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Sensores
Los sensores son dispositivos que permiten cuantificar una variable física, los primeros sensores eran dispositivos simples, que medían una cantidad de interés y producían alguna forma de señal de salida mecánica, eléctrica u óptica. Actualmente, la informática, las comunicaciones generalizadas, la conectividad a la web, los dispositivos móviles inteligentes y la integración en la nube se han sumado enormemente a las capacidades de los sensores. En las últimas décadas, la evolución de los sensores ha estado fuertemente influenciada por las tecnologías TIC, con la integración de los microcontroladores, módulos de comunicaciones inalámbricas y almacenamiento permanente de datos. Estas tecnologías han apoyado el desarrollo de sistemas de sensores con arquitecturas comunes. Las funciones de computación, almacenamiento y comunicaciones se utilizan para servir a múltiples sensores con conectividad común, por lo que, en conjunto, estas mejoras han producido sensores inteligentes que permiten la entrega de soluciones de sensores inteligentes con características clave como procesamiento de señales digitales y transmisión inalámbrica de datos. Los sensores utilizan un amplio espectro de enfoques de transformación de señales y transductores con las correspondientes variaciones en la complejidad técnica. Estos van desde la medición de temperatura relativamente simple basada en un termopar bimetálico, hasta la detección de especies específicas de bacterias utilizando sofisticados sistemas ópticos. Dentro de los dominios de la salud, el bienestar y el medio ambiente, existe una variedad de enfoques de detección, que incluyen sistemas microelectromecánicos, ópticos, mecánicos, electroquímicos, miconductores y biosensores. Los sensores se pueden utilizar para medir o detectar una gran variedad de cantidades físicas, químicas y biológicas, incluidas proteínas, bacterias, sustancias químicas, gases, intensidad de luz, movimiento, posición, sonido y muchas otras, como se puede visualizar en la figura 1. Las medidas del sensor son convertidas por un transductor en una señal que representa la cantidad de interés para un observador. Figura 1. Proceso de detección
Para cualquier cantidad dada, generalmente hay más de una forma de sensor que se puede usar para tomar una medición, cada tipo de sensor ofrece diferentes niveles de precisión, sensibilidad, especificidad o capacidad para operar en diferentes condiciones ambientales. Los sensores se pueden utilizar para medir cantidades de interés de tres formas: Contacto : Este enfoque requiere contacto físico con la cantidad de interés. Hay muchas clases para sentir de esta manera: líquidos, gases, objetos como el cuerpo humano y más. El despliegue de tales sensores perturba obviamente el estado de la muestra o sujeto hasta cierto punto. Sin Contacto : Esta forma de detección no requiere contacto directo con la cantidad de interés. Este enfoque tiene la ventaja de una mínima perturbación del sujeto o muestra. Se usa comúnmente en aplicaciones de detección ambiental, aplicaciones basadas en sensores que están idealmente ocultos a la vista y, por ejemplo, rastrean las actividades y comportamientos diarios de las personas en sus propios hogares. Tales aplicaciones deben tener un impacto mínimo en el medio ambiente o tema de interés para preservar el estado. Extracción de muestras : Este enfoque implica una recolección invasiva de una muestra representativa por parte de un humano o un sistema de muestreo automatizado. La extracción de muestras se produce comúnmente en aplicaciones sanitarias y medioambientales, para controlar E. coli en agua o niveles de glucosa en sangre, por ejemplo. Dichas muestras pueden analizarse utilizando sensores o instrumentación analítica basada en laboratorio. Con los enfoques basados en sensores, se utilizan comúnmente sensores pequeños, el sensor suele estar muy cerca del sitio de recogida de muestras. Estos sensores se integran cada vez más con capacidades informáticas para proporcionar funciones sofisticadas, como procesamiento de datos, presentación, almacenamiento y conectividad remota.
Sensores Mecánicos
Los sensores mecánicos se basan en el principio de medir cambios en un dispositivo o material como resultado de una entrada que provoca la deformación mecánica de ese dispositivo o material. Entradas, como movimiento, velocidad, aceleración y desplazamiento que dan como resultado una deformación mecánica que se puede medir. Cuando esta entrada se convierte directamente en una salida eléctrica, el sensor se describe como electromecánico. Otras posibles señales de salida incluyen magnética, óptica y térmica Las galgas extensométricas son uno de los sensores mecánicos más comunes y vienen en muchas formas y tipos. Se han utilizado durante muchos años y son el elemento sensor clave en una variedad de tipos de sensores, incluidos sensores de presión, celdas de carga,
Figura 2. Acelerometro Giroscopio. Miden la velocidad angular de rotación de uno o más ejes, además los giroscopios pueden medir movimientos intrincados con precisión en el espacio libre. No tienen partes giratorias que requieran rodamientos y, por lo tanto, se prestan a la miniaturización y la fabricación por lotes utilizando procesos de fabricación de semiconductores. Casi todos los giroscopios utilizan elementos mecánicos vibrantes para detectar la rotación en función de la transferencia de energía entre dos modos de vibración de una estructura causada por la aceleración de Coriolis.
Sensores Ópticos
Los sensores ópticos funcionan detectando ondas o fotones de luz, incluida la luz en las regiones espectrales visible, infrarroja y ultravioleta. Estos sensores operan midiendo un cambio en la intensidad de la luz relacionado con la emisión o absorción de luz por una cantidad de interés. También pueden aliviar los cambios de fase que se producen en los haces de luz debido a la interacción o los efectos de interferencia. La medición de la ausencia o interrupción de una fuente de luz es otro enfoque común. Los sensores basados en este principio se utilizan comúnmente en puertas y portones automatizados para garantizar que no haya obstáculos en su camino de apertura. Son ampliamente utilizados en aplicaciones industriales para medir líquidos y niveles de material en tanques o en líneas de producción de fábricas para detectar la presencia o ausencia de objetos. Los sensores ópticos también se utilizan con motores paso a paso en aplicaciones que requieren detección y codificación de posición. Fotodetectores. Los sensores fotodetectores se basan en el principio de la hotoconductividad, donde el material objetivo cambia su conductividad en presencia o ausencia de luz. Los sensores son sensibles para una región espectral determinada (rango de longitudes de onda ópticas) desde el ultravioleta al infrarrojo. Estos ejemplos incluyen: Sensores de píxeles activos: Como los que se encuentran en las cámaras de teléfonos inteligentes y las cámaras web. Dispositivos con carga acoplada (CCD): Como los que se encuentran en las cámaras digitales. Resistencias dependientes de la luz (LDR): Como las que se encuentran en los sistemas de alumbrado público.
Fotodiodos: Como los que se utilizan en los sistemas de control del nivel de iluminación de las habitaciones o en los sistemas de medición de UV. Fototransistores: Como los que se utilizan en optoaisladores para una variedad de aplicaciones, incluido el equipo de atención médica, para proporcionar aislamiento eléctrico entre el paciente y el equipo. Fotomultiplicadores: Como los que se encuentran en los espectrofotómetros detectores. Los fotomultiplicadores también se utilizan en citómetros de flujo para aplicaciones de análisis de sangre. Figura 3. Fotodetectores Detección de temperatura Infrarrojos (IR). Los sensores de infrarrojos vienen en formas activas y pasivas, en la forma activa, el sensor emplea una fuente de luz infrarroja, como un LED o un diodo láser, que proyecta un haz de luz que se detecta en un detector separado (células fotoeléctricas, fotodiodos o fototransistores). Un objeto que atraviesa el rayo interrumpe la señal recibida en el detector. Una configuración alternativa es la detección basada en reflectancia, donde la fuente y el detector están ubicados en el mismo recinto. La luz de la fuente de infrarrojos se refleja en un objeto a medida que se mueve hacia el campo de detección del sensor. La cantidad de luz recibida en el detector depende de la reflectividad de la superficie del objeto. Los sensores infrarrojos se pueden utilizar como contadores, sensores de proximidad o para identificar la presencia de personas u otros objetos móviles en condiciones diurnas o nocturnas. Los sensores pasivos no generan ni irradian energía con fines de detección. Dependen del calor detectado de objetos, como cuerpos humanos en su campo de detección. Se utilizan comúnmente en la iluminación de seguridad alrededor de los hogares y en los sistemas de seguridad del hogar para detectar intrusos. Los sensores infrarrojos generalmente tienen requisitos de baja potencia, inmunidad
Figura 4. Detección de temperatura – Detección de presión
Sensores semiconductores
Los sensores semiconductores han ganado popularidad debido a su bajo costo, confiabilidad, bajo consumo de energía, larga vida útil y factor de forma pequeño. Sensores de gas. Los sensores semiconductores se utilizan comúnmente para detectar hidrógeno, oxígeno, alcohol y gases nocivos, como el monóxido de carbono. Los detectores domésticos de CO son una de las aplicaciones más populares de los semiconductores de monitoreo de gas. Un sensor de gas típico tiene una capa sensora y una base de sensor, y está alojado en un recinto poroso. Sensores de Temperatura. Los sensores de temperatura de semiconductores se basan en el cambio de voltaje a través de una unión p-n, que exhibe una fuerte dependencia térmica. Las mediciones se realizan manteniendo constante la corriente de polarización y midiendo los cambios de voltaje. Para obtener lecturas precisas, es necesario calibrar el sensor ya que pueden producirse variaciones significativas entre los servicios en el rango de ± 30 ° C. Para mediciones más precisas, se utilizan transistores bipolares conectados por diodos. Sensores Magnéticos. Los sensores magnéticos semiconductores detectan cambios o perturbaciones en los campos magnéticos y convierten estos cambios en una señal eléctrica medible. Pueden producir información sobre propiedades, como movimiento direccional, posición, rotación, ángulo o corrientes eléctricas en máquinas o dispositivos. Se utilizan en dispositivos médicos como ventiladores para controlar la extensión del movimiento; en recintos para dispositivos electrónicos de consumo para detectar la apertura y el cierre de un dispositivo; y en escenarios de energías renovables, como instalaciones solares Sensores Ópticos. Existe una variedad de sensores semiconductores ópticos, el más común de los cuales es el fotodiodo, un tipo de fotodetector que convierte la luz en corriente o voltaje. Los fotodiodos normalmente tienen una conexión de fibra óptica o ventana para permitir que la luz llegue a una unión p-n o PIN. Los fotodiodos a menudo usan una unión PIN en lugar de una unión p-n para aumentar la velocidad de respuesta
Sensores electroquímicos
Un sensor electroquímico está compuesto por un electrodo sensor o de trabajo, un electrodo de referencia y, en muchos casos, un contraelectrodo. Estos electrodos se colocan
típicamente en contacto con un electrolito líquido o sólido. En el rango de baja temperatura los sensores electroquímicos se utilizan para controlar el pH, la conductividad, los iones y los gases disueltos. Para mediciones a altas temperaturas como la medición de gases de escape y metales fundidos, se utilizan sensores de electrolitos sólidos. Los sensores electroquímicos funcionan según el principio de medir un parámetro eléctrico de la muestra de interés. Se pueden clasificar según el enfoque de medición empleado.
Ventajas de los sensores
Las principales ventajas de los sensores es la Seguridad los sensores pueden proporcionar un sistema de seguridad para la recolección de datos al momento de estar cuantificando las señales. La identificación es una ventaja en la que el sensor tiene la capacidad de detectar movimientos o de cambios de estados en lapsos de tiempo muy cortos. Otra ventaja es el ahorro, ya que los sensores pueden ayudar a aumentar el ahorro de energía proporcionando sistemas capaces de utilizar sensores para el ahorro de la energía. La mayoría de los sensores tienen una gran capacidad la cual ayuda a realizar las mediciones de manera mas eficiente. Los sensores suelen tener un bajo costo, por lo que es muy fácil tener acceso a ellos. Los sensores tienen la ventaja de tener una larga vida, dependiendo de la aplicación a la que se le esté asignando. La principal desventaja de los sensores es su mala calibración, si no contamos con una buena calibración los datos cuantificados serán incorrectos y probablemente tengamos problemas en la lectura de los datos. Algunos de los sensores requieren de contacto físico, lo cual en algunos casos puede resultar una gran desventaja por las condiciones en las que se estará trabajando y en algunas situaciones resulta difícil de mantener ese contacto físico. Algunos de los sensores tienen limitaciones de alcance, lo cual resulta un problema para el almacenamiento de datos. Otra desventaja es que son sensibles a cambios extremos del medio ambiente, por lo que podrían causar un deterioro tanto en la lectura de los datos leídos como del mismo sensor físico.
Sensor Infrarrojo Sharp GP2Y0A
El sensor de distancia Sharp GP2Y0A21 permite obtener la distancia entre el sensor y algún objeto dentro del rango de 10 a 80cm. Integra tres dispositivos: Un diodo emisor de infrarrojos (IRED), un detector sensitivo de posición (PSD) y un circuito procesador de señales. El dispositivo entrega una salida en voltaje correspondiente a la distancia de detección. También se puede utilizar como un sensor de proximidad con la ayuda de un comparador o mediante software. La diferencia en la reflectividad de los materiales, así como la temperatura de funcionamiento, no afectan en gran medida la operación de este sensor debido al método de detección usado basado en triangulación. Para obtener la distancia en cm. se recomienda tomar como guía la gráfica voltaje vs. distancia incluido en el datasheet. Para hacer las lecturas en cm se puede usar las siguientes fórmulas:
Salida: Voltaje Analógico (1V-3.3V) Voltaje de alimentación: 4.5 V-5.5 V DC Consumo de corriente: 30mA Conexión: Conector JST PH de 3 pines
Pines de Conexión
- Vo (Voltaje de salida)
- GND (Tierra)
- Vcc (+5 Vdc) Figura 5. Sensor Sharp GP2Y0A
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