Sensores Digitales

Codificadores de Posición: incrementales y absolutos

Codificadores de Posición.

Son aquellos que ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica. Sirven para realizar mediciones generalmente de posición lineal o angular y pueden ser incrementales o absolutos.

Codificador Incremental de Rotación.

Está formado por un disco con ranuras radiales ubicadas por lo general muy juntas en toda su circunferencia, o sino con líneas alternadas en color claro y oscuro, que giran frente a un fotosensor (o un conjunto de éstos, para más precisión), generando un pulso por cada ranura o cambio de color.

Un ejemplo típico de este tipo de codificadores se puede ver dentro de los mouses (ratones) de computadora: pequeños discos con ranuras en cada eje de movimiento. Un circuito lleva la cuenta de los pulsos, con lo que se puede conocer tanto el ángulo que se ha avanzado como la velocidad de giro (midiendo el tiempo entre pulsos). Estos codificadores son baratos pero no ofrecen una posición absoluta (como el potenciómetro), ya que el disco es igual en toda su circunferencia y no hay manera de saber dónde está ubicado (en qué ángulo absoluto) el eje. Habitualmente, se debe proveer al sistema de una manera de ubicarse en una posición cero, y de ahí en adelante contar pulsos hacia adelante o hacia atrás.

Codificadores Absolutos.

Los codificadores absolutos entregan una salida codificada que indica la posición del elemento móvil con respecto a una referencia. El elemento móvil cuenta con zonas que permiten distinguir y asignárseles valores de uno o cero.

Principio de funcionamiento de los codificadores de posición absolutos.

La principal diferencia con los codificadores incrementales es que cuenta con varias pistas con zonas diferenciadas y agrupadas, de tal forma que el sistema de lectura obtiene directamente, en cada posición del elemento móvil, el número codificado que da su posición. Cada pista representa un bit de la salida, siendo la pista más interior la correspondiente al bit de mayor resolución.

Los sensores más utilizados en este caso son los ópticos, con zonas opacas y transparentes y en menor medida, los de contacto, con zonas conductoras y aislantes. Los Codificadores de posición son relativos a la medida y control de posiciones lineales y angulares con alta resolución, por lo anterior se emplean en: robótica, grúas, válvulas hidráulicas, plotters, máquinas herramienta, posicionamiento de cabezales de lectura en discos magnéticos y de fuentes de radiación en radioterapia, radar, orientación de telescopios, etc.

Principio de funcionamiento de los codificadores de posición absolutos

Construcción del codificador absoluto

El tipo absoluto produce un código digital único para cada ángulo distinto del eje.Se corta un patrón complejo en una hoja de metal y se pone en un disco aislador, que está fijado al eje. También se coloca una fila de contactos deslizantes a lo largo del radio del disco. Mientras que el disco rota con el eje, algunos de los contactos tocan el metal, mientras que otros caen en los huecos donde se ha cortado el metal. La hoja de metal está conectada con una fuente de corriente eléctrica, y cada contacto está conectado con un sensor eléctrico separado. Se diseña el patrón de metal de tal forma que cada posición posible del eje cree un código binario único en el cual algunos de los contactos esté conectado con la fuente de corriente (es decir encendido) y otros no (apagados). Este código se puede leer por un dispositivo controlador, tal como un microprocesador, para determinar el ángulo del eje.

Sensores Autorresonantes: resonadores de cuarzo, caudalímetro de vórtice.

Sensores Autorresonantes.

Los sensores basados en un fenómeno físico resonante ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de interés que afecta a la frecuencia de oscilación.Por tanto requieren un frecuencímetro o contador para medir la frecuencia, o el periodo de la oscilación.Pueden usarse resonadores armónicos o de relajación.El problema básico de estos dispositivos es que las derivas temporales se deben a cambios estructurales en el cuarzo debido a imperfecciones en la estructura cristalina, a las tensiones mecánicas ejercidas por los soportes sobre el cuarzo; y a los cambios de la masa del cristal por absorción o desorción de contaminantes dentro del encapsulado.

Basados en resonadores de cuarzo.

• Termómetros digitales de cuarzo: Los cristales tienen una oscilación que depende de la temperatura
• Microbalanzas: Si sobre un cristal de cuarzo dispuesto en un oscilador se deposita una pequeña masa, la frecuencia de resonancia se reduce
• Caudalímetros de vórtices.La detección de la presencia de oscilaciones en el flujo de un fluido permite obtener también una señal de frecuencia variable, pues dependen de la velocidad del fluido.En el caso de líquidos lo que se hace es introducir dentro del conducto un objeto no aerodinámico: al desprenderse la capa de flujo en contacto con el objeto, aguas debajo de este se forman unos torbellinos o vórtices de Karman.Se detectan normalmente mediante ultrasonidos cuya intensidad queda mas o menos atenuada. Si este tiene el perfil adecuado, se puede lograr que la frecuencia de los torbellinos sea proporcional a la velocidad del flujo.

Caudalimetro de Vórtice

El principio del caudalimetro de vértice esta basado en la medición de la frecuencia de generación de vórtices por un obstáculo insertado en el flujo, cuya frecuencia es proporcional a la velocidad media, en un campo dado de número de Reynolds. Aunque existan muchos dispositivos de este tipo, experiencia con este metodo de medida de caudal es limitada y este método solamente se puede utilizar con precaución. Por ejemplo, cualquier vibración de la conducción es capaz de alterar la frecuencia medida y por lo tanto debe ser evitada.

La detección de la presencia de oscilaciones en el flujo de un fluido permite obtener también una señal de frecuencia variable, pues dependen de la velocidad del fluido.En el caso de líquidos lo que se hace es introducir dentro del conducto un objeto no aerodinámico: al desprenderse la capa de flujo en contacto con el objeto, aguas debajo de este se forman unos torbellinos o vórtices de Karman.Se detectan normalmente mediante ultrasonidos cuya intensidad queda mas o menos atenuada. Si este tiene el perfil adecuado, se puede lograr que la frecuencia de los torbellinos sea proporcional a la velocidad del flujo.

Sistema de acondicionamiento

Un circuito básico oscilador resonante serie, utiliza un cristal que está diseñado para oscilar en su frecuencia resonante serie natural. En éste circuito no hay capacitores en la realimentación Los circuitos resonantes serie son usados por la baja cantidad de componentes que se utilizan, pero estos circuitos pueden tener componentes parásitos que intervienen en la realimentación. y en el caso que el cristal deje de funcionar oscilarán a una frecuencia impredecible.Un circuitos oscilador paralelo utiliza un cristal que está diseñado para operar con un valor específico de capacidad de carga. Esto resultará en un cristal que tendrá una frecuencia mayor que la frecuencia resonante serie, pero menor que la verdadera frecuencia resonante paralelo.

Otros Métodos de Detección

Basado en uniones semiconductoras.

Este tipo de sensores, como dice su nombre, está basado en uniones P-N.Ya en temas anteriores se han vistos sensores basados en materiales semiconductores, como los termistores, efecto Hall, etc. Ahora se verán algunos adicionales que no entran en la clasificación anterior.La ventaja de atacar este tipo de dispositivos es el coste reducido que representan y la posibilidad de integrarlos dentro de un sistema mas complejo

Basados en ultrasonidos. Construcción y circuito de acondicionamiento

El ultrasonido se define como ondas de sonido de alta frecuencia que están por encima del rango de percepción humana. El punto más bajo es generalmente 20kHz y el superior ya está en el rango del megahertz. Los seres humanos son capaces de detectar sonidos en el rango de 20Hz a 20kHz. Los instrumentos portátiles que miden la intensidad del ultrasonido transportado en el aire o por medio de una estructura cubren frecuencias desde 20 kHz hasta 100 kHz.El método generalizado para detectar fugas es sencillo.

Alqunos instrumentos incluyen una sonda focalizadora de hule que estrecha el área de recepción. Estas sondas protegen contra ultrasonidos competitivos y ayudan a localizar la ubicación de fugas pequeñas. La gran ventaja de la detección por ultrasonido es que puede usarse en diferentes ambientes, pues es sensible al sonido y no específica para cada gas. Cuando ocurre una fuga, el fluido (líquido o gas) se mueve desde el lado de alta presión a través del agujero al lado de baja presión de la fuga, donde se expande rápidamente y produce un flujo turbulento. Esta turbulencia tiene fuertes componentes ultrasónicos que son detectados por el instrumento. La intensidad de la señal de ultrasonido cae rápidamente desde la fuente, lo cual permite localizar exactamente el sitio de la fuga.

Para sistemas fuera de servicio, una prueba especializada, denominada una prueba de tono, emplea un transmisor ultrasónico para producir una fuente de sonidos ultrasónicos. La prueba se lleva a cabo colocando un transmisor adentro, o en un lado de la pieza del equipo a inspeccionar. Una señal vibratoria viaja por toda la pieza y penetra cualquier sitio de fuga existente. Un escaneado para penetración sónica usa un instrumento de ultrasonido y localiza la fuga. Esta prueba es especialmente apta para intercambiadores de calor.

Los medidores ultrasónicos de distancia que se utilizan en los robots son, básicamente, un sistema de sonar. En el módulo de medición, un emisor lanza un tren de pulsos ultrasónicos y espera el rebote, midiendo el tiempo entre la emisión y el retorno, lo que da como resultado la distancia entre el emisor y el objeto donde se produjo el rebote. Se pueden señalar dos estrategias en estos medidores: los que tienen un emisor y un receptor separados y los que alternan la función (por medio del circuito) sobre un mismo emisor/receptor piezoeléctrico. Este último es el caso de los medidores de distancia incluidos en las cámaras Polaroid con autorango, que se obtienen de desarme y se usan en la robótica de experimentación personal.Hay dos sensores característicos que se utilizan en robots: 1. Los módulos de ultrasonido contenidos en las viejas cámaras Polaroid con autorango, que se pueden conseguir en el mercado de usados por relativamente poco dinero. 2. Los módulos SRF de Devantech, que son capaces de detectar objetos a una distancia de hasta 6 metros, además de conectarse al microcontrolador mediante un bus I2C.

Basado en fibras ópticas. Construcción y circuito de acondicionamiento.

Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.Un filamento de vidrio sumamente delgado y flexible (de 2 a 125 micrones) capaz de conducir rayo ópticos (señales en base a la transmisión de luz). Las fibras ópticas poseen capacidades de transmisión enormes, del orden de miles de millones de bits por segundo.

Se utilizan varias clases de vidrios y plásticos para su construcción.Una fibra es un conductor óptico de forma cilíndrica que consta del núcleo (core), un recubrimiento (clading) que tienen propiedades ópticas diferentes de las del núcleo y la cubierta exterior (jacket) que absorbe los rayos ópticos y sirve para proteger al conductor del medio ambiente así como darle resistencia mecánica. Además, y a diferencia de los pulsos electrónicos, los impulsos luminosos no son afectados por interferencias causadas por la radiación aleatoria del ambiente.Cuando las compañías telefónicas reemplacen finalmente los cables de cobre de sus estaciones centrales e instalaciones domiciliarias con fibras ópticas, estarán disponibles de modo interactivo una amplia variedad de servicios de información para el consumidor, incluyendo la T.V. de alta definición.

Cada una de las fibras ópticas, puede transportar miles de conversaciones simultáneas de voz digitalizada.Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.

Parámetros De Una Fibra Óptica

Existen varios parámetros que caracterizan a una fibra óptica. Se habla de parámetros estructurales y de transmisión establecen las condiciones en las que se pueden realizar la transmisión de información.

Entre los parámetros estructurales se encuentra:

• El perfil de índice de refracción.
• El diámetro del núcleo.
• La apertura numérica.
• Longitud de onda de corte.

En cuanto a los parámetros de transmisión se tiene:

• Atenuación.
• Ancho de banda.