Adquisición de datos y sensores

USO DE LA COMPUTADORA EN EL LABORATORIO EXPERIMENTAL.
Adquisición automática de datos
La adquisición automática de datos consiste en el empleo de una computadora personal (PC)
para la lectura de los valores que adquieren distintas variables físicas provenientes de una variedad de
procesos. Esto es muy útil para diversas aplicaciones tales como el control de procesos y maquinarias,
el trabajo en los laboratorios de medición y pruebas, el control de calidad de productos o la detección o
prevención de fallas en una línea de producción
¿Cómo se adquieren datos con una PC? Existen muchos esquemas alternativos. En nuestro caso
conectaremos a la PC una interfase. Este periférico contiene los dispositivos necesarios para comunicar
a la PC con el mundo real. ¿Por qué decimos esto? La PC es un procesador de señales digitales, las
cuales consisten en niveles de voltaje discretos (Bajo = 0, alto = 1, si o no). Por otra parte, en el mundo
real, la gran mayoría de las señales son analógicas, es decir, pueden tomar cualquier valor dentro de un
rango dado.
¿Cómo funciona la interfase entonces? Las distintas mediciones se realizan mediante
componentes llamados sensores. Estos son dispositivos capaces de transformar el valor de una
magnitud física en una señal eléctrica. Existen dos clases de sensores: los analógicos y los digitales.
Sensores analógicos: Miden variables de recorrido continuo tales como temperatura, presión, nivel,
posición. Poseen un transductor que convierte el valor de la variable en una señal eléctrica: voltaje o
corriente. Sensores digitales: Estos frente a un estímulo pueden cambiar de estado, ya sea de cero a
uno o de uno a cero (hablando en términos de lógica digital) en este caso no existen estados
intermedios y los valores de tensión que se obtienen son únicamente dos, 5V y 0V (o valores muy
próximos).
La salida de cualquiera de los dos tipos de sensores se conecta a la interfase, la que tiene
circuitos que constituyen una etapa de acondicionamiento de la señal, que adecuan la señal (reducción
de ruido, cambio de rango, etc) a los niveles compatibles con la capacidad de manejo de la PC. La
interfase puede manejar simultáneamente un cierto número de sensores y va a introducir en la PC una
muestra digital de las señales de entrada. Cada cierto tiempo, que en algunos casos podemos elegir,
barre todos los canales e introduce los valores en la memoria. La cantidad máxima de veces que puede
hacer esta operación en un segundo (frecuencia máxima de muestreo) es un parámetro importante
puesto que debe tener un valor acorde con el tipo se señal. A mayor variabilidad de la señal, mayor
frecuencia.
La PC debe estar provista de un programa adecuado que le permita diferenciar los distintos
tipos de sensores y asociar las señales que recibe con valores de la variable, o variables en estudio. El
mismo programa puede estar diseñado para el manejo y tratamiento de los datos adquiridos. Es decir
puede, por ej., proveer tablas o gráficos de las distintas variables medidas como función del tiempo.
También puede facilitar el análisis de los gráficos, por ej, encontrar la mejor función matemática que
relacione a la variable medida con el tiempo, realizar estudios estadísticos, etc.
En el laboratorio disponemos de dos tipos de interfases, PASCO y Vernier, con prestaciones
similares y diversos sensores que nos permiten adquirir valores de distintas magnitudes. La interfase
PASCO funciona mediante el programa ScienceWorkshop y la Vernier con el programa Logger-Pro.
SENSORES
Sensor de posición
El sensor de posición, como su nombre lo indica nos permite determinar la posición de un
objeto. Detecta la presencia de un objeto dentro de un intervalo prefijado, es un sensor digital, puede
clasificarse dentro de los sensores de proximidad. Funciona como un sonar, es decir emitiendo una
onda ultrasónica y recibiendo su “eco”. Mide posición a partir del el retardo entre la emisión de la
onda ultrasónica y la recepción de la onda proveniente del rebote con el objeto cuya posición se desea
determinar. Es decir no realiza una medida directa de la magnitud de interés, la posición, sino que
mide el tiempo entre dos señales y determina la posición a partir de la calibración.
El proceso de calibración consiste en la ubicación de un objeto en una posición preestablecida
conocida, por ej.:1m. A partir de esta información, que se debe proveer al programa que maneja a la
interfase, y de la medida del tiempo de retardo entre la emisión y la recepción de la onda ultrasónica el
programa determina la velocidad del sonido en el aire. Valor que el programa guarda en la memoria y
emplea posteriormente para la determinación de la posición. OJO: acá debemos notar que la posición
preestablecida no puede determinarse en forma exacta (como ya se vio) sino dentro de un intervalo. Lo
que significa que el empleo de un sistema automático de recolección de datos no nos provee resultados
exactos. Seguiremos teniendo distintas fuentes de incertidumbre que tendremos que analizar en cada
caso.
Modelos de sensores ultrasónicos disponibles en el laboratorio
Conector digital
negro
Conector digital amarillo
Fig. 1. Sensor de movimiento PASCO
Este modelo de sensor puede determinar la posición de objetos que estén a distancias de 0,15 a
8 m del detector, requiere cambios en la frecuencia de muestreo para variar los rangos de posiciones.
La cabeza del sensor puede inclinarse para mejorar la posibilidad de que la onda alcance el objetivo.
En la parte superior el sensor tiene un selector del ancho del haz de sonido (ancho-angosto) que evita
rebotes en objetos distintos de aquel cuya posición se desea medir cuando el objeto está a menos de
dos metros del sensor.
Para indicar al programa cuál es la señal de emisión y cuál la de recepción los conectores del
sensor a la interfase son de distinto color. El amarillo es el que transmite la señal de emisión y el negro
la de recepción. Para el reconocimiento por parte de la interfase debe conectárselos en dos canales
digitales sucesivos con el conector amarillo siempre en el canal de numeración menor. La frecuencia
del ultrasonido es de 49 kHZ. La resolución del instrumento informada por el fabricante es de 1mm.
El sensor del la Fig 2. puede determinar la posición de objetos que estén a distancias de 0,15 a
6 m. La cabeza puede inclinarse para alcanzar mejor el objetivo. El cono de alcance cubre 20°, por lo
tanto hay que cuidar mantener la zona del entorno despejada. Emplea un valor de la velocidad del
sonido de 343 m/s. Se pueden hacer correcciones a éste valor por cambios de temperatura ambiente
sólo a través del programa de manejo de la interfase, Logger Pro. La frecuencia del ultrasonido es de
50 kHZ. La resolución es de 1mm.
Fig. 2. Sensor de movimiento VERNIER
Para mayor información sobre los sensores ver en los sitios de los fabricantes o solicitar el
manual de instrucciones en el pañol de Física.
Sitios de los fabricantes:
www.pasco.com
www.vernier.com
Determinación de velocidad y aceleración a partir de los datos de posición
provistos por el sensor de posición
Los programas de manejo de ambos sensores permiten la determinación indirecta de la
velocidad y la aceleración a partir del conocimiento de la posición para distintos tiempos. OJO: Tener
en cuenta: El origen del sistema de coordenadas está ubicado en el sensor y el sentido positivo del eje
es el que se aleja del sensor. Dado que la información sobre x(t) es discreta, es decir se la obtiene para
determinados tiempos, no se puede calcular en forma analítica la velocidad ni la aceleración. Por lo
tanto los programas deben hacerlo mediante el empleo de algún algoritmo matemático. Por ej., la
determinación de la velocidad media en cada intervalo de tiempo. Esto introduce limitaciones que se
traducen en curvas “ruidosas” sobre todo en el caso de la aceleración. Si se desea una mejor
determinación de la velocidad y aceleración debería, a partir de los datos de posición vs. Tiempo,
encontrarse la función analítica, x(t), que mejor represente al conjunto de datos y a partir de
derivaciones sucesivas obtener la velocidad y la aceleración. Estas estarán igualmente afectadas de
incertidumbres, pero se eliminan las provenientes del algoritmo empleado por el programa.
Sensor de fuerza
La fuerza es una magnitud vectorial que al actuar sobre un sistema físico es capaz de cambiarle
el movimiento, el tamaño o la forma. Para reconocer si una fuerza es real en el marco newtoniano
debemos analizar el sistema desde un marco de referencia inercial y debemos encontrar la reacción que
el sistema físico en estudio ejerce sobre el agente que la produce. En el sistema internacional de
unidades (SI) la unidad de medida de fuerza es el Newton 1 .
Hasta el momento se reconoce la existencia de cuatro fuerzas básicas en la naturaleza la
gravitacional, la électromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. La más débil de todas, y aunque
1
La Conferencia Internacional de pesos y medidas en su reunión de 1960 adoptó el sistema internacional (SI) de
medidas en el que las unidades convencionales para la mecánica son unidad de longitud: metro, m; unidad de
masa: kilogramo, kg, y unidad de tiempo segundo, s. En Argentina, el SI fue adoptado a través de la ley Nº
19.511, del 2 de marzo de 1972. Se lo conoce como Sistema Métrico Legal Argentino (SI.ME.LA.). En este
sistema la unidad de medida de fuerza es el Newton, N, 1N= fuerza necesaria para imprimir a un sistema de 1
kg de masa una aceleración de 1m/s2.
parezca contradictorio, la más fácil de observar, es la gravitacional. Esto sucede porque actúa sobre
toda la material conocida, es siempre atractiva y tiene un rango infinito (la atracción gravitatoria entre
dos sistemas físicos tiende a cero como 1/r2). Es decir la atracción decrece con la distancia entre los
sistemas pero siempre se puede medir.
Las formas más convencionales de medida de fuerza, tanto en situaciones estáticas como
dinámicas, están relacionadas con deformaciones inducidas por dicha fuerza sobre algún sistema físico
(por ej el alargamiento de alguna dimensión). Los sensores de fuerza electrónicos son sensores
analógicos. Recordemos que los sensores analógicos miden variables de recorrido continuo y poseen
un transductor que convierte el valor de la variable en una señal eléctrica: voltaje o corriente. En
general el funcionamiento de los sensorses de fuerza está estrechamente ligado a los materiales
piezoeléctricos y a los “strain gages” 2 . Generalmente la configuración particular del sensor o la forma
en que se procesa la señal que emite son las que determinan el tipo específico de valor de la señal de
salida.
Strain Gage2
Cuando se aplica una fuerza externa a un sistema físico en reposo el resultado de la fuerza por
unidad de área (llamada esfuerzo, stress. Notación: σ) es la aparición de deformaciones (strain.
Notación: ε)
Esfuerzo (σ ) = F / A
unidad de medida: N/m2
Deformación (ε ) = variación de longitud, dividido longitud inicial= ΔL / L
La deformación es por lo tanto adimensional, valores típicos 0,005. La deformación puede
producirse por compresión o por extensión y se mide típicamente mediante strain gages. Lord Kelvin,
en 1856 fue el primero en informar que cuando se somete a esfuerzos a los conductores metálicos estos
presentaban cambios en su resistencia eléctrica. Este fenómeno se empleo en un dispositivo por
primera vez en 1930.
Las celdas que miden mediante strain-gages trabajan “traduciendo” el valor de la carga que
actúa sobre ellas en una señal eléctrica de una dada magnitud. Para tal fin el strain gage esta adherido
a una pieza estructural del sensor que se deforma cuando actúa la fuerza. El producto empleado en la
adhesión y el hecho de que los materiales no son necesariamente isótropos (es decir no tienen
propiedades iguales en todas las direcciones) genera problemas de exactitud en las medidas. Por tal
motivo en muchos sensores se emplean 4 strain gages para obtener la mayor sensibilidad posible (la
sensibilidad de un instrumento es la capacidad del mismo para detectar variaciones en el valor de la
magnitud que busca medir) y para compensar las variaciones introducidas por los problemas
mencionados y los introducidos por los cambios de temperatura. En la actualidad son los sensores más
populares dado el continuo aumento de su exactitud y la disminución de sus precios.
Materiales piezoresistivos
Los sensores piezorresistivos presentan una forma de operación similar a la de los strain gages.
Generan una señal de valor elevado que los convierte en un sistema simple para detector peso dado
que pueden conectarse directamente a un lector de señal de salida. La disponibilidad actual de
amplificadores de señal que tienen una respuesta lineal y que, además, son de bajo costo ha disminuido
Strain gage: empleamos el nombre inglés del dispositivo porque así se lo conoce en el ambiente
técnico, la traducción más aproximada sería medidor de deformación.
2
las ventajas del uso de los sensores piezoeléctricos. Una de las desventajas de los sensores
piezoeléctricos es que la respueta de los mismo no es lineal (esto significa que el valor de la señal no
varía linealmente con el valor de la carga)
Sensores de Fuerza Pasco
Existen distintos modelos de sensores todos ellos funcionan en forma similar en la Figura 1 se
muestran dos modelos:
Botón de tara, fija la señal de salida en cero
independientemente de la carga
Gancho tornillo sensor
(a)
(b)
Figura 1. Sensores de fuerza Pasco. (a) económico; (b) estandar.
El sensor (b) tiene strain gages montados en una pieza metálica como se ve en la Figura 2. Al
empujar o tirar del gancho tornillo sensor la pieza se deforma y esto induce modificaciones en el
circuito strain gage que dan lugar a variaciones en la señal. Las deformaciones son de menos de 1 mm.
Las variaciones de la señal son pequeñas y requieren de amplificación que se logra con un circuito adhoc. El sensor tiene incluida una protección para impedir daño por sobrerecarga.
Strain gages
Circuito
amplificador
Figura 2. Interior de un sensor de fuerza mostrando los strain gages y el circuito amplificador
El conector a la interfase es del tipo 8 pin DIN. El conector se inserta en alguno de los canales
analógicos de la interfase. Luego se sigue el mismo procedimiento que el aprendido para el sensor de
posición.
Especificaciones del sensor:
Rango de medida: -50 N ≤ F ≤ 50 N
Elección del cero: botón de Tara
Resolución:0,03 N or 3,1 gr
Voltaje de salida máximo: +8 V, corresponde a +50 N (empujando)
Voltaje de salida máximo en el otro sentido: -8 V corresponde a -50 N (tirando)
Ruido de salida: +/- 2 milivolts
Tiempo de respuesta para llegar a medir 25 N 1 ms ( milisegundo)
Limite de ancho de banda:2kH
Longitud del cable de salida sin inestabilidad 8 m
Calibración de fábrica: 1N=160 mV (0.160 V)
Procedimiento de calibración en el laboratorio:
1) marque dos veces con el cursor sobre el ícono del sensor, se abrirá el menú de diálogo y mostrará
los valores preestablecidos para la calibración: 50 N a 8V -50N a -8V.
2) Con el sensor descargado apriete el boton de tara.
3) Cuando la lectura del la fila cur value debajo de la columna Volts se estabilice marque el boton read
en la fila low value y entre el valor cero en el recuadro de las izquierda.
4) Cuelgue del sensor una masa de valor conocido.
5) cuando la lectura del la fila cur value debajo de la columna Volts se estabilice, escriba el valor
numérico del peso de la masa en Newtons.
5) Marque OK
Cuidados al hacer la calibración. Poner el sensor en la posición en la que se hará la medida. Una vez
calibrado cargar el sensor con un valor aproximadamente igual al que se espera medir.
Para más información sobre sensores de fuerza vea los manuales de los fabricantes que están en
el pañol y en el sitio web de los fabricante
Para más información sobre materiales piezorresistivos, strain gages y evolución histórica de
medidores de fuerza, presión flujo, etc. vea en el sitio http://www.omega.com transaction 3
Compuerta infrarroja
En la Figura 1 se muestra una vista lateral de una compuerta infrarroja. Este dispositivo, que es
también un sensor digital, consiste en una cabeza en forma de U en uno de cuyos extremos se instala
un LED emisor de radiación infrarroja y en el otro un detector. El sensor puede detectar el tiempo en
que el haz está interrumpido cuando algún objeto impide la llegada del haz a más del 50% de la
superficie del detector.
LED: se enciende cuando el haz
no llega al detector .
Enchufe del cable que conecta
con la interfase
Haz infrarrojo
Detector
Figura 1. Detalle de una compuerta infrarroja
LED: emisor de radiación
infrarroja.
Las compuertas infrarrojas pueden usarse en tres modos el modo descrito anteriormente es el
modo compuerta (gate), en este modo mide el tiempo que el haz permanece interrumpido (por ej por el
paso de un móvil. El segundo modo es el puso (pulse). En este modo permite medir el tiempo que
transcurre entre el comienzo de una interrupción del haz y el comienzo de la interrupción siguiente.
Este modo es útil para trabajar con dos compuertas situadas a una distancia conocida (o que se
puede medir) y permite determinar el tiempo que tarda un móvil en cambiar su posición desde la
compuerta 1 hasta la 2, y por lo tanto determinar la velocidad media del mismo entre esas dos
posiciones. El tercer modo es el modo Pendulo ( pendulum). En este modo puede medirse el tiempo
que media entre la primera y la tercera interrupción como muestra la Figura 2.
Diagrama
Modo compuerta
1 compuerta IR
Modo Pulso
2 compuertas IR
D
Módo Péndulo
1 compuerta IR
B
Figura 2. Diagrama que muestra el intervalo t medido en cada Modo.
Señal baja haz bloqueda (B), alta desbloqueado (D)
Sensores de rotación
Hay dos tipos de sensores con distinta resolución, que pueden verse en la Figura 1. La polea
inteligente, Figura 1 (a), y el propiamente llamado sensor de rotación, Figura 1(b).
Polea inteligente
Este dispositivo consta de una polea con 10 rayos opacos, que lleva adosada una compuerta
infrarroja.
Conectores
digitales
Tres poleas de
distinto diámetro
Compuerta
infrarroja
(a)
(b)
Figura 1. Polea inteligente (a) y sensor de rotación (b)
Especificaciones de la polea: Momento de inercia: 1.8 x 10-6 kg m2. Diametro: 0,05m, Masa: 0.0055
kg; Coeficiente de roce: < 7 x 10-3.
Especificaciones de la compuerta infrarroja: apertura distancia entre emisor y detector: 0,075 m;
tiempo de repuesta: < 500 ns (nanosegundos, 1ns= 10-9s); resolución espacial: < 1 mm; resolución
temporal: 1ms. Este sensor permite medir el tiempo que permanece obturado el detector de la
compuerta por el paso del rayo opaco. Con ese tiempo y la información del ancho del rayo puede
determinar la posición angular.
Sensor de rotación
La polea triple que se ve en la Fig. 1 se encuentra solidaria a un disco ranurado similar al que se
muestra en la figura 2. A un lado del disco se encuentra un diodo emisor de luz (LED) y del otro se
encuentranmontados dos fototransistores, los cuales son dispositivos sensibles a la luz emitida
Figura 2: Extremo izquierdo: esquema del disco ranurado de un mouse convencional, centro: vista interior del dispositivo
perpendicular al eje de rotación, extremo derecho: foto del disco ranurado montado en el eje
por el LED. Conjuntamente con un circuito de conformación de señal que logra señales con flancos
abruptos, estos fototransisores entregan como salida 2 valores posibles: un “1” lógico (5 volts), si
reciben luz, o un “0” lógico (0 volts), si no la reciben. El sensor mide el tiempo que transcurre entre el
paso de un tipo de señal a la otra. La resolución se puede elegir entre dos posibles 360 por vuelta o
1440 por vuelta. Esto significa que se medirá el tiempo que tarda el sensor en rotar un ángulo de 1° o
de 0,25° respectivamente. Para poder determinar el sentido de la rotación se disponen los dos
fototransistores de una forma tal que sus salidas se encuentren corridas entre sí en una cantidad de un
cuarto de ciclo. Por lo tanto si se midiera la tensión en cada detector cuando está girando y se
representaran los valores o se mostraran en una pantalla se obtendría un gráfico similar al de la Fig. 3.
Figura 3. Gráfico de los voltajes medidos por los detectores A y B respectivamente en función del tiempo transcurrido.
Limitaciones
Podemos observar que el dispositivo posee una limitación básica en lo que se refiere a su
resolución, (mínimo detectable) y está relacionada con la cantidad de rendijas que posee. Por otro lado,
los fototransistores tienen un tiempo de “reacción” mínimo, esto es: la señal de salida tarda un tiempo
Δt en cambiar de estado (alto a bajo o viceversa), cuando le cambiamos la condición de iluminación en
forma brusca. Esto repercute de la siguiente manera: no podemos medir velocidades angulares
arbitrarias, existe una velocidad angular máxima detectable para este dispositivo. Una manera de
verificar el valor de la velocidad límite podría ser realizando un barrido de velocidad. Por ejemplo,
acoplamos el sensor a un motor por medio de una correa, con una fuente de tensión como las que
usamos en el laboratorio y le regulamos la corriente a motor desde 0, y vamos aumentando…con el
programa registramos ω (velocidad angular), hasta que en un momento observamos que el valor de ω
cae abruptamente, luego, ese es el valor de ω máx
Ambos instrumentos la polea y el sensor de rotación son sensores digitales, es decir: la
respuesta es si-no, 1 ó 0. En el sensor de rotación es: 5 ó 0 Volts.
Especificaciones:
Resolución: 1° y 0,25°
Velocidad máxima : 13 rps, resol: 1° (360 datos/revolución)
3,25 rps, resol: 0,25° (1440 datos/revolución)
Codificador óptico: bidireccional, indica dirección de movimiento
Exactitud: ±0,09 °
Muestreo: Si no se especifica: 10 muestras/s
Máximo: 1000 m/s
Bibliografía: Apuntes de Fisica I - Segundo Semestre 2006