Sensores

Uno de los elementos clave en el diseño de los nuevos esquemas tecnológicos tal como la industria 4.0, las ciudades inteligentes, y obviamente, la generación de robots inteligentes, son los sensores, ya que es a través de ellos que los sistemas modernos reciben información de su entorno y a partir de ellos pueden tomar decisiones dependiendo de las características del ambiente que los rodea, pero, ¿Qué es un sensor?

Un sensor es todo elemento o dispositivo que presenta una propiedad que es sensible hacía una determinada magnitud física, y cuando esta magnitud se modifica, la propiedad también presenta un cambio en sus características.

Contrario a lo que la creencia popular dicta, un sensor puede convertir la variación de cualquier magnitud en la modificación de cualquier propiedad sensible, y no solamente convertir la magnitud física en una representación eléctrica o electrónica. Se tiene esta percepción debido a que mayoritariamente los sensores son utilizados en equipos eléctricos y electrónicos, y por lo tanto, traducen la variación de la magnitud en una variación de voltaje o de corriente, sin embargo, no todos los sensores son eléctricos o electrónicos. Un ejemplo sencillo de entender es el mercurio dentro de un termómetro, el mercurio presenta una dilatación en función del cambio de temperatura, esta propiedad nos permite obtener el sensor termómetro. En la figura 1, podemos ver algunos ejemplos de sensores no electrónicos.

Fig. 1.- Sensores que no eléctrico-electrónicos. a) Sensor de temperatura, b)Sensor de intensidad y dirección de viento, c) Sensor de nivel de agua.

Para fines de interpretación y estandarización, para el diseño de sensores se generan métricas que permiten al usuario, o al dispositivo lector, poder interpretar escalas medibles y cuantificables. Siguiendo con el ejemplo del termómetro, según el nivel de dilatación se puede determinar que temperatura en grados le corresponde, y de esta forma, un usuario no vera la cantidad de dilatación del mercurio sino la escala en grados, logrando una medición de la temperatura adecuada.

Existen dos tipos de sensores, los sensores analógicos y los digitales; los analógicos interpretan cada punto dentro de una señal y dan datos continuos en el tiempo, mientras que los digitales muestrean la señal en puntos particulares y los datos que dan son discretos. La figura 2 muestra las diferentes respuestas que un sensor analógico y uno digital pueden dar.

Como se ve en la figura 2, un sensor analógico puede interpretar una cantidad infinita de valores, mientras que un sensor digital sólo interpreta una cantidad finita, esto hace que un sensor analógico sea mucho más preciso en sus mediciones que uno digital, sin embargo, un sensor analógico puede presentar errores de paralaje en su interpretación, situación que no sucede con el sensor digital, ya que este da un dato conciso y fácilmente leíble, como se puede ver en la figura 3.

Fig. 2.- En esta figura se muestra los puntos que cada sensor puede interpretar. a) Es una señal analógica, continua en el tiempo, y el sensor puede interpretar cada punto en ella, teóricamente puede interpretar una cantidad infinita de valores, b) Se muestrea una señal analógica en puntos particulares de la misma, reduciendo la cantidad de valores a un valor finito, c) Muestra los valores finitos que un sensor digital interpretará, es discreta en el tiempo.

Fig. 3.- Se muestran dos versiones de un medidor de amperaje en el caso de a) Es posible observar que si el usuario mira de forma sesgada la aguja, o esta no cae exactamente en una de las marcas indicadoras, se puede tener un error de percepción del valor medido (https://pixabay.com/es/photos/amp-amper%c3%admetro-electricidad-2717819/). En b) el amperímetro muestra un dato en la pantalla conciso, sin posibilidad de ser mal interpretado.

Hoy en día, debido al uso masivo que tienen las computadoras (Las que podemos encontrar en, desde un juguete hasta una nave espacial) los sensores se han enfocado hacia lo digital, es decir, dispositivos que puedan ser fácilmente implementados para trabajar con una computadora o tarjeta de desarrollo, o en su defecto sensores analógicos que se conectan a un sistema de digitalización de señales antes de procesar la información dentro de un dispositivo lógico-digital.

Para condicionar la señal analógica a digital, se utilizan diferentes etapas electrónicas, sa señal primero se filtra y se “limpia”, se amplifica y posteriormente se ingresa a un conversor analógico-digital, el comportamiento de este último se puede ver en la figura 4. En tal figura podemos ver que ingresa una señal analógica, esta señal analógica es muestreada, generando una salida en tiempo discreto (Proceso de la figura 2). Una vez generada una señal discreta, cada uno de estos valores se cuantifica, es decir, se le asigna un valor determinado, por ejemplo un valor de voltaje y se retiene la señal en ese valor por un tiempo definido $t$, esta señal posteriormente es codificada en valores, principalmente, binarios, que es la codificación que se envía a la computadora (Este proceso se encuentra descrito con mayor detalle en otra página de esta web).

Fig. 4.- Etapas que se agregan a un sensor analógico para convertirlo a digital. Figura recuperada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Conversor_AD.svg

Actualmente es posible encontrar sensores de todo tipo y para interpretar prácticamente cualquier magnitud física. En el caso de sensores electrónicos, es posible encontrar una gran variedad de ellos a costos accesibles, esto debido a la gran popularidad que han adquirido las tarjetas de desarrollo y sistemas embebidos de bajo costo, muchas de tales tarjetas han sido adoptadas por alumnos de diferentes carreras tecnológicas para la generación de proyectos de alto valor tecnológico tales como (Casteluccio et al., 2019), (Lanfor & Pérez, 2017), (Sánchez, 2016), (Barrios, 2017), entre muchos otros. Diferentes sensores que pueden ser utilizados con las diferentes tarjetas de desarrollo existentes, se pueden observar en la figura 5.

Fig. 5.- Diferentes sensores que pueden ser utilizados con diferentes tarjetas de desarrollo para la generación de proyectos ingenieriles. a) Sensor de presencia, b) Sensor infrarrojo, c) Sensor de humo, d) Sensor de vibraciones, e) Sensor de humedad, f) Sensor de pulsaciones cardíacas, g) Sensor de señales electromiográficas, h)Sensor de sonido.

Es importante mencionar, que muchos de los sensores utilizados en aspectos electrónicos basan su funcionamiento en compuestos que varían su resistencia en función de la magnitud física a la que son sensibles, por ejemplo tenemos elementos fotosensibles (LDR), termo sensibles (termopar), piezo sensibles, entre otros. En el caso del sensor foto resistivo, dependiendo de la cantidad lumínica, y la longitud de onda de la luz, que incida sobre él, la resistencia se modificará, entre mayor cantidad de luz, más flujo de corriente; lo mismo sucede con el sensor de presión, entre más presión se ejerza sobre la celda, menor será la resistencia interna, este comportamiento se repetirá para cada uno de estos sensores. Algunos ejemplos de estos sensores resistivos pueden verse en la figura 6.

Fig. 6.- Sensores resistivos. Basan su funcionamiento en la variación de su resistencia con respecto a la variación de la magnitud física a la que presentan sensibilidad. a) LDR, sensor foto resistivo, b) Termistor, sensor termo sensible, c) Sensor de presión, piezo resistivo.

Los sensores resistivos deben de ser acondicionados para poder transmitir la información hacía un elemento de adquisición o computador, una de las configuraciones que se pueden utilizar es la del divisor de voltaje, que se muestra en la figura 7.

Fig. 7.- Divisor de voltaje formado por un sensor resistivo y una resistencia de valor fijo.

En el divisor de voltaje de la figura 7, el comportamiento dinámico del voltaje de salida $V_s$ está dado por la resistencia variable $R_1$, cada vez que la magnitud física que se está midiendo modifica su valor, la resistencia $R_1$ también se modifica, generando en la salida $V_s$ una variación de voltaje que depende a la variación de la magnitud física. Si se trabaja con una tarjeta de desarrollo tipo Arduino, el voltaje de $V_s$ estará definido entre 0 y 5 volts, obviamente este rango de valores dependerá de la tarjeta o computadora con la que se trabaje. En esta forma, la magnitud se habrá mapeado en un conjunto definido de valores de voltajes y estos son los que ingresarán a nuestro sistema conversor analógico digital, tal como se puede observar en la figura 8.

Fig. 8.- Ingreso de una señal generada por medio de una resistencia fotosensible a un sistema digital, en el interior de este sistema, dicha señal será discretizada.

El comportamiento del divisor de voltaje quedará definido por medio de:

$$V_{s}=\frac{ V_{i}\cdot R_{2}}{R_{1}+R_{2}}$$

Referencias

Barrios Alfaro, Y. (2017). Análisis y diseño de aceleradores hardware sobre SoC basados en FPGA orientados a aplicaciones de seguridad en Internet de las cosas (Master’s thesis).

Casteluccio, M. G., Niemetz, S. A., Taffernaberry, J. C., & Gonzalez, R. (2019). Implementación de red de Internet de las Cosas usando OpenMote y Raspberry Pi. In XXV Congreso Argentino de Ciencias de la Computación (CACIC)(Universidad Nacional de Río Cuarto, Córdoba, 14 al 18 de octubre de 2019).

Lanfor, O. G. F., & Pérez, J. F. P. (2017, September). Implementación de un sistema de seguridad independiente y automatización de una residencia por medio del internet de las cosas. In 2017 IEEE Central America and Panama Student Conference (CONESCAPAN) (pp. 1-5). IEEE.

Sánchez Checa, E. (2016). Plan de negocio de empresa basada en Internet de las Cosas y el lanzamiento de un producto: regulador de puerta de garaje por reconocimiento de matrículas de coche mediante Raspberry Pi (Bachelor’s thesis).