Transductores Y Sensores

3. Transductores y Sensores:

3.1. Definiciones y conceptos previos:

3.1.1. Sensor:

Dispositivo sensible que utiliza un fenómeno físico o químico dependiente de la naturaleza y el valor de la magnitud físico química a medir, lo cual permite la transducción del estímulo a una señal utilizada directa o indirectamente como medida.
Como sabemos un sensor es un dispositivo capaz de detectar diferentes tipos de materiales, con el objetivo de mandar una señal y permitir que continúe un proceso.

3.1.2. Transductor:

Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable física (por ejemplo, fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.) en otro.
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 estar calibrado para ser útil como dispositivo 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: 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.
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.

3.1.3. Selección de los Sensores:

La selección se basa en la decisión sobre cual es el sensor más adecuado. Esto depende del material del objeto el cual debe detectarse.
Si el objeto es metálico, se requiere un sensor inductivo. Si el objeto es de plástico, papel, o si es líquido (basado en aceite o agua), granu1ado o en polvo, se requiere un sensor capacitivo. Si el objeto puede llevar un imán, es apropiado un sensor magnético.
Sensores activos y pasivos:
Los sensores pasivos, no necesitan alimentación para funcionar. Los sensores activos, por otra parte, son los que necesitan su propia alimentación. Una manera fácil de distinguir los sensores activos de los pasivos es contar el número de pines que tienen. Lo sensores activos tienen un tercer pin extra para obtener la alimentación, mientras que los sensores pasivos sólo tiene dos.
Conector para sensores pasivos.
Conector para sensores activos.
Los sensores activos son más complejos, pero abren una amplia gama de posibilidades de detección. Entre los ejemplos de sensores activos se incluyen los sensores infrarrojos [que detectan presencia y distancia], los sensores de efecto Hall [que detectan los campos magnéticos], los sensores de ruido, los sensores de vibración, etc.

3.2. Sensores de Lego:

3.2.1. Sensor de Temperatura:

El sensor de temperatura permite leer el valor aproximado de la temperatura, mediante la interacción de un termistor en uno de los extremos, generando un campo magnético que permite la detección aproximada de la temperatura del bloque que lo contiene. El bloque original de Lego posee un termistor de 12 kΩ a 25 ºC con un coeficiente de corrección aproximado de un -3,7%/ºC Página 24
ROBOTS LEGO MINDSTORMS
La fórmula Temp = (785 − RAW) / 8 puede determinar la temperatura detectada por el sensor. Funciona en un rango de temperaturas entre –20 y +50 grados Celsius. El RCX puede leer y mostrar las lecturas en grados Celsius o Fahrenheit (ref. W979889).

3.2.2. Sensor de Contacto:

El sensor de contacto permite detectar si el bloque que lo posee ha colisionado o no con algún objeto que se encuentre en su trayectoria inmediata. Al tocar una superficie, una pequeña cabeza externa se contrae, permitiendo que una pieza dentro del bloque cierre un circuito eléctrico comience a circular energía, provocando una variación de energía de 0 a 5 V.
En este caso, si la presión supera una medida estándar de 450, mostrado en la pantalla de LCD, se considera que el sensor está presionado, sino está sin presión. Este Sensor se puede utilizar para determinar cuando un Robot toca algo con el fin de que tome la decisión de regresar o cambiar de dirección. (ref. W779911).

3.2.3. Sensor de Luz:

El sensor de luz permite tomar una muestra de luz mediante un bloque modificado que un extremo trae un conductor eléctrico y por el otro una cámara oscura que capta las luces. Esta cámara es capaz de captar luces entre los rangos de 0,6 a 760 lux. Este valor lo considera como un porcentaje, el cual es procesado por el bloque lógico, obteniendo un porcentaje aproximado de luminosidad.
El bloque RCX calcula con la fórmula Luz = 146 − RAW / 7 para determinar el porcentaje obtenido por la lectura de la luz, tomando una muestra cada 2,9 ms, siendo leído en 100 us. , el valor que se lee a partir del sensor.

Debido a que este sensor capta grados de luminosidad, no es capaz de distinguir colores, sólo captando la existencia del blanco (claridad), negro (oscuridad) y los tonos de grises que corresponden a los distintos porcentajes de luz existentes en el medio. (ref. W779758).

3.2.4. Sensor de Rotación:

El sensor de rotación permite conocer la posición del robot en cualquier instante. Para conocer la posición del robot, el sensor produce una variación de energía entre cuatro estados, los cuales son detectados cada 2,9 ms. y procesados por el bloque RCX durante 100 us, en los cuales pasa entre cuatro estados de energía:
2,0volts -> 4,5 volts -> 1,3 volts -> 3,3 volts (en sentido horario) 3,3 volts -> 1,3 volts -> 4,5 volts -> 2,0 volts (en sentido antihorario)
Con estos estados se permite verificar cuantas variaciones de energía han sucedido desde la lectura. Cada voltaje representa un giro aproximado de 22,6º del sensor, por lo tanto existiendo cerca de 16 ciclos de voltaje para detectar un giro completo. El problema de esta lectura es a bajas velocidades, debido a que genera unas minúsculas variaciones de energía, debido a que los valores intermedios no son considerados como movimiento válido. Lee 16 posiciones de rotación con un máximo de 500 revoluciones por minuto (RPM). El RCX puede leer tanto ángulos de rotación como dieciseisavas partes de un giro completo. (ref. W979891).

3.2.5. Sensor ultrasónico:

El sensor Ultrasónico sólo se incluye en el empaque de Lego Mindstorms NXT, y su principal función detectar las distancias y el movimiento de un objeto que se interponga en el camino del robot, mediante el principio de la detección ultrasónica. Este sensor es capaz de detectar desde 0 a 255 cms, con una precisión relativa del +/- 3 cms.
Mediante el principio del eco, el sensor es capaz de recibir la información de los distintos objetos que se encuentren en el campo de detección, teniendo un mejor reflejo del eco los elementos planos que los curvos, como pelotas u otros elementos similares. Una advertencia que se realiza es acerca de las conexiones múltiples de este sensor, ya que se puede detener la ejecución y/o lectura de los distintos elementos.
El sensor estará configurado por defecto para medir la distancia a un objeto, pero también puede ser capaz de medir las distancias hasta un máximo de 8 objetos en un único periodo de medida.

3.2.6. Sensor de sonido:

El sensor incluido en el nuevo LEGO MindStorms NXT permitirá programar robots que respondan ante un nuevo estímulo como lo es el sonido. Las características del sensor permitirán programarlo para que realice una tarea cuando una persona le da una orden o que haga otra cuando varias personas le den la misma orden de modo simultáneo.
El sensor de sonido también puede reconocer patrones de sonido. Por ejemplo, puede programarse el robot para desarrolle un comportamiento en concreto mientras que con dos palmadas haga algo totalmente diferente. El sensor también es capaz de discriminar tonos.

3.2.7. Sensor de Color HiTechnic Compatible con NXT :

El sensor de color compatible con NXT está diseñado para detectar con precisión el color de un objeto, el sensor de color es perfecto para construir un organizador de ladrillos o cualquier otro diseño que requiera detección de color.
El sensor de color funciona iluminando la superficie del objetivo con tres fuentes de luz coloreadas (Diodos emisores de luz o led): uno rojo, otro verde y el tercero azul. La diferencia entre la luz ambiente y el aumento debido a las fuentes de luz del sensor es utilizada para medir la luz de cada color absorbida por la superficie del objeto. Los tres valores de color se procesaran para corregir la dispersión en el espectro de emisión de cada uno de los led.
El NXT recibe tres valores: el nivel de ROJO, el nivel de VERDE y el nivel de AZUL.
El valor correspondiente a cada color está comprendido entre 0 y 255. por ejemplo, si el valor devuelto es Rojo =255, Verde =255 y Azul =255 el color leído es el Blanco.
La siguiente tabla muestra las lecturas que devolverán algunos colores:
Color
Rojo
Verde
Azul
Negro
0
0
0
Blanco
255
255
255
Rojo
255
0
0
Verde
0
255
0
Azul
0
0
255
Amarillo
255
255
0
El sensor actualiza las lecturas a razón de 100 muestras por segundo. Las características del modo de control del sensor de color permiten dos tipos de calibración a efectuar por el programa del NXT.
La calibración por nivel de negro puede utilizarse para eliminar reflejos no deseados provenientes de la estructura en la que el sensor está colocado.
La calibración por balance de blancos puede utilizarse para adecuar la sensibilidad del sensor para cada uno de los tres led cuando ilumina una superficie blanca a una distancia determinada.
El modo de control por defecto es el 0, modo normal de medición. Si el modo de control se establece en 1, el sensor operará en modo calibración de balance de blancos y esperará ser dirigido a una superficie blanca difusa a una distancia de unos 15 mm. Cuando la función Página 28
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calibración finaliza, los led destellarán y el modo de funcionamiento pasará automáticamente a 0, modo normal de medida. El proceso calibración dura alrededor de ¼ segundo. El valor de calibración se almacena en memoria no-volátil y será recuperado cada vez que se aplica tensión al sensor.
Si el modo de control se establece en 2, el sensor operará en modo calibración de nivel de negro y esperará ser situado en espacio vacío sin objetos en un cono de 90º en una distancia de al menos 0.5m. La función calibración nivel de negro mide la señal de cada color y crea un desplazamiento (offset) para anular el nivel de luz ambiente en futuras mediciones. Cuando la función calibración finaliza, los led destellará y el modo de funcionamiento pasará automáticamente a 0, modo normal de medida. El proceso calibración dura alrededor de 1 segundo. Esta función puede ser utilizada para contrarrestar señales devueltas por partes de la estructura circundante. El valor de calibración se almacena en memoria no-volátil y será recuperado cada vez que se aplica tensión al sensor.

3.2.8. Sensores de presencia:

Están hechos con un Opto-Switch que contiene una fuente IR y un fototransistor separados por una ranura de 0.15 pulgadas. Cuando se inserta un objeto en la ranura, la luz no alcanza al fototransistor, que se pone en corte. Cuando el objeto se retira, el fototransistor conduce de nuevo.
La ranura es suficientemente ancha para acomodar varias piezas Lego. En particular, una rueda de 0.95 pulgadas con 6 huecos, de modo que bloquea el haz infrarrojo 6 veces por revolución. El sentido de la rotación no se puede determinar monitorizando la señal del fototransistor, pero esto es irrelevante si la rueda se halla conectada al motor, cuyo sentido de giro es conocido.

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