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Unformatted text preview: Sensores y actuadores Aplicaciones con Arduino Leonel G. Corona Ramírez Griselda S. Abarca Jiménez Jesús Mares Carreño CD interactivo en esta edición Sensores y actuadores Aplicaciones con Arduino® Leonel Germán Corona Ramírez Griselda Stephany Abarca Jiménez Jesús Mares Carreño Instituto Politécnico Nacional info editorialpatria.com.mx Dirección editorial: Javier Enrique Callejas Coordinadora editorial: Estela Delfín Ramírez Supervisor de preprensa: Gerardo Briones González Diseño de portada: Juan Bernardo Rosado Solís/Signx Ilustraciones: Adrian Zamorategui Berber/Nemesis Fotografías: ©Thinkstockphoto Revisión Técnica: Dr. Jesús Manuel Dorador González Jefe del Departamento de Ingeniería Mecatrónica Facultad de Ingeniería, UNAM Ing. Marco Antonio Trejo Lee Universidad del Pedregal del Sur Sensores y actuadores. Aplicaciones con Arduino® © 2014, Leonel Germán Corona Ramírez, Griselda Stephany Abarca Jiménez, Jesús Mares Carreño © 2014, GRUPO EDITORIAL PATRIA, S.A. DE C.V. Renacimiento 180, Colonia San Juan Tlihuaca Azcapotzalco, México D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industrial Editorial Mexicana Registro Núm. 43 ISBN ebook: 978-607-438-936-4 Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido de la presenta obra en cualesquiera formas, sean electrónicas o mecánicas, sin el consentimiento previo y por escrito del editor. Impreso en México Printed in Mexico Primera edición ebook: 2014 Agradecimientos a motivación principal para la realización de esta obra ha sido nuestros estudiantes, ya que su constante interés por aprender ha impulsado de manera significativa el desarrollo de este libro. Agradecemos en especial a los estudiantes Yves Jesús Pérez Delgado, Rodrigo García Barragán, Marcial Becerril Tapia y César Gerardo Bravo Conejo, ya que gracias a su apoyo y arduo trabajo fue posible el desarrollo de las prácticas presentadas en esta obra. También agradecemos a nuestra amiga y colaboradora, con la que compartimos convivencias e ideas, la M. en E. Elizabeth Rivas Bonilla, por su incondicional apoyo y contribución durante el desarrollo de este proyecto. Gracias por estar con nosotros brazo con brazo a lo largo de este camino. Agradecemos al Instituto Politécnico Nacional y a la Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas, nuestra alma máter, por facilitar nuestro desarrollo profesional e impulsar nuestra preparación como investigadores. Transmitimos también nuestro agradecimiento a todos los colaboradores, editores y revisores que hicieron posible este texto; gracias a sus atinados comentarios y justas críticas hemos llegado a este saldo. Finalmente, unimos nuestro reconocimiento y memoria a quienes nos han brindado su apoyo incondicional: la familia. Esta lleva consigo lealtad, nobleza, sinceridad, entrega, franqueza; recordamos y celebramos a todas estas personas que nos recuerdan nuestra efímera condición de seres humanos. L Los autores iii Prólogo oy en día, con la creciente importancia de los sistemas digitales de comunicación, las interfases humano-máquina en el desarrollo tecnológico, los sistemas de producción automatizados, el control automático, la mecatrónica y muchas áreas de estudio científico-tecnológicas, así como la implementación de nuevas tecnologías que permiten un desarrollo más acelerado en los procesos de producción, no serían posibles sin el uso de sensores y actuadores, ya que por medio de estos los sistemas digitales interactúan con el mundo real. En este libro el lector encontrará información actualizada sobre los sensores y actuadores que se usan hoy en día, ya que en esta era digital el uso de sistemas de detección va de la mano con las tarjetas de adquisición de datos, realizando el acondicionamiento de la señal del sensor de manera embebida en el microcontrolador. Se muestran ejercicios de aplicación en los cuales se minimiza el acondicionamiento de señales de manera analógica, dejando esta tarea a la tarjeta de adquisición de datos; en este caso la tarjeta elegida es Arduino®, debido a su gran versatilidad, bajo costo y facilidad de uso. En esta obra el lector podrá familiarizarse con sistemas de detección simples como un encoder hasta sensores inerciales de estado sólido, pasando por sensores MEMS programables. Con la finalidad de facilitar la lectura y aplicación de la información aquí contenida, este libro está estructurado en tres partes básicas; el capítulo 1 se refiere a los transductores, y se hace mención de cómo funcionan los principios de transformación de energía para que el sensor o el actuador lleven a cabo su tarea. Después, en el capítulo 2 se explican de manera breve los tipos de H v PRÓLOGO acondicionamiento de señal que se requerirán para implementar dichos sensores y actuadores en sistemas digitales reales. Por último, en el capítulo de introducción a Arduino®, contenido en el material digital, se muestra una breve introducción sobre cómo la tarjeta de adquisición de datos le permitirá al usuario realizar el acondicionamiento de la señal del sensor o el actuador. Una vez que el lector se ha introducido en la lectura de los primeros tres capítulos, de manera intuitiva tendrá la libertad de elegir cuál capítulo es de su interés, ya que están organizados por variable física a medir. De esta manera, el lector podrá cambiar de capítulo con facilidad, sin necesidad de consultar alguna otra sección para encontrar una respuesta útil a su problema de aplicación. En este libro se abordan, desde un punto de visto práctico, sensores de posición, velocidad, aceleración, humedad, temperatura, campo magnético, sistemas de navegación, sensores de visión artificial, sensores de componentes RGB, flujo, fuerza, deformación, presión, etc. Así, el lector podrá encontrar una alternativa práctica y de fácil implementación a una amplia gama de problemas de detección en sistemas de ingeniería. vi Contenido Agradecimientos ............................................................ iii Prólogo ...........................................................................v Tabla de símbolos ............................................................x Capítulo 1. Introducción ................................................... 1 Introducción ..................................................................................2 1.1 Variables y magnitudes físicas .....................................................2 1.2 Transductores ...............................................................................2 1.3 Principios de transducción ...........................................................3 1.4 Sensores ..................................................................................... 17 1.5 Actuadores ................................................................................. 25 Capítulo 2. Acondicionadores de señal .......................... 39 2.1 Acondicionadores de señal ....................................................... 40 2.2 Circuitos divisores ...................................................................... 41 2.3 Circuitos de puente .................................................................. 43 2.4 Circuitos amplificadores ............................................................ 45 2.5 Circuitos convertidores .............................................................. 57 2.6 Filtros .......................................................................................... 64 2.7 Puentes, amplificadores y convertidores de alterna ............... 68 vii CONTENIDO Capítulo 3. Sensores de velocidad, posición y aceleración ...................................................73 Introducción ................................................................................ 74 3.1 Potenciómetros .......................................................................... 74 3.2 Encoder ....................................................................................... 78 3.3 Tacogeneradores ...................................................................... 89 3.4 Transformador diferencial de variación lineal (LVDT) .......................................................... 90 3.5 Sistema de Posicionamiento Global (GPS) ............................... 91 3.6 Acelerómetros ........................................................................... 98 3.7 Giroscopios ............................................................................... 104 3.8 Compás (magnetómetros)....................................................... 108 Capítulo 4. Sensores de color, luz y visión ..................... 113 Generalidades ............................................................................114 4.1 Sensores infrarrojos, el fotodiodo y el fototransistor ..............115 4.2 Ecuación de la curva distancia vs. tensión .............................. 123 4.3 LDR o fotorresistencias ............................................................ 125 4.4 Sensores de color ..................................................................... 128 4.5 Sensores de visión .................................................................... 133 Capítulo 5. Sensores de nivel y proximidad .................... 141 5.1 Introducción .............................................................................. 142 5.2 Ultrasónicos .............................................................................. 142 5.3 Resistivos ...................................................................................151 5.4 Ópticos ...................................................................................... 155 5.5 Capacitivos................................................................................ 156 5.6 Sensores capacitivos touch, como medidores de proximidad y desplazamiento ............................................. 158 5.7 Sensores capacitivos en pantallas táctiles .............................. 165 5.8 Inductivos .................................................................................. 166 5.9 Red switch (interruptor de lengüeta)....................................... 169 5.10 Efecto Hall ................................................................................. 172 Capítulo 6. Sensores de temperatura y humedad .......... 173 6.1 Conceptos básicos de temperatura ........................................ 174 6.2 De energía térmica a energía eléctrica ................................... 175 6.3 Termistor ................................................................................... 175 6.4 Medición de temperatura ......................................................... 177 6.5 Termopar o termocupla ............................................................ 179 6.6 Sensor de temperatura resistivo (RTD) ................................... 185 6.7 El diodo y otros CI como sensores de temperatura ........................................................................ 188 6.8 Medidor de temperatura a distancia (pirómetro) ................... 196 viii CONTENIDO 6.9 Sensores de humedad ............................................................ 200 6.10 Otros sensores y principios de funcionamiento ..................... 201 Capítulo 7. Sensores de fuerza, torque y deformación ..209 Introducción ............................................................................. 210 7.1 Sensores piezoresistivos .......................................................... 210 7.2 Sensores piezoeléctricos ........................................................ 230 Sitios de Internet ...................................................................... 234 Capítulo 8. Sensores de flujo y presión .........................235 8.1 Sensores de presión................................................................ 236 8.2 Sensores de flujo ...................................................................... 251 Sitios de Internet ...................................................................... 260 Capítulo 9. Otros sensores .......................................... 261 Introducción ............................................................................. 262 9.1 Sensores de gas ...................................................................... 262 9.2 Sensores de corriente ..............................................................267 9.3 Sensores de pH ........................................................................273 9.4 Biosensores .............................................................................275 Capítulo 10. Actuadores ............................................... 279 Generalidades .......................................................................... 280 10.1 Actuadores eléctricos ............................................................. 280 10.2 Servomotores .......................................................................... 286 10.3 Cilindros neumáticos ............................................................... 300 10.4 Cilindros hidráulicos ................................................................. 302 Apéndice incluido en CD-ROM Introducción a Arduino ® Generalidades ..................................................................................... A2 Ambiente de programación .................................................................A7 Librerías .............................................................................................. A15 Descarga el capítulo Configuración de entradas y salidas ................................................. A17 Terminales analógicas ........................................................................ A18 Operadores ......................................................................................... A19 ix TABLA DE SÍMBOLOS Tabla de símbolos Símbolo Descripción Símbolo Descripción NB Medición con fuente de “luz negra” para el color azul IA L Variación de longitud Øp Flujo por polo  Relación de Poisson Td Par X Deformación en dirección X Ka Constante de la máquina eléctrica Y Deformación en dirección Y Ea Fuerza contraelectromotriz Z Deformación en dirección Z a Velocidad angular de armadura A Variación de área TS Par de carga de salida f Área final Jm Momento polar de motor SA Sensitividad de la galga m Posición angular del motor Yxy Deformación cortante en el plano x, y Coeficiente de fricción viscosa  Esfuerzo p Ángulo de paso F Fuerza nf Número de fases x Esfuerzo en dirección del eje x p Número de dientes del rotor max Deformación constante máxima c Carrera del cilindro max Esfuerzo constante máximo nc Número de ciclos G Módulo cortante Tc Constante de tipo de cilindro T Torque aplicado Dc Diámetro interior del cilindro r Radio del eje dv Diámetro del vástago J Momento polar de inercia del eje ØR Flujo radiante D Densidad de flujo eléctrico Pv Presión del vapor Cpz Coeficiente piezoeléctrico Psat Corriente de armadura Presión de saturación q Carga eléctrica P Presión d Densidad P0 Presión de referencia Kx Rigidez en dirección x Qv Flujo volumétrico Re Número de Reynolds Qm Flujo másico Viscosidad dinámica del fluido KS Rigidez del sistema Tierra x 1 Descarga en tu computadora Introducción ¿Qué debo saber para la lectura de este capítulo? En este primer capítulo se presentan los principales modos de operación de sensores y actuadores, así como los principios de transducción de los sensores y los principios de funcionamiento para los actuadores, por lo que se recomienda un conocimiento básico previo de señales, circuitos y física. Objetivo general Introducir al lector en los principios de transducción y funcionamiento usados en los sensores y los actuadores, con el fin de ofrecer una base sólida para la comprensión de los temas tratados en los capítulos posteriores, donde se usan los términos y definiciones que se presentan en este capítulo. Objetivos particulares Q Q Q Q Q Generar un concepto claro acerca de qué es una variable física y cómo se relaciona esta con los sensores y los actuadores. Comprender los principios de transducción usados en los sensores. Comprender los principios de funcionamiento de los actuadores. Distinguir entre un transductor, un sensor y un actuador. Conocer las clasificaciones de los sensores y los actuadores. 1 2 SENSORES Y ACTUADORES Introducción La necesidad de obtener energía a partir de la naturaleza y transformarla en otro tipo de energía, con el fin de ser controlada para beneficio del ser humano, ha sido una constante durante toda la historia de la humanidad y ha anticipado, por mucho, el desarrollo tecnológico y los métodos actuales de conversión de la energía, mediante los que, a partir de un sistema integral, las variables y los atributos físicos son observados, cuantificados y modificados. Por su parte, la importancia del uso de sensores y actuadores en la ingeniería se hizo presente desde la creación y el desarrollo de las máquinas automatizadas. El uso de sensores y actuadores es fundamental para el desarrollo de sistemas en la actualidad, ya que todo sistema requiere una interfaz con el mundo real que puede requerir que un usuario ingrese un dato, medir una variable física o realizar una cierta acción. A lo largo de este capítulo se describen los sensores y los actuadores como unidad fundamental; además de cómo se clasifican estos y cuáles son sus principales características. Asimismo, se describe con detalle cómo son los principios de transducción utilizados en estos, desde el efecto Hall, utilizado en sensores magnéticos, hasta los motores neumáticos, usados en la industria manufacturera. 1.1 Variables y magnitudes físicas La representación de un parámetro de algún fenómeno físico, mediante el cual, a su vez, se describa su comportamiento, se conoce como variable física. Por otra parte, el resultado de cuantificar un atributo físico, asignando valores numéricos a estos a través de una variable o constante física, se conoce como magnitud física. Es importante destacar que tanto las variables físicas como las magnitudes físicas siempre están presentes en un sistema de procesamiento de información, ya que cuantificar una variable física constituye el inicio de todo proceso. En general, un sistema de ingeniería moderno está compuesto por un sensor, una unidad procesadora y un sistema de actuación. De este modo, se puede afirmar que, de acuerdo con su función, los sensores son dispositivos que permiten cuantificar una variable física, mientras que los actuadores, a partir de la variable física medida por el sensor, tienen la tarea de realizar una acción, como consecuencia de haber procesado la magnitud que tendrá dicha variable. Para su funcionamiento, los sensores y los actuadores se basan en el llamado principio de transducción. No obstante, los principios de transducción son muy variados; por tanto, la forma en que son utilizados dependerá de qué tipo de variable física tenga que cuantificar el sensor o de qué tipo de energía recibe el actuador para convertirla en movimiento. 1.2 Transductores Un transductor se define como aquel dispositivo que es capaz de convertir una variable física en otra que tiene un dominio diferente. De acuerdo con esta definición, es posible afirmar que un transductor forma parte de un sensor o de un actuador; pero la diferencia entre un sensor, un actuador y un transductor radica en que el transductor simplemente cambia el dominio de la variable, mientras que el sensor proporciona una salida útil para ser usada como variable de entrada a un sistema de procesamiento de la información y el actuador se encarga de ejecutar la acción determinada por el sistema de procesamiento de la información. Por ende, de manera general, se dice que un transductor cambia la variable física medida a una señal eléctrica; sin embargo, esto no siempre se cumple. Por ejemplo, piénsese en una báscula, como se sabe las hay electrónicas y mecánicas, para el caso de las básculas electrónicas el transductor tiene la tarea de transformar el peso de un objeto en una señal eléctrica que...
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