2.1 SENSORES Y TRANSDUCTORES
Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable física (por ejemplo, fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.) en otra.
Un sensor es un transductor que se utiliza para medir una variable física de interés. Algunos de los sensores y transductores utilizados con más frecuencia son los calibradores de tensión (utilizados para medir la fuerza y la presión), los termopares (temperaturas), los velocímetros (velocidad).
Cualquier sensor o transductor necesita esta calibrado para ser útil como dispositivos de medida. La calibración es el procedimiento mediante el cual se establece la relación entre la variable medida y la señal de salida convertida.
Los transductores y los sensores pueden clasificarse en dos tipos básicos, dependiendo de la forma de la señal convertida.
Los dos tipos son:
- Transductores analógicos
- Transductores digitales
Los transductores analógicos: proporcionan una señal analógica continua, por ejemplo voltaje o corriente eléctrica. Esta señal puede ser tomada como el valor de la variable física que se mide.
Los transductores digitales: producen una señal de salida digital, en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas. En una u otra forma, las señales digitales representan el valor de la variable medida. Los transductores digitales suelen ofrecer la ventaja de ser más compatibles con las computadoras digitales que los sensores analógicos en la automatización y en el control de procesos.
Características deseables de los transductores
Exactitud
La exactitud de la medición debe ser tan alta como fuese posible. Se entiende por exactitud que le valor verdadero de la variable se pueda detectar sin errores sistemáticos positivos o negativos en la medición. Sobre varias mediciones de la variable, el promedio de error entre el valor real y el valor detectado tendera a ser cero.
Precisión
La precisión de la medición debe ser tan alta como fuese posible. La precisión significa que existe o no una pequeña variación aleatoria en la medición de la variable. La dispersión en los valores de una serie de mediciones será mínima.
Rango de funcionamiento
El sensor debe tener un amplio rango de funcionamiento y debe ser exacto y preciso en todo el rango.
Velocidad de respuesta
El transductor debe ser capaz de responder a los cambios de la variable detectada en un tiempo mínimo. Lo ideal sería una respuesta instantánea.
Calibración
El sensor debe ser fácil de calibrar. El tiempo y los procedimientos necesarios para llevar a cabo el proceso de calibración deben ser mínimos. Además, el sensor no debe 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.
Fiabilidad
El sensor debe tener una alta fiabilidad. No debe estar sujeto a fallos frecuentes durante el funcionamiento.
Clasificación de los sensores
Internos: información sobre el propio robot
- Posición (potenciómetros, inductosyn, ópticos...)
- Velocidad (eléctricos, ópticos...)
- Aceleración
Externos: información sobre lo que rodea al robot
- Proximidad (reflexión lumínica, láser, ultrasonido...)
- Tacto (varillas, presión, polímeros...)
- Fuerza (corriente en motores, deflexión...)
- Visión (cámaras de tubo)
Según el tipo de magnitud física a detectar podemos establecer la siguiente clasificación:
- Posición lineal o angular.
- Desplazamiento o deformación.
- Velocidad lineal o angular.
- Aceleración.
- Fuerza y par.
- Presión.
- Caudal.
- Temperatura.
- Presencia o proximidad.
- Táctiles.
- Intensidad lumínica.
- Sistemas de visión artificial.
Otro tipo de clasificación es diferenciar entre sensores activos o pasivos. Los sensores pasivos requieren de una alimentación para efectuar su función, mientras que los activos general la señal sin necesidad de alimentación externa
Los sensores externos son los elementos que permiten al robot interactuar con su ambiente de una manera flexible. Aunque muchos de los robots actuales ( sobre todo los de las industrias) trabajan de una forma preprogramada, el uso de los sensores externos como apoyo en la ejecución de tareas es cada día más amplio. Los sensores externos dan al robot mayor independencia del entorno concreto en el que se mueven, lo que se traduce en un mayor grado de "inteligencia".
Los sensores táctiles son dispositivos que indican el contacto de algún objeto sólido con ellos mismos. Suelen ser empleados en los extremos de los brazos de robot (pinzas) para controlar la manipulación de objetos. A su vez se pueden dividir en dos tipos: de contacto y de fuerza.
Los sensores de contacto nos indican simplemente si ha habido contacto o no con algún objeto, sin considerar la magnitud de la fuerza de contacto. Suelen ser dispositivos sencillos cuyo uso es muy variado.
Se pueden situar en las pinzas de los brazos de robot para determinar cuando se ha cogido un objeto, pueden formar parte de sondas de inspección para determinar dimensiones de objetos, o incluso pueden situarse en el exterior de las pinzas para ir tanteando un entorno.
Estos sensores suelen ser interruptores de límite o microinterruptores, que son sencillos dispositivos eléctricos que cuando se contacta con ellos cambian de estado.
Los sensores de fuerza determinan, Además de si ha habido contacto con un objeto como los anteriores, la magnitud de la fuerza con la que se ha producido dicho contacto. Esta capacidad es muy útil ya que permitirá al robot poder manipular objetos de diferentes tamaños e incluso colocarlos en lugares muy precisos. Para detectar la fuerza con la que se ha contactado con un objeto existen diversas técnicas
Muñeca detectora de fuerza.
Consta de un célula de carga que se sitúa entre la muñeca y las pinzas del brazo. Su objetivo es proporcionar información sobre las tres componentes de la fuerza (Fx,Fy,Fz) y sobre sus tres momentos en velocidad con la que se mueve el brazo es considerable, resulta difícil poder controlar sus movimientos lo suficientemente rápido como para que no provoque ninguna catástrofe (como el aplastamiento de algún objeto).
Sensores de array táctil
Es un tipo especial de sensores de fuerza ya que en realidad está constituido por una matriz de pequeños sensores de fuerza. Debido a esta característica, permiten además reconocer formas en los objetos que se está manipulando. Este tipo de dispositivos suelen montarse en las pinzas de los brazos de robot.
Cada uno de los sensores de fuerza que componen la matriz suele ser una almohadilla elastomérica, que cuando se comprime cambia su resistencia eléctrica de manera proporcional a la fuerza aplicada. Midiendo esa resistencia es cuando podemos obtener la información acerca de la fuerza. La resolución de este tipo de sensores vendrá dada lógicamente por las dimensiones de la matriz de sensores.
Un factor muy importante y que puede resultar un problema al diseñar este tipo de sensores es el grado de desgaste de la superficie de contacto.
Sensores blindados y sin blindaje
Sensores blindados.- Incluyen una banda de metal que rodea al núcleo de ferrita y a la bobina. Esto ayuda a dirigir el campo electromagnético a la parte frontal del sensor.
Sensor blindado.
Sensores sin blindaje.- No tienen banda metálica; no obstante, cuentan con una distancia de operación mayor y tienen la capacidad de sensar lateralmente.
Sensores inductivos
- Consiste en un dispositivo conformado por:
- Una bobina y un núcleo de ferrita.
- Un oscilador.
- Un circuito detector (etapa de conmutación)
- Una salida de estado sólido.
El oscilador crea un campo de alta frecuencia de oscilación por el efecto electromagnético producido por la bobina en la parte frontal del sensor centrado con respecto al eje de la bobina. Así, el oscilador consume una corriente conocida. El núcleo de ferrita concentra y dirige el campo electromagnético en la parte frontal, convirtiéndose en la superficie activa del sensor.
Cuando un objeto metálico interactúa con el campo de alta frecuencia, se inducen corrientes EDDY en la superficie activa. Esto genera una disminución de las líneas de fuerza en el circuito oscilador y, en consecuencia, desciende la amplitud de oscilación.
El circuito detector reconoce un cambio específico en la amplitud y genera una señal, la cual cambia (pilotea) la salida de estado sólido a "ON" u "OFF". Cuando se retira el objeto metálico del área de senado, el oscilador genera el campo, permitiendo al sensor regresar a su estado normal.
Sensor capacitivo
Un sensor capacitivo es adecuado para el caso de querer detectar un objeto no metálico. Para objetos metálicos es más adecuado escoger un sensor inductivo.
Para distancias superiores a los 40 mm es totalmente inadecuado el uso de este tipo de sensores, siendo preferible una detección con sensores ópticos o de barrera.
Los sensores capacitivos funcionan de manera similar a un capacitor simple.
La lámina de metal [1] en el extremo del sensor esta conectado eléctricamente a un oscilador [2]. El objeto que se detecta funciona como una segunda lámina. Cuando se aplica energía al sensor el oscilador percibe la capacitancia externa entre el objetivo y la lámina interna. Los sensores capacitivos funcionan de manera opuesta a los inductivos, a medida que el objetivo se acerca al sensor capacitivo las oscilaciones aumentan hasta llegar a un nivel limite lo que activa el circuito disparador [3] que a su vez cambia el estado del switch [4].
Sensores Ultrasónicos
Existe una línea versátil de sensores que incluyen 30 mm de laminilla metal y albergues plásticos en dos estilos de albergue rectangulares.
Es estrecho análogo y con rendimientos a dispositivos discretos extensamente, sensor múltiple de posicionamiento sensando los rasgos ambientales del entorno del robot.
Aplicaciones típicas
- Detección de prácticamente cualquier material
- Control y verificación de nivel, depósitos, tanques, cubetas
- Medida de distancia
- Control del bucle de entrada-salida de máquinas
- Control de tensado-destensado, dilatación
