UNIDAD II SENSORES instrumencacion y control.pdf

Aprenderás, las características básicas de los sensores y sus limitaciones con el objetivo que puedas identificar y seleccionar sensores.

1. SENSORES
Unidad II

2. 2.1. SENSORES Y/O TRANSMISORES DE POSICIÓN BINARIOS
Un sensor es un dispositivo que está capacitado para detectar acciones o estímulos externos y
responder en consecuencia. Estos aparatos pueden transformar las magnitudes físicas o químicas en
magnitudes eléctricas.
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
ESTRUCTURA DE UN TRANSDUCTOR

3. CLASIFICACIÓN
Según el tipo de señal de salida:
Analógicos. Dan como salida un
valor de tensión o corriente
variable en forma continua dentro
del campo de medida.
Digitales. Dan como salida una
señal en forma de una palabra
digital.
Todo-Nada. Indican cuando la
variable detectada rebasa un cierto
umbral.
Según la magnitud física a detectar:
Posición, velocidad, fuerza y par,
presión, caudal, proximidad, etc.

4. TIPOS DE SENSORES
1
2
3
4
MECANICOS
ULTRASONICOS
INDUCTIVOS
CAPACITIVOS
a)
b)
c)
ACCIONADO POR LUZ
d)
DE ACCION MECANICA O DE CONTACTO
DE ACCIÓN MAGNÉTICA Y CAPACITIVA
ACCION ULTRASONICA Y NEUMATCA
Existen en el mercado una gran variedad de
marcas y tipos de sensores, pero la mayoría
pertenece a alguna de las clasificaciones dadas a
continuación

5. 2.1.1. SENSORES DE FINAL DE
CARRERA
Principio de funcionamiento: El
movimiento mecánico en forma de
leva o empujador actúa sobre la
palanca o pistón de accionamiento
del interruptor de posición
haciendo abrir o cerrar un contacto
eléctrico del interruptor.
Esta señal eléctrica se utiliza para
posicionar, contar, parar o iniciar
una secuencia operativa al actuar
sobre los elementos de control de la
máquina

6. 2.1.2 SENSORES MECÁNICOS
Estos interruptores se usan ordinariamente para desconectar,
límites de carrera, el avance de bancadas en máquinas o
herramientas como fresadoras, así como limitar el avance de
las portas, herramientas de los tornos, en montacargas,
ascensores, robots, etc.

7. COMPONENTES DE UN SENSOR DE CARRERACOMPONENTES DE UN SENSOR DE CARRERA

8. MODO DE FUNCIONAMIENTO MODO DE FUNCIONAMIENTO

9. CUANDO USAR UN INTERRUPTOR MECANICO
Donde sea posible un contacto físico
Donde sea requerida una posición definitiva
En situaciones de operación crítica o de seguridad-crítica
Donde las condiciones ambientales no permiten el uso de sensores ópticos o inductivos
APLICACIONES Y USOS DE INTERRUPTORES MECANICOS
Fácil de integrar a maquinaria de todo tipo.
Requiere contacto (por tanto, hay uso).
Rango de voltajes: DC 0-1000  V.
Muy robustos.
GENERALMENTE USADOS COMO:
Finales de carrera.
Indicador de presencia/ausencia.
puerta cerrada/abierta.

10. DESVENTAJAS
MAS
IMPORTANTES
PRODUCE REBOTE MECANCIO AL CONMUTAR
EL CONTACTO FÍSICO PRODUCE DESGASTE Y
REQUIERE MANTENIMIENTO
SON DE RESPUESTA LENTA
VOLUMINOSOS
SON RUIDOSOS
VIDA LIMITADA
NO SE PUEDE UTILIZAR EN TODAS LAS
APLICACIONES

11. 2.1.3. SENSORES
ELÉCTRICOS
El sensor se define como un dispositivo
que convierte señales obtenidas de un
tipo de energía en señales eléctricas.
Por ejemplo, un termo par convierte
señales eléctricas de temperatura en
señales eléctricas. Todos los sensores
son transductores

12. 2.1.4. SENSORES FOTOELÉCTRICOS
(ÓPTICOS)
Un detector fotoeléctrico detecta un objeto por medio de un haz luminoso. Sus dos componentes básicos son un
emisor y un receptor de luz. La detección es efectiva cuando el objeto penetra en el haz de luz y modifica
suficientemente la cantidad de luz que llega al receptor para provocar el cambio de estado de la salida. Se siguen
dos procedimientos:
— bloqueo del haz por el objeto detectado
— retorno del haz sobre el receptor por el objeto detectado.
Los detectores fotoeléctricos disponen de un emisor de diodo electroluminiscente, de un receptor de fototransistor.
Estos componentes se utilizan por su elevado rendimiento luminoso, su temperatura, Su durabilidad prácticamente
ilimitada y su velocidad de insensibilidad a los Y a las vibraciones, su resistencia a la respuesta.
Dependiendo del modelo de detector, la emisión se realiza en infrarrojo o en `luz visible, verde o roja. La corriente
que atraviesa el LED emisor se modula para obtener una emisión luminosa, pulsante e insensibilizar los sistemas

13. Procedimientos de detección
Los detectores fotoeléctricos emplean dos procedimientos para detectar objetos:
— por bloqueo del haz
— por retorno del haz
Bloqueo del haz
En ausencia de un objeto, el haz luminoso alcanza el receptor. Un objeto bloquea el haz al penetrar en él:
no hay luz en el receptor = detección
Tres sistemas básicos emplean este procedimiento, que se basa en las propiedades absorbentes de los objetos:
—Barrera,
—Réflex,
—Réflex polarizado.

14. Retorno del haz
En ausencia de un objeto, el haz no llega al receptor. Cuando un objeto
penetra en el haz, lo envía al receptor:
luz en el receptor = detección
Dos sistemas básicos emplean este procedimiento, que se basa en las
propiedades reflectantes de los objetos:
—proximidad,
—proximidad con borrado del plano posterior
Sistema de barrera
El emisor y el receptor se sitúan en dos cajas separadas. Es el sistema que permite los mayores alcances, hasta 100
m con ciertos modelos. El haz se emite en infrarrojo o láser.
A excepción de los objetos transparentes, que no bloquean el haz luminoso, puede detectar todo tipo de objetos
(opacos, reflectantes…) gracias a la excelente precisión que proporciona la forma cilíndrica de la zona útil del haz.
Los detectores de barrera disponen de un margen de ganancia muy amplio. Por ello, son muy adecuados para los
entornos contaminados(humos, polvo, intemperie, etc.).

16. SISTEMA REFLEX
El emisor y el receptor están situados en una misma caja. En ausencia de
un objeto, un reflector devuelve al receptor el haz infrarrojo que emite el
emisor. El reflector consta de una elevada cantidad de triedros
trirrectángulos de reflexión total cuya propiedad consiste en devolver todo
rayo luminoso incidente en la misma dirección.
El alcance nominal de un detector fotoeléctrico réflex es del orden de dos
a tres veces inferior al de un sistema de barrera.

18. Los objetos brillantes, que en lugar de bloquear el haz reflejan parte de la luz hacia el receptor,
no pueden detectarse con un sistema réflex estándar.
En estos casos, es preciso utilizar un sistema réflex polarizado.
Este tipo de detector emite una luz roja visible y está equipado con dos filtros polarizadores
opuestos:
—un filtro sobre el emisor que impide el paso de los rayos emitidos en un plano vertical,
—un filtro sobre el receptor que solo permite el paso de los rayos recibidos en un plano
horizontal.
En ausencia de un objeto
El reflector devuelve el haz emitido, polarizado verticalmente,
después de haberlo despolarizado.
El filtro receptor deja pasar la luz reflejada en el plano horizontal.

20. EN PRESENCIA DE UN OBJETO
El objeto detectado devuelve el haz emitido sin ninguna modificación.
El haz reflejado, polarizado verticalmente, queda por tanto bloqueado por filtro horizontal del
receptor

21. DETECTORES ÓPTICOS DE PROXIMIDAD
Al igual que en el caso de los sistemas réflex, el emisor y el receptor están ubicados en una misma caja.
El haz luminoso se emite en infrarrojo y se proyecta hacia el receptor cuando un objeto
suficientemente reflectante penetra en la zona de detección mostrada en la figura.

22. El alcance de un sistema de proximidad es inferior al de un sistema réflex, lo que desaconseja su uso en
entornos contaminados. El alcance depende:
— del color del objeto detectado y de su poder reflectante (un objeto de color claro se detecta a mayor
distancia que un objeto oscuro)
— de las dimensiones del objeto (el alcance disminuye con el tamaño).
Los detectores de proximidad se equipan frecuentemente con un potenciómetro de reglaje de sensibilidad.
Para una distancia dada entre el objeto detectado y el emisor, la detección de un objeto menos reflectante
requiere un aumento de la sensibilidad, lo que puede provocar la detección del plano posterior en caso de
ser más reflectante que el propio objeto.
Los detectores de proximidad con borrado del plano posterior están equipados con un potenciómetro de
regulación de alcance que permite “enfocar” una zona de detección y evitar la detección del plano
posterior.

23. 2.1.5 SENSORES ULTRASINICOS
El principio de detección ultrasónica se basa en la medida del tiempo transcurrido entre la
emisión de una onda ultrasónica y la recepción de su eco.
El transductor (emisor-receptor) genera una onda ultrasónica pulsada(200 a 500 kHz según el
producto) que se desplaza en el aire ambiente a la velocidad del sonido.
En el momento en el que la onda encuentra un objeto, una onda reflejada(eco) vuelve hacia el
transductor. Un microcontrolador analiza la señal recibida y mide el intervalo de tiempo entre la
señal emitida y el eco.
Dado que las ondas ultrasónicas se mueven por el aire, no podrán ser utilizados en lugares donde
este circulen con violencia, o en medios de elevada contaminación acústica.

25. Ventajas
— Rango relativamente alto(hasta varios metros)
— Detección segura del objeto independiente del color y del material
— Detección de los objetos transparentes(ejem. Botellas de vidrio)
— Relativamente insensible a la suciedad y el polvo
— Posibilidad de desvanecimiento gradual del fondo
— Posibilidad de aplicaciones al aire libre
— Posibilidad de detección sin contacto con puntos de conmutación de precisión variable. La zona de detección
puede dividirse a voluntad. Se dispone de versiones programables
Inconvenientes
— Objetos con superficie inclinada, el sonido se desvía.
— Reaccionan con relativa lentitud. Frecuencia de conmutación máxima entre 1 y 125 Hz
— Más caros que los ópticos, prácticamente el doble
Efecto del tipo de objeto
— Los materiales que absorben el sonido, tales como telas gruesas, lana, algodón, goma, espuma, a barreras
ultrasónicas.
— Objetos reflectantes, transparentes o intensamente negros que no podrían con ópticos
— Láminas finas de material transparente de 0.1 mm se pueden detectar

26. Los sensores de proximidad inductivos permiten detectar sin contacto objetos metálicos a
una distancia de 0 a 60 mm.
2.1.6 SENSORES INDUCTIVOS Y CAPACITIVOS

27. Principio de funcionamiento
Cuando se coloca una placa
metálica en el campo magnético
del detector, las corrientes
inducidas constituyen una carga
adicional que provoca la parada
de las oscilaciones.

29. VENTAJAS
— Muy buena adaptación a los entornos industriales
— Estáticos, duración independiente del número de
maniobras
— Detectan sin contacto físico
— Exclusivamente objetos metálicos a una distancia
de 0 a 60 mm.
— Cadencias de funcionamiento elevado
— Consideración de datos de corta duración
INCONVENIENTES
Un detector de proximidad capacitivo se basa en un
oscilador cuyo condensador está formado por 2
electrodos situados en la parte delantera del aparato.
En el aire la permitividad es de 1, la capacidad del
condensador es la capacitancia. La permisibilidad es la
constante dieléctrica y depende da la naturaleza del
material. Cualquier material que su dieléctrica sea 2
será detectado.
Detección de solamente objetos metálicos.
Alcance débil.
CAPACITIVOS

30. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
El detector crea un campo eléctrico
Aplicaciones industriales Detección de objetos
aislantes y conductores. Se detecta la masa
del objeto. Puede ser sólido o líquido. El
alcance depende de la constante dieléctrica
del material.
La entrada de un objeto altera el campo,
provocando la detección.

31. Analógicos: potenciómetros, resolver, sincro, LVDT.
Digitales: encoders (absolutos e incrementales).
Potenciómetros: Se usan para la determinación de desplazamiento lineal o angulares.
Eléctricamente, se cumple la relación:
2.1.7. SENSORES DE POSICIÓN PROPORCIONALES
Este potencial puede medirse y disponer de
un sistema de calibrado, de manera que por
cada potencial se obtenga
proporcionalmente una distancia de
desplazamiento. Ventajas: facilidad de uso y
bajo precio. Desventajas: deben estar fijados
al dispositivo cuyo desplazamiento se quiere
medir, precisión limitada.

32. RESOLVERS: (captadores angulares de posición) Constan de una bobina solidaria al eje
excitada por una portadora, y dos bobinas fijas situadas a su alrededor. La bobina móvil
excitada con tensión Vsen(ωt) y girada un ángulo θ induce en las bobinas fijas las tensiones:

33. SINCROS: la bobina que hace función de primario o rotor se encuentra solidaria al eje de
giro. El secundario está formado por tres bobinas fijas colocadas alrededor del primario en
forma de estrella y desfasadas entre sí 120º (estator). Al rotor se le aplica una señal senoidal y
se genera en cada una de las bobinas fijas un voltaje inducido con un desfase entre ellos de
120º:
V13 = 31/2 V cos(ωt) senθ
V32 = 31/2 V cos(ωt) sen(θ+120)
V21 = 31/2 V cos(ωt) sen(θ+240)
Para los sistemas de control hay que pasar la señal analógica a digital, para lo cual se utilizan
convertidores resolver

34. SENSORES LINEALES DE POSICIÓN (LVDT): transformador diferencial de variación lineal,
que consta de un núcleo de material ferromagnético unido al eje, que se mueve linealmente
entre un devanado primario y dos secundarios haciendo que varíe la inductancia entre ellos.
En el caso de la figura, se puede afirmar que la energía de la corriente en la bobina primaria
es igual a la que circula en las secundarias:
Como resultado de un desplazamiento que se quiere medir, el núcleo
magnético es desplazado, de manera que una de las bobinas secundarias no
recubra totalmente el núcleo ⇒ la corriente inducida en un secundario será
mayor que la inducida en el otro. De la diferencia de las tensiones medidas en
los dos secundarios se obtiene el desplazamiento realizado por el núcleo.
Ventajas: alta resolución, poco rozamiento y alta repetitividad Inconvenientes:
solo puede aplicarse a medición de pequeños desplazamientos.

36. ENCODERS
(codificadores angulares de posición) Constan de un disco transparente con una serie de marcas
opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sí, de un sistema de iluminación y de un
elemento fotorreceptor. El eje cuya posición se quiere medir va acoplado al disco, a medida que el
eje gira se van generando pulsos en el receptor cada vez que la luz atraviese las marcas, llevando
una cuenta de estos pulsos es posible conocer la posición del eje. La resolución depende del
número de marcas que se pueden poner físicamente en el disco.

37. El funcionamiento de un encoder absoluto es similar, pero el disco se divide en un número de
sectores (potencia de 2), codificándose cada uno de ellos con un código binario (código Gray), con
zonas transparentes y opacas. La resolución es fija y viene dada por el número de anillos que posea
el disco granulado ⇒ 2 8 ℎ??????��?????? 2 19

38. Tacogenerador: proporciona una tensión proporcional a la velocidad de giro del eje. Utiliza un
interruptor llamado “reed switch”, que utiliza fuerzas magnéticas para activarse o no dependiendo
si un objeto magnético se encuentra físicamente cercano al interruptor. Se desea medir la
velocidad de giro de una rueda dentada, se dispone de uno de los dientes magnetizados de forma
que cada vez que este diente pase junto al interruptor será accionado por la fuerza magnética. Así,
por cada vuelta descrita por la rueda, el interruptor se activa y en su salida se obtiene un pulso de
corriente. Midiendo estos pulsos de corriente (número de vueltas) por unidad de tiempo ⇒
velocidad.
2.1.8. SENSORES DE VELOCIDAD Y ACELERACIÓN

40. Hay dos parámetros principales a la hora de escoger el medidor adecuado, los rangos de
funcionamiento de temperatura y frecuencia. Otros parámetros importantes pueden ser el
tamaño, si tienen más funciones, la resistencia a golpes y por supuesto el precio

41. El peso de un cuerpo es la fuerza con que es atraído por la tierra. La relación entre la masa del
cuerpo, es decir, la cantidad de materia que contiene, y su peso viene dado por la expresión
?????? = ?????? ?????? ??????
En donde
P= peso
m= masa
g= aceleración debido a la gravedad.
Como la masa del cuerpo es constante y la aceleración de la gravedad varía con el lugar y también
con la altura, se obvió que el peso del cuerpo variara según el lugar de la tierra y la altura a los que
este sobre el nivel del mar.
Esto es evidente efectuando la medida con una balanza o resorte. Sin embargo, en una balanza
clásica de cruz, la medida efectuada por comparación con masas conocidas y como están
sometidas también a la misma fuerza gravitacional, la lectura será independiente del punto donde
se realiza la medición. Así mismo como los demás tipos de básculas se ajustan usualmente con
pesos patrón, las medidas realizadas serán también independientes de las variaciones de g
respecto a la altura y al lugar de la tierra donde estén instaladas.
2.1.9. SENSORES DE FUERZA, PAR Y DEFORMACIÓN

42. Otro factor que influye en la medición es la diferencia del empuje del aire sobre el cuerpo y sobre
el patrón, su influencia están pequeña que el error cometido queda comprendido dentro del error
normal aceptado en las operaciones de pesaje.
En la industria interesa determinar el peso de las sustancias en las operaciones de inventario de las
materias primas, de productos finales, en la mezcla de ingredientes.
Existen varios métodos para medir peso:
1.— Comparación con otros pesos patrones(balanzas y básculas).
2.— Células de carga a base de galgas extensométricas.
3.— Células de carga Hidráulicas.
4.— Células de carga neumáticas

43. La comparación con otros pesos patrones la realizan las balanzas y las básculas.
La balanza clásica está constituida por una palanca de brazos iguales, llamados cruz, que se apoya
en su centro y cuyos extremos cuelgan los platillos que soportan los pesos. Puede medir desde
unos pocos gramos hasta 300 kg. La balanza de Roberval consiste, esencialmente, en un
paralelogramo articulado que puede oscilar alrededor de un punto central del lado superior del
paralelogramo, manteniéndose verticales las varillas que soportan los platillos; se caracteriza
porque su equilibrio se alcanza independientemente de la posición de los pesos en los platillos. Su
campo de medida llega hasta los 40 kg y se emplea en las operaciones de llenado o de
comprobación de pesos terminados.
Las balanzas y las básculas son sencillas y de gran exactitud, pudiendo alcanzar del ±0.002% al
±0.05%. Sin embargo, presentan los inconvenientes de su lenta velocidad de respuesta, la posible
corrosión que ataca él al juego de palancas en particular en los puntos de apoyo y que es debido a
la suciedad, al polvo, a los vapores y a la humedad presente en ambientes industriales y al desgaste
de las piezas móviles.

44. La balanza electromagnética utiliza un sensor de posición y una bobina de par montados en un
servosistema que equilibra un peso patrón y el peso desconocido. La señal eléctrica de salida del
controlador, que genera la corrección del desplazamiento provocado por el peso, crea un campo
magnético en la bobina del electroimán que equilibra la atracción del imán permanente. El sistema
permite, mediante un microprocesador, proporcionar unas rutinas estadísticas con cálculo de la
media y desviación estándar de la pesada y una compensación de temperatura. La exactitud es de 1
mg=500 gr

45. La célula de carga a base de Galgas extensiometricas consiste esencialmente en una célula que
contiene una pieza elástica conocida(E) capaz de soportar la carga sin excederse de su limite de
elasticidad. A esta pieza se encuentra cementada una galga extensiometrica, que puede estar
formada por varias espiras de hilo (.0025mm) pegado a un soporte de papel o de resina sintética, o
bien puede estar formada por bandas delgadas unidas con pegamento a la estructura sometida a
carga esta operación de pegado debe de ser muy cuidadoso y esencial , para obtener lecturas
exactas y estables de las tensiones presentes en la estructura.

46. La tensión o la compresión a que el peso somete a la célula de carga hacen variar la longitud del
hilo metálico y modifican, por lo tanto, su resistencia eléctrica.
Se usan acondicionadores de señal, que son los puentes de Wheatstone que captan pequeños
cambios en la resistencia y compensan los efectos de temperatura

47. PROCESAMIENTO DIGITAL DE IMAGEN (PDI) El procesamiento digital de imágenes es el
procesado, entendiendo este como el almacenamiento, trasmisión y representación de
información, de imágenes digitales por medio de una computadora digital. El término imagen se
refiere a una función bidimensional de intensidad de luz f(X, y) donde x e y denotan las
coordenadas espaciales y el valor de f en cualquier punto(X, y) es proporcional a la intensidad de la
imagen en ese punto. Una imagen digital puede escribirse como una matriz cuyos índices de fila y
columna identifican un punto en la imagen y cuyo valor coincide con el nivel de intensidad de luz
en ese punto. Cada elemento del array se corresponde con un elemento en la imagen y se le
denomina pixel.
2.1.11. SISTEMAS DE MEDICIÓN DE COORDENADAS
Y SISTEMAS DE VISIÓN.

48. El interés en el procesado digital de imágenes se basa esencialmente en dos aspectos: la
mejora de la información contenida en una imagen para la interpretación humana y el
tratamiento de los datos de una escena para favorecer la percepción autónoma por parte de
una máquina. Debido al amplio rango de tipos de imágenes empleadas en el PDI, no existe
un límite claro respecto donde se encuentra la línea divisoria entre el PDI y otra área a fines,
como el análisis de imágenes o la visión por computadora, entre otras. El análisis de
imágenes se refiere al proceso por el cual se extrae la información cuantitativa de la imagen
y en donde el resultado del análisis es siempre una tabla de datos, una gráfica o cualquier
representación de los datos numéricos.

49. El procesado de imagen, sin embargo, siempre produce otra imagen como resultado de la
operación, por lo que generalmente se pretende mejorar la calidad de la imagen para poder
apreciar mejor determinados detalles. La visión por computadora o visión artificial es un subcampo
de la inteligencia artificial cuyo propósito es programar una computadora para que entienda una
escena o las características de una imagen, emulando la visión humana.
Atendiendo a los tipos de procesos implicados en estas disciplinas, se suelen hacer una
clasificación de tres niveles: nivel bajo (procesado), nivel medio (análisis) y nivel alto
(interpretación).