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[Escriba texto] SENSORES Y TRANSDUCTORES Todo el control industrial depende de la habilidad para medir el valor de la variable controlada con exactitud y velocidad, y la mejor forma de medir el valor de la variable controlada es convirtiéndola en alguna clase de señal eléctrica; debido a que se tienen ciertas ventajas sobre las señales mecánicas, como: a. Se pueden transmitir de un lugar a otro mucho más fácilmente. b. Son más fáciles de amplificar y filtrar. c. Se pueden manipular fácilmente. Tomando en cuenta que los sensores son la principal fuente de información, señales o datos de un PLC, comencemos a analizar a cada uno de estos, pero antes de comenzar a estudiar cómo funcionan, cómo se utilizan, cómo se clasifican o cuáles son sus principios de operación, analicemos algunos conceptos importantes. Una MAGNITUD es una propiedad física susceptible de ser medida. Ejemplo: Velocidad, Temperatura, Presión, etc. Existen 6 tipos de magnitudes: 1. 2. 3. 4.

Magnitudes Mecánicas, como posición, velocidad, presión, fuerza, etc. Magnitudes Eléctricas, como corriente, potencia eléctrica o voltaje, etc. Magnitudes Térmicas, como cantidad de calor, temperatura, etc. Magnitudes Químicas o Moleculares como acidez, concentración, consistencia, etc. 5. Magnitudes Ópticas, como la intensidad luminosa, el color, etc. 6. Magnitudes Magnéticas, como flujo magnético, intensidad de campo, etc. Actualmente tenemos muy diversos tipos de sensores para medir cualquier variable física como las mencionadas anteriormente; es decir, los sensores son tan diversos como los principios físicos en los que se basan. MEDIR, es comparar la cantidad de una magnitud con su respectiva unidad, con el fin de averiguar cuántas veces esta unidad, está contenida en esa cantidad. Existen 2 formas de medir: Medición Indirecta.- En las medidas indirectas la cantidad de interés se calcula a partir de OTRAS medidas, aplicando la ley que las relaciona. Por ejemplo, para medir la potencia eléctrica utilizamos el producto de la medida del voltaje por la medida de la corriente. Medición Directa.- En las medidas directas la cantidad de interés se obtiene directamente de los trazos o divisiones de los instrumentos y aparatos de medición. Por ejemplo, para medir la corriente se requiere del Amperímetro. Tomando en cuenta que una señal es la variación temporal de una magnitud, entonces podremos hablar de la señal asociada a una fuerza, a una velocidad, a una Martín Villa Bracamontes

[Escriba texto] temperatura o una presión, etc. Un transductor es un dispositivo que convierte la señal que tiene a la entrada (señal procedente de una magnitud física) en una señal de salida de otro tipo (pero también asociada a una magnitud física), esta señal de salida generalmente es de tipo eléctrico. En este punto cabe señalar la siguiente diferencia: Por convención un TRANSMISOR provee una señal de salida de corriente, y un TRANSDUCTOR provee una señal de salida de voltaje. Entonces, las señales de salida y de entrada de un transductor son de tipos diferentes pero están relacionadas por una ley que generalmente es de proporcionalidad y dentro del cual siempre se produce una transformación de energía.

Aunque los transductores pueden tener en su entrada y en su salida cualquier tipo de señal, normalmente solo se usan los transductores que proveen señales eléctricas o que tienen como entrada una señal de tipo eléctrico. Las siguientes figuras muestran ejemplos de transductores

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Medida de un desplazamiento físico utilizando un Transformador Diferencial de variación lineal (LUDT).

Medida de temperatura usando un termistor o un detector resistivo de temperatura. Un sensor es un dispositivo que proporciona la capacidad de medir cantidades físicas o variables físicas que no pueden ser observadas como señales eléctricas.

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[Escriba texto] CLASIFICACION DE LOS SENSORES Se han inventado transductores eléctricos para medir prácticamente toda variable física, por lo que el número de sensores disponibles para las distintas magnitudes físicas es tan elevado que se deben clasificar siguiendo algunos criterios. CARACTERÍSTICAS IDEALES DE LOS SENSORES Las definiciones siguientes, además de formar parte del léxico básico del control y la automatización, son las características más deseables que queremos obtener de todo sensor, aunque son pocos los sensores que las tienen todas, nos proporcionan una buena idea para seleccionar el sensor mas adecuado a nuestras necesidades. EXACTITUD Y PRECISION Cualquier sensor responde a un principio físico, químico o biológico que permite su funcionamiento, es por eso que todo sensor tendrá limitaciones que serán inherentes a sus principios, y una de estas limitaciones es la exactitud, la EXACTITUD es que el valor verdadero de la variable monitoreada, se pueda DETECTAR SIN ERRORES en la medición, por lo tanto esta debe ser tan alta como sea posible. Y la PRECISION significa que en la medición de la variable, existe o no una pequeña variación aleatoria, es decir la precisión regula el margen de imprecisión instrumental; para entenderlo mejor pongamos el siguiente ejemplo, tenemos un sistema para medir temperatura, el cual tiene una precisión de 0.05 °C, cuando este sistema muestra una lectura de 26.8 °C, significa que la temperatura del proceso o ambiente que se esta midiendo está entre 26.75 °C y 26.85 °C. Normalmente la precisión se expresa como un porcentaje de la escala completa y esta asociada al cálculo de la desviación estándar del instrumento. Así entonces esta precisión debe ser lo mas alta posible. VELOCIDAD DE RESPUESTA El transductor debe de ser capaz de responder rápidamente a los cambios de la variable que se esta monitoreando o detectando; si la medición tiene una cinética mas lenta que la de la propia variable, tendremos que disponer de sistemas de predicción de este valor, si es que el proceso así lo requiere, y no depender solo del valor instrumental. CALIBRACIÓN Debe de ser fácil de calibrar y no debe de necesitar una recalibración frecuente. El término desviación se aplica con frecuencia para indicar la pérdida gradual de exactitud del sensor que se produce con el tiempo y el uso, lo cual hace necesaria su recalibración.

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[Escriba texto] RANGO DE FUNCIONAMIENTO El sensor debe de tener un rango de funcionamiento amplio y debe de ser preciso y exacto en todo este rango, sabemos que el rango expresa los límites inferior y superior del instrumento, y muchos de estos, sobretodo los industriales, permiten definir sub rangos. El rango de trabajo mejora resolución pero no necesariamente la sensibilidad. CONFIABILIDAD Debe de tener una alta confiabilidad, es decir, no debe de estar sujeto a fallos frecuentes durante su funcionamiento. COSTO Y FACILIDAD DE OPERACIÓN El costo para instalar manejar y comprar nuestro sensor debe de adecuarse a nuestro presupuesto, y lo ideal sería que la instalación y el manejo de estos dispositivos no necesiten de personal altamente calificado. Aunque es un poco complicado realizar una clasificación única, debido a la gran cantidad de sensores que existen actualmente, las siguientes son las clasificaciones más generales y comunes. I.

II.

III.

Un tipo de clasificación muy básico es diferenciar a los sensores entre PASIVOS o ACTIVOS; los sensores activos generan la señal de salida sin la necesidad de una fuente de alimentación externa, mientras que los pasivos si requieren de esta alimentación para poder efectuar su función. Según el tipo de señal que proveen a la salida: o Todo o nada, son los sensores que solo poseen dos estados, y que, estos estados, únicamente están separados por un valor umbral de la variable monitoreada. o Digitales, estos sensores proporcionan una señal codificada en pulsos o sistemas como BCD, binario, etcétera. o Analógicos, estos sensores proporcionan un valor de voltaje o corriente, donde la señal más común utilizada en aplicaciones industriales es un circuito de corriente de 2 hilos y 4-20 mA. Según el tipo de magnitud física a detectar: a. Medición de temperatura. Pirómetro óptico Pirómetro de radiación. Termistor. Termopar. b. Medición de esfuerzos y deformaciones. c. Medición de movimiento.

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[Escriba texto] Grandes distancias: Radar, láser, Ultrasonido, etc. Distancias pequeñas: Métodos ópticos. Métodos inductivos (LDT y VDT). Métodos resistivos y capacitivos. Posición linear o angular: Codificadores increméntales. Codificadores absolutos. Transductores capacitivos. d. Sensores de Presencia o Proximidad. Inductivos. Capacitivos. Fotoeléctricos. De efecto Hall. Radiación. Infrarrojos. e. Sistemas de visión artificial. Cámaras CCD. f. Sensores de humedad y punto de rocío. Humedad en aire – gases. Humedad en sólidos. Punto de rocío. g. Sensores de caudal. De sólidos, líquidos o gases. Presión diferencial. Medidores magnéticos. Medidores por fuerzas de Coriolis. Medidores de área variable. Medidores de desplazamiento positivo. h. Sensores de nivel. De líquidos y sólidos.

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i. Sensores de presión. j. Sensores de Fuerza y par. Calibrador de tensión. De array táctil. k. Sensores de intensidad lumínica. l. Sensores de aceleración. m. Sensores de velocidad lineal o angular. n. Sensores táctiles. Matriz piezoeléctrica, óptica o capacitiva. Matriz de contactos. Como podemos apreciar, existen sensores para satisfacer cualquier necesidad, y sería muy largo el explicar el funcionamiento de cada uno de ellos, por lo que a lo largo de estos temas explicaremos el funcionamiento de solo algunos de estos, enfocándonos mas a los sensores de presencia o proximidad, y a algunos de temperatura o presión, que son para nuestro fin, los que mas utilizaremos para el estudio y aplicación de los PLC´s. Las siguientes ilustraciones nos muestran algunas aplicaciones típicas de los sensores de presencia, del tipo fotoeléctrico.

Control de posición de mecanismos.

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Control de apertura y cierre de puertas automáticas.

Sistema para detección de objetos.

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Control de flujo de objetos.

Sistema para detectar presencia, movimiento, posición o conteo de objetos.

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[Escriba texto] LOS SENSORES FOTOELÉCTRICOS Los sensores o detectores fotoeléctricos, son de los dispositivos mas utilizados en la industria, y en general en cualquier sistema de control automático, es por eso, que es muy recomendable su estudio, así que comencemos a analizarlos mas a fondo. El objetivo principal de un sensor, es DETECTAR.

Estos sensores logran su objetivo utilizando cualquiera de los siguientes procedimientos: BLOQUEAR o REFLEJAR. En el procedimiento de BLOQUEO, el objeto que se va a detectar bloquea la luz emitida por el emisor del sensor.

Mientras que en el de REFLEJAR, la luz emitida por el emisor del sensor, es reflejada por el objeto que se esta detectando.

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Para estos métodos o procedimientos de detección encontramos 5 SISTEMAS: En el método de BLOQUEO encontramos el sistema de BARRERA, el REFLEX y el REFLEX POLARIZADO. Las ventajas que ofrece el sistema de BARRERA son:   

LARGO ALCANCE. DETECCIÓN PRECISA Y CONFIABLE. ADAPTACIÓN A LOS ENTORNOS DIFÍCILES.

La FACILIDAD EN SU INSTALACIÓN, es una de las ventajas que ofrece el sistema REFLEX. Martín Villa Bracamontes

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La gran ventaja del sistema REFLEX POLARIZADO es la DETECCIÓN DE OBJETOS BRILLANTES.

En el segundo método que es el de REFLEXIÓN tenemos los últimos 2 sistemas de los 5 existentes. El sistema de detección por PROXIMIDAD.

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Y PROXIMIDAD con BORRADO del PLANO POSTERIOR. El cual tiene la ventaja de DETECTAR los objetos IGNORANDO el plano posterior o la de detectar hasta una CIERTA DISTANCIA dada INDEPENDIENTEMENTE del COLOR del objeto.

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Existen 3 tipos de ALIMENTACIÓN: 1.- CORRIENTE ALTERNA

2.- CORRIENTE CONTINUA

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3.- CORRIENTE ALTERNA Y CONTINÚA

LOS SENSORES FOTOELÉCTRICOS II Continuamos con algunas de las consideraciones más importantes que se deben de tener a la hora de elegir un detector o sensor del tipo fotoeléctrico. Encontraremos 3 GAMAS: 1.- Gama Miniatura

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[Escriba texto] 2.- Gama Compacta

3.- Gama Detectores de fibra óptica

Existen 2 TIPOS DE SALIDA:

1.- Salida relé. Ventajas:  

Sus contactos pueden conmutar una buena intensidad de corriente. Instalación fácil.

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[Escriba texto] Una de sus características principales es que su salida puede tener cualquiera de los estados normalmente abierto (NO) o normalmente cerrado (NC).

2.- Salida estática o salida a transistor. Ventajas:   

Larga duración. Conexión directa hacia los PLC´s. No contienen partes electromecánicas que pudieran deteriorarse.

Entre sus características encontramos que existen 2 versiones, PNP y/o NPN, la elección de cualquiera de estos tipos de salida esta determinada por el tipo o condiciones que tengan los módulos de entrada de los PLC´s.

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[Escriba texto] CARACTERÍSTICAS DE SALIDA Existen dos tipos de funcionamiento en un sensor del tipo fotoeléctrico: Función a la luz y/o función a la sombra. Para los sistemas de barrera o sistemas reflex, utilizando la función a la sombra, la salida siempre esta APAGADA mientras que no se detecte algún objeto, es decir, si el sensor esta recibiendo el reflejo de el haz de luz emitido por él mismo, entonces mantendrá su salida desactivada.

Por lo tanto un sensor de este tipo al ser utilizado con función a la luz, mantendrá su salida ENCENDIDA o activa si no esta detectando algo, es decir su salida se apaga al detectar algún objeto.

Estas características cambian si utilizamos un sensor que utilice un sistema de proximidad, es decir, si utilizamos la función a la luz, la salida se ACTIVARA hasta que algún objeto sea detectado.

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Y en el caso contrario que es la función a la sombra, la salida se APAGARA cuando el sensor DETECTE algún objeto.

Sabemos que en el sistema REFLEX se utiliza el procedimiento de detección por BLOQUEO, el objeto a detectar bloquea la luz reflejada emitida por el emisor del sensor, así entonces el reflejante es parte importante de este método, y básicamente debemos tener en cuenta los siguientes puntos:

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[Escriba texto] La elección del reflector adecuado; el reflector debe ser mas pequeño que el objeto a detectar.

El posicionamiento o la correcta orientación del sensor con respecto al reflector. En la siguiente figura observamos un reflector mal orientado, donde el receptor no capta el reflejo del haz de luz proveniente del reflejante.

Un mal centrado del sensor y su reflector puede ocasionar que se tengan lecturas erróneas.

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[Escriba texto] La siguiente ilustración nos muestra en sensor y su reflector bien posicionados.

Para pequeños alcances, los reflectores estándar no funcionan, la explicación de esto la analizaremos después cuando estudiemos los principios de la detección óptica.

Entonces para estos caso debemos de utilizar un reflector con triedros grandes.

Cuando ya hemos encontrado el tipo de sensor mas adecuado a nuestras necesidades, y hemos determinado que tipo de alimentación utiliza, que tipo de salida nos proporciona y cual método de funcionamiento es el apropiado, una vez instalado debemos saber ajustar su sensibilidad o su alcance útil. Martín Villa Bracamontes

[Escriba texto] AJUSTE DE LA SENSIBILIDAD DE UN SENSOR DE PROXIMIDAD. En un sensor de proximidad estándar debemos de aumentar o ajustar la sensibilidad hasta detectar el objeto deseado.

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[Escriba texto] Si tenemos un objeto menos REFLECTANTE a la misma distancia que el de la figura anterior, el sensor aún con la sensibilidad ajustada no lo va a detectar.

Entonces es necesario aumentar más la sensibilidad.

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[Escriba texto] Pero ATENCIÓN, si el plano posterior es MAS REFLECTANTE que el objeto.......

Debemos de utilizar un sensor fotoeléctrico de proximidad con borrado del plano posterior.

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[Escriba texto] AJUSTE DEL ALCANCE UTIL de un sensor fotoeléctrico de proximidad con borrado del plano posterior. Para comenzar, se regula la sensibilidad de manera que no detecte el plano posterior.

Después se verifica la conmutación de la salida del sensor en presencia del objeto a detectar.

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[Escriba texto] Las ventajas que tenemos en este tipo de sensores es que podemos detectar objetos ignorando el plano posterior o detectarlos hasta una cierta distancia dada cualquiera que sea su color.

¿FUNCIONAN NUESTROS SENSORES? Después de ver en los capítulos anteriores como se clasifican los transductores y sensores y los principios de funcionamiento y clasificación de sensores fotoeléctricos, ahora es turno de explicar un método muy sencillo para determinar si un sensor esta en buen estado o no, o si esta completamente dañado, tal ves sea un método muy fácil para muchas personas que trabajan a diario con este tipo de dispositivos, pero es muy rápido y eficaz en la practica, en la que el tiempo es un factor muy importante. Para utilizar este método, no necesitamos tener una computadora conectada al dispositivo de control, o al PLC del proceso, utilizaremos solo un multímetro analógico o digital, y también el diagrama eléctrico de conexiones, aunque el uso de este ultimo depende de la complejidad de la maquinaria o proceso que tenemos por diagnosticar. La mayoría de los sensores que envían una señal digital por su salida, como son los fotoeléctricos, tienen integrados uno, dos o más LED´s de estado Dependiendo del fabricante, el color de estos leds nos pueden indicar los siguientes parámetros: 1. Alimentación eléctrica al sensor. 2. Sensor sensando la variable para el que fue diseñado. 3. Sensor en estado de calibración. Los leds de los puntos 1 y 2 son los más comunes y son los que nos van a ayudar a determinar el estado del dispositivo.

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Primero debemos de verificar que la alimentación al sensor sea suministrada correctamente, y para esto tenemos UN LED QUE NOS LO INDICA, pero tal vez este led pudiera estar dañado, aunque la alimentación sea la correcta, en este caso y para asegurarnos de esto, utilizamos nuestro multímetro para medir el voltaje de alimentación. En este punto nos podemos encontrar con sensores que son de algún fabricante no muy conocido, o tal vez sea algún sensor con características especiales, pero por lo general la mayoría de los sensores tienen la siguiente configuración de colores en sus cables:

CAFÉ: Terminal AZUL: Terminal NEGRO: SEÑAL DE CONTROL

positiva negativa

(+24 (0

Vcd) Vcd)

Así entonces conectando las terminales del multímetro en los cables café y azul del sensor verificaremos que la alimentación sea la correcta aunque el led no nos lo indique. Veamos la siguiente figura:

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Si el sensor esta alimentado correctamente, y de todas formas “no pasa nada” cuando sensa, usamos el siguiente led y verificamos entonces que el sensor este enviando correctamente LA SEÑAL DE CONTROL al PLC, por ejemplo, si nuestro sensor es un sensor fotoeléctrico, el led que nos indica la detección, DEBERA PRENDER cuando algún objeto “pase” enfrente del sensor, si este led prende correctamente, y no pasa nada tenemos 2 caminos a seguir: 1.- Buscar en nuestro diagrama eléctrico en que terminal esta conectado el cable que tiene la señal de control del sensor, (cable negro) y a que terminal de entrada del PLC llega. Como ya sabemos cada modulo de entradas o de salidas tiene leds indicadores del estado de estas entradas o de estas salidas, una vez localizada la entrada a la que esta conectada la señal de control del sensor en prueba, procedemos a hacer actual al sensor, que no es otra cosa que hacer que DETECTE, si al detectar el sensor, en nuestra entrada PRENDE el led indicador de entrada activa, entonces nuestro sensor esta correctamente alimentado y funcionando perfectamente, y entonces debemos proceder a buscar la falla por otro lado, descartando completamente al sensor como causante de esta.

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2.- Si el led indicador en el PLC no prende cuando el sensor esta sensando, puede ser que la señal de control se pierda en algún punto. Pero antes de que desarmemos y desconectemos todo, buscando en donde se pierde esta señal, verifiquemos primero QUE EL SENSOR LA ESTA ENVIANDO. Para esto conectamos las puntas del multímetro como se ve en la siguiente figura:

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[Escriba texto] Observamos que la punta positiva esta conectada al cable negro, esto es así porque generalmente las señales de control son positivas y de 24 Vcd que es igual que la alimentación eléctrica al mismo sensor, y aquí observamos que independientemente del tipo de sensor o de la variable a detectar, cualquier sensor del tipo digital funciona como un Interruptor NC o NA y que su estado cambia cuando esta sensando. Regresando al la prueba, una vez que tenemos nuestro multímetro conectado a la señal de control, hacemos que el sensor detecte, y en ese momento nuestro multímetro debe de medir 24VCD, si podemos medir esto, entonces podemos proceder a desarmar todo lo que queramos para poder encontrar en donde se pierde esta señal de control desde el sensor hasta el PLC Si nuestro multímetro no mide los 24 VCD de la señal de control como en el dibujo siguiente:

Pueden estar pasando cualquiera de estas 2 cosas: 1. El sensor esta mal CALIBRADO, ORIENTADO o POSICIONADO, ó 2. El sensor ESTA DAÑADO. Para cualquiera de estas 2 opciones pienso que es muy obvio cuales son las acciones debemos de realizar. Estas pruebas son muy simples pero efectivas, y las podemos aplicar a todos los sensores que envíen una señal digital como señal de control, pero es muy importante tener en cuenta si el sensor es normalmente abierto (NA o NO) o normalmente cerrado (NC), para no confundirnos a la hora de medir la señal de control, en capítulos anteriores explicamos muy bien estos dos estados de los elementos de control. Los sensores de tipo analógico y sus correspondientes pruebas las estudiaremos en el siguiente tema. Martín Villa Bracamontes

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SENSORES DE ACELERACION Y VELOCIDAD Un robot se puede definir como un sistema eléctro-mecánico e informático que interactúa con el medio. Los robots tal y como los concebimos actualmente, necesitan relacionarse con su alrededor para poder llevar a cabo sus actividades. La actividad global de cualquier robot se puede entender como la sucesión de las siguientes cinco fases o actividades:     

Medida Modelaje Percepción Planificación Acción

Las tres primeras actividades están encaminadas a que el robot pueda percibir lo que esta pasando en su entorno. La planificación consiste en, a partir de la información percibida, tomar las decisiones oportunas para desarrollar su actividad. Por último, la acción consiste en la ejecución de las tareas planificadas en la fase anterior. Para un informático, la fase que puede resultar más atractiva es la de la planificación, ya que es en la que se concentra la mayor parte de la actividad "inteligente" del robot. Sin embargo, un robot no podría hacer nada sino pudiera "medir" de alguna forma lo que le interesa del medio en el que se dearrolla su actividad. Para poder realizar esta primera ( y fundamental ) fase, los robots disponen de unos dispositivos llamados SENSORES. Los sensores cumplen la misma función en los robots que los órganos sensoriales en la mayoría de los seres vivos. Sin ellos los robots no podrían localizar objetos para poder cogerlos, evitar obstáculos para no chocarse, comprobar el correcto funcionamiento de una actividad, Además, los sensores ayudan al robot a conocer sus parámetros internos, tales como la posición, la velocidad. Los sensores son en realidad unos elementos físicos que pertenecen a un tipo de dispositivo llamado transductor. Los transductores son unos elementos capaces de transformar una variable física en otra diferente. Los sensores son un tipo concreto de transductores que se caracterizan porque son usados para medir la variable transformada. La magnitud física que suele ser empleada por los sensores como resultado suele ser la tensión eléctrica, debido a la facilidad del trabajo con ella. Desde el punto de vista de la forma de la variable de salida, podemos clasificar los sensores en dos grupos: analógicos, en los que la señal de salida es una señal continua, analógica; y digitales, que transforman la variable medida en una señal digital, a modo de pulsos o bits. En la actualidad los sensores más Martín Villa Bracamontes

[Escriba texto] empleados son los digitales, debido sobre todo a la compatibilidad de su uso con los ordenadores.

A los sensores, se les debe exigir una serie de características, que pasamos ahora a enumerar y comentar: 









  

Exactitud. Hace referencia a que se debe poder detectar el valor verdadero de la variable sin errores sistemáticos. Sobre varias mediciones, la media de los errores cometidos debe tender a cero. Precisión. Una medida será más precisa que otra si los posibles errores aleatorios en la medición son menores. Debemos procurar la máxima precisión posible. Rango de funcionamiento. El sensor de be tener un amplio rango de funcionamiento, es decir, debe ser capaz de medir de manera exacta y precisa un amplio abanico de valores de la magnitud correspondiente. Velocidad de respuesta. El sensor debe responder a los cambios de la variable a medir en un tiempo mínimo. Lo ideal sería que la respuesta fuera instantánea. Calibración. La calibración es el proceso mediante el que se establece la relación entre la variable medida y la señal de salida que produce el sensor. La calibración debe poder realizarse de manera sencilla y además el sensor no debe precisar una recalibración frecuente. Fiabilidad. El sensor debe ser fiable, es decir, no debe estar sujeto a fallos inesperados durante su funcionamiento. Coste. El coste para comprar, instalar y manejar el sensor debe ser lo más bajo posible. Facilidad de funcionamiento. Por último, sería ideal que la instalación y iso del sensor no necesitara de un aprendizaje excesivo.

Todas estas características son las deseables en los sensores. Sin embargo, en la mayoría de los casos lo que se procurará será un compromiso entre su cumplimiento y el coste que ello suponga a la hora del diseño y fabricación. Después de esta introducción, lo lógico sería pasar a comentar los distintos tipos de sensores existentes, así como sus principales características. Sin embargo esto plantea el problema de clasificar los sensores de alguna forma. Podemos clasificar los sensores por la variable que miden (velocidad, Martín Villa Bracamontes

[Escriba texto] proximidad) por el principio físico en el que se basa su funcionamiento ( efecto Hall), por la tecnología en la que se basan ( silicio, eléctro-mecánica) ,la relación entre el sensor y la característica a medir ( contacto, sin contacto), etc . En el desarrollo del presente trabajo nos basaremos en una clasificación general que engloba a los sensores en dos grandes grupos, según la relación de la variable a medir con el sensor: INTERNOS y EXTERNOS. Además, dentro de cada gran grupo, distinguiremos distintos tipos según la variable que midan e iremos comentando para cada caso otros aspectos como la tecnología en la que se pueden basar.

Como ya hemos comentado, para que un robot realice su tarea de forma eficiente, rápida e inteligente, es preciso que tenga conocimiento de una serie de parámetros o características internas. Tales características son muy diversas y se intentará controlar unas u otras en función de las necesidades. Por ejemplo, puede ser necesario controlar la temperatura a la que está cierta parte del robot o la presión de sus ruedas. Sin embargo, hay ciertas características que resulta interesante poder controlar para la mayoría de los robots: la posición, la velocidad y la aceleración. Estas tres variables y los diferentes métodos para conocer su valor en un instante determinado es lo que vamos a tratar en esta sección.

Posición El problema de poder determinar la posición en la que se encuentra el robot en un momento determinado es uno de los más importantes e interesantes en el campo de estudio de la robótica. Actualmente no existe un método infalible y universal para calcular la posición, sino que, por el contrario, existen una serie de métodos basados en diversas técnicas que intentan resolver el problema. En la mayoría de los casos reales, la solución adoptada pasa por el empleo de varios de estos métodos. A continuación vamos a comentar los principales, en que se basan así como su funcionamiento. Encoders Incrementales Los codificadores ópticos o encoders incrementales se utilizan fundamentalmente para el cálculo de la posición angular. Básicamente constan de un disco transparente, el cual tiene una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre si; de un elemento emisor de luz (como un diodo LED); y de un elemento fotosensible que actúa como receptor. El eje cuya posición angular se va a medir va acoplado al disco. (Ver figura)

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El funcionamiento es el siguiente: cuando el sistema comienza a funcionar el emisor de luz empieza a emitir; a medida que el eje vaya girando, se producirán una serie de pulsos de luz en el receptor, correspondientes a la luz que atraviesa los huecos entre las marcas. Llevando una cuenta de esos pulsos es posible conocer la posición del eje. Sobre este esquema básico es habitual encontrar algunas mejoras. Por ejemplo, se suele introducir otra franja de marcas por debajo, desplazada de la anterior, para poder controlar el sentido del giro; además suele ser necesario el empleo de una marca de referencia que nos ayudará a saber si hemos completado una vuelta. Realmente los encoders incrementales miden la velocidad de giro, pero podemos extrapolar la posición angular. Como es lógico, la resolución de este tipo de sensores depende directamente del número de marcas que podamos poner físicamente en el disco. 

Encoder absoluto

La función de este tipo de dispositivos es similar a la de los anteriores, medir la posición angular. Sin embargo en este caso lo que se va a medir no es el incremento de esa posición, sino la posición exacta. La disposición es parecida a la de los encoders incrementales. También se dispone de una fuente de luz, de un disco graduado y de un

fo torreceptor. La diferencia estriba en la graduación o codificación del disco. En este caso el disco se divide en un número fijo de sectores (potencia de 2) y se codifica cada uno con un código cíclico (normalmente un código de Gray); este código queda representado en el disco por zonas transparentes y opacas dispuestas radicalmente, como se puede apreciar en la figura. No Martín Villa Bracamontes

[Escriba texto] es necesaria ninguna mejora para detectar el sentido del giro, ya que la codificación de los distintos sectores angulares es absoluta. La resolución de estos sensores es fija y viene dada por el número de anillos que posea el disco, o lo que es lo mismo, el número de bits del código utilizado. Normalmente se usan códigos de 8 a 19 bits. Tanto los encoders absolutos como los incrementales pueden presentar problemas debido a la gran precisión que es necesaria en el proceso de fabricación. Además son dispositivos especialmente sensibles a golpes y vibraciones. 

Potenciómetro Los potenciómetros son unos dispositivos capaces de medir la posición angular y pequeños desplazamientos de posición lineal. Según el tipo de posición a medir tendremos dos tipos distintos de dispositivos pero la idea básica es común. Constan de una resistencia a través de la cual hay una determinada diferencia de potencial. Además hay un contacto unido a la resistencia pero que se puede deslizar a su alrededor; este elemento es conocido como wiper. El wiper se conecta físicamente al elemento cuyo movimiento vamos a medir. Cuando este elemento se mueva el wiper se ira moviendo por la resistencia y la tensión de salida en él (en el wiper) irá cambiando. Si medimos está tensión de salida, podremos determinar cuanto se ha desplazado el wiper, y por lo tanto cuanto se ha desplazado el elemento que pretendíamos controlar.

Transformador diferencial de variación lineal (LVDT)

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Como la mayoría de los dispositivos vistos hasta ahora, este tipo de sensores se basan en fenómenos eléctro-magnéticos. En el LVDT se une al eje cuyo desplazamiento vamos a medir un núcleo ferromagnético. Si situamos este núcleo entre una serie de inductancias, tal y como muestra el esquema, la diferencia de potencial E0 será proporcional al movimiento del núcleo (y por lo tanto al del eje). Este sistema se utiliza ampliamente debido a su gran resolución, alta linealidad y rápida respuesta. Sin embargo, tiene el inconveniente de que no permite medir grandes desplazamientos (por razones obvias).

Todos los sensores de posición que hemos visto hasta ahora suelen ser usados para medir la posición angular y lineal de uniones de brazos de robot o de efectores finales de los mismos. Quizá la única excepción sean los encoders, que podemos encontrar en algunos sistemas móviles. A continuación, vamos a ver una serie de métodos para determinar la posición que suelen usarse en los sistemas robóticos móviles. 

Giroscopios Los giroscopios son dispositivos que nos ayudan a medir el ángulo de giro de un objeto. Hay muchos tipos de giroscopio con estructuras muy diversas y complejas, pero todos se basan en el mismo principio, en las propiedades inerciales. Todos hemos realizado alguna vez el experimento de coger una rueda por su eje de giro con las dos manos y hacerla girar. Cuando la rueda gira en su sentido natural notamos que también intenta girar con relación a otro eje, un eje vertical que iría de nuestros pies a nuestra cabeza. Basándose en este principio, los giroscopios son capaces de medir el ángulo de giro de un objeto.

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Inclinómetros Estos sensores sirven para medir la inclinación, el ángulo de un objeto con respecto a un eje horizontal. Están formados por un electrolito (liquido conductor) situado en un recipiente en el cual hay introducidos dos electrodos de platino enfrentados y ambos con una parte fuera del electrolito. Cuando el sensor se inclina, uno de los electrodos entra más en contacto con el electrolito y el otro menos. Si se miden las corrientes de salida de los electrodos, es posible determinar el ángulo de inclinación.

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Sistemas basados en "faros"

Estos sistemas están orientados a conocer la posición de un robot móvil en un sistema de coordenadas. El principio básico de funcionamiento, como indica su nombre, es similar al de los faros usados en navegación marítima. La idea consiste en situar una serie de puntos de referencia (cuya posición es conocida) que el robot pueda consultar en cualquier momento (su posición, la distancia a ellos, etc...), y así pueda calcular su posición. El tipo de señal que emiten esos puntos de referencia o "faros" puede ser de muchos tipos, como láser, ultrasonido o radiofrecuencia. Son estas las que ese suelen emplear en sistemas reales. Existen dos subtipos fundamentales: los sistemas pasivos de medición de fase, y los sistemas activos de trilateración mediante radar. Los sistemas del primer tipo, se basan en la comparación del tiempo de llegada de dos señales emitidas simultáneamente desde dos transmisores conocidos. Conocida la diferencia en tiempo de la llegada de esas dos señales, es posible concluir que el robot se encantará en algún punto de una línea hiperbólica concreta (ver figura). Si repetimos el proceso con más parejas de transmisores, podremos determinar como posición del robot el punto de intersección de todas estas líneas hiperbólicas. Este tipo de medición de la posición tiene un error de unos 100 metros, pero un rango de operación de más de 1500 kilómetros. Es por esto, que suele ser empleado en sistemas que se van a desplazar distancias muy amplias, y en los que no se necesita una excesiva precisión en la medida de la posición, como barcos. Los sistemas basados en "faros" del segundo tipo, los activos de trilateración mediante radar, se basan en unos elementos fijos llamados transponders. El sistema se dedica a medir el tiempo que tarda en ir y en volver una determinada señal enviada; con este tiempo puede calcular la distancia que hay entre él y ese transponder. Si tenemos las distancias a varios de estos transponders seremos capaces de calcular nuestra posición. El error cometido en este tipo de sistemas depende del número de transponders; se suelen emplear desde dos hasta dieciséis, y el error puede acotarse a 2 metros. Aunque mejora el tipo anterior, todavía son errores demasiado grandes para las aplicaciones que suelen tener los robots móviles. 

Sistema de Posicionamiento Global (GPS) Este sistema para determinar la posición absoluta en un determinado momento fue desarrollado por el Departamento de Defensa

Martín Villa Bracamontes

[Escriba texto] estadounidense. El sistema se basa en una constelación de 24 satélites geoestacionarios, con una frecuencia de órbita de 12 horas y situados a una altura de 10.900 millas náuticas. Para poder usar este sistema de medida se necesita un elemento receptor. Realmente lo que se calcula es la posición de este receptor. El procedimiento es sencillo: el receptor mide el tiempo de vuelo de las señales que le llegan de los distintos satélites y por triangulación es capaz de deducir su posición exacta en términos de longitud, latitud y altitud. A la hora de utilizar este dispositivo de medida es conveniente tener en cuenta cuatro aspectos: - El tiempo de sincronización entre los satélites y los receptores - La precisa localización en tiempo real de la posición de los satélites - La precisión con la que hay que medir el tiempo de propagación de la señal - Una relación señal / ruido adecuada a posibles perturbaciones. Este sistema de medida puede tener una precisión centímetros, pero la posibilidad de ruido y el tiempo que transcurre en todo el proceso, hace que no sea un método adecuado para su uso en robots móviles que se desenvuelven en entornos más bien reducidos (sobre todo comparados con el total de la tierra).

Velocidad La velocidad es otro de los parámetros internos del robot que puede ser útil para el desarrollo de su tarea. Aunque su importancia es menor que la de la posición, existen algunos métodos para determinar la velocidad (lineal y angular) del robot. El primer método que podemos encontrar es el que se basa en la medida de la posición. Puesto que hemos visto que existe gran diversidad de métodos para calcular la posición del robot, podemos derivar de esta medida la velocidad. Esto se haría aplicando directamente la definición de velocidad, es decir, incremento de posición dividido entre el tiempo. Aparte de ese sencillo primer método, podemos citar algunos otros un poco más elaborados: 

Tacogenerador

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[Escriba texto] Es un dispositivo para medir la velocidad angular. Su funcionamiento es sencillo: convertir la energía rotacional del eje en cuestión en energía eléctrica, proporcional a la rotacional y que puede ser fácilmente medida. Una posible configuración podría ser la que se ve en la figura. Para generar la corriente a partir del giro se acopla al motor o eje que se va a medir, una espira situada dentro de un campo magnético fijo (creado por los dos imanes). Al girar el motor, la espira girará en el interior del campo magnético, lo que provocará una corriente eléctrica. Estos dispositivos pueden llegar a tener una precisión del 0,5 %, por lo que pueden resultar una solución aceptable a la hora de medir la velocidad angular. 

Sensores Doppler Los sensores basados en el efecto Doppler miden la velocidad lineal de un objeto móvil apoyándose en otra superficie. Se basan en la observación del desplazamiento en frecuencia de una radiación emitida por el sensor y reflejada en una superficie que se está moviendo con respecto al robot. Este sistema es usado a menudo en sistemas marítimos, donde se emplean ondas acústicas que se reflejan en la superficie oceánica. Como se puede apreciar en el dibujo, una vez conocida la velocidad de vuelta de la señal al sensor, se puede calcular mediante una relación trigonométrica simple la velocidad de la superficie (a partir de la cual se calcularía la velocidad del móvil). Es para calcular la velocidad de vuelta de la señal al sensor cuando se realiza una comprobación del desfase de frecuencias.

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LVT (Linear Velocity Transducers) Este tipo de sensores se basan en un principio electromagnético similar al que veíamos en los sensores de posición LVDT. Los sensores LVT constan de un núcleo magnético permanente en forma de varilla; este núcleo es el que es conectado al dispositivo cuya velocidad vamos a medir. Arriba y abajo de la varilla se disponen dos espirales conductoras. Por la ley de Faraday, en las espiras se desarrolla una diferencia de potencial proporcional al cambio en el campo magnético al que están

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[Escriba texto] sometidas. Puesto que el núcleo es un imán permanente, el cambio en el campo sólo puede estar provocado por el movimiento de dicho núcleo. Así, si medimos la diferencia de potencial en las espiras podremos deducir la velocidad a la que se ha movido el núcleo y, por consiguiente, el elemento de interés.

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Aceleración El último tipo de sensores internos que vamos a ver son los sensores para el cálculo de la aceleración. La aceleración es una variable interna del robot cuyo valor es utilizado para aplicaciones bastante concretas; no obstante existen una serie de métodos y sensores para su cálculo. Al igual que ocurría con la velocidad, la primera manera que podemos pensar para conocer la aceleración de un robot es derivar de la velocidad, de forma análoga a como se puede conocer la velocidad a partir de la posición. Sin embargo, este sistema no suele aportar demasiados buenos resultados. Es por esto que también existen sensores especializados en el cálculo de la aceleración. La mayoría de ellos se basan en la segunda ley de Newton, de forma que si conocemos la masa del robot y la fuerza que está ejerciendo un determinado motor podríamos conocer la aceleración. Vamos a ver dos dispositivos concretos para el cálculo de la aceleración.

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Servo-acelerómetro Este es un dispositivo para medir la aceleración angular. El dispositivo cuya aceleración de giro vamos medir se conecta a un péndulo. Cuando gira dicho elemento el péndulo lo hace con él. Un sensor de posición capta el movimiento del péndulo y mediante un circuito electrónico se compara la señal del sensor de posición con una señal de referencia. Entonces un motor de rotación aplica una fuerza al péndulo determinada por ese circuito electrónico y que hace girar al péndulo en sentido opuesto al del elemento. La posición en la que se detiene el péndulo es proporción a la aceleración inicial aplicada.

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[Escriba texto] Estos sensores pueden medir aceleraciones de hasta 1000 radianes por segundo al cuadrado y con precisiones muy elevadas. 

Acelerómetro piezo-resistivo Este dispositivo consta de una masa en forma de travesaño y dos medidores de tensión. La masa está introducida en un receptáculo y tiene situados arriba y abajo los dos medidores. Cuando se produce una aceleración en el elemento a medir (que estará unido de alguna forma a esa masa) la pieza en forma de travesaño se dobla y los con los medidores de tensión se podrá calcular la aceleración que ha provocado esa torsión. Realmente uno de los medidores se usa para la tensión y otro para la compresión.

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Sensores de desplazamiento. Es quizás el tipo de sensor más antiguo y de uso común, utiliza un mecanismo para medir la expansión o contracción de un cierto material. Un sensor de desplazamiento se encarga de cuantificar los desplazamientos de objetos, la velocidad y aceleración de los mismos. Todo sistema sensor responde a un principio físico, químico o biológico que permite su funcionamiento. Por ende, todo sistema sensor tendrá limitaciones que serán inherentes a sus principios. Una de tales limitaciones es la precisión Las ventajas de este tipo de sensos son el bajo costo de fabricación y es altamente inmune a la contaminación. Las desventajas son la tendencia a la descalibración en el tiempo y los efectos de histéresis significativos.  Estado Real del Sensor de Desplazamiento. Indica la posición real del sensor de desplazamiento, es útil para lograr posicionar el sensor de manera adecuada para iniciar las mediciones. Ubicarlo en una zona media del rango total mostrado; para que cualquiera que sea el sentido del movimiento, el sensor pueda tener la capacidad de acompañar ese movimiento. Ejemplos de sensores de desplazamiento: - Captadores a galgas extensometricas. Rangos de medida: +/- 5 a +/- 500 mm - Captadores potenciométrico. Rango de medida: 0-500 mm a 0-5.000 mm - Captadores de desplazamiento sin contacto. Corrientes de Foucault Rangos de medida: 0,5 mm a 4.2 mm

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- Captadores de desplazamiento inductivos. Rangos de medida: +/- 0.25 a +/- 600 mm

Bibliografía. http://www.monografias.com/trabajos10/humed/humed.shtml Martín Villa Bracamontes

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