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Tercer parcial, Fundamentos
de electricidad y magnetismo.
Sensores de Magnetismo: Descripción y funcionamiento.
Geraldine Díaz 1.
1Ingeniería
Química 244621.
Resumen
En robótica, algunas situaciones de medición del entorno pueden requerir del uso de elementos de detección sensibles a los campos magnéticos. En principio, si el robot debe moverse en ambientes externos a
un laboratorio, una aplicación importante es una brújula que forme parte de un sistema de orientación para el sístema. Otra aplicación es la medición directa de campos magnéticos presentes en las inmediaciones, que podrían volverse peligrosos para el "cerebro" del robot si su intensidad es importante. Una tercera aplicación es la medición de sobrecorrientes en la parte motriz (detectando la intensidad del campo
magnético que genera un conductor en la fuente de alimentación). También se podrán encontrar sensores
magnéticos en la medición de movimientos, como el uso de detectores de "cero movimiento" y tacómetros basados en sensores por efecto Hall o pickups magnéticos.
Palabras claves: Sensores, campo magnetico, aplicaciones.
© 2010 Fundamentos de electricidad y magnetismo. Universidad Nacional de Colombia.
En la actualidad, los robots comerciales e industriales son ampliamente utilizados y realizan tareas de
forma más exacta o más barata que los humanos.
Por lo que en su estructura se hace necesario incluir elementos sensibles al entorno que además de
permitirle interactuar con este, le capacite para
entenderlo y, si es necesario, reaccionar y protegerse.
Un mecanismo efectivo que se puede estudiar,
intervenir e incluso manipular, con tales fines es el
campo magnético con el cual interactua el robot,
por lo que se hacen importantes los sensores de
campo magnético.
Un sensor es un dispositivo que detecta manifestaciones de cualidades o fenómenos físicos o químicos, llamadas variables de instrumentación, como
la temperatura, la intensidad luminosa, la distancia,
la aceleración, el pH, etc.y convierte estos fenómenos físicos o quimicos en un cambio de alguna
variable, por ejemplo: resistencia eléctrica (como
una RTD),capacidad eléctrica (como un sensor de
humedad), tension eléctrica (como un termopar),
corriente eléctrica (como un fototransistor), etc. La
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diferencia de un sensor respecto a un transductor,
es que el sensor esta siempre en contacto con la
variable a medir o a controlar.Recordando que la
señal que nos entrega el sensor no solo sirve para
medir la variable, si no tambien para convertirla
mediante circuitos electrónicos en una señal estandar (4 a 20 mA, o 1 a 5VDC) para tener una relacion lineal con los cambios de la variable sensada
dentro de un rango(span), para fines de control de
dicha variable en un proceso.
Generalmente, un sensor de campo magnético
mide una componente de vector del campo magnético cerca de la sonda de sensor. La sonda puede
ajustarse, permitiendo que el usuario mida los
campos que son paralelos o perpendiculares al eje
del sensor.
Algunas variedades de sensores de campo magnético, usados en robots, son:

Pickups magnéticos (sensores inductivos)
Entre los sensores de proximidad industriales
de uso frecuente se encuentran los sensores ba-
sados en un cambio de inductancia debido a la
cercanía de un objeto metálico.
eléctrico transversal, es decir, perpendicular al
sentido de la corriente. Este campo, denominado
Campo de Hall, es la resultante de fuerzas ejercidas por el campo magnético sobre las partículas
de la corriente eléctrica, sean positivas o negativas.
Figura 1. Diseño sensor inductivo
La figura 1 muestra el esquema de un sensor
inductivo o "pickup magnético", que consiste
en una bobina devanada sobre un imán permanente, ambos insertos en un receptáculo o cápsula de soporte.
Si se coloca el núcleo del sensor en proximidad
de un material ferromagnético, se produce un
cambio en la posición de las líneas de flujo del
imán permanente. En condiciones estáticas, no
hay movimiento en las líneas de flujo y, por
consiguiente, no se induce corriente en la bobina. Sin embargo, cuando un objeto ferromagnético ingresa en el campo del imán y/o lo abandona, el cambio que resulta en las líneas de flujo induce un impulso de corriente, cuya amplitud y forma son proporcionales a la velocidad
de cambio del flujo.
La tensión que se mide sobre la bobina varía
como función de la velocidad a la que se introduce el material ferromagnético en el campo
del imán. La polaridad de la tensión depende
del objeto que esté ingresando en el campo o
abandonándolo.
También existe una relación entre la amplitud
de la tensión y la distancia sensor-objeto. La
sensibilidad cae rápidamente al aumentar la distancia. El sensor es eficaz a un milímetro o menos.
Figura 2. Diagrama efecto Hall.
Este fenómeno tiene dos consecuencias principales. La primera es que la acumulación de cargas en un lado de la placa, en el campo así
creado, implica que el otro lado tiene una carga
opuesta, creándose entonces una diferencia de
potencial; la segunda es que la carga positiva
posee un potencial superior al de la carga negativa. La medida del potencial permite, por tanto, determinar si se trata de un campo positivo o
negativo.
En la mayor parte de los metales, la carga es
negativa, pero en algunos metales como el hierro, el zinc, el berilio y el cadmio es positiva, y
en los semiconductores es positiva y negativa al
mismo tiempo. Hay una desigualdad entre los
intercambios negativos y los positivos; también
en este caso, la medida del potencial permite
saber cuál domina, el positivo o el negativo.
Los sensores basados en efecto Hall suelen
constar de un elemento conductor o semiconductor y un imán. Cuando un objeto ferromagnético se aproxima al sensor, el campo que provoca el imán en el elemento se debilita. Así se
puede determinar la proximidad de un objeto,
siempre que sea ferromagnético.
Una de las aplicaciones de los sensores por
efecto Hall que más se ha instalado en la industria, en especial en la automotriz, es como reemplazo del sensor inductivo o pickup magnético (basado en un imán permanente y una bobina). Dado que en este caso el sensor, por estar
 Sensores por "Efecto Hall"
En el mercado existe gran cantidad de sensores
industriales para diversos usos, basados en el
efecto que descubrió el científico Edwin Herbert Hall. El nombre de Hall, físico norteamericano, ha pasado a la posteridad debido a una
singularidad electromagnética que descubrió
por causalidad en el curso de un montaje eléctrico: el "Efecto Hall".
Cuando por una placa metálica circula una corriente eléctrica y ésta se halla situada en un
campo magnético perpendicular a la dirección de
la corriente, se desarrolla en la placa un campo
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 Sensores KMZ10: usan el efecto MAGNE-
implementado por un semiconductor, tiene la
capacidad de poseer electrónica integrada, la
señal que sale de los sensores por efecto Hall
para uso como detectores de proximidad por lo
general ya está amplificada y condicionada, de
modo que su utilización es mucho más directa,
fácil y económica.
Otra aplicación es la medición de la corriente
que circula por un conductor, con lo que se
pueden implementar medidores de seguridad
sin necesidad de insertarlos en el circuito eléctrico de un sistema donde se maneja potencia.
Los sensores pueden estar construidos en una
cápsula de tipo circuito integrado o una de
transistor, (dispositivo electrónico de material
semiconductor (germanio, silicio) capaz de
controlar una corriente eléctrica, amplificándola
y/o conmutándola. Posee tres conexiones: Colector, Emisor y Base), o también pueden tener
una carcaza con un orificio por el que pasará el
cable cuya corriente se va a medir.
TO RESISTIVO, la propiedad por la cual, un
material magnético cambia su resistencia en
presencia de un campo magnético externo.
Esto proporciona un excelente medio para
medir con precisión desplazamientos lineales
y angulares (por ejemplo en varillas metálicas, levas, cremalleras), pués pequeños movimientos mecánicos producen cambios medibles
en
el
campo
magnético.
Los sensores de esta serie encuentran aplicación en instrumentación y control de procesos, como también en automatización industrial.
Es evidente entonces, la importancia del conocimiento y la adecuada aplicación de los fundamentos y leyes del magnetismo a la hora de innovar y/o modelar en los diferentes proyectos
que se quieran llevar a cabo. No solamente para
emplear teorías estudiadas, sino fundamentalmente, para aprovechar los medios que la naturaleza y el ambiente brinda, optimizando asi la labor de ingeniería y minimizando costos, que en
definitiva es un factor determinante en un proyecto.
Se utilizan también chips por efecto Hall como
interruptores accionados por el campo magnético de un imán. Un caso concreto es en los sensores de los sistemas de alarma (aquellos que se
colocan en puertas y ventanas, para detectar su
apertura). Estos interruptores tienen la ventaja
de no sufrir fricción al ser accionados, ya que el
único elemento que toma contacto es el campo
magnético. Son utilizados en teclados de alta
eficiencia, y estos mismos interruptores se pueden usar como sensores de choque (contacto físico), posición de un mecanismo, cuentavueltas, límite de carrera y otras detecciones mecánicas dentro y en el exterior de un robot.
Referencias
[1]
http://www.gmelectronica.com.ar/catalogo/pag48
.html
(citado el 21 de mayo de 2010 )
[2]
http://axxon.com.ar/rob/Sensores_magnetismo.ht
m
( citado el 21 de mayo de 2010 )
Algunos ejemplos comerciales de sensores son:
 Módulo CMPS03 de brújula
Para agregar orientación geográfica al robot, se
puede utilizar el módulo CMPS03 de Devantech, que determina un ángulo respecto al campo magnético de la Tierra. Este módulo es una
plaqueta de 26 x 28 mm que utiliza dos sensores de campo magnético KMZ51 de Philips, suficientemente sensibles como para detectar el
campo magnético terrestre. Tiene una resolución de 0,1 grados y una precisión de 3 a 4 grados. Se puede conectar con facilidad a un microcontrolador, utilizando una interfaz I2C.
También tiene una salida en la que indica el ángulo con un pulso de ancho modulado.
[3]http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/elecmagne
t/campo_magnetico/ampere/ampere.xhtml
( citado el 21 de mayo de 2010 )
[4]
http://www.mitecnologico.com/Main/Sensores
( citado el 21 de mayo de 2010 )
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