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INGENIERÍA MECATRÓNICA
SENSORES Y
ACONDICIONAMIENTO DE
SEÑALES
SAS-ES
REV00
II
DIRECTORIO
Secretario de Educación Pública
Mtro. Alonso Lujambio Irazábal
Subsecretario de Educación Superior
Dr. Rodolfo Tuirán Gutiérrez
Coordinadora de Universidades Politécnicas
Mtra. Sayonara Vargas Rodríguez
III
PÁGINA LEGAL
Participantes
M.I. Guillermo Martín Limón Molina – Universidad Politécnica de Baja California.
M.C. Carlos Morales Carbajal – Universidad Politécnica de Baja California.
Primera Edición: 2011
DR 2011 Coordinación de Universidades Politécnicas.
Número de registro:
México, D.F.
ISBN-----------------
IV
ÍNDICE
Introducción…………………………………………………………………………………………..…………………….…1
Programa de Estudios…………………………………………………………………………….……………………….2
Ficha Técnica…………………………………………………………………………………………………………………3
Desarrollo de Prácticas y/o Actividades de Aprendizaje……………………………………………………6
Instrumentos de Evaluación……………………………………………………………………………………………19
Glosario…………………………………………………………………………………………………………………………28
Bibliografía……………………………………………………………………………………………………..……………..32
1
INTRODUCCIÓN
Este manual sirve al Profesor para identificar los objetivos, los contenidos y su
programación, correspondientes a la asignatura: Sensores y Acondicionamiento de Señales.
El manual detalla las habilidades y valores que desarrolla el estudiante al cumplir con cada
objetivo, también da algunas directrices en cuanto a los instrumentos didácticos y de
evaluación que podrían aplicarse durante el curso.
El mundo de los sensores y actuadores es amplísimo y complejo, hay miles de sensores
diferentes en el mercado y muchísimas publicaciones especializadas. Gracias al avance de
las tecnologías de integración, aparecen sensores y actuadores cuyo tamaño es del orden
de fracciones de milímetro y cuyo acondicionamiento, o parte de él, se integra en el mismo
substrato que el dispositivo. Asimismo, sensores tradicionales como el LVDT o los sensores
basados en ultrasonidos no son desplazados por aquellos de última generación, sino que
conviven gracias a su propio nicho de aplicación.
El desarrollo de la automatización industrial y los procesos de aseguramiento de la calidad
se deben en gran medida al desarrollo de la ciencia de la medición. En particular, la
cuantificación de variables y su procesamiento en medios electrónicos se ha desarrollado
gracias a los transductores. Estos elementos han permitido realizar la “conexión” entre la
dimensión física del proceso.
El alumno tendrá la capacidad de identificar diferentes tipos de transductores para que
pueda interpretar a través del conocimiento de su funcionalidad las aplicaciones de los
distintos tipos de sensores y actuadores.
Sensores y Acondicionamiento de Señales tiene influencia sobre otras asignaturas debido a
que permite al alumno comprender la importancia de los diferentes tipos de sensores y
circuitos de acondicionamientos en sistemas automatizados, teniendo aplicación directa en
materias como hidráulica, neumática y PLC’s.
2
PROGRAMA DE ESTUDIOS
Presencial NO Presencial Presencial NO Presencial
Al completar la unidad de
aprendizaje el alumno será
capaz de:
Identificar los conceptos
generales y terminología de los
sistemas de medición con
propósito de obtención de
parámetros de los sistemas
generales.
Identificar los conceptos de
transductores, sensores y el
acondicionamiento de señales
para resolver problemas en la
industria.
EC1: Resuelve un cuestionario
acerca de sistemas de
medición.
Lección
Magisterial
Estudio de casos
Portafolio de
evidenciasX X N/A N/A NA
Pizarrón,
diapositivas
electrónicas y
acceso a
internet.
Proyector
(cañón de
video) y
computadora
4 1 0 1 Documental
EC1: Cuestionario
de Sistemas de
Medición.
Al completar la unidad de
aprendizaje el alumno será
capaz de:
Distinguir la clasificación general
de los sensores para su
aplicación en las entradas de los
sistemas.
Describir las características
estáticas y dinámicas de los
sistemas para su manejo
eficiente.
EC1: Resuelve un cuestionario
acerca de las características
dinámicas de los sistemas.
EP1: Resuelve problemas
relacionados con la exactitud,
linealidad y la resolución de un
sistema de medición.
Lección
Magisterial
Estudio de casos
Portafolio de
evidenciasX X N/A N/A NA
Pizarrón,
diapositivas
electrónicas y
acceso a
internet.
Proyector
(cañón de
video) y
computadora
14 2 6 2 Documental
EC1: Cuestionario
de las
características
estáticas y
dinámicas de los
sistemas.
EP1: Rúbrica para
problemario de
linealidad,
exactitud y
resolución de un
sistema de
medición.
Al completar la unidad de
aprendizaje el alumno será
capaz de:
Distinguir los sensores resistivos
y acodicionamiento para su
aplicación en proyectos.
ED1: Realiza una práctica con
los sensores resistivos más
usados.
EP1: Resuelve problemas con
el Puente de Wheastone.
Lección
Magisterial
Estudio de casos
Portafolio de
evidenciasX X N/A N/A
Sensores
resistivos
más usados
Pizarrón,
diapositivas
electrónicas y
acceso a
internet.
Proyector
(cañón de
video),
computadora,
multímetro y
fuentes de
voltaje
8 2 0 0Documental
Campo
ED1: Guía de
Observación para
práctica de
sensores resistivos
más usados.
EP1: Rúbrica para
problemario del
Puente de
Wheastone.
Al completar la unidad de
aprendizaje el alumno será
capaz de:
Identificar los sensores
capacitivos e inductivos y su
acondicionamiento para su
aplicación eficiente en sistemas
mecatrónicos.
ED1: Realiza una práctica de
los sensores capactivos e
inductivos.
EP1: Resuelve problemas con
el Puente de Maxwell y Puente
de Schering.
Lección
Magisterial
Estudio de casos
Portafolio de
evidenciasX X N/A N/A
Sensores
capactivos e
inductivos
Pizarrón,
diapositivas
electrónicas y
acceso a
internet.
Proyector
(cañón de
video),
computadora,
multímetro y
fuentes de
voltaje
16 1 5 2Documental
Campo
ED1: Guía de
Observación para
práctica de los
sensores
capactivos e
inductivos.
EP1: Rúbrica paa
problemario de
Puente de Maxwell
y Puente de
Schering.
Al completar la unidad de
aprendizaje el alumno será
capaz de:
Distinguir los sensores
piezoeléctricos, piroeléctricos y
fotovoltáicos y su
acondicionamiento con el
propósito de aplicarlos
apropiadamente en el desarrollo
de proyectos de creatividad.
ED1: Realiza una práctica con
los principales sensores
generadores.
Lección
Magisterial
Estudio de casos
Portafolio de
evidenciasX X N/A N/A
Principales
sensores
generadores
Pizarrón,
diapositivas
electrónicas y
acceso a
internet.
Proyector
(cañón de
video),
computadora,
multímetro y
fuentes de
voltaje
14 3 6 3 Campo
ED1:
Guía de
observación para
práctica de
sensores
generadores.
UNIDADES DE APRENDIZAJE RESULTADOS DE APRENDIZAJE
ESPACIO EDUCATIVO MOVILIDAD FORMATIVA
OBSERVACIÓNTEÓRICA PRÁCTICA EVIDENCIAS
TECNICAS SUGERIDAS
OTRO
II. Tipos de Sensores
EQUIPOS
REQUERIDOS
TOTAL DE HORAS
PROGRAMA DE ESTUDIO
DATOS GENERALES
AULA LABORATORIO
MATERIALES
REQUERIDOSPARA EL
APRENDIZAJE
(ALUMNO)
III. Sensores Resistivos
TOTAL HRS. DEL CUATRIMESTRE:
TÉCNICA
CONTENIDOS PARA LA FORMACIÓN
IV. Sensores de
Reactancia Variable
I. Sistemas de Medición
Universidad Politécnica de Aguascalientes, Universidad Politécnica de Baja California, Universidad Politécnica del Centro, Universidad Politécnica de Chiapas, Universidad Politécnica de Querétaro, Universidad
Politécnica de Pachuca, Universidad Politécnica de Puebla, Universidad Politécnica de Sinaloa, Universidad Politécnica de Tlaxcala, Universidad Politécnica del Valle de México, Universidad Politécnica del Valle de
Toluca, Universidad Politécnica de Victoria, Universidad Politécnica de Zacatecas, Universidad Politécnica de la Zona Metropolitana de Guadalajara.
UNIVERSIDADES PARTICIPANTES:
INSTRUMENTO
CLAVE DE LA ASIGNATURA:
OBJETIVO DE LA ASIGNATURA:
Septiembre, 2011FECHA DE EMISIÓN:
PRÁCTICA
90
PARA LA
ENSEÑANZA
(PROFESOR)
PROYECTO
ESTRATEGIA DE APRENDIZAJE EVALUACIÓN
V. Sensores
Generadores
Ingeniería Mecatrónica
Formar profesionistas con valores universales, competentes en el diseño, desarrollo, mantenimiento e implantación de sistemas, productos o procesos mecatrónicos, con el fin de innovar, mejorar e impulsar el
desarrollo tecnológico regional y nacional.
Sensores y Acondicionamiento de Señales
SAS-ES
El alumno será capaz de seleccionar los sensores de acuerdo a sus características y su fase de acondicionamiento para aplicaciones como elementos de entrada de un sistema o proceso.
NOMBRE DEL PROGRAMA EDUCATIVO:
OBJETIVO DEL PROGRAMA EDUCATIVO:
NOMBRE DE LA ASIGNATURA:
3
FICHA TÉCNICA
SENSORES Y ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES
Nombre: Sensores y Acondicionamiento de Señales
Clave: SAS-ES
Justificación:
Esta asignatura permitirá al alumno identificar y seleccionar los sensores y su
respectivo acondicionamiento, los cuales son de vital importancia en la etapa
inicial del diseño sistema o un proceso, debido a que nos permiten
cuantificar, medir y comparar variables físicas que serán tratadas en un
sistema o proceso.
Objetivo:
El alumno será capaz de seleccionar los sensores de acuerdo a sus
características y su fase de acondicionamiento para aplicaciones como
elementos de entrada de un sistema o proceso.
Habilidades:
Razonamiento matemático.
Capacidad de comprensión.
Seleccionar información.
Capacidades para análisis y síntesis para aprender, para resolver problemas,
aplicar los conocimientos en la práctica, adaptarse a nuevas situaciones,
cuidar la calidad, gestionar la información y para trabajar en forma autónoma
y en equipo.
Aplicar normas de seguridad, higiene y medio ambiente.
Competencias
genéricas a
desarrollar:
Capacidad para resolver problemas.
Capacidad para análisis y síntesis.
Capacidad para trabajar en forma autónoma y en equipo.
Capacidad para aprender.
4
Capacidades a desarrollar en la asignatura Competencias a las que contribuye la
asignatura
Seleccionar las tecnologías mecatrónicas
disponibles para integrar la solución
cumpliendo con las especificaciones de
diseño.
Emplear los elementos mecatrónicos para
la integración de un modelo o prototipo,
basándose en las especificaciones de
diseño.
Determinar los dispositivos de entrada,
salida y de control para mejorar el
desempeño del sistema o proceso con
base a las especificaciones técnicas y a los
requerimientos del diagnóstico realizado.
Actualizar el sistema o proceso para
mejorar su funcionamiento incorporando
los elementos de entrada, salida y de
control.
Identificar las condiciones de
funcionamiento de los equipos para
determinar los requerimientos de
mantenimiento con mediciones y pruebas
de acuerdo al equipo.
Consultar las especificaciones de
manuales técnicos para identificar las
recomendaciones del fabricante
interpretando y traduciendo la ficha
técnica del equipo.
Elaborar el circuito electrónico para
integrarlo a los sistemas mecatrónicos
mediante las especificaciones de diseño.
Controlar la calidad del circuito electrónico
manufacturado para garantizar su robustez
en las diferentes condiciones de operación,
aplicando pruebas y normatividades
correspondientes.
Integrar modelos y prototipos mecatrónicos
para validar la funcionalidad de los
sistemas, productos o procesos propuestos
empleando dispositivos físicos y software
de simulación.
Implementar elementos mecatrónicos para
la automatización de sistemas o procesos
con base al resultado del diagnóstico.
Diagnosticar las necesidades de
mantenimiento para elaborar el plan y
programa de mantenimiento mediante el
análisis de las condiciones de
funcionamiento del equipo y las
especificaciones técnicas del fabricante.
Construir circuitos electrónicos para su
integración en sistemas mecatrónicos
mediante la interconexión de elementos y
dispositivos electrónicos.
5
Estimación de tiempo
(horas) necesario para
transmitir el aprendizaje
al alumno, por Unidad de
Aprendizaje:
Unidades de aprendizaje
HORAS TEORÍA HORAS PRÁCTICA
Presencial
No
presencial
Presencial
No
presenci
al
I.- Sistemas de
Medición. 4 1 0 1
II.- Tipos de Sensores. 14 2 6 2
III.- Sensores Resistivos. 8 2 0 0
IV.- Sensores de
Reactancia Variable.
16 1 5 2
V.- Sensores Generadores. 14 3 6 3
Total de horas por
cuatrimestre: 90
Total de horas por
semana: 6
Créditos: 5
6
DESARROLLO DE PRÁCTICAS Y
ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE
7
Nombre de la asignatura: Sensores y Acondicionamiento de Señales
Nombre de la Unidad de
Aprendizaje: 1. Sistemas de Medición
Nombre de la evidencia: Cuestionario sobre Sistemas de Medición
Número: 1 Duración (horas) : 1
Resultado de
aprendizaje:
Al completar el cuestionario el alumno será capaz de:
*Identificar los conceptos generales y terminología de los sistemas de
medición con propósito de obtención de parámetros de los sistemas
generales.
Requerimientos (Material
o equipo): Lápiz y borrador.
Actividades a desarrollar en el cuestionario:
Profesor:
Enseñar Sistemas de Medición, su clasificación y su estructura básica.
Explicar cada elemento de la estructura básica de un sistema de medición.
Alumno:
Analizar los elementos antes mencionados y contestar el siguiente cuestionario.
Revisar los conceptos antes mencionados por medio de la consulta del material
proporcionado por el profesor.
1.- ¿Qué es un Sistema de Medición?
2.- Mencione la clasificación de los Sistemas de Medición.
3.-Describa la estructura básica de un Sistema de Medición (Instrumento de medición)
4.-Explique cada uno de los elementos de la estructura de un Sistema de Medición.
5.- ¿Por qué es importante la etapa de acondicionamiento de señal?
6.- Mencione que elementos pueden ser usados como la entrada de un sistema de medición
7.- ¿Qué elementos pueden ser utilizados como la salida de un sistema de medición?
Evidencias a las que contribuye el desarrollo de este cuestionario:
EC1- Cuestionario de sistemas de medición.
DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE
8
Nombre de la asignatura: Sensores y Acondicionamiento de Señales
Nombre de la Unidad de
Aprendizaje: 2. Tipos de Sensores
Nombre de la evidencia: Cuestionario de las Características Estáticas y Dinámicas de los Sistemas.
Número: 2 Duración (horas) : 2.5
Resultado de
aprendizaje:
Distinguir la clasificación general de los sensores para su aplicación en las
entradas de los sistemas.
Requerimientos (Material
o equipo): Lápiz y borrador
Actividades a desarrollar en el cuestionario:
Profesor:
Enseñar los temas de Transductores y Sensores, incluyendo su clasificación y ejemplos
de aplicaciones.
Explicar características estáticas y dinámicas de los sistemas de medición aplicadas a
los sensores más comunes y su clasificación.
Mencionar los tipos de errores y su clasificación.
Alumno:
Analizar los elementos antes mencionados y contestar el siguiente cuestionario.
Revisar los conceptos antes mencionados por medio de la consulta del material
proporcionado por el profesor.
1. Mencione el concepto de un transductor y como se clasifican.
2. ¿Qué es un sensor? Mencione su clasificación.
3. Describa dos ejemplos de aplicaciones de los sensores y dos ejemplos de aplicaciones de los
transductores.
4. ¿A qué se refiere cuando hablamos de características estáticas de un sistema de medición?
¿Qué diferencia existe con las características dinámicas?
5. ¿Cuál es la diferencia entre la exactitud y la precisión? Mencione si son características
estáticas o dinámicas.
6. Explique los conceptos de: a) Exactitud b) Precisión c) Resolución d) Linealidad e) Error
Dinámico f) Fidelidad g) Velocidad de Respuesta.
7. Mencione y explique la clasificación de los tipos de errores que podemos encontrar en los
sistemas de medición.
Evidencias a las que contribuye el desarrollo de este cuestionario:
EC1- Resuelve un cuestionario acerca de las características estáticas y dinámicas de los sistemas.
DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE
9
Nombre de la
asignatura: Sensores y Acondicionamiento de Señales
Nombre de la Unidad
de Aprendizaje: 2. Tipos de Sensores
Nombre de la
evidencia: Problemario de linealidad, exactitud y resolución de un sistema de
medición.
Número: 3 Duración (horas) : 3
Resultado de
aprendizaje:
*Describir las características estáticas y dinámicas de los sistemas para
su manejo eficiente.
Requerimientos
(Material o equipo):
Computadora con acceso a internet, fuentes bibliográficas e impresora
Actividades a desarrollar en el cuestionario:
Profesor:
Mostrar ejemplos de las características estáticas y dinámicas de los sensores.
Mencionar aplicaciones típicas que requieran análisis de las características estáticas y
dinámicas de los sensores.
Alumno:
Analizar los elementos antes mencionados y contestar el siguiente cuestionario.
Revisar los conceptos antes mencionados por medio de la consulta del material
proporcionado por el profesor.
1. Para un determinado sensor, se especifica un error de linealidad del 1% de la lectura más el
0.1% del fondo de la escala, mientras que para un segundo sensor que posee el mismo
alcance de medida, el error especificado es de 0.5% de la lectura más el 0.2% del fondo de la
escala. ¿En qué margen de la escala es el más exacto el primero que el segundo? Si el alcance
de medida del segundo fuera doble que el primero, ¿en qué margen sería más exacto este
último?
2. Para medir el flujo turbulento con fluctuaciones de hasta 100 Hz, se emplea un sensor de
temperatura sin recubrimiento (respuesta dinámica de primer orden). Si el error dinámico se
desea mantener inferior al 5%, ¿Cuánto debe valer la constante de tiempo del sensor?
3. Para la calibración dinámica de un acelerómetro se dispone de una mesa vibrante, con
frecuencímetro, un sensor de velocidad lineal de devanado móvil y un sistema óptico para
medir distancias. Averigua cuál de los siguientes métodos de medida es el mejor para
determinar la aceleración aplicada, en función de la exactitud de dichos instrumentos: medir la
frecuencia a la que vibra la mesa y la velocidad lineal, o medir la frecuencia a la que vibra la
mesa y el desplazamiento.
4. Para calibrar un acelerómetro lineal se coloca éste en una mesa centrífuga horizontal de radio
DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE
10
R, la cual gira a una velocidad ω ajustable y que viene indicada en revoluciones por minuto
(r/min) en un panel de cuatro dígitos. El error del conjunto de medida de la velocidad es de ±
1 en la cifra menos significativa. Se pide:
a) Suponiendo que el error en la determinación de la posición del acelerómetro sea
despreciable, ¿cuál es el error relativo que se comente en la aceleración calculada
cuando el sistema gira a 5000 r/min?
b) Si la posición del acelerómetro se determina con un sistema digital que tiene una
incertidumbre de ± 1 en el bit de menor peso, ¿cuántos bits debe tener para que el error
en la medida de la posición produzca por sí solo un error en la aceleración calculada
inferior al del apartado anterior?
c) Para determinar su velocidad transversal se dispone del acelerómetro con el eje activo
en dirección tangencial, y se obtiene una señal que es de 1.7% de la correspondiente al
canso en que la dirección del eje activo es radial. ¿Cuál debe ser la precisión del sistema
si el posicionamiento angular para que al determinar la sensibilidad longitudinal el error
debido a la falta de alineamiento del eje activo y el radio sea inferior al 0.1%?
Evidencias a las que contribuye el desarrollo de este problemario:
EP1: Resuelve problemas relacionados con la exactitud, linealidad y la resolución de un sistema de
medición.
11
Nombre de la asignatura: Sensores y Acondicionamiento de Señales
Nombre de la Unidad de
Aprendizaje: 3. Sensores Resistivos
Nombre de la práctica o
proyecto: Práctica de Sensores Resistivos más usados.
Número: 1 Duración (horas) : 3
Resultado de
aprendizaje:
Distinguir los sensores resistivos y acondicionamiento para su aplicación
en proyectos.
Requerimientos (Material
o equipo):
Multímetro, termómetro, potenciómetros, LDR, RTD, tablero de conexiones,
alambre calibre 22, caimanes y cautín.
Actividades a desarrollar en el cuestionario:
Profesor:
Enseñar los diferentes tipos de sensores resistivos más comunes.
Resolver en clase ejemplos que involucren cálculos de sensores resistivos.
Alumno:
Analizar los elementos antes mencionados y contestar el siguiente cuestionario.
Revisar los conceptos antes mencionados por medio de la consulta del material
proporcionado por el profesor.
Actividades a desarrollar:
1. Armar un circuito resistivo.
2. Elaborar una tabla de relación de resistencia, voltaje, corriente y ángulo del potenciómetro.
3. Graficar la relación de ángulo contra resistencia obtenida.
4. Graficar la relación de voltaje contra ángulo.
5. Graficar la relación de corriente contra ángulo.
6. Armar un circuito divisor de voltaje.
7. Medir el voltaje de una resistencia de 10kΩ mientras se le aplica calor a la otra por 5 seg.
8. Observar lo que sucede con el voltaje de la resistencia, medir con el termómetro la
temperatura de la resistencia y hacer anotaciones.
9. Analizar un circuito que contenga LDR’s, Termistores y RTD’s.
Evidencias a las que contribuye el desarrollo de la práctica:
ED1- Realiza una práctica con los sensores resistivos más usados.
DESARROLLO DE PRÁCTICA
12
Nombre de la asignatura: Sensores y Acondicionamiento de Señales
Nombre de la Unidad de
Aprendizaje: 3. Sensores Resistivos
Nombre de la práctica o
proyecto: Problemas con el Puente de Wheastone
Número: 4 Duración (horas) : 3
Resultado de
aprendizaje:
Distinguir los sensores resistivos y acondicionamiento para su aplicación
en proyectos.
Requerimientos (Material
o equipo): Lápiz, borrador, multímetro, tablero de conexiones y termistores.
Actividades a desarrollar en el cuestionario:
Profesor:
Explicar aplicaciones con el Puente de Wheastone.
Alumno:
Analizar los elementos antes mencionados y contestar el siguiente cuestionario.
Revisar los conceptos antes mencionados por medio de la consulta del material
proporcionado por el profesor.
1. Con una fuente de 12 volts y con resistencias R1=4.7 kΩ y R3=10 kΩ. Determine los valores
de R2 y Rx para el puente este balanceado.
DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE
13
2. Supongamos que la resistencia Rx varía de 5 kΩ hasta 20 kΩ. ¿Cuál sería el rango de voltaje
que tendríamos en los puntos a y b?
3. ¿Qué condición se debe cumplir para el puente de Wheastone este balanceado por corrientes
en los puntos a y b? Haga una demostración con una aplicación práctica.
4. En lugar de una Rx conecte un termistor PTC o NTC. Haga una tabla de voltaje con respecto a
la temperatura en los puntos a y b. Utilice valores resistencias que considere pertinentes.
5. ¿Qué ocuparía hacer para obtener una respuesta lo más linealmente posible en este circuito?
Haga una demostración.
6. Analice los circuitos anteriores y describa una posible aplicación para cada uno de ellos.
Evidencias a las que contribuye el desarrollo de la práctica:
EP1- Resuelve problemas con el Puente de Wheastone.
14
Nombre de la asignatura: Sensores y Acondicionamiento de Señales
Nombre de la Unidad de
Aprendizaje: 4. Sensores de Reactancia Variable
Nombre de la práctica o
proyecto: Práctica de Sensores Capacitivos e Inductivos
Número: 2 Duración (horas) : 4
Resultado de
aprendizaje:
Identificar los sensores capacitivos e inductivos y su acondicionamiento
para su aplicación eficiente en sistemas mecatrónicos.
Requerimientos (Material
o equipo):
Osciloscopio, multímetro, generador de funciones, tablero de conexiones,
alambre calibre 22, amplificadores operacionales, resistencias y sensor
capacitivo.
Actividades a desarrollar en el cuestionario:
Profesor:
Describir aplicaciones con el uso de OPAMPS y sensores capacitivos e inductivos.
Alumno:
Analizar los elementos antes mencionados y contestar el siguiente cuestionario.
Revisar los conceptos antes mencionados por medio de la consulta del material
proporcionado por el profesor.
Actividades a desarrollar:
1. Caracterizar un sensor capacitivo en base a los siguientes circuitos:
a)
DESARROLLO DE PRÁCTICA
15
b)
2. Determinar que circuito es el mejor para el sensor capacitivo de acuerdo a la selección tomada
anteriormente. Para ambos circuitos hay que hacer los cálculos necesarios y elaborar tablas
comparativas que relacionen el cambio de la capacitancia y el voltaje de salida.
3. Explicar el funcionamiento del siguiente circuito.
Evidencias a las que contribuye el desarrollo de la práctica:
ED1- Realiza una práctica de los sensores capacitivos e inductivos.
16
Nombre de la asignatura:
Sensores y Acondicionamiento de Señales
Nombre de la Unidad de
Aprendizaje: 4. Sensores de Reactancia Variable
Nombre de la práctica o
proyecto: Problemario de Puente de Maxwell y Puente de Schering
Número: 5 Duración (horas) : 3
Resultado de
aprendizaje:
Identificar los sensores capacitivos e inductivos y su acondicionamiento
para su aplicación eficiente en sistemas mecatrónicos.
Requerimientos (Material
o equipo): Lápiz y borrador
Actividades a desarrollar en el cuestionario:
Profesor:
Explicar Puente de Maxwell y Puente de Schering para aplicaciones con sensores de
reactancia variable.
Alumno:
Analizar los elementos antes mencionados y contestar el siguiente cuestionario.
Revisar los conceptos antes mencionados por medio de la consulta del material
proporcionado por el profesor.
1. Usando el Puente de Maxwell determine los valores de Lx y Rx apropiados para producir una
caída de tensión en el detector 5 Vrms usando los siguientes valores: E=12 Vrms, R1=5 kΩ,
C1=100 nF, R2=10 kΩ y R3=4.7 kΩ.
DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE
17
2. Se dispone de un sensor capacitivo para el nivel de líquidos, formado por dos cilindros
concéntricos con radios respectivos de 20 mm y 4 mm. El depósito del cilíndrico con un
diámetro de 50 cm y una altura de 1.2 m y contiene un líquido cuya constante dieléctrica
relativa de 2.1. Para tener una señal en el detector entre 0 V (depósito vacío) y 1 V (depósito
lleno). Determine los valores de los elementos del Puente de Schering a utilizar en este caso.
Evidencias a las que contribuye el desarrollo de este problemario:
EP1- Resuelve problemas con el Puente de Maxwell y Puente Schering.
18
Nombre de la asignatura: Sensores y Acondicionamiento de Señales
Nombre de la Unidad de
Aprendizaje: 5. Sensores Generadores
Nombre de la práctica o
proyecto: Práctica de Sensores Generadores
Número: 3 Duración (horas) : 3
Resultado de
aprendizaje:
Distinguir los sensores piezoeléctricos, piroeléctricos y fotovoltáicos y su
acondicionamiento con el propósito de aplicarlos apropiadamente en el
desarrollo de proyectos de creatividad.
Requerimientos (Material
o equipo):
Sensores generadores varios, tableros de conexión, alambre calibre 22,
caimanes, fuentes de voltaje y multímetro.
Actividades a desarrollar en el cuestionario:
Profesor:
Explicar sensores generadores y su clasificación.
Mostrar aplicaciones básicas de los sensores generadores.
Alumno:
Analizar los elementos antes mencionados y contestar el siguiente cuestionario.
Revisar los conceptos antes mencionados por medio de la consulta del material
proporcionado por el profesor.
Actividades a desarrollar:
1. Elaborar circuitos que contengan celdas fotovoltaicas y/o sensores piezoeléctricos. Hacer una
tabla que incluya la variable sensada contra generada (corriente o voltaje según sea el caso).
2. Elaborar una aplicación en el diseño de un proyecto aplicando los sensores vistos en clase y
entregar un reporte. El reporte debe incluir datos de simulación, cálculos y prueba de circuitos.
Evidencias a las que contribuye el desarrollo de la práctica:
ED1- Realiza una práctica con los principales sensores generadores.
DESARROLLO DE PRÁCTICA
19
INSTRUMENTOS DE
EVALUACIÓN
20
Nombre de la asignatura: Sensores y Acondicionamiento de Señales
Nombre de la Unidad de
Aprendizaje: 1. Sistemas de Medición
Nombre de la evidencia: Cuestionario sobre Sistemas de Medición
1.- ¿Qué es un Sistema de Medición? (1 pt)
2.- Mencione la clasificación de los Sistemas de Medición. (1 pt)
3.-Describa la estructura básica de un Sistema de Medición (Instrumento de medición) (1 pts.)
4.-Explique cada uno de los elementos de la estructura de un Sistema de Medición. (2 pts.)
5.- ¿Por qué es importante la etapa de acondicionamiento de señal? (1 pt)
6.- Mencione que elementos pueden ser usados como la entrada de un sistema de medición (2 pts.)
7.- ¿Qué elementos pueden ser utilizados como la salida de un sistema de medición? (2 pts.)
CUESTIONARIO DE SISTEMAS DE MEDICIÓN
U1, EC1
21
Nombre de la asignatura: Sensores y Acondicionamiento de Señales
Nombre de la Unidad de
Aprendizaje: 2. Tipos de Sensores
Nombre de la evidencia: Cuestionario de las Características Estáticas y Dinámicas de los Sistemas.
1. Mencione el concepto de un transductor y cómo se clasifican. (1 pt)
2. ¿Qué es un sensor? Mencione su clasificación. (1 pt)
3. Describa dos ejemplos de aplicaciones de los sensores y dos ejemplos de aplicaciones de
los transductores. (1.5 pts.)
4. ¿A qué se refiere cuando hablamos de características estáticas de un sistema de
medición? ¿Qué diferencia existe con las características dinámicas? (1.5 pts.)
5. ¿Cuál es la diferencia entre la exactitud y la precisión? Mencione si son características
estáticas o dinámicas. (1 pt)
6. Explique los conceptos de: a) Exactitud b) Precisión c) Resolución d) Linealidad e) Error
Dinámico f) Fidelidad g) Velocidad de Respuesta. (2 pts.)
7. Mencione y explique la clasificación de los tipos de errores que podemos encontrar en los
sistemas de medición. (2 pts.)
CUESTIONARIO DE LAS CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS Y DINÁMICAS DE LOS
SISTEMAS
U2, EC1
22
RÚBRICA PARA PROBLEMARIO
U2, EP1
Aspecto a evaluar Competente
10
Independiente
9
Básico avanzado
8
Básico umbral
7
Insuficiente
NA
Análisis de la
información
(2 puntos)
Plantea de forma
apropiada las ecuaciones
y/o fórmulas para
resolver el 100 % de los
problemas.
Escribe de manera
correcta las fórmulas de
los problemas en el 90%
de los casos.
Plantea de manera correcta
cerca de un 80% de los
problemas.
Presenta una cierta
dificultad en el
planteamiento de los
problemas.
Tiene dificultad para
saber lo que pide
resolver en los
problemas.
Organización de la
información
(5 puntos)
Presenta de forma
ordenada los datos de los
problemas y aplica el
procedimiento adecuado
para la solución de los
problemas.
Muestra de forma
ordenada los datos,
presenta errores en el 90
% de los casos.
Presenta el procedimiento en
forma apropiada en al
menos el 80% de los casos.
Aplicó el procedimiento en
forma exitosa en al menos el
70% de los casos.
No sabe aplicar los
procedimientos
apropiados.
Resultado
(3 puntos)
Obtuvo el resultado
correcto en la totalidad
de los problemas.
Obtuvo el resultado
correcto en el 90 % de los
problemas.
Tuvo una cierta cantidad de
errores en los resultados de
los problemas.
Obtuvo el 70% de los
resultados en la forma
correcta.
No llegó a los
resultados en más de
un 60% de los
problemas.
23
GUÍA DE OBSERVACIÓN PARA PRÁCTICA
U3, ED1
INSTRUCCIONES
Revisar los documentos o actividades que se solicitan y marque en los apartados “SI” cuando la evidencia a evaluar se cumple; en caso contrario marque “NO”. En la
columna “OBSERVACIONES” ocúpela cuando tenga que hacer comentarios referentes a lo observado.
Valor
del
reactivo
Característica a cumplir (Reactivo) CUMPLE OBSERVACIONES
SI NO
70% Selección del instrumento y sensores adecuados. Los alumnos seleccionan el instrumento de
medición adecuado y saben que sensor van a utilizar y como lo van a medir.
Dominio en el uso adecuado de instrumentos
Los alumnos observan los cuidados necesarios para minimizar los errores en la medición con
los instrumentos y caracterizan de forma apropiada los sensores.
10% Aprovechamiento de Brechas
Los alumnos aprovechan las diferencias en el grupo para lograr construir el conocimiento
práctico común.
10% Comportamiento durante la práctica
Los alumnos muestran disciplina y siguen prácticas de seguridad e higiene en el transcurso
de la práctica
10% Puntualidad
En el inicio y término de la práctica.
100% CALIFICACIÓN:
24
RÚBRICA PARA PROBLEMARIO
U3, EP1
Aspecto a evaluar Competente
10
Independiente
9
Básico avanzado
8
Básico umbral
7
Insuficiente
NA
Análisis de la
información
(2 puntos)
Plantea de forma
apropiada las ecuaciones
y/o fórmulas para
resolver el 100 % de los
problemas.
Escribe de manera
correcta las fórmulas de
los problemas en el 90%
de los casos.
Plantea de manera correcta
cerca de un 80% de los
problemas.
Presenta una cierta
dificultad en el
planteamiento de los
problemas.
Tiene dificultad para
saber lo que pide
resolver en los
problemas.
Organización de la
información
(5 puntos)
Presenta de forma
ordenada los datos de los
problemas y aplica el
procedimiento adecuado
para la solución de los
problemas.
Muestra de forma
ordenada los datos,
presenta errores en el 90
% de los casos.
Presenta el procedimiento en
forma apropiada en al
menos el 80% de los casos.
Aplicó el procedimiento en
forma exitosa en al menos el
70% de los casos.
No sabe aplicar los
procedimientos
apropiados.
Resultado
(3 puntos)
Obtuvo el resultado
correcto en la totalidad
de los problemas.
Obtuvo el resultado
correcto en el 90 % de los
problemas.
Tuvo una cierta cantidad de
errores en los resultados de
los problemas.
Obtuvo el 70% de los
resultados en la forma
correcta.
No llegó a los
resultados en más de
un 60% de los
problemas.
25
GUÍA DE OBSERVACIÓN PARA PRÁCTICA
U4, ED1
INSTRUCCIONES
Revisar los documentos o actividades que se solicitan y marque en los apartados “SI” cuando la evidencia a evaluar se cumple; en caso contrario marque “NO”. En la
columna “OBSERVACIONES” ocúpela cuando tenga que hacer comentarios referentes a lo observado.
Valor
del
reactivo
Característica a cumplir (Reactivo) CUMPLE OBSERVACIONES
SI NO
70% Selección del instrumento y sensores adecuados. Los alumnos seleccionan el instrumento de
medición adecuado y saben que sensor van a utilizar y como lo van a medir.
Dominio en el uso adecuado de instrumentos
Los alumnos observan los cuidados necesarios para minimizar los errores en la medición con
los instrumentos y caracterizan de forma apropiada los sensores.
10% Aprovechamiento de Brechas
Los alumnos aprovechan las diferencias en el grupo para lograr construir el conocimiento
práctico común.
10% Comportamiento durante la práctica
Los alumnos muestran disciplina y siguen prácticas de seguridad e higiene en el transcurso
de la práctica
10% Puntualidad
En el inicio y término de la práctica.
100% CALIFICACIÓN:
26
RÚBRICA PARA PROBLEMARIO
U4, EP1
Aspecto a evaluar Competente
10
Independiente
9
Básico avanzado
8
Básico umbral
7
Insuficiente
NA
Análisis de la
información
(2 puntos)
Plantea de forma
apropiada las ecuaciones
y/o fórmulas para
resolver el 100 % de los
problemas.
Escribe de manera
correcta las fórmulas de
los problemas en el 90%
de los casos.
Plantea de manera correcta
cerca de un 80% de los
problemas.
Presenta una cierta
dificultad en el
planteamiento de los
problemas.
Tiene dificultad para
saber lo que pide
resolver en los
problemas.
Organización de la
información
(5 puntos)
Presenta de forma
ordenada los datos de los
problemas y aplica el
procedimiento adecuado
para la solución de los
problemas.
Muestra de forma
ordenada los datos,
presenta errores en el 90
% de los casos.
Presenta el procedimiento en
forma apropiada en al
menos el 80% de los casos.
Aplicó el procedimiento en
forma exitosa en al menos el
70% de los casos.
No sabe aplicar los
procedimientos
apropiados.
Resultado
(3 puntos)
Obtuvo el resultado
correcto en la totalidad
de los problemas.
Obtuvo el resultado
correcto en el 90 % de los
problemas.
Tuvo una cierta cantidad de
errores en los resultados de
los problemas.
Obtuvo el 70% de los
resultados en la forma
correcta.
No llegó a los
resultados en más de
un 60% de los
problemas.
27
GUÍA DE OBSERVACIÓN PARA PRÁCTICA
U5, ED1
INSTRUCCIONES
Revisar los documentos o actividades que se solicitan y marque en los apartados “SI” cuando la evidencia a evaluar se cumple; en caso contrario marque “NO”. En la
columna “OBSERVACIONES” ocúpela cuando tenga que hacer comentarios referentes a lo observado.
Valor
del
reactivo
Característica a cumplir (Reactivo) CUMPLE OBSERVACIONES
SI NO
70% Selección del instrumento y sensores adecuados. Los alumnos seleccionan el instrumento de
medición adecuado y saben que sensor van a utilizar y como lo van a medir.
Dominio en el uso adecuado de instrumentos
Los alumnos observan los cuidados necesarios para minimizar los errores en la medición con
los instrumentos y caracterizan de forma apropiada los sensores.
10% Aprovechamiento de Brechas
Los alumnos aprovechan las diferencias en el grupo para lograr construir el conocimiento
práctico común.
10% Comportamiento durante la práctica
Los alumnos muestran disciplina y siguen prácticas de seguridad e higiene en el transcurso
de la práctica
10% Puntualidad
En el inicio y término de la práctica.
100% CALIFICACIÓN:
28
GLOSARIO
Acondicionamiento de señal. Son circuitos electrónicos que ofrecen: amplificación,
filtrado, adaptación de impedancias y modulación o demodulación.
Actuador. Transductor de salida. Llamado frecuentemente accionamiento.
Biosensor. Es cualquier dispositivo de medida basado en un material biológico que
obtiene respuesta específica a una sustancia determinada.
Bimetal. Es toda pieza formada por dos metales con distinto coeficiente de dilatación
térmica unidos firmemente y sometidos a la misma temperatura.
Codificador de posición. Elemento que posee dos tipos de zonas o sectores, con una
propiedad que las diferencia, dispuestas en forma alternativa y equidistante.
Codificador óptico. Están basados en sectores opacos y transparentes, en sectores
reflectores y no reflectores, o en franjas de interferencia.
Conductores. Materiales que debido a la movilidad de electrones es pequeña debido a
las vibraciones aleatorias de los núcleos atómicos de la red.
Dieléctrico. Están formados por enlaces covalentes y por ello se emplean como
aislantes eléctricos.
Dominio de datos. Nombre de una magnitud mediante la que se representa o
transmite información. Existen dominios de datos analógicos, digitales, tiempo físicos y
químicos.
Energía. La energía se define como la capacidad de un sistema de poner en
movimiento una máquina o, más rigurosamente, de realizar un trabajo. Su magnitud es
igual al del trabajo requerido para llevar al sistema al estado correspondiente, desde
uno de referencia, generalmente de un nivel de energía nulo.
Error aleatorio. Son los que permanecen una vez eliminadas las causas de errores
sistemáticos. Se manifiestan cuando se mide repetidamente la misma magnitud, con
el mismo instrumento y el mismo método-
Error relativo. Es la amplitud del margen de mediad o el valor superior de dicho
alcance.
Error sistemático. Se dice que un error es sistemático cuando en el curso de varias
medidas de una magnitud de un determinado valor, hechas en las mismas
condiciones, o bien permanece constante el valor absoluto y signo, o bien varía de
acuerdo con una ley definida cuando cambian las condiciones de medida.
29
Estabilidad. Estabilidad, en física e ingeniería, propiedad de un cuerpo que tiende a
volver a su posición o movimiento originales cuando el objeto se aparta de la situación
de equilibrio o movimiento uniforme, como resultado de la acción de unas fuerzas o
momentos recuperadores.
Exactitud. Es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida de
dar indicaciones que se aproximen al verdadero valor de la magnitud medida.
Fidelidad. Es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida de
dar el mismo valor de la magnitud medida, al medir varias veces en unas mismas
condiciones determinadas.
Fotoconductor. Se basan en la variación de resistencia eléctrica de un semiconductor
al incidir en él radiación óptica.
Fotodiodo. Se basan en el principio del efecto fotoeléctrico interno en una unión p-n
que producen un cambio en el potencial de contacto de la unión o en la corriente de
cortocircuito, de dependen de la intensidad de la radiación incidente. Es posible
aplicarles una tensión de polarización inversa.
Galga extensométrica. Dispositivos que se basan en la variación de la resistencia de
un conductor o un semiconductor cuando es somerito a un esfuerzo mecánico.
Higrómetro capacitivo. Instrumento que al aumentar el contenido de humedad mide la
variación de capacidad.
Histéresis. La histéresis se refiere a la diferencia en la salida para una misma entrada,
según la dirección que se alcance. Puede suceder, análogamente a la magnetización
de los materiales ferromagnéticos, que la salida correspondiente a una entrada
dependa de si la entrada previa fue mayor o menor que la entrada actual.
Humedad. Es la cantidad de vapor de agua presente en un gas o de agua absorbida o
adsorbida en un líquido o un sólido.
Magnetodiodo. Dispositivo en el que la sensibilidad al campo magnético es mayor
cuanto más distancia sean las características de recombinación de las dos zonas de
alta y baja recombinación.
Módulo de Elasticidad. En ingeniería se denomina módulo de elasticidad o módulo de
Young a la razón entre el incremento de esfuerzo aplicado a un material y el cambio
correspondiente a la deformación unitaria que experimenta, en la dirección de
aplicación del esfuerzo.
Mosfet. Dispositivo electrónico basado en modificaciones de la puerta convencional,
compatible con las tecnologías de fabricación ordinarias.
30
Momento Lineal. La Cantidad de Movimiento, momento o ímpetu es una magnitud
vectorial que se define como el producto entre la masa y la velocidad en un instante
determinado.
Peso Específico. Se define como la cantidad de materia, en peso, contenida en la
unidad de volumen. En el sistema métrico decimal, se mide en kilogramos fuerza por
metro cúbico (kgf/m³). En el sistema Internacional de Unidades, en newton por metro
cúbico (N/m³).
Presión. En física y disciplinas afines el término presión se define como la fuerza por
unidad de superficie. En el Sistema Internacional de Unidades se mide en newton por
metro cuadrado, unidad derivada que se denomina pascal.
Potenciómetro. Es un resistor de contacto móvil deslizante o giratorio.
Precisión. Es el valor que se obtendría si la magnitud se midiera con un método
ejemplar.
Sensibilidad. Es la pendiente de la curva de calibración que puede ser o no constante
a lo largo de la escala medida.
Temperatura. La temperatura es una magnitud física descriptiva de un sistema que
caracteriza la transferencia de energía térmica, o calor, entre ese sistema y otros.
Desde un punto de vista microscópico, es una medida de la energía cinética asociada
al movimiento aleatorio de las partículas que componen el sistema. Para medir la
temperatura se utiliza el termómetro.
Tensión Superficial. En física se denomina tensión superficial al fenómeno por el cual
la superficie de un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película
elástica.
Termistor. Son resistores variables con la temperatura, pero no están basados en
conductores, sino en semiconductores. Si su coeficiente de temperatura se denomina
NTC (Negative Temperatura Coefficient), mientras que si coeficiente de temperatura es
positivo se denomina PTC (Positive Temperatura Coefficient).
Transuctor. Es un dispositivo que convierte un tipo de energía en toro. Esto significa
que la señal de entrada es siempre una energía o potencia, pero al medir, una de las
componentes de la señal suele ser tan pequeña que puede despreciarse, y se
interpreta que se mide sólo la otra componente.
Transformador diferencial (LVDT) Se basa en la variación de la inductancia mutua
entre el primario y e cada uno de los secundarios que al desplazarse a lo largo de su
interior un núcleo de material ferromagnético, arrastrado por un vástago no
ferromagnético, unido a la pieza cuyo movimiento se desea medir.
V
31
Válvula. Una válvula es un dispositivo que regula el paso de líquidos o gases en uno o
varios tubos o conductos.
32
Bibliografía
1. Autómatas programables, Serie Mundo Electrónico,
BALCELLS Josep, ROMERAL José Luis,
Marcombo editores 1997.
Barcelona, España.
ISBN: 9788426710895
2. Sensores y Acondicionadores de Señal.
PALLÀS Areny, Ramón.
Editorial Marcombo 2003.
Barcelona, España.
ISBN: 84-267-1344-0
3. Handbook of Transducers.
NORTON, Harry N.
Editorial Prentice Hall 1989.
United States.
ISBN-10: 013382599X
ISBN-13: 978-0133825992
4. Microsensors, Principles and Applications.
GARDNER, J. W.
Ed. John Wiley & sons 1994.
United States.
ISBN-10: 0471941360 ISBN-13: 978-0471941361
5. SENSORS: PRINCIPLES & APPLICATIONS.
HAUPTMANN Peter.
Prentice Hall 1991.
United States.
ISBN-10: 0138057893 ISBN-13: 978-0138057893
6. Guía para Mediciones Electrónicas y Prácticas de Laboratorio,
WOLF Stanley, Richard F.M. Smith,
Ed. Prentice Hall 1997.
ISBN: 968-880-224-7