NEUMÁTICA: Sensores

NEUMÁTICA: Sensores
Podemos definir a los sensores como a los elementos capaces de detectar una magnitud de
determinada índole diversa y transformarla en una señal eléctrica (digital o analógica) que puede ser
interpretada por un ordenador o un autómata. Pueden formar parte del sistema de retroalimentación de
información o de información directa para autómatas, robots, ordenadores, máquinas de producción,
alimentadores de otras máquinas, manipuladores, etc. En general son los encargados de transmitir, a la
parte de mando del dispositivo, los sucesos físicos significativos
La forma de obtener una medida puede ser de una forma:
o Directa
o A través de otra con la que tenga relación
Los sensores o transductores transforman la magnitud a medir, en otra proporcional a la primera, cuya
medida es más sencilla (directa o indirectamente habitualmente eléctrica)
Dentro de un sistema de control permiten:
o Realizar mediciones
o Detectar presencia de agentes exteriores
o Retroalimentación de la variable a medir
La clasificación de los sensores es algo ambigua dado que sus criterios de clasificación pueden ser
diferentes.
Según una clasificación sensorial, podríamos clasificarlos con:
o
Sensores:
Elemento sensible que se encarga de realizar una medición sobre la magnitud a medir,
mediante el cambio en una de sus propiedades físicas (resistencia, capacidad, longitud, etc)
o
Transductores:
Instrumento que convierte un tipo de energía en otra. Este tipo de elementos incorporan
sensores. Convierten la magnitud que se desea medir, en la magnitud física que modifica
alguna de las características del sensor
o
Captadores: A través de otra con la que tenga relación
Elemento que produce la detección de la variable a medir, pero no transforma ésta en una
señal eléctrica
Clasificación según su finalidad
Los sensores pueden dividirse en dos grandes familias: detectores de paso y detectores de proximidad.
En una clasificación más exhaustiva, podemos diferenciar:
o
o
o
o
o
Sensores de desplazamiento: capaces de detectar velocidades y aceleraciones tanto en el
efector final como en cada uno de los miembros del robot o vehículo autoguiado
Sensores de proximidad sin contacto: del tipo de las células fotoeléctricas, capaces de
detectar un elemento dentro de un entorno
Sensores de contacto: capaces de detectar, por contacto, la presencia de un objeto
Sensores de fuerza: similares a los de contacto pero con capacidad de evaluar un esfuerzo.
Son útiles cuando se han de realizar operaciones sin sobrepasar un determinado límite de
esfuerzo (mano de un robot por ejemplo). También son utilizados para evaluar el peso de
un producto
Sensores de variables físicas: como es el caso de los sensores capaces de determinar
variaciones de temperatura, humedad, transmisión de calor, etc.
o
o
o
o
Sensores de variables eléctricas: como los que son capaces de responder ante las
variaciones de tensión, intensidad o resistencia o de la intensidad de un determinado
campo magnético
Sensores de variables luminosas: como es el caso de los detectores diferenciadores de
niveles de luz, presencia de rayos ultravioleta o infrarrojos, determinación de colores, etc.
Sensores de variables acústicas: capaces de captar tanto vibraciones como sonidos. Un
tipo que merece especial atención son los sensores que trabajan dentro del rango de la voz
humana.
Sensores con visión: capaces de rastrear el entorno gráfico para buscar determinados
patrones de formas o de colores, en función de los algoritmos implementados.
En cuanto al tipo de energía principal con la que trabajan pueden clasificarse en:
o
o
o
o
o
Mecánicos.
Capacitivos.
Inductivos.
Ópticos.
Neumáticos
Aspectos generales de los transductores
o
o
o
o
o
Magnitud que miden.
Elemento sensor que responde a la magnitud a medir.
Principio del tansductor (principio en base al que se realiza la transducción)
Prestaciones especiales (elementos de estabilización, circuitos de compensación, etc)
Límites de medida (tanto para los valores superior como inferior)
Parámetros que describen a un transductor
o
o
o
o
Características de la magnitud a medir
o Rango del transductor: límites inferior y superior de los valores de la magnitud a
medir. La diferencia de estos valores es la amplitud de medición
ƒ Unidireccional / Bidireccional
ƒ Simétrico / Asimétrico
o Sobrerrango (también llamado sobrecarga) que indica el valor por encima o por
debajo del nominal que se le puede aplicar al transductor sin que el cambio en las
prestaciones que se origine se salga de unas tolerancias
Características eléctricas diseño
o Tensiones de excitación e impedancias de entrada y salida
Características mecánicas de diseño
o Tipo de aislamientos, forma de sustentación, etc.
Características de actuación
o Características estáticas
o Características dinámicas
o Características medioambientales
o Características de fiabilidad
Principios de funcionamiento de los sensores:
Cambian la magnitud a medir en un cambio en una magnitud física
o
Capacitivos: El cambio se reflejará en el valor de la capacidad. La capacidad del
condensador depende de la separación entre dieléctros y de su superficie
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Inductivos: El cambio se reflejará en el valor de la autoinducción. La autoinducción de un
devanado único depende del movimiento del núcleo ferromagnético en el interior del
devanado
Reluctivos: El cambio se reflejará en un cambio en la tensión de
una corriente alterna, que se verá modificada por el cambio en la
reluctancia del campo magnético entre dos devanados sometidos
a una corriente alterna.
Electromagnéticos: El cambio se reflejará en una fuerza electromotriz inducida en un
conductor, producida por un cambio en el flujo magnético en ausencia de excitación.
Piezoeléctricos: El cambio se reflejará en la carga electrostática o en la tensión generada
por determinados materiales cuando se les somete a esfuerzos mecánicos.
Resistivos: El cambio se reflejará en la variación de la resistencia eléctrica que presentan.
Potenciométricos: El cambio se reflejará en la variación de tensiones fruto de la variación
de la posición de unas escobillas sobre un elemento resistivo.
Fotoconductores: El cambio se reflejará en la variación de la resistencia de un
semiconductor, debido a la variación en la intensidad de luz incidente.
Fotovoltaicos: El cambio se reflejará en la variación de tensión que sufren determinadas
uniones cuando se les somete a un haz de luz incidente.
Efecto Hall: El cambio se reflejará en el cambio en el campo magnético que actúa sobre el
elemento sensible, el cual se traduce, a su vez, en la tensión eléctrica inducida por efecto
Hall.
Clasificación de los sensores atendiendo a la magnitud que miden
o
o
Sensores de deformación y fuerza
o Galgas extensiométricos
ƒ Miden la variación de la longitud por la variación de la resistencia
eléctrica que presentan. Se sabe que la resistencia de los materiales
depende de la resistencia por unidad de longitud (resistividad)
ƒ Constan de un hilo pegado sobre una superficie adhesiva, la cual se pega a
la superficie a medir
ƒ Para realizar medidas de torsiones se utilizan “rosetas biaxiales”.
o Sensores piezoeléctricos
ƒ Cuando algunas uniones son sometidas a esfuerzos, en ellas aparece una
polarización eléctrica
ƒ Uno de los elementos es el cuarzo
ƒ Sólo se pueden realizar medidas en esfuerzos a compresión.
ƒ Para realizar mediciones a tracción se comprime primero la unión y el
esfuerzo a tracción se mide como una reducción en la compresión.
o Magnetoelásticos
ƒ Algunos materiales varían las direcciones de imantación de las partículas
que los constituyen, al deformarse
Sensores de magnitudes fluidodinámicas
o Sensores de presión y vacío
ƒ Miden la presión ejercida por un fluido por la deformación que generan.
ƒ Miden la presión relativa, ya que se compara con la atmosférica (la
membrana equilibra la presión atmosférica por un lado con la ejercida por
el fluido del otro)
ƒ El desplazamiento lineal anterior en conjunción con otros dispositivos o
sensores, puede ser convertido en una señal eléctrica
ƒ
o
o
Si el elemento deformado dispone de placas metálicas en los extremos, se
pueden generar variaciones de capacidad (como si de un condensador se
tratase) o hacer que un núcleo de ferrita fijo a uno de los extremos se
desplace por el interior de un bobinado, que un determinado resorte se
desplace a lo largo de un elemento resistivo (potenciómetro), etc.
o Caudalímetros
ƒ Habitualmente se basan en el efecto Venturi
ƒ Al hacer pasar a un fluido por un estrechamiento, éste varía su velocidad a
la vez que lo hace su presión.
ƒ Si el fluido pasa por un conducto con variaciones en las secciones, se
podrán comparar las diferencias de presión, lo que permitirá determinar la
velocidad del fluido y, por lo tanto, su caudal
ƒ También se puede calcular la velocidad de un fluido por los
desplazamientos que sufre un cuerpo en suspensión dentro de él
(rotámetro)
ƒ Otro tipo de caudalímetro es el basado en una turbina. La rotación de la
misma es proporcional a la velocidad del fluido
ƒ Otro tipo de caudalímetros son los basados en un principio térmico. La
cantidad de calor que circula entre dos puntos por los que está pasando un
fluido, es proporcional a la cantidad de fluido que pasa por unidad de
tiempo. Si introducimos un calefactor y medimos la diferencia de
temperaturas entre los dos puntos, sabiendo el calor específico del fluido
podremos saber la cantidad de fluido que ha pasado.
ƒ Un sistema similar al anterior consiste en introducir un determinado
conductor caliente y comprobar el enfriamiento que sufre en un intervalo
de tiempo.
o Sensores de humedad
ƒ En el caso del higrómetro de cabello, se fundamenta en la variación que
sufre el cabello en su longitud, en función de la humedad relativa del aire.
ƒ En otro tipo de higrómetros, la deformación que sufre un material en su
tamaño al absorber la humedad, se convierte en un desplazamiento
ƒ En otro tipo de higrómetros es la resistencia del propio material lo que
varía al absorber la humedad.
ƒ Otro tipo mide la temperatura del aire húmedo y la del aire en seco. La
diferencia de temperaturas es debida al calor de evaporación absorbido
por el agua al evaporarse. La cantidad de agua que se evapora depende del
grado de humedad.
Sensores térmicos
o Termorresistencias
ƒ Los materiales varían su resistencia al variar su temperatura
o Termopares
o Otros
Sensores ópticos
o Fotodetectores
o Detectores térmicos
o Microsensores
Sensores basados en galgas extensiométricos,
roseta biaxial y cristales piezoeléctricos
En la siguiente figura se pueden apreciar sensores de presión.
En la figura adjunta podemos ver un caudalímetro denominado
Rotámetro.
Sensores detectores de paso
Empleando un emisor y un receptor, podemos conocer cuándo se ha producido una interferencia entre
ambos. En el ejemplo tenemos dos boquillas entre las que circula una corriente de aire con una presión
de 10 KPa (0’1 atm aproximadamente). Su consumo es bajo al tratarse de una presión tan baja.
Por ambas toberas está saliendo aire para mantenerlas limpias, lo que produce en el receptor, una
pequeña corriente de aire inversa debido a las turbulencias que se generan. Ésta corriente (de
aproximadamente 0’5 KPa = 0’005 atm) genera una señal de retorno.
Cuando se introduce un obstáculo, desaparece la señal de retorno. Se trata, pues, de una señal con
lógica inversa ya que el sensor permanece activado cuando no hay objetos, desactivándose en el caso
contrario.
Como es lógico, este tipo de sensores no puede funcionar
cerca de otras corrientes de aire, en zonas de gran humedad
o con una elevada carga de aceite en suspensión y siempre
con distancias entre emisor y receptor nunca superiores a
los 100 mm.
En el siguiente ejemplo podemos ver una
variante pero funcionando bajo el mismo
principio. Se trata del detector de paso de
horquilla. El aire entra por Px y sale por X,
siempre que no se interponga ningún objeto.
Cuando lo hace se corta el flujo de aire y se
genera una señal.
Sensores detectores de proximidad
Son más empleados que los de paso debido a que son menos sensibles a los cambios del entorno,
además de requerir menos
elementos en la instalación.
Tanto el emisor como el receptor
se encuentran en la misma unidad,
trabajando con presiones de 10
KPa (0’1 atm aproximadamente).
Cuando no hay ningún objeto
próximo, el aire que entra por Px
se escapa directamente al exterior,
generándose una ligera depresión
en X. Cuando se interpone un
elemento o llega hasta él, parte del
aire que se expulsa retorna por X,
debido a la sobrepresión que se
genera en la zona próxima a la salida, generándose la señal de captación.
Comparadores
También en metrología se emplea la neumática y muy concretamente en los comparadores. Estos
dispositivos funcionan de forma similar a los detectores de proximidad. La variación entre el cabezal
neumático y la pieza a medir, se transforma en variaciones de presión del aire comprimido que circula
por el comparador. Se consiguen precisiones de 0’0001 mm y su único inconveniente es el de que las
boquillas del comparador han de ser específicas para las piezas a medir, por lo que sólo se utilizan en
grandes tiradas.