2.2 Acondicionamiento de Señales

La mayoría de las señales requieren de preparación antes de poder ser digitalizadas. Por ejemplo, una señal de un termopar es muy pequeña y necesita ser amplificada antes de pasar por el digitalizador.                            Otros sensores como RTD, Termistores, galgas extensiométricas y acelerómetros requieren de poder para operar. Aún las señales de voltaje puro pueden requerir de tecnología para bloquear señales grandes de modo común o picos. 

Todas estas tecnologías de preparación son formas de acondicionamiento de señal. Puesto que existe un amplio rango de tecnologías, el papel que desempeña y la necesidad de cada una de estas se puede volver confuso. 

Algunos de los tipos de acondicionamiento de señal más comunes.

• Aislamiento: Las señales de voltaje fuera del rango del digitalizador pueden dañar el sistema de medición y ser peligrosas para el operador. Por esta razón, normalmente es preciso tener el aislamiento y la atenuación para proteger al sistema y al usuario de voltajes de alta tensión o picos. También se puede necesitar aislamiento si el sensor está en un plano de tierra diferente al del sensor de medición (como un termopar montado en una máquina).

• Amplificación: Cuando los niveles de voltaje que va a medir son muy pequeños, la amplificación se usa para maximizar la efectividad de su digitalizador. Al amplificar la señal de entrada, la señal acondicionada usa más efectivamente el rango del convertidor analógico-digital (ADC) y mejora la precisión y resolución de la medición. Algunos sensores que típicamente requieren de amplificación son los termopares y galgas extensiométricas.

• Atenuación: Es lo opuesto a la amplificación. Es necesario cuando el voltaje que se va a digitalizar es mayor al rango de entrada del digitalizador. Esta forma de acondicionamiento de señal disminuye la amplitud de la señal de entrada, para que la señal acondicionada este dentro del rango del ADC. La atenuación es necesaria para medir voltajes altos.

• Multiplexeo o Mulplexado: Típicamente, el digitalizador es la parte más costosa del sistema de adquisición de datos. Al multiplexar, usted puede rutear secuencialmente un cierto número de señales a un solo digitalizador, logrando así un sistema de bajo costo y extendiendo el número de conteo de señales de su sistema. El multiplexeo es necesario para cualquier aplicación de alto conteo de canales.

• Filtrado: Son necesarios para remover cualquier componente de frecuencia no deseada en una señal, principalmente para prevenir aliasing y reducir la señal de ruido. Algunas mediciones de termopares generalmente requieren de filtros pasa bajos para remover el ruido de las líneas de poder. Las mediciones de vibración normalmente requieren de filtros antialiasing para remover componentes de señales más allá del rango de frecuencias del sistema de adquisición de datos. Excitación Muchos sensores, como RTD, galgas y acelerómetros, requieren de alguna fuente de poder para hacer la medición. La excitación es la tecnología de acondicionamiento de señal requerida para proveer esa fuente. Esta excitación puede ser voltaje o corriente dependiendo del tipo de sensor.

• Linealización: Algunos tipos de sensores producen señales de voltaje que no son lineales en relación con la cantidad física que están midiendo. La linearización, el proceso de interpretar la señal del sensor como una medición física, puede realizarse a través de acondicionamiento de señal o software. Los termopares son un ejemplo típico de un sensor que requiere linearización.

• Compensación de Junta Fría: Otra tecnología requerida para mediciones de termopares es la compensación de junta fría (CJC). Siempre que se conecta un termopar a un sistema de adquisición de datos, la temperatura de la conexión debe ser conocida para poder calcular la temperatura verdadera que el termopar esta midiendo. Un sensor CJC debe estar presente en el lugar de las conexiones.

• Muestreo Simultáneo: Cuando es crítico medir dos o más señales en un mismo instante, el muestreo simultáneo es indispensable. El acondicionamiento de señal apropiado al frente de su sistema es una opción de bajo costo para realizar esta operación sin tener que comprar un digitalizador para cada canal. Algunas de las aplicaciones que podrían requerir de muestreo simultáneo incluyen las mediciones de vibración y mediciones de diferencias de fase.

2.1 Sensores y Transductores

Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable física (por ejemplo fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.) en otro.

            

Un sensor es un transductor que se utiliza para medir una variable física de interés. 

Algunos de los sensores y transductores utilizados con más frecuencia son los calibradores de tensión (utilizados para medir la fuerza y la presión), los termopares (temperaturas), los velocímetros (velocidad).

Cualquier sensor o transductor necesita esta calibrado para ser útil como dispositivos de medida.

La calibración es el procedimiento mediante el cual se establece la relación entre la variable medida y la señal de salida convertida.

Los transductores y los sensores pueden clasificarse en dos tipos básicos, dependiendo de la forma de la señal convertida. Los dos tipos son:

• Transductores analógicos

• Transductores digitales

Los transductores analógicos proporcionan una señal analógica continua.

Los transductores digitales producen una señal de salida digital, en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas.

En una u otra forma, las señales digitales representan el valor de la variable medida.

Los transductores digitales suelen ofrecer la ventaja de ser más compatibles con las computadoras digitales que los sensores analógicos en la automatización y en el control de procesos.

Características deseables de los transductores

•Exactitud

•Precisión

•Rango de funcionamiento

•Velocidad de respuesta

•Calibración

•Fiabilidad

•Posición lineal o angular.

•Desplazamiento o deformación.

•Velocidad lineal o angular.

•Aceleración.

•Fuerza y par.

•Presión.

•Caudal.

•Temperatura.

•Presencia o proximidad.

•Táctiles.

•Intensidad lumínica.

•Sistemas de visión artificial.

1.4 Concepto de Ciencia e Ingeniería

La ciencia es el conjunto de conocimientos sistemáticamente estructurados, susceptibles de ser articulados unos con otros. 

Surge de la obtención del conocimiento mediante la observación de patrones regulares, de razonamientos y de experimentación en ámbitos específicos, a partir de los cuales se generan preguntas, se construyen hipótesis, se deducen principios y se elaboran leyes generales y sistemas organizados por medio de un método científico.

La ciencia considera distintos hechos, que deben ser suficientemente objetivos y observables.

Posteriormente estos hechos de observación se organizan por medio de diferentes métodos y técnicas, (modelos y teorías) con el fin de generar nuevos conocimientos. Para ello hay que establecer previamente unos criterios de verdad y asegurar la corrección permanente de las observaciones y resultados, estableciendo un método de investigación. La aplicación de esos métodos y conocimientos conduce a la generación de nuevos conocimientos objetivos en forma de predicciones concretas, cuantitativas y comprobables referidas a hechos observables pasados, presentes y futuros. Con frecuencia esas predicciones pueden formularse mediante razonamientos y estructurarse como reglas o leyes generales, que dan cuenta del comportamiento de un sistema y predicen cómo actuará dicho sistema en determinadas circunstancias.

La ingeniería es el conjunto de conocimientos y técnicas científicas aplicadas a la creación, perfeccionamiento e implementación de estructuras para la resolución de problemas. 

Para ella, el estudio, conocimiento, manejo y dominio de las matemáticas, la física y otras ciencias es aplicado profesionalmente tanto para el desarrollo de tecnologías, como para el manejo eficiente de recursos y/o fuerzas de la naturaleza en beneficio de la sociedad.

La ingeniería es la actividad de transformar el conocimiento en algo práctico.

Es la aplicación de los conocimientos científicos a la invención o perfeccionamiento de nuevas técnicas. 

Se caracteriza por usar el ingenio principalmente de una manera más pragmática y ágil que el método científico, puesto que la ingeniería, como actividad, está limitada al tiempo y recursos dados por el entorno en que ella se desenvuelve.

Su estudio como campo del conocimiento está directamente relacionado con el comienzo de la revolución industrial, constituyendo una de las actividades pilares en el desarrollo de las sociedades modernas.

1.3 Perfil y Campo de Desarrollo de Ingeniero en Mecatronica

• Ejercer su profesión dentro de un marco legal, teniendo un sentido de responsabilidad social.

• Analizar, sintetizar, diseñar, simular, construir e innovar productos, procesos, equipos y sistemas mecatrónicos.

• Integrar, instalar, construir, optimizar, operar, controlar, mantener, administrar y/o automatizar sistemas mecánicos.

• Evaluar y generar proyectos Industriales y de carácter social.

• Coordinar y dirigir grupos multidisciplinarios fomentando el trabajo en equipo.

• Desarrollar capacidades de liderazgo, comunicación e interrelaciones personales para transmitir ideas.

• Ser creativo, emprendedor y comprometido con su actualización profesional continua y autónoma.

• Interpretar información técnica de las áreas que se componen la Ingeniería Mecatrónica para la transferencia, adaptación, asimilación e innovación de tecnologías de vanguardia.

REQUISITO DE INGRESO ADICIONALES: Interés por resolver problemas tecnológicos relacionados con las áreas del conocimiento de mecánica, eléctrica y de sistemas, electromecánica, automatización e ingeniería auxiliada por computadora. Capacidad para integrar las diferentes disciplinas de la ingeniería. Destreza para trabajar en equipo y sólidos valores personales y éticos.

PERSPECTIVAS DE TRABAJO Y CAMPO OCUPACIONAL: En empresas productivas, participando en el diseño de máquinas y prototipos de mecanismos, instrumentos médicos, elaboración de prótesis y productos innovadores. Tanto en industrias como empresas del área de la salud que requieran la puesta en marcha, operación y mantenimiento de maquinaria, equipo, instrumentos y procesos automatizados de manufactura.Abarca prácticamente todas las industrias en donde se aplica el control automático de procesos: la industria química, de alimentos, papel, cemento, generación de energía, petrolera, del acero, etc.

POSIBILIDADES DE ACTUALIZACIÓN Y SUPERACIÓN PROFESIONAL: Acorde a la sólida formación en Ingeniería resulta deseable que el estudiante se oriente a la investigación y aplicación del conocimiento a través de la Maestría en Ciencias. Además de las diversas formas de actualización.

ENFOQUE: Dirigida a la ciencia aplicada a la solución de problemas de carácter multidisciplinario relacionados con la integración de las ramas de la ingeniería mecánica eléctrica y de sistemas. Para lograrlo se cuenta con una plataforma de materias, tanto de ciencias de la ingeniería como de la ingeniería aplicada, y sus laboratorios que permiten la modelación, simulación y experimentación de problemas para encontrar su solución.

1.2 Panorama General de la carrera Ingeniero en Mecatronica

PANORAMA:

La carrera busca formar profesionistas competentes que dominen la integración en los sistemas mecatrónicos, con capacidad para analizar, diseñar dispositivos y resolver problemas de acuerdo a las nuevas necesidades tecnológicas, además de buscar formas innovadoras para adecuar los procesos existentes.  

La infraestructura material para pruebas, mediciones, análisis y elaboración de prototipos junto con el recurso permitirá ofrecer colaboración oportuna y eficaz a aquellos emprendedores que estén interesados en el desarrollo tecnológico. Importancia social de la carrera.

Busca fortalecer  en sus funciones de organizar, realizar y fomentar la investigación científica en sus formas básica y aplicada, teniendo en cuenta fundamentalmente las condiciones y los problemas regionales y nacionales mediante el aprovechamiento de soluciones tecnológicas innovativas.

Esta formación le permitirá: diseñar, implementar, administrar, supervisar, operar y dar mantenimiento a procesos que requieren de una mecánica de precisión y de sistemas de automatización y control por computadora

La formación en valores y su ética profesional, le permitirá que la toma de decisiones en su ámbito profesional, sea siempre pensando en lograr las mejores condiciones y oportunidades de trabajo para las personas, en condiciones dignas de salud y seguridad, cuidando siempre el entorno ecológico

El egresado de la carrera de Ingeniería en Mecatrónica, contara además con la capacidad de mantenerse actualizado respecto a los constantes avances e innovaciones tecnológicas, lo cual le permitirá especializarse en diversos campos de la ingeniería así como emprender estudios de postgrado.

1.1 Desarrollo Histórico de la Mecatronica

La historia en México inicia a principios de los 90, cuando varias Instituciones de educación superior ofrecen algunas asignaturas de mecatrónica. 

Se sabe que el sector automotriz fue pionero y en la actualidad se mantiene en la cabeza, se espera que el sector aeronáutico siga tomando fuerza.

Surge a causa de la revolución industrial, que tuvo como consecuencia la creación de maquinas para el aumento en la calidad y cantidad de productos de uso ,o, consumo masivo.

A mediados de los años cuarenta del siglo pasado la llamada así segunda revolución industrial que tuvo como característica relevante la creacion del transistor semiconductor y la miniaturizacion de los componentes electronicos acoplados en circuitos integrados, dio origen al computador digital, este inveto cambio totalmente el pensamiento de la sociedad y de la industria. En medio de estas dos epocas, los paises que emplearon, pero en especial que produjeron estas nuevas tecnologias se pusieron a la cabeza o a la vanguardia de la sociedad.Pero el termino como tal fue acuñado en Japon a principios de los ochenta´s y comenzo a ser usado en Europa y USA un poco despues hoy en dia la mecatronica es un termino que une distintas tegnologias “mecanica, electronica,programacion de computadores ,etc”, todo esto para crear un nuevo ambiente de

“Meca trónica”  introducido por primera vez en 1969 por el Ingeniero Tetsuro Mori, trabajador de la empresa japonesa Yaskawa. En un principio se definió como la integración de la mecánica y la electrónica en una máquina o producto, pero luego se consolidó como una especialidad de la ingeniería e incorporó otros elementos como los sistemas de computación, los desarrollos de la microelectrónica, la inteligencia artificial, la teoría de control y otros relacionados con la informática.La definición de mecatrónica propuesta por J.A. Rietdijk: “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”.