Introducción a la Ingeniería Mecatrónica

La ingeniería mecatrónica es una disciplina fundamental para diseñar y desarrollar productos que involucran sistemas de control, buscando crear maquinaria más compleja para facilitar las actividades del ser humano, principalmente a través de procesos electrónicos integrados en la industria mecánica.

Integración Disciplinaria

Esta disciplina une la:

• Ingeniería Mecánica
• Ingeniería Electrónica
• Ingeniería de Control
• Ingeniería Informática

Debido a que combina varias ingenierías en una sola, su punto fuerte es la versatilidad.

¿Qué es la Mecatrónica?

Es la combinación sinérgica de la ingeniería mecánica de precisión, de la electrónica, del control automático y de los sistemas para el diseño de productos y procesos.

Sensores: Elementos Clave de la Medición

Definición General de Sensor

Un sensor es todo aquello que tiene una propiedad sensible a una magnitud del medio, y al variar esta magnitud, también varía con cierta intensidad dicha propiedad. Esto manifiesta la presencia de la magnitud y permite su medida.

Sensores en el Contexto Industrial

• Un sensor en la industria es un objeto capaz de variar una propiedad ante magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas con un transductor en variables eléctricas.
• Las variables de instrumentación pueden ser, por ejemplo: intensidad lumínica, temperatura, distancia, aceleración, inclinación, presión, desplazamiento, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc.
• Una magnitud eléctrica resultante puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica, etc.

Características Técnicas de un Sensor

Parámetros Fundamentales

• 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.
• Linealidad o correlación lineal.

Otros Atributos Importantes

• Sensibilidad de un sensor: Relación entre la variación de la magnitud de entrada y la variación resultante en la salida.
• 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 (humedad, temperatura) u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.
• Repetitividad: Error esperado al repetir varias veces la misma medida.

Función del Sensor y Acondicionamiento de Señal

Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g., un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un visualizador) para que los valores detectados puedan ser leídos por un humano.

Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de los circuitos.

Transductor: Conversión de Energía

Definición y Aplicaciones

Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir una determinada manifestación de energía de entrada, en otra diferente a la salida, pero de valores muy pequeños en términos relativos con respecto a un generador.

El tipo de transductor indica la transformación que realiza (por ejemplo, electromecánico transforma una señal eléctrica en mecánica o viceversa). Es un dispositivo usado principalmente en la industria, en la medicina, en la agricultura, en robótica, en aeronáutica, etc., para obtener información de entornos físicos y químicos y conseguir (a partir de esta información) señales o impulsos eléctricos o viceversa. Los transductores siempre consumen cierta cantidad de energía, por lo que la señal medida resulta atenuada.

Diferencia entre Resolución y Precisión

Conceptos Relacionados

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.

Relación entre Resolución y Precisión

La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al medir una distancia la resolución es de 0.01 mm, pero la precisión es de 1 mm, entonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de 0.01 mm, pero no puede asegurarse que haya un error de medición menor a 1 mm. En la mayoría de los casos, este exceso de resolución conlleva a un coste innecesario en el sistema. No obstante, en estos sistemas, si el error en la medida sigue una distribución normal o similar (lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos), la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión.

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.