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Sensores (Electrónica/Sistemas Programables)


Hola bienvenidos de nueva cuenta a StudentPlace, el día de hoy hablaremos de un tema relacionado un poco a la electrónica, en este caso estaremos tratando con sensores.

Bien, en el mundo de la informática y electrónica es muy común la creación de ciertos artefactos y tecnologías que nos facilitan la tarea a diario, sin embargo varias de estas necesitan una forma de poder extraer información del medio en el que se encuentran para poder tomar acciones con respecto a ella. Un ejemplo sencillo y llamativo es por ejemplo  el Rover Opportinity, que fue construido con el propósito de explorar el suelo marciano, este tipo de robot ademas de cámaras, paneles solares, sistemas de comunicación entre otras cosas también cuenta con una gran variedad de sensores que utiliza para controlar sus acciones y anticiparse al medio, por ejemplo sensores de proximidad para evadir obstáculos o planear una ruta optima de desplazamiento.

Rover Opportinity

Conceptos Previos:

Antes de comenzar necesitamos saber algo, y es que desde el inicio de la raza humana siempre hemos buscado la forma de obtener energía a partir de la naturaleza y transformarla en otros tipos de energía, con el fin de controlarla y utilizarla en nuestro beneficio.

Estos tipos de energía se presentan en el medio en el que vivimos, ejemplos son el sonido, presión, luz, entre otros, los cuales podemos denominar variables físicas, su definición técnica iría así: "una variable física es la representación de un parámetro físico, mediante el cual, a su vez, se describa su comportamiento".

Por otra parte estas variables físicas pueden ser medidas, a este proceso de medir y cuantificar en valores numéricos a una variable o constante física se le denomina magnitud física.

En otras palabras, generalmente la energía de algún tipo recibe un nombre, por decir algo, la rapidez con la que se mueve un auto se le denomina velocidad es la variable física, por el contrario, cuando le damos un valor como 50km/h, a ese numero se le denomina magnitud física.

Ahora ¿Por qué menciono todo esto? Pues es fácil, todo sistema de ingeniería moderno basa su funcionamiento en el sistema de procesamiento de información y la información que procesa proviene del medio, del entorno y esta la procesa por medio sensores los cuales convierten ciertos tipos de energía provenientes de variables físicas en valores medibles que son usados para ejecutar ciertas acciones. ¿No me crees? Pues es verdad, llendo por un ejemplo sencillo, ¿Cómo crees que tu AC sabe cuando debe funcionar para enfriar el cuarto?, simple, el AC es un sistema electrónico, la información que procesa es la temperatura, recordemos que la temperatura mide la energía calorífica del medio, es así que los sensores del mismo miden la temperatura en valores numéricos y cuando este llega a cierto valor realiza las acciones pertinentes para mantener el lugar a la temperatura deseable.

Sistemas Programables:

Un sistema programable es aquel que consta de un circuito electrónico con algún tipo de microprocesador o microcontrolador integrado, capaz de almacenar una serie de instrucciones (programa informático) en una memoria interna con el propósito de realizar alguna acción para mantener el control y gestión de un sistema.

Muchos preguntaran ¿A ver, que tiene que ver esto con sensores? pues mucho, veras, todo equipo o dispositivo que pueda realizar acciones por si solo, desde un radio despertador hasta un auto inteligente es un sistema programable, es decir, un sistema electrónico que puede ser programado y hasta reprogramado para hacer ciertas tareas de forma independiente. Todos estos utilizan distintos componentes, entre ellos, como dice la definición: microprocesadores, sensores, transductores, actuadores etc.

Ahora entes de continuar, me gustaría dejar claro algo para posibles futuras referencias:

Microprocesador vs Microcontrolador

Creo todos conocemos que es un microprocedador, el cual es básicamente un chip de circuito integrado de silicio con una infinidad de transistores, que conforman el corazón de cualquier sistema informático (y electrónico en este caso jeje). Sin embargo no muchos saben que es un microcontrolador, es más, yo mismo confieso que durante mucho no tuve clara la diferencia.

En fin, te explicaré: un microprocesador es simplemente el cerebro informático de cualquier componente, generalmente lo que se nos viene a la mente al escuchar dicha palabra, es, básicamente una computadora y he aquí la diferencia:

Una computadora ademas del microprocesador consta de RAM, ROM, Discos Duros de Almacenamiento, etc, y son componentes que incluso pueden ser cambiados y reemplazados, puesto que un microprocesador solo es un chip, un cerebro sin cuerpo, me explico.

Un microcontrolador es en cambio una minicomputadora, en la imagen de abajo veras lo que es físicamente esa cosa de la que hablamos, la cual es básicamente un chip, pero este, por dentro, incluye en miniatura RAM, un CPU, ROM, pines para periféricos etc. En resumen, esa cosa negra es una computadora con todo incluido.

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Ejemplo de microcontrolador
¿Cuál es la desventaja? 
Pues básicamente te darás cuanta y podrás imaginarte que, los microcontroladores vienen sellados, no es posible aumentar las capacidades de sus componentes internos, que por lo general son de prestaciones bajas y simplificadas, es por ello que las computadoras utilizan microprocesadores en vez de microcontroladores.

¿Entonces para que se usan los microcontroladores?
Son utilizados en sistemas electrónicos e informáticos sencillos para automatizar tareas. Por ejemplo, los medidores de presión arterial digitales, las basculas actuales, los sistemas de temperatura o clima, etc.

En resumen, un microprocesador puede ser configurado para realizar una gran variedad de tareas, mientras un microcontrolador es generalmente usado en sistemas autónomos y sencillos.

En fin, creo ya nos hemos salido mucho del tema. Como sea, los sistemas programables constan de varios componentes, aunque básicamente se conforman de:
  • Transductores: dispositivo que es capaz de convertir una variable física en otra que tiene dominio diferente. Básicamente solo cambia el dominio de la variable física, siendo este el que da un valor, generalmente numérico, utilizable por el sistema.
  • Sensores: De acuerdo con lo anterior un transductor forma parte de un sensor, sin embargo este es un dispositivo de entrada que provee una salida manipulable de la variable física medida. Proporciona una salida útil para ser usada como variable de entrada en un sistema de procesamiento de información.
  • Actuadores: aquellos dispositivos que, "actúan" o ejecutan una acción determinada por el sistema de procesamiento de información.
Tipos de Sensores:

Como sea, hasta el momento ya hemos definido varios conceptos importantes, sin embargo es hora de hablar de lo que nos atañe, los sensores.

Los sensores son considerados como dispositivos de entrada, dado que este es el intermediario entre la variable física y el sistema de medida. Actualmente los sensores envían señales eléctricas a la salida, las cuales serán procesadas ya sea por el microprocesador o microcontrolador en cuestión para disparar acciones posteriores de acuerdo a su programación, este tipo de señales pueden ser digitales o análogas según sea el caso.

Los sensores pueden clasificarse entorno a dos grupos con sus subdivisiones:

Según el principio de Transducción:



Sin embargo esta clasificación es poco usada dado que no nos da una clara visión de la variable física que utilizan para efectuar sus mediciones y con ello dan poca información para su empleo de forma aplicada.

Según la variable física a medir


Siendo esta la clasificación convencional, sin embargo como todo tiene sus defectos, dado que, en esta clasificación un mismo sensor puede ser usado en distintas aplicaciones según sea el caso. Por ejemplo, un sensor de proximidad puede ser usado como sensor de nivel, así como para calcular la posición de un objeto e incluso su velocidad, todo ello acorde a la configuración proporcionada.

Algunos tipos de sensores:
Bien, ahora hablemos de algunos tipos de sensores, no hablaremos de todos, pues este post puede quedar siendo muy largo (mas de lo planeado), pero empecemos con:

Sensores de Temperatura:

Recordemos que la temperatura es la intensidad de calor de un objeto, un sensor de temperatura convierte los cambios de temperatura en cambios de señales eléctricas.

Los sensores de temperatura pueden ser clasificados en básicamente 3 tipos:
  • Termopares
  • Resistivos
  • Semiconductores
Termopares:
Es un transductor que convierte la energía térmica en energía eléctrica mediante la unión de dos alambres de distintos materiales.

Un termopar está disponible en diferentes combinaciones de metales o calibraciones. Las cuatro calibraciones más comunes son J, K, T y E. Cada calibración tiene un diferente rango de temperatura y ambiente.


Resistivos:
Es un detector de temperatura resistivo, es decir un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura.

Semiconductores:
Como todos sabemos, los materiales semiconductores cambian su nivel de conductividad a medida que varia su temperatura, de manera que, a menor temperatura son pésimos pero a mayor temperatura son excelentes conductores, de esta manera, aprovechan esta propiedad para la medición de temperatura.

Algunos ejemplos de sensores de temperatura son:

LM35:
Es un sensor analógico muy conocido en el mundo de la electrónica porque es simple de implementar y económico, tiene encapsulado compacto, cuenta con 3 pines, 2 de alimentación y una de salida. Tiene una alimentación que va desde los 4 a 30v pudiendo medir temperaturas desde los -50 a 150 °C.

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Sensor DS18B20
Cuenta con tres pines, el primer pin se llama GND que es la referencia a 0 de nuestro circuito y este se conecta a tierra, el segundo es el pin DQ que es donde se van a transmitir todos los datos del sensor y el tercer pin es el VDD que es el de alimentación donde podremos alimentar a nuestro sensor con su rango de V. Su alimentación son de 3 a 5 v y su rango de medición de temperatura mide desde los -55° a 125°.

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Sensores de Presión:
Para medir la presión se utilizan sensores que están dotados de un elemento sensible a la presión y que emiten una señal eléctrica al variar la presión o que provocan operaciones de conmutación si esta supera un determinado valor límite. Estos sensores son pequeños, bajos costo y confiables. 

Algunos clasificaciones de estos tipos de sensores son:

Sensor de Medición Directa:
Miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocida Ejemplos son: barómetro cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado.

Manómetro de tubo en U:
Mide la diferencia de presión entre el fluido y la presión atmosférica.  Este:
  • Contiene mercurio, agua, aceite, entre otros. 
  • Es preciso en el rango 500 [Pa] a 200 [KPa]. 
  • Ventaja: Versatilidad. 
  • Desventajas : Longitud de tubo necesaria para medir presiones altas. 
Resultado de imagen para manometro de tubo en u

Barómetros:
Se usa en la calibración de altímetros y estaciones meteorológicas. Se requiere aplicar una corrección por altura.
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Sensores Elásticos:Tubo Bourdon
Es el método más común para medir presiones. Tubo aplanado de bronce o acero curvado en arco. 
Al aplicar presión al interior del tubo, tiende a enderezarse, transmitiendo este movimiento a una aguja por medio de un mecanismo amplificador adecuado. Muy preciso hasta 200 atm. con precisión del 2– 3 %. Escala máx. 7000 Kg/cm2.  Esta deformación puede trasladarse a una aguja o a un sistema de resistencia variable o a un campo electromagnético.

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Medidor de Diafragma:
Consta de cápsulas circulares conectadas entre sí por soldadura. Al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de desplazamiento se amplifica por un juego de palancas. Se aplica para pequeñas presiones.
Resultado de imagen para medidor de diafragma
Medidor de Fuelle:
Similar al diafragma, pero de una sola pieza flexible axialmente. Se aplica para bajas presiones. 

Resultado de imagen para medidor de fuelle

 Sensores Electromecánicos:
Combinan un elemento mecánico elástico más un transductor eléctrico. El elemento mecánico puede consistir en un  tubo bourdon, fuelle, diafragma, o combinación de los mismos.

Manómetro Digital:
Los Manómetros Digitales son la solución ideal cuando se busca un transductor de presión y un visualizador sin cables, ya que al unir el sensor y el visualizador en un solo bloque alimentado por baterías internas, permiten instalarse en cualquier punto donde se precise medir presión con unas buenas prestaciones y rangos desde 0.5 hasta 2.000 bar.

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Sensores Ópticos:
Un sensor óptico es clasificado dentro de los sensores físicos debido a que su funcionamiento está basado en la detección de luz; ya sea por su reflexión, luminiscencia, índice de refracción, etc.

Los sensores ópticos pueden clasificarse en función de la naturaleza de la propiedad óptica medida, se pueden dividir en:
  • Sensores de absorbancia.
  • Sensores de reflectancia.
  • Sensores de luminiscencia (fluorescencia, fosforescencia, etc).
  • Sensores de dispersión Raman.
  • Sensores de índice de refracción.
Algunos tipos de sensores ópticos son:
Sensores de color:
Los sensores de color tienen aplicaciones muy comunes en el ámbito de ajuste de color en impresiones, sistemas de control basados en el color de los objetos, juguetes y videojuegos, entre otros. Estos sensores tienen dos vertientes básicas: una basada en el uso de filtros de color y la otra en la irradiación de luz y como esta se refleja en el objeto a detectar.

Los sensores basados en filtros proporcionan una salida en voltaje directamente proporcional a la irradiación, al ser lineales por completo. Consiste en un grupo de tres fotodiodos, cada uno con un filtro de color: rojo, verde y azul. En este tipo de sensores, la fuente de luz es independiente del sensor; la cantidad de luz presente en el sistema es una característica del ambiente.

Los filtros de color se basan en la idea de que un elemento de un color determinado absorberá todas las longitudes de onda, excepto aquella que corresponde al color del objeto.

Aquellos basados en la irradiación de una fuente de color fija centran su idea en que al emitir una fuente de luz sobre un objeto este reflejara con mayor intensidad el color de su cuerpo.

Sensores infrarrojos:
Particularmente, el sensor infrarrojo es un dispositivo optoelectrónico capaz de medir la radiación electromagnética infrarroja de los cuerpos en su campo de visión. Todos los cuerpos emiten una cierta cantidad de radiación, esta resulta invisible para nuestros ojos pero no para estos aparatos electrónicos, ya que se encuentran en el rango del espectro justo por debajo de la luz visible.

Resultado de imagen para sensores infrarrojos

Sensores de proximidad y nivel:

Los sensores de Proximidad son aquellos que se limitan a medir la (vaya la redundancia) proximidad de un objeto con respecto al sensor, sin importar su orientación o determinar si el objeto está cerca del sensor para ser detectado, además de poder determinar el nivel de ciertas sustancias en un contenedor en un porcentaje determinado.

Los sensores de proximidad pueden clasificarse en dos grupos, por contacto y sin contacto:


A su vez existen varios tipos, desde los magnéticos hasta los piezoeléctricos:


Ejemplos de ello son los sensores:

Ultrasónicos:

Los sensores ultrasónicos son aquellos que utilizan una señal sónica para emitir mediciones.


Este tipo se sensores basan su funcionamiento en 3 fases:
  • Emisión: Se genera una señal ultrasónica (frecuencias superiores a 20 Khz).
  • Viaje: La señal viaja a través del medio y es absorbida y reflejada en parte por los objetos del medio a medir.
  • Recepción: La señal reflejada es captada por el receptor efectuando las mediciones con respecto a la atenuación de la onda percibida, el tiempo que le toma percibir la onda, la presencia o ausencia de dicha onda.
El corazón de estos sensores es un material piezoeléctrico (aquellos que generan un voltaje debido a una fuerza aplicada).

De esta manera al aplicar una excitación eléctrica al material piezoeléctrico logramos emitir una onda ultrasónica, onda que viajará por el medio y rebotará en forma de eco siendo percibida por el receptor, el cual ante la deformación generará un voltaje, el cual será útil para generar los cálculos necesarios para obtener las mediciones.

Características:
  • Es un medio no invasivo de medición (no requiere contacto alguno para realizar la medición).
  • Puede obtener mediciones con respecto a una variedad de objetos.
  • Basan su funcionamiento en el efecto Doppler.
  • Emiten señales sonoras superiores a los 20khz.
  • Por lo regular hacen uso de materiales piezoeléctricos.
  • Permiten medir distancias desde 20mm a 10m (según el fabricante)
Principal Ventaja:
Todo elemento que refleje el sonido puede ser detectado sin importar su tamaño, forma, textura o color.

Principal Desventaja:
La velocidad de propagación de la onda sonora se ve afectada por los cambios de temperatura, haciendo necesario compensar matemáticamente este hecho.

Un ejemplo básico de este tipo de sensor es el HC-SR04 para arduino:

Resultado de imagen para HC-SR04

El cual posee 4 pines de conexión:

  • VCC: voltaje de alimentación del sensor (5v).
  • Trig: siendo este el que recibe la señal de entrada que habilita la medición del sensor, es decir al recibir la señal de entrada el emisor transmite la señal sónica.
  • Echo: Señal de salida que emite un pulso en alto con una duración correspondiente al tiempo que le toma salir de TX (transmisor) a RX (receptor).
  • GND: Conexión a tierra.

Inductivos:
Son aquellos que basan su funcionamiento en la interacción entre el objeto a detectar y el campo electromagnético generado por el propio sensor. Los sensores inductivos puedes ser clasificados según su formato de construcción (cúbicos o cilíndricos) o por el tipo de contacto generado (enrasables o no enrasables).


Su funcionamiento es similar al capacitivo; la bobina detecta el objeto cuando se produce un cambio en el campo electromagnético y envía la señal al oscilador, luego se activa el disparador y finalmente al circuito de salida hace la transición entre abierto o cerrado.


Es aquí donde:
  • Un circuito oscilador: Induce el campo electromagnético emitido por el sensor.
  • Un circuito detector: Se encarga de percibir el cambio en la amplitud del campo emitido y envía una señal al circuito de acondicionamiento.
  • Un circuito de acondicionamiento: Envía la señal de salida del sensor como un cambio de estado bajo a estado alto.
La forma de comunicación es por medio de sus pines y los cables de conexión, generalmente poseen 3 pines o cables de color  marrón el cual se conecta a una fuente de 5V, un cable azul se conecta a tierra (GND)  y el negro una entrada digital como lectura.

Resultado de imagen para sensor inductivo

En fin, hasta aquí la información de sensores, espero te guste el articulo, por favor comparte y recuerda, yo solo te proporciono la llama para encender la mucha del conocimiento y provocar una explosión de conocimientos.

Fuentes:

Entre otras cosas te recomiendo encarecidamente el siguiente libro el cual me resulta muy útil como introducción a estos temas:

Titulo: Sensores y Actuadores. Aplicaciones con Arduino.
Autor: Leonel G. Corona Ramírez, Griselda S. Abarca Jimenez, Jesús Mares Carreño
Editorial: Grupo Editorial Patria
Año: 2014
Edición: Primera
ISBN: 978-607-438-936-4

También puedes consultar:
Titulo: Sensores y Acondicionadores de Señal
Autor: Ramón Pallás Areny
Editorial: Marcobo
Año: 2003
Edición: 4ta
ISBN: 84-267-1344-0

Libro: Autómatas Programables y Sistemas de Automatización.
Autor: Enrique Mandado Pérez, Jorge Marcos Acevedo, Celso Fernández Silva, José l. Armesto Quiroga
Editorial: Marcobo
Año: 2009
Edición: 1ra
ISBN: 978-84267-1575-3

Fuentes Digitales:


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