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Sensores Ópticos de Velocidad Existen bastantes formas de medir la velocidad de desplazamiento de un objeto, varias de ellas son mecánicas y muchas otras emplean la teoría electromagnética para lograr su cometido. En este caso describo lo sensores ópticos de velocidad más comunes. Primeramente haré una breve descripción de la forma en que operan los sensores ópticos

Descripción Un sensor óptico se basa en el aprovechamiento de la interacción entre la luz y la materia para determinar las propiedades de ésta. Una mejora de los dispositivos sensores, comprende la utilización de la fibra óptica como elemento de transmisión de la luz

Figura 1. Diagrama básico de un sensor óptico.

Existen diferentes técnicas ópticas que pueden aplicarse a la medida de diferentes parámetros. Podemos medir la atenuación-transmisión espectral de la luz al atravesar un determinado medio, lo que nos permitirá encontrar los elementos discretos presentes en ese medio y su concentración. También pueden realizarse medidas de tipo interferométrico, en las que la propiedad de la radiación que sufre cambios debido al efecto externo es la fase, con lo que empleando otro haz luminoso de fase conocida como referencia, es posible determinar la magnitud de ese efecto externo. Una técnica que ha cobrado especial relevancia en los últimos años dentro del Departamento de Óptica, es la basada en la resonancia de plasmones superficiales, especialmente útil para la medida del índice de refracción de líquidos. En este caso lo que se mide es la atenuación de la luz guiada por una fibra óptica a la que se le ha eliminado parcialmente el revestimiento y se ha depositado una multicapa incluyendo algún medio metálico. Dependiendo del índice de refracción del medio en contacto con la capa más exterior, el acoplamiento entre los campos será más o menos intenso, o que se reflejará en la potencia luminosa que sale por el otro extremo de la fibra Los sensores ópticos, presentan importantes ventaja cuando lo que se desea es determinar propiedades físicas o químicas: • • • • •

Es un método no destructivo y no invasivo. Ofrece posibilidades de integración en sistemas más complejos. Bajo coste y tecnología bien establecida. Posibilidades de control a distancia de lugares poco accesibles físicamente. Capacidad de conformar redes espaciales de sensores para el control de parámetros en grandes superficies

Ejemplos de Sensores Ópticos Algunos de los sensores ópticos que se emplean para medir la velocidad son los siguientes:

1. Sensor óptico de rayos infrarrojos por reflexión. El modelo más común en el mercado es el CNY70. Este componente funciona en base a un fototransistor en conjunto con un diodo emisor de luz infrarroja. Su diagrama equivalente de conexión es el siguiente

Figura 2. Diagrama equivalente y estructura física del CNY70.

a. Especificaciones técnicas.

Como ya mencioné, éste es un sensor que contiene un emisor (diodo LED) y un receptor de rayos infrarrojos (fototransistor) en la misma cápsula. Es un dispositivo de reflexión ideal para detectar cambios de tono sobre una superficie a la que debe situarse a pocos milímetros de distancia. La luz que emite por el diodo LED es reflejada por la superficie y detectada por el fototransistor. Funciona a frecuencias elevadas y aísla el circuito eléctrico del sensor y del microcontrolador de control.

b. Aplicaciones.

En el caso de emplearlo para sensar velocidad de un objeto en movimiento, es necesario tener un material reflejante que permita la incidencia del haz de luz, emitido por el diodo, sobre la base del fototransistor, de este fenómeno se genera una corriente en la base misma que pasa al emisor permitiendo generar una caída de voltaje en una resistencia de carga. Generalmente estos sensores vienen con una cinta adhesiva hecha de material reflejante que se pone en el objeto sobre el cual se busca sensar la velocidad. Debido a que su alcance es muy corto, comúnmente este sensor se emplea para determinar la velocidad de rotación de un motor (poniendo la cinta en la flecha) en base al número de incidencias que se registran en un intervalo de tiempo específico.

2. Sensor óptico de rayos infrarrojos directo. El modelo más común en el mercado es el H21A (Optoacoplador), el cual también funciona en base a un fototransistor y a un LED infrarrojo. Su diagrama equivalente de conexión es el siguiente

Figura 3. Diagrama equivalente y estructura física del H21A.

a. Descripción técnica.

Es un dispositivo que contiene un emisor de rayos infrarrojos (diodo LED) y un receptor de los mismos (fototransistor). Ambos elementos están situados a la misma altura y a una distancia de 3 milímetros enfrentados. Su finalidad es detectar objetos que se interponen entre el emisor y el receptor que cortan el haz, de luz.

b. Aplicaciones.

En el caso de sensar la velocidad, se emplea como un elemento de un encoder (capaz de medir la velocidad de giro del eje del motor). Lo anterior se realiza creando un disco ranurado e insertarlo en la flecha del motor de forma que a través de las ranuras se genere una serie de interrupciones en el haz de luz lo cual será proporcional a la velocidad de giro del motor. Gráficamente se tiene lo siguiente:

Figura 4. Motor con disco ranurado para generar interrupciones en el haz de luz

Cabe mencionar de este par de ejemplos de sensores; que ambos trabajan bajo el mismo principio, el cual es registrar una serie de pulsos en un intervalo de tiempo y en base a ello buscar su proporción con la velocidad a la que gira el motor. El número de pulsos es necesario procesarlo empleando un microprocesador ya que de otra forma y en base a ello se dificultaría bastante obtener el parámetro de la velocidad con que gira el motor. Otra forma de proporcionar la velocidad del motor es en base a la frecuencia del motor se genere un voltaje proporcional a la misma. Puesto que a mayor velocidad mayor es la frecuencia de los pulsos de tensión a la salida del sensor. Una ilustración del modo de funcionamiento corresponde a la siguiente figura:

Figura 5. Comparativo de la velocidad del motor con la frecuencia de los pulsos generada por los sensores ópticos.

En la figura se observa como la frecuencia de los pulsos de salida del sensor es proporcional a la velocidad del motor. Puesto que la frecuencia no resulta una señal adecuada para construir un sistema de control de velocidad, se utiliza un convertidor frecuencia-tensión. Este convertidor permite obtener una tensión proporcional a la frecuencia y, por tanto, a la velocidad del motor. Un convertidor frecuencia tensión común es el integrado AD650. La configuración con la que se construye el convertidor frecuencia tensión básicamente funciona de la siguiente forma: Por cada pulso de tensión que llega al integrado este genera un pulso de corriente de anchura fija y lo aplica al circuito compuesto por el paralelo de un condensador y una resistencia, tal como muestra la siguiente figura :

Figura 6. Circuito para emplear el convertidor frecuencia tensión.

Como podemos observar, el valor medio de Vo es proporcional a la frecuencia de los pulsos de corriente, a mayor frecuencia de los pulsos (como consecuencia de una mayor velocidad del motor), mayor es el valor medio de la corriente y mayor la tensión de salida. Así la tensión de salida es proporcional a la velocidad del motor. Una simulación del funcionamiento del sistema de medición de velocidad, representa el proceso de arranque del motor. Lo anterior se muestra en la siguiente figura:

Figura 7. Proceso de arranque del motor.

Véase como con cada pulso que proporciona el sensor aparece un pulso de corriente y crece la tensión Vo, llegando a un valor estable cuando se estabiliza la frecuencia como consecuencia de la velocidad constante del motor. En base a lo anterior me atrevo a concluir que la función de transferencia de un sensor de velocidad se debe aproximar a una constante ya que para cierto rango de velocidad se entrega un voltaje proporcional. Otro ejemplo de sensor óptico remoto es el ROS el cual puede detectar eñ pulso reflejado desde un objetivo consistente en una Cinta Reflectante a distancias de hasta 91cm (ROS-9P 99cm) desde el objeto rotativo y a ángulos de hasta 45grados. Para la mayor parte de las aplicaciones, se debe colocar un pedazo cuadrado de 12mm de Cinta Reflectante en una zona limpia del objeto rotativo. El sensor se debe montar y alinear en forma óptica de manera tal de que ilumine el objetivo una vez por revolución. Cuando el Sensor Optico Remoto ROS se apunta bien, el LED verde Indicador de Objetivo parpadea al rango de la frecuencia de entrada. Para que el sensor reciba solamente pulsos desde el marcador reflectante, se recomienda colocarlo de manera tal de que forme un leve ángulo (15 grados) respecto del plano perpendicular. A fin de evitar disparos en falso, el Sensor Optico Remoto debe estar a una distancia de por lo menos 1 pulgada del objetivo reflectante. El sensor viene provisto con un conjunto de dos contratuercas M16 y una ménsula de montaje de aluminio con un ángulo de 90°. El Sensor Óptico Remoto ROS se utiliza con los tacómetros de montaje para paneles. Además, viene provisto con un cable de 8 pies terminado en cuatro alambres estañados. El largo del cable se puede extender hasta los 100m (300 pies). Necesita la alimentación de 5 V CC a 30 mA provista por los Tacómetros. La salida desde el Sensor hasta el instrumento es un Pulso TTL de 5-0 V CC. Algunas de sus especificaciones son las siguientes:

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Rango de Velocidad: 1-250,000 RPM (ROS 9P- 1-100,000 RPM) Iluminación: LED Rojo Visible (5 V CC @ 30mA) (ROS 9P- 9 V CC @ 30mA) Rango de Funcionamiento: 91 cm (ROS 9P 99cm) hasta 45 grados desde el objetivo Temp. de Funcionamiento: -10° a 250°F (-23° a 121°C) (ROS 9P -40° a 212°F (-40° a 100°C)) Indicador de Objetivo: LED Verde Lente: Plástico Acrílico Dimensiones: Tubo Roscado de 2.90 pulgadas x 0.62 pulgadas de diámetro (M16 x 1.5 x 74mm) Material: Acero Inoxidable 303 Provisto de dos contratuercas M16 y Ménsula de Montaje ROS – NUT (Sensor Optico Remoto – Tuerca)Conjunto de dos contratuercas M16 ROS – MNT (Sensor Optico Remoto – Montaje) Ménsula de Montaje de Aluminio con un Angulo de 90° – 2 pulgadas x 2 pulgadas x 0.80 pulgadas T-5 Rollo de Cinta Reflectante de 5 pies de largo (el Sensor viene provisto con 12 pulgadas de cinta)

Bibliografía o ccc.inaoep.mx/~rodrigo/robotica/sesion2.pdf o www.elion.es/comun/pdfs/info23.pdf o “Handbook of Modern Sensors :Physics, Designs, and Applications” /J. Fraden. Nueva York, EUA : Springer, 2004, c2004.

Francisco Javier García Vázquez IE 45656