ambos termistores.
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Amplificador de la señal infrarroja. El circuito de la figura amplifica y convierte en voltaje los cambios de resistencia del termistor T1.
Utilice una amplitud de escala del multímetro de 0-5 ó 0-10 voltios. Ajuste a R1 hasta que la aguja esté en el centro de la escala. Una fuente de calor tal como la punta de una pistola de soldar hará moverse la aguja de un lado a otro a medida que se acerque o aleje del sensor. Construcción de un extensiómetro. En la figura aparece un esquema de como puede construirse un xtensiómetro o sensor de tensión muy simple. En una tira de lámina plástica a la que se ha dada lija para hacer la superficie rugosa (de ser necesario), se dibuja una doble T como se muestra, usando un lápiz de grafito blando. Dada la conductividad eléctrica del grafito, este dibujo constituye una resistencia eléctrica.
El valor de la resistencia medido entre los extremos de la T cambia si la lámina se dobla o tuerce. El cambio se produce de la manera siguiente: Cuando se dobla hacia la cara con grafito la resistencia disminuye y cuando se dobla al contrario aumenta.
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La resistencia deseada puede calibrarse borrando parte del trazo ligeramente con una goma de borrar. Puede aplicarse un capa ligera de barniz para evitar cambios posteriores de la resistencia por la humedad del ambiente. En la figura se muestra como puede aumentarse la sensibilidad.
Inclinómetro económico Para aquellos que pretenden trabajar con sistemas o aplicaciones, que en determinado momento necesitan saber su aceleración o inclinación, se ideó este sencillo y económico sensor. Tomando un recipiente de material aislante y estanco, (en mi caso un envase de rollo fotográfico) se le hacen tres perforaciones equidistantes sobre un lado, para que pasen en forma ajustada tres tornillos, yo tenía a la mano de 1/8 por 1/2 pulgada de hierro galvanizado, pero hubiese preferido de acero inoxidable, como de cada uno de ellos debe salir una conexión se le deben colocar unos terminales o los cables directamente.
Se le pone agua de la canilla hasta la mitad aproximadamente, se tapa y ya está listo el sensor. Se podría experimentar con glicerina para lograr un efecto de
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amortiguación debido a la viscosidad de esta, adecuando el valor de los capacitores para compensar el cambio de resistividad. El terminal central va directamente conectado a masa, los dos restantes uno a cada del microcontrolador a utilizar. Estando el dispositivo en posición horizontal y los tornillos en la parte inferior, el agua cubre los tornillos en forma uniforme, dando esto una lectura similar de resistividad para ambos pines, al inclinar o acelerar, uno de los tornillos queda mas cubierto por el agua y el otro menos, reflejándose este echo. Los capacitores C1 y C2, deben ser iguales, en mi caso 100nF, pero se pueden variar. Flexiforce casero Se trata de un experimento de sensor táctil resistivo. Está hecho con dos tiras de placa para impresos (VSS), sobre las cuales deposité una mezcla de "grafito en polvo" (del que es utilizado cómo lubricante) y "adhesivo/sellador trasparente de silicona neutra"; en el medio un tira de "papel España" que actúa como electrodo sensible, dependiendo la resistividad de éste último electrodo con respecto a los otros dos, de la presión ejercida.
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El dispositivo experimental funciona, pero para que lo haga correctamente, debe ser ejercida la presión sobre toda la superficie. Las placas externas deberían ser más rígidas o la superficie sensible más chica.
Fuentes: • •
http://www.sabelotodo.org/index.html http://www.todomicrostamp.com
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