Captulo 1

Fundamentos Fsicos Festo DidacticFundamentos Fsicos Festo Didactic

Captulo 1

Fundamentos Fsicos

Sensores para la Tcnica de Procesos y Manipulacin

Sensores de proximidad

1.1 Fundamentos de los sensores de proximidad inductivos y capacitivos

Sensores de proximidad inductivos

Corrientes parsitas

Oscilaciones

Los sensores de proximidad inductivos y capacitivos estn basados en el uso de osciladores, siendo su amplitud de oscilacin afectada por la aproximacin de un objeto.

Para generar una oscilacin sinusoidal, se utilizan osciladores LC (Bobina, condensador), osciladores de cuarzo y osciladores RC (Resistencia, condensador y un amplificador, es decir, osciladores de puente de Viena).

Las letras L,C y R significan:

L = Inductancia (Unidad : Henrio (H), 1H = 1 Vs/A)

C = Capacitancia (Unidad: Faradio (F), 1F = 1 As/V)

R = Resistencia ( Unidad: Ohm (() 1( = 1 V/A

La bobina de un oscilador LC se halla dentro de un ncleo medio cubierto, magnetizado unilateralmente. Este oscilador oscila generalmente a una frecuencia que se halla entre los 100 ....1000kHz aproximadamente.

El oscilador LC genera un campo alternativo de alta frecuencia electromagntica (campo HF), el cual es emitido en la zona activa del sensor de proximidad.

La amplitud de la oscilacin decrece a medida que se acerca un conductor metlico al ncleo cubierto, o cesa totalmente.

La causa de la prdida de energa es el resultado de una prdida en corrientes parsitas a medida que se acerca el objeto.

Si se desplaza una pieza metlica en un campo magntico constante, se inducen corrientes parsitas en ella. Sucede lo mismo si piezas de metal estacionarias se hallan expuestas a campos magnticos alternativos.

Un sensor de proximidad inductivo funciona con un bajo consumo de corriente, de algunos microwatios, lo cual tiene varias ventajas:

No hay efecto magnetizante significativo

El campo de HF no causa interferencia alguna

No aumenta la temperatura en el objeto a detectar

Las oscilaciones elctricas pueden explicarse claramente tomando como ejemplo las oscilaciones mecnicas.

En el caso de la oscilacin mecnica de un muelle, se produce un cambio peridico entre la energa potencial y la energa cintica ( energa potencial y energa motriz). De forma anloga, la energa de un campo elctrico y magntico cambia en el caso de una oscilacin electromagntica.

La comparacin de los valores mecnicos y elctricos, viene dada por:

Deflexin x ( Carga q

Carga m ( Inductancia L

Constante de rozamiento k ( Resistencia R

Constante del muelle D ( Inverso de la capacidad 1/C

Fig. 1.1 Comparacin entre las oscilaciones mecnicas y elctricas

Las oscilaciones electromagnticas se crean en el llamado circuito resonante LC, que consiste en una bobina y un condensador. Una vez se ha cargado el condensador, se descarga a travs de la bobina. Durante este proceso, la intensidad y la tensin cambian peridicamente.

Fig. 1.2 Circuito resonante LC

El circuito resonante LC

Ejemplo

Sin embargo, en este caso slo pueden obtenerse una oscilacin sin atenuar si el circuito resonante no tiene ninguna resistencia hmica. Por lo tanto, en la prctica es necesario utilizar un amplificador que compense la atenuacin resultante de la resistencia. En la Fig. 1.2, se utiliza un amplificador operacional para mostrar el principio del circuito.

Para obtener el valor de la frecuencia de un circuito resonante LC, se examina el tiempo variable de carga Q en el condensador. En el caso de un condensador de placas con una capacidad C y una tensin V, se aplica lo siguiente:

Q = CV

En un determinado momento t, se obtiene una carga variable q(t), que proporciona una tensin variable v(t)

La derivada de esta carga respecto al tiempo, dq/dt, determina la intensidad i(t), que fluye a travs de la bobina con inductancia L. La tensin obtenida en el condensador es:

VC(t) = q(t)/C

y la tensin en la bobina

VL = L di/dt = L d2q/dt2

La ecuacin para la oscilacin es:

VC + VL = L d2q/dt2 + q/C = 0

Si dividimos esta ecuacin por L, el resultado para una oscilacin sin atenuar es:

d2q/dt2 + q/LC = 0

El resultado de la frecuencia de resonancia del circuito sin atenuacin es:

(2 = 1/LC

Por ejemplo, si suponemos L = 100 ( H, y C = 10nF, entonces la frecuencia resonante es:

( = 1/ (100(10-6 (10 (10-9 )1/2 = 1( 106 Hz = 1 MHz

Fig. 1.3 Diagrama en bloques de un sensor de proximidad inductivo

Fig. 1.4 Amplitud de oscilacin y umbral de conmutacin de la etapa de disparo

Se conecta un demodulador al oscilador para evaluar los cambios en la amplitud de la oscilacin. Aqu es donde se crea la seal de salida para la actuacin de la etapa de disparo. En la etapa de disparo, la seal analgica es convertida en una seal digital. La etapa de disparo no genera ninguna seal de salida a no ser que la seal de entrada est por encima de un determinado umbral.

Circuito bsico de un sensor de proximidad inductivoDistancia de conmutacin y conductividad

Con la seal proporcionada por la etapa de disparo, la etapa de salida se activa. Dependiendo del estado de activacin, el umbral de la etapa de disparo tambin cambia ligeramente. Con ello se crea la histresis del sensor de proximidad. Se crea una seal de salida si, con el incremento de la atenuacin del sensor de proximidad, la seal rectificada en amplitud queda por debajo del umbral de disparo. Con la atenuacin decreciente, se requiere una mayor amplitud de oscilacin para desconectar la seal de salida. En este caso el umbral de disparo es ligeramente mayor que en el caso anterior y el sensor de proximidad muestra su histresis.

La distancia de conmutacin depende de la conductividad elctrica del metal a detectar. La tabla siguiente indica los valores en relacin a la conductividad de los diferentes metales y aleaciones. La tercera columna indica el factor de reduccin para la distancia de conmutacin del sensor de proximidad inductivo. Esta simple dependencia no se aplica en todos los casos de metales ferromagnticos y aleaciones. Con materiales ferromagnticos, se crean prdidas considerablemente mayores por las corrientes parsitas en el material atenuador que con materiales que no sean ferromagnticos.

ConductorConductividad m/(mm2Factor de reduccin

Cobre56.00.25 - 0.40

Aluminio33.00.35 - 0.50

Latn15.00.35 - 0.50

Tabla 1.1. Conductividad y factor de reduccin de diversos materiales

Fig. 1.5 Forma del campo magntico en un sensor de proximidad

El campo HW creado como resultado de la corrientes parsitas acta contra el campo generado HS. Este efecto se describe como desplazamiento de campo. El efecto superficial, tiene otro efecto, aunque menos potente, en las diferentes distancias de conmutacin de los diferentes materiales, con las frecuencias tpicas de oscilacin utilizadas. Por norma, la frecuencia del oscilador de los sensores de proximidad inductivos se halla en el rango de 300.......800 KHz.

Hasta ahora, la dependencia de la distancia de conmutacin para la atenuacin, no poda ser calculada explcitamente.

Las prdidas se crean como resultado de las diferentes corrientes parsitas en una placa metlica. Asumiendo que la profundidad de penetracin del campo es pequea y el campo de aproximacin no penetra en la capa del metal, se aplica lo siguiente:

disipacin de potencia = HO 2 ((f( rea kHO = r.m.s valor de la fuerza del campo magntico en la zona de dispersin de la superficie de la placa.

( = (O ( (r = permeabilidad magntica, (O = 1.257 ( 10 Vs/Am = Campo magntico constante, (r = permeabilidad relativa

k = Conductividad elctrica

f = Frecuencia

El valor de HO depende de la distancia entre las placas, el sensor de proximidad y de la distribucin del campo. La disipacin de potencia se incrementa con la raz cuadrada de la permeabilidad. Por otro lado, con el incremento de la conductividad, la disipacin de potencia decrece. La disipacin de potencia es decisiva en lo que se refiere a la atenuacin del oscilador. En el caso de mayores distancias, produciendo la conmutacin, pero en el caso de baja disipacin de potencia slo a cortas distancias.

Los materiales que reducen el campo magntico de una bobina de medicin, se denominan diamagnticos, es decir, su permeabilidad es inferior a 1. Sin embargo, la reduccin es muy pequea. Con materiales paramagnticos, se produce un ligero fortalecimiento en el campo magntico, es decir, la permeabilidad es superior a 1. Los materiales ferromgneticos refuerzan el campo magntico y por ello reciben un nombre diferente. Su permeabilidad es considerablemente mayor que 1 y aparte de esto, dependen mucho del tratamiento previo de los materiales.

Disipacin de potencia en el material atenuador

Diamagnetismo, paramag-netismo y ferromagnetis-mo

Efecto superficial

Profundidad de penetracin

Materiales ParamagnticosMateriales DiamagnticosMateriales ferromagnticos

ManganesoZincHierro

CromoPlomoCobalto

AluminioPlataNquel

PlatinoPlata

Tabla 1.2 Materiales paramagnticos, diamagnticos y ferromagnticos

Con un conductor lineal que transporta corriente continua, la densidad de la corriente tiene el mismo valor en todos los puntos de la seccin del conductor. Sin embargo, con corrientes alternas, la corriente es forzada hacia la superficie. En el caso de frecuencias muy elevadas la corriente est prcticamente restringida a una fina capa en la superficie del conductor, de ah su nombre de efecto superficial. El efecto superficial significa que un hilo por el que circula una corriente alterna de frecuencia elevada, tiene una mayor resistencia que si fuera corriente continua.

Si asumimos que el hilo est hecho de varios conductores de menor seccin, entonces la influencia mutua de tal conductor en el centro, es mayor que la del extremo exterior, As, la corriente alterna que fluye es forzada hacia la superficie, es decir, el rea con menor resistencia a la corriente alterna.

El grueso de la capa superficial, dentro de la cual la amplitud de la corriente ha decrecido la cantidad 1/e (= 1/2,718), se conoce como la profundidad de penetracin d. Se aplica la siguiente formula:

d = 1 .

(((r (o k f

Donde

(r = 1.257 ( 10 -6 Vs/Am = Campo magntico constante(o = permisividad relativa

K = conductividad

f = frecuencia

Puede observarse que cuanto mayor es la permeabilidad y la conductividad del material, menor es la profundidad de penetracin. Si el grosor del material del objeto a detectar por un sensor de proximidad inductivo, es menor que la profundidad de penetracin del campo, entonces una parte del campo cae fuera de la placa, resultando con ello un aumento de la distancia de conmutacin.

Profundidades de penetracin del campo a una frecuencia de f = 800khz

Cu = 0.073 mm

Al = 0.094 mm

Tabla 1.3 : Profundidad de penetracin del campo electromagntico

Latn = 0.16 mm

El elemento activo de un sensor de proximidad capacitivo es un condensador, el cual est hecho de electrodos metlicos en forma de discos, y una pantalla metlica semiabierta en forma de vaso. Si un material conductor o no conductor, se introduce dentro de la zona activa frente al sensor, la capacidad C del condensador cambia de valor. En los sensores capacitivos un circuito resonante RC es sintonizado de tal forma que el sensor en estado inactivo produzca un campo disperso frente a su superficie activa. Solamente si entra un objeto en esta zona, es posible que responda el oscilador RC. El cambio en la capacitancia produce esta respuesta.

Los cambios de capacitancia dependen de los siguientes factores:

Distancia y posicin del objeto frente al electrodo Constante dielctrica del objeto Dimensiones del objetoSi se introduce un objeto no conductor en la zona activa, la capacitancia se incrementa con la constante dielctrica (r del material y viceversa, en proporcin a la distancia desde el electrodo en forma de disco del condensador. La mayor distancia de conmutacin se alcanza o bien en la superficie del agua, o en materiales conductores de la electricidad puestos a tierra. Cuanto menor sea la constante dielctrica relativa de un material no conductor, menor ser la distancia de conmutacin.

Como con los sensores de proximidad inductivos, es posible detectar objetos mviles o estacionarios.

Sensores de proximidad capacitivos

Circuito resonante RC

MaterialConstantes dielctricas relativas

Alcohol etlico25.1

Cloruro de polivinilo2.9

Alcohol metlico33.5

Poliestireno2.3

Vidrio3.....15

Poliestireno3.0

Agua81

Aceite de transformador2.2....2.5

Hielo4

Pizarra6.....10

Aire1

Mampostera2.3

Goma dura3...4

Vaselina2.1.....2.3

Papel1.2.....2.3

Hermtico para juntas2.5

Parafina2.2

Papel parafinado5

Tabla 1.4 Constante dielctrica relativa de diversos materiales

Un circuito resonante RC no es capaz de oscilar por s mismo. Se necesita un elemento activo para hacerlo oscilar.

A menudo se utilizan circuitos que son similares al oscilador Wien-Robinson.

Fig. 1.6 Circuito resonante RC

Para R1 = R2 = R y C1 = C2 = C, la frecuencia de resonancia del oscilador RC es:

( = 1/RC

En magnetismo, debe distinguirse entre magnetismo permanente y electromagnetismo. Una simple ilustracin de las lneas de un campo magntico en el espacio, puede obtenerse por medio de limaduras de hierro. Los efectos dinmicos de los polos de dos imanes permanentes cuando se ponen uno frente a otro, pueden atraerse o repelerse.

Fig. 1.7: Ilustracin de la disposicin de las lneas del campo magntico con polos iguales y opuestos

Las lneas de campo de un imn son lneas cerradas que van de un polo a otro, todos los imanes permanentes tienen dos polos.

Los imanes permanentes estn hechos de diferentes materiales:

Imanes de ferrita dura

Imanes de aleacin metlica Imanes de materiales raros: samario-cobalto, neodimio-hierro-boro.Si una parte del magnetismo permanece en un material despus de cesar los efectos de un fuerte campo magntico, hablamos de magnetismo remanente BR. Se requiere de un campo magntico inverso con la fuerza de campo -HK, para cancelar completamente la magnetizacin.

1.2 Fundamentos de los sensores de proximidad magnticos

Electromagnetismo

Fig. 1.8: Curva de magnetizacin

H = Fuerza del campo magntico

B = Induccin magntica

Las reas circundantes de los conductores que transportan corriente siempre tienen campos magnticos. Las lneas del campo magntico alrededor de un conductor recto son siempre crculos concntricos.

La direccin de las lneas de campo alrededor de un conductor de corriente se determina por la regla de la mano derecha.

Fig. 1.9: Recorrido del flujo magntico en un conductor y en una bobina

El mtodo ms simple y usual de detectar un campo magntico es utilizar un interruptor red. Dos laminillas flexibles de material magntico se unen por medio de un campo magntico externo, estableciendo un contacto elctrico. Sin embargo, el cierre de este contacto no est excento de rebotes. La Fig. 1.10 ilustra el comportamiento de este contacto durante la conmutacin.

Fig. 1.10: Rebotes caractersticos en una conmutacin con contacto mecnico

Adems debe observarse que este interruptor tiene dos o tres zonas de conmutacin dependiendo de la direccin del eje polar magntico. Si el eje polar apunta perpendicularmente al plano de las lminas reed, siempre se obtendrn dos zonas de conmutacin ( Fig. 1.11). Esto es debido a la forma que adopta el flujo magntico. Cuando pasa el imn, la fuerza del campo que se requiere para disparar el interruptor se obtiene dos veces. Si el eje polar se halla paralelo a las lminas reed, entonces se crean tres zonas de conmutacin para distancias pequeas, una zona principal de conmutacin y dos zonas ms pequeas. Las zonas ms pequeas se producen debido a los efectos magnticos inversos de las lminas reed cuando entran en el campo magntico (Fig. 1.12)

Fig.1.11: Zonas de conmutacin de un interruptor reed en relacin con el eje polar magnticoInterruptor reed

Sensores de proximidad magneto-inductivos

Fig. 1.12: Zonas de conmutacin de un interruptor reed en relacin con el eje polar magntico

De forma similar a los sensores de proximidad inductivos para la deteccin de metales, el estado de oscilacin de un oscilador electrnico se evala como una seal binaria. La diferencia con un sensor inductivo puro reside en el hecho que la bobina del oscilador est apantallada de forma que no se emite un campo electromagntico. Sin embrago, un campo magntico externo activo produce una magnetizacin adicional del ncleo del material. Esto hace que el sensor de proximidad se active.

Hay ejecuciones en donde la bobina es pre-atenuada por medio de una pequea placa magntica. Un campo magntico externo activo induce la magnetizacin de esta pequea placa. Entonces se produce oscilacin y el sensor de proximidad acta.

Tambin con este tipo de sensores de proximidad, el nmero de zonas de conmutacin depende de la orientacin del eje polar. Una ventaja de comparacin con el interruptor reed es que se produce una sola zona de conmutacin si el eje polar del imn se desplaza paralelamente a la superficie activa.

Fig. 3.9 Caractersticas de la respuesta de un sensor de proximidad magntico-inductivo

El efecto Hall fue descubierto por E. Hall. Descubri que se crea una diferencia de tensin en los lados opuestos de una pequea y fina placa de oro, a travs de la cual circula una corriente, si un campo magntico acta perpendicularmente a ella. Subsecuentemente se descubri que este efecto tambin sucede en muchos semiconductores. Se requieren ciertas caractersticas fsicas para ello. El grosor de la placa debe ser inferior al largo y ancho, y pueden crearse tensiones de hasta 1,5V.

Sensores Hall

Efecto magnetorresistivo Fig. 1.13: Representacin esquemtica del efecto Hall

La formula para la tensin Hall es:

VH = RH I . B

t

VH = tensin Hall

RH = Constante de Hall

I = Intensidad

t = Grueso de la placa

Los elementos sensores Hall se utilizan para medicin de intensidades y campos magnticos o en combinacin con imanes mviles para ngulos y posiciones.

Los sensores magnetorresistivos funcionan bajo el principio de un cambio en la resistencia de materiales ferromagnticos bajo la influencia de campos magnticos. Los sensores de este tipo constan de finas lminas en tiras o de estructuras sinuosas. Las capas de resistencia consisten en aleaciones de hierro-niquel (Permalloy), que estn dispuestas en circuitos de puente de Wheatstone. La tensin del puente cambia bajo la influencia de un campo magntico externo. El efecto no es lineal; se produce una saturacin en un cambio de resistencia de aproximadamente 1-2%. En materiales ferromagnticos policristalinos, el cambio en la resistencia tambin depende del sentido en que incide el campo magntico.

Los sensores magnetorresistivos a menudo consisten en materiales semiconductores, tales como el indio-antimonio (InSb) o indio-antimonio/niquel-antimonio (InSb-NiSb), los cuales cambian su resistencia elctrica en presencia de un campo magntico.

La resistencia de salida de un magnetorresistor sin un campo magntico externo y a una temperatura ambiente, depende de las dimensiones y de la conductividad del material utilizado. La conductividad del semiconductor est determinada por su dopado. Por dopado se entiende la introduccin deliberada de impurezas en un semiconductor para incrementar su conductividad. En este sentido, se habla de conduccin extrnseca, puesto que los tomos de las impurezas introducidas influyen decisivamente en su conductividad.

El cambio de resistencia en el caso de pequeos campos magnticos es muy pequea, debido al hecho que la resistencia del sensor est en funcin del cuadrado del campo magntico. El incremento de sensibilidad puede alcanzarse por una polarizacin magntica en el magnetorresistor a travs de un imn permanente. El punto de trabajo del magnetorresistor se halla ahora en la zona ms inclinada de la curva caracterstica cuadrtica creando as un mayor cambio en la resistencia. Por ello, los sensores de este tipo se construyen con materiales semiconductores magnetorresistivos en conjunto con materiales imanes permanentes y materiales de hierro dulce que dirigirn el flujo.

Los sensores magnetorresistivos pueden ser excitados por medio de la aproximacin externa de imanes permanentes o - en el caso de sensores polarizados magnticamente- por medio de materiales ferromagnticos. Esta ltima ejecucin tambin se conoce como ferro-sensor. Con la aproximacin de un material ferromagntico, cambia el campo magntico del imn permanente que contiene el sensor. El cambio del campo es detectado por el magnetorresistor y convertido en una seal de salida. Este sensor slo responde a materiales ferromagnticos.

Se utiliza como medio sensor un material ferromagntico en forma de hilo con una zona magntica simple. La polarizacin magntica solamente puede hacerse con uno de los dos sentidos paralelos al hilo. El ncleo magntico dbil est encerrado por una capa magntica fuerte. En presencia de un campo magntico externo se produce una inversin magntica a lo largo de todo el hilo. Se crea tensin en una bobina que est arrollada sobre el hilo. Obtenindose tensiones de 2 a 8 V de amplitud con longitudes del sensor de 15 a 30mm.

Una destacada caracterstica de los sensores Wiengan es que no se requiere alimentacin de tensin externa para hacer funcionar al sensor. Funcionan a una gama de temperaturas de entre -196( hasta+175(C.

Sensor magnetorresistivo

Ferrosensores

Efecto Wiegand

1.3 Fundamentos de los sensores ultrasnicos

Fig. 1.14: Sensor Wiegand

La frecuencia del sonido que est por encima del lmite audible humano se conoce como ultrasonido. El lmite ms bajo est aproximadamente a 20 KHz. Las particulares caractersticas de los ultrasonidos, aplicadas a los sensores de proximidad, son el resultado de la elevada frecuencia y de la correspondiente corta longitud de onda.

Fig. 1.15: Margen de la frecuencia del sonido

La propagacin del sonido es el resultado de la propagacin de largas ondas mecnicas, que se manifiestan por una variacin peridica de la densidad del medio portador, que conduce a compresiones y dilataciones. La propagacin de las ondas de sonido depende del medio transmisor, con lo que no es posible que se propague en el vaco.

Para objetos slidos, la velocidad de propagacin de las ondas sonoras es igual a:

E = Mdulo de elasticidad

( = Densidad

El mdulo de elasticidad de un material viene determinado por la ley de Hooke.

Aqu, F es la fuerza que dilata o contrae un cuerpo de longitud l en la longitud (l, y A es el rea de la seccin del cuerpo.

La velocidad del sonido en los fluidos vale:

k = Mdulo de compresin

( = Densidad

Para la velocidad del sonido en los gases, se aplica lo siguiente:

k = Exponente adiabtico

( = Densidad

p = Presin

T = temperatura

R = Constante del gas

El exponente adiabtico k describe el cociente del calor especfico a presin constante Cp, y el calor especfico a volumen constante Cv.

Esta ecuacin demuestra que la velocidad de propagacin de las ondas de sonido en un gas, dependen mayormente de la temperatura y no de la presin del gas.

La frmula siguiente se aplica para la velocidad del sonido en aire seco a una temperatura T:

O bien,

Velocidad del sonido en objetos slidos

Velocidad del sonido en los fluidos

Velocidad del sonido en los gases

Velocidad del sonido en el aire

Slidos (a 20( C)

V, m/s

Aluminio 51110

Hierro5180

Oro2000

Corcho500

Latn3500

Acero5100

Fluidos ( a 20( C)

V, m/s

Benceno1320

Cloroformo1000

Glicerina1923

Petrleo1320

Mercurio1415

Agua destilada1483

Gases ( a 0( C y 1013 hPa)

V, m/s

Argn308

Helio971

Dixido de carbono258

Monxido de carbono337

Aire332

Hidrgeno1286

Tabla 1.5 Velocidad del sonido en distintos materiales.

Dada su corta longitud de onda, las ondas ultrasnicas se comportan de forma similar a las ondas de luz. Igualmente, a las ondas ultrasnicas se les aplican tambin las leyes de la geometra ptica (ngulo de incidencia = ngulo de reflexin)

La estructura de la superficie que refleja una onda ultrasnica es de gran importancia as como la direccin en que es reflejada. Si la rugosidad de la superficie est dentro de 1/4 a 1/16 de la longitud de onda del sonido, las ondas se reflejan de forma difusa, ya que las superficies lisas tienen un ngulo mximo de aproximadamente ( 5( hacia el cono de sonido, mientras que las superficies de estructura rugosa, por ejemplo materiales a granel, tienen un ngulo mximo de aproximadamente ( 45(.

La longitud de onda ( es igual a:

( = Longitud de onda

f = Frecuencia

v = Velocidad del sonido

A una frecuencia de 200 KHz y a una velocidad de propagacin del sonido en el aire de aproximadamente 340 m/s, se obtiene el siguiente valor de longitud de onda,

Hay tres mtodos diferentes para generar ultrasonidos: mecnicos, magnticos y elctricos. En este contexto, la generacin mecnica de ultrasonidos tiene muy poca importancia.

Con la ayuda de la magnetoestriccin, es posible generar ultrasonidos de hasta aproximadamente 50 KHz. Las sustancias ferromagnticas cambian su longitud en un campo magntico. El cambio relativo en longitud est dentro del rango mximo de 4(10-5..

Fig. 1.16: Curvas de tensin magnetoestrictiva de diversos materiales en relacin con la fuerza del campo H

En la electroestriccin (efecto inverso al piezoelctrico) se conecta una tensin alterna de alta frecuencia a una placa de cristal. Esta placa produce oscilaciones mecnicas de la frecuencia correspondiente, que se vuelven particularmente fuertes con la resonancia. Pueden alcanzarse frecuencias de hasta 10.000 KHz aproximadamente.

Ejemplo

Generacin de Ultrasonido

Generacin magntica

Generacin elctrica

Fig. 1.17: El efecto piezoelctrico

a)Cuerpo sin cargar

b) Fuerza de compresin

c) Fuerza de traccin

d) Tensin CC, opuesta a la polarizacin

e) Tensin CC, paralela a la polarizacin

f) La tensin de CA provoca un alargamiento y acortamiento alternativo.

Para generar ultrasonidos, en lugar de cristales, actualmente se utilizan materiales piezoelctricos, ampliamente difundidos bajo la marca registrada Piezoxide.

Las figuras 1.18 y 1.19 muestran la dependencia de la velocidad del sonido en el aire, respecto a la temperatura y humedad relativa del aire.

Fig. 1.18: Velocidad del sonido en aire seco en funcin de la temperatura

Fig. 1.19 Porcentaje del cambio de velocidad en el sonido en funcin de la humedad relativa del aire

Cuando se elige un sensor ultrasnico, debe tenerse en cuenta la frecuencia del emisor. La atenuacin del ultrasonido en el aire depende de la frecuencia y como tal, tambin del rango del sensor ultrasnico.

En la propagacin de un sonido en el aire, la amplitud de la presin sonora p decrece exponencialmente con la distancia d:

(0 = Valor de pico de la presin de la onda sinusoidal de presin del sonido en la salida del emisor ( d= 0)

( = Valor pico de la onda de presin del sonido a una distancia d del emisor (asumiendo que el rayo ultrasnico no diverge)

( = Coeficiente de atenuacin (Unidad: m-1 )

Correspondientemente, se aplica lo siguiente con respecto a la potencia acstica:

Esta formulacin es a menudo utilizada con 2( = ( representando el coeficiente de atenuacin.

Atenuacin del ultrasonido en el aire

Ley fsica

Relacin logartmica de atenuacin

En lugar del coeficiente de atenuacin (lineal) ( (, tambin se utiliza una relacin logartmica de atenuacin (L, la cual, en la observacin de la amplitud de la presin de sonido, se define por la relacin:

o en el examen de la potencia acstica, por la relacin:

(L (L viene indicado en dB/m.

Fig. 1.20: Dependencia del coeficiente de atenuacin en la frecuencia ultrasnica

Temperatura del aire: 20(C

a) Humedad relativa del aire 10%

b) Humedad relativa del aire 40%

c) Humedad relativa del aire 80%

d) Atenuacin terica basada en la absorcin estndar:

La atenuacin lineal es proporcional al cuadrado de la

frecuencia del sonido

Fig. 1.21: Diagrama de bloques de un sensor de proximidad ultrasnico

Se genera una tensin alterna de alta frecuencia para excitar un mdulo piezo-cermico a la oscilacin. Esta tensin de CA es activa en el mdulo cermico por medio de un generador de pulsos, cuando debe emitirse el pulso de transmisin. La medicin de la distancia se calcula segn el tiempo de propagacin. Un generador de rampa se dispara en el momento de la transmisin, lo cual genera una tensin dependiente del tiempo. Inmediatamente, el mdulo piezo-cermico es conmutado para recibir. La seal ultrasnica se refleja si un objeto se halla presente en la zona activa del sensor de proximidad. El sensor de proximidad recibe la seal y el generador de rampa se detiene. En este punto se evala el nivel de tensin y se emite una seal de salida.

Fig. 1.22: Caracterstica de la emisin de sonido en un transductor ultrasnico

Sensores de proximidad ultrasnicos

1.4 Fundamentos de los sensores de proximidad pticos

No debe haber ningn objeto en el campo snico del sensor de proximidad, dentro del denominado campo cercano, ya que ello puede conducir a pulsos errneos en la salida del sensor. Para un sensor de proximidad ultrasnico con un transductor de 15 mm y una frecuencia de emisin de 200 kHz, la zona del campo cercano es de unos 130 mm.

Los sensores de proximidad pticos son dispositivos que convierten las seales generadas por la emisin de luz en seales elctricas. la respuesta de los receptores pticos vara segn los diferentes rangos de longitud de onda. la Fig. 1.23, indica los rangos espectrales de la emisin electromagntica.

Fig. 1.23 Zonas espectrales de las emisiones electromagnticas de la luz

El rango de la luz visible es tan solo una pequea parte de todo el espectro ptico, que va desde el ultravioleta (aproximadamente 380 nm) hasta el rojo (aproximadamente 780 nm). La frecuencia de la luz est en la zona de los 1015 Hz.

La luz se propaga en lnea recta. Una consecuencia de esta afirmacin es la formacin de la sombra. Una fuente de luz en forma de alfiler produce un ncleo de sombra. En el caso de amplias fuentes de luz ( o varas en forma de alfiler), los ncleos y medias sombras se sobreponen.

Los rayos de luz que irradian desde un punto, son divergentes ( la seccin del rayo aumenta a medida que crece la distancia). Los rayos enfocados a un punto son convergentes ( la seccin del rayo disminuye a medida que crece la distancia). Los rayos sin una salida comn o un punto de direccin se conocen como luz difusa

La tabla 1.6 muestra algunos valores para la velocidad de la luz con respecto a diferentes materiales.

Mediov ( Km/s)ndice de refraccin

Vaco300 0001

Aire300 0001.0003

Agua225 0001.33

Cristal muy puro (Segn el tipo)196 000 -198 0001.51

Cristal de cuarzo (Segn el tipo)185 000 - 187 0001.61

Diamante124 0002.42

Metacrilato de polimetilo (PMMA)200 0001.49

Tabla 1.6: Velocidad de la luz e ndice de refraccinEn relacin con la reflexin de la luz, se aplica el siguiente principio:

Angulo de incidencia = Angulo de reflexin

Aqu los ngulos se miden entre la vertical y el ngulo de incidencia.

Fig. 1.24: Reflexin de los rayos de luz

Reflexin

Refraccin

En la unin de dos medios transparentes, el rayo de luz no slo es reflejado, sino que parte de su energa se dispersa en diferentes direcciones en el nuevo medio, es decir, se produce una refraccin.

Aqu un medio con una baja velocidad de propagacin de la luz, se conoce como pticamente denso, y el que permite una mayor velocidad, como pticamente claro.

En la transicin desde un medio pticamente claro a uno pticamente denso, el ngulo de refraccin es ms pequeo que el ngulo de incidencia, con lo que el rayo es refractado hacia la vertical.

En la transicin desde un medio pticamente denso a uno pticamente claro, el ngulo de refraccin es mayor que el ngulo de incidencia, con lo que el rayo es refractado hacia fuera de la vertical.

Fig. 1.25: Refraccin de los rayos de luz en diferentes medios

En la transicin desde un medio pticamente denso a uno pticamente claro, el ngulo de incidencia no puede sobrepasar un cierto valor lmite, en el caso de ngulos superiores a ste, se produce una reflexin total, es decir, toda la energa del rayo se refleja hacia el medio pticamente denso.

Fig. 1.26 Reflexin total

En los sensores de proximidad electrnicos, se utilizan componentes emisores fotoelectrnicos para crear la emisin de luz y componentes receptores fotoelectrnicos para recibir la emisin de luz.

Los elementos emisores ms comnmente utilizados son diodos luminiscentes, tambin conocidos como LEDs (Light Emitting Diodes/ diodos emisores de luz). Para aplicaciones especiales, tambin se utilizan diodos lser.

Como elementos receptores, generalmente se utilizan fotodiodos o fototransistores. Adicionalmente, las fotorresistencias tienen tambin alguna importancia, por ejemplo en medidores de exposicin fotoelctricos.

Reflexin totalComponentes fotoelctricos

Diodos luminiscentes

Los diodos luminiscentes (LED) son diodos semiconductores que emiten rayos de luz cuando son atravesados por una corriente elctrica. Dependiendo de la composicin del material semiconductor, se crean rayos de luz de diferentes longitudes de onda, ver Tabla 1.7.

MaterialColorLongitudes de onda

Arseniuro de galioinfrarrojo950

Arseniuro de galio aluminioinfrarrojo880

Arseniuro de galio aluminiorojo660

Fosfuro arseniuro de galiorojo660

Fosfuro arseniuro de galiorojo635

Fosfuro arseniuro de galioamarillo590

Fosfuro de galioverde565

Nitruro de galioazul480

Tabla 1.7: Materiales tpicos y longitudes de onda de los diodos luminiscentes

En sensores, se utilizan principalmente diodos luminiscentes en la zona espectral del rojo y del infrarrojo, puesto que ello produce una buena adaptacin a la sensibilidad de los fotodiodos cuando reciben las emisiones de luz.

Los diodos luminiscentes representan un ancho del espectro relativamente pequeo de la luz emitida, que est generalmente entre 30nm hasta 140 nm (ancho mitad del espectro), ver Fig. 1.27.

Fig. 1.27: Espectro de la emisin de un LED de GaAs

Los fotodiodos son componentes semiconductores que estn basados en el principio de los cristales simples de silicio y germanio. Estn construidos de la misma forma que los diodos semiconductores normales y tienen una capa de barrera que, sin embargo, est dispuesta muy cerca de la superficie del cristal. Si el diodo se expone a la emisin de luz, entonces los fotones que penetran en el cristal ( quantum de radiacin ptica) son absorbidos y se crean pares portadores de carga elctrica. Este efecto se conoce como efecto fotoelctrico. Los pares portadores de carga se separan en la capa de barrera y se crea una corriente elctrica, es decir, la fotocorriente.

Los fotodiodos se dividen bsicamente en los siguientes tipos:

Fotodiodos PN

Fotodiodos PIN

Fotodiodos Schottky

Fotodiodos de avalancha

Los fotodiodos PN poseen dos zonas de dopaje en el material del cristal, la llamada zona P y la zona N, las cuales estn separadas por una fina capa de barrera. (El dopaje se refiere al proceso de integracin de tomos de otro material, por ejemplo, de boro o de galio en el cristal del material. Por medio del dopaje es posible influir en la conductividad de un semiconductor)

En los fotodiodos PIN, la zona P y la zona N estn separadas por una capa relativamente ancha de material semiconductor intrnsecamente conductor ( I = intrnseco). Esto crea una capa de baja capacidad de aislamiento y un rpido tiempo de conmutacin del fotodiodo PIN.

Los fotodiodos de silicio PN y PIN son los tipos de fotodiodos ms ampliamente utilizados.

Los fotodiodos Schottky, reciben su nombre del efecto Schottky y se destacan por su excelente sensibilidad en la zona ultravioleta del espectro.

Efecto Schottky: La emisin de electrones producidos por agitacin trmica se puede aumentar aplicando un campo elctrico al ctodo. el campo elctrico hace que disminuya la barrera de potencial, haciendo que escapen ms electrones del material. La emisin asistida por campo se llama efecto Schottky

los diodos de avalancha estn basados en el efecto de avalancha en la capa de barrera de los semiconductores. Funcionan a una elevada tensin inversa y son adecuados para la deteccin de salidas de luz muy pequeas con reducidos tiempos de reaccin.

En la Fig. 1.28 se muestra una curva caracterstica de la sensibilidad espectral en un fotodiodo de silicio. Una propiedad importante es el valor mximo de la sensibilidad espectral, que en el caso de los diodos de silicio se halla en la zona entre 600 nm y 1000 nm, dependiendo del tipo.

Fotodiodos

Cables de fibra ptica

Fig. 1.28 sensibilidad espectral relativa R/Rmax de un fotodiodo de silicio

La sensibilidad de los fotodiodos de silicio en el espectro mximo es tpicamente de 0,5 A/W, es decir, con una recepcin de luz emitida de, por ejemplo 1mW, se genera una fotocorriente de 0,5mA.

La capacidad de respuesta R de un fotodiodo, es el cociente de la fotocorriente I, y de la potencia ptica radiante P, que choca con el fotodiodo:

Los cables de fibra ptica (cables de fibra de vidrio o de plstico) se utilizan en la tecnologa de los sensores para transportar la luz a zonas inaccesibles o particularmente expuestas, en las que no hay espacio para un emisor y/o un receptor o donde existen unas condiciones ambientales difciles.

El funcionamiento de un cable de fibra ptica est basado en la total reflexin dentro de una fibra de luz irradiada en ella.

Para conseguir una total reflexin, el ncleo altamente refractivo es envuelto por un recubrimiento de baja refraccin.

NOTAS :

Los cables de fibra ptica consisten en un nico cable o en un mazo de fibras. La fibra ptica est recubierta por una funda de material plstico protector o un tubo metlico flexible.

Fig. 1.29: Total reflexin de los rayos de luz en el ncleo de una fibra ptica

Fig. 1.30: Principio de un cable de fibra ptica

Hay tres diferentes tipos de fibra:

Indice escalonado, Multimodo

Indice escalonado, Monomodo

Indice gradual, Multimodo

Los modos se refieren a las formas particulares de propagacin del rayo de luz dentro del cable de fibra ptica, las cuales difieren segn su direccin individual de propagacin.

Fig. 1.31: Tipos de fibras pticas

Una fibra con ndice de escalonado, tiene un fino lmite de refraccin del ncleo y de la funda, los rayos de luz pueden pasar a travs de la fibra de varias maneras (Multimodo). Un pequeo pulso de entrada se amplia al pasar a travs de esta fibra, puesto que los diferentes ngulos de aceptacin producen distancias diferentes. En el caso de la fibra con ndice escalonado monomodo, solo hay una ruta para el rayo de luz. El pulso mantiene mucho su forma.

Con la fibra de ndice gradual, se alcanza una continua transicin del ndice de refraccin. La amplitud del pulso no es particularmente muy ampliada.

Los cables de fibra ptica de polmero se utilizan preferentemente en la zona roja (660 nm) y los de fibra de vidrio predominan en la zona del infrarrojo. Los cables de fibra de vidrio absorben considerablemente menos luz en esta de longitud de onda que los cables de fibra ptica de polmero. En contra, los cables de polmero son especialmente flexibles y pueden cortarse a las longitudes deseadas.

Fibra con ndice escalonado

Indice gradual

Cables de fibra ptica de polmero y de vidrio

Los siguientes materiales son adecuados para fibras:

Fig. 1.32: Transmisin ptica de las fibras de vidrio y polmero en funcin de la longitud de onda Vidrio multicomponente con contenido de dixido de silicio de aprox. 70 %

Vidrio con un contenido muy elevado de dixido de silicio, de aprox. 100%

Plsticos

Fluidos

Bsicamente, en los sensores de proximidad se utilizan dos cables. Uno transmite la luz emitida, mientras que el otro conduce la luz al receptor del sensor de proximidad. Utilizando fibras pticas, pueden realizarse sensores de barrera as como sensores de reflexin directa. Para incrementar la relativamente corta distancia de deteccin de los sensores de reflexin directa con fibras pticas, pueden utilizarse tambin con reflectores para formar sensores de retrorreflexin.

Para aplicaciones en sensores, los cables de fibra ptica pueden ser de fibra individual o en mazos de fibras. La disposicin de la fibra ptica en el cable emisor y el receptor puede hacerse de muchas maneras. La disposicin elegida depende de cada caso individual de aplicacin.

Fig. 1.33 Diseo esquemtico de las formas de las fibras pticas

1.5 Curvas caractersticas de los sensores de proximidad neumticos

Las figuras siguientes muestran las curvas caractersticas relacionadas a las especificaciones de los sensores de proximidad neumticos. Los datos indicados se refieren a los sensores por obturacin de fuga, sensores reflex y barreras de aire.

Fig. 1.34 Presin de la seal en funcin de la distancia a la tobera y de la presin de alimentacin, con un sensor tipo SD-3 por obturacin de fuga.

Fig. 1.35 Consumo de aire en funcin de la presin de alimentacin con un sensor tipo SD-3 por obturacin de fuga

Sensores reflex

Fig. 1.36 Presin de la seal en funcin de la distancia a la tobera y de la presin de alimentacin con un sensor tipo RML-5 reflex.

Fig. 1.37 Consumo de aire en funcin de la presin de alimentacin, con la salida libre, en un sensor reflex tipo RML-5

Fig. 1.38 Presin de la seal, en funcin de la presin de alimentacin y de la distancia, en una barrera de aire tipo SFL-100

Barreras de aire

Captulo 2

Sensores para distancias y desplazamientos

Potencimetro lineal

General

2.1 Descripcin del funcionamiento

La informacin relativa al desplazamiento y a la longitud debe detectarse y transmitirse en muchas aplicaciones. Esta informacin se obtiene por medio de los sistemas de medicin incremntales o absolutos.

Sistemas de medicin incrementales

La distancia entre dos puntos puede determinarse con la ayuda de un mapa y utilizando un par de elementos divisores midiendo, segn una escala, una distancia especfica con los divisores y estableciendo cuntas veces cabe este incremento en la distancia entre el punto A y el punto B. La longitud del incremento, multiplicado por el nmero de pasos, da la distancia. Este sistema de medicin solamente proporciona mltiples enteros de la unidad bsica.

Sistemas de medicin absolutos

Si en lugar de divisores se utiliza una escala, la distancia puede leerse directamente y no se requiere contaje. Esto se conoce como un sistema absoluto de medida puesto que la variable medida puede leerse directamente.

La forma ms sencilla en la deteccin analgica de una posicin, es la medida absoluta de la distancia recorrida por medio de un potencimetro. La funcin de un potencimetro lineal est basada en el principio del divisor de tensin, en donde la distancia recorrida se transmite a un potencimetro, desde el cual puede accederse al dato de posicin en forma de tensin elctrica.

Fig. 2.1: Potencimetro lineal

Un divisor de tensin consta de dos resistencias R1 y R2 conectadas en serie, en donde la tensin total VT se divide en las tensiones inferiores V1 y V2. Si no hay ninguna carga conectada al divisor de tensin, la tensin V2 se describe como un circuito abierto de tensin.

Para poder influir en la tensin V2, se utiliza una resistencia variable en lugar de dos resistencias R1 y R2. Con este potencimetro, es posible establecer la tensin V2 desde 0 hasta VT.

Fig. 2.2: Divisor de tensin sin carga

Fig. 2.3: Circuito de tensin abierto (R = R1 +R2)

Principio del divisor de tensin

2.2 Medicin de tensin

Si se absorbe corriente del divisor de tensin a travs de una carga, esto se conoce como divisor de tensin cargado. En este caso, la resistencia de carga RL es paralela a la resistencia R2 del divisor. La resistencia equivalente de este circuito paralelo es inferior a la resistencia R2, reduciendo as la tensin V2 de la carga.

Fig. 2.4: Divisor de tensin con carga

Fig. 2.5 Tensin con carga ( R = R1 + R2)

Cuando mayor es la resistencia de carga RL en comparacin con la resistencia R2 del divisor, tanto menor es la diferencia entre las curvas caractersticas de la tensin con carga de la de tensin con circuito abierto. Para conseguir esto en la prctica, se conecta un convertidor de impedancia entre el divisor de tensin y la carga. La experiencia ha demostrado que las conexiones elctricas inadecuadas con potencimetros lineales, pueden provocar errores que estn muy lejos de la linealidad especificada.

Se utiliza un convertidor de impedancia o un seguidor de tensin para poder medir la tensin del potencimetro lineal sin carga, en donde un amplificador operacional no inversor, forma el ncleo del circuito.

Fig. 2.6: Convertidor de impedancia

En el equipo suministrado, el convertidor de impedancia y el circuito de proteccin se hallan insertados en el cable del potencimetro. El circuito de proteccin est limitado a 15 V y protege al potencimetro contra una conexin de polaridad incorrecta.

Fig. 2.7: Convertidor de impedancia con circuito de proteccin

(V =Tensin de alimentacin)

Convertidor de impedancia

Potencimetro con resistencia de plstico conductor

Criterios de caractersticas de un potencimetro lineal

Linealidad

Temperatura y humedad La parte resistiva del potencimetro lineal est recubierta con una capa resistente de plstico conductor. En esta capa de resistencia hay un patn de contacto, donde puede medirse la tensin, la cual es proporcional a la tensin de alimentacin y a la posicin del patn.

Las principales ventajas de este sensor de desplazamiento potenciomtrico son la alta resolucin, reducida diferencia en la linealidad y costo razonable.

Las desventajas son el desgaste de la capa de resistencia y el patn de contacto as como la posibilidad de un contacto deficiente como resultado de la suciedad o la distorsin mecnica.

El error de linealidad f se refiere a la mxima diferencia de la curva de medicin del potencimetro en relacin con la recta ideal. Cuando se determina la linealidad, se compara la tensin de salida del potencimetro con un divisor de tensin ideal.

Fig. 2.8: Linealidad

Un criterio importante de evaluacin de caractersticas es el coeficiente de temperatura y de humedad del divisor de tensin. Esto determina la precisin y estabilidad de la conversin de los valores medidos bajo diferentes condiciones ambientales.

Las mediciones llevadas a cabo en los elementos resistivos independientes, muestran que la temperatura y humedad relativas, tienen un efecto relativamente pequeo en la precisin de los potencimetros lineales. Sin embargo, si los elementos resistivos no han sido construidos dentro de la carcaza del potencimetro con suficiente cuidado, estos efectos pueden multiplicarse varias veces por diez. Por lo tanto es importante asegurar que el sustrato de plstico siempre pueda dilatarse y contraerse homogneamente. Sin embargo, los efectos externos pueden eliminarse en gran parte por medio de una construccin cuidadosa.

El nmero mximo de actuaciones posibles es el criterio para la vida til del potencimetro. El nmero de actuaciones posible est determinado por la fiabilidad del contacto, el desgaste de la resistencia y del patn deslizante y como resultado de ello, por el cambio en los valores elctricos caractersticos.

El elemento queda inservible cuando se produce un marcado deterioro en la linealidad, p. ej. del doble del valor especificado. En el caso de potencimetros con desplazamientos largos, el patn puede quedar completamente desgastado e inoperante. Es bastante probable que esto pueda suceder antes que cualquier otro criterio de vida til, tal como la rotura del contacto. Tambin es posible que haya defectos mecnicos tales como rodamientos daados, juego axial o radial, que puedan determinar el final de la vida til de un potencimetro.

El comportamiento del contacto est muy influido por su forma geomtrica, la presin de contacto y por el material del patn.

En general, han predominado dos tipos de formas del patn: el patn (pluma de escribir) y el patn rascador.

Fig. 2.9: Ejecuciones de patines

El patn rascador tiene tres ventajas principales frente al patn tipo pluma:

Superficie de desgaste constante en caso de desgaste

Menor flotacin sobre el rea de desgaste

Lnea recta en relacin con los puntos de contacto que estn paralelos a la lnea de potencial, lo que es ms fcil de realizar.

Como resultado de estas ventajas el patn rascador es el ms utilizado en la prctica.

Como consecuencia de que el patn estndar sea un sistema de muelle sin amortizacin, es propenso a oscilaciones inherentes, lo cual empeora por las irregularidades de la pista resistente. Los movimientos rpidos conducen a problemas en los contactos. Corrientemente, la solucin ms efectiva es la amortiguacin de los patines (patentada) que utiliza elastmeros con una buena amortiguacin inherente.

Vida til

Comportamiento del contacto

Repetibilidad

Sondas de desplazamiento Al igual que con los dos tipos de patines, unas pocas aleaciones estndar han demostrado ser adecuadas para el material de los patines. Deben cumplir las siguientes condiciones:

Resistencia a la corrosin

Dureza del material

Buena ductilidad

Fcil de troquelar

Buenas caractersticas de elasticidad

El material ms utilizado para patines es el Paliney 7, que es una aleacin de paladio, platino, oro, cobre, plata y cinc.

La repetibilidad es una combinacin de la resolucin y la histresis al invertir el movimiento.

En primer lugar, hay varios factores decisivos para la resolucin, la homogeneidad de la capa resistente, seguida por el diseo geomtrico y la direccin de las lneas de contacto del patn.

La histresis viene determinada por la precisin mecnica, la rigidez del patn y el valor del rozamiento entre el patn y la capa resistente.

Tan slo la indicacin de la resolucin y la histresis combinadas, proporcionan informacin relacionada con la repetibilidad.

Como resultado del desarrollo de los sensores de desplazamiento basados en los plsticos conductores, los potencimetros lineales han ganado importancia. Estn disponibles en una amplia gama de ejecuciones.

La caracterstica especial de una sonda de desplazamiento es el muelle de precarga, que empuja el palpador hasta una posicin inicial. De esta forma, esta ejecucin es adecuada para mediciones sin unin entre el sistema de medicin de desplazamiento y el objeto a medir.

Fig. 2.10: Sonda de desplazamiento

Esta es la ejecucin ms utilizada en ingeniera, manipulacin, robtica y automatizacin. Su caracterstica distintiva es la gran robustez y elevada precisin. Se fabrica utilizando bielas a rtula sin holgura y permitiendo un elevado grado de libertad angular.

Fig. 2.11: Sensor de desplazamiento con vstago

El acoplamiento longitudinal sin vstago reduce las dimensiones de la instalacin, evita el efecto de bombeo del sistema de vstago y permite mayores longitudes de medicin. Una banda de acero sujeta magnticamente proporciona una cubierta sellante de la unidad de medida.

Fig. 2.12: Sensor de desplazamiento sin vstago

Sensores de desplazamiento con vstago

Sensores de desplazamiento sin vstago

Datos tcnicos

Aplicacin

Fig. 2.13: Sensor de desplazamiento sin vstago (vista en seccin

Los datos indicados a continuacin representan el rango de parmetros de los potencimetros lineales utilizados en aplicaciones industriales.

Valores de resistencia:1K( ......20 K(

Longitud de trabajo efectiva:5mm .....4000 mm

Linealidad:( 0.01 % ... (0.2 %

Resolucin:tp. 0.01 mm

Corriente recomendada en el patn:< 1( A

Velocidad de funcionamiento:< 20 m/s

Temperatura ambiente:- 30 (C .....100 (C

Vida til:106 .... 108 actuaciones

Tabla 2.1: Datos tcnicos de los potencimetros de plstico conductor.

Los botes procedentes de una cinta transportadora, son depositados en palets.

Fig. 2.14: Paletizacin de pequeos botes.

En el sentido popular, el sonido es un fenmeno fsico persibible con el odo. Esta es la razn por la que inicialmente la acstica se releg al sonido audible. Una vez que se han desarrollado emisores y receptores para sonido inaudible, ha sido posible extender los lmites de aplicacin de la acstica.

El sonido se divide en categoras segn la frecuencia de oscilacin generada:

Sonido audibleEl lmite inferior de la percepcin humana es de 16 Hz y el lmite superior flucta entre 10 kHz y 20 kHz.

UltrasonidoEl rango de frecuencias por encima de 20 kHz se conoce como ultrasonido.

Infrasonido

Las oscilaciones de frecuencia inferior a 16 Hz se conocen como infrasonidos. Este tipo de ondas sonoras se producen, por ejemplo durante los terremotos y durante perodos que van desde 10 a 50 segundos.

HipersonidoLas mayores frecuencias creadas hasta ahora estn entre 1010 Hz y 1013 Hz y se conocen como hipersonido. Los osciladores elsticos de estado slido dejan de vibrar a estas frecuencias.

La propagacin del sonido es el resultado de la propagacin de largas ondas mecnicas, que se manifiestan por una variacin peridica de la densidad del medio portador, que se conduce a compresiones y dilataciones. la propagacin de las ondas de sonido depende del medio transmisor, con lo que no es posible que se propague en el vaco. la velocidad de propagacin del sonido vara segn los diferentes medios.

La velocidad de propagacin en materiales slidos puede calcularse segn la frmula

E es el mdulo de elasticidad

( es la densidad del material

y en lquidos, segn la frmula

Sensores ultrasnicos

lineales

2.3 Propagacin del

sonido

k es el mdulo de compresin

( es la densidad del material

en materiales gaseosos, segn la frmula

La velocidad de propagacin c se indica generalmente en m/s

p es la presin

k es el exponente adiabtico

( es la densidad del material

R es la constante del gas

T es al temperatura

Dada su corta longitud de onda, las ondas ultrasnicas pueden concentrarse de la misma forma que las ondas de luz. la ley de la geometra ptica ngulo de incidencia = ngulo de reflexin se aplica tambin para las ondas ultrasnicas.

La textura de la superficie es de gran importancia en lo que concierne a la direccin del reflejo. Si la rugosidad de la superficie se halla entre 1/4 y 1/6 de la longitud de onda del sonido, las ondas se reflejan de forma difusa, mientras que las superficies lisas tienen el mximo ngulo de aproximadamente ( 5( para el cono de sonido. Las sustancias estructuradas rugosamente, p. ej. materiales a granel, pueden detectarse hasta un ngulo de aproximadamente ( 45(.

La longitud de onda es determinada por

en donde v es la velocidad del sonido,

y ( es la frecuencia.

La mayora de sensores ultrasnicos utilizan una frecuencia ultrasnica en el rango entre 30 kHz y 250 kHz. El valor siguiente se obtiene con respecto a la longitud de onda del sonido con una velocidad de propagacin de aproximadamente 340 m/s y una frecuencia de 200 kHz.

La frecuencia de sonido que est por encima del lmite audible humano (>20 kHz) se conoce como ultrasonido. Las caractersticas particulares del ultrasonido son el resultado de las altas frecuencias junto con la corta longitud de onda. Estas caractersticas se adaptan principalmente cuando se utilizan con el fin de detectar la proximidad de objetos.

Hay tres mtodos diferentes para generar ultrasonidos:

mecnicos

magnticos

elctricos

En este contexto, la generacin mecnica de ultrasonidos es de poca importancia.

En el caso de la generacin de sonido magnetostrictivo, se utiliza un fenmeno que fue descubierto por J.P.JOULE en el siglo pasado. Joule observ, que cuando una barra ferromagntica se magnetizaba, se provocaba un cambio en su longitud.

En la denominada magnetostriccin se introduce una barra magnetizable en el eje de una bobina a travs de la cual fluye una corriente alterna. La barra es remagnetizada en sintona con la frecuencia de la corriente alterna, cambiando con ello su longitud con la misma relacin. El cambio relativo se halla dentro del rango de

. La resonancia se alcanza cuando la frecuencia de la corriente alterna coincide con la frecuencia natural de la barra.

Con este mtodo, es posible generar una oscilacin ultrasnica de alta intensidad hasta 50 kHz, donde las ondas de sonido son emitidas desde la cara frontal de la barra. No es posible alcanzar una frecuencia ms all de este lmite, puesto que la bobina no puede remagnetizarse ms deprisa.

Fig. 2.15: Magnetostriccin

Emisor ultrasnico

Magnetostriccin

Efecto piezoelctrico

Al igual que con la magnetostriccin, el efecto piezoelctrico se descubri en el siglo pasado. Los hermanos CURIE observaron que en caso de cristales con ejes polares, p.ej. el cuarzo, se produce una carga elctrica en los extremos del eje por medio de presin y expansin.

Inversamente, este cristal se deforma mecnicamente en un campo elctrico, en donde la direccin coincide con el eje polar. Para aprovechar este efecto, se corta una seccin del cristal en el cual ambas superficies sean verticales segn el eje polar. Esta pieza de cristal se provee de contactos y estos se conectan a una tensin alterna. El cristal empieza a oscilar. Cuando la frecuencia de la tensin alterna y la frecuencia mecnica natural coinciden, es decir, se produce resonancia, la oscilacin ha alcanzado su mxima amplitud. Con este mtodo pueden alcanzarse frecuencias ms all de los 100 MHz.

Actualmente, para la generacin de ultrasonidos, en lugar de los cuarzos utilizados anteriormente, se utilizan frecuentemente xidos de material piezoelctrico, que se comercializan bajo el nombre de piezoxide. Estos son materiales consistentes en titanatos plumo-circonados. Adems tambin se utilizan las lminas de plstico piezoelctrico en la tecnologa de sensores; p.ej. en los micrfonos.

Fig. 2.16: Efecto piezoelctrico

La mayora de los receptores ultrasnicos estn basados en el inverso del principio de funcionamiento del emisor. Controles electrnicos incorporados, determinan el tiempo de la generacin del sonido, emisin de la seal del sensor, medicin de la seal de eco, con la tarea adicional de conmutar entre operaciones de emisin y recepcin.

El modo pulso se utiliza principalmente para detectar la presencia de un objeto y para la medicin de distancias.

Este es un mtodo tpico en donde se generan y emiten pulsos de breve duracin y breves tiempos de subida. Si dentro del rango de emisin del sensor, se halla un objeto reflectante, las ondas snicas se reflejan como seal de eco y regresan al receptor despus de un tiempo de retardo en la propagacin de la seal. Este retardo en la propagacin es proporcional a la distancia entre el sensor y el objeto. Por lo tanto, puede determinarse la distancia absoluta por medio de la medicin del tiempo.

Fig.2.17: Medicin de la distancia por determinacin del tiempo de propagacin

2.4 Receptor ultrasnico

Modo pulso

Diseo de un sensor ultrasnico de pulsos

Transductor ultrasnico

Unidad de evaluacin

Etapa de salida El sensor ultrasnico se divide en los siguientes grupos funcionales.

Transductor ultrasnico

Unidad de evaluacin

Etapa de salida

Fig. 2.18: Diagrama de bloques de un sensor pulsante ultrasnico

En el modo emisor, el transductor ultrasnico se excita por un breve pulso de tensin. Este pulso genera a su vez un breve pulso de oscilacin ultrasnica a una frecuencia determinada por la frecuencia de resonancia del transductor ultrasnico. A continuacin, el transductor ultrasnico es conmutado a modo receptor y recibe y evala las ondas ultrasnicas reflejadas ( el eco del pulso)

La unidad de evaluacin primero comprueba si la seal que llega es realmente el eco de la onda ultrasnica emitida. Si la seal es reconocida como eco, se determina el tiempo de propagacin del sonido. El tiempo de propagacin es el tiempo transcurrido entre la emisin del sonido y la recepcin del eco. El resultado de esta evaluacin se pasa a la etapa de salida.

La seal que es emitida por la etapa de salida, depende de la utilizacin que se haga del sensor ultrasnico.

Si el detector se utiliza como sensor de proximidad ultrasnico, se evala la presencia de una seal ultrasnica en el receptor. En este caso, la seal de salida simplemente indica si un objeto se halla presente o no.

Si el receptor se utiliza como sensor ultrasnico de distancia, entonces se calcula el tiempo de propagacin del sonido y se emite en la salida una seal elctrica proporcional a la distancia entre el sensor y el objeto.

Con los sensores ultrasnicos es posible detectar sustancias slidas, lquidas, granulares y en polvo.

Segn la rugosidad de la superficie del objeto, el rango de un sensor puede por un lado reducirse como resultado de la dispersin difusa de regreso de la onda, pero por otro lado el sensor no necesita alinearse con el objeto con precisin en un ngulo recto para obtener la reflexin.

El color del objeto no afecta al comportamiento del sensor.

No debe haber ningn objeto presente dentro de la denominada parte local del campo snico del sensor, ya que esto podra conducir a pulsos errneos en la salida del sensor de proximidad. Por ejemplo, un sensor de proximidad ultrasnico con un dimetro de transductor de D=15mm y una frecuencia de transmisin de 200 kHz tiene un rango de campo local de aproximadamente 130mm.

Fig. 2.19: Campo de un sensor ultrasnicoCondiciones de funcionamiento para sensores ultrasnicos

La velocidad del sonido vara ligeramente segn la temperatura (0,18%/ (C). Por lo tanto, los sensores ultrasnicos dependen de la temperatura. En el caso de aplicaciones en zonas muy calientes como fundiciones metlicas, este efecto es muy acusado y no es posible obtener una seal de eco fiable.

Fig. 2.20:Cambio de la velocidad del sonido en aire seco con respecto a la temperatura

Adems, la velocidad del sonido a travs del aire depende de la humedad. La velocidad del sonido entre el aire seco y el aire hmedo vara aproximadamente en 0,5% a 20(C

Fig. 2.21: Cambio porcentual de la velocidad del sonido en el aire con respecto a la humedad

Cuando se seleccionan sensores ultrasnicos, debe observarse la frecuencia del emisor. La fig. 2.22 ilustra las prdidas en la atenuacin en relacin a la frecuencia y a la humedad del aire.

Fig. 2.22. Atenuacin de las ondas ultrasnicas en relacin a la frecuencia y a la humedad del aire

Temperatura del aire 20(C

a) Humedad relativa del aire 10%

b) Humedad relativa del aire 40%

c) Humedad relativa del aire 80%

d) Atenuacin terica basada en la absorcin normal:

La atenuacin lineal es proporcional al cuadrado de la frecuencia del sonido.

2.5 Ejecuciones

Transductores de sonido separados

Transductor de sonido con un simple elemento transductor

Los sensores ultrasnicos se dividen bsicamente en

Ejecucin cuadrada y

Ejecucin cilndrica

Ambas ejecuciones estn disponibles con uno o dos transductores de sonido, un elemento transductor se utiliza como emisor y el otro como receptor. El resultado es una pequea zona muerta frente al sensor ((50mm).

La divergencia es:

( = Longitud de onda

D = Apertura

C = Constante

Fig. 2.23: Sensor ultrasnico en ejecucin cuadrada con dos transductores ultrasnicos

Este tipo funciona como un simple elemento transductor, que se utiliza alternativamente como emisor y receptor. Esto significa una mayor zona muerta debido al decaimiento transitorio de la oscilacin despus de la emisin de un pulso ultrasnico.

Fig. 2.24: Sensor ultrasnico en ejecucin cilndrica con un solo transductor de sonido

Los datos mostrados a continuacin son tpicos de los sensores ultrasnicos analgicos en aplicaciones industriales.

Tensin de funcionamiento:

20V.... 30V DC

Rango mx.

0.5 m .... 10 m

Dispersin,

No-linealidad:

< 0,5 % .... 5%

Resolucin:

0.1 mm .... 2 mm

Tiempo de respuesta:

20 ms .... 500 ms

Material del objeto:

Cualquiera, con la

excepcin de los materiales

que absorben el sonido.

Salida analgica:

tp....:0V .... 10 V

4 mA .... 20 mA

Temperatura ambiente:

-10 (C .... 70 (C

Susceptibilidad de ensuciarse:

moderada

Vida til:

larga

Frecuencia ultrasnica:

30 kHz .... 220 kHz

Tabla 2.2 Datos tpicos de los sensores ultrasnicos

Datos tcnicos

2.6 Aplicaciones

Deteccin de nivel de lquidos

Clasificacin de piezas segn su altura

Los sensores ultrasnicos se utilizan en una amplia gama de produccin industrial y procesos de manipulacin. Las siguientes ilustraciones muestran una pequea seleccin de las tpicas reas de aplicacin.

Fig. 2.25 Deteccin de niveles de lquidos

Fig. 2.26 Clasificacin de piezas segn su altura

Fig. 2.27: Supervisin del llenado de silos

Supervisin del nivel de llenado en silos

Control en vehculos elevadores

Supervisin de alimentacin de cintas o telas

Fig. 2.28: Control de vehculos elevadores

Fig. 2.29: Supervisin de la tensin

Fig. 2.30: Supervisin del pinzado en robots industriales.

Fig. 2.31: Clasificacin segn la altura de apilado

Supervisin de dispositivos de pinzado en robots industriales

Clasificacin segn la altura de apilado

2.7 Sensores pticos analgicos

Los diodos luminiscentes tienen una caracterstica de tensin en sentido directo que se distingue por un incremento de la corriente a partir de un determinado umbral de tensin, ver figura 2.32

Fig. 2.32: Curva caracterstica de tensin-corriente de un LED GaAs

La estabilizacin de la corriente directa se consigue con la ayuda de una resistencia en serie, segn la figura 2.33.

Fig. 2.33: Funcionamiento de un LED con una resistencia en serie.

Los diodos luminiscentes se producen en grandes cantidades utilizando pequeas cpsulas de plstico o metlicas con dos conexiones (tipos de cpsula tales como TO18, TO46 o cpsulas LED de 5mm). Para conectar la emisin de luz en un estrecho ngulo de emisin, a menudo se incorpora una lente de cristal o de plstico en la cpsula. Cuando se montan diodos luminiscentes en cajas de sensores, generalmente se conectan separadamente las lentes pticas.

Visto desde el modo de funcionamiento elctrico, debe diferenciarse entre el modo de funcionamiento polarizado y el modo de funcionamiento en cortocircuito de un fotodiodo.

En el funcionamiento polarizado por tensin, como se muestra en la figura 2.34, el fotodiodo funciona con una tensin inversa que se halla tpicamente dentro de un rango mximo de 10 V a 100 V.

Fig. 2.34: Conmutacin de un fotodiodo en funcionamiento polarizado por tensin

VB = Tensin de polarizacin,

D = Fotodiodo,

Rw = Resistencia de trabajo,

I = Corriente fotoelctrica.

Por ello, la corriente inversa I del fotodiodo es, dentro de un cierto rango, proporcional a la potencia de la emisin de luz que recibe el fotodiodo. Por medio de este circuito, es posible conseguir unos tiempos de reaccin muy rpidos utilizando diodos PIN, que pueden alcanzar valores del orden de 1(s. Una aplicacin importante es, por ejemplo, la transmisin rpida de datos por medio de cables de fibra ptica.

Si el fotodiodo se hace funcionar como indica la figura 2.35, se asume que la impedancia interna Ri de la carga conectada al fotodiodo es tan pequea que funciona prcticamente en cortocircuito.

Fig. 2.35: Conmutacin de un fotodiodo en funcionamiento en cortocircuito.

I = Corriente fotoelctrica

Ri = Impedancia interna

No se necesita tensin adicional, el fotodiodo funciona como una fuente de energa durante la exposicin a la emisin de la luz de forma exactamente igual que una clula solar.

La caracterstica de la corriente de cortocircuito I = Is- es proporcional a la potencia de la emisin de la luz por varias decenas. La linealidad es posible, dentro de los lmites debidos a los ruidos del fotodiodo y la mxima fotocorriente permisible. Este comportamiento lineal es frecuentemente utilizado en la tecnologa de medicin por sensores.

En la prctica, se utiliza un circuito con un amplificador operacional como indica la figura 2.36, en donde se utiliza el hecho de que la tensin de entrada Vi es muy pequea en relacin con la tensin de salida Vo , puesto que el factor de amplificacin del amplificador operacional es muy grande.

Fig. 2.36: Funcionamiento en cortocircuito de un fotodiodo con amplificador operacional

+VS , - VS = Tensin de alimentacin del amplificador operacional,

RW = Resistencia de trabajo.

Si GO es la ganancia en bucle abierto del amplificador operacional, entonces la resistencia efectiva RL , en la cual opera el fotodiodo es RL = RW / GO . Para la mayora de amplificadores operacionales GO ( 105. De esta forma se dispone de un funcionamiento virtual en cortocircuito ideal incluso en el caso de valores relativamente grandes de la resistencia de trabajo RW .

Dado que la fotocorriente fluye casi enteramente a travs de las resistencia de realimentacin RW debido a la pequea corriente de entrada del amplificador operacional, se aplica lo siguiente a la tensin de salida:

En el caso de un fototransistor, para el diodo colector-base se utiliza un fotodiodo. Las caractersticas restantes corresponden a un transistor normal. El mtodo de funcionamiento de un fototransistor puede ilustrarse como se muestra en la figura 2.37, combinando un solo fotodiodo y un transistor.

Fototransistores

Fig. 2.37: Esquema del circuito equivalente mostrando un fototransistor.

Durante la exposicin a la emisin de luz, se crea una fotocorriente I, que forma la corriente de base del transistor. Si el transistor tiene una amplificacin de corriente ( ( p.ej. ( = 100), entonces esto crea una corriente de colector IC = ( I y una cada de tensin VR = (( R ( I.

La sensibilidad del fototransistor es por lo tanto mayor que la del fotodiodo por el factor (. Sin embargo, los fototransistores no poseen una linealidad tan buena entre la exposicin y la emisin de luz y la fotocorriente. Para los sensores analgicos, la linealidad es un criterio importante. Por otro lado, la linealidad no es importante para sensores de conmutacin digital, por lo que a menudo se utilizan fototransistores como elementos receptores en barreras fotoelctricas y dems sensores pticos de proximidad.

En comparacin con los fotodiodos, los fototransistores tienen unos tiempos de conmutacin ms largos, que sin embargo, son adecuados para los sensores pticos de proximidad.

Las fotorresistencias son componentes pasivos, que cambian su resistencia elctrica bajo los efectos de los rayos de luz. Consisten generalmente en cristales semiconductores. Los aislantes pueden incluso cambiar su resistencia elctrica bajo la influencia de la luz, radiacin ptica, p. ej. el sulfuro de cadmio. En el caso de los semiconductores, funcionan sin una capa de barrera y por lo tanto son independientes del sentido de la corriente.

Hay fotorresistencias para varios rangos espectrales, desde la luz visible hasta la zona de los infrarrojos con una longitud de onda de 10 (m por ejemplo.

Las fotorresistencias de sulfuro de cadmio han hallado un amplio campo de aplicacin p. ej. en exposmetros de fotografa, para el control de iluminacin o como supervisores automticos de llama.

En una fotorresistencia de sulfuro de cadmio la resistencia R es inversamente proporcional a la exposicin de luz E. Con la exposicin, el sulfuro de cadmio no es conductor.

Esta dependencia puede ilustrarse, dentro de una seccin limitada, por medio de la relacin

en donde C e y son constantes,

Cuando se utilizan en sensores y dispositivos de medicin, esta dependencia no-lineal es una desventaja, por cuya razn, generalmente, los fotodiodos no se utilizan para mediciones analgicas de precisin. Por otro lado, en el caso de longitudes de onda mayores de 2(m en la zona de los infrarrojos, donde no se dispone de fotodiodos, predominan las fotorresistencias, p.ej. con materiales tales como el sulfuro de plomo, antimoniuro de indio, arseniuro de indio o telururo de mercurio-cadmio. Las fotorresistencias de este tipo pueden, en general, utilizarse solamente con refrigeracin adicional. Pueden hallarse aplicaciones, por ejemplo, en termografa (registro de imgenes calientes, basado en los diferentes grados de radiacin de calor de los diferentes objetos, p. ej. imgenes de los puntos calientes de la tierra desde un satlite).

Los sensores pticos analgicos difusos pueden utilizarse para realizar mediciones de distancias. Puesto que el sensor es sensible al comportamiento de las superficies reflectoras, tambin puede utilizarse para la deteccin de contornos y texturas.

Un sensor analgico difuso consiste de tres partes principales, el emisor, el receptor y el procesamiento electrnico de la seal. El emisor es un diodo de luz infrarroja y el receptor un fotodiodo, que es activo en la zona de infrarrojos. Utilizando un cable dual de fibra ptica, el elemento sensor puede montarse libremente en las proximidades del objeto a medir. La luz infrarroja se emite desde el emisor y se recibe reflejada por el objeto en el receptor. La distancia de deteccin se halla dentro del rango de 8 a 40 mm.

Fotorresistencias

Sensor ptico analgico difuso

Fig. 2.38: Sensor ptico analgico difuso

Las ventajas de los sensores difusos reside en aquellas aplicaciones que exigen costos de instalacin reducidos y un fcil ajuste. Adems, pueden detectarse pequeos objetos y superficies nicamente rugosas.

Puesto que la emisin de la luz se refleja menos si el objeto se halla ms lejos que cerca, no hay una correlacin lineal entre la distancia y la seal recibida, pero, inversamente, la seal recibida disminuye a medida que aumenta la distancia. No obstante, para mantener una curva caracterstica creciente dentro de un cierto margen de funcionamiento, el sensor ptico difuso tiene una electrnica incorporada para la linealizacin.

La electrnica del sensor corresponde al siguiente diagrama de bloques:

Fig. 2.39: Diagrama en bloques de un sensor ptico analgico

Para evitar las interferencias durante la recepcin de la seal, se incorpora un circuito oscilador. El rayo de luz emitido es modulado con una frecuencia de 1 kHz y el receptor se enlaza a esta frecuencia por medio de una puerta AND. Entonces la seal se amplifica y se transforma para conseguir una caracterstica lineal de deteccin. La etapa de salida suministra una intensidad de corriente dentro del rango nominal de 4 a 20 mA.

Los sensores pticos analgicos difusos se utilizan comnmente en control de calidad y en muchas otras aplicaciones en donde deben detectarse distancias entre 3 y 40 mm. Una ventaja del sensor analgico es que puede conectarse a la entrada analgica de un PLC.

Fig. 2.40: Envasado de diversos productosLa figura anterior muestra un ejemplo de aplicacin en envasado. La medicin de la distancia por medio de un sensor analgico indica que la tapa de la caja no se ha cerrado completamente, el procesamiento de la seal del sensor hace avanzar el vstago de un cilindro que expulsa la caja fuera de la cinta transportadora. Esta tarea probablemente tambin podra haberse resuelto por medio de sensores optoelectrnicos digitales, p. ej. con un sensor difuso ( de reflexin directa). En contra, el sensor ptico analgico tambin puede reconocer la regularidad de la superficie de las dos mitades de la tapa o la omisin del precinto. Si las dos mitades de la tapa no tienen la cinta adhesiva del precinto, el sensor ptico analgico detecta el espacio entre las dos mitades de la tapa, siempre que sean del mismo color y no estn impresas.

Aplicaciones

Otro ejemplo de aplicacin es la deteccin de etiquetas impresas. Una cierta cantidad de letras negras sobre un fondo en escala de grises con un determinado grado de reflexin. El sensor puede ajustarse como valor de referencia con respecto a la intensidad del rayo de luz recibido. Si hay una desviacin de este valor, significa que la etiqueta no est impresa correctamente.

Fig. 2.41 Verificacin de etiquetas impresas.

Otra aplicacin interesante de utilizacin de sensores pticos analgicos es en las instalaciones de ensamblaje. Dada su sensibilidad, pueden utilizarse para la deteccin de contornos o para verificar la correcta alineacin de piezas que se alimentan.

Fig. 2.42: Estacin de montaje

Las piezas montadas que se desplazan bajo un sensor producen un grfico caracterstico de corriente tiempo.

Fig. 2.43: Grfico caracterstico de corriente-tiempo

Esta silueta puede utilizarse como referencia por un control programable y puede compararse con las piezas a verificar. Las desviaciones de la silueta requerida se indican por aquellas partes del grfico que caen fuera de la lnea de puntos que establecen la banda de tolerancia mostrada en la figura anterior.Medicin incremental capacitiva del desplazamiento.

La corredera de medicin es un sensor incremental capacitivo para la medicin de desplazamiento lineales; la adquisicin de los datos medidos est basada en el principio de un condensador diferencial. Para alcanzar una amplia gama de deteccin, los electrodos estn hechos de placas paralelas en forma de tiras que estn dispuestas en forma de peine para formar una escala. La tiras de electrodos estn construidas en la cabeza de lectura para formar los dos electrodos de conteo. Estos electrodos de conteo se activan por medio de interruptores electrnicos. Las posteriores conmutaciones de los electrodos durante el movimiento de la cabeza de lectura se realizan cuando la tensin medida ha alcanzado un determinado valor. Dentro de este rango, existe una correlacin lineal entre la tensin medida y el desplazamiento. La seal de indexacin es pasada simultneamente a un condensador. Si se conocen las dimensiones de los electrodos, el nmero de pulsos contados proporciona una indicacin de cun a menudo se ha recorrido el rango lineal de la tensin medida. El valor del contador y el nivel actual de la tensin medida, proporciona el valor del recorrido total del desplazamiento. El valor medido se indica por medio de un display digital.

Fig. 2.44: Corredera de medicin incremental capacitiva

Captulo 3

Sensores para fuerza y presin

3.1 Definicin de fuerza

Si una fuerza acta sobre un objeto que puede moverse libremente, entonces el estado de movimiento de este objeto cambia. En la vida cotidiana pueden verse numerosos ejemplos de esto:

Lanzar una pelota con la fuerza muscular La aceleracin de un automvil debida a la potencia de su motor El frenado de un automvil debido a la potencia del sistema de frenos La elevacin de un cohete debido a su fuerza de propulsin.Fig. 3.1: El efecto de la fuerza

1. Despegue de un cohete. Por ejemplo, la fuerza en la fase inicial de un cohete Saturno V es de 32MN

(1MN = 1 Meganewton = 1 000 000 N)

2. La fuerza magntica de un imn distorsiona una lmina elstica

La fuerza se define de acuerdo con la segunda ley de Newton, como la aceleracin multiplicada por la masa de un objeto (Isaac Newton, matemtico Ingls, filsofo de la naturaleza y telogo, 1643-1727):

F = m(a

F Fuerza

m masa

a aceleracin

Si el objeto sobre el cual acta la fuerza no puede moverse, entonces se deforma o incluso a veces se rompe bajo el impacto de la fuerza:

Un muelle plano se dobla bajo la fuerza de atraccin de un imn.

Una hoja de papel se desgarra

El hierro se forja bajo la fuerza de una prensa

La experiencia de cada da nos muestra que hay muchas formas diferentes de fuerza. De hecho, en fsica se conocen tan slo cuatro tipos elementales de fuerza:

Gravitacin es el trmino utilizado para describir la atraccin mutua de toda materia. En general, experimentamos la atraccin como la fuerza de atraccin de la tierra, es decir cualquier objeto que tenga una masa puede tener un peso atribuido a ella. El hecho de que el peso no es una caracterstica inmutable de un objeto, sino que depende de la atraccin gravitacional que sobre ella ejerce, se demuestra por la gravedad cero en el espacio o por su reduccin hasta una quinta parte dentro del campo de atraccin de la luna.

La interaccin electromagntica describe la atraccin o repulsin de partculas cargadas elctricamente. Ya que, en el anlisis final, la cohesin de los objetos slidos, las propiedades de los gases y fluidos, y todas las reacciones qumicas ,biolgicas y manifestaciones de la luz y del calor, estn basadas en las propiedades electromagnticas de la capa de electrones del tomo, esta es la fuerza que afecta la mayora de los acontecimientos cotidianos.

La interaccin fuerte se refiere a la cohesin de las partculas de un ncleo. Ello es la fuente de la energa atmica, la cual, por un lado, se pone en evidencia en una planta generadora de energa atmica, y por otro se utiliza en una bomba atmica.

La interaccin dbil es responsable de las formas especiales de desintegracin radiactiva y no juega un papel importante en la vida cotidiana.

No se sabe si estas fuerzas son todas ellas naturales o si pueden ser incluso originadas por una nica fuerza. Sin embargo, en los ltimos aos ha sido posible definir la fuerza electromagntica y la fuerza dbil por medio de la teora fsica comn.

Tipos de fuerza

Gravitacin

Interaccin electromagntica

Interaccin fuerte

Interaccin dbil

Unidad de medida

Divisin prctica de las fuerzasLa unidad de medida para la fuerza es el Newton (N)

Una fuerza de 1N acelera un objeto de una masa de 1Kg a una velocidad de 1m/s cada segundo.

Una antigua unidad de medida para la fuerza, que no corresponde al sistema internacional de unidades. SI, es el kilopondio (kp). Esta se define como la fuerza debida al peso, que un objeto de una masa de 1 kg. experimenta en el campo de gravitacin de la tierra. Se aplica la siguiente correlacin:

1kp = 9.81 N

La definicin correcta dentro dl marco de las unidades SI es, por lo tanto:

Un objeto de una masa de 1kg, tiene un peso en la tierra de 9.81 N.

SI es la abreviacin del francs Systme Internatonal dUnits o en espaol Sistema Internacional de Unidades.

El factor numrico en la ecuacin mencionada arriba refleja la constante gravitacional g = 9.81 m/s2En el mundo de la tcnica, las fuerzas que se producen se dividen segn la aplicacin.

La fuerza de un muelle surge de la deformacin elstica de un objeto.

Puede ejercerse una fuerza sobre un mbolo por expansin de un gas comprimido o por medio de un fluido a presin. En un cilindro neumtico es el aire comprimido, y en un motor de combustin interna es la expansin de los gases que se crean cuando se quema la mezcla de gasolina y aire.

La fuerza que dispara el proceso de conmutacin en un rel o en un contactor esta basada en la fuerza electromagntica.

Las fuerzas de rozamiento permiten detener a un vehculo en movimiento, e igualmente mantienen un clavo sujeto a la pared.

La fuerza muscular se crea como resultado de reacciones bioqumicas, que llevan a la contraccin de las clulas musculares.

Si un objeto mantiene su rgimen de movimiento a pesar de la accin de las fuerzas, deben aplicarse fuerzas adicionales para compensar estas fuerzas iniciales. Pueden verse numerosos ejemplos de esto en la vida cotidiana:

Si se sostiene un objeto con la mano, su peso se compensa con la fuerza muscular.

Si un vehculo se mueve a una velocidad constante, la fuerza motriz y las fuerzas de rozamiento se anulan unas con otras. Las fuerzas de rozamiento se crean por las fuerzas de friccin en las transmisiones, la resistencia de la rodadura y la resistencia del aire.

Si un objeto no puede cambiar su posicin o, ms comnmente, su rgimen de movimiento, se deforma bajo el impacto de una fuerza. La deformacin puede ser microscpicamente diminuta como en el caso de una base slida comprimida bajo el impacto del peso de un objeto o ms visible como es el caso de la deformacin de un automvil en un accidente.

Aparte de la amplitud de la deformacin, es importante observar si el objeto deformado recupera su forma original cuando cesa la fuerza.

Esto es as en el caso de una deformacin elstica. Un conocido ejemplo de esto es el muelle de acero.

El cambio en longitud de un cuerpo slido es proporcional a la fuerza que acta sobre l, segn se describe en la ley de Hooke ( Robert Hooke fsico y matemtico Ingls, 1635-1703):

F = D(s

DConstante del muelle

FFuerza

sDistancia

En el caso de una deformacin plstica, el objeto no regresa a su forma original. El material del objeto muestra signos de deformacin y, en el caso de una deformacin excesiva, se agrieta. En casos extremos, el objeto se desgarra o se rompe.

Naturalmente en un mismo objeto puede producirse tanto una deformacin elstica como una deformacin plstica. A medida que la deformacin contina, se sobrepasa el margen inicial y la deformacin se convierte en plstica.

Fuerza y contrafuerza

Deformacin plstica y elstica

Deformacin elstica

Deformacin plstica

Mtodo de medicin de fuerzas

3.2 Masa La deformacin elstica de un objeto puede utilizarse para medir la fuerza. Segn la ley de Hooke, la fuerza se convierte en deformacin lineal, y esta deformacin lineal se convierte en el valor a medir.

La forma ms sencilla de un equipo de medida es el dinammetro o bscula de muelle. La extensin del muelle puede verse claramente y puede leerse en la escala que lleva incorporada. La escala est calibrada en unidades (Newton) que corresponden con la constante del muelle (D).

Fig. 3.2: Medicin de una fuerza de rozamiento utilizando un dinammetro

De la misma forma, los sensores de fuerza, que se describen ms adelante con detalle, estn basados en el mismo efecto. En contraste con el dinammetro, la traccin o compresin del muelle se reduce al rango del 1% de la longitud original del muelle y la deformacin lineal se convierte en una seal elctrica por medio de extensmetros (SG).

Es importante establecer que el dinammetro, - a pesar de que tiene una gran importancia en lo que a tecnologa de medicin se refiere,- no es realmente un sensor, sino una combinacin de un muelle y un indicador de tensin. El dinammetro simplemente indica un cambio en la longitud.

La medicin de fuerza basada en la deformacin elstica de un elemento, toma, como a menudo sucede en tecnologa, una forma completamente diferente de la que tiene su definicin fsica por medio del cambio de movimiento. Un dispositivo de medida que requiera la aceleracin del objeto a medir, no sera en realidad muy prctico.

Por medio de los sensores de fuerza, y debido a su afinidad con ella, tambin pueden medirse muchos otros valores fsicos. Se conocen como valores relacionados con la fuerza.

Antes que nada, debera mencionarse que la masa de un objeto, como la definicin de fuerza utilizando la segunda ley de Newton, est basada en una definicin ms fundamental de masa.

En la prctica, la masa de un objeto se determina por la fuerza de atraccin del campo gravitacional de la tierra, es decir, el peso:

W = m( g

WFuerza debida al peso

mMasa

gCons