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Universidad Autonoma de Nuevo Leon Facultad de Ingeniería Mecanica y Electrica

Nombre: Raúl Alejandro Puente Fernández Matricula: 1581121 Hora: Jueves N5 Laboratorio de sensores y actuadores Practica #10 “Sensores resistivos de fuerza”

Práctica

[10] PREÁMBULO AL TALLER DE APRENDIZAJE Asignatura Sensores y Actuadores

Sensor Resistivo de Fuerza

Universidad Autónoma de Nuevo León

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Manual de Prácticas para Sensores y Actuadores 12345 Av. Universidad s/n • Ciudad Universitaria San Nicolás de los Garza, Nuevo León, C.P. 66451 Tel. (81) 8329-4020 • Fax (81) 8332-0904 Correo: [email protected]

Introducción

ntre los sensores resistivos se encuentra uno quefloreció en la industria dela electrónica en la década de los 1980. Algunos años antes, al prosperar la electrónica, muchos instrumentos musicales fueron suplidos en gran medida por su contraparte no convencional, e.g. los instrumentos eléctricos. Una aplicación relevante que destacó la fama de estos sensores de fuerza fue su inmediata aplicación en la industria musical. Numerosos artistas de esta época eran incapaces de emitir su talento en gran parte por las limitaciones tecnológicas. Fue cuando en principios de la década de los 1980 brota un maravilloso invento que resultaría ser la solución a este problema.

E

Un sensor patentado por elinventor Franklin N. Eventoffy publicado en 1984 habría de crear una revolución enla industria musical. Al introducir un sensor capaz de medir la fuerza, el cual tuvo particular aplicación en el teclado electrónico.En contraste con otros instrumentos eléctricos sin esta tecnología, aquellos que poseían el sensor simulaban no solo un interruptor encendido o apagado, sino que un interruptor capaz de variar continuamente el volumen y las cualidades sonoras del tono generado. De esta manera el artista adquiría libertad de expresión. A continuación discutiremos más acerca de este sensor que revolucionó la interfaz electrónica en el mundo analógico en el que vivimos.

Objetivo General El estudiante ampliara sus conocimientos con los principios básicos del sensor de fuerza, sus principales características y sus aplicaciones. Además deberá describir el comportamiento del arreglo del sensor de fuerza FSR 402 y el Puente de Wheatstone y de la misma manera el arreglo del FSR 402 y el OPAMP por medio de gráficas. De este modo se familiarizara con el equipo proporcionado en el laboratorio montando el material a utilizar en el NI Elvis así como la elaboración de un programa en LabVIEW

Objetivo Particular

El estudiante pedirá en el laboratorio el material a utilizar, Hará las conexiones pertinentes en el equipo, seguirá las instrucciones escritas en el manual de prácticas para evitar errores en las conexiones y se dedicara a realizar su práctica tomando notas y datos necesarios para la realización de su reporte .

Marco Teórico

El sensor de fuerza resistivo (FSR) es un dispositivo de película de polímero que presenta una disminución de la resistencia cuando aumenta la fuerza aplicada a la superficie activa. Su sensibilidad a la fuerza está optimizada para uso en el control por toque humano de dispositivos electrónicos. Las FSRs no son células de carga o galgas extensiométricas aunque tengan propiedades similares. Las FSRs no son adecuadas para medidas de precisión. Los FSRde la linea 400 son una familia de sensores resistivos de fuerza de tamaño reducido y forma circular. Estos sensores están compuestos de una gruesa película de un polímero robusto. Estos dispositivos sufren un decenso en su resistencia interna cuando una fuerza es aplicada sobre la superficie del sensor. Dicha sensibilidad a sufrir un cambio resistivo está optimizada en los rangos de fuerza aplicada del tacto humano en sistemas electrónicos, participando en aparatos de la electrónica automotriz, los sistemas de uso médico además de aplicaciones roboticas en la industria. Cuando el par de capas conductoras son comprimidas una contra la otra, el número de trayectorias eléctricas a través de la capa envuelta aumenta, por lo que se crea una disminución de la resistencia eléctrica en esa lámina. Sin embargo en cada uno de estos dispositivos la capa envuelta debe ser lo suficientemente elástico al ser compactada por los electrodos para poder recuperar su forma original y así separar y desconectar la mayor parte de las trayectorias conductoras cuando ya no se le aplique una fuerza.Este polímero fibroso y esponjoso suele perder su elasticidad después del uso prolongado, por lo que cambiará las características operacionales del interruptor. Dentro las características principales del sensor FSRse encuentra que a través de una fuerza puede proporcionar una salida de 0-5 V. Este sensor tiene una resistencia típica de 100kΩ en reposo y un límitede resistencia inferiorde hasta 10kΩ cuando se hace presión sobre el sensor. El sensor es muy útil para detectar presión en determinados puntos como lo son por ejemplo la distribución de carga en un robot al moverse, la presión de estrangulamientoen una pinza de robot, etc. El sensor incluye un tope de gota de silicona que le permite transmitir la fuerzauniformemente sobre la superficie sensora. Las FSRs no son células de carga o galgas extensiométricas aunque tengan propiedades similares. Las FSRs no son adecuadas para la medición de precisión.

La característica de fuerza vs resistencia se muestra en la Figura 10.2, muestra el comportamiento típico del FSR (representado en formato log/log). En particular la característica de fuerza resistencia es la respuesta del sensor #402 (0.5" [12.7 mm] del diámetro de su área activa circular). Un actuador de acero inoxidable semiesférico de diámetro 0,4" [10.0 mm] y con punta de goma de poliuretano con dureza 60 se utiliza para accionar el dispositivo de FSR. La respuesta del FSR es aproximadamente 1 / R.

En la figura 10.2, en el extremo de baja fuerza un interruptor como respuesta es evidente. Además el umbral, o "fuerza de ruptura", (más de 100 kΩ). Al iniciar la gama dinámica está determinada por el sustrato, el espesor del recubrimiento y la flexibilidad, el tamaño y la forma del accionado, y el separador de espesor adhesivo. Eliminar el adhesivo, o mantenerlo lejos del área donde la fuerza se está aplicando, dará una menor resistencia de reposo (stand-off). Al final de la gama dinámica (fuerza de alta), la respuesta se desvía de la a ley 1/R, y finalmente se satura a un punto donde los aumentos en vigor suponen muy poca o ninguna disminución en la resistencia. En estas condiciones en la figura 10.2, esta fuerza es la saturación de más de 1 kg. El punto de saturación es más una función de la presión de la fuerza. La presión de saturación de un FSR típico es del orden de 100 a 200 psi. Para los datos mostrados en las Figuras 10.2, 10.3 y 10.4, la actual gama de presión medida es de 0 a 175 psi (0 a22 libras más de 0,125 aplica en 2). Fuerzas superiores a la fuerza de la saturación se pueden medir mediante la difusión de la fuerza sobre un área mayor, la presión general luego se mantuvo por debajo del punto de saturación, y la respuesta dinámica se mantiene. Sin embargo, lo contrario de este efecto también es cierto, más pequeños actuadores saturará FSRs anteriormente en el rango dinámico, desde el punto de saturación que se llegó a un menor vigor. Fuerza vs Conductancia En la figura 10.3, la conductividad (1/R) se representa frente a la fuerza. Este formato permite la interpretación en una escala lineal (los valores de resistencia correspondientes también se incluyen en el eje vertical derecho). Un circuito simple llamada convertidor corriente-tensión da una salida de tensión

directamente proporcional a la conductancia de FSR y puede ser útil cuando se requiere una linealidad de la respuesta. La Figura 3 también incluye una curva típica de repetitividad. Esta banda de error determina la máxima precisión de cualquier medida de la fuerza en general. La difusión o la anchura de la banda dependen en gran medida la capacidad de repetición de cualquier sistema de medición y de accionamiento, así como la tolerancia de repetición durante la producción. Generalmente la tolerancia de repetitividad durante intervalos de fabricación (parte-parte) es de ± 15% ± 25% de la resistencia nominal establecida.

Figura 10.4 pone de relieve el 0 - 1 kg (0 - 2.2 lbs) la gama de la conductancia para aplicaciones de interfaz humana. Dado que la respuesta de la conductancia en este rango es bastante lineal, la resolución de la fuerza será uniforme y la aplicación e interpretación de datos será simplificada. También se muestra de la banda de error típica. En la mayoría de aplicaciones de control de interfaz humana este error es insignificante, ya que toque humano es bastante inexacto. Los estudios humanos han demostrado que los errores de respetabilidad de la fuerza son menores que ± 50%, es decir, son difíciles de distinguir por el tacto.

Figura 10.3: Grafica fuerza vs conductancia Modelos de los sensores de fuerza resistivos  

Modelo 400 (circular de 0.2”) Modelo 402 (circular de 0.5”)

Diferentes tipos de sensores de fuerza resistivos

Motivos principales de uso de esta tecnología así como su descripción. Qué es ypor qué se usa. Beneficios de su tecnología. Imágenes descriptivas así como mapas mentales para simplificar o contextualizar lo explicado en un LARGO texto. Antecedentes de esta tecnología: Años en los cuales se produjo cierto progreso en esta tecnología, citando a los autores de dichos avances. Mínimo 6. Por ejemplo:

2003 (dBPa 10239273.0) El CAGE CLAMP ® S, esta conexión perfeccionó el manejo de nuestra conocida CAGE CLAMP ® con esta tecnología no se requieren herramientas para el empuje en la terminal de conductores sólidos y con casquillos.

Puente de Wheatstone El puente Wheatstone es un circuito inicialmente descrito en 1833 por Samuel Hunter Christie (1784-1865). No obstante, fue el Sr. Charles Wheatstone quien le dio muchos usos cuando lo descubrió en 1843. Como resultado este circuito lleva su nombre. Es el circuito más sensitivo que existe para medir una resistencia El puente Wheatstone es un circuito muy interesante y se utiliza para medir el valor de componentes pasivos como las resistencias Circuito implementado en el protoboard:

Diagrama arduino:

Diagrama realizado en lab-view:

Resultados Fuerza (lb) Fuerza (N)

Resistencia FSR

Corriente FSR

Voltaje

0 0

Infinita

0 mA

0V

0.03 0.2

30 KΩ

0.13mA

1.2 V

0.20 1

6 KΩ

0.3 mA

3.1 V

2.5 10

1KΩ

0.45 mA

4.5 V

22 100

250Ω

0.49 mA

5V

Gráfico de relación Fuerza-Voltaje: 6 5

Voltaje

4 3 2 1 0 0

20

40

60 Fuerza(N)

80

100

120

Grafico Exponencial de la Fuerza vs Voltaje en diferentes resistencias :

Conclusión Los resultados de esta práctica nos permitieron conocer la aplicación del uso de los diferentes sensores empleados así como la importancia del cálculo de errores, en la realización de mediciones ya que permite conocer y caracterizar los diferentes sensores que se emplean, lo cual es de gran importancia a nivel industrial. Es de gran importancia la toma correcta de las mediciones ya que diferentes, aspectos podrían modificar los resultados que se obtienen.