INTRODUCIÓN: SENSORES

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Un excelente día a todos, otra vez tengo la oportunidad de compartir un tiempo con ustedes, en esta ocasión les escribo una pequeña introducción a los sensores, Qué son los sensores digitales y los analógicos, puesto que es lo más básico que debemos saber antes de mirar cualquier otra cosa y cómo al final una señal analógica se convierte en digital, puesto que es necesario para que cualquier microcontrolador puede saber que se le esta comunicando; así como también un poco de teoría, Considero importante no solo el saber como funcionan, si no muchas veces, también el porque y para que funcionan, esto nos resolverá mas de una duda.

Ahora sin más, comencemos:

  • SENSOR

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc.

Características de un sensor

  • Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor.
  • Precisión: es el error de medida máximo esperado.
  • Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset. (down)
  • Linealidad o correlación lineal.
  • Sensibilidad de un sensor: suponiendo que es de entrada a salida y la variación de la magnitud de entrada.
  • Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede detectarse a la salida.
  • Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada.
  • Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.
  • Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.
  • Resolución y precisión

La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida.

Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de entrada que puede observarse en la magnitud de salida.

Mejor explicado seria asi:

  • Precisión

    El grado en que una medición es legible o es especificada. Usualmente se expresa de la manera siguiente:
    – en unidades de medición: dentro de +/- 5 mV. o …
    – en forma de porcentaje: legible dentro del 3% de la escala

  • Resolución

    Es el incremento más pequeño que permite diferenciar una lectura de otra

  • Sensibilidad

Es la razón entre la respuesta en la salida a un estímulo en la entrada.
A menudo se expresa la entrada requerida para tener:
– una salida a escala completa o …
– una salida apenas perceptible

  • Error

    Es la diferencia entre la medición correcta y la obtenida.

Muchas veces el error se expresa en porcentaje de la medición correcta o también como un porcentaje de todo el rango de medición del instrumento utilizado. Ver la siguiente fórmula para encontrar el error:

e = [[dato obtenido – dato correcto] / dato correcto] x 100%

  • Exactitud

Es el grado en que el valor medido se aproxima al valor correcto. Usualmente se expresa en porcentaje de error.

  • Linealidad

    Es el grado en que el diagrama de una estimulación de entrada, comparado con el diagrama de la respuesta a esta estimulación vista en la salida, se aproxima a una línea recta

Ahora en si solo existen 2 clases de sensores analógicos o digitales:

Los sensores digitales son aquellos que frente a un estímulo pueden cambiar de estado ya sea de cero a uno o de uno a cero (hablando en términos de lógica digital) en este caso no existen estados intermedios y los valores de tensión que se obtienen son únicamente dos, 5V y 0V (o valores muy próximos)

Un sensor analógico es aquel que, como salida, emite una señal comprendida por un campo de valores instantáneos que varían en el tiempo, y son proporcionales a los efectos que se están midiendo;

Ya explicado lo anterior cabe recalcar que al final los sensores analógicos si los queremos procesar tendremos que convertirla a una señal digital, esto quiere decir que es necesario un convertidor analógico/digital o ADC

Un ejemplo muy común para los que realizan sus primeros proyectos es encontrarse con sensores de proximidad como:

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Aunque los 2 son sensores de proximidad, el de la izquierda es digital mientras que el de la derecha analógico, de las diferencias básicas para comparar. El digital en este caso te entrega un 1 binario cuando algún objeto entra en su rango efectivo (2cm a 10 cm); el segundo, cuando un objeto entra en un rango efectivo muestra una variación de voltaje, que depende de la proximidad del mismo.

En segundo lugar, el sensor digital normalmente no necesita algún otro dispositivo para poder ser leído por algún micro, mientras que el analógico siempre necesitará algún adc, (puede ser interno o externo del micro).

Volviendo a los conversores ADC tiene que efectuar los siguientes procesos para lograr tomar una señal analógica, y convertirlo a algo leíble por un dispositivo digital:

1.- Muestreo de la señal analógica.
2.- Cuantización de la propia señal
3.- Codificación del resultado de la cuantización, en código binario.

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Para convertir una señal analógica en digital, el primer paso consiste en realizar un muestreo (sampling) de ésta, o lo que es igual, tomar diferentes muestras de tensiones o voltajes en diferentes puntos de la onda senoidal. La frecuencia a la que se realiza el muestreo se denomina razón, tasa o también frecuencia de muestreo y se mide en kilohertz (kHz). En el caso de una grabación digital de audio, a mayor cantidad de muestras tomadas, mayor calidad y fidelidad tendrá la señal digital resultante.

Durante el proceso de muestreo se asignan valores numéricos equivalentes a la tensión o voltaje existente en diferentes puntos de la sinusoide, con la finalidad de realizar a continuación el proceso de cuantización.

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Para realizar el muestreo (sampling) de una señal eléctrica analógica y convertirla después en digital, el primer paso consiste en tomar valores discretos de tensión o voltaje a intervalos regulares en diferentes puntos de la onda senoidal.

Cuantización de la señal analógica

Una vez realizado el muestreo, el siguiente paso es la cuantización (quantization) de la señal analógica. Para esta parte del proceso los valores continuos de la sinusoide se convierten en series de valores numéricos decimales discretos correspondientes a los diferentes niveles o variaciones de voltajes que contiene la señal analógica original.

Por tanto, la cuantización representa el componente de muestreo de las variaciones de valores de tensiones o voltajes tomados en diferentes puntos de la onda sinusoidal, que permite medirlos y asignarles sus correspondientes valores en el sistema numérico decimal, antes de convertir esos valores en sistema numérico binario.

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Codificación de la señal en código binario

Después de realizada la cuantización, los valores de las tomas de voltajes se representan numéricamente por medio de códigos y estándares previamente establecidos. Lo más común es codificar la señal digital en código numérico binario.

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La codificación permite asignarle valores numéricos binarios equivalentes a los valores de tensiones o voltajes que conforman la señal eléctrica analógica original.

Por ultimo dependiendo de los bits de nuestro ADC tendremos si por ejemplo tenemos uno de 8 bits será de menor calidad y respuesta de frecuencia que uno de 16 bits

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Como nos damos cuenta en el ejemplo anterior a mas bits más muestras tendremos, por lo que nuestro muestreo será mayor, Por ejemplo en el caso de un acelerómetro, uno de 16 bits detectara movimiento mas tenues y lentos, mientras que uno menor, posiblemente no detecte tantas variaciones como el anterior.

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