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Análisis experimental de un Sensor de velocidad...

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LABORATORIO DE SENSORES Y ACTUADORES

“Año de la lucha contra la corrupción e

impunidad”

LAB N°8 Sensores Ópticos DOCENTE:

SILVERA OTAÑE, JIMMY ROGER

MATERIA:

SENSORES Y ACTUADORES

ALUMNOS: ✓ RAMIREZ ZAMUDIO, PAUL OSCAR

FACULTAD:

INGENIERÍA

ESCUELA:

MECATRÓNICA

TUJILO-PERÚ 2019

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LABORATORIO DE SENSORES Y ACTUADORES

INDICE 1.

OBJETIVO: .............................................................................................................................. 3

2.

EQUIPOS Y MATERIALES ................................................................................................... 3

3.

FUNDAMENTO TEORICO: ................................................................................................... 3

4.

PLAN DE TRABAJO ............................................................................................................... 4

6.

RESULTADOS: ....................................................................................................................... 7

7.

TEST DE COMPROBACION ................................................................................................. 9

8.

CONCLUSIONES .................................................................................................................. 10

9.

ANEXOS ................................................................................................................................ 11

INDICE DE TABLAS Tabla 1. Promedio de RPM registrado, según el Voltaje aplicado al Motor.................................... 8

TABLA DE ILUSTRACIONES Figura 1. Esquema del circuito del motor DC................................................................................................ 6 Figura 2. Integrado Fc-03............................................................................................................................... 6 Figura 3. Distribución de pines en el integrado FC-03. ................................................................................. 7 Figura 4. Código para la implementación del encoder................................................................................... 7 Figura 5. Relación V vs RPM ........................................................................................................................ 8

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LABORATORIO DE SENSORES Y ACTUADORES

Laboratorio: 08 Curso:

Sensores y actuadores

Semestre:

2019 - II

Sesión:

Sensores ópticos

Semana:

11

1. OBJETIVO: •

Instalar y manipular el funcionamiento de los optocopladores.

•

Diseñar un circuito capaz de hacer la lectura de velocidad de un eje.

2. EQUIPOS Y MATERIALES •

1 Arduino

•

1 Optointerruptor ITR8102 ó H21A1

•

1 Encoder

•

1 Resistencia de 10KΩ

•

1 Resistencia de 330Ω

•

1 Protoboard

•

1 Fuente de tensión (de PC preferentemente)

3. FUNDAMENTO TEORICO: 3.1. Optointerruptor ITR8102: También llamado optoaislador o aislador acoplado ópticamente, es un dispositivo de emisión y recepción que funciona como un interruptor activado mediante la luz emitida por un diodo led que satura un componente optoelectrónico. De este modo se combinan en un solo dispositivo semiconductor, un fotoemisor y un fotorreceptor cuya conexión entre ambos es óptica:

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3.2. Encoders Los encoders tienen como principio generar señales digitales en respuesta al movimiento, sea de un disco o cinta perforada. Éstos se utilizan, en su mayoría de las aplicaciones, para el control de posición y/o velocidad de un motor. Considerando básicamente el número de pulsos leído y la cantidad de ranuras que existen en un disco o cinta para controlar una posición específica o una velocidad.

4. PLAN DE TRABAJO Cada grupo deberá realizar las siguientes acciones: a) Armar el circuito del optocoplador de la siguiente manera al Arduino:

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b) Colocar el encoder, el motor y el optocoplador de la siguiente manera:

c) Programar con siguiente código del Arduino: // Contador de RPM // Conexion de la entrada de la interrupcion 0 por el PIN 2 // Configurar el monitor serial a 57600 Baudios para visualizar los RPM volatile int contador = 0; // Variable entera que se almacena en la RAM del Micro void setup() { Serial.begin(57600); attachInterrupt(0,interrupcion0,RISING); // Interrupcion 0 (pin2) }

// LOW, CHANGE, RISING, FALLING

void loop() { delay(999);

// retardo de casi 1 segundo

Serial.print(contador*30); // Como son dos interrupciones por vuelta (contador * (60/2)) Serial.println(" RPM");

// El número 2 depende del número aspas de la hélice del motor en

prueba contador = 0; } void interrupcion0(){ // Función que se ejecuta durante cada interrupción contador++;

// Se incrementa en uno el contador

} 5

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5. DESARROLLO DE LA PRACTICA:

Para este laboratorio, no fue necesaria la construcción de un circuito de acondicionamiento para obtener la salida del encoder del optointerruptor, esto por contar con el integrado FC03, el cual cuenta con pines de salida para registrar los pulsos recibidos por el encoder óptico. Así, se armó l siguiente esquema:

Figura 1. Esquema del circuito del motor DC.

A partir de este, se obtendrían los valores de velocidad con el encoder que trae por defecto el integrado FC-03

Figura 2. Integrado Fc-03

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Figura 3. Distribución de pines en el integrado FC-03.

La configuración que se siguió para registrar la información fue la siguiente: •

VCC y GND a la alimentación (+5V) y GND del Arduino, respectivamente.

•

D0 al pin 2 del Arduino.

Una vez tenemos configurado esto, procedemos a la toma de datos: Cargamos el código presentado anteriormente en el controlador:

Figura 4. Código para la implementación del encoder.

6. RESULTADOS: a) Mostrar la velocidad del eje de un motor por el monitor serial del Arduino si la alimentación de voltaje del motor es de 5V y de 3.5V. Se tomaron varias muestras a diferentes voltajes aplicados al motor DC, a continuación, se muestran los valores recogidos: 7

LABORATORIO DE SENSORES Y ACTUADORES Tabla 1. Promedio de RPM registrado, según el Voltaje aplicado al Motor.

V

RPM

0,45

1005

1,21

2410

1,5

3350

2,7

6450

2,87

6585

3,45

7770

4,38

9800

5,02

11205

6,18

13950

8,24

16455

V vs RPM (Motor DC) 20000

RPM-MOTOR(REV. POR MIN.)

18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0

1

2

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4

5

V-MOTOR(VOLTIOS) Figura 5. Relación V vs RPM

Para las alimentaciones requeridas: 5V => 11205 RPM 3.5V => 7770 RPM

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b) Mostrar como cambiaría el código si el encoder tiene “n” hélices o muescas por vuelta. El razonamiento que se siguió para obtener las revoluciones por minuto fue la siguiente: El encoder mediante el contador, contabiliza los pulsos que mandan el optointerruptor durante 1 segundo de rotación del motor: "x" (𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑠) → 1𝑠𝑒𝑔

"x ∗ 60" (𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑠) → 1 𝑚𝑖𝑛 Para saber el número de vueltas que dio, a los pulsos que contabiliza el programa se divide entre las “n” muescas del encoder. Así, obtenemos: 𝑥∗(

60 ) → 𝑅𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑛

Por tanto, si cambia el numero de hélices o muescas, en el código, se implementaría al contador: contador*(60/n). 7. TEST DE COMPROBACION a) ¿Es mejor una encoder con más o menos muescas? ¿Por qué? Depende de la precisión de los instrumentos de medición para registrar y transmitir los datos adecuadamente. En un caso ideal, y si el encoder tuviera un diseño excelente, no tendría que importar la cantidad de muescas, puesto que la información seria la misma. En el caso real, tendría que comprobarse experimentalmente con un equipo de medición de velocidad angular, hasta qué punto divergen o coinciden los resultados si se varía el número de muescas, con los instrumentos usados en esta práctica. b) ¿Se podría calcular la aceleración del motor? Explicar cómo si es que es posible. En el caso de buscar el módulo de la componente radial de la aceleración del motor en un punto dado, se calcularía según la fórmula: 𝑎𝐶 = Donde:

𝑣2 𝑟

𝑎𝐶 es la aceleración centrípeta

𝑣 es la velocidad tangencial en el radio dado

𝑟 es el radio al que está ubicado el punto del cual se desea su aceleración centrípeta. 9

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O, por otra parte, si en algún momento se acelera al motor variando el voltaje que se le aplica, este presentaría aceleración angular. Y se tendría que calcular conociendo las velocidades inicial y final: 𝛼=

𝑅𝑃𝑀0 − 𝑅𝑃𝑀𝑓 ∆𝑡

Donde 𝛼 es la aceleración angular

𝑅𝑃𝑀0 son las RPM iniciales 𝑅𝑃𝑀𝑓 son las RPM finales

∆𝑡 es la variación del tiempo durante el cambio de RPM. c) ¿Cómo podría identificar el sentido de giro del motor? Se podría implementar otro encoder, de la siguiente manera:

A velocidades pequeñas de giro, bastaría con colocar dos sensores ópticos, y dependiendo de cual mandara el primer pulso (si el mas exterior, o el más cercano, se podría decir que el motor gira, a la derecha, o a la izquierda. Directamente se sabe el sentido de giro del motor, si se conoce la polaridad del voltaje que se le aplica, pues dependiendo de esta girara en un sentido, o en otro. 8. CONCLUSIONES ✓ Gracias al encoder pudimos comprobar la velocidad angular que presentaba un motor DC, una vez se le aplica un voltaje determinado. ✓ La lógica de programación del Arduino fue de suma utilidad para convertir los pulsos del encoder en RPM. ✓ A mejores instrumentos de medición, se tendrán resultados más cercanos a la realidad. 10

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9. ANEXOS

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