El sensor infrarrojo es un dispositivo electrónico capaz de medir la radiacion electromagnética infrarroja de los cuerpos en su campo de visión. Todos los cuerpos reflejan una cierta cantidad de radiación, esta resulta invisible para nuestros ojos pero no para estos aparatos electrónicos, ya que se encuentran en el rango del espectro justo por debajo de la luz visible.
Los rayos infrarrojos(IR) entran dentro del fototransistor donde encontramos un material piroeléctrico, natural o artificial, normalmente formando una lámina delgada dentro del nitrato de galio (GaN), nitrato de Cesio (CsNO3), derivados de la fenilpirazina, y ftalocianina de cobalto. Normalmente están integrados en diversas configuraciones(1,2,4 píxels de material piroeléctrico). En el caso de parejas se acostumbra a dar polaridades opuestas para trabajar con un amplificador diferencial. Provocando la auto-cancelación de los incrementos de energía de IR i el desacoplamiento del equipo.
Reflectivo: Este tipo de sensor presenta una cara frontal en la cual se encuentran tanto el LED como el Fototransistor. Debido que no están colocados en forma enfrentada, la única forma posible para que la luz generada por el LED active el Fototransistor es haciendo reflejar esta luz en una superficie reflectiva. Teniendo en cuenta esto, estos sensores son muy útiles para detectar por ejemplo una línea negra sobre una superficie blanca o viceversa. Debido a que el fototransistor es afectado no solo por la luz del diodo sino por la luz ambiental, se deben desarrollar circuitos de filtrado para evitar una falsa activación debido a la luz ambiente.
En la siguiente figura se aprecia un uso clásico para este tipo de sensores. El motor posee un disco rasurado acoplado a su eje. De esta forma podemos detectar el movimiento del motor, ya que al girar irá obturando y liberando el haz de luz entre el LED y el Fototransistor.
Algunos sensores infrarrojo reflexivos:
-Reflexivo IS471F
El uso de luz IR modulada tiene por objeto hacer al sensor relativamente inmune a las interferencias causadas por la luz normal de una bombilla o la luz del sol.
Funcionamiento: Como puede verse en el esquema, el sensor se alimenta por sus patitas 1 y 3 y estas corresponden a Vcc y Gnd respectivamente, la patita 2 es la salida del detector y la patita 4 es la salida que modula al led emisor externo. Mediante el potenciómetro P1 se varia la distancia a la que es detectado el objeto. Contra mas baja sea la resistencia de este potenciómetro, mas intensa será la luz emitida por el diodo de IR y por lo tanto mayor la distancia a la que puede detectar el objeto.
El el siguiente esquema vemos el simple circuito necesario para hacer funcionar al sensor:
- Reflexivo CNY70
Descripción: El CNY70 es un pequeño dispositivo con forma de cubo y cuatro patitas que aloja en su interior un diodo emisor de infrarrojos que trabaja a una longitud de onda de 950 nm. y un fototransistor (recetor) estando ambos dispuestos en paralelo y apuntando ambos en la misma dirección, la distancia entre emisor y receptor es de 2.8 mm. y están separados del frontal del encapsulado por 1 mm.
En la siguiente figura vemos la disposición interna del CNY70 mirando el encapsulado desde arriba, así pues tenemos el diodo emisor de infrarrojos a la izquierda y el fototransistor a la derecha.
Funcionamiento: El fototransistor conducirá mas, contra mas luz reflejada del emisor capte por su base. La salida de este dispositivo es analógica y viene determinada por la cantidad de luz reflejada, así pues para tener una salida digital se podría poner un disparador Trigger Schmitt y así obtener la salida digital pero esto tiene un problema, y es que no es ajustable la sensibilidad del dispositivo y los puntos de activación de histerisis distan algunos milivoltios uno del otro (ver explicación en el esquema de la LDR ). Para solventar este problema muestro el siguiente circuito basado en un amplificador operacional configurado en modo comparador, en la salida del circuito obtendremos una señal cuadrada lista para su interconexión con la entrada de cualquier µControlador.
La sensibilidad del circuito es ajustable mediante la resistencia variable de 10k (aconsejo poner una resistencia multivuelta). Para comprobar y visualizar la señal de salida es posible montar un diodo led en la salida con su resistencia de polarización a masa, si así lo hacemos veremos que cuando el sensor detecta una superficie blanca o reflectante el led se ilumina ya que la salida del LM358 pasa a nivel alto y por lo tanto alimenta al led que tiene su ánodo conectado directamente.
La salida del LM358 varia de 0V para nivel lógico 0 a unos 3,3V para nivel lógico 1, con lo que puede ser llevada directamente a un disparador trigger schmitt (p.ej. 74LS14) para conformar pulsos de niveles TTL de 0 a 5V si fuese necesario.
- Reflexivo GP2DXX
Descripción: El sensor GP2DXX de sharp es un dispositivo de reflexión por infrarrojos con medidor de distancia proporcional al ángulo de recepción del haz de luz que incide en un sensor lineal integrado, dependiendo del modelo utilizado, la salida puede ser analógica, digital o booleana.
Funcionamiento: El dispositivo emite luz infrarroja por medio de un led emisor de IR, esta luz pasa a través de una lente que concentra los rayos de luz formando un único rayo lo mas concentrado posible para así mejorar la directividad del sensor, la luz va recta hacia delante y cuando encuentra un obstáculo reflectante rebota y retorna con cierto ángulo de inclinación dependiendo de la distancia, la luz que retorna es concentrada por otra lente y así todos los rayos de luz inciden en un único punto del sensor de luz infrarroja que contiene en la parte receptora del dispositivo. Este sensor es un CCD lineal y dependiendo del ángulo de recepción de la luz incidirá esta en un punto u otro del sensor pudiendo de esta manera obtener un valor lineal y proporcional al ángulo de recepción del haz de luz.
Dependiendo del modelo elegido leeremos de una manera u otra la salida de este con lo cuál tendremos que remitirnos al datasheet del modelo elegido para ver su funcionamiento interno.
En los modelos analógicos la salida es un voltaje proporcional a la distancia medida.
En los modelos digitales la lectura será de 8 bits serie con reloj externo.
En los modelos Booleanos la salida será de 1 bit y este marcara el paso por la zona de histéresis del sensor con lo cual solo tendremos una medición de una distancia fija.
Fabricantes de Sensores Infrarrojos:
Algunos de los fabricantes de Sensores Infrarrojos son los siguientes:
- Toshiba.
- Sharp.
- Rohm.
- Edinburgh instruments.
Ejercicio de Resonador Armónico.
Se desea medir la temperatura de un hornito usando resonador armónico. La temperatura varía de 0 °C hasta 100 °C. la frecuencia de resonancia es de 10 kHz, y las constantes del material son: alfa= 2,1; beta=0,5 y gamma=0,015. Determine:
1.- La frecuencia de salida en todo el margen de medida.
2.- El error de linealidad del sensor.
3.- Diseñe el sistema de procesamiento de la información si se desea mostrar la información en un display de siete segmentos, si se desea una resolución de 1 °C. Describa el circuito electrónico utilizado.
Solución:
Datos del problema:
Temperatura: 0 ºc – 100 ºc; T0 = temp. De ref. (ambiente) = 25 ºc
Resonador armónico: F0 = 10 khz, α = 2.1, β = 0.5, γ = 0.015
Calculos:
1.- Frecuencia de salida: F = F0[1+α(t – t0) + β(t – t0)2 + γ(t – t0)3]
- para 0% entonces t = 0 ºc
F0 = 10 khz[1+2.1(0 – 25) + 0.5(0 – 25)2 + 0.015(0 – 25)3] = 266.25 khz
- para 25% entonces t = 25 ºc
F25= 10 khz[1+2.1(25 – 25) + 0.5(25 – 25)2 + 0.015(25 – 25)3] = 10 khz
- para 50% entonces t = 50 ºc
F50= 10 khz[1+2.1(50 – 25) + 0.5(50 – 25)2 + 0.015(50 – 25)3] = 6.003 Mhz
- para 75% entonces t = 75 ºc
F75= 10 khz[1+2.1(75 – 25) + 0.5(75 – 25)2 + 0.015(75 – 25)3] = 32.31 Mhz
- para 100% entonces t = 100 ºc
F100= 10 khz[1+2.1(100 – 25) + 0.5(100 – 25)2 + 0.015(100 – 25)3] = 92.99 Mhz
2.- Error de linealidad:
Formulas: Y2 – Y1 = m(X2 – X1), despejando m;
m = (y2 – y1) / (x2 – x1) = (f2 – f1) / (t2 – t1)
P = (t,f) ; P1 = (0,266.25 khz) ; P2 = (100,92.99 Mhz)
mP1,P2 = 927.24 khz / ºc
Formula para la linealidad : f = mP1,P2 * t + f1
f1 = (927.24 khz / ºc) * (0 ºc) + 266.25 khz = 266.25 khz
f2 = (927.24 khz / ºc) * (25 ºc) + 266.25 khz = 23.45 Mhz
f3 = (927.24 khz / ºc) * (50 ºc) + 266.25 khz = 46.63 Mhz
f4 = (927.24 khz / ºc) * (75 ºc) + 266.25 khz = 69.81 Mhz
f5 = (927.24 khz / ºc) * (100 ºc) + 266.25 khz = 92.99 Mhz
Formula para el error: E = (ft – fn) / fmax
E0 ºC = (266.25 khz – 266.25 khz) / 92.99 Mhz = 0
E25 ºC = (10 khz – 23.45 Mhz) / 92.99 Mhz = 0.25
E50 ºC = (6.003 Mhz – 46.63 Mhz) / 92.99 Mhz = 0.44
E75 ºC = (32.31 Mhz – 69.81 Mhz) / 92.99 Mhz = 0.40
E100 ºC = (92.99 Mhz – 92.99 Mhz) / 92.99 Mhz = 0
3.- Descripción del circuito electrónico utilizado:
El circuito expone, un sistema de procesamiento de la información transmitida por el resonador armónico; dado a que la información es expresada por medio de una señal de frecuencia que varía en proporción a la temperatura medida, con el fin de ajustar la señal antes de introducirla al elemento que se encargará del procesamiento, se emplea un microcontrolador (PIC), además se implementa con un divisor de frecuencia que se encargue de proporcionar al PIC una frecuencia adecuada que este pueda detectar y manejar. En cuanto al software que maneja el microcontrolador, este debe cumplir con las mediciones de la frecuencia proveniente del divisor de frecuencia, utilizando el modo de captura (CCP) y aproximar este valor de frecuencia con su correspondiente valor de temperatura, este ultimo valor debe ser codificado a 7 segmentos y enviado a los displays para lograr la visualización de la temperatura.
Para obtener un rango de medida entre 0 ºc y 100 ºc con una resolución de 1 ºc se utilizan 3 displays 7 segmentos, haciendo la conexion con sus respectivos transistores para el control de la habilitación y para garantizar los efectos de refrescamiento.
