¿Qué son los sensores analógicos? Todo sobre su funcionamiento

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El mundo de la electrónica es muy amplio, y nos facilita la vida cotidiana sin darnos apenas cuenta. Sabemos que, por ejemplo, nuestro móvil tiene sensores porque dependiendo de la luz cambia el brillo. Que si lo inclinas se gira la pantalla. En nuestro coche hay cientos de ellos. ¿Pero sabes realmente qué son los sensores?

Resumen de sensores

INDICE

1. Introducción a los sensores

2. ¿Sensor analógico o sensor digital?

3. Sensores analógicos en nuestro entorno

4. Usos de un sensor analógico

1. Introducción a los sensores

En la definición más amplia, un sensor es un dispositivo, módulo, máquina o subsistema cuyo propósito es detectar eventos o cambios en su entorno y enviar la información a otros componentes electrónicos, frecuentemente un procesador de computadora (CPU). 

Pero lo más importante, es que un sensor siempre se usa con otros componentes electrónicos. Porque un sensor, por si sólo no tiene aplicación directa.

Se puede explicar un sensor como todo aquello que tiene una propiedad sensible a una magnitud del medio, y al variar esta magnitud también varía con cierta intensidad la propiedad. Las magnitudes del medio pueden ser la temperatura, humedad, presión barométrica o aceleración, por ejemplo. Es decir, un sensor manifiesta la presencia de una magnitud, y también su medida.

2. ¿Sensor analógico o sensor digital? 

Los cambios o eventos que detecta un sensor según la medida que muestre, se clasifican en analógicos y digitales. 

Básicamente los sensores miden una magnitud física y responden a ella produciendo una salida como un voltaje analógico o digital. Los sensores analógicos son los que producen una señal analógica basada en lo que perciben. De manera similar, los sensores digitales son los que producen una señal digital en respuesta a lo que miden en la entrada.

Digitales 

Esto quiere decir que, si un sensor es digital, los cambios en el entorno y los eventos que notarán se mostrarán digitalmente. Por lo tanto, tendrá dos estados: cambio detectado o cambio no detectado. Lo que es lo mismo: si o no, 1 o 0, activado o desactivado. La señal de salida eléctrica que genera va a depender de la fuente de alimentación, por ejemplo, podría ser 5VDC o 0VDC. 

Esto quiere decir que saldrán 5V cuando el sensor haya detectado un cambio en la magnitud física y 0V mientras no lo haya detectado, por ejemplo, hay o no hay luz.

Por ejemplo, si pusiéramos una luz que parpadea como la de una bicicleta frente a un sensor de luz digital, la señal de salida del sensor se mostraría como la siguiente gráfica.

 Digital

Analógicos

Por otro lado, los sensores son analógicos muestran más abanico de estados en función de la magnitud física que detectan haciendo que esta se pueda escalar y obtener el valor real. Parece algo siempre, como que un sensor de temperatura te diga los grados que hacen actualmente en grados centígrados, por ejemplo. 

Sin embargo, los sensores deben transformar ese cambio que detectan en un voltaje analógico para que pueda ser utilizado por la electrónica que le acompaña, y de ese modo mostrarnos el valor y si queremos actuar en consecuencia con nuestro circuito. Por ejemplo, encendiendo una refrigeración al llegar a 25ºC.

Una señal analógica puede ser una sinusoide, donde conforme va pasando el tiempo el valor va pasando de un valor máximo a un valor mínimo de manera cíclica.

Analogico

Si quieres conocer más estos dos tipos de señales, ya hablamos más a fondo sobre el mundo analógico y el digital en nuestro anterior blog, donde incluso comparamos sus propiedades en una tabla:

Fundamentos de la señal analógica vs. la digital

Parámetros

Como ya hemos dicho, los sensores nos posibilitan la recepción de señales del mundo exterior. Técnicamente, los sensores son capaces de recibir una señal del entorno, y cuando esta señal alcance el nivel predefinido por la sensibilidad del sensor, poder enviar información al resto del circuito. La sensibilidad no se debe confundir con la resolución de un sensor. Te explicamos ambos:

- Sensibilidad: 

La sensibilidad del sensor es uno de los parámetros más importantes. La sensibilidad se define entonces como la relación entre la señal de salida y la propiedad medida. Por ejemplo, si un sensor mide la temperatura (grados Kelvin) y tiene una salida de voltaje (Voltios), la sensibilidad es una constante con las unidades [V/K]. 

La mayoría de los sensores tienen una función de transferencia lineal, y aquí, la sensibilidad es la pendiente de la función de transferencia. 

Convertir la salida eléctrica del sensor (por ejemplo, V) a las unidades medidas (por ejemplo, K) requiere dividir la salida eléctrica por la pendiente (o multiplicar por su recíproco). 

Además, con frecuencia se suma o resta un desplazamiento. Por ejemplo, se debe agregar −40 a la salida si la salida de 0 V corresponde a la entrada de −40 K.

Para que la señal de un sensor analógico se procese o se utilice en un equipo digital, es necesario convertirla en una señal digital mediante un convertidor de analógico a digital, como por ejemplo este:

 PCF sensor

Convertidor Analógico a Digital PCF8591T – Referencia C0018

- Resolución:

La resolución del sensor o la resolución de la medición es el cambio más pequeño que se puede detectar en la cantidad que se está midiendo. La resolución de un sensor con salida digital suele ser la resolución numérica de la salida digital. 

La resolución está relacionada con la precisión con la que se realiza la medición, pero no son lo mismo. La precisión de un sensor puede ser considerablemente peor que su resolución, porque la precisión es el máximo error esperado en la medida.

Entonces la resolución puede ser de menor valor que la precisión. 

- Por ejemplo, la resolución de distancia es la distancia mínima que se puede medir con precisión con cualquier dispositivo de medición de distancia. Un ejemplo podría ser, 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 exceso innecesario en el coste del sistema.

- 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.

- El sensor puede, hasta cierto punto, ser sensible a propiedades distintas de la propiedad que se está midiendo. Por ejemplo, la mayoría de los sensores están influenciados por la temperatura de su entorno.

- Otros parámetros:

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.

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/Repetibilidad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.

Caracteristicas de sensores

Dicho esto, un buen sensor obedece las siguientes reglas: 

- es sensible a la propiedad medida

- es insensible a cualquier otra propiedad que pueda encontrarse en su aplicación. (Aunque como hemos dicho suelen ser sensibles a la temperatura del entorno)

- no influye en la propiedad medida.

3. Sensores analógicos en nuestro entorno

Como ya sabemos, nos rodean sensores analógicos por todas partes, ya que necesitamos de un control de nuestro entorno y hacer que la tecnología actúe en función para nuestra vida cotidiana.

Los sensores en robótica se utilizan a menudo, ya que posibilitan a robots comunicarse con su entorno al igual que lo hacemos con nuestros sentidos, sea por visión (sensor de la luz y color), oído (sensor del sonido) u olor (sensor de gases). Pero los sensores van más allá de donde el ser humano no podemos captar y medir. Cuando necesitamos con precisión saber la cantidad de CO2 en nuestro aire interior, si hay gases nocivos o la humedad en nuestra sala, con un simple módulo sensor y la programación de una placa de desarrollo, podemos conseguir controlar nuestro entorno.

En la industria, podemos encontrar también este tipo de sensores sobre todo para medición continua de nivel de líquido, presión, etc. Por ejemplo, para monitorear el nivel de un tanque de agua y su temperatura.

Algunos de los sensores que podemos encontrar para aplicaciones de electrónica y robótica son:

4. Usos de un sensor analógico

La manera más habitual de trabajar con estos sensores es conectándolos a alguna placa de desarrollo tanto para captar las medidas del entorno, como para conectar a esta los actuadores necesarios. 

Estas placas de desarrollo se programan en entornos de programación sencillos, siendo la plataforma más habitual Arduino.

Si es tu primer proyecto con sensores, es desde luego la plataforma que te recomendamos.

Ejemplo

Todo se ve mejor con un ejemplo, por lo que vamos a ver la conexión de un sensor de lluvia. Con este ejemplo veremos el funcionamiento de un sensor que tiene tanto salida analógica como digital, como obtenemos los valores mediante la placa de desarrollo Arduino UNO.

Este sensor de lluvia detecta mediante una sonda las gotas de agua que caen sobre este, para así cerrar el circuito. La sonda consta de una espira de pistas conductoras por la que estará pasando una corriente, y otra pista igual conectada a tierra (GND). Estas pistas están sobre una placa de baquelita no conductora. Cuando cae una gota de agua, liquido que es conductor eléctrico, conecta dos partes de las espiras ya que tienen una separación muy pequeña. El agua hace que se cree un camino de baja resistencia entre las pistas con polaridad positiva y las pistas conectadas a GND.

Este sensor tiene también un amplificador, el encargado de amplificar el pequeño diferencial de voltaje que se general cuando una gota de agua cae sobre las pistas del módulo.

Este módulo se alimenta directamente de Arduino, así que no necesitamos una fuente de energía externa debido a su bajo consumo, pero es posible que otros módulos si necesiten una alimentación externa. El módulo se conecta a la placa Arduino UNO del siguiente modo:

Placa de desarrollo

Como vemos, en este caso el módulo y la sonda del sensor están separados, pero depende del sensor concreto, no tiene el porqué. Este módulo tiene 4 pines para conectar con la placa de desarrollo:

Pin del sensor

Pin de Arduino UNO

Cable

5V - alimentación

VCC

Rojo

GND - tierra

GND

Negro

A0 - Salida analógica

A0

Azul

D0 – Salida digital

2

Verde

 del sensor se conectan a la sonda de medición mediante los cables suministrados amarillo y naranja.

La salida digital viene fijada por el potenciómetro, donde regulamos el valor a partir de el cual la salida digital pasara de desactivada (0) a activada (1). Este valor se llama umbral.

En cuanto a la salida analógica puede ser conectada a un puerto Analógico de nuestro microcontrolador Arduino para detectar la intensidad de la humedad y la precipitación. Los valores que indicará serán una referencia de la diferencia de voltaje después de haber sido amplificado, y tendrá una correlación lineal con la resistencia a la corriente que hay entre las pistas de la sonda.

Una vez programado el microcontrolador Arduino UNO mediante el entorno que hayamos decidido, habitualmente el Arduino IDE, podremos obtener visualmente los valores a tiempo real que va captando el sensor, tanto digital (D0) como analógicos (A0). 

Por ejemplo, en nuestro código nos muestra la siguiente imagen, donde podemos intuir que el valor umbral de la salida digital debe estar en torno a 800, a partir del cual la salida digital pasa a ser 1. Recuerda que este umbral se cambia con el potenciómetro del módulo.

Codigo para sensor

Para una mejor información sobre este ejemplo (Como hacer un detector de lluvia con Arduino y el sensor de lluvia), y muchos otros, puedes consultar nuestro apartado de “Instalación de módulos y sensores Arduino”.

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