Sensor Ultrasónico

SENSOR ULTRASÓNICO

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Existen distintos tipos de sensores en la industria, por ahora nos reservaremos a el estudio de uno en particular me refiero al sensor ultrasónico, este dispositivo
es de gran importancia en la robótica; ya que se usa para el calculo de distancias y con esto realizar diversas acciones.

CONTENIDO

Ultrasonido

Ultrasonido hace referencia a las frecuencias arriba de 20KHz (limite de sonido audible). Altas frecuencias tienen longitudes de onda cortas lo que hace al reflejarse en objetos esta pueda ser leída. Desafortunadamente frecuencias muy altas son difíciles de generar y leer.

La generación y lectura de ultrasonido se hace a través de dos unidades piezoeléctricas en donde una de ellas es el emisor y la otra el
receptor de ondas de presión ultrasónicas. Para esto, la unidademisora debe excitarse con una señal adecuada en amplitud y frecuencia. La unidad receptora transducirá todas aquellas ondas de presión ultrasónicas de 40KHz que lleguen a excitarla. El ultrasonido es aplicado comúnmente en detectores de movimiento, medidores de
distancia, diagnostico médico, limpieza, pruebas no destructivas (para detectar imperfecciones en materiales), soldadura entre otras más.

El funcionamiento básico de los ultrasonidos como medidores de distancia se muestra de una manera muy clara en el siguiente esquema, donde se tiene un
receptor que emite un pulso de ultrasonido que rebota sobre un determinado objeto y la reflexión de ese pulso es detectada por un receptor de ultrasonidos:

Sensores emisor y receptor

La mayoría de los sensores de ultrasonido de bajo coste se basan en la emisión
de un pulso de ultrasonido cuyo lóbulo, o campo de acción, es de forma cónica.

Ejemplos

Por ahora nos ocuparemos del sensor receptor, que es el percibe el ultrasonido producido por el emisor. Para poder comprender un poco mejor esto, pongamos
un ejemplo. Una analogía correcta para definir el sistema, es la de la ecolocación de los murciélagos. La ecolocación consiste en que el murciélago emite un sonido del ultrasonido (frecuencia mayor a 20 kHz), el cual rebota en los insectos, posteriormente escucha el sonido del rebote, entre más tarde en regresar más lejos está el insecto o,
por el contrario, si se encuentra cerca el sonido regresará más en menos tiempo, como se muestra en la figura.

Ejemplo

Pero sin duda alguna, el mejor ejemplo para ver mas claramente al sensor recepto es sin duda, el oído humano ya que es un sensor natural, y actúa de la siguiente forma:

1) La parte externa del oído aumenta dirige los sonidos hacia el canal auditivo.

2) El canal del oído medio transporta el sonido hacia el oído interno y amplifica
algunas frecuencias que entran en resonancia.

3) El sonido llega a la membrana timpánica y se transforma en un movimiento que llega al oído medio.

4) En el oído medio se incrementa la eficiencia en la transferencia de energía del sonido

5) El sonido llega al oído interno donde mueve un fluido líquido que causa el desplazamiento
de la cóclea que estimula los nervios auditivos y se produce la señal eléctrica que va al cerebro.

Ejemplo del Oido Humano

Efecto piezo electrico

El efecto piezoeléctrico consiste en que en ciertos cristales que contienen iones positiva y negativamente cargados, los cuales se separan cuando se le someten a
cambios de presión, de forma que queda polarizado y se produce una diferencia de potencial, ejemplos ampliamente utilizados de estos cristales son los de sulfuro de zinc, cristales de cuarzo (el cuarzo a es ampliamente utilizado en la industria por su resistencia a las altas
temperaturas) y sal de Rochelle.

Todos los cristales presentan una frecuencia de resonancia o fundamental, la cual depende de factores como su estructura, forma, tamaño y masa. Cada vibración
que ocurre de un cristal implica que este pase de su configuración natural a una< deformada, y de una deformada a la natural, este ciclo se repite mientras que el cristal vibra.

Cuando el cristal piezoeléctrico se encuentra vibrando, y ocurre el ciclo de deformación antes mencionado se produce un campo eléctrico oscilante, la frecuencia del campo eléctrico oscilante es idéntica a la de la vibración, de manera análoga un campo eléctrico oscilante produce una vibración con la misma frecuencia en el cristal,
el intercambio de energía del campo eléctrico al cristal es muy ineficiente a menos que coincida con la frecuencia resonante de este último, lo que explica
el uso de cuarzo en los osciladores de los circuitos.

Estructura del sensor receptor

Principalmente este sensor esta contruido por un transductor piezoelectrico, para ello vamos a dar una breve explicasion acerca de este.

Como se mencionó antes cuando un cristal piezoeléctrico se somete a un cambio de presión (vibración) -la cual puede ser de origen acústico- se produce un campo eléctrico, el cual oscila con la misma frecuencia de la vibración, por el de se tiene una diferencia de potencial oscilante y como consecuencia se produce una señal eléctrica a partir de una acústica, de la misma manera se puede producir una señal acústica al aplicarle una diferencia de potencial al cristal piezoeléctrico. La frecuencia a la que responde el cristal del transductor (frecuencia resonante) depende de las dimensiones de la placa de cristal piezoeléctrico y el grosor del electrodo depositado, para usar el cristal únicamente como un detector se pueden usar placas de cuarzo con corte tipo AT (35°15’) y BT (49°00’) .

theta=N/f

Donde ? es el espesor de la placa de cuarzo, N la constante de frecuencia y f la frecuencia fundamental. Por otro lado y como se había mencionado antes el grosor de la placa también se relaciona con la masa y el área de la placa resultando a ecuación

theta=m/pNA

Donde m es la masa de la placa, p es la densidad (2.65 g/cm3) y A es el área de la misma. Finalmente al relacionar ambas ecuaciones se obtiene:

f=pNA/m

Estructura básica de un transductor.

Analicemos la estructura básica de un transductor.

Un transductor, en general, tiene una placa delgada de cristal piezoeléctrico (la placa amarilla de la placa) entre dos electrodos (las partes gris oscuro y color cobre) y en este caso un sustrato poroso que filtra levemente las vibraciones de entrada. Ahora dada la estructura antes mencionada cuando el transductor recibe vibraciones se polariza y produce una diferencia de potencial entre sus extremos, la cual es captada por los electrodos produciendo así una señal eléctrica que posteriormente pase a un sistema que pueda interpretar, modificar entre otras cosas a dicha señal.

Diagrama de un trasductor

Aplicaciones

Existen diversas aplicaciones para estos sensores, per quisera profundizar más su uso en la robotica, ya que es de gran utilidad para el calculo de distancias, esto puede servir, ya que algunos robots se dedican a recolectar objetos y para ello es necesario realizar un calculo, que le permita recorrer la distancia exacta de dicho objeto, con este sensor esto es posible, como podemos ver en los siguientes video:

Para el siguiente video, podemos observar cómo es q el robot primero con un sensor de color, detecta el objeto que en este caso el una pelota,
despues con la ayuda del sensor ultrasonico calcula la distancia y en base a ello recorre la distancia exacta para llegar al objeto.

El uso de sensores ultrasónicos en las mediciones de nivel con productos agresivos, o en aplicaciones en las que se emplean sustancias agresivas para limpiar las máquinas e instalaciones, estaba muy limitado en el pasado debido a que esos líquidos, o los gases que desprendían, deterioraban los transductores ultrasónicos. En algunas aplicaciones debía prescindirse totalmente del sensor zws, pues los fluidos o gases alteraban la carcasa de plástico de éste.

Ahora ya existe un modelo especial de los sensores zws con un revestimiento protector especial de parileno que cubre totalmente la carcasa del sensor, el transductor ultrasónico y el cable de conexión. Los sensores disponen así de una protección hermética. Esta novedosa protección permite ahora utilizar los sensores ultrasónicos de la serie zws también en entornos agresivos.

Aplicacion en la industria

Debido a una variedad de formas, los sensores fotoeléctricos convencionales de tipo reflectivo no proporcionan resultados confiables
en cuanto a la detección de resortes. Los sensores ultrasonicos garantizan una detección confiable
sin que el brillo del fondo influya en la detección.

alplicacion en la industria automotriz

Articulos

Sensor Ulrtrasonico: Breve resumen de los sensores.

Cartel de Interes: Cartel realizado como artículo de períodico.

Referencias

La web:

Trabajo realizado por:

Corona Cadenas Mario Alberto
Zavala Mondragón Luis Albert

Facultad de Ingeniería 2010, Analisis y Sistema de Señales.