Sensores de Presencia, Posicion, Distancia y Proximidad

SENSORES | PRESENCIA, POSICION, DISTANCIA Y PROXIMIDAD

INTRODUCCION

En esta investigación se pretende hacer una recopilación de los tipos de sensores de presencia, posición,  distancia y proximidad, de los cuales se explicara su funcionamiento y algunas aplicaciones de estos sensores.

Cabe mencionar que este trabajo estará dividido por antecedentes teóricos y desarrollo en el cual se describen los sensores y en cada apartado se iniciara con algunas definiciones y  la descripción en general.

Por otro lado es importante decir que hay diferentes formas de clasificar los sensores, pero en este documento solo se explicaran dichos sensores, ya sean, resistivos, capacitivos, inductivos y ópticos.

En general, como introducción podemos decir que los sensores y actuadores son los dispositivos del sistema de medida y control que interactúan con el sistema físico que se pretende estudiar o controlar: los primeros permiten la toma de medidas de las distintas magnitudes físicas que se van a analizar; mientras que los actuadores posibilitan la modificación de dicho sistema.

ANTECEDENTES TEORICOS

POSICIÓN

Posición, como aplicado en la medida, invariablemente quiere decir que la posición en relación con algún punto que puede ser el Polo Norte de la Tierra, el punto de partida del movimiento de un objeto, o cualquier otro punto de referencia conveniente. Los métodos de determinar la posición aprovechan de la distancia y la dirección la información (de ángulo), de modo que una posición pueda ser especificada cualquiera por usando coordenadas rectangulares (Cartesianos) (figura 2.1) o por coordenadas polares (figura 2.2). La posición sobre superficies planas, o aún sobre la Superficie de la tierra, puede ser especificada usando dos dimensiones, pero para la navegación de aire intenta coordenadas tridimensionales requieren. Para objetivos de industrial, posiciones por lo general son limitadas dentro de un pequeño espacio (por ejemplo, la posición de un tirón de robot) y esto puede ser posible para especificar la posición con un número solo, como la distancia viajó a lo largo de un carril.

La posición es relacionada para distanciarse (la diferencia entre dos posiciones), la velocidad (la tarifa de cambio de posición) y la aceleración (la tarifa de cambio de velocidad), miraremos sensores para estos para cantidades también. El movimiento rotatorio también es incluido porque esto es muy a menudo el único movimiento en un sistema y requiere métodos bastante diferentes. Además, desde luego, la rotación de la rueda es a menudo una medida útil de distancia lineal movida.

Figura 2.1. El sistema de coordenada cartesiano. Esto usa medidas en dos direcciones perpendicularmente el uno al otro como hachas de referencia, y la posición de un punto es trazada por encontrando su distancia de cada eje. Para una posición tridimensional, tres hachas, etiquetadas x, y, z, pueden ser usadas. La figura también muestra la conversión de coordenadas bidimensionales cartesianas a la forma polar.

Figura 2.2. Coordenadas polares aprovechan de un punto fijo y la dirección. La distancia del punto fijo, y el ángulo entre esta línea y la dirección fija, es usada para establecer una posición bidimensional. Para una posición tridimensional, un ángulo adicional es usado. La figura también muestra conversión de coordenadas bidimensionales polares a cartesiano.

DIRECCIÓN

El sentir de dirección sobre la superficie de la tierra puede ser alcanzado por observando y midiendo la dirección evidente de estrellas distantes, por usando el campo magnético de la tierra por aprovechando de las propiedades de giroscopios, o por métodos de radio, el más moderno del cual son radiogoniómetros de satélite.

Tabla 2.1. Un método verdadero celeste de la navegación.

- para cada una de varias estrellas identificadas, mida la altitud de una estrella y la hora de Greenwich.

- calculan la posición de la estrella en el momento de usted la observación, usando el almanaque.

- de este cálculo de posición, cuente para cada estrella usted ha observado que altitud y el acimut (la dirección) usted debería haber observado.

- comparan cada altitud moderada con cada altitud deliberada para dar una figura de compensación.

- trazan cada compensación sobre una carta como una línea de posición.

- encuentran su posición verdadera como el punto donde varias líneas de posición se cruzan

Comenzando con el método más antiguo, la observación de las estrellas, de otra manera sabida como la navegación celeste, depende de medidas exactas de ángulo que hacen. Las exigencias básicas (bidimensionales) son una medida de tiempo y las mesas de datos. Por ejemplo, un sextante puede ser usado medir el ángulo de una estrella sabida encima del horizonte, un reloj exacto (un cronómetro) que puede ser leído al segundo más cercano (un segundo error corresponde a aproximadamente 1/4 la milla náutica en la distancia) es usada guardar la hora de Greenwich, y una copia de un datasheet como ' el almanaque náutico ' le permitirá para encontrar su posición de estas lecturas.

La brújula tradicional usa el efecto del campo magnético de la tierra sobre una pequeña aguja magnetizada que libremente es suspendida de modo que la aguja señale a lo largo de la línea del campo, en la dirección del norte magnético y el sur. La Palabra eliminatoria 'magnético' es importante aquí. El poste de norte magnético de la tierra no hace coinciden con el Polo Norte geográfico, tampoco esto es un punto fijo. Cualquier dirección que es encontrada por el empleo de una forma magnética de brújula por lo tanto debe ser corregida para verdadero del norte si requieren la alta exactitud. El tamaño y la dirección de esta corrección pueden ser obtenidos de las tablas del magnético constante (los elementos magnéticos) que es publicado para el empleo de navegantes. La velocidad de flujo y la dirección del poste de norte magnético pueden ser predichas en cierta medida, y las predicciones son bastante cercanas para ser útiles en la navegación limpiamente exacta en áreas grande sobre la Superficie de la tierra.

La figura 2.3. Hall mostró que la fuerza de un campo magnético sobre un portador corriente fue ejercida sobre los portadores, y causaría la desviación. La desviación conduce a una diferencia en voltaje a través del material, que es muy pequeño para un metal debido a la alta velocidad de los portadores, pero mucho más grande para un semiconductor.

La dirección de fuerza de campo máximo está en una línea dibujada entre el norte magnético y postes del sur, pero porque la Tierra es (razonablemente exactamente) una esfera, tal línea, excepto en el ecuador, por lo general es dirigida en la Tierra la Superficie, y el ángulo al horizontal se conoce cómo el ángulo de pendiente (la Figura 2.4). La aguja de brújula convencional magnética se pone alrededor de este problema por girando y la ayuda de modo que esto pueda mover sólo en un plano horizontal, y esto también la solución para el detector de Efecto de Hall.

La figura 2.4 El ángulo de pendiente muestra la dirección real del campo de la tierra, que en el hemisferio norte es siempre en la Superficie de la tierra.

La radio ha sido usada para objetivos de navegación durante mucho tiempo, en forma de los radiofaros que son usados del modo igual como faros ligeros fueron usados en el pasado. El método clásico de usar un radiofaro es ilustrado en la Figura 2.5 y consistir en un receptor que puede aceptar entradas de dos antenas, un rollo circular que puede ser hecho girar y el otro un azote vertical. La señal de la antena de rollo está en la señal máxima estará en la fase con la señal de la antena de azote vertical o en la anti fase, dependiendo si el transmisor de faro es delante o detrás de tras el rollo. Por usando a un receptor sensible a fase que indica cuando la fase es idéntica, la posición de señal máxima delante puede ser encontrada, y esto será la dirección del radiofaro.

La figura 2.5 El principio de radiogoniómetro de radio. La salida de la antena vertical es obtenida del campo electrostático de la onda, y no depende de la dirección. La parte magnética de la onda inducirá señales en un rollo, pero la fase de estas señales depende de la dirección del transmisor. Por combinando las señales de las dos antenas, y girando el rollo, la dirección del transmisor puede ser encontrada como la dirección de señal máxima.

La forma de la radiogoniometría de radio que pasó de moda de la temprana parte del siglo XX bastante fue mejorada por el Watson-Watt, que también inventó el radar. El sistema de Watson-Watt original usó la recepción de canal múltiple con dos dipolos, arreglados a direcciones de sentido perpendicularmente el uno al otro y una antena de azote sola unida para separar a receptores. Una mejora posterior usó un solo canal, y métodos modernos aprovechan del tratamiento de señal digital para establecer la dirección mucho más con precisión.

La radiogoniometría de satélite es una extensión de estos más viejos sistemas y depende del suministro de satélites geoestacionarios. Un satélite geoestacionario es el que cuya rotación angular es idéntica a él de la tierra, de modo que como la tierra gire el satélite es siempre en la misma posición en relación con la Superficie del planeta. Los satélites de la navegación son equipados con los transpondedores que irradiarán de nuevo una señal cifrada recibida. En la Superficie, un navío puede enviar una señal adecuadamente cifrada y medir el tiempo necesario para la respuesta. Por señalando a dos satélites en posiciones diferentes, la posición sobre la Superficie de la tierra puede ser establecida muy con precisión - el precisión depende de la frecuencia que es usada, y esto es generalmente en la gama de milímetro-.

DISTANCIA

El método predominante de medir la distancia a un punto objetivo a gran escala está basado en la reflexión de onda del tipo usado en el radar o el sónar. El principio es que un pulso de unas ondas es enviado de un transmisor, reflejado atrás de algunos objetos distantes y descubierto por un receptor cuando esto vuelve. Ya que saben la velocidad de las ondas, la distancia del reflector puede ser calculada a partir del momento que transcurre entre el enviar y el encubrimiento. Este tiempo puede ser muy corto, de la orden de microsegundos o menos, de modo que la duración del pulso de onda también sea muy corta, una pequeña fracción del tiempo que debe ser medido. Tanto el radar como el sónar confían pesadamente en los métodos electrónicos de generar las formas de onda y medir las veces, y aunque generalmente asociamos el radar con distancias relativamente largas, nosotros deberíamos recordar que alarmas de intruso de radar están disponibles cuya gama es medida en metros más bien bronceados en kilómetros.

La figura 2.6 El bloque hace el diagrama para un sistema simple de radar. El tiempo requerido para un pulso de señal microondas viajar al objetivo y atrás es mostrado en forma de la distancia sobre un rayo de cátodo tuve. El transmisor y el receptor comparten la misma antena, la etapa al cortocircuito el receptor mientras el pulso transmitido está presente.

La medida de posición por una más pequeña escala puede hacernos de métodos más simples, en particular si el movimiento es limitado de algún modo, como por carriles o por el método popular de hacer un carro de robot seguir cables enterrados o líneas pintadas. Para movimientos inveterados sobre carriles o sobre cables, la distancia de un punto de partida puede ser la única medida que es necesaria, pero es más probable que el movimiento es bidimensional. Sobre pequeño áreas de unos metros cuadrados, un campo artificialmente generado magnético puede ser usado con los sensores magnéticos de los tipos ya descritos. Los métodos de radiofaro, usando muy bajo impulsan transmisores, son también faros útiles, y ultrasónicos puede ser usado; aunque los problemas surjan si hay reflexiones fuertes de superficies difíciles.

El sentir de distancia recorrida, a diferencia de distancia de un punto de referencia fijo, puede aprovechar de una variedad de sensores. En este caso, comenzaremos con los sensores movimientos de distancia cortos, porque para el movimiento sobre distancias grandes el distancia recorrida generalmente será calculado por comparando medidas de posición más bien que directamente. Los sensores para pequeñas distancias pueden aprovechar de transductores resistentes, capacitivos o inductivos además del empleo de interferómetros y los métodos de radar de onda de milímetro que han sido cubiertos antes. Los métodos que son descritos aquí son todos aplicables a distancias en la gama de unos milímetros a pocos centímetros. Más allá de esta gama el empleo de métodos de radar se hace mucho más atractivo.

La figura 2.7 Un sensor para desplazamiento lineal en forma de un potenciómetro lineal. La ventaja de este tipo de sensor consiste en que la salida puede ser una corriente continua estable o el voltaje de corriente alterna que se cambia cuando el desplazamiento se cambia.

DESARROLLO

SENSORES CAPACITIVOS

Los sensores capacitivos están basados en la variación de la capacidad entre dos o más conductores entre los que se encuentra un dieléctrico, en respuesta a la variación de alguna magnitud física. Aunque las aplicaciones más conocidas están asociadas con medida de movimiento lineal y angular, los sensores capacitivos se emplean también para la medida de humedad, presión, nivel, aceleración, etc.

Las principales características que presentan son:                                                                     

• Permiten detectar muy pequeños desplazamientos (hasta 10-10 mm).
• Son fácilmente integrables en un chip de silicio.
• No se ven afectados por la temperatura o el alineamiento mecánico.
• Son muy estables en entornos hostiles.
• Tienen muy bajo consumo.

Condensador de placas paralelas

En el caso de un condensador de placas paralelas simple, el valor de la capacidad puede verse alterada variando la distancia entre placas (x), el área de las mismas (A) o el tipo de dieléctrico (ε). Cuando el parámetro que varía es la distancia entre placas la capacidad no es lineal con respecto a la distancia entre placas, en cambio, sí lo es la impedancia. Si lo que varíe sea el área de las placas o el material dieléctrico, la figura 1 muestra los resultados que se obtienen. En ambos casos la capacidad varía linealmente con el desplazamiento de la placa, con lo que, desde el punto de vista de la linealidad, se puede medir directamente bien su capacidad o la admitancia correspondiente. Una aplicación típica del sensor capacitivo basado en la variación del área es la medida de desplazamientos angulares, mientras la variación de la constante dieléctrica puede utilizarse para medir el nivel de un fluido en un tanque.

La Fig.2 muestra un condensador de placas paralelas compuesto por dos cilindros metálicos, que constituyen las placas, en cuyo interior se deposita el material dieléctrico. El desplazamiento del cilindro interior modifica la superficie abarcada de dieléctrico y, en consecuencia, la capacidad de la asociación.

Condensador diferencial

Se denomina condensador diferencial al formado por tres placas planas paralelas. En general, las placas exteriores suelen ser fijas y la placa central móvil, en respuesta a la variable a detectar. Vemos cómo, a pesar de que C1 y C2 son no lineales, se logra obtener una salida lineal realizando una medida diferencial y con una sensibilidad mayor que en el caso del condensador simple. Aplicaciones típicas de esta configuración son los micrómetros, acelerómetros e inclinómetros. Si se disponen las tres placas del condensador diferencial cómo se muestra en la figura derecha y se varía el área entre placas, se tiene que la medida diferencial de la capacidad nos permite obtener una salida lineal con el desplazamiento.

Acondicionamiento

   

                    Figura 4

Vab=V12-C1C1+C2     Si C1 y C2 son condensadores diferenciales:  Vab=Vx2d

Los cambios en la capacidad de los sensores capacitivos pueden ser medidos empleando puentes de alterna. La figura muestra el caso de un puente en el que se disponen los condensadores C1 y C2 en ramas adyacentes, estando ocupadas las otras dos ramas por resistencias de igual valor. Si la salida del puente se detecta con un circuito de alta impedancia de entrada  la relación entre la salida del puente y el desplazamiento es lineal. cualquier cambio que se produzca de forma simultánea en las ramas adyacentes (por ejemplo, interferencias externas, derivas térmicas, etc.) se cancelan.

Detector de proximidad

Una de las principales aplicaciones de los sensores capacitivos son los detectores de proximidad. Detectan la presencia de objetos próximos, tanto metálicos como no metálicos, y la señalizan mediante una salida del tipo todo-nada.

La cabeza sensora contiene cómo mínimo, un par de electrodos que constituyen las placas de un condensador abierto. Estos electrodos están situados en el lazo de realimentación de un oscilador de alta frecuencia. Cuando no se tiene presente un objeto, la capacidad del sensor es baja y, por tanto, la amplitud de la oscilación es baja. Cuando el objeto se aproxima a la cabeza sensora se incrementa la capacidad y, con ello, la amplitud de la oscilación, provocando la conmutación del circuito de salida del detector.

Si el objeto es conductor se formará un condensador entre el objeto y la cara activa del sensor, de forma que cuando el objeto se acerca se incrementa la capacidad. Si el objeto no es metálico (sólido o líquido), actúa como un aislante entre los electrodos A y B. En este caso, al aproximarse al detector, lo que ocurre es un incremento de la permitividad dieléctrica del medio y, por tanto, de la capacidad.

Características

• Detección de sólidos o líquidos.

• Larga vida útil ya que no tiene desgaste.
• Múltiples configuraciones de montaje.
• Distancias cortas (2,5 cm o menos), según material.
• Muy sensibles a factores ambientales.

Aplicaciones.

Se encuentran presentes en una gran variedad de aplicaciones industriales: control de nivel de líquidos, inspección de paquetes, detección de rotura de cables, detección de nivel en productos de alimentación, detección de pequeños elementos metálicos, etc.

SENSORES RESISTIVOS

Potenciómetro resistivo

Consta de un elemento resistivo y un contacto móvil, como indica la figura 5. La tensión de salida se obtiene a partir de la aplicada, midiendo en el punto de contacto móvil con respecto a uno de sus extremos. El cuerpo cuyo movimiento se desea medir se conecta al contacto. Los cambios producidos en la tensión de salida guardan una relación lineal con los desplazamientos observados.

Fig. 5. Esquema simple de un potenciómetro resistivo.

Dependiendo del material empleado para construir la pista resistiva existen tres tipos básicos de potenciómetros: de arrollamiento conductor, de película de carbón y de película de plástico. Los primeros constan de un arrollamiento de cable conductor realizado sobre una pista no conductora. Cuando el contacto móvil se desliza a lo largo de la pista resistiva va realizando sucesivos contactos con las vueltas del arrollamiento. En consecuencia, la resolución del transductor viene dada por la distancia entre vuelta y vuelta. En la práctica, la resolución está limitada por las dificultades mecánicas de acoplo del muelle que mantiene al elemento móvil en contacto con la pista resistiva

La mayor parte de las dificultades operativas de los potenciómetros suceden en el punto de contacto entre el elemento móvil deslizante y la pista resistiva. El problema más común suele ser el polvo acumulado debajo del elemento deslizante que contribuye a un aumento de la resistencia medida y, consecuentemente, introduce un error adicional a la medida. Los movimientos veloces de la parte móvil pueden ocasionar rebotes, que provocan salidas eléctricas intermitentes. La fuerza de fricción puede ser un problema cuando al potenciómetro se aplican fuerzas del mismo orden de magnitud, ya que sólo una parte de ellas se traducen en movimientos efectivos.

La esperanza de vida de estos transductores se mide en números de ciclos. Los de película de plástico tienen la mayor duración, 30 millones de ciclos. En consecuencia, en términos de esperanza de vida y resolución, los de películas de carbón y de plástico son claramente superiores, aunque los de arrollamiento conductor poseen menor coeficiente de temperatura. Esto supone menos desviación térmica en las características estáticas y dinámicas. Un valor típico de precisión para potenciómetros es ±1 % de fondo de escala. Existen modelos capaces de medir entre los rangos ±2 mm, ±1 m.

Galgas extensiométricas
Un sensor de deformaciones o galga extensiométrica es un alambre conductor cuya resistencia cambia una pequeña cantidad cuando se alarga o se acorta. El cambio de longitud es pequeño, unas pocas millonésimas de pulgada. El sensor de deformación está ligado a una estructura, de modo que los porcentajes de cambio de longitud del sensor y la estructura son idénticos.

La longitud activa del sensor está a lo largo del eje transversal. Éste debe quedar orientado en la misma dirección del movimiento de la estructura que va a medirse.

El fabricante especifica el valor de la resistencia sin deformación, R0 , y el factor de sensibilidad de la galga GF (gage factor), definido como la razón entre el cambio porcentual de resistencia y el cambio porcentual de longitud o deformación unitaria o deformación por fatiga:  GF(G)(K)=∆RR0∆LL0

SENSORES INDUCTIVOS

Transformador lineal variable diferencial (LVDT)

Es el más conocido de los transductores de desplazamiento inductivos de reluctancia variable. Esta familia de transductores convierte el desplazamiento en un cambio de tensión alterna, gracias a la alteración de las líneas de campo magnético entre dos o más arrollamientos, originadas por una tensión alterna aplicada a uno de los devanados. El LVDT consta de un transformador con un arrollamiento primario, y dos secundarios conectados en oposición-serie.

Para una tensión de excitación dada por:

Vs=VmSen(wt)

La fuerza electromotriz inducida en los arrollamientos secundarios de la Fig. 2 (a) viene dada por

Va=KaSen(wt- ɸ) Vb=KbSen(wt- ɸ)  

Las amplitudes de estas señales dependen del acoplamiento entre cada secundario y el primario y, por consiguiente, dependen de la posición del núcleo de hierro. Con el núcleo en la posición central las tensiones en los dos secundarios son iguales en magnitud y opuestas en signo, proporcionando el transductor salida nula.

Vo=Va- Vb=(Ka-Kb)Sen(wt- ɸ)

Para desplazamientos simétricos, la única información sobre el sentido del movimiento del núcleo se obtiene a partir del desfase de la tensión de salida respecto de la de entrada.

La relación entre la tensión de salida y el desplazamiento es lineal a lo largo de un amplio rango de movimiento, como muestra la Fig. 4. Los valores de abscisas representan el tanto por ciento nominal del rango de medida y en ordenadas se representa la tensión de salida.

Características:

• Muy buena precisión (hasta 5nm)
• Salida analógica
• No hay contacto entre primario y secundario
• Aplicaciones con riesgo de chispa

Transductores de inductancia variable
Su operación se fundamenta en la variación que experimenta la autoinducción de un arrollamiento, debido al cambio producido en el acoplo magnético entre el arrollamiento y un elemento móvil, generalmente ferromagnético.  Estos transductores se clasifican en dos grupos: sistemas acoplados y sistemas libres de contacto. En los primeros, un núcleo magnético permeable se desliza por el interior de una bobina. El vástago sensible está sujeto al núcleo móvil el cual, al moverse, altera la autoinducción del arrollamiento. Existen modelos para distintos rangos; desde 0-2 mm hasta 0-5 m.

Los modelos libres de contacto se emplean con más frecuencia que los acoplados. En el modelo simplificado de la Fig. 8 se aprecia el arrollamiento en torno al elemento central de un núcleo ferromagnético en forma de “E”. Esta bobina se excita con tensión alterna. El elemento móvil consiste en un plato ferromagnético muy próximo al núcleo. Su movimiento altera el patrón de líneas de campo magnético y, consecuentemente, provoca el cambio de la corriente que circula por la bobina.

Por la ley de Ohm, la corriente que circula por la bobina viene dada una simple relación de fasores

I=VwL

Para valores fijos de w y V, esta ecuación puede escribirse como

I=1KL

Donde K es una constante.

Ya que el desplazamiento provoca cambios en la corriente, la relación entre la inductancia y el desplazamiento no es lineal y, por consiguiente, la relación. corriente-desplazamiento exige calibración previa. Los rangos son menores que en los modelos acoplados. Un valor típico es 0-10 mm. En general el rango es menor de 1,5 cm. Los dos modelos tienen una resolución infinita y una esperanza de vida de unos 200 años. Su precisión típica es de ±5 % del fondo de la escala

El objeto de medida debe ser conductor pero no necesariamente ferromagnético. Su movimiento provoca cambios en la inducción, y en la impedancia, del arrollamiento sensible. El transductor incorpora un arrollamiento de referencia que se emplea para la calibración. Estos transductores han sido diseñados para una operación continua hasta temperaturas de unos 600 ºC.

Ventajas frente a los transductores resistivos

– No requieren contacto físico con el sistema donde se va a medir , o bien tienen un efecto de carga mínimo.

Efecto Piezoeléctrico

Este fenómeno consiste en la aparición de fuerza electromotriz en un material dieléctrico cuando éste se deforma bajo la acción de un esfuerzo. En consecuencia, es un efecto reversible, ya que al aplicar una diferencia de potencial a un material piezoeléctrico aparecerá una deformación. Cuando una presión es aplicada a un cristal piezoeléctrico, la distribución de cargas eléctricas se modificará, generando una pequeña corriente medible. Por tanto, los materiales piezoeléctricos pueden emplearse en convertir energía eléctrica en mecánica y viceversa.

El efecto piezoeléctrico que muestran los materiales naturales es pequeño. Por tanto, se han desarrollado nuevos materiales. Los cerámicos PZT son los más extendidos. Por debajo de la temperatura de Curie la estructura cristalina ya no es piezoeléctrica. Con un campo eléctrico aplicado, los dipolos del material se expanden a lo largo de un eje y se contraen en dirección perpendicular a este eje

El dispositivo está fabricado a partir de cristal en su estado natural, como el cuarzo, u obtenido por síntesis, como el sulfato de litio.

los transductores piezoeléctricos no son apropiados para medir desplazamientos lentos, aunque la constante de tiempo del sensor puede incrementarse conectándole un condensador en paralelo. Como cualquier sensor de desplazamiento, el transductor piezoeléctrico tiene una elevada sensibilidad, 1000 veces la del sensor de deformación. Su precisión típica es del ±1 % del fondo de escala y su esperanza de vida de 3 millones de revoluciones.

Ventajas:

• Cristal de Cuarzo
• Sensibilidad de alta tensión
• Rigidez comparable al acero
• Presenta una excelente estabilidad a largo plazo
• Bajo coeficiente  de temperatura

Desventajas:

• Artificialmente polarizado, material sintético
• Sensibilidad a la carga
• Disponibilidad ilimitada de tamaños y formas
• Características varían con la temperatura

Medición fiable

Los sensores analógicos de voltaje, corriente o IO-Link de Balluff con configuración cuadrada no solo comprueban la presencia de objetos metálicos. Además, son capaces de diferenciar de forma fiable piezas de forma y tamaño variables, y determinar con precisión las distancias. Con sus características lineales analógicas o digitales, estos sensores se pueden utilizar para la medición de la fuerza de sujeción o la medición de desequilibrios.

Gracias a la gran variedad de configuraciones disponibles, es posible integrar los sensores inductivos de distancia fácilmente en cualquier aplicación. Como los sensores trabajan sin movimiento y sin desgaste, se caracterizan por una larga vida útil.

Características

• Compactos, sólidos y fiables
• Sin contacto y, por lo tanto, sin desgaste
• Principio de medición absoluta
• Alcance de medición de 0.2 hasta 50 mm
• Tiempo de respuesta corto, alta repetibilidad y linealidad
• Gran rango de temperaturas, mínima deriva térmica
• Aplicación sencilla mediante interfaces analógicas e IO-Link

TRANSDUCTORES ÓPTICOS

Método de reflexión

Cuando la superficie del objeto cuyo desplazamiento se desea medir es suficientemente reflectante (cuando no lo es se adjunta al objeto de medida una superficie que sí lo sea), una combinación fuente de luz/sensor puede emplearse para medir pequeños desplazamientos o desviaciones dimensionales. La salida eléctrica del sensor decrece de forma exponencial cuando aumenta la separación respecto de la superficie reflectora. La intensidad de los rayos de luz emitidos puede ser constante, variar de forma senoidal o emitirse en forma de pulsos, dependiendo del tiempo de respuesta del sensor y la aplicación para la que haya sido diseñado el transductor. Los diodos LEDs de infrarrojos suelen emplearse como fuentes de luz.

Algunos diseños emplean fibra óptica (sensor fotónico) para transmitir y captar la luz reflejada por la superficie del objeto de medida. Estos modelos pueden emplearse para medir pequeños desplazamientos con elevada resolución. La Fig. 21 muestra un modelo de sensor fotónico; consta de una fuente de luz, un elemento detector, líneas de transmisión de fibra óptica y un plato reflectante unido al elemento cuyo desplazamiento se desea medir.

La luz emitida viaja por el espacio aéreo entre la línea de transmisión y el blanco; parte se refleja e incide en el receptor después de viajar por el cable de fibra óptica. La cantidad de luz reflejada es función de la distancia aérea que atraviesa el haz. Una aplicación común de los sensores fotónicos es la medida de desplazamientos de membranas en sensores de presión.

Dispositivo sin reflexión

Consta de dos fotodiodos, cuyas salidas eléctricas, después de amplificadas, pasan a un amplificador diferencial. El fotodiodo de referencia siempre capta la misma luz y, por consiguiente, su salida es constante; por el contrario la luz incidente en el segundo fotodiodo depende del movimiento de un álabe que actúa de limitador luminoso. El objeto de medida se une al álabe. En consecuencia, la salida diferencial es proporcional al movimiento rectilíneo del cuerpo.

Su rango es reducido, ±0.5 mm, y su precisión típica de ±0,1 % del fondo de escala. Suelen emplearse en instrumentos inteligentes para medida de presión basada en tubos Bourdon o diafragmas.

Métodos de triangulación e interferometría

El método de la triangulación emplea una fuente de luz de esta naturaleza; suele emplearse en la medida de espesores y, en general, al medir distancias pequeñas. El punto de impacto del rayo láser sobre la superficie es captado por dos sensores bajo el mismo ángulo pero desde direcciones opuestas.

Funcionamiento:

El principio físico se basa en el funcionamiento del interferómetro de Michelson y también se emplea en interferometría de infrarrojos y muchas otras aplicaciones.

Una fuente láser emite un rayo que es separado en dos componentes ortogonales por un prisma. Una de ellas se refleja en un espejo plano fijo y se dirige al fotodetector; la otra continúa su trayectoria rectilínea original hacia una superficie reflectora, la cual altera su trayectoria hacia un segundo espejo plano que se mueve en la dirección del rayo. La luz reflejada en este segundo espejo regresa por su trayecto original hasta el primer espejo plano. Aquí se refleja y se dirige hacia el fotodetector. En el elemento fotodetector se produce la interferencia; éste proporciona una salida eléctrica máxima (mínima) si la interferencia es constructiva (destructiva).

Los avances realizados en la interferometría láser, como el láser de dos frecuencias y el interferómetro holográfico, han aumentado las prestaciones de estos transductores; aumentando las áreas de aplicación: medidas angulares (con resolución de segundos) y de alineación en aplicaciones de control de maquinaria industrial, y control de calidad de acabados de superficies planas. Se han logrado precisiones de unas pocas partes por millón en rangos de 2 m. de longitud. En consecuencia, son idóneos para medir con precisión y resolución pequeños desplazamientos en grandes rangos.

Interruptores de posición fotoeléctricos

Emplean una fuente de luz y un sensor de luz con el fin de detectar la presencia o ausencia de objetos que bloqueen (o no bloqueen) la trayectoria del haz luminoso, o causen la reflexión o dispersión del rayo de luz. Los dos métodos primarios de diseño de estos dispositivos son los de exploración directa y exploración reflexiva o reflectante. En el método de exploración directa se sitúan enfrentados la fuente de luz y el fotoreceptor; el objeto a detectar (suficientemente opaco y voluminoso como para bloquear el haz luminoso) pasa entre ambos. Se suelen emplear elementos colimadores del haz luminoso, con el fin de detectar objetos de menor tamaño.

En la exploración reflectante, la fuente de luz y el sensor se sitúan en la misma zona y separados del objeto de medida, reflexivo. La luz rebota en él e incide en el fotoreceptor. Existen tres métodos de exploración reflexiva: retroreflexivo, especular y de difusión. En el primero, fuente y detector luminosos están en el mismo encapsulado.

Emplean una diana reflectante que envía la luz de vuelta hacia el dispositivo. Como dianas suelen emplearse discos acrílicos. Cuanto mayor es la superficie reflectora (también llamada catadióptrico), más distancia puede recorrer la luz reflejada. La alineación no es crucial, por lo que suelen emplearse en medios con vibraciones. Suelen emplearse también incluso cuando el objeto de medida de relativamente traslúcido.

La técnica de exploración especular se emplea cuando el objeto es muy reflectante (espejo, metal pulido, plástico brillante). Ya que los ángulos de incidencia y de reflexión son iguales, la distancia puede ser calculada con exactitud. En la exploración difusa, los objetos son más bien mates y los sensores detectan dispersiones de la luz.

Funcionamiento:

Los diodos LED suelen emplearse como fuentes de luz. Los diodos de infrarrojos son los más adecuados. Ello se debe a que la luz infrarroja, especialmente la infrarroja modulada, es la más adecuada para evitar los efectos parásitos de la luz ambiental y, en consecuencia, mejora la eficiencia del sistema. La modulación del rayo de luz suele hacerse sobre pulsos de infrarrojos

Sensores ultrasónicos

Miden el desplazamiento lineal de un cuerpo respecto de un punto fijo. Poseen como característica común la fuente de energía, un detector de energía y un módulo electrónico que se encarga de medir el tiempo que emplea la energía en ir del emisor al receptor. La forma de energía puede ser luminosa o ultrasonido.

Midiendo el tiempo que emplea la energía en ir del emisor al receptor y considerando que la velocidad del sonido en el aire es de 340 m/s, el sistema calcula la distancia entre el objeto móvil y el elemento fijo. Estos sistemas no se emplean para medir distancias inferiores a 300 mm, ya que es difícil medir con precisión el tiempo de trayecto del sonido.

La resolución viene limitada por la longitud de onda de la energía del ultrasonido y puede mejorarse a altas frecuencias. Sin embargo, a altas frecuencias la atenuación del ultrasonido en el aire es significativa, con la consecuente pérdida de sensibilidad del transductor. En consecuencia, sólo las bajas frecuencias son adecuadas para medir grandes distancias. Un valor típico de precisión en sistemas ultrasónicos de medida de rangos es del ± 0.5% del fondo de escala. Estos sistemas sólo son útiles para medir desplazamientos muy largos, en los que el tiempo de trayecto es suficientemente largo como para medirse con precisión.

Interruptor de posición basado en el efecto Hall

La tensión Hall es proporcional a la corriente que fluye por el semiconductor y a la densidad de flujo magnético. Por ello, el transductor de efecto Hall puede emplearse para medir variaciones de flujo magnético en sí mismas, o cambios de tensión producidos por estas variaciones. Así, la proximidad de un objeto magnético se traduce en cambios eléctricos de la tensión de salida.

La explicación del efecto Hall se basa en la Ley de Lorentz. En efecto, al estar sometida la corriente a un campo magnético, aparece una fuerza sobre ella del tipo:

Al moverse verticalmente el émbolo actuador solidariamente al material magnético, que incluye un concentrador de flujo interno al émbolo, provoca los cambios en la tensión Hall de salida del transductor. Un circuito integrado sensible al efecto Hall es el elemento sensor/transductor. Se diseña con el fin de generar trenes de pulsos de frecuencias proporcionales a la magnitud de la densidad de flujo magnético y, en consecuencia, a la proximidad del objeto. En su diseño es preceptiva la utilización de comparadores con histéresis, con el fin de crear una banda muerta (zona de memoria del ciclo de histéresis) que inmuniza al circuito de falsas salidas provocadas por vibraciones (que provocan la oscilación del material magnético) y señales de ruido, interferencias.

BIBLIOGRAFIAS

• Stephen A. Dyer. Wiley survey of instrumentation and measurement. USA: Wileyintercience.
• Creus, Antonio. Instrumentación industrial. 8va Edición. Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México.
• Sensors and Transducers, third edition,Ian R. Sinclair
• http://biblio3.url.edu.gt/Publi/Libros/2013/ManualesIng/FluidosySensores-O.pdf
• http://www.elai.upm.es/moodle/pluginfile.php/2062/mod_resource/content/1/CAPITUL8.PDF
• http://isa.umh.es/asignaturas/asc/temasautomatas/Tema6.pdf
• http://avalon.cuautitlan2.unam.mx/biblioteca/tesis/2083.pdf3