Proyecto de Vinculación PVS-2018-031

Desarrollo de habilidades técnicas en

el área de robótica en los estudiantes de la Unidad Educativa Don Bosco

SENSORES

Introducción

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Con el transcurrir del tiempo la electrónica ha ido evolucionando, dentro deellos el desarrollo de los sensores, ya que ellos pueden realizar muchasfunciones en los sistemas de fabricación automatizados y en la robótica ya queson utilizados para contar, posicionar, monitorear, medir productividad yasegurar la calidad entre otros.Los sensores responden a la presencia o la ausencia de virtualmente cualquiertipo de objeto, grande o pequeño, transparente u opaco, brillante o mate,dependiendo el tipo de sensor que se utilice y como se lo programe, para elloes muy importante tener conocimientos sobre los fundamentos defuncionamiento de los sensores.

Los temas cubiertos en la presente clase incluyen una definición de los sensoresmas utilizados, como por ejemplo los potenciométricos, capacitivos, deultrasonido y de temperatura, principio de funcionamiento y ejemplos de susposibles utilizaciones dentro de la industria y la robótica y la industria.

Objetivos

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Familiarizar a los estudiantes con los principales sensoresutilizados en electrónica.

Entender el principio de funcionamiento de los sensores, suscaracterísticas de alimentación.

Definir y clasificar los sensores mas utilizados dentro de laindustria y la robótica.

Explicar las posibles utilizaciones dentro de la robótica y dondepodrían utilizar estos sensores los estudiantes de U.E DonBosco.

Fundamentos de los Sensores

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¿Qué son los sensores?

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Los sensores son elementos que suministra una señal exactamente proporcional

a la magnitud física medida, con total independencia de su amplitud (grande o

pequeña), su forma de variación (lenta o rápida) y de las condiciones

ambientales (temperatura, humedad, vibración, etc).

Características de los Sensores

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Características Eléctricas:Impedancia de entrada.Impedancia de salida.Consumo de corriente.Forma de la señal de entrada.Tipo de señal de salida.

Características Operativas:Alcance o rango.Sensibilidad.Exactitud.Resolución.

Características Ambientales:Temperatura.Humedad.Montaje.Tiempo.Vibración.

Características eléctricas de alimentación

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La mayoría de los sensores son pasivos y necesitan una fuente dealimentación.

La tensión de alimentación puede ser continua o alterna, aunquegeneralmente es continua.

Parámetros para considerar:• Consumo de corriente en vacío: máximo valor de corriente que el sensor

demanda de la fuente de alimentación cuando no se conecta una carga asu salida.

• Impedancia de la fuente e impedancia de entrada: impedanciapresentada al sensor por la fuente de alimentación y a la fuente dealimentación por el sensor respectivamente.

Sensores Resistivos

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Sensores cuyo principio físico de funcionamiento es la variaciónde la resistencia eléctrica de un componente eléctrico oelectrónico. Según la variable física que hace variar la resistenciase clasifican en:• Potenciométricos• Galgas extensométricas.• Sensores de temperatura de resistencia metálica o RTD.• Termistores.• Fotorresistencias o LDR

Sensores Resistivos - Potenciómetros

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Un potenciómetro es un dispositivo electromecánico que

consta de una resistencia de valor fijo sobre la que se desplaza

un contacto deslizante, el cursor, que la divide eléctricamente.

Aplicaciones y Problemas de Potenciómetros

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o Aplicaciones: Medida de desplazamientos

lineales o angulares. Medida de magnitudes físicas

que se pueden convertir en un desplazamiento: fuerza, presión, nivel, inclinación, etc.

o Problemas: Mecánicos. Rozamiento. Autocalentamiento.

Ejemplo:

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o Sensor de posición (Joystick). Medida de desplazamiento

Sensores Resistivos - Termistores

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Antes de definir un termistor, vamos a entender lo que es la temperatura y latermorresistividad.• La temperatura es un parámetro físico descriptivo de un sistema que

caracteriza el calor, o transferencia de energía térmica, entre ese sistema y otros.

• La termorresistividad es la propiedad de algunos conductores ysemiconductores cuya resistencia es función de la temperatura.

¿Qué es un Termistor?

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Una vez comprendido lo que es temperatura y termorresistividadya podremos definir lo que es un termistor.

Los termistores, son semiconductores electrónicos con uncoeficiente de temperatura de resistencia de valor elevado, porlo que presentan unas variaciones rápidas, y extremadamentegrandes, para los cambios, relativamente pequeños, en latemperatura.

Termistor NTC

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Son resistencias de material semiconductor cuya resistenciadisminuye cuando aumenta la temperatura.

Están construidas con una mezcla de óxidos metálicos. Básicamente el incremento de temperatura aporta la energía

necesaria para que se incremente el numero de portadorescapaces de moverse, lo que lleva a un incremento en latemperatura del material.

Son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta depende de lacapacidad térmica y de la masa del termistor, variando de 0.5 a10 segundos.

Termistor RTD

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Las RTD se basan en la variación de la resistencia eléctrica de losmetales con la temperatura. Una RTD típica esta formada por undevanado de hilo encapsulado como el de la figura:

Aplicaciones de Termistores PTC

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Protección contra sobretensiones:• Cuando la tensión de red tiene su valor nominal, la PTC tiene una

resistencia tal que la mayor parte de la tensión se aplica al equipo aproteger.

• Si se produce una sobretensión en la red, se calienta la PTC, lo que haceque aumente su resistencia y que se limite la tensión en bornes delequipo.

Sensores Resistivos –Fotorresistencias (LDR)

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o Antes de definir una LDR, vamos a entender lo que es lafotorresistividad.

o La fotorresistividad es la propiedad de los semiconductores cuyaresistividad varía al someterlos a una radiación óptica.

¿Qué es una LDR?

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Una LDR es una resistencia con una característica muy particular: su valor

depende de la intensidad de luz que incide en ella. Cuando la intensidad de la luz

aumenta, el valor de la resistencia desciende, y viceversa. Una aplicación es la

automatización de los sistemas de iluminación, de tal manera que al oscurecer se

enciendan las luces.

LDR

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Están formadas por capas finas de materiales semiconductoresdispuestas sobre un sustrato cerámico o de plástico. Para obtener unaelevada sensibilidad con unas dimensiones reducidas, la películasemiconductora se construye en zig-zag.

Las LDR tienen elevado tiempo de respuesta. El tiempo de respuesta al iluminar la LDR es menor que al

oscurecerla.

Aplicaciones de las LDR

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Medida de Luz:En aplicaciones en las que se exige poca precisión y bajos costescomo el control automático de brillo y contraste, control dediafragma de cámaras electrónicas, etc.Detección de nivel de luz:Detectores de presencia y posición, encendido automático delalumbrado púbico, etc

Sensores Capacitivos

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Son sensores basados en la variación de la capacitancia de uncomponente eléctrico o electrónico en respuesta a la variación dealguna magnitud física.

Condensadores

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Un condensador es un dispositivo eléctrico que está formadopor dos conductores separados por un material aislante(dieléctrico). Se caracteriza por almacenar cargas cuando seaplica una tensión entre los dos conductores y la relación entrela cantidad de cargas almacenadas y la tensión aplicada recibe elnombre de capacidad.

El valor de la capacidad depende de la disposición geométrica delos conductores y de las características del material dieléctrico.

Consideraciones Importantes de Sensores Capacitivos

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Se utilizan para medir desplazamientos lineales y angulares,detectar objetos próximos, medir la humedad, presión yaceleración.

No les afecta las variaciones de temperatura, excepto si eldieléctrico es el agua.

No existe errores de fricción porque no existe contactomecánico.

Bajo consumo de energía.

Aplicaciones de Sensores Capacitivos

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Detectores de presencia:

Aplicaciones de Sensores Capacitivos

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Velocímetros:

Sensores de Ultrasonido

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Son sensores basados en la interacción de los ultrasonidos con unobjeto.

Se denomina ultrasonidos a las vibraciones de frecuenciasuperior a las audibles por el ser humano (>20KHz) que seproducen en un medio elástico.

Sensores de Ultrasonido

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La medida de diferentes variablesfísicas mediante los ultrasonidosestá relacionada normalmentecon su velocidad, su tiempo depropagación.

La temperatura puede influirsignificativamente en lapropagación de los ultrasonidos.

La densidad del aire depende dela temperatura que influye sobrela velocidad de propagación de laonda.

Características de Sensores de Ultrasonido

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Los sensores ultrasónicos miden el tiempo que tarda en recibir el eco de unimpulso emitido, debido a la reflexión sobre un objeto presente en el camino depropagación de la radiación.

Influencia de la temperatura del objeto en la transmisión de los ultrasonidos:

Aplicaciones de Sensores de Ultrasonido

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Sensor detector de objetos:

Aplicaciones de Sensores de Ultrasonido

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Sistemas de percepción y control de robots móviles:

Aplicaciones de Sensores de Ultrasonido

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Prevención de colisiones:

Aplicaciones de Sensores de Ultrasonido

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Sensor de Nivel de Agua:

Aplicaciones de Sensores de Ultrasonido

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Sensor medidor de distancias:

-SRF04 es un sensor de distancias por ultrasonidos capaz dedetectar objetos y calcular la distancia a la que se encuentra en unrango de 3 a 300 cm.-SRF05 es un sensor de medidas de distancia compatible con elSRF04, a diferencia que este posee un rango de medida de 4m enlugar de 3m.

Aplicaciones de Sensores de Ultrasonido

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SONAR (Sound Navigation and Rranging):

• Utiliza la reflexión de los ultrasonidosen objeto situados en el agua.

• Se uso con fines militares en laSegunda Guerra mundial.

• Hoy en día su aplicación militar estáen desuso ya que la llegada delimpulso alerta al objetivo de lapresencia del emisor antes de queesté escuche al eco.

• Actualmente se utiliza para detectarbancos de peces

Sensores de Temperatura –LM35

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• El LM35 es un circuito electrónico sensor que puede medirtemperatura. Su salida es analógica, es decir, proporciona unvoltaje proporcional a la temperatura.

• El sensor tiene un rango desde -55°C a 150°C y es muy populardebido a la facilidad con la que se puede medir temperatura.

Sensores de Temperatura –LM35

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• Dado que el sensor LM35 es analógico, basta con medir con unmultímetro, el voltaje a salida del sensor.

• Para mediciones de temperaturas, es el sensor mas utilizadodebido a su sensibilidad y su fiabilidad.