Sensores digitales

Sensores digitales La creciente presencia de sistemas digitales para el tratamiento y presentacin de la informacin en los sistemas de medida y control, hace muy atractivos aquellos sensores que ofrecen directamente a su salida una seal en forma digital, por la simplificacin que suponen en el acondicionamiento de seales y su mayor inmunidad a las interferencias electromagnticas en determiados casos. Dos tipos de sensores digitalesUnos ofrecen directamente una seal digital a partir de una entrada analgica; este grupo lo forman los codificadores de posicin.

El segundo tipo es el de los sensores que se basan en fenmeno fsico de tipo oscilatorio, transducido posteriormente por un sensor modulador convencional.

Es de destacar que no hay prcticamente ningn fenmeno cuya transduccin de directamente una salida digital. Lo que se hace propiamente es convertir una magnitud analgica de entrada en una seal digital por medio de un sensor sin necesidad de convertir una tensin analgica en su equivalente digital. Codificadores incrementales

Ventajas y desventajasLa simplicidad y economa no tienen duda pero tiene una serie de inconvenientes que es importante sealar. 1.- La informacin sobre la posicin se pierde en cuanto falla la alimentacin del sistema, o simplemente cuando se desconecta y en presencia de interferencias fuertes. 2.- Es necesario un contador bidireccional para poder tener una salida digital compatible con los elementos de entrada-salida de un ordenador.3.-no permite detectar el sentido de avance si no se dispone de elementos adicionales a los indicados

Frenos absCodificadores elctricosLos codificadores capacitivos emplean una disposicin similar al inductosyn pero sin apantallamiento elctrico entre la pista fija y la mvil, de esta forma el cambio de capacidad es cclico, con periodo igual a la distancia entre lneas que puede ser de solo 0.4mm

Los inconvenientes de desgaste y perdida de contacto de estas en caso de vibraciones vienen contrarrestados por la obtencin de tensiones de salida elevadas que no requieren amplificacin y por su menor precio, no obstante, es una tcnica cada ves menos empleada en beneficio de las que no requieren contacto alguno.

Codificador ptico Basados en sectores opacos y transparentes, en sectores reflectores y no reflectores, o en franjas de interferencia. En cualquier caso en el cabezal de lectura fijo hay siempre una fuente de luz, normalmente un led infrarrojo y un foto detector.

Los problemas que sufren son ambientales como polvo humo, degradacin temporal y trmica de los elementos optoelectrnicas y al efecto de las vibraciones sobre los posibles sistemas de enfoque.

Cuando se emplean sectores opacos y transparentes, cromo sobre vidrio, metal ranura do, etc. El emisor y el detector deben situarse uno a cada lado del elemento mvil.

En cambio, cuando se emplean sectores reflectores y no reflectores por ejemplo acero pulido con surcos grabados en su superficie el emisor y el detector deben estar en el mismo lado. Codificadores absolutosLos codificadores de posicin abosolutos ofrecen a su salida una seal codificada correspondiente a la posicin de un elemento movil, regla o disco, con respecto a una referencia interna. Para ello, el elemento movil dispone de zonas con una propiedad que las distingue y a las que se asigna un valor binario 0 o 1 Cada pista representa un bit de salida, siendo la pista mas interior la correspondiente al bit de mayor peso. Los tipos de sensores mas empleados en este caso son los pticos con zonas opacas y transparentes y, en menor medida los de contacto, con zonas conductoras y aislantes.

Estos codificadores tienen inmunidad intrnseca frente a las interrupciones e interferencias electromagnticas, pero ello es a costa de unos cabezales de lectura que son mucho mas complejos que en los codificadores incrementales. Esto se debe a que hay tantos elementos de lectura como pistas y a la necesidad de que todos ellos estn bien alineados, pues, de lo contrario, el cdigo ofrecido a la salida puede estar formado por bits correspondientes a dos posiciones contiguas.

El cdigo continuo mas empleado en codificadores es el cdigo gray. Su inconveniente es que si la informacin hay que mandarla a un ordenador, conviene convertir la salida a cdigo binario. Pero si el objetivo de la medida es solo la representacin numrica de la posicin hay que convertir la salida a cdigo BCD.

Las aplicaciones de los codificadores de posicin son relativas a la medida y control de posiciones lineales y angulares con alta resolucin. Se emplean asi en robotica, gruas, vlvulas hidrulicas, mesas de dibujo automticas, maquinas-herramienta, posicionamiento de cabezales de lectura en discos magnticos y de fuentes de radiacin en radioterapia, radar orientacin de telescopios, etc.

Tambin se pueden aplicar a la medida de magnitudes que se puedan convertir en un desplazamiento por medio de un sensor primario adecuado.

Sensores autorresonantesLos sensores basados en un fenmeno fsico resonante ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de inters que afecta a la frecuencia de oscilacin. Todos requieren un frecuencmetro-contador para medir bien la frecuencia, bien el periodo de oscilacin. La eleccin de uno u otro mtodo depende de la resolucin deseada y del tiempo disponible para la medida. Las estructuras resonantes basadas en mono cristales de silicio se prestan bien a la realizacin de circuitos integrados

Osciladores armnicos y de relajacionEn los primeros hay una energa almacenada que cambia de una a otra forma de almacenamiento, por ejemplo, energa cinetica en el movimiento de una masa a energa potencial en la tensin del muelle.

En los segundos hay una nica forma de almacenamiento, y la energa almacenada se disipa peridicamente mediante algn mecanismo de puesta a cero. Sensores basados en resonadores de cuarzo.A alta frecuencia, para un elemento con electrodos metlicos depositados en dos de sus caras, el modelo elctrico apropiado es el de la figura siguiente 8.11 a ,

Donde L1 esta determinada por la masa del cristal, C1 por la elasticidad o compliancia mecnica, R1 por la friccin interna (disipacin de calor) y C0 es la capacidad del soporte del cristal en paralelo con la de los electrodos metlicos, con el material pizoelectrico como dielctrico.

Dado que el cuarzo es inerte, si se emplea un monocristal de gran pureza la estabilidad de la resonancia mecnica a largo plazo es muy alta. La estabilidad a corto plazo depende del factor de calidad Q ( alta rigidez, poca histresis) y la inductancia equivalente, que son muy elevados.

Una estabilidad a corto plazo elevada permite disear sensores de alta resolucin, mientras que una gran estabilidad a largo plazo significa que se necesitaran menos recalibraciones. Termmetros digitales de cuarzo Galgas acsticas

Basandose en este principio, se puede medir cualquier magnitud que provoque un cambio en I, F o m. de todas estas aplicaciones una muy habitual es la medida de deformaciones. Otras magnitudes que se pueden medir son: desplazamiento, presin, fuerza peso y masa.

Un sistema algo distinto es el clsico diapasn, que se ha empleado tambin para medir pequeos cambios de masa, como los debidos al deposito de polvo, si, en cambio, se sumerge en un liquido, la frecuencia de vibracin depende de su densidad. Sensores basados en cilindros vibrantesSi en lugar de un hilo o una cinta vibrante se emplea un cilindro con paredes delgadas y un extremo ciego, la frecuencia de oscilacin depender de las dimensiones y material del cilindro y de cualquier masa que vibre con sus paredes. Utilizando, igual que antes un excitador electromagntico para mantener la oscilacin, se puede medir la diferencia de presin entre las dos caras del cilindro, por que la diferencia de presiones entre ambos lados de las paredes produce una tensin mecnica en estas. La aplicacin mas extendida de este mtodo es, sin embargo, la medida continua de la densidad de liquidosm con una disposicin con la indicada en la figura.

Consiste en dos conductos en paralelo, por los que fluye el liquido, sujetos por cada extremo a una base fija y acoplados al conducto principal con una junta flexible en cada extremo. Como el volumen es conocido y la frecuencia de oscilacin de los dos conductos, que se compartan como un diapasn, depende de la mansa, depender en consecuencia de la densidad. La relacin es de la forma.

Siendo f0 la frecuencia de oscilacin de la tubera sin liquido y p0 una constante que depende de la geometra del sistema. La frecuencia de salida se puede medir.

Sensores basados en dispositivos de ondas superficialesLas ondas superficiales en la superficie de un liquido al producir en ella una perturbacin, que a buen seguro forman parte de la experiencia de todos, se producen tambin en la superficie de los solidos. Lord Rayleigh analaizo estas ondas en 1885 y las aplico a la interpretacin de los sismogramas, aunque estas ondas son distintas en los solidos que en los lquidos, en ambos casos se atenan con la profundidad.

Una forma de generar esta perturbacin es disponer dos electrodos metlicos interdigitados en la superficie de un material piezoelctrico

Si la distancia entre los electrodos es d, cuando se aplica una tensin alterna de frecuencia f entre los electrodos, se genera una deformacin superficial que se propaga en ambas direcciones en forma de onda superficial con una velocidad v propia del material, siempre y cuando v=2fd. Otro par de electrodos similar dar una tensin alterna de salida en cuanto llegue a el la onda de deformacin del material. La velocidad v de la onda de superficie depende del estado de deformaciones en la superficie y de la temperatura, por cuanto estas pueden llegar a afectar a la densidad y propiedades elsticas del material, aparte de alterar la distancia entre electrodos. Una forma de aplicarlos s en disponer una lnea de retardo como la descrita en la figura siguiente en el lazo de retroaccin de un amplificador, formando as un oscilador cuya frecuencia de oscilacin depende del estado de deformacin del sustrato y el cambio de temperatura, de haberlo, y ex es el desfase debido al amplificador y la red de adaptacin de impedancias externa.

Basndose en sensores SAW se han realizado sensores para medidas de temperatura, fuerza, presin, caudal de gases y aceleracin. Los materiales piezoelctricos preferidos son el cuarzo y el LiNdO3 . Cuando se desean evitar interferencias, por ejemplo debidas a la temperatura, se puede emplear otro par de electrodos dispuestos en una zona donde la magnitud medida apenas produzca tensiones y, en cambio, si las produzca la magnitud interferente. De este modo se tiene un oscilador de referencia que variara de la misma forma que el otro en repuesta a otras seales que no sean la de inters. Tambien se han desarrollado detectores de hidrocarburos y compuestos organicos fosforados mediante un agente fijador selectivo depositado sobre la superficie del cristal. Caudalimetros de vrtices

La deteccin de la presencia de oscilaciones en el flujo de un fluido permite obtener tambin una seal de frecuencia variable, pues depende de la velocidad del fluido. Dichas oscilaciones pueden ser forzadas o naturales. El mtodo de las oscilaciones forzadas, empleado sobre todo para gases, consiste en colocar en la tubera un conducto acanalado de tal forma que convierta el flujo en helicoidal con un punto de velocidad mxima que se va desplazando. La frecuencia de paso de este nucleo de baja presin por una zona dada es proporcional a la velocidad y, por lo tanto, al caudal volumtrico, e independiente de la temperatura, presin y humedad del gas. Servomotores.El servomotor es un potente dispositivo que dispone en su interior de un pequeo motor con un reductor de velocidad y multiplicador de fuerza, tambin dispone de un circuito que controla el sistema. El ngulo de giro del eje es de 180 en la mayora de ellos, pero puede ser fcilmente modificado para tener un giro libre de 360, como un motor estndar. El motor servo es el encargado de dar movilidad a robots y su forma fsica es:

Para controlar un servo se debe aplicar un pulso de duracin y frecuencia especficos. Todos los servos disponen de tres cables, dos para alimentacin Vcc y Gdn y un tercero para aplicar el tren de pulsos de control, que hace que el circuito de control diferencial interno ponga el servo en la posicin indicada, dependiendo del ancho del pulso