Actividad #3 Sensores Que Intervienen En Un Sistema Mecatrónico

Universidad Autónoma de Nuevo León

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Sensores y Actuadores

Actividad #3: Sensores que intervienen en un sistema mecatrónico

Nombre: Dillan Alejandro Trigo López

Matricula: 1869547 Carrera: IMTC

Catedrático: Dante Ferreyra Mendez

Salón: 1-304

Hora: M4

Grupo: 001

Fecha de entrega: 28 de Febrero de 2020 1

Índice

Introducción ........................................................................................................ 3 Circuito de sensor de lluvia ................................................................................ 4 Codificación ........................................................................................................ 9 Conclusiones .................................................................................................... 20 Bibliografía ....................................................................................................... 20

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Introducción Los sensores son dispositivos que permiten medir el estado de un mecanismo o del medio ambiente, en otras palabras, son los encargados de captar, recolectar y reconocer los mecanismos o variables que se van a supervisar. Un ejemplo muy desarrollado es el uso de la visión artificial, la cual se usa para determinar la posición y la orientación del mecanismo, del ambiente o de las herramientas, sin embargo, no siempre es posible medir directamente alguna variable se estima su valor por medio de observadores del estado y filtros. Se suele clasificar a los sensores de acuerdo a la magnitud medida; se habla de sensores de temperatura, presión, humedad, caudal, proximidad, aceleración, velocidad, fuerza, etc. Sin embargo, esta clasificación difícilmente puede ser exhaustiva ya que la cantidad de magnitudes físicas que se pueden medir es muy grande. Por otra parte, los sensores son elementos con la capacidad de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación: temperatura, intensidad, luminosidad, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, fuerza, presión, torsión, humedad, pH,etc. Y convertirlas en variables eléctricas. Un área muy desarrollada en la Mecatrónica es el control. Se tienen dos tendencias importantes: el uso de las técnicas más modernas de la teoría de control automático y el desarrollo de controles inteligentes, que busca mejorar la percepción del medio ambiente y obtener una mejor autonomía. En el área de mecanismos, los principales problemas son reducción de complejidad, eliminación de mecanismos y síntesis de mecanismos mecatrónicos (en este caso aplicado a sensores). La reducción de la complejidad se refiere a reducir el número de elementos del mecanismo, mediante el uso de control inteligente. La eliminación del mecanismo implica el uso directo de actuadores y de controles más sofisticados. La síntesis de mecanismos mecatrónicos consiste en utilizar actuadores directamente en el mecanismo para mejorar su movimiento; un ejemplo de síntesis es el desarrollo de rodamientos con actuación magnética para eliminar la fricción. Se caracteriza por una mejor caracterización del mecanismo y el diseño por computadora. En esta actividad nuestro equipo aplicara esto para fabricar un sensor de humedad y un sensor de lluvia, describiendo para que sirve y explicando los componentes y el cómo se van a fabricar paso a paso, explicando el procedimiento como la preparación del press-n-peel y la placa fenólica, el planchado de la placa, como usar correctamente el ácido (cloruro férrico), el tipo de brocas que se pueden utilizar, además de algunos consejos a la hora de fabricarlo, también va haber una lista de todos los materiales que utilizaremos. También se realizará el código en Arduino para controlar el sensor de humedad y el sensor de lluvia.

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Circuito de sensor de lluvia Un sensor de lluvia es un dispositivo electrónico que cambia su valor de acuerdo con la precipitación de lluvia. Hay dos tipos principales de sensores de lluvia. El primero es un dispositivo que acumula agua y que está conectado a un sistema automático de riego que provoca el apagado del sistema en caso de lluvia. El segundo es un dispositivo utilizado para proteger el interior de un vehículo de lluvia y para posibilitar el funcionamiento automático del limpiaparabrisas según la intensidad de la lluvia. Una aplicación adicional, en las antenas de comunicaciones por satélite profesionales, arranca un soplador de aire que elimina las gotas de agua de la superficie de la membrana que cubre la boca del alimentador de la antena. Algunos Sensores Electrónicos de lluvia cuentan con un detector de congelamiento para evitar que los sistemas operen en temperaturas bajo cero durante noches extremadamente frías. Funcionamiento del Sensor Electrónico de lluvia El Sensor Electrónico de lluvia se compone de un diodo emisor y un diodo receptor ambos instalados en el propio parabrisas, básicamente éstos emiten un haz de luz que atraviesan el parabrisas y que según los principios de refracción y reflexión variarán su intensidad y su ángulo si en su camino se encuentran con una gota de agua sobre el parabrisas, además de los diodos emisores y receptores, el sistema cuenta habitualmente con otros sensores de luz ambiental y de puntos lejanos que permiten entre otras cosas comprobar el nivel de iluminación exterior Sensor de luz y encender las luces si es necesario, también permite comprobar la concentración de gotas de agua que hay sobre el parabrisas para adecuar el retardo entre cada barrido del limpiaparabrisas y la velocidad a la que se mueve éste haciendo que vaya más rápido y con menor retardo cuanto mayor sea el número de gotas sobre el parabrisas. Colocación Sensor Electrónico de lluvia El Sensor Electrónico de lluvia puede fijarse en los parterres detrás de las plantas usando el enclavamiento o bien puede colocarse en una superficie sólida dependiendo de los requisitos individuales. Realmente no es un sistema demasiado costoso ni caro de implementar. En cualquier caso las marcas siguen aprovechando este tipo de sistemas para ofrecerlo junto a paquetes de equipamiento más caros o para diferenciarse de las gamas inferiores y de las marcas más económicas que habitualmente renuncian a esta tecnología para ajustar aún más los costes y ofrecer productos mucho más baratos.

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Circuito de sensor de humedad Los sensores de humedad se aplican para detectar el nivel de líquido en un depósito, o en sistemas de riego de jardines para detectar cuándo las plantas necesitan riego y cuándo no. Permiten medir la temperatura de punto de rocío, humedad absoluta y relación de mezcla. Cómo funcionan los sensores analógicos de humedad Un sensor analógico de humedad mide la humedad del aire relativo usando un sistema basado en un condensador. El sensor está hecho de una película generalmente de vidrio o de cerámica. El material aislante que absorbe el agua está hecho de un polímero que toma y libera el agua basándose en la humedad relativa de la zona dada. Esto cambia el nivel de carga en el condensador del circuito en el cuadro eléctrico. Cómo funciona un sensor digital de humedad Un sensor digital de humedad funciona a través de dos micro-sensores que se calibran a la humedad relativa de la zona dada. Estos se convierten luego en el formato digital a través de un proceso de conversión de analógico al digital que se realiza mediante un chip situado en el mismo circuito. Un sistema basado en una máquina hecha de electrodos con polímeros es lo que constituye la capacitancia del sensor. Esto protege el sensor del panel frontal del usuario (interfaz). Precisión en la medición de la humedad Los fabricantes y laboratorios de calibración buscan determinar la calidad del desempeño de los dispositivos para la medición de humedad, esto es, que tanto las especificaciones y como los datos de calibración reflejen la operación 5

real de los sensores. Podemos definir la precisión de un sensor como la desviación con respecto a un patrón de laboratorio. Esta característica es afectada por los siguientes factores: Factores  Temperatura y humedad a la que fue calibrado el sensor  Dependencia de la calibración con la humedad y la temperatura, muchos sensores son no-lineales y casi todos varían con la temperatura  Como afecta al sensor el envejecimiento y la velocidad de envejecimiento  Que tan sensitivo es el sensor a los contaminantes  Que precisión tiene el estándar usado para construir el sensor y su certificación  A causa de estas variaciones es de notar que una declaración de una precisión ±1% es poco representativa del desempeño efectivo en el ámbito de operación del sensor. Por ejemplo un sensor con una precisión especificada de fábrica del ±1% podría, después de operar durante 6 meses, caer hasta una precisión de ±6% mientras que otro sensor con una precisión de fábrica de ±2% podría, luego de operar 6 meses en la misma aplicación, tener una precisión del ±2%. Consideración de los distintos tipos de sensor y sus aplicaciones No existe tecnología alguna de medición que sea apropiada para todas las aplicaciones. Algunas de las tecnologías típicamente usadas son:

Técnicas para la medición de humedad relativa Las mediciones de humedad relativa puede ser hecha por sensores basados en: psicometría, desplazamiento, resistivos, capacitivos y por absorción de líquido. Algunos de los cuales describimos. Psicometría por bulbo húmedo/bulbo seco: La psicometría desde hace tiempo es uno de los métodos más populares para el monitoreo de la humedad debido a su simplicidad e inherente bajo costo. Un psicómetro industrial típico consiste de un par de termómetros eléctricos acoplados, uno de los cuales opera en estado húmedo. Cuando el dispositivo funciona la evaporación del agua enfría el termómetro humedecido, resultando una diferencia medible con la temperatura ambiente o la temperatura del bulbo seco. Cuando el bulbo húmedo alcanza su máxima caída de temperatura la humedad puede determinarse comparando la temperatura de los dos termómetros en una tabla psicométrica. El psicómetro provee una alta precisión en las proximidades del punto de saturación (100% RH) y es fácil de operar y reparar, por otra parte a baja humedad relativa (menos del 20%) el desempeño es pobre y el mantenimiento debe intensificarse. No puede utilizarse a temperaturas menores de 0° y, siendo el propio psicómetro una fuente de humedad, no pude utilizarse tampoco en ambientes pequeños o cerrados. Los psicómetros son utilizados típicamente para control ambiental en recintos.

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Sensores por desplazamiento: Es quizás el tipo de sensor más antiguo y de uso común, utiliza un mecanismo para medir la expansión o contracción de un cierto material que es proporcional a los cambios en el nivel de humedad relativa. Los materiales más comunes el nylon y la celulosa. Las ventajas de este tipo de sensor son el bajo costo de fabricación y es altamente inmune a la contaminación. Las desventajas son la tendencia a la descalibración en el tiempo y los efectos de histéresis significativos. Sensor de bloque de polímero resistivo: Están compuestos de un sustrato cerámico aislante sobre el cual se deposita una grilla de electrodos. Estos electrodos se cubren con una sal sensible a la humedad embebida en una resina (polímero). La resina se recubre entonces con una capa protectiva permeable al vapor de agua. A medida que la humedad permea la capa de protección, el polímero resulta ionizado y estos iones se movilizan dentro de la resina. Cuando los electrodos son excitados por una corriente alterna, la impedancia del sensor se mide y es usada para calcular el porcentaje de humedad relativa. Por su misma estructura este tipo de sensores son relativamente inmunes a la contaminación superficial ya que no afecta su precisión aunque si el tiempo de respuesta. Debido a los valores extremadamente altos de resistencia del sensor a niveles de humedad menores que 20% es apropiado para los rangos altos de humedad. Sensores capacitivos: Los sensores capacitivos (polímero orgánico capacitivo) es diseñados normalmente con platos paralelos con electrodos porosos o con filamentos entrelazados en el sustrato. El material dieléctrico absorbe o elimina vapor de agua del ambiente con los cambios del nivel de humedad. Los cambios resultantes en la constante dieléctrica causa una variación en el valor de la capacidad del dispositivo por lo que resulta una impedancia que varía con la humedad. Un cambio en la constante dieléctrica de aproximadamente el 30% corresponde a una variación de 0-100% en la humedad relativa. El material sensor es muy delgado para alcanzar grandes cambios en la señal con la humedad. Esto permite al vapor de agua entrar y salir fácilmente y el secado rápido para la sencilla calibración del sensor. Este tipo de sensor es especialmente apropiado para ambiente de alta temperatura porque el coeficiente de temperatura es bajo y el polímero dieléctrico puede soportar altas temperaturas. Los sensores capacitivos son también apropiados para aplicaciones que requieran un alto grado de sensibilidad a niveles bajos de humedad, donde proveen una respuesta relativamente rápida. A valores de humedad superiores al 85% sin embargo el sensor tiene una tendencia a saturar y se transforma en no lineal.

Aplicación de campo de los sensores En las aplicaciones concretas de los instrumentos de medición de humedad las especificaciones del fabricante siempre pierden algo de significación. Las condiciones de operación no ideales afectan de alguna manera hasta el sistema más preciso, estas condiciones incluyen los siguientes factores: 

Efectos de la temperatura: Casi todos los higrómetros son calibrados a una temperatura ambiente fija. Usualmente esta temperatura es de 25°C ±1°C por lo tanto las variaciones en la temperatura pueden afectar los resultados de la medición. Muchos sistemas compensan este efecto ya sea electrónicamente o controlando la temperatura del sensor. 7

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Electrónica: La instrumentación electrónica moderna es inmune a la temperatura ambiente en los rangos normales. Sin embargo grandes oscilaciones de temperatura pueden causar errores en diversos componentes electrónicos. Presión: Los efectos de la presión son más fáciles de cuantificar y por lo tanto más fáciles de corregir que los efectos de la temperatura. Si se conoce el valor de la presión en el punto de medición su efecto puede corregirse totalmente a condición de que la naturaleza del gas y su comportamiento con la presión sean conocidos. Caudal de gas: En teoría el caudal no debería afectar el nivel de humedad medido, pero en la práctica así ocurre. El excesivo caudal de gas en sistemas entubados puede producir gradientes de presión. Se debe tener cuidado para asegurar que el sistema de muestreo pueda acomodarse a las distintas condiciones de trabajo.

El uso de sensores de humedad en los laboratorios Los sensores de humedad son herramientas verdaderamente fundamentales en algunos sectores ya que debemos tener en cuenta el hechos de que la humedad puede ser un factor positivo o negativo del ambiente según el contexto en el cual se la evalúe ya que la mayoría de las veces sucede que la humedad suele afectar algunos contenidos, objetos y sustancias negativamente y por eso es muy importante que se tenga un cierto control sobre la misma en un espacio cerrado. Ahora bien debemos decir que le proceso de medición de la humedad suele ser muy analítico ya que lógicamente lo sensores de humedad deben estar en contacto directo con el ambiente. No obstante debemos decir que la mayoría de los sensores de humedad generalmente suelen venir acompañados de todo un sistema que nos ayuda a entender los valores de la misma además de ayudarnos a disminuirla o aumentarla según se necesite, por eso es importante que tengamos en cuenta el hecho de que cuando nos dirigimos a una empresa que desarrolla este tipo de sistemas, desde un principio debemos saber que nos encontraremos con un mecanismo algo complicado de entender pero que sin lugar a duda con el tiempo lo comenzaremos a utilizar como una herramienta normal.

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Codificación

Manual Comenzar con identificar el segmento del Press-n-Peel (ver figura 1) que se va a utilizar. El Press-n-Peel es un acetato, pintado de azul en una de las caras, en el que se utiliza una impresora láser para marcar las pistas del PCB con

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tóner. Tratar de no tocar el lado azul ya que es muy fácil rasparlo, esto provocará que al transferirlo haya problemas.

Recortar con tijeras el segmento que se quiere transferir Tomar la placa de cobre y limpiar con la lija de agua (figura 2) en seco la superficie tratando de no tocar para no dejar huellas en la placa recién lijada.

Con una estopa o trapo remover el exceso de cobre de la superficie (figura 3). Poner el Press-n-Peel sobre la placa del lado recién lijado, el lado del tóner hacia abajo haciendo contacto con el cobre, procurando no tocar la placa y sin rayar el acetato.

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Con cinta adhesiva pegar los 4 lados del acetato (figura 4) asegurándolo a la placa con cuidado de no formar burbujas de aire.

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Forrar toda el área de la placa que se va a planchar con la hoja de máquina Colocar la placa sobre un pedazo de madera o un lugar seguro para comenzar a trabajar con la plancha. Con la plancha caliente (figura 6), pero no al máximo, comenzar a planchar sin vapor el Press-n-Peel haciendo presión cubriendo todas las áreas del acetato durante el tiempo que sea necesario para sentir que se ha cubierto toda el área (aproximadamente 10 minutos). La placa debe estar muy caliente al tacto.

12 Figura 6 Planchar Press-n-Peel para transferir el tóner

Al final de éste paso, la hoja debe estar algo quemada. Dejar reposar para que enfríe. Cuando la placa esté lo suficientemente fría, tomarla y tratar de remover la hoja de papel. La hoja estará algo adherida al acetato y a la cinta. Con cuidado quitar la hoja y el acetato de la placa para revelar el diseño marcado. Quitar la mayor cantidad posible de cinta derretida en la placa. Si se tiene mucha cinta adherida tratar de remover lo mayor posible teniendo cuidado de no dañar el diseño transferido. Una vez que hayamos quitado el Press-n-Peel puede que encontremos partes donde no se transfirió bien el tóner a la placa. En estos casos utilizaremos un marcador permanente para remarcar las pistas Al contrario, si las pistas aparecen muy juntas podemos utilizar un exacto para raspar el área y se elimine un poco el tóner. Cortar el exceso de la placa con la segueta (figura 7).

Poner la placa PCB en una vasija de plástico que no se podrá utilizar para ninguna otra cosa, ya que utilizaremos una sustancia que mancha. Utilizaremos cloruro férrico, compuesto químico que trabajará para remover el cobre de la placa, haciendo que sólo se queden las áreas donde está el tóner de preferencia utilizar guantes de látex.

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Vaciar un chorro de cloruro férrico (figura 8) sobre la placa procurando que no salpique.

Figura 8 Poner un chorro de cloruro férrico

Rebajar con un poco de agua (figura 9). El agua ayuda a que el cloruro reaccione para levantar el cobre. No utilizar mucha agua.

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Con cuidado menear la vasija para que el cloruro férrico se mueva en la placa para eliminar el cobre, se notará que la placa comienza a cambiar al color blanco que estaba debajo del cobre. Cuando se haya disuelto el cobre retirar la placa PCB de la vasija. Para deshacerse del cloruro férrico debemos diluirlo primero, este paso se debe de hacer en un drenaje que no importe si se puede manchar, es recomendado hacerlo debajo del lavadero. Primero se debe retirar la placa, enseguida dejar correr el agua por debajo del lavadero, ahí diluir el químico para finalmente desecharlo por el drenaje. Limpiar el área con abundante agua.

Limpiar con abundante agua (figura 11).

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Con un taladro de banco (figura 12) y lentes de seguridad (figura 13), comenzaremos a perforar la placa utilizando las brocas respectivamente. Para las perforaciones grandes usar la broca de 2.5mm.

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Figura 13 Usar lentes de seguridad

Después, al terminar de perforar cortar las orillas restantes de la placa Como siguiente paso, vamos a lijar la placa (figura 14) para eliminar el tóner y quede expuesto el cobre, limpiar con agua y secar con un trapo.

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Con un limatón lijar los bordes de la placa para deshacerse de astillas que se pudieron haber producido al cortar las orillas. Volver a lijar la placa, pero ahora en seco y limpiar el exceso con una estopa (figura 15) con cuidado de no tocarla.

Con otro pedazo de estopa embarrar una capa uniforme de pasta para soldar en la PCB. Ayudándose del cautín estañar todas las pistas con cuidado de no tapar las perforaciones hechas anteriormente. Si se calienta de más la PCB puede levantarse el cobre.

Figura 16 Estañar el cobre

Limpiar la PCB con abundante thinner y una estopa

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El último paso sería soldar los componentes (figura 17 ) Figura 17 Base de los componentes soldados

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Conclusiones Es bien sabido que para la realización de un invernadero es muy importante mantener húmedo el ambiente y saber regular las cantidades de agua que se necesitan para el buen estado de la tierra y plantas. En la realización de esta actividad y estas placas deducimos que es muy importante los tiempos en que se riega la tierra y para eso es muy importante los sensores de humedad y lluvia, para mantener los estándares necesarios para que un invernadero funcione de una manera adecuada. La realización de las placas cada vez es más sencillo ya que ya tenemos más experiencia en el procedimiento que se hace para tenerlas en funcionamiento como a la hora de perforar, estañar y soldar los componentes. Todo esto nos ayudara mucho en un futuro donde ocupemos realizar trabajos similares y con conocimiento poder decir que sabemos realizar este tipo de tareas. Bibliografía     

Software Wizard Hoja de actividad classroom https://www.ecured.cu/Sensor_Electr%C3%B3nico_de_lluvia https://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_de_lluvia https://www.ecured.cu/Sensor_de_Humedad

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