Introducción a los Sistemas Sensoriales documento PDF

Curso de Sensores en
Plataforma Arduino
Introducción a los Sistemas Sensoriales
© 2013 Departamento de Electrónica. Universidad de Alcalá
D. Julio Pastor Mendoza (pastor@depeca.uah.es)
D. Pedro Revenga de Toro (revenga@depeca.uah.es)
Profesores del Departamento de Electrónica (UAH)
Concepto de Sensor
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¿Qué entendemos por Sensor?
–  Definición
•  Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas
(temperatura, presión, velocidad, distancia, etc.), y las convierte en señales
útiles para un sistema de medida o control.
•  Un transductor: Dispositivo que transforma el efecto de una causa física,
como la presión, la temperatura, la dilatación, la humedad, etc., en otro tipo de
señal, normalmente eléctrica produciendo un cambio de tipo de energía.
Sensor
Magnitud
Física
Transductor
Acondicionador
Curso de Sensores en Plataforma Arduino (Octubre 2013)
Señal
Eléctrica
Concepto de Sensor
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¿Qué entendemos por Sensor?
Salida Analógica
•  Tensión variable
•  Corriente variable
Salida Digital
•  1 o 0
•  Ancho de un pulso
•  Frecuencia de una señal
•  Dato Digital
•  Temperatura
•  Velocidad
•  Humedad
•  Presión
•  Fuerza
•  …
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Sensor
Magnitud
Física
Transductor
Acondicionador
Curso de Sensores en Plataforma Arduino (Octubre 2013)
Señal
Eléctrica
Concepto de Sensor
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Sistema sensor + adquisición de señal
–  Para realizar una medida con un sistema basado en microprocesador es
necesario transformar la señal eléctrica que da el sensor en un valor
numérico.
•  Señales digitales (on – off)  Puertos de entrada – salida
•  Señales digitales (temporizadas)  Unidades de temporización capaces de
medir el ancho de un pulso o la frecuencia de una señal.
•  Señales analógicas  Conversores analógico – Digital
–  Tras la transformación de una señal eléctrica en un número, puede ser
necesario un proceso matemático de adaptación y/o filtrado.
Sensor
Magnitud
Física
Transductor
Procesador
Acondicionador
Señal
Eléctrica
Conversión A/D
Medida de Pulso
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Medida de
magnitud
intermedia
Curso de Sensores en Plataforma Arduino (Octubre 2013)
Filtrado Digital
Calibración
Adaptación de
Señal
Medida
Final
Sistema Sensorial: Conceptos
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Características en un sistema de medida
–  Exactitud (Accuracy)
•  Es la cualidad que caracteriza la capacidad de un sensor de dar indicaciones
que se acerquen al valor verdadero.
•  Se mide con la curva de calibración estática: señal medida en función de la
magnitud.
¿Cuál de lo dos sistemas de medida es más exacto?
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Curso de Sensores en Plataforma Arduino (Octubre 2013)
Sistema Sensorial: Conceptos
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Características en un sistema de medida
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Resultado de la medida
Temperatura medida
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–  Exactitud (Accuracy)
•  Es la cualidad que caracteriza la capacidad de un sensor de dar indicaciones
que se acerquen al valor verdadero.
•  Se mide con la curva de calibración estática: señal medida en función de la
magnitud.
¿Cuál de lo dos sistemas de medida es más exacto?
Resultado de la medida
Temperatura medida
Magnitud física
Temperatura
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Magnitud física
Temperatura
Sistema Sensorial: Conceptos
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Características en un sistema de medida
–  Fidelidad (Precision en Inglés)
•  Es la cualidad de un sensor de dar la misma medida cuando se realiza la
medida en las mismas condiciones de forma repetida.
•  Es una condición necesaria pero no suficiente para la exactitud.
¿Cuál de lo dos sistemas de medida tiene mejor fidelidad?
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Sistema Sensorial: Conceptos
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Características en un sistema de medida
–  Calibración
•  Ajustar, con la mayor exactitud posible, las indicaciones de un instrumento de
medida con los valores de la magnitud que ha de medir.
•  Un instrumento se puede calibrar cuando hay una relación entre los valores
medidos y los valores reales de la magnitud.
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Sistema Sensorial: Conceptos
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Características en un sistema de medida
–  Linealidad
•  Es el grado de coincidencia entre la curva de calibración y una recta.
•  Lo ideal es que la curva de calibración sea una recta de pendiente constante
–  Más fácil la conversión
Resultado de la medida
Tensión de salida
Resultado de la medida
Tensión de salida
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Magnitud física
Distancia
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Magnitud física
Distancia
Sistema Sensorial: Conceptos
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Características en un sistema de medida
–  Linealidad
•  Es el grado de coincidencia entre la curva de calibración y una recta.
•  Lo ideal es que la curva de calibración sea una recta de pendiente constante
–  Más fácil la conversión
Efecto de saturación
Resultado de la medida
Tensión de salida
Resultado de la medida
Tensión de salida
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Magnitud física
Distancia
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Magnitud física
Distancia
Sistema Sensorial: Conceptos
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Características en un sistema de medida
–  Resolución
•  Incremento mínimo de la entrada para que se produzca un cambio en la salida.
•  Puede ser debido al sensor o al proceso de digitalización de la medida.
–  Error
•  Discrepancia entre el valor medido y el valor verdadero.
•  Error Absoluto = Medida – Valor Real
•  Error Relativo = Error Absoluto / Valor Real.
–  Errores sistemáticos
•  Es el error que se repite al realizar diferentes medidas
•  Se puede compensar conociendo la recta de calibración
•  En el caso sistemas lineales: error de offset o ganancia
–  Errores aleatorios
•  Son los que permanecen una vez eliminados los errores sistemáticos.
•  Se pueden reducir tomando varias medidas consecutivas.
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Sistema Sensorial: Conceptos
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Características dinámicas en un sistema de medida
–  Características dinámicas
•  La existencia de sistemas con elementos con capacidad de almacenar energía
(masas, inductancias, capacidades, …) hace que la respuesta del sensor a la
variación de una señal de entrada no sea instantánea.
–  Error dinámico
•  Diferencia entre valor medido y real suponiendo error estático nulo
–  Tiempo de respuesta
•  Rapidez con que el sistema de medida
responde a la variación de la magnitud
de entrada
•  Influye en el periodo de muestreo del
sistema y puede influir en su
estabilidad.
–  Constante de tiempo τ
•  Tiempo en alcanzar el 63% de la
medida final.
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Adaptación de Señales
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Adaptación de señales analógicas: Conversión A/D
–  Digitalización: conversión A/D
•  Consiste en asignar un rango de valores numéricos con cierta resolución a un
rango de tensiones de entradas (o magnitudes medidas).
–  Error de cuantificación
•  La resolución del conversor A/D hace que haya siempre un error de medida
denominado de cuantificación.
–  Procesamiento de la medida
•  Linealización
–  Si el sensor es lineal se aplica la ecuación de una recta y = ax + b
–  Normalmente es necesaria una calibración previa para ajustar los parámetros
•  Linealización por tramos
–  Si la curva de calibración no es lineal, se puede aproximar por varias rectas
concatenadas y aplicar una ecuación u otra dependiendo del valor medido
•  Linealización por tabla de valores
–  Se guarda la curva de calibración en memoria y se utiliza para obtener la magnitud
medida.
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Adaptación de Señales
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Adaptación de señales analógicas: Conversión A/D
–  Frecuencia de Muestreo
•  Es la frecuencia con que se realizan las adquisiciones de medidas por parte del
sistema de control.
•  Si la señal de entrada cambia con una frecuencia máxima F, al menos debe
muestrearse a 2*F para poder hacer una reconversión interna de la misma
(Criterio de Nyquist)
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Curso de Sensores en Plataforma Arduino (Octubre 2013)
Adaptación de Señales
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Adaptación de señales analógicas: Conversión A/D
–  Frecuencia de Muestreo
•  Para que el sistema de control perciba la variación de una magnitud física, la
frecuencia de muestreo debe ser superior al doble de la frecuencia máxima de
variación de la señal (idealmente diez veces superior).
•  Si la frecuencia de muestro es demasiado lenta se puede perder la variación de
la señal
Variación de la magnitud real
Variación de la magnitud percibida
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Curso de Sensores en Plataforma Arduino (Octubre 2013)