Sensores
La construcción de un sistema software-hardware requiere el uso de microcontroladores entre los que destacan Arduino y el ordenador Raspberry Pi. La elección de un tipo de microcontrolador depende del proyecto electrónico a construir. La ventaja de Arduino es que ejecuta inmediatamente la tarea. Raspberry Pi, por disponer de más potencia de cómputo y un sistema operativo, es más adecuado para ser usado como un micrordenador funcional portátil. Ambos tipos de placas permiten la integración en el sistema de otros dispositivos llamados sensores y actuadores. La figura no1 muestra un ejemplo de estos dispositivos electrónicos.
Los sensores son dispositivos que son capaces de medir magnitudes físicas o químicas, denominadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas mediante un transductor.
La conversión de la variable de instrumentación en variable eléctrica se puede realizar mediante una resistencia térmica (por ejemplo, la temperatura), un fotodiodo (intensidad de luz) o mediante un cristal piezoeléctrico (presión) que adquiere polaridad cuando es sometido a una presión mecánica. Las variables eléctricas pueden ser resistencia, capacidad, voltaje, corriente, etc. Las salidas del sensor pueden ser analógicas, digitales o conectadas a través de buses de comunicación.
Los sensores realizan mediciones y este proceso está caracterizado por varios parámetros que se describen a continuación. El dominio es el conjunto de posibles valores que el dispositivo es capaz de medir. La resolución es la mínima variación de la variable de instrumentación que el sensor puede detectar. La precisión es el máximo error que puede cometer. Las derivas son otras magnitudes, además de la deseada, que afectan a las medidas resultantes. La desviación de cero (offset) es el valor de la variable eléctrica cuando la variable de instrumentación es nula.
A continuación, se enumeran los principales tipos de sensores:
Tipos de sensores
| Tipo | Descripción | Caracterísiticas |
|---|---|---|
| Desplazamiento y distancia | Miden desplazamientos lineales, posiciones o distancias lineales. El rango de estos dispositivos va desde milímetros a cientos de metros. | Existen con contacto físico (con rozamiento) y sin contacto que se basan en láser o ultrasonidos. |
| Aceleración | Miden la aceleración o la vibración desde unos pocos g’s hasta miles de g’s. | Existen de diversos tipos como piezoresitivos, piezoeléctricos y acelerómetros capacitivios. |
| Giróscopos y referencias inerciales | Permiten medir o mantener la orientación en el espacio cuando se produce el movimiento de un objeto. Las referencias inerciales son sistemas de medida de posición y velocidad angular. Este tipo de sensores se denominan sensores giroscópicos. | Integran giróscopos y acelerómetros triaxiales. |
| Sensores de par y torsión | Miden la fuerza de torsión a la que se somete un eje. Se emplean en el estudio de elementos de rotación. |
Son estáticos o dinámicos. El transductor transforma la torsión en una variación de voltaje. |
| Presión y caudal | Transforman una fuerza por unidad de superficie en un voltaje equivalente. Destacan para medir la presión de líquidos como agua, aceite, o líquidos de frenos. Los de caudal miden la cantidad de material (en peso o volumen) que circula por un canal por unidad de tiempo. | Tienen aplicaciones en la construcción de interruptores de presión o monitorización de niveles. |
| Parámetros ambientales | Permiten medir la temperatura, humedad, presión barométrica, CO2, NOx, PM10, PM2.5, etc. | Tienen aplicaciones en agricultura para el control inteligente del riego o para el control de emisiones en ciudades. |
| Sensores de presencia | Detectan la presencia de un objeto y su cercanía con el punto de referencia. Tienen aplicaciones en vehículos no tripulados o vigilancia autónoma. | Constan de un par emisor/receptor. Se usan en aplicaciones para automáticamente abrir/cerrar puertas, encender/apagar luces, encendido automático de pantallas. |
| Sensores acústicos | Tiene aplicaciones en la detección de comandos de voz o en la vigilancia inteligente. | Transforman ondas acústicas en impulsos eléctricos. |
| Sensor de luz | Tienen una superficie sensible a la luz, produciendo valores diferentes de resistencia. | Se pueden utilizar para medir el nivel de luz y poder detectar si es de día o de noche o corregir la iluminación. |
La Figura 1 muestra un ejemplo de un dispositivo Raspberry Pi conectado a un pequeño circuito eléctrico que integra dos sensores medioambientales que miden gases GPL y monóxido de carbono, respectivamente. La Figura 2 muestra el resultado real.
Figura 1. Ejemplo de dispositivo Raspberry Pi conectado a dos sensores de parámetros ambientales.
Figura 2. Resultado real del esquema mostrado en la Figura 1.
Actuadores
Los actuadores son dispositivos que transforman energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso que genera una acción sobre un elemento externo al sistema.
Por ejemplo, un actuador puede recibir una orden de un microcontrolador, como Arduino o Raspberry Pi, y poner en funcionamiento el motor de una bomba.
La siguiente tabla resume los principales tipos de actuadores:
Tipos de actuadores
| Tipo | Descripción | Ejemplos de uso |
|---|---|---|
| Mecánicos | Transforman la acción rotativa de una entrada en un movimiento lineal. | Gatos mecánicos. Se emplean para la colocación exacta y repetible de objetos. |
| Neumáticos | Transforman aire comprimido en una fuerza motriz que produce una acción mecánica. | Pinzas neumáticas que permiten recoger objetos de un lugar y dejarlos en otro sitio. |
| Hidráulicos | Emplean una fuerza hidráulica para empujar y obtener una fuerza externa. Se usan cuando se necesita una potencia elevada. | Se emplean en grúas y en excavadoras, así como para la automatización de válvulas. |
| Eléctricos | La fuente de la fuerza es la energía eléctrica. | Válvulas multi-vueltas, motores, o relés. |
| Térmicos | Obtienen la fuerza a través del movimiento y la amplificación por la expansión térmica. | Automatización de sistemas de calefacción y refrigeración. |
Los sensores van conectados a las entradas de las placas de Arduino o de la Raspberri Pi mientras que los actuadores se conectan en las salidas. Además, se pueden conectar los periféricos que son dispositivos hardware que permiten almacenar o intercambiar información con el exterior del sistema. Ejemplos de periféricos son las pantallas LCD, teclados, memorias externas, impresoras, cámaras, micrófonos, displays numéricos, etc.
El documento “Paradigmas de la programación. Visión general” (competencia 3.4 del Nivel C1) es clave para el control de sensores y actuadores en diferentes campos, como la robótica y la automatización industrial. Mediante el uso de lenguajes de programación, se pueden crear programas que interactúen con los sensores para recopilar información del entorno y enviarla a los actuadores para realizar acciones específicas. Además, la información capturada por los sensores se puede utilizar para generar contenido multimedia, como imágenes y videos, que proporcionen una representación visual de los datos recopilados. Esto es útil en aplicaciones de monitoreo ambiental o seguridad.
DOCUMENTO
Documento referenciado: A3C34C1D01
Atención
A la hora de elegir un sensor, debemos revisar detenidamente las características y elegir uno que sea compatible con nuestra placa (tensión/voltaje e intensidad de corriente/amperaje) y que su dominio sea acorde a las magnitudes de nuestro sistema. Otro parámetro que influye en la elección es su facilidad de uso, disponibilidad de librerías y documentación