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Sensores Autorresonantes - Galgas Acusticas

Se basa en un fenómeno físico resonante. La frecuencia de salida generalmente depende de la magnitud de interés que afecta a la frecuencia de oscilación.

Cualquiera de estos sensores auto resonantes requieren de un frecuencímetro, se puede crear con osciladores armónicos o de relajación, en los armónicos hay una energía almacenada por ejemplo energía cinética pasa a energía potencial, en los de relajación hay una única forma de almacenamiento y esta energía se disipa periódicamente.

El sensor autorresonante es utilizado como componente de control de la frecuencia de circuitos osciladores, convirtiendo las vibraciones mecánicas en voltajes eléctricos a cierta frecuencia.

En estos sensores no es necesario un convertidor A/D, sin embargo si se necesita una magnitud de referencia bien conocida, en este caso el oscilador del que se obtiene la base de tiempos, generalmente estos son de cuarzo y puedes sufrir alteraciones por temperatura e imperfecciones en el material.

El sensor resuena a frecuencias de la banda audible. Funciona con un hilo de reluctancia variable y se utiliza comúnmente para medir deformaciones, por lo que mide variables como son la fuerza, masa y la longitud. Utiliza el principio del módulo de Young para hacer estas mediciones.

Fig.7: Sensor Galgas Acústicas, Medidor de Fuerza

Su funcionamiento se basa en la modificación de las propiedades acústicas del material deformado. Para calcular la deformación se compara con una muestra del material sin deformar.

La menor frecuencia de oscilación transversal de una cuerda vibrante viene dada por:

l: longitud

F: fuerza mecánica al que esta sometido

: densidad longitudinal de masa (masa/longitud)

La demostracion esta en el post cuerda vibrante. 

Al aplicar una fuerza en uno de los extremos, la frecuencia de oscilación resultante es directamente proporcional.

Generalmente en este tipo de sensores se mide la deformación que sufre la cuerda cuando se le es aplicada una fuerza.

Para medir deformaciones, es necesario aplicar el modulo de Young. Donde E (modulo de Young) es la tensión aplicada al material sobre la deformación que sufre a causa de esta tensión.

E: modulo de young
A: es la sección transversal del hilo

F: es la fuerza alicada
ε:es la deformacion

Si despejamos F de la ecuación (1) tenemos que

Reemplazando (13) en (12):

 

Y por lo tanto ε :

Cuerda vibrante

Demostración de la frecuencia de oscilación transversal de una cuerda vibrante, y la velocidad de propagación:

 Considerando una cuerda de densidad lineal µ, si tomamos un tramo de la cuerda entonces tendremos que:

Suponiendo que los ángulos θ₁ y θ₂ son pequeños. Entonces podemos aproximar:

Si además suponemos que la tensión es mucho mayor que el peso de la cuerda entonces las 2 fuerzas F1 y F2 son aproximadamente iguales en módulo pero con direcciones distintas.

Además debe cumplirse la ley de Newton que dice que la sumatoria de las fuerzas debe ser igual a la masa por la aceleración.

La sumatoria de las fuerzas en y es:

Reemplazando (3) en (5)

El aumento en la fuerza vertical es en una cantidad diferencial. Por lo tanto 

 Si ahora unimos (4) y (6) tenemos que:

 Para que “y” presente movimiento ondulatorio, debía cumplir la siguiente ecuación diferencial:

Siendo "v" la velocidad de propagación de la onda.

Si observamos las ecuaciones (8) y (7) podremos ver que son muy similares.

Despejando:

Por último la velocidad de propagación de una onda está dada por:

 Como es una cuerda amurada en sus dos extremos, al aplicarle una frecuencia de oscilación aparecerán nodos en la cuerda dependiendo de la longitud de onda. La longitud de onda entonces está definida por:

 Por lo tanto reemplazado (3) en la ecuación anterior (2) tenemos que la velocidad de propagación es:

La mínima frecuencia será cuando N=1, lo que significa que los únicos nodos son los de los extremos. Llegando entonces a la ecuación

[1]http://www.fisica.edu.uy/~cris/teaching/ondas_parte2_2012.pdf

Sensores de posición Absolutos

Los sensores de posición absolutos,  disponen de varias bandas en el rotor ordenadas según un código binario, y los captadores detectan un código digital completo que es único para cada posición del rotor. Entregan una salida codificada que nos indica la posición del elemento respecto a una referencia. Cuenta con varias pistas con distintas zonas. El sistema de lectura obtiene directamente el número codificado que nos da la posición.

Posee un disco con un dibujo complejo que está distribuido en anillos con-céntricos y representan los bits de una palabra binaria. Cada zona tiene una propiedad distinta para poder identificarse, y según cada una se les asigna un “1” o un “0”.

Cada pista representa un bit de salida, la que está más cerca del centro es el bit de mayor resolución y el más cercano al borde el de menor resolución.

Fig.1: a) Representación con Código de Gray, b) Representación con codificación binaria [1]

Los más usados son los de tipo óptico con zonas transparentes y opacas. También existen los de contacto con zonas conductoras y aislantes.

Por cada anillo debe existir un detector óptico. Por ejemplo en uno de 8 anillos como el de la figura 1, tendrá una resolución de 8 bits, (se divide la circunferencia en 256 porciones) si se agregan mas anillos con-céntricos se podrá tener una mayor resolución. Y por consiguiente un dato de posición más preciso.

La codificación generalmente se hace en código gray y luego se traduce a código binario.

Fig.2: Elementos básicos de un codificador absoluto, con disco de 3 bits

El código gray es un sistema de código binario en el cual dos códigos adyacentes solo se diferencian en una sola posición. Implica solamente que uno de los contactos detecta una transición de on/off o viceversa. Al haber solo un cambio de transición es más sencillo detectar un error y evitar que pueda llegar a dañarse alguna parte del sistema. En un dispositivo real los contactos nunca se alinean perfectamente. Si el código estuviera distribuido con un sistema binario, el código de 3 (off, on, on) estaría al lado del 4 (on, off, off) si por ejemplo estamos en la transición del 3 al 4 y existe alguna des-alineación, podría darse que el valor leído en algún momento fuera (on, on, on) lo que nos daría una posición 7, si por ejemplo este sistema decidiera el ángulo de posición de un brazo robótico, intentaría llevar el brazo a la posición 7 cosa que puede dañar al sistema si no era una posición deseada. El gran problema reside en la transición de un estado al otro.

 Fig.3: Elementos básicos de un codificador absoluto

Este tipo de codificadores tiene inmunidad frente a las interrupciones, ya que si se corta la alimentación al volver sabe la posición en la que esta. Es muy complejo el sistema de medición porque debe medirse todas las pistas y tanto los detectores como los emisores deben estar bien alineados.

Una desventaja notable es que este sistema es muy sensible a golpes o vibraciones.

Aplicación de estos sensores:

• En robótica, donde la posición del brazo del robot es necesaria para realizar el siguiente movimiento sin destruir el robot.
• En sistemas de seguridad y vigilancia para indicar la orientación de las cámaras CCTV.
• En grúas, grúas marítimas, palas mecánicas y motores eléctricos de maquinaria pesada.
• En elevadores para indicarle al elevador si debe subir o bajar.
• Controles industriales para la transportación de materiales.
• Un radar giratorio para conocer el ángulo preciso de rotación.

Los codificadores de posición son muy utilizados en la industria para detectar movimientos, y desplazamientos, los incrementales son más económicos pero los absolutos son mejores. Nos permite saber la posición si se pierde la alimentación eléctrica sin tener que reiniciar el sistema a 0. Son altamente perturbados por vibraciones, y los sistemas de detección de código es mucho más complejo.

[1]http://sensorcodificadorabsoluto.blogspot.com.ar/2008/05/introduccin_16.html
[2]http://www.tecnoficio.com/electricidad/velocidad_de_motores_electricos5.php
[3]http://www.dccia.ua.es/dccia/inf/asignaturas/ROB/optativos/Sensores/internos.html