Elementos de Mecatrónica

Elementos de
Mecatrónica
Dr. José Sebastián Gutiérrez Calderón
Profesor Investigador - Ingenierías UP
jsgutierrez@up.edu.mx
Temas generales del curso
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Conceptos básicos de la mecatrónica
Características principales de los transductores
Sensores y sistemas de medición
Actuadores y mandos
Mecanismos para la automatización
Control por computadora
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Unidad 3: Sensores y
sistemas de medición
(continuación…)
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Clasificación de los sensores
Sensores de posición, desplazamiento y proximidad
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•
Sensores resistivos
Sensores inductivos y capacitivos
Sensores ópticos
Sensores de presión
Sensores de temperatura
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Resistivos: (Resistance Temperature Detectors) RTDs
Termoeléctricos o termopares
Sensores de velocidad, aceleración
•
•
•
Teoría de acelerómetros y sismómetros
Acelerómetros inductivos
Acelerómetros piezoeléctricos
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Clasificación de los sensores
Sensores de desplazamiento
Los sensores de desplazamiento miden la magnitud en la que se
desplaza un objeto.
Funcionan electromecánicamente.
Constan de una resistencia de valor fijo sobre la cual, se desplaza un
cursor dividiendo a la resistencia eléctricamente.
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Clasificación de los sensores
Sensores de desplazamiento
Potenciómetro:
Es un elemento resistivo que tiene un contacto deslizante llamado
cursor, que puede desplazarse a lo largo del elemento. Estos
elementos se pueden usar en desplazamientos lineales o
rotacionales.
El desplazamiento se convierte en una diferencia de potencial.
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Clasificación de los sensores
Sensores de desplazamiento
Potenciómetro:
Estos potenciómetros relacionan el cambio de la posición (lineal o
rotacional) en un cambio de resistencia.
El cambio de resistencia se convierte en un cambio de voltaje
proporcional en la parte del circuito eléctrico del sensor.
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Clasificación de los sensores
Sensores de desplazamiento
Potenciómetro:
Para un potenciómetro ideal el voltaje de salida es:
Vsal= K ∙ Vr ∙ x
Vsal= K ∙ Vr ∙ q
donde x = desplazamiento traslacional, q = desplazamiento rotatorio
y K∙Vr es una función de la resistencia del devanado y de la forma
física del devanado.
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Clasificación de los sensores
Sensores de desplazamiento
Potenciómetro rotacional:
Esta formado por una pista o canal circular con devanado de alambre
o por una capa de plástico conductor; sobre la pista rota un cursor
giratorio y ésta puede ser una sola circunferencia o helicoidal.
Material resistivo
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Clasificación de los sensores
Sensores de desplazamiento
Potenciómetro rotacional:
A la hora de conectar un potenciómetro, se puede utilizar el valor de
su resistencia total o el de una de las resistencias variables ya que los
potenciómetros tienen tres terminales, dos de ellos en los extremos
de la resistencia total y otro unido al cursor.
Flecha o cursor
Resistencia
Terminal
Terminal variable
Terminal
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Clasificación de los sensores
Sensores de desplazamiento
Potenciómetro rotacional:
Los potenciómetros se conectan en paralelo al circuito y se comporta
como un divisor de voltaje.
Entrada
1
1
2
3
2
Contacto
Elemento
resistivo
3
Tierra
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Clasificación de los sensores
Sensores de desplazamiento
Potenciómetro lineal:
La medida se obtiene mediante el deslizamiento de unas escobillas
sobre una pista plástica resistiva, que en función del punto donde se
encuentre, dará un valor proporcional en resistencia.
Estos se utilizan para medir desplazamientos que van desde 1 mm
hasta 1m aproximadamente.
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Clasificación de los sensores
Sensores de desplazamiento
Potenciómetro lineal:
Ejemplos:
Pedales de guitarra.
Mezcladora de música.
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Clasificación de los sensores
Sensores de desplazamiento
Potenciómetro lineal:
Ejemplos:
Pedal para videojuegos.
Dispositivos táctiles.
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Clasificación de los sensores
Sensores de presión
Piezoeléctrico:
Son dispositivos que utilizan un efecto piezoeléctrico para medir
presión, fuerza y aceleración. Transforman las lecturas en señales
eléctricas.
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Clasificación de los sensores
Sensores de presión
Piezoeléctrico:
Cuando un material piezoeléctrico se estira o comprime genera
cargas eléctricas.
Los materiales piezoeléctricos son cristales iónicos que al estirarlos o
comprimirlos producen una distribución de carga que origina un
desplazamiento neto de carga (carga positiva en una cara material y
negativa en la otra cara).
Fuerza
+++++++
--------
Las superficies se cargan
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Clasificación de los sensores
Sensores de presión
Piezoeléctrico:
La carga neta q en una superficie es proporcional a la cantidad x de
las cargas desplazadas, y dado que el desplazamiento es proporcional
a la fuerza aplicada F.
𝑞=𝑘𝑥=𝑆𝐹
donde k es una constante y S es una constante denominada
sensibilidad de carga (depende del material y dirección del cristal).
•
•
•
El cuarzo tiene una sensibilidad de 2.2 pC/N
El titanato de bario tiene una sensibilidad de 130 pC/N
El titanato – zirconato tiene una sensibilidad de 265 pC/N
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Clasificación de los sensores
Sensores de presión
Piezoeléctrico:
En dos caras opuestas del cristal piezoeléctrico se colocan electrodos
metálicos. La capacitancia C del material que esta entre la placa se
puede calcular mediante:
Área A
𝜀0 𝜀𝑟 𝐴
𝐶=
𝑡
t
donde er es la constante dieléctrica relativa del material, A es el área
metálica y t es el espesor de ésta.
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Clasificación de los sensores
Sensores de presión
Piezoeléctrico:
Dado que la carga q = C v, donde v es la diferencia de potencia creada
en el capacitor, entonces:
Diferencia de potencial
𝑆𝑡
𝑣=
𝐹
𝜀0 𝜀𝑟 𝐴
De esta forma, la fuerza F se aplica en un área A, por lo que la presión
aplicada p es F/A y si Sv = (S/ eo er), llamado factor de sensibilidad de
voltaje:
El voltaje es
proporcional a la
𝑣
presión aplicada.
𝑣=𝑆 𝑡𝑝
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Clasificación de los sensores
Sensores de presión
Piezoeléctrico:
Ejemplos:
Pastillas para amplificar sonido.
Báscula electrónica.
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Clasificación de los sensores
Sensores de presión
Piezoeléctrico:
Ejemplos:
Contador de vehículos.
Medición de velocidad.
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Clasificación de los sensores
Sensores de presión
Táctil:
Este sensor táctil es una forma particular de sensor de presión. Es
usado en pantallas sensibles al tacto, donde se requiere detectar el
contacto físico.
El sensor táctil utiliza una capa de fluoruro de polivinilideno
piezoeléctrico PVDF (polyvinylidene flour). Para este tipo de sensor,
se utilizan dos capas de la película separadas por una capa suave, la
cual transmite las vibraciones.
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Clasificación de los sensores
Sensores de presión
Táctil:
A la capa inferior 3 de PVDF se le aplica un voltaje alterno que
produce oscilaciones mecánicas en la película. La película intermedia
2 transmite estas vibraciones a la capa 1 de PVDF de la parte superior.
Debido al efecto piezoeléctrico, estas vibraciones producen un
voltaje alterno a través de la película superior y cuando se aplica
presión a la película superior de PVDF se afectan sus vibraciones y se
modifica el voltaje alterno de salida.
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Clasificación de los sensores
Sensores de presión
Galga extensiométrica:
Es un alambre metálico, una cinta de papel metálico o una tira de
material semiconductor en forma de oblea que se adhiere a la
superficie como si fuera un timbre postal.
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Clasificación de los sensores
Sensores de presión
Galga extensiométrica:
Para sensar se basa en la variación de longitud y diámetro (y, por lo
tanto, de resistencia) que tiene lugar en el hilo del conductor o
semiconductor al ser sometido a un esfuerzo mecánico como
consecuencia de una presión (efecto piezoresistivo).
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Clasificación de los sensores
Sensores de presión
Galga extensiométrica:
Cuando se somete a un esfuerzo, la resistencia R cambia, y el cambio
de resistencia DR/R es proporcional al esfuerzo e y a la constante de
proporcionalidad G, es decir:
DR
R
=Ge
donde G, se conoce también como factor de calibración o factor de
sensibilidad (2.0 para extensómetros de alambre metálico o papel
metálico)
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Clasificación de los sensores
Sensores de presión
Galga extensiométrica:
Un problema en todos los extensómetros es que su resistencia no
sólo cambia con el esfuerzo, sino también cambia con la temperatura.
Los extensómetros de semiconductor tienen mayor sensibilidad a la
temperatura que los extensómetros mecánicos.
Por ejemplo, un extensómetro con resistencia eléctrica de 100 W y un
factor de calibración de 2.0 ¿Cuál es el cambio de resistencia cuando
se somete a un esfuerzo de 0.001(e)?
Cambio de resistencia = 2.0 x 0.001 x 100 = 0.2 W
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Los cambios que se utilizan para monitorear la temperatura son la
expansión o contracción de sólidos, líquidos o gases, el cambio en la
resistencia eléctrica de conductores y semiconductores.
La resistencia de la mayoría de los materiales aumenta, en un
intervalo limitado de temperatura, lineal con la temperatura:
Rt = R0 ( 1 + a t )
donde Rt es la resistencia a una temperatura en °C, R 0 la resistencia a
0°C y a coeficiente de temperatura de la resistencia.
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Entre los sensores más comunes empleados para medir temperatura
con instrumentación electrónica se encuentran:
•
•
•
•
RTD’s (termoresistencia)
Termistores
Sensores de circuito integrado (IC )
Termopares
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
RTD (termoresistencia):
Los sensores RTD (Resistance Temperature Detector), basados
conductor de platino y otros metales, se utilizan para
temperaturas por contacto o inmersión, y en especial para un
de temperaturas elevadas (- 200°C y aprox. 600°C), donde
pueden utilizar semiconductores u otros materiales sensibles.
Transductor RTD
en un
medir
rango
no se
Sensor RTD
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
RTD (termoresistencia):
Las características que deben tener los metales son un alto
coeficiente de resistencia y alta resistividad para que tenga mayor
sensibilidad y que haya una relación lineal entre la resistencia y la
temperatura.
El platino es el metal más óptimo, ya que, además de cumplir las
características, tiene un rango de temperatura mayor; pero, puesto
que es muy caro, se utilizan otros como el níquel o cobre.
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Termistores:
Se emplean fundamentalmente para temperaturas entre los -50°C y
los 150°C no obstante las unidades encapsuladas pueden alcanzar los
300°C. El tamaño reducido de los termistores hace que la respuesta a
los cambios de temperatura sean muy rápidas.
Este sensor resistivo de temperatura, sensible a la temperatura,
experimenta grandes cambios en la resistencia eléctrica cuando está
sujeto a pequeños cambios de temperatura.
•
•
Si la temperatura aumenta, disminuye la resistencia.
Si la temperatura disminuye, aumenta la resistencia.
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Termistores:
Este sensor semiconductor contiene pequeñas piezas de materiales
hechas con mezclas de óxidos metálicos como el cromo, cobalto,
hierro, magnesio y níquel.
El material puede tener formas como discos, cápsula y varillas.
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Termistores:
Ejemplos:
Sensor de refrigerante motor.
Alarma contra incendio.
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Termistores:
Hay dos clases de termistores los que presentan un coeficiente
negativo de temperatura (NTC), cuya resistencia disminuye con la
temperatura y coeficiente positivo con la temperatura (PTC) cuya
resistencia aumenta con la temperatura.
Los termistores NTC son los más usados para medición de
temperatura. Valores comunes de termistores son 2,252 W, 5,000 W
y 10,000 W.
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Termistores:
Ejemplos:
Temperatura del motor.
Temperatura de líquidos.
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Circuito integrado:
Los sensores de circuito integrado se fundamentan en la
característica de la unión p-n de los semiconductores. Este chip
presenta una salida lineal y proporcional a la temperatura.
Por estar hechos a base de silicio, su rango de temperatura está
limitado aproximadamente a los 150 °C.
Una de las principales ventajas estos sensores es su fácil utilización.
Entre las desventajas se tienen: el limitado rango de temperatura, la
necesidad de alimentación y el auto calentamiento.
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Circuito integrado:
Ejemplos:
Termostato (interruptor)
Cámara con detección temperatura.
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Termodiodos:
El diodo semiconductor de unión con frecuencia se utiliza como
sensor de temperatura.
Cuando cambia la temperatura de los semiconductores con
impurezas, también se modifica la movilidad de sus portadores de
carga, lo cual afecta la velocidad de difusión de electrones y huecos a
través de una unión p-n.
La medida de la diferencia de potencial en un diodo con una corriente
constante puede servir como medida de la temperatura.
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Termodiodos:
Por lo tanto si una unión p-n tiene una diferencia de potencial V, la
corriente I que circula por la unión será una función de temperatura,
la cual esta dada por:
𝑒𝑉
𝐼 = 𝐼0 𝑒 𝑘𝑇 − 1
donde T es la temperatura (˚K), e la carga de un electrón y k e I0
constantes.
En términos de voltaje se puede expresar como:
𝐾𝑇
𝐼
𝑉=
𝑙𝑛
+1
𝑒
𝐼0
Así la temperatura
es constante, y V es
proporcional a la
temperatura (˚K).
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Termodiodos:
Estos sensores también son compactos como los termistores, pero la
gran ventaja de estos sensores es que su respuesta es una función
lineal de la temperatura.
LM3911, tiene este tipo de diodos.
El voltaje de salida es
proporcional a la temperatura a razón de 10mV/˚C.
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Termotransistores:
En un termotransistor el voltaje en la unión de la base y el emisor
depende de la temperatura y sirve como medida de la misma
Estos transistores se combinan con otros componentes en un solo
encapsulado para obtener un sensor de temperatura con su
acondicionamiento de señal asociado, ej. LM35, es un sensor con un
intervalo de entre -40 ˚C a 110 ˚C y un voltaje de salida de 10mV/˚C.
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Termopares:
El funcionamiento se basa en el principio físico de la unión de dos
alambres de metales diferentes que produce una diferencia de
potencial (fuerza electromagnética por el efecto Seebeck) en los dos
extremos que no se encuentran en contacto.
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Termopares:
•
•
•
•
•
Sensores de temperatura más populares, fáciles de usar y baratos.
Excelente linealidad sobre rangos de temperaturas grandes.
La salida de voltaje del termopar es de milivolts (mV).
Los termopares son adecuados para la medición de temperatura en
un rango de entre 0°C y +1800°C.
Destacan por su tiempo de respuesta rápido y su alta resistencia a
vibraciones.
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Termopares:
Existen varios tipos de termopares; estos se identifican mediante
letras mayúsculas que indican su composición de acuerdo a las
convenciones establecidas por la ANSI (American National Standards
Institute ). El 90% de los termopares son del tipo J o del tipo K.
Por ejemplo un termopar tipo J está hecho de la unión de material A
Hierro (Fe) y material B constantán (cobre-nickel).
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Termopares:
Usos del termopar J:
• Mediciones de 0 a 700 °C.
• Industria del plástico y goma (extrusión e inyección).
• Medición en tambores rotatorios con termopares de contacto.
• Temperatura de motores (carcaza).
• Procesos en general donde el sensor está sometido a
vibración.
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Termopares:
Usos del termopar K:
• Fundición de metales hasta 1300°C (no ferrosos).
• En agujas de una jeringa para tomar temperatura en el interior
de una fruta.
• Hornos en general.
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Clasificación de los sensores
Sensores de temperatura
Termopares:
Ejemplos:
Piloto de calentador de agua
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Clasificación de los sensores
Sensores de velocidad
Tacómetro:
Sirve para medir la velocidad angular. Su funcionamiento es sencillo,
ya que convertir la energía rotacional del eje en cuestión en energía
eléctrica, proporcional a la rotacional y que puede ser fácilmente
medida. La velocidad se mide en revoluciones por minuto (RPM).
Existen medidores con contacto y sin contacto (óptico).
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Clasificación de los sensores
Sensores de velocidad
Tacómetro:
Un tipo de tacómetro es el de reluctancia variable, el cual esta
formado por una rueda dentada de material ferromagnético unida a
un eje. En un imán permanente se enrolla un devanado y conforme
gira la rueda los dientes pasan por la bobina, variando el volumen de
aire entre la bobina y el material ferromagnético.
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Clasificación de los sensores
Sensores de velocidad
Tacómetro:
Si la rueda tiene n dientes y gira a una velocidad angular w, el cambio
de flujo con el tiempo en la bobina sería:
Φ = Φ0 + Φ𝑎 cos 𝑛 𝑤 𝑡
donde Φ0 es el valor medio de flujo y Φ𝑎 la amplitud de variación de
flujo. La fem inducida, e, en las N vueltas de la bobina captadora es,
por tanto:
e = 𝐸𝑚á𝑥 𝑠𝑒𝑛 𝑤 𝑡
donde 𝐸 𝑚á𝑥= 𝑁 Φ𝑎 𝑛 𝑤, es el valor máximo de la fem inducida. El valor
máximo de la fem inducida es una medida de la velocidad angular.
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Clasificación de los sensores
Sensores magnéticos
Los sensores magnéticos son dispositivos electrónicos que
reaccionan a la presencia de un campo magnético generado por el
imán; por ejemplo en un pistón su uso permite la simplificación
considerable en la instalación neumática y permite una inmediata
posibilidad de comunicación con circuitos eléctricos o electrónicos.
Un tipo de sensor magnético muy simple son los sensores tipo Reed
Switch.
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Clasificación de los sensores
Sensores magnéticos
Ejemplos:
Pistón neumático.
Capota para coches.
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Clasificación de los sensores
Sensores efecto Hall
El efecto Hall fue descubierto por Edwin C. Hall en 1879. En sus
primeros experimentos Hall encontró que si se aplicaba un campo
magnético elevado a una fina lámina de oro por la que circula
corriente, se produce un voltaje en la lámina transversalmente a
como fluye la corriente, y a este voltaje se llamó voltaje Hall.
Para esto es necesario que la dirección del campo magnético sea
perpendicular a la dirección de flujo de la corriente.
Este efecto consiste básicamente en la producción de una caída de
voltaje a través de un conductor o semiconductor con corriente, bajo
la influencia de un campo magnético externo.
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Clasificación de los sensores
Sensores efecto Hall
El efecto Hall fue descubierto por Edwin C. Hall en 1879. En sus
primeros experimentos Hall encontró que si se aplicaba un campo
magnético elevado a una fina lámina de oro por la que circula
corriente, se produce un voltaje en la lámina transversalmente a
como fluye la corriente, y a este voltaje se llamó voltaje Hall.
Para esto es necesario que la dirección del campo magnético sea
perpendicular a la dirección de flujo de la corriente.
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Clasificación de los sensores
Sensores efecto Hall
Un sensor de efecto Hall es una delgada oblea de material
semiconductor o una película de semiconductor depositada sobre un
sustrato dieléctrico. Se utiliza para detectar movimiento, posición o
cambio en un material magnético o ferromagnético o en un campo
electromagnético, cuando existe un campo eléctrico aplicado.
Su consumo de energía es muy bajo, es estable térmicamente y de
bajo costo.
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Clasificación de los sensores
Sensores efecto Hall
Los sensores basados en efecto Hall constan de un elemento
conductor o semiconductor y un imán. Cuando un objeto
ferromagnético se aproxima al sensor, el campo que provoca el imán
en el elemento se debilita. Así se puede determinar la proximidad de
un objeto, siempre que sea ferromagnético.
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Clasificación de los sensores
Sensores efecto Hall
Estos sensores son utilizados particularmente para el automóvil, para
detectar la velocidad del vehículo y en algunos distribuidores para
determinar el momento de encendido.
Son utilizados debajo de las techas de instrumentos musicales
modernos (órganos digitales, sintetizadores) evitando así el desgaste
que sufren los contactos eléctricos tradicionales.
Son utilizados como sensores en los sistemas de alarma (aquellos que
se colocan en puertas y ventanas, para detectar su apertura). Estos
interruptores tienen la ventaja de no sufrir fricción al ser accionados,
ya que el único elemento que toma contacto es el campo magnético.
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Clasificación de los sensores
Sensores efecto Hall
Ejemplos:
Sensor de flujo.
Alarma de puertas y ventanas.
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Proyecto de
laboratorio 3
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Proyecto de laboratorio 3
Objetivo:
Realizar un prototipo que permita leer y controlar la velocidad de un
motor mediante un potenciómetro lineal.
Características del sistema:
• Desarrollar un dispositivo que permita mover mediante una interfaz
gráfica (Visual Basic) un pin montado sobre un potenciómetro lineal.
• Debemos de controlar y conocer la posición en la que se encuentra el
pin, utilizando un motor de corriente directa.
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Proyecto de laboratorio 3
Entrega del proyecto:
• Tiempo de 1 hora y 30 minutos para entregar el proyecto.
• Jueves 05/09 se realizará la tercera entrega.
• Documentación en formato de artículo IEEE a doble columna, entregar la
siguiente clase después de presentar el proyecto.
• Documentación sin haber aprobado la entrega, no se acepta.
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(ʘ‿ʘ)
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