Transductores, sensores y actuadores
- Johan Alejandro Duque
- 18 jun 2022
- 11 Min. de lectura
Actualizado: 21 jun 2022
¿Qué son y para que sirven?
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; solamente que 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, de manera general, se dice que un transductor cambia la variable física medida a una señal eléctrica; sin embargo, esto no siempre se cumple, un ejemplo puede ser una báscula, como se sabe existen electrónicas y mecánicas, en el caso de las basculas electrónicas el transductor tiene la tarea de transformar el peso de un objeto en una señal eléctrica que es interpretada, mientras que la bascula mecánica el transductor convierte el peso del objeto en una señal mecánica que recorre un indicador. Entonces, de este manera, se dice que un transductor es capaz de convertir una variable física en movimiento, en presión, en flujo, en una señal eléctrica, entre otras.
Para entender mejor las diferencias y utilidades de los tipos de transductores:
Los sensores detectan formas de energía, como pueden ser luz o fuerza, y las convierten en una salida de información legible por un sistema electrónico. Por ejemplo, un termopar que produce un cambio medible en la tensión eléctrica cuando se calienta o enfría. O la carga que se genera cuando se aplica una fuerza a un anillo piezoeléctrico de medida de fuerzas.
Actuadores: Es un dispositivo con la capacidad de generar una fuerza que ejerce un cambio de posición, velocidad o estado de algún tipo sobre un elemento mecánico, a partir de la transformación de energía. Por lo regular, los actuadores se clasifican en dos grandes grupos:
Por el tipo de energía utilizada: actuador neumático, hidráulico y eléctrico
Por el tipo de movimiento que generan: actuador lineal y rotatorio.
Ejemplo:
Si no entendiste muy bien lo anterior esta imagen junto a un ejemplo puede ayudar, en este caso seria un termómetro, la magnitud física es nuestro temperatura ahí entra el transductor la cual convierte esa magnitud física en una señal eléctrica y así mostrando tu temperatura (37ºC o 98.6ºF) por medio de la pantalla del termómetro.
Tipos de transductores
Los transductores se dividen en dos extensas ramas: transductores de entrada y transductores de salida. Cuando el transductor se usa como parte de un sistema de sensado, se dice que el transductor es de entrada. Por tanto, un transductor de entrada es aquel que se usa para medir una variable física cuya salida es utilizada por un sistema de procesamiento de la información. Por otro lado, cuando el transductor es parte de un sistema de actuación se dice que este es un transductor de salida. Así, un transductor de salida es aquel dispositivo que convierte la señal del sistema de procesamiento de la información en una acción tangible en el entorno; por ejemplo, el movimiento de un motor, la activación de una válvula, etc.
Características estéticas
Los parámetros que definen las características y funcionamiento óptimo e ideal de un transductor son los siguientes:
Sensitividad: La sensitividad de un sensor se define como la entrada mínima que requiere este para provocar una salida detectable. La representación grafica es como cambia la salida del sensor con respecto a la entrada se conoce como curva de salida, donde la pendiente de la recta tangente a esta curva constituye la sensitividad del sensor.
Exactitud: La exactitud se define como la diferencia máxima entre la salida actual del sensor y el valor real de la variable medida. Por lo común, la exactitud de un sensor se expresa de manera porcentual. En general, la mayoría de los sensores presenta una distribución alrededor del valor real de la variable física que esta sensando, sin importar que el valor real no cambie.
Precisión: La precisión de un sensor se refiere al grado de repetitividad de una medida. Por ejemplo, si se mide la misma variable física con el mismo valor, el sensor siempre deberá entregar exactamente la misma salida cada vez.
Rango: El rango de un sensor se define como el intervalo presente entre el valor mínimo y el valor máximo de la variable física que puede medir el sensor.
Linealidad estática: La linealidad esta toca de un sensor depende de modo principal de factores ambientales, por lo que se define como la desviación que presenta el sensor entre la curva proporcionada por el fabricante en condiciones controladas y la curva de salida actual. En general, la no-linealidad estática se expresa en porcentaje. el cual refleja que tanto se aleja el sensor de la curva ideal y el valor máximo a escala completa.
Offset: El offset es un sensor que se define como un corrimiento en el eje y de la curva de salida, el cual se caracteriza por ser siempre igual en ciertas condiciones de operación. De manera alternativa, el offset constituye la salida que presenta un sensor cuando en realidad debería ser cero.
Resolución: La resolución de un sensor se define como el cambio mas pequeño en la variable física que le es posible registrar.
Error estático: Cuando una variable física es sensada o cuantificada siempre existe la posibilidad de cometer un error en la medición. En general, los errores estáticos en los sensores se deben a problemas en lecturas.
Características dinámicas
A continuación se presentan y describen las características dinámicas de los sensores.
Tiempo de respuesta: El tiempo de respuesta se define como el periodo que transcurre desde la variable sensada presenta un cambiado de estado y el sensor lo registra.
Histéresis: La histéresis en un sensor es la capacidad que tiene el sensor para seguir a la curva de salida ideal debido a la tendencia de los cambios de la variable física; la principal diferencia entre la histéresis y la linealidad es que cuando un sensor presenta histéresis significa que la tendencia de salida cruza en ambos sentidos a la curva de salida ideal.
Linealidad dinámica: La linealidad dinámica de un sensor es la capacidad que tiene este para seguir correctamente la curva de salida dada por el fabricante cuando la variable física experimenta cambios repentinos y muy rápidos. En este caso, la o linealidad dinámica del sensor es el grado de distorsión que presenta dicho sensor a la salida, debido a los cambios abruptos del fenómeno que se esta sensando.
Error dinámico: Un error dinámico en un sensor puede ser causado por varias razones, y entre las mas comunes destacan las cargas inducidas en el sensor debido a los aparatos de medición.
Partes de un transductor
Preamplificador: Es quien acondiciona la señal de salida.
Captador: Es quien proporciona la señal de la energía entrante.
Sensor: Pieza en contacto con la magnitud física.
Mecanismos auxiliares: Intervienen en el proceso de las piezas anteriores.
Clasificación de los sensores por el principio de transducción
Los sensores se pueden clasificar por el tipo de transductor que se utilice para su implementación; sin embargo, este tipo de clasificación suele ser poco practica, ya que no ofrece una idea clara acerca de que tipo de variable física puede medir este.
Clasificación de transductores según la variable física a medir
Esta clasificación suele ser la mas común; sin embargo, tiene la desventaja de provocar cierta confusión en el lector, ya que un mismo sensor puede ser utilizado para la medición de distintas variable físicas; por ejemplo, un sensor ultrasónico resulta muy útil si se desea medir proximidad, el nivel de un liquido, la presencia de un objeto, la velocidad de un fluido, etc. No obstante, su principio de funcionamiento siempre es el mismo, y solo depende del tipo de configuración en que se coloque y como se interprete la señal de salida del mismo.
Tipos de sensores:
Sensores de temperatura: La temperatura es la intensidad de calor de un objeto, un sensor de temperatura convierte los cambios de temperatura en cambios de señales eléctricas, y estos pueden ser clasificados en 3 tipos.
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.
2. 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.
3. Semiconductores: 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.
Sensores de temperatura:
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.
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°.
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.
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.
Contiene mercurio, agua, aceite, entre otros, es preciso en el rango de unidad Pascal de
500 [Pa] a 200 [KPa], su ventaja es su versatilidad y su desventaja es su longitud de tubo necesaria para medir presiones altas.
Barómetros: Se usa en la calibración de altímetros y estaciones meteorológicas. Se requiere aplicar una corrección por altura.
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.
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.
Medidor de Fuelle: Similar al diafragma, pero de una sola pieza flexible axialmente. Se aplica para bajas presiones.
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.
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.
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:
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:
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 (ensartables o no ensartables).
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.
Eres más visual?, te invitamos a ver este video
Y hasta aquí la información sobre los transductores, sensores y actuadores, espero te haya resultado útil este post, nos ayudarías dejando un "Me gusta", compartiendo y dejando tu opinión sobre este.
Referencias bibliográficas:
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
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