magnitudes físicas (luz, magnetismo, presión, etc.) en valores medibles de

ELECTRICIDAD
Sensor
Definición: un sensor es un dispositivo eléctrico y/o mecánico que convierte
magnitudes físicas (luz, magnetismo, presión, etc.) en valores medibles de
dicha magnitud.
Para conseguir que el robot realice su tarea con la adecuada precisión, es
preciso que tenga conocimiento tanto de su propio estado como del estado del
entorno. El robot tendrá integrados dos tipos de sensores:
-
Sensores internos: son sensores integrados en la propia estructura
mecánica del robot, que dan información del estado del robot:
fundamentalmente de la posición, velocidad y aceleración de las
articulaciones.
-
Sensores externos: estos sensores dan información del entorno del
robot: alcance, proximidad, contacto, fuerza, etc. Se utilizan para el
guiado de robots, también para identificación y manipulación de objetos.
En este trabajo nos centraremos en los sensores externos de proximidad, como
indican los objetivos del mismo.
Fenómeno Inductivo y Capacitivo aplicado a sensores de proximidad
Sensor Capacitivo
Los sensores capacitivos son sensores que sus materiales se comportan como
condensadores eléctricos. Los condensadores son dispositivos que, sometidos
a una diferencia de potencial (voltaje), adquieren una determinada carga
eléctrica.
A esta propiedad de almacenamiento de carga se le denomina capacidad, que
se mide en Faradios (F). Los condensadores están formados de dos placas o
láminas conductoras separadas por un material dieléctrico.
Los sensores de proximidad capacitivos se diseñan para trabajar generando un
campo electrostático y detectando cambios en dicho campo a causa de un
objeto que se aproxima a la superficie de detección.
Los elementos de trabajo del sensor son, una sonda capacitiva de detección,
un oscilador, un rectificador de señal, un circuito de filtrado y el correspondiente
circuito de salida.
En ausencia de objetos el oscilador se encuentra inactivo. Cuando se aproxima
un objeto, el oscilador aumenta la capacitancia del condensador que hace de
detector. Al superar la capacitancia de umbral predeterminado se activa el
oscilador, el cual dispara el circuito de salida para que cambie entre on
(encendido) y off (apagado).
La capacitancia de la sonda de detección viene condicionada por el tamaño del
objeto a detectar, por la constante dieléctrica y por la distancia de éste al
sensor.
A mayor tamaño y mayor constante dieléctrica de un objeto, mayor el
incremento de la capacitancia. A menor distancia entre el objeto y el sensor,
mayor el incremento de capacitancia de la sonda por parte del objeto.
Para detectar materiales de alta constante dieléctrica (agua, metales, aceite,
combustible…) no es necesario el contacto físico de los materiales con el
sensor. Para los materiales plásticos y de baja densidad es necesario hacer un
ajuste cuidadoso, ya que al ser materiales de baja constante dieléctrica, son de
difícil detección.
Sensor Inductivo
Los sensores inductivos son los que trabajan en forma de bobinas. Las bobinas
están formadas por hilo de cobre enrollado, también llamado devanado, y cuyo
principio de funcionamiento es que al pasar una corriente eléctrica por sus
terminales, éstos almacenan energía en forma de campo magnético.
Debido a estas características, la detección de materiales metálicos ferrosos es
una de sus aplicaciones más comunes, por lo que son usados como detectores
de posicionamiento, proximidad y como detectores de metales.
Los sensores inductivos hacen uso de las propiedades magnéticas de diversos
materiales y de las variaciones de diferentes parámetros asociados a los
circuitos magnéticos, para alterar la inductancia de bobinas normalmente fijas,
consiguiendo variar la geometría del circuito magnético, permitiéndole detectar
la presencia de objetos metálicos. Ignoran los objetos no metálicos.
Estos son los bloques que habitualmente constituyen un sensor inductivo,
aunque en algunos modelos el amplificador puede estar en otro dispositivo con
carcasa independiente, para reducir el tamaño del sensor.
Cuando un objeto o placa metálica se mueve dentro de un campo magnético,
sobre la placa magnética se generan unas corrientes eléctricas conocidas
como corrientes de Eddy o corrientes de Focault.
Este es el principio que utilizan la mayor parte de los sensores inductivos
empleados en la industria. En ellos la bobina está provista de un núcleo
descubierto hacia el lado de detección, al aplicar tensión al sensor, la bobina
produce un campo magnético alterno de alta frecuencia, dirigido hacia el lado
activo sensible.
Al acercarse un metal al lado activo, se presentan unas corrientes parasitas, las
cuales influyen en el circuito oscilador, reduciendo la amplitud de oscilación y
reduciendo el consumo de corriente de sensor. Estas señales son tratadas por
el circuito rectificador y comparador, emitiendo la correspondiente señal de
salida.
La principal aplicación de los sensores inductivos es la detección de piezas
metálicas. Debido a su funcionamiento, en el que detectan los objetos sin
contacto físico, permite el contaje, analizar posición y forma de los objetos
metálicos, y se puede emplear en la industria alimentaria, ya que no interfiere
en los alimentos.
Concepto de Potencia Eléctrica
Definición: potencia eléctrica es la velocidad a la que se consume la energía.
También podemos definir potencia como la energía desarrollada o consumida
en una unidad de tiempo expresada mediante la fórmula:
𝑃=
𝐸
𝑡
L a unidad de potencia “P” es el vatio (W), la energía “E” se expresa en julios
(J), y el tiempo “t” lo expresamos en segundos (s):
1𝑊 =
1 𝐽𝑢𝑙𝑖𝑜
1 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜
Entonces podemos afirmar que la potencia se mide en julios dividido por
segundos. Cuando se consume 1 julio de energía en 1 segundo, estamos
gastando o consumiendo 1W.
Cálculo de Potencia:
Para calcular la potencia que consume un dispositivo conectado a un circuito
eléctrico se multiplica el valor de la tensión aplicada (Voltios, V) por el valor de
la intensidad (I, expresada en amperios, A) de la corriente que lo recorre. Para
realizar ese cálculo se utiliza la siguiente fórmula:
𝑃 =𝑉⋅𝐼
Como la potencia se expresa en vatios (W), sustituimos la P que identifica la
potencia por su equivalente, la W de vatios:
𝑊 =𝑉⋅𝐼
Si conocemos la potencia en vatios (W) de un dispositivo y la tensión o voltaje
aplicado (V) y queremos hallar la intensidad de corriente (I) que fluye por un
circuito, despejamos la fórmula anterior:
𝐼=
𝑊
𝑉
Para hallar la potencia de consumo en vatios de un dispositivo, también se
pueden utilizar estas dos fórmulas:
𝑉2
𝑃=
𝑅
2
𝑃 =𝐼 ⋅𝑅
Usando el vatio y el segundo resultan unidades muy pequeñas, por ello para
medir la potencia eléctrica se usa otra unidad llamada KWh (kilovatio hora),
esta unidad proviene de despejar energía (E) de la ecuación:
𝑃=
𝐸
𝑡
Despejando la ecuación quedaría:
𝐸 =𝑃⋅𝑡
1 Julio = 1 W x 1 s. Pero 1 KW= 1000 W, y 1 hora = 3600 segundos.
1 Kilowatt-hora = 1 KWh = 1.000 watt x 3.600 segundos = 3,6 x 106 julios
O también:
1 KWh = 3.600.000 julios
Diferencia de Potencial
La diferencia de potencial entre dos puntos A y B de un campo eléctrico es un
valor escalar que indica el trabajo que se debe realizar para mover una carga
q0 desde A hasta B. La unidad en la que se mide el potencial es el Voltio o Volt.
El potencial es una medida que se suele usar de forma relativa (entre dos
puntos) y por eso se la llama diferencia de potencial. También es posible definir
al potencial absoluto en un punto como el trabajo para mover una carga desde
el infinito hasta ese punto.
Si dos puntos entre los cuales hay una diferencia de potencial están unidos por
un conductor, se produce un movimiento de cargas eléctricas generando una
corriente eléctrica.
Cuando se tiene una diferencia de potencial entre dos puntos, es decir una
capacidad de producir corriente eléctrica y por lo tanto energía, se la suele
denominar fuerza electromotriz (FEM). Se mide en voltios.
Cuando una carga positiva se coloca sobre un campo eléctrico, éste ejerce una
fuerza de repulsión sobre la carga. Para mover la carga debe realizarse un
trabajo, venciendo la fuerza de repulsión del campo. Inversamente, el trabajo
puede ser realizado por la carga positiva si ésta se mueve en la dirección de la
fuerza ejercida por el campo.
Independientemente de la fuente de generación de electricidad que se utilice, el
objetivo principal es disponer de algo que pueda mover los electrones por un
circuito. Se necesita, por tanto, una fuerza para mover los electrones, llamada
normalmente fuerza electromotriz o f.e.m., y debe ser producida por el
generador de electricidad que se utilice.
Al igual que la diferencia de potencial, la f.e.m. se mide en voltios (v). El valor
de la f.e.m. generada por cualquier dispositivo depende solamente de cómo se
produzca. Cada tipo de fuente de generación de electricidad tiene su f.e.m.
característica.
La diferencia de potencial viene dada por la siguiente fórmula:
𝑉=
𝑊
𝑞
Donde la unidad del trabajo es el julio (J) y la de la carga es el Culombio (q).
Intensidad de corriente eléctrica
La intensidad del flujo de los electrones de una corriente eléctrica que circula
por un circuito cerrado depende fundamentalmente de la tensión o voltaje (V)
que se aplique y de la resistencia (R) en ohm que ofrezca al paso de esa
corriente la carga o consumidor conectado al circuito.
Si una carga ofrece poca resistencia al paso de la corriente, la cantidad de
electrones que circulen por el circuito será mayor en comparación con otra
carga que ofrezca mayor resistencia y obstaculice más el paso de los
electrones.
Podemos definir intensidad de corriente eléctrica como la carga eléctrica que
pasa a través de la sección del conductor en la unidad de tiempo.
La intensidad de corriente viene dada por la fórmula:
𝐼=
𝑞
𝑡
Donde “q” está dado en culombios,” t” en segundos e “I” en amperios. Las
unidades serían:
1𝐴 = 1
𝐶
𝑠
Conexión de los motores del robot
Para conectar los diferentes motores que se integran en el robot (como los de
las articulaciones del robot), utilizaremos una conexión en paralelo, para así
suministrar el mismo voltaje a todos y cada uno de los motores utilizados, y
dependiendo de la acción que esté desempeñando cada motor (arranque,
frenado…) consuma la intensidad necesaria para realizar el trabajo asignado.