5º Jornadas AMUVA - Sensores
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Charla de sensores en las 5º Jornadas de iniciación a la microbótica de AMUVa. www.eis.uva.es/amuva
![A M U V A ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],II Jornadas de Nuevas Tecnologias SENSORES](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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Notes de l'éditeur
- Definición de un sensor : un sensor es un dispositivo capaz de captar la variación de algún fenómeno físico (presión, caudal, temperatura, intensidad luminosa...) y generar una señal, por lo general de naturaleza eléctrica (tensión, corriente, impedancia), que cuantifica la magnitud de aquel. Desde un punto de vista físico, un sensor lo que hace es convertir un tipo de energía en otro, por lo que comúnmente se les denomina transductores. Generalmente las señales genera un sensor son de naturaleza eléctrica. Estas señales eléctricas pueden ser interpretadas fácilmente por el hombre y pueden ser procesadas (tratadas, analizadas y visualizadas) de forma rápida gracias a los avances experimentados en el campo de la microelectrónica. Es necesario conocer muy bien el transductor para interpretar de forma correcta la relación entre la señal física y la variación eléctrica. Las medidas que realizamos con sensores siempre están sujetas a un margen de error. Esta afirmación tiene consecuencias filosóficas que culminan con la formulación del “ principio de incertidumbre de Heisemberg ”, que afirma que es imposible medir de forma exacta los fenómenos que se presentan en la naturaleza La palabra sensor proviene del latín “ sensus ”, que significa sentido o sensación. Los dispositivos que se comportan de forma opuesta a los sensores se denominan actuadores.
- Como decíamos antes, el hombre interacciona con la naturaleza a través de sus sentidos. La limitación de estos para captar los fenómenos físicos hacen que nuestra percepción del entorno en el que vivimos sea limitada. Por ello uno de los principales impulsores del desarrollo tecnológico ha sido la necesidad de ampliar nuestras capacidades de percepción: espectro auditivo limitado (20 Hz-20 KHz), nuestra gama de frecuencias electromagnéticas limitada (espectro visible, 400 – 750 nm). Esto explica el porqué de la introducción de los superhéroes, en ellos hemos visto reflejadas las capacidades que ansiábamos los hombres pero que naturalmente nos han sido vetadas. Si queremos tener un mejor conocimiento de la naturaleza tenemos que desarrollar aparatos que capten de una forma objetiva información de magnitudes físicas. El método experimental ( Roger Bacon, a mediados del s. XIII ) define una serie de puntos para extrapolar resultados y desarrollar teorías: 1) Observar la naturaleza y tomar medidas; 2) Plantear una hipótesis que explique el comportamiento observado; 3) Contrastar la hipótesis con nuevas observaciones; 4) Considerar las hipótesis como teorías, hasta que una nueva observación contradiga los resultados. Pensar por ejemplo en el Telescopio Espacial Hubble: es un ojo que orbita entorno a la tierra.
- Podemos visualizar el efecto de la cinestesia si pensamos por ejemplo lo fácil que nos resulta llevarnos la mano o una cuchara a la boca a pesar de tener los ojos cerrados. La explicación radica en que en todo momento el cerebro está realimentado la información de la posición de las articulaciones y corrigiendo el grado de extensión y orientación de cada extremidad. Esta característica nos permite desplazarnos y realizar movimientos voluntarios sin prestar grandes dosis de atención en lo que hacemos. Esto es un ejemplo de sistema realimentado.
- Según la naturaleza física de la señal: las manifestaciones físicas de los fenomenos de la naturaleza pueden englobarse en uno de estos tipos de comportamientos que hemos identificado en la naturaleza. No se descarta en el futuro que podamos encontrar otro tipo de manifestaciones naturales. Según el tratamiento que se de a la señal: los sensores analógicos permiten un rango de variación de las magnitudes físicas medidas mucho más amplio que los digitales. Además, en todo momento dan el valor real del parámetro medido. Los sensores digitales cuantifican los estados de la naturaleza. Así, un simple sensor de presencia podría darnos un 1 (5 V) si detecta algún obstáculo y nos daría un 0 (0 V) si no detecta ningún obstáculo en su zona de acción. Sensores activos : no necesitan alimentación eléctrica. La energía necesaria para generar la señal la toman de la propia magnitud física que quiere medirse. Es necesario que la magnitud de esta energía sea pequeña comparada con la energía total de la señal medida. De lo contrario podríamos falsear de forma significativa la lectura. El funcionamiento de estos sensores se vasa en determinados fenómenos físicos. Sensores pasivos : varían su impedancia bajo la acción de la magnitud física que quiere medirse. Básicamente la impedancia es función de su geometría y de las características eléctricas del material con que está contruído (resistivad, permeabilidad magnética y constante dieléctrica). A partir de la variación de la impedancia hay que obtener una señal eléctrica tal que su nivel de tensión, corriente, frecuencia o fase varíen en función de la variación de la impedancia.
- En los términos de la ecuación llamamos r a la señal eléctrica generada por el sensor y x a la medida física. S es el grado de sensibilidad del sensor. Por ejemplo, si pensamos en un fotodetector, éste puede producir una salida de voltaje (r) de 0.17 V cuando es bombardeado por 2.3 x 10 13 fotones/segundo (x). Comentar histéresis, linealidad, precisión, repetibilidad...
- En la imagen vemos diferentes comportamientos de un sensor conectado a un convertidor A/D, de 8 bits=255 estados. En a) se trata de un sensor potenciométrico de posición con un comportamiento lineal. En b) vemos un mapeo lineal en dos rangos. En c) vemos una relación logarítmica entre la intensidad luminosa y la señal digital genera por el sensor.
- Todos hemos experimentado alguna vez con fuentes naturales de ruido: así, la niebla que vemos en la televisión cuando no tenemos sintonizado ningún canal tiene su origen en radiaciones procedentes del espacio exterior, generadas en gran parte por el sol: radiaciones cósmica, fuentes de emisión de microondas naturales como los quasars... También es posible percibir parte del fondo cósmico de microondas con un aparato de TV. Esta radiación se genero con el BIG BANG y hasta ahora es una prueba irrefutable de que el Universo tuvo un origen expontaneo.
- La existencia del ruído hay que tenerla muy presente por que muchas veces se nos presentarán comportamientos que no entendemos, cuyo origen muchas veces es atribuible a alguna fuente de ruido. Por ejemplo, cuando utilizamos sensores de luz (CNY70) para detectar y seguir línea negras sobre fondo blando (o al revés) es importante garantizar unas condiciones de iluminación constantes, de lo contrario el comportamiento programado del microbot puede sufrir importantes variaciones.
- 4 entradas analógicas (AN1-4)
- El material más utilizado para construir estos sensores es el CdS .
- Funcionamiento: El fototransistor conducirá mas, contra mas luz reflejada del emisor capte por su base. La salida de este dispositivo es analógica y viene determinada por la cantidad de luz reflejada, así pues para tener una salida digital se podría poner un disparador Trigger Schmitt y así obtener la salida digital pero esto tiene un problema, y es que no es ajustable la sensibilidad del dispositivo. Para solventar este problema muestro el siguiente circuito basado en un amplificador operacional configurado en modo comparador, en la salida del circuito obtendremos una señal cuadrada lista para su interconexión con la entrada de cualquier µControlador. Video para mostrar: QRB1114 Vs. CNY70 La sensibilidad del circuito es ajustable mediante la resistencia variable de 10k (aconsejo poner una resistencia multivuelta). Para comprobar y visualizar la señal de salida es posible montar un diodo led en la salida con su resistencia de polarización a masa, si así lo hacemos veremos que cuando el sensor detecta una superficie blanca o reflectante el led se ilumina ya que la salida del LM741 pasa a nivel alto y por lo tanto alimenta al led que tiene su ánodo conectado directamente. Usos: Comúnmente utilizado en los robots rastreadores (Sniffers) para detección de líneas pintadas sobre el suelo, debido principalmente a su baja distancia de detección. Ideas y mejoras: Mas que una idea esto es un descuido que tuve al montar el circuito en una protoboard y asi comprobé que quitando la resistencia de polarización de 10k que tiene conectada el fototransistor a su emisor hacemos que el circuito se vuelva mucho mas sensible (e inestable también jeje). Con un buen ajuste de la resistencia variable e conseguido detectar superficies reflectantes a una distancia de unos 5 cm. también al pasar la mano por enfrente del sensor se activaba la salida. Supongo que habrá una manera menos inestable de hacer esto así que ya sabéis... a cacharrear y haber que sale jejeje
- Principal inconveniente: alto PRECIO, entorno a los 30 €. Usos: Debido a su gran rango de medida este sensor es adecuado para detectar obstáculos reflectantes como paredes, usado en robots de exploradores para los de laberintos entre otros. Ideas y mejoras: Debido a su gran directividad se puede montar un sensor GPD2 en un servo y así tener un radar de IR cubriendo de esta manera un radio de 180º aprox. Video para mostrar: Robonova-1 with Sharp GP2D12 Distance Sensor I
- Usos: Se usan para detección de obstáculos por contacto directo. No son adecuados para robots de alta velocidad ya que cuando detectan el obstáculo ya están encima y no da tiempo a frenar el robot. Ideas y mejoras: Pocas mejoras puede tener un dispositivo tan simple pero una buena idea seria utilizar un multiplexor para poner mas bumpers de control en nuestro robot y usar el mínimo de líneas de control.
- Ideas y mejoras: Pocas mejoras puede tener un dispositivo tan simple pero una buena idea seria utilizar un multiplexor para poner mas bumpers de control en nuestro robot y usar el mínimo de líneas de control.
- Las raíces del efecto piezo eléctrico puede ser buscada en el efecto piezoeléctrico, descubierto por Pierre Curie alrededor de 1880. Encontró que cristales asimétricoas como el cuarzo y la sal de Rochelle generaban una carga eléctrica cuando se les sometía a una presión mecánica. Al contrario, también era posible obtener vibraciones mecánicas aplicando carga eléctrica alterna a los cristales. Una de las primeras aplicaciones del ultrasonido fue el sonar (Sound Navigation and Ranging), utilizado por primera vez en la IIWW. Como la velocidad del sonido en el agua es conocida, es fácil calcular la distancia del objeto midiendo el intervalo temporal entre dos ecos sucesivos. Posteriormente se usaron en el campo de la medicina y en la detección de objetos metálicos o fallas estructurales. Japón fue pionera en la investigación de los ultrasonidos. Fueron los primeros en utilizar el efecto doppler para detectar movimientos internos, como la sange que fluye a através del corazón. Las ondas ultrasónicas pueden ser generadas usando fuentes de energía mecánicas, electromágneticas y térmicas. Como substrato se puede utilizar vidrio, líquidos o sólidos. Los transductores magneto-resistivos usan el efecto magneto-resistivo para convertir la energía magnética en energía ultrasónica. Esto se logra mediante la aplicación de fuertes campos magnéticos alternos a ciertos metales. Los transductores piezoeléctricos emplean el efecto piezoeléctrico inverso usando cristales naturales o sintéticos como el cuarzo o cerámicos como el titanato de bario. Los cerámicos tienen la ventaja sobre el cuarzo en que son más fáciles de formar po fundición a presión y extrusión.
- La R de 220 mantiene polarizado el LED. El circuito del fototransistor consiste en un divisor de tensión. La sensibilidad del sensor se calibra con la resistencia en serie con el fototransistor. Es conveniente antes de elegir esta resistencia colocar una resistencia variable de unos 100 K para establecer la sensibilidad de forma manual. Posteriormente, con un polímetro, medimos el valor de resistencia obtenido y colacamos la resistencia comercial más próxima por exceso.
- Estos dispositivos tienen una característica de transferencia como la que se muestra en la Figura 3. En esta curva se aprecia que si la tensión de entrada asciende desde 0V hasta un nivel alto, la transición se produce siguiendo la curva A y se produce para el valor V T + denominado umbral ascendente . Por el contrario, si la entrada está a un nivel alto y se va disminuyendo hasta 0V, la transición se produce siguiendo la curva B, cuando se alcanza el denominado umbral descendente V T - .
- Ideas y mejoras: Pocas mejoras puede tener un dispositivo tan simple pero una buena idea seria utilizar un multiplexor para poner mas bumpers de control en nuestro robot y usar el mínimo de líneas de control.
- Ideas y mejoras: Pocas mejoras puede tener un dispositivo tan simple pero una buena idea seria utilizar un multiplexor para poner mas bumpers de control en nuestro robot y usar el mínimo de líneas de control.
- Los primeros sensores biológicos se emplean para el análisis de las sustancias orgánicas, como la concentración de azúcar en la sangre, aplicación muy interesante para el desarrollo de aparatos de inyección automática de insulina en el caso de diabéticos.