Tema2_parte3

2.3.1 transductores de posición
d) láser
Con la excepción de los encoders, los sensores de desplazamientos electroopticos son
los mas típicos sensores sin contactos.
Cuando la superficie de un objeto, cuyo desplazamiento quiere medirse, es
suficientemente reflectora puede usarse un par fuente / sensor de luz para medir
desplazamientos pequeños.
La siguiente figura ilustra este principio.
La salida del sensor decrece exponencialmente con la distancia al objeto.
Cuando la superficie no es reflectante puede adherirse a la superficie un reflector. Los
haces luminosos pueden ser de intensidad constante o modulada a una frecuencia
determinada (dependiendo del tiempo de respuesta del sensor y de la aplicación).
Uno de los tipos de fuentes utilizados (entre otros) es el láser, que ofrecen un haz
luminoso monocromático, coherente y bien colimado.
Un método muy utilizado en la medida de espesores delgados o en general distancias
entre el elemento sensor (fuente láser y dos sensores) y la superficie, es el de
triangulación. La interacción del láser con la superficie se observa desde los sensores
con el mismo ángulo pero en direcciones opuestas. La posición del objeto puede
determinarse a partir a partir de las salidas de los dos sensores.
Una variación de este método emplea dos haces láser a igual ángulo aunque opuestos
respecto a la normal a la superficie y un sensor que detecta la intersección de los haces
en una dirección normal a la superficie. Los sensores de imagen detectan la distancia
entre los láser cuya distancia al objeto quiere medirse.
Aplicando técnicas de interferencia a los sistemas de medida de desplazamientos por luz
láser se desarrollan los lasers interferómetros como se muestran en la siguiente figura.
El principio óptico de este dispositivo se basa en el interferómetro Michelson.
El haz láser se divide en dos haces ortogonales mediante un separador de haces. Un haz
se aplica directamente sobre un espejo plano que lo refleja retornando al separador de
haz. El otro haz se aplica a un espejo que se desplaza a lo largo del haz, y cuyo
desplazamiento quiere ser medido, o, como muestra la figura anterior, a un reflector del
que se refleja el haz hacia un espejo plano fijo. En ultimo caso, es el desplazamiento del
reflector el cual se quiere medir. El segundo espejo retorna el haz por el camino inverso
al separador de haces. Aquí el haz se recombina e interfiere (óptimamente), con el haz
de referencia. La interferencia es constructiva cuando la diferencia entre los dos
caminos es un numero entero de longitudes de onda; es destructiva cuando la diferencia
de caminos es un numero impar de medidas longitudes de onda.
Cuando el reflector se mueve y varia la diferencia de caminos, el fotodetector detecta un
franja de interferencia por cada longitud de onda.
El desplazamiento se determina con un contaje de franjas, esto proporciona una salida
digital de elevada precisión (del orden de micrómetros).
e) Otros
 Sincros y Resolvers
Los sincros y resolvers se utilizan solo para medir desplazamientos angulares. Estos
pertenecen al tipo de transductores de desplazamiento angular de tipo transformador
diferencial.
Estos tipos de transductores tienen limitado su rango del orden de + ó – 40º, de
manera que para ángulos grandes la salida tiene un comportamiento no lineal. En un
diseño típico los arrollamientos primarios y secundarios están montado sobre una
forma (estator) y un rotor ferromagnético con forma de cardioide cambia el acoplo
entre el primario y cada uno de los arrollamientos secundarios. Formas apropiadas
de rotor ayudan a la linealizacion de la salida.
En el sincro el arrollamiento primario del rotor, que se mueve con el desplazamiento
angular a medir, interacciona inductivamente con un estator de tres fases cuyos
arrollamientos están separados físicamente 120º.
En muchas aplicaciones el sincro utilizado como sensor (synchro-transmisor)
proporciona una salida eléctrica usada para controlar a su vez la posición mecánica
del rotor de un segundo sincro (synchro-receptor) que puede ser usado como
dispositivo de visualización o realizar algún trabajo mecánico.
Figura 1-34
Cuando el sincro-transmisor acciona a un sincro-receptor se dice que operan como
sincro-par.
Cuando su rotor se mueve hasta una posición angular dada, el estator del sincroreceptor provoca un par que actúa sobre su rotor. Este par se reduce a cero solo
cuando el rotor del receptor tiene la misma posición angular.
Cuando la salida eléctrica de un sincro se usa para otros propósitos que los de
accionar a un sincro-receptor, el sincro-transmisor se dice que actúa como sincrocontrol.
El resolver difiere del sincro principalmente en el numero y espaciado de los
arrollamientos. Ambos, el rotor de dos fases y el estator de dos fases, tienen los
arrollamientos espaciados 90º. Cuando se utiliza como transductor de medida, el
resolver tiene uno de sus dos arrollamientos motores cortocircuitado.
 regla magnética
en el codificador magnético, un disco o una regla móvil tiene una superficie
segmentada en áreas magnetizadas o no magnetizadas. Un núcleo ferromagnético
provisto de un arrollamiento de entrada y un arrollamiento de salida se aproxima a
la superficie. Se aplica una señal de entrada al arrollamiento de entrada. Cuando el
núcleo esta sobre un segmento no magnetizado el núcleo no se satura y se produce
una señal de salida (1). Cuando el núcleo esta sobre un segmento magnetizado se
satura y por tanto no hay señal de salida (0).
De esta forma, podemos conocer la posición, teniendo en cuenta de elementos
magnéticos y no magnéticos que han pasado por el núcleo.
Al igual que en los encoders increméntales, es necesario conocer la posición inicial,
ya que el transductor proporciona el desplazamiento realizado en incrementos.
En las regla magnéticas, al igual que en los encoders, también existe una
codificación absoluta, es decir la regla esta compuesta por varias pistas en las cuales
están impresa magnéticamente la posición, normalmente mediante códigos en los
que solo cambia un bit.
En la siguiente figura, mostramos las estructuras de códigos digitales en
codificadores absolutos.
 Galgas extensométricas
La galga extensiométrica nos permite obtener, mediante el adecuado
acondicionamiento de la señal resultante, una lectura directa de la deformación
longitudinal producida en un punto de la superficie de un material dado, en el cual
se ha adherido la galga.
La unidad de medida de la deformación se expresa mediante  (épsilon). Esta
unidad de medida es adimensional, y expresa la relación existente entre el
incremento de longitud experimentado por el objeto y la longitud inicial.

l
l
El concepto de deformación engloba todas las variaciones sufridas por un cuerpo
cuando éste ha sido sometido a una fuerza externa, bien sea compresión, tracción,
torsión o flexión.
La galga extensiométrica es básicamente una resistencia eléctrica. El parámetro
variable y sujeto a medida es la resistencia de dicha galga. Esta variación de
resistencia depende de la deformación que sufre la galga.
Se parte de la hipótesis inicial de que el sensor experimenta las mismas
deformaciones que la superficie sobre la cual está pegada.
El sensor está constituido básicamente por una base muy delgada no conductora,
sobre la cual va adherido un hilo metálico muy fino, de forma que la mayor parte de
su longitud está distribuida paralelamente a una dirección determinada, tal y como
se muestra en la figura siguiente:
La resistencia de la galga es la propia resistencia del hilo, que viene dada por la
siguiente ecuación:
R 
l
S
En base a esta última ecuación, se puede afirmar que la resistencia eléctrica del hilo
es directamente proporcional a su longitud, o lo que es lo mismo, su resistencia
aumenta cuando éste se alarga.
De este modo las deformaciones que se producen en el objeto, en el cual está
adherida la galga, provocan una variación de la longitud y, por consiguiente, una
variación de la resistencia.
R   
l
S
Otro principio de funcionamiento de las galgas se basa en la deformación de elementos
semiconductores. Esta deformación provoca una variación, tanto en la longitud como en
la sección, pero de una forma más acusada, en la resistividad () del semiconductor. De
esta forma:
R   
l
S
Este tipo de sensor semiconductor posee un factor de galga más elevado que el
constituido por hilo metálico.
Los sensores de desplazamientos por galgas extensométricas sor raramente usados
como tales, siendo mucho mas aplicados como elementos transductores accesorios
de otros transductores (ej. Células de carga, acelerómetros) o sistemas sensores (ej.
Sonda de peso, control de tensión, perfiles). Están basados típicamente en la
utilización de haces elásticos o flexores a los que están unidas las galgas
extensometricas una galga en tensión y otra en comprensión (como podemos
apreciar en la siguiente figura).
Estas galgas configuran semipuentes de dos elementos activos. En la siguiente figura se
muestra un ejemplo que utiliza galgas semiconductoras (piezorresistivas). Un
encapsulado cerámico garantiza una capa de aislamiento elástico entre las dos galgas y
el haz deflector. La unidad mostrada tiene una longitud de 38mm. Existen diversas
configuraciones de ejes sensores y bases de montaje.
 industosyn
 piezoelectricos
En 1880, Jacques y Pierre Curie descubrieron que al aplicar presion a un cristal de
cuarzo se establecían cargas electricas en este; ellos llamaron a este fenómeno “el
efecto piezoelectrico”.
Mas tarde ellos verificaron que un campo electrico aplicado al cristal proporcionaba
una deformación al cristal. Por tanto, los materiales piezoelectricos, pueden ser
utilizados para convertir energia electrica en energia mecanica y viceversa.
Un actuador piezoelectrico es un dispositivo que produce movimiento
(desplazamiento) aprovechando el fenómeno fisico de la piezoelectricidad.
El movimiento preciso que resulta cuando un campo electrico es aplicado al
material, es de gran valor para nanoposicionamiento.
Ventajas:
 Un actuador piezoeletrico puede producir cambios de posición
extremadamente finos por abajo del rango de subnanometro. Los pequeños
cambios en el voltaje son convertidos en suaves movimientos.
 Un actuador piezoeletrico puede generar una fuerza de varios miles de
Newtons.
 Los piezo actuadores ofrecen el tiempo mas rapido de respuesta mas rapido
de respuesta disponible (microsegundos).
 El efecto piezoelectrico esta relacionado a los campos eléctricos. Los
actuadores piezo eléctricos no producen campos magneticos ni son afectados
por estos. Son especialmente apropiados para aplicaciones donde los campos
magneticos no pueden tolerarse.
 El efecto piezo convierte directamente energia electrica en movimiento
absorviendo energia solo durante este. La operación estatica, aun
sosteniendo cargas pesadas, no consume potencia.
 Un actuador piezo no tiene engranes ni ejes rotativos. Su desplazamiento se
basa en la dinamica de estado solido y bo muestra desgaste ni rotura.
 Los piezo actuadores son elementos que no necesitan ningun lubricante y no
muestran desgaste y abrasión. Esto los hace compatibles con cuartos limpios
e idealmente apropiado para aplicaciones de Ultra Alto Vacio.
 El efecto piezo se basa en campos eléctricos y funciona hasta casi 0 grados
kelvin.
2.3.2) Detectores de Presencia y Proximidad
a) Detectores inductivos
Los sensores basados en un cambio de inductancia debido a la presencia de un objeto
metálico están entre los sensores de proximidad industriales de más frecuente uso. El
principio de funcionamiento de estos sensores puede observarse en las siguientes
figuras.
La figura muestra un diagrama esquemático de un sensor inductivo, que consiste
fundamentalmente en una bobina arrollada, situada junto a un imán permanente
empaquetado en un receptáculo simple y robusto.
El efecto de llevar el sensor a la proximidad de un material ferromagnético produce un
cambio en la posición de las líneas de flujo del imán permanente según se indica en la
figura. En condiciones estáticas no hay ningún movimiento en las líneas de flujo y, por
consiguiente, no se induce ninguna corriente en la bobina. Sin embargo, cuando un
objeto ferromagnético penetra en el campo del imán o lo abandona, el cambio resultante
en las líneas de flujo induce un impulso de corriente, cuya amplitud y forma son
proporcionales a la velocidad de cambio de flujo.
La forma de onda de la tensión, observada a la salida de la bobina, proporciona un
medio efectivo para la detección de proximidad. La tensión medida a través de la bobina
varía como una función de la velocidad a la que un material ferromagnético se introduce
en el campo del imán. La polaridad de la tensión, fuera del sensor, depende de que el
objeto este penetrando en el campo abandonándolo.
Existe una relación entre la amplitud de la tensión y la distancia sensor-objeto. La
sensibilidad cae rápidamente al aumentar la distancia, y el sensor sólo es eficaz para
fracciones de un milímetro.
Puesto que el sensor requiere movimiento para generar una forma de onda de salida, un
método para producir una señal binaria es integrar esta forma de onda. La salida binaria
se mantiene a nivel bajo en tanto que le valor integral permanezca por debajo de un
umbral especificado, y luego se conmuta a nivel alto (indicando la proximidad de un
objeto) cuando se supera el umbral.
b) Detectores Capacitivos
A diferencia con los sensores inductivos que detectan solamente materiales
ferromagnéticos, los sensores capacitivos son potencialmente capaces (con diversos
grados de sensibilidad) de detectar todos los materiales sólidos y líquidos. Como su
nombre indica, estos sensores están basados en la detección de un cambio en la
capacidad inducido por una superficie que se lleva cerca del elemento sensor.
El elemento sensor es un condensador constituido por un electrodo sensible y un
electrodo de referencia. Estos electrodos pueden ser, por ejemplo, un disco y un anillo
metálicos separados por un material dieléctrico. Una cavidad de aire seco se suele
colocar detrás del elemento capacitivo para proporcionar aislamiento. El resto del sensor
está constituido por circuitos electrónicos que pueden incluirse como una parte integral
de la unidad, en cuyo caso suelen estar embebidos en una resina para proporcionar
soporte mecánico y sellado.
Hay varios métodos electrónicos para detectar la proximidad basados en cambios de la
capacidad. Uno de los más simples incluye el condensador como parte de un circuito
oscilador diseñado de modo que la oscilación se inicie solamente cuando la capacidad
del sensor sea superior a un valor umbral preestablecido. La iniciación de la oscilación
se traduce luego en una tensión de salida, que indica la presencia de un objeto. Este
método proporciona una salida binaria, cuya sensibilidad de disparo dependerá del valor
umbral.
La capacidad varía como una función de la distancia para un sensor de proximidad
basado en los conceptos anteriores. Es de interés destacar que la sensibilidad disminuye
mucho cuando la distancia es superior a unos pocos milímetros y que la forma de la
curva de respuesta depende del material objeto de detección. En condiciones normales,
estos sensores son accionados en un modo binario, de modo que un cambio en la
capacidad mayor que en un umbral preestablecido T indica la presencia de un objeto,
mientras que los cambios por debajo del umbral indican la ausencia de un objeto con
respecto a los limites de detección establecidos por el valor de T
c)Detectores ópticos
Los sensores de posición fotoeléctricos emplean una fuente de luz, y un sensor de luz
para detectar la presencia o ausencia de objetos que bloqueen o no el camino de luz u
ocasionen la reflexión del haz de luz sobre el elemento sensor.
Generalmente se utilizan diodos emisores de luz, como fuente de luz.
Los dos métodos primarios utilizados son la exploración directa y la exploración
retrorreflexiva.
 exploración directa: Una fuente de luz y un sensor de luz (fotorreceptor) se
colocan en oposición con el fin de detectar el paso de un objeto entre ellos. De
esta forma, el emisor estaría continuamente emitiendo luz, la cual detecta el
fotorreceptor, dando así una determinada tensión de salida. Si se coloca un
objeto en medio del emisor y receptor, este ultimo, no recibirá el haz de luz
producido, por lo que dará lugar a otra tensión de salida (por ejemplo 0
voltios).evidentemente este objeto debe ser lo suficientemente opaco como para
bloquear la luz.
Este tipo de detector puede cubrir aproximadamente 500 metros de distancia.
Otro tipo de combinación es la de poner en un extremo el emisor y receptor, y en
el otro extremo un reflectante, de esta forma, el haz de luz emitido por el emisor,
es reflejado en el reflectante, y captado por el fotorreceptor. Al igual que antes al
poner un objeto en medio del transmisor y el reflector, la luz, no podrá ser
captada por el fotorreceptor, produciéndose así la conmutación en este.
 exploración reflexiva: la fuente de luz y el sensor se colocan del mismo lado del
objeto a detectar, siendo el haz de luz reflejado por el objeto, o por una pantalla
adherida a el.
Existen tres tipos de exploración reflexiva: retrorreflexiva, especular y difusa.
-
En la exploración retrorreflexiva la fuente de luz y el sensor están
ubicados en una misma caja. La luz actúa sobre el objeto reflectante que
devuelve la luz por el mismo camino. Discos o cintas acrílicas, incluso
yeso, se usan como reflectores. Cuanto mayor es el reflector, mayor
puede ser la longitud del camino (normalmente, esta es de 5 metros como
máximo). La falta de alineamiento y las vibraciones en estos casos, no
resultan ser criticas, siendo también utilizados estos reflectores cuando
los objetos son algo translucidos, en los que se podría perder parte de la
intensidad de la luz emitida.
Otro tipo de combinación es la de poner en un extremo el emisor y
receptor, y en el otro extremo un reflectante, de esta forma, el haz de luz
emitido por el emisor, es reflejado en el reflectante, y captado por el
fotorreceptor. Al poner un objeto en medio del transmisor y el reflector,
la luz, no podrá ser captada por el fotorreceptor, produciéndose así la
conmutación en este (este caso podría catalogarse como exploración
directa o por barrera).
-
En la exploración especular el objeto debe ser altamente reflexivo (por
ejemplo metal pulido, espejos ...). Como se ilustra en la figura, el ángulo
incidente, es igual al ángulo reflejado, por lo que las posiciones del
sensor y la fuente, así como las distancias al objeto deben ser
cuidadosamente controladas.
-
En la exploración difusa, los objetos son mates, en vez de brillantes, y el
sensor detecta radiación difusa o esparcida, es decir, la luz se dispersa
únicamente cuando existe turbiedad, y el detector, lo que detecta, es la
luz dispersa.
Otros tipos, pueden detectar incluso los colores del objeto, mediante la polarización de
la luz recibida al reflejarse en el, ya que luz tiene una polarización u otra, según el color.
Otro tipo de detectores son los basados en fibra óptica. En estos, el emisor suele ser una
fuente de luz (LED) conectado a un cable de fibra óptica, el cual transmite la luz, sin
apenas perdida. Estos son utilizados para lugares poco accesibles, en los que se
introduce la fibra óptica, para que emita la luz al detector.
En ambiente muy luminosos, puede ocurrir, que lo que el detector detecte sea la luz
ambiental, y no la orinada por la fuente de luz, y por tanto, no conmute al obstruirse la
comunicación entre este y el emisor. Para evitar este efecto indeseable se utiliza luz
infrarroja, especialmente si es modulada, junto a sensores de luz sintonizados a la
frecuencia modulada. La modulación se realiza en forma de pulsos, proporcionando
pulsos infrarrojos de alta intensidad proveniente de un LED. En la siguiente figura, se
muestra el diagrama de bloques para sistemas sensores de posición con luz modulada.
(figura 1-53d)
En general estos tipos de detectores son muy utilizados por su elevada inmunidad a
perturbaciones electromagnéticas (en una instalación industrial, encontramos muchas
estructuras metálicas), así como por su alta velocidad de respuesta.
d) detectores Ultrasónicos
En esta categoría se incluyen los sensores que emiten un pulso de energía
electromagnética hacia un cuerpo, determinando la distancia al mismo por el tiempo
transcurrido desde la emisión del pulso hasta la recepción del pulso reflejado al chocar
con el objeto (eco). El elemento en cuestión es capaz de trabajar tanto en modo emisor
como receptor y debe dar como salida una información proporcional al tiempo
transcurrido.
El numero de pulsos emitidos por unidad de tiempo es lo que se llama frecuencia de
repetición del sensor ultrasónico.
Dependiendo de las distancias a medir, se utilizara una determinada longitud de onda,
por ejemplo, en la medida de distancias de orden de 0.3 a 5 metros, se utilizan
longitudes de onda del orden de ultrasonidos (RF de baja frecuencia) especialmente en
medidas submarinas. Longitudes de ondas muy cortas caracterizan a los sensores como
radares de seguimiento o como radares de altura que llegan a la región de microondas.
Longitudes de onda todavía mas cortas se usan en los altímetros lasers y sensores de
distancias sofisticados.
Una de las principales ventaja de este tipo de sensores, es que pueden detectar cualquier
tipo de objeto, ya sean metálicos, transparentes..., pero por el contrario, son muy
complicados de calibrar, es por ello, que solo se utilizan, cuando no se puedan utilizar
en su lugar otro tipo de sensor.
Es común, poner varios dispositivos juntos, en forma de circulo, para hacer un mapa de
la zona. Se ha de tener cuidado en estos casos, de separar lo suficientemente entre si
estos sensores, para que no interfieran entre ellos. Se ha de tener también la precaución
de no utilizarlos en ambientes ruidosos, o donde el aire circule con violencia, pues los
pulsos electromagnéticos producidos por el detector, podrían ser modificado,
detectándose erróneamente en el regreso.