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CD MULTIMEDIA DE SENSORES DE LUZ MEMORIA AUTOR: JENIFER BLANCO ARNAL DIRECTOR: FRANCISCO JAVIER ARCEGA SOLSONA ESPECIALIDAD: INGENIERÍA ELECTRÓNICA SEPTIEMBRE 2010 C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 2 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN……………………………………………………….…3 2. ANTECEDENTES……………………………………………………….…5 3. POSIBLES SOLUCIONES………………………..….………….….….7 4. SOLUCIONES ESCOGIDAS………….…………….…..………..….12 5. EQUIPO NECESARIO……..…………….……..……………………32 6. ESQUEMA CD INTERACTIVO….…….………..………….…....33 7. DESCRIPCIÓN DE LAS PANTALLAS...………..………....…..35 8. DOCUMENTACIÓN SOBRE LOS SENSORES………….….....46 9. LISTADO DE CARPETAS DEL CD INTERACTIVO……..…..132 10. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………….…..…..133 11. CONCLUSIONES, FECHA Y FIRMA……………..……….…135 ANEXO:CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN DE DIRECTOR…..136 C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 3 1. INTRODUCCIÓN Con el paso del tiempo se han ido realizando cambios en la forma de desarrollar y distribuir la información, estos métodos han ido variando desde tiempos ancestrales de formas primitivas (ruidos, gestos…), al papel, y en estos momentos a métodos digitales. El presente proyecto consiste en un CD MULTIMEDIA DE SENSORES DE LUZ en el cual está desarrollada toda la información necesaria sobre los mismos de manera que el usuario pueda acceder a ella de forma interactiva sin que éste necesite conocimientos informáticos avanzados. El proyecto está dedicado en su totalidad a facilitar la consulta, búsqueda, asimilación y aprendizaje de cuestiones relacionadas con los sensores electrónicos, de esta manera el ordenador sirve al usuario como instrumento para conseguir estos fines. Para conseguirlo el proyecto se ha apoyado en numerosas imágenes y gráficas que de manera clara y concisa ayudan a que los contenidos se puedan asimilar de forma amena, y haciendo que el aprendizaje sea más sencillo y entretenido. Esto se consigue mediante el uso de herramientas y aplicaciones multimedia como son Macromedia Director, Adobe Freehand, Photoshop,.. que permiten la interactividad, la edición y creación de imágenes y objetos 3D. Dada la importancia que actualmente tiene Internet en nuestras vidas, que éste es conocido universalmente, que cuyo acceso está llegando cada vez a más lugares, y que podemos obtener de él infinidad de información, es casi obligatorio que Internet esté integrado totalmente en el CD MULTIMEDIA. La inclusión de Internet se ha efectuado por medio de enlaces a distintas páginas de las cuales se han recogido imágenes de los distintos sensores y las cuales contienen información sobre los mismos, del mismo modo también se han incluido enlaces a las páginas de los distintos fabricantes de sensores. De este modo podemos hacer un uso simultáneo de ambas herramientas CD e Internet para que el usuario pueda acceder a la información en línea en busca de más conocimientos o apoyo a lo encontrado en el CD. Aunque existe la posibilidad de que dichos enlaces que aparecen en las imágenes o en los logotipos de los fabricantes no permanezcan activos en el momento de la búsqueda. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 4 Con todo lo expuesto lo que realmente se pretende con la realización del CD MULTIMEDIA es conseguir una serie de objetivos entre los que se encuentran: 1. Diseñar contenidos multimedia (sonidos, imágenes…) que resulten atractivos para el espectador. 2. Comprender aspectos básicos sobre el tema del proyecto de manera gráfica. 3. Aprender de forma amena sobre el tema del proyecto. 4. Qué el presente proyecto sirva de método didáctico para completar apuntes. 5. Qué el archivo final tenga un tamaño adecuado para su difusión. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 5 2. ANTECEDENTES El CD MULTIMEDIA es una herramienta innovadora e impactante que actualmente se destaca en el mercado multimedia, ya que permite navegar a través de un ambiente interactivo que contiene textos, imágenes, gráficos, fotos…De esta manera se brinda una imagen moderna al contenido del mismo. Esto se consigue gracias a las numerosas características técnicas y didácticas con las que cuenta el CD MULTIMEDIA: • Gran organización de los contenidos y fácil localización de los mismos a través de menús. • Alta capacidad de almacenamiento de información, imágenes,… en general (archivos) que ocupan un volumen mínimo. • Carácter Interactivo (“diálogo entre usuario y ordenador”). • Facilidad para su adquisición, renovación o actualización. • Muy bajo coste. • Facilidad de transporte • Como dice su nombre “MULTIMEDIA” admite formatos de distintos tipos como pueden ser texto, imagen, fotos, audio… • Impacto ambiental leve. • Eliminación de barreras espaciales y temporales (desde su propia casa, en el trabajo, en un viaje a través de dispositivos móviles, etc.). Debido a esto los CD´S MULTIMEDIA sirven como complemento didáctico óptimo para el aprendizaje, y como elemento de la enseñanza semipresencial o a distancia también denominadas (Blended-Lerning y E-Lerning) donde el usuario puede manejar los horarios, y trabajar en un medio completamente autónomo y que constituye una propuesta de formación que contempla su implementación predominantemente mediante Internet, haciendo uso de los servicios y herramientas que esta tecnología provee. Además los CD´S MULTIMEDIA muestran al usuario la información de manera que ésta capte la atención del mismo mediante un contenido llamativo y ameno, de modo que el usuario pueda asimilarlo de forma más sencilla. Por todo lo anteriormente mencionado el CD debe poder manejarse de forma autónoma por lo que éste debe poder utilizarse en cualquier lugar, con cualquier sistema operativo, y para que esto se lleve a cabo hay que plantearse el tipo de documento que queremos realizar y las herramientas disponibles para la realización del mismo. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 6 Las herramientas disponibles en nuestro caso para la realización del CD MULTIMEDIA se centran en el uso de aplicaciones que permiten a sus usuarios crear sus propios proyectos multimedia con poca o nada de programación, que funcionen con cualquier sistema operativo y sin necesidad de que esté instalada la aplicación principal, y a las que se les denominan en el ámbito informático como “Authoring” o Programas de Autor. Una vez se decide utilizar un programa de autor, hay que decidir cuál de todos los existentes es el idóneo para la realización del CD MULTIMEDIA, en este caso se ha decidido optar por MACROMEDIA DIRECTOR para la realización del cd. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 7 3. POSIBLES SOLUCIONES Al comenzar un proyecto una vez se tiene la documentación del mismo solo queda hacer un estudio previo que consiste en saber cuál será la plataforma para desarrollarlo y las imágenes que servirán de apoyo, en este caso se trata de un CD MULTIMEDIA por lo que se debe estudiar con qué programas actuales podemos realizar el cd y con cuales podemos crear o modificar imágenes. 3.1 DISEÑO DEL CD MULTIMEDIA En el caso del diseño del CD MULTIMEDIA los programas estudiados han sido Flash y Macromedia Director. 3.1.1 FLASH Adobe Flash es una aplicación multimedia usada para aportar animación, vídeo e interactividad. Adobe Flash trabaja sobre "fotogramas", está destinado a la producción y entrega de contenido interactivo para las diferentes audiencias alrededor del mundo sin importar la plataforma. Es actualmente desarrollado y distribuido por Adobe Systems, y utiliza gráficos vectoriales e imágenes ráster, sonido, código de programa, flujo de vídeo y audio bidireccional. En sentido estricto, Flash es el entorno y Flash Player es el programa de máquina virtual utilizado para ejecutar los archivos generados con Flash. Los archivos de Flash, que tienen generalmente la extensión de archivo SWF, pueden aparecer en una página web para ser vista en un navegador, o pueden ser reproducidos independientemente por un reproductor Flash. Los archivos de Flash aparecen muy a menudo como animaciones en páginas Web y sitios Web multimedia, y más recientemente Aplicaciones de Internet Ricas. Son también ampliamente utilizados en anuncios de la web. Originalmente Flash no fue un desarrollo propio de Adobe, sino de una pequeña empresa de desarrollo de nombre FutureWave Software y su nombre original fue FutureSplash Animator. En diciembre de 1996 Macromedia adquiere FutureWave Software, y con ello su programa de animación vectorial que pasa a ser conocido como Flash 1.0. Fue hasta 2005 perteneciente a la empresa Macromedia conocido hasta entonces como Macromedia Flash y adquirido por Adobe Systems (y desde entonces C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 8 conocido como Adobe Flash) ampliando con ello su portafolio de productos dentro del mercado. 3.1.2 MACROMEDIA DIRECTOR Adobe Director es una aplicación de Desarrollo de Software (o Autoría de Software) Multimedia (que inspiró a Adobe Flash® ) destinado para la producción de programas ejecutables ricos en contenido multimedia. Es considerada una de las herramientas más poderosas de integración y programación de medios digitales, debido a su versatilidad de poder incorporar imágenes, audio, vídeo digital, películas flash, y un engine 3D, en una sola aplicación, y manipularlas a través de un lenguaje de programación (Lingo; Javascript). Desarrollado originalmente por la empresa Macromedia, es actualmente distribuído por Adobe Systems Incorporated. Las presentaciones multimedia generadas por Director pueden ser distribuidas a través de diversos medios, como discos digitales CD, DVD o cualquier otro soporte de información binaria pendrives, tarjetas de memoria, discos duros. También permite ser distribuido y ejecutado directamente en plataformas Web gracias al formato Shockwave (creado para esos fines). Con Director también es posible programar una amplia gama de aplicaciones basadas en redes, lo que ha permitido crear innumerables sistemas y juegos multiusuario a través de la red. Director también permite la manipulación de modelos en 3D, gracias a Shockwave 3D. Es así como diversos programas de modelamiento, como 3D Studio MAX (de la empresa Autodesk), permiten exportar sus modelos (incluyendo las animaciones) en formato Shockwave 3D, el que puede ser importado a Director, y manipulado a través de instrucciones. A través de variados Xtras (como Havok), Director también puede manipular propiedades físicas de modelos 3D (como por ejemplo, gravedad, coeficientes de roce, restitución, etc) que permiten lograr simulaciones más realistas, tanto para software de ingeniería avanzada, como para juegos. Además del potente lenguaje incorporado (Lingo), una de sus principales ventajas radica en el uso de los llamados xtras. Se trata de “pequeños programas” (plugins) desarrollados en lenguaje C++ por otros usuarios o terceras empresas, que proporcionan al usuario infinidad de utilidades. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 9 Se pueden generar varios tipos de archivos, sin embargo lo más normal es crear un archivo ejecutable para Windows (.exe) o Macintosh (.app). De esta forma puede verse la presentación en cualquier ordenador, sin tener instalado Adobe Director. Con el lanzamiento de Director 11 y su evolución a la versión 11.5, de la mano de Adobe, se incorporó soporte para DirectX y se extendieron las capacidades en 3D basadas en el engine PhysX de NVIDIA, importación de 3D desde Google SketchUp, así como también filtros de bitmaps, canales de audio 5.1, vídeo en alta definición, soporte para H.264, e integración de Adobe Flash CS3 y Shockwave Player 11. 3.2 DISEÑO DE IMÁGENES En el caso del diseño de imágenes los programas estudiados son Adobe Photoshop y Macromedia Freehand Mx. 3.2.1 ADOBE PHOTOSHOP Adobe Photoshop (Taller de Fotos) es una aplicación informática en forma de taller de pintura y fotografía que trabaja sobre un "lienzo" y que está destinado para la edición, retoque fotográfico y pintura a base de imágenes de mapa de bits (o gráficos rasterizados). Es un producto elaborado por la compañía de software Adobe Systems, inicialmente para computadores Apple pero posteriormente también para plataformas PC con sistema operativo Windows. Photoshop en sus versiones iniciales trabajaba en un espacio bitmap formado por una sola capa, donde se podían aplicar toda una serie de efectos, textos, marcas y tratamientos. En cierto modo tenía mucho parecido con las tradicionalesampliadoras. En la actualidad lo hace con múltiples capas. A medida que ha ido evolucionando el software ha incluido diversas mejoras fundamentales, como la incorporación de un espacio de trabajo multicapa, inclusión de elementos vectoriales, gestión avanzada de color (ICM / ICC), tratamiento extensivo de tipografías, control y retoque de color, efectos creativos, posibilidad de incorporar plugins de terceras compañías, exportación para web entre otros. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 16 La ventana Behaviour (Menu->Window->Inspector->Behaviour) Es un pequeño asistente que nos permite asignar Scripts de Lingo, sin necesidad de escribir el código, sino seleccionando los handlers y las acciones que queramos ejecutar. Más adelante veremos los conceptos de handler y script con mucho más detalle. Utilizar la ventana Behavior no es la forma más limpia de programar en Director, y siempre que podamos, debemos escribir el código nosotros mismos. Esto no es una simple cuestión de estilo, sino que el abuso de los scripts generados en la ventana behavior puede llegar a saturar proyectos medianamente grandes, provocando comportamientos inesperados. Las indicaciones del gráfico, de momento, son lo suficientemente explicativas. Cuando entremos en temas de Lingo, aprenderemos a utilizar los scripts de forma extensa y pormenorizada. La ventana Score (Menu->Window->Score) Director. Sin embargo, una vez que comprendemos sus funciones, y empezamos a hacer nuestros primeros juegos en ella, se va transformando simplemente en una herramienta poderosa y versátil. Debemos entender el Score, como un secuenciador, o una partitura, en donde colocamos todos los elementos de nuestra película. Cuando la cabeza de reproducción comienza, va leyendo todo lo que encuentra, a la velocidad que le hayamos asignado, interpretando y obedeciendo a los scripts que hayamos puesto en su camino y moviendo o mostrando los sprites que hayamos colocado en los canales. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 17 En el gráfico inferior vemos las partes principales de la ventana score. ACTIVIDADES QUE PODEMOS REALIZAR CON MACROMEDIA DIRECTOR Incorporar gráficos en la película En Director podemos importar una serie muy amplia de formatos gráficos, como por ejemplo, GIF, JPEG, PNG, BMP, PICT, etc. A la hora de importar imágenes en Director es muy importante pensar para qué las vamos utilizar, para decidir el formato correcto. Una pantalla de ordenador funcionando a 256 colores corresponde a 8 bits de profundidad de color, una pantalla a miles de colores corresponde a 16 bits, y una pantalla a millones de colores corresponde a 24-32 bits. Si queremos mostrar fotografías de gran calidad podemos optar por 16, 24 ó 32 bits, pero si lo que importamos son imágenes para animación será suficiente importarlas a 8 bits de profundidad de color, de este modo nuestra película ocupará menos memoria y funcionará más rápido. No tiene en absoluto ningún sentido que realicemos una animación con imágenes a 32 bits, porque por un lado nuestra película ocupará demasiado y se arrastrará muy lentamente en un CD-ROM de 4X velocidad, e incluso en CD-ROM de mayor velocidad. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 18 Por eso es conveniente probar las películas directamente en CD antes de distribuirlas para evitarnos sorpresas. Importar gráficos (Menú -> File -> Import). Supongamos que tenemos los gráficos que vamos a introducir en nuestra película preparados en su carpeta o directorio correspondiente. Seleccionamos la opción del menú File -> Import, y obtendremos una ventana similar a la mostrada en la figura siguiente: Si queremos importar un solo archivo, seleccionamos en la parte superior el archivo y pulsamos "IMPORT", de este modo pasaremos a la pantalla siguiente en función del tipo de archivo que hayamos importado. Si queremos importar más de un archivo a la vez, vamos seleccionando los archivos y pulsando el botón "ADD", de este modo los archivos que serán importados se van alineando en la parte inferior, y al pulsar "IMPORT", se importarán todos los archivos que hayan sido pasados a la ventana inferior. Si queremos eliminar algún archivo de la selección, lo seleccionamos en la parte inferior y pulsamos "REMOVE". C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 19 Una vez le hemos dado al botón "IMPORT" y le hemos expresado nuestra conformidad a Director, nos aparece una ventana similar a la siguiente en donde podemos fijar algunos ajustes. Incorporar sonidos a la película Por lo general, en un editor de sonido podemos ajustar la resolución del sonido de igual modo que hacemos con los gráficos en un editor de imágenes. Los principales parámetros que podemos configurar en un sonido son: • Frecuencia de muestreo (Khz). • Número de bits utilizado para codificar cada muestra (resolución). • Mono o estéreo. En Macintosh podemos importar básicamente sonidos AIFF o System 7 Sound, y en la versión 7 de Director también en Formato Sun .au, que es el formato de sonido utilizado por las applets Java. Para ambas plataformas Macintosh y PC el formato de sonido recomendado es AIFF. Así mantendremos la máxima compatibilidad entre las dos plataformas. La frecuencia de muestreo recomendada para el sonido (a ajustar en nuestro editor de sonido preferido), es de 22,050 Khz ó 11,025 Khz. Los sonidos con frecuencia superior a esta, pueden bloquear una película ya que hay que tener en cuenta que por lo general cuando ponemos en una película una animación gráfica y un sonido, estamos obligando al procesador a realizar dos operaciones, una actualizar el gráfico y otra leer y reproducir el archivo de sonido. Cuando desarrollamos una producción multimedia, tenemos que tener en cuenta que este material debe poder reproducirse en sistemas inferiores a aquellos con los que estamos desarrollando la aplicación, como PC´s con procesadores más lentos, menor capacidad de memoria, lector de CD/DVD de menor velocidad, etc. Importar sonidos (Menú –> File -> Import). C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 20 El proceso de importar sonido es exactamente el mismo que a la hora de importar un gráfico, pero el sonido tiene menos peculiaridades en este proceso que los gráficos. Incorporar vídeos a la película A cualquier ordenador le cuesta mucho esfuerzo reproducir video. Con el video digital debemos tener aún más cuidado que con el sonido, ya que aparte de que un vídeo de unos pocos segundos a 320 X 240 pixels ocupa varios megas en el disco duro, la reproducción de este en pantalla es una tarea pesada para cualquier tipo de ordenador. Si el vídeo además tiene sonido, debemos vigilar que el formato del sonido también sea el adecuado, si no queremos que nuestro video vaya a saltos y pierda fotogramas intentando sincronizar la imagen con el sonido. Sobra decir que es tarea imposible intentar reproducir a la vez dos videos con sonido en pantalla a un tiempo y esperar un resultado lejanamente aceptable. Aunque podemos hacer video digital al tamaño que queramos en un programa editor de video, como Adobe Premiere, hay algunos formatos estándares que nos convendrá usar, como el estándar QuickTime (320 X 240 pixels). Este formato es el más grande recomendable a la hora de insertar video en nuestra aplicación multimedia. Importar vídeos (Menú –> File -> Import). Aquí vemos las propiedades del video a las que podemos acceder en la ventana Cast: • Playback: Este es el principal control de la reproducción de vídeo en Director. Sus diferentes opciones son: • Video: Indicamos si queremos que se vea el vídeo en el escenario, o bien sea invisible, pero conservando las propiedades del sonido. • Sound: Indicamos si nuestro vídeo tendrá sonido o no. Es conveniente desactivar esta opción si el vídeo que hemos importado no tiene sonido, así QuickTime no intentará ajustar la imagen a un sonido hipotético, y el vídeo funcionará más fluidamente. • Paused: Con esta opción definimos si el video, por defecto comienza en pausa. Siempre podemos arrancarlo luego con Lingo. • Loop: Con esta propiedad activada el vídeo se reproducirá de forma continua, volviendo al principio cada vez que haya terminado, a no ser que eliminemos esta caracteristica desde Lingo, o volvamos a la ventana Cast para desactivarla. Opciones: • Direct To Stage: Es una propiedad por defecto del video. Normalmente el video nunca deja que otro elemento se ponga sobre él, bien sea texto, un gráfico, etc. Si un gráfico pasa por delante del video, el video se pondrá sobre él de forma que no podremos verlo mientras se encuentre en el ámbito del video. Si C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 21 desactivamos esta opción, el vídeo dejará pasar sobre él a los demás miembros de la película pero, en contrapartida, funcionará a saltos y de forma poco fluida, por lo que no conviene desactivar esta opción. • Show Controler: Nos mostrará la barra de progreso de la película QuickTime, mientras funciona en el escenario. • Video: En este menu tenemos dos opciones: • Sync to Soundtrack, habilita que QuickTime ajuste el sonido a la imagen, de forma que una no vaya más rápido que la otra. • Play Every Frame (No Sound), elimina el sonido del video, caso de tenerlo, e inhabilita el intento de QuickTIme por sincronizar imagen y sonido, con lo que el video irá más fluido en pantalla. 4.2 MACROMEDIA FREEHAND MX Macromedia Freehand se utiliza para el diseño gráfico, dibujo de líneas vectoriales en definitiva es perfecto para la creación de imágenes en el caso de nuestro proyecto. Adobe Photoshop está más enfocado a la edición y retoque de imágenes que en nuestro caso no es necesaria. Por lo tanto la herramienta elegida es MACROMEDIA FREEHAND MX. CARACTERÍSTICAS DE FREEHAND MX • Respecto al flujo de trabajo: Espacio de trabajo de Macromedia MX Reduzca el tiempo de aprendizaje y acelere el desarrollo con la nueva interfaz de usuario fácil de usar de Macromedia MX. Diseñe en un espacio de trabajo integrado y flexible que se comparte con todos los productos de Macromedia Studio MX. Los paneles acoplables se pueden agrupar, contraer o expandir según sea necesario, lo cual brinda un flujo de trabajo ininterrumpido y sumamente configurable. Símbolos gráficos Los símbolos gráficos le permiten racionalizar la creación y actualización de elementos repetitivos en todos sus diseños. Una vez que haya definido un objeto o un grupo como un símbolo, puede colocar una instancia de ese símbolo en cualquier lugar del documento. Cuando se necesiten hacer modificaciones o actualizaciones, simplemente haga cambios al símbolo y se actualizarán todas las instancias automáticamente. Las C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 22 instancias se pueden transformar de forma individual con distintos atributos, tales como efectos, sin romper la relación que tienen con el símbolo principal. Los símbolos se administran desde el panel Biblioteca. Las bibliotecas de símbolos también se pueden compartir entre varios documentos, lo que permite almacenar elementos de uso frecuente, como logotipos o botones de barras de navegación, para usarlos en todos sus diseños. Debido a que sólo se almacena una definición de un gráfico, el uso de símbolos en proyectos de Macromedia Flash MX crea archivos SWF más pequeños que se pueden descargar más rápidamente. Panel Respuestas Utilice el panel Respuestas, que ahora es una característica estándar en todas las aplicaciones de Macromedia MX, para obtener soporte inmediato, sugerencias y otros valiosos recursos que se encuentran en nuestro sitio web, desde la misma aplicación. Paneles acoplables Ahora todos los paneles de FreeHand MX y los cuadros de diálogo no modales comparten un mismo aspecto, funcionamiento y flujo de trabajo que mejora los comportamientos. Los paneles de uso frecuente ahora se pueden acoplar con los conjuntos de paneles estándar para dejarlos abiertos y fuera del área de trabajo, de manea que sea más fácil personalizar la interfaz y hacer que el espacio de trabajo sea más eficiente. Vista suavizada Disfrute de una mejor representación en pantalla predeterminada de objetos vectoriales. FreeHand MX agrega suavizado a los modos de dibujo estándar de Vista previa y Esquema para todos los objetos vectoriales (esta característica no está disponible en Macintosh OS 9.x). Diseñado para Windows XP El soporte nativo para Microsoft Windows XP garantiza la compatibilidad con la última versión de la plataforma de Microsoft. Creado para Mac OS X FreeHand ha sido una aplicación compatible con OS X desde la versión 10 y está totalmente carbonizada para ofrecer soporte nativo para todas la mejoras a la interfaz de usuario de Macintosh OS X. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 23 • Respecto al diseño y producción de varias páginas Paginas maestras Las páginas maestras le ayudan a acelerar el flujo de trabajo de composición y producción, mantener la uniformidad de todo un diseño y revisar elementos comunes de composición en todo un proyecto con un solo cambio. Las páginas maestras sirven igualmente bien en los proyectos de impresión de varias páginas que en otras aplicaciones comunes de composición de página, pero también se pueden usar para los fondos de proyectos de Macromedia Flash MX y las presentaciones con navegación mediante clics para la aprobación del cliente. FreeHand MX le permite definir un número prácticamente ilimitado de páginas maestras en un documento. Las páginas maestras se pueden aplicar o retirar de las páginas en cualquier momento durante el proceso de diseño. Incluso se pueden almacenar en bibliotecas de símbolos y compartir entre varios documentos. Entorno de varias páginas El entorno de varias páginas exclusivo de FreeHand MX le permite realizar una mayor cantidad del diseño y la producción en un solo documento. Ya no tendrá que diseñar las distintas partes de un proyecto en varios documentos de una sola página, que no sólo se tienen que administrar sino también abrir uno por uno. Con la posibilidad de tener varias páginas, puede crear varios conceptos de un diseño para un cliente (o diseños de membrete, sobre y tarjeta de presentación) en el mismo archivo, y así sólo tendrá que enviar un archivo a la impresora. FreeHand MX también ofrece administración de páginas intuitiva, para que pueda racionalizar la producción de cualquier cosa desde guiones para sitios web hasta folletos con gran cantidad de gráficos. Con la herramienta Página, puede trabajar con páginas directamente en el tablero, de la misma manera que lo haría con objetos, y mover, cambiar de tamaño y duplicar páginas sin necesidad de abrir el Inspector de documentos. Herramienta Líneas de conexión Utilice la herramienta Líneas de conexión para asignar rápidamente arquitectura de información, flujos de datos y mapas de sitios. Simplemente arrastre la herramienta para asignar relaciones persistentes entre objetos. Estilos de líneas de conexión Los estilos de líneas de conexión le permiten personalizar completamente el aspecto de las conexiones, además de aplicar rápidamente varios aspectos para que tengan distintos significados en el mapa. Por ejemplo, una conexión sólida podría representar C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 24 el trazado estándar de todo el sitio, mientras que una línea de conexión discontinua podría representar el trazado cuando un usuario no se ha conectado al sitio. • Respecto a las herramientas de diseño intuitivas Herramienta Extrusión Cree aspectos 3D fascinantes sin sacrificar la capacidad de edición de la forma original. Con la nueva herramienta Extrusión, puede extender y modificar las extrusiones. Una vez aplicada la extrusión, tendrá control completo de los atributos, incluidos la profundidad de la extrusión, el punto de fuga y la iluminación. Agregue aún más profundidad y realismo a sus diseños al asignar un punto de fuga compartido a varios objetos extruidos o al agregar un perfil de trazado abierto para darle más forma a una extrusión. Herramienta Borrador Utilice la herramienta Borrador para modificar los trazados de manera más orgánica. Elimine porciones de un objeto vectorial pasando la herramienta Borrador de la misma manera que se borran los pixeles en una aplicación de edición de mapas de bits. Herramienta Fusión La herramienta Fusión aumenta las ya potentes capacidades de fusión de FreeHand MX al proporcionar funciones de fusión de arrastrar y colocar con comentarios automáticos en pantalla. Simplemente arrastre de un objeto a otro para crear fusiones, o modifique fusiones existentes arrastrando de un punto a otro en un objeto fusionado. Herramienta Pluma estándar de Macromedia La herramienta Pluma de FreeHand MX combina los comportamientos estándar de la herramienta Pluma de Macromedia Flash MX y Macromedia Fireworks MX con los comportamientos tradicionales de pluma que conocen los ilustradores con experiencia. La herramienta Pluma ahora también incluye una característica de línea elástica que realiza un vista previa del siguiente segmento de línea a medida que se desplaza la herramienta Pluma dentro del espacio de trabajo. Herramienta Estilo libre Trabaje con trazados de manera directa e intuitiva. La herramienta Estilo libre es sobre todo efectiva para crear formas orgánicas al diseñar un objeto sencillo "de forma libre" , por ejemplo, un círculo o un rectángulo. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 25 Para los principiantes, la herramienta Estilo libre es una manera más sencilla de aprender acerca de los controles Bezier. La herramienta Estilo libre le permite empujar o tirar de cualquier lugar del trazado para cambiarle de forma o utilizar la opción Remodelar área para tener un control más preciso de la parte que se está cambiando de forma. Pinceladas y trazos de aerosol basados en símbolos Logre efectos de ilustración a medida que se puedan actualizar fácilmente. Agregue una instancia o una serie de instancias a lo largo de un trazado y controle su comportamiento. O bien, vaya más allá de un trazado de grosor estándar aplicando un símbolo a un trazado como un solo objeto distorsionado, incluso puede aplicar un aerosol de símbolos al trazado. Aplique pinceladas a cualquier trazado de FreeHand MX para distribuir una instancia del símbolo gráfico en el trazado, ya sea repitiendo las pinceladas o expandiéndolas a lo largo del trazado. Puede controlar el comportamiento de las instancias, además de apilar varias instancias en un trazado. • Respecto al poder de diseño Varios atributos Dele más realce visual a sus diseños e ilustraciones: aplique atributos ilimitados de trazo, relleno y efecto a un solo objeto vectorial o de texto, sin sacrificar la capacidad de edición del objeto base. Con la capacidad de tener varios atributos se elimina la necesidad de apilar duplicados de un objeto para crear un aspecto en particular, lo cual hace que las actualizaciones sean más fáciles y rápidas e incluyan menos objetos. Incluso se pueden crear atributos sobre grupos y símbolos, y así facilitar y acelerar la aplicación de efectos visuales como desenfoques y sombras en secciones enteras de un diseño a la vez. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 32 5. EQUIPO NECESARIO Este CD-MULTIMEDIA DE SENSORES está pensado para trabajar con el sistema operativo que actualmente es el más utilizado, en este caso es Microsoft Windows, ya que se ha creado y desarrollado con Macromedia Director y este programa es compatible con este sistema operativo. Los requerimientos mínimos para la visualización óptima del CD-ROM son: - Procesador Intel Pentium 4 o equivalente a 2GHz (Recomendado 2,4 GHz) - 0,5 GB de memoria RAM (Recomendada 1GB según versión del SO) - Microsoft Windows XP con Service Pack 2, Windows Vista o Windows 7 - 300MB de espacio disponible en el disco duro si se va a producir la copia del CD - Disponibilidad de unidad de CD-ROM/DVD-ROM - Tarjeta gráfica y monitor con una resolución mínima de 800x600 píxeles y 256 colores. Se recomienda para una mejor reproducción del CD MULTIMEDIA copiar el contenido del mismo en el disco duro del ordenador, ya que esto facilitará la lectura de la información. Esta lectura pasará a ser más rápida ya que al cd le cuesta más reaccionar a las acciones iniciadas y de este modo el CD MULTIMEDIA se ejecutará de manera efectiva. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 33 6. ESQUEMA CD INTERACTIVO 1. MENU PRINCIPAL 1.1 SENSORES CAUDAL 1.2 SENSORES DE LUZ 1.2.1 GENERALIDADES Y CUESTIONES TÉCNICAS 1.2.1.1 GENERALIDADES 1.2.1.2 CLASIFICACIÓN 1.2.1.3 CRITERIOS DE SELECCIÓN 1.2.2 TIPOS 1.2.2.1 SENSORES FOTÓNICOS 1.2.2.1.1 SENSORES FOTOVOLTAICOS 1.2.2.1.1.1 SENSORES FOTOVOLTAICOS DE SILICIO 1.2.2.1.1.2 SENSORES FOTOVOLTAICOS DE SELENIO 1.2.2.1.1.3 SENSORES FOTOVOLTAICOS DE GERMANIO 1.2.2.1.1.4 SENSORES FOTOVOLTAICOS DE ARSENIURO DE INDIO 1.2.2.1.1.5 SENSOR FOTOVOLTAICO DE TELURIO 1.2.2.1.1.6 SENSOR FOTOVOLTAICO DE TIPO HETEROUNIÓN 1.2.2.1.2 SENSORES FOTOCONDUCTORES 1.2.2.1.2.1 SENSOR FOTOCONDUCTOR DE SULFURO DE CADMIO 1.2.2.1.2.2 SENSOR FOTOCONDUCTOR DE SULFURO DE PLOMO 1.2.2.1.2.3 SENSOR FOTOCONDUCTOR DE GERMANIO DOPADO CON ORO 1.2.2.1.3 SENSORES DE UNIÓN FOTOCONDUCTORA 1.2.2.1.3.1 FOTODIODOS UNIÓN P-N 1.2.2.1.3.2 FOTODIODOS AVALANCHA (APD) 1.2.2.1.3.3 FOTODIODOS P-I-N 1.2.2.1.3.4 FOTOTRANSISTORES 1.2.2.1.4 SENSORES FOTOEMISIVOS 1.2.2.1.4.1 FOTOTUBOS 1.2.2.1.4.2 FOTOMULTIPLICADORES 1.2.2.1.4.2.1 FOTOMULTIPLICADORES SIDE-ON 1.2.2.1.4.2.2 FOTOMULTIPLICADORES HEAD-ON C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 34 1.2.2.1.5 SENSORES FOTOELECTROMAGNÉTICOS 1.2.2.2 SENSORES TÉRMICOS 1.2.2.2.1 SENSORES TERMOELÉCTRICOS 1.2.2.2.1.1 TERMOPILAS 1.2.2.2.1.2 TERMOPARES 1.2.2.2.2 SENSORES BOLOMÉTRICOS 1.2.2.2.3 SENSORES PIROELÉCTRICOS 1.2.2.2.4 SENSORES TIPO GOLAY 1.2.3 FABRICANTES 1.2.4 CRÉDITOS 1.2.5 GLOSARIO DE TÉRMINOS C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 35 7. DESCRIPCIÓN DE LAS PANTALLAS 7.1 PANTALLA INICIAL: Pantalla de inicio del CD Multimedia en la que aparece el título general. Al cliquear sobre el título se accede a la siguiente pantalla. 7.2 PANTALLA PRINCIPAL DE LOS GRANDES TIPOS DE SENSORES Pantalla donde se muestran los dos grandes tipos de sensores: SENSORES DE CAUDAL y SENSORES DE LUZ. Al cliquear sobre el título de cada uno se accede al menú principal. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 36 7.3 PANTALLA MENÚ PRINCIPAL Pantalla en la que se muestran los apartados de: Generalidades y Cuestiones técnicas, Tipos, Frabricantes y Créditos. Al cliquear sobre los títulos se accede a los menús de cada apartado. 7.4 PANTALLA GENERALIDADES Y CUESTIONES TÉCNICAS Pantalla en la que se muestran los apartados de: Generalidades, Clasificación y Criterios de selección. Al cliquear sobre los títulos se accede al contenido de los mismos. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 37 7.5 PANTALLA GENERALIDADES Pantalla a la que se accede tras cliquear el título GENERALIDADES de la PANTALLA GENERALIDADES Y CUESTIONES TÉCNICAS. En esta pantalla se muestra la documentación general de los Sensores de Luz. En el lateral izquierdo se muestra un menú donde se puede acceder a CLASIFICACIÓN Y CRITERIOS DE SELECCIÓN. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 38 7.6 PANTALLA CLASIFICACIÓN Pantalla a la que se accede tras cliquear en el título CLASIFICACIÓN de la PANTALLA DE GENERALIDADES Y CUESTIONES TÉCNICAS. En esta pantalla se muestra una clasificación total y particular de todos los sensores desarrollados en el proyecto. En el lateral izquierdo se muestra un menú donde se puede acceder a GENERALIDADES Y CRITERIOS DE SELECCIÓN C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 39 7.7 PANTALLA CRITERIOS DE SELECCIÓN Pantalla a la que se accede tras cliquear el título CRITERIOS DE SELECCIÓN de la PANTALLA GENERALIDADES Y CUESTIONES TÉCNICAS. En esta pantalla se muestra una tabla en la que se clasifican los sensores y se muestran los distintos parámetros que comparten cada uno de ellos y los hacen diferenciarse. En la parte superior debajo del título se muestra un menú donde se puede acceder a GENERALIDADES Y CLASIFICACIÓN. 7.8 PANTALLA GRANDES TIPOS Pantalla a la que se accede tras cliquear en el título TIPOS de la PANTALLA MENÚ PRINCIPAL. En esta pantalla se muestran los dos grandes grupos de tipos de sensores de luz cliqueando sobre los títulos. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 40 7.9 PANTALLA MENÚ SENSOR PRINCIPAL Pantalla a la que se accede en este caso tras cliquear en el título SENSORES FOTÓNICOS de la PANTALLA GRANDES TIPOS. En esta pantalla se muestran los diferentes tipos de sensores que componen el grupo de Sensores Fotónicos. (Lo mismo ocurriría si cliqueáramos en el título SENSORES TÉRMICOS, en este caso se mostrarían los diferentes tipos de sensores que componen este grupo). C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 41 7.10 PANTALLA SUBGRUPOS SENSORES Pantalla a la que se accede a través de la PANTALLA MENÚ SENSOR PRINCIPAL. En esta pantalla se muestran la información general del tipo de sensor así como los subgrupos del mismo y a los que se puede acceder cliqueando sobre su título correspondiente. Del mismo modo se puede cliquear sobre el título de los sensores principales para ir a la pantalla respectiva de dicho sensor. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 48 • Radiación: Ejemplos: intensidad, longitud de onda, polarización, fase, reflactancia, transmitancia, índice de refractancia. • Química: Ejemplos: composición, concentración, oxidación/potencial de reducción, porcentaje de reacción, PH. Atendiendo al tipo de señal entregada por el sensor: • Sensores análogos. La gran mayoría de sensores entregan su señal de manera continua en el tiempo. Son ejemplo de ellos los sensores generadores de señal y los sensores de parámetros variables. • Sensores digitales. Son dispositivos cuya salida es de carácter discreto. Son ejemplos de este tipo de sensores: codificadores de posición, codificadores incrementales, codificadores absolutos, los sensores autoresonantes (resonadores de cuarzo, galgas acústicas, cilindros vibrantes, de ondas superficiales (SAW), caudalímetros de vórtices digitales), entre otros. Atendiendo a la naturaleza de la señal eléctrica generada: Los sensores dependiendo de la naturaleza de la señal generada pueden ser clasificados en: • Sensores pasivos: Son aquellos que generan señales representativas de las magnitudes a medir por intermedio de una fuente auxiliar. Ejemplo: sensores de parámetros variables (de resistencia variable, de capacidad variable, de inductancia variable). • Sensores activos o generadores de señal: Son aquellos que generan señales representativas de las magnitudes a medir en forma autónoma, sin requerir de fuente alguna de alimentación. Ejemplo: sensores piezoeléctricos, fotovoltaicos, termoeléctricos, electroquímicos, magnetoeléctricos. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 49 8.3 SENSORES DE LUZ GENERALIDADES El Detector Fotoeléctrico es un detector de luz, que se fundamenta en: • La Óptica para el caso de la detección. • Y la Electrónica para el control. Para el estudio de los sensores de luz nos basaremos en dos teorías: • Teoría Ondulatoria. • Teoría Corpuscular. TEORÍA ONDULATORIA La luz es una forma de energía radiante, una radiación electromagnética que se propaga por el espacio en línea recta con vibraciones que tienen forma senoidal. Senoide: Figura.1 A= Amplitud λ = Longitud de onda La frecuencia de la luz se relaciona con la longitud de onda y la velocidad de la luz (3x 10 10 cm/s) en el vacío: ν = (3 x 10 10 ) / λ C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 50 Generalmente se considera como luz aquella porción del espectro electromagnético que se encuentra entre los 10 y 10 6 nm, aunque realmente la parte visible sea la comprendida entre los 380nm y 780nm. La banda comprendida entre los 10 y 380nm se denomina radiación ultravioleta (UV), y la banda entre los 780 y 1060nm radiación infrarroja (IR). ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Figura.2 La teoría ondulatoria da respuesta a los fenómenos de: • Reflexión • Refracción Violeta Rojo Azul - Verdoso Verde Amarillo - Verdoso Amarillo Amarillo-anaranjado Naranja Azul UV IR 400nm 490nm 550nm 580nm 620nm 750nm Longitudes de onda en nm LUZ VISIBLE RAYOS X RAYOS UV INFRARROJOS C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 51 LA REFLEXIÓN Cuando un rayo de luz choca contra un espejo, experimenta un cambio de dirección, es decir SE REFLEJA.  La reflexión siempre se produce sobre una superficie pulida de apariencia brillante (ej. espejo).  El rayo incidente, el rayo reflejado y la recta normal, deben estar en el mismo plano (mismo medio).  El ángulo del rayo incidente I es igual al ángulo del rayo reflejado R. Figura.3 LA REFRACCIÓN Cuando la luz pasa de un medio a otro, experimenta un cambio de dirección, es decir SE REFRACTA. • Sólo se produce cuando la luz pasa de un medio a otro. (ej. Aire a agua) • El ángulo entre el rayo incidente I y la superficie de separación ha de ser diferente de 90 o . • N1 x sen I = N2 x sen R siendo N1 y N2 los índices de refracción de las correspondientes sustancias (aire y agua). Figura.4 I R I R aire agua aire espejo Recta normal Recta normal C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 52 TEORÍA CORPUSCULAR • La luz está compuesta de partículas de energía (fotones) que se desplazan por el espacio. • Esto explica los efectos de intercambio de energía entre las radiaciones luminosas y la materia… el EFECTO FOTOELÉCTRICO. La energía de un fotón viene dada por la expresión: E = h x ν donde : E = Energía de un fotón h = Constante de Planck = 6.626 x 10 -34 J.s ν = Frecuencia La mayoría de los objetos los vemos gracias a la luz que reflejan, pero a temperaturas suficientemente elevadas los cuerpos se vuelven autoluminosos. Es el caso del filamento de una lámpara de incandescencia (Figura 5). Figura.5 Imagen tomada de http://www.simiologia.com/del-foco-a-las-estrellas/ La radiación emitida de esta manera se conoce como radiación térmica. El espectro de la radiación térmica de un cuerpo sólido caliente es continuo, siendo mayor la radiación que emite cuanto mayor es su temperatura; además la longitud de onda de aquella radiación emitida más intensamente va descendiendo al aumentar la temperatura. Esto se comprueba al observar el cambio de color de un cuerpo caliente, que pasa del rojo oscuro al amarillo-naranja conforme aumenta su temperatura. Esta característica nos permite calcular la temperatura de un cuerpo caliente a partir de la radiación que emite. El ojo humano ve principalmente el color, que corresponde a la emisión más intensa en la región visible (Figura.2). De todo lo visto anteriormente se llega a la conclusión de que los sensores que más adelante desarrollaremos (sensores de luz) puedan clasificarse en sensores fotónicos y sensores térmicos. Ahora estudiaremos la parte global de la que forma parte el sensor de luz, el detector fotoeléctrico. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 53 DETECTOR FOTOELÉCTRICO Una vez establecida las dos teorías vamos a tratar al detector Fotoeléctrico, el cual consta de tres partes: 1. Etapa de DETECCIÓN 2. Etapa de TRATAMIENTO DE LA SEÑAL 3. Etapa de SALIDA 1. La ETAPA DE DETECCIÓN consta de tres elementos: • Elemento EMISOR • Elemento RECEPTOR • Elemento OPTICO El elemento EMISOR transforma una señal eléctrica en una señal luminosa que puede ser visible o no, la cual será emitida hacia el receptor, el reflector o el objeto. Los emisores de luz más usuales son: • Lámpara incandescente • Diodo LED • Láser El elemento RECEPTOR capta la señal luminosa procedente del elemento emisor y la transmite a la etapa de tratamiento de señal. Los elementos receptores son los sensores de luz que se clasifican y se desarrollan en el presente proyecto. El elemento ÓPTICO concentra el haz luminoso procedente del elemento emisor para que este sea aprovechado por el elemento receptor, esto se realiza por medio de lentes. Las lentes son cualquier medio transparente limitado por dos superficies donde una de ellas, como mínimo, NO es plana. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 54 TIPOS DE LENTES • Lentes Convergentes  Las lentes convergentes son más gruesas por el centro que por el borde.  Hacen converger en un punto llamado punto focal todos los rayos de luz.  Es la más utilizada en optoelectrónica Figura.6 • Lentes Divergentes  Las lentes divergentes son más gruesas por los bordes que por el centro.  Separan los rayos de luz que las atraviesan.  Si miramos por una lente divergente da la sensación de que los rayos proceden de un punto F (foco virtual). Figura.7 2. La ETAPA DE TRATAMIENTO DE LA SEÑAL reconoce la señal captada por la etapa de detección y la amplifica para que ésta sea tratada por la etapa de salida. 3. La ETAPA DE SALIDA se encarga que la señal amplificada que llega de la anterior etapa pueda ser utilizada por el resto de elementos que formen parte del sistema global. Punto focal Foco virtual C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 55 TIPOS DE SALIDA • Salida por RELÉ • Salida por TRANSISTOR • Salida por TRIAC • Salida ANALÓGICA SISTEMAS DE DETECCIÓN Una de las numerosas aplicaciones de los detectores fotoeléctricos consiste en formar parte de un sistema de detección de objetos. Existen diversos tipos de sistemas de detección entre los que se encuentran:  SISTEMA BARRERA  SISTEMA REFLEX  SISTEMA PROXIMIDAD  SISTEMA REFLEX POLARIZADO  SISTEMA PROXIMIDAD CON BORRADO DEL PLANO POSTERIOR  FIBRA ÓPTICA  Y OTROS EQUIPOS ESPECIALES El SISTEMA BARRERA consiste en: Figura.8 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES  Es un sistema de gran alcance.  La detección es precisa.  Y se puede utilizar en ambientes difíciles. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 56 El SISTEMA REFLEX consiste en: Figura.9 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES  La instalación es sencilla.  La Distancia de Detección media es de ≤ 10 m.  El sistema es NO apto para objetos reflectantes. CARACTERÍSTICAS DEL REFLECTOR  Se utiliza siempre en Sistemas Reflex.  Su misión consiste en reflejar cualquier rayo luminoso incidente I, en la misma dirección. (Figura.10)  α es el ángulo formado entre el rayo incidente I y una línea imaginaria perperdincular al triedro. (Figura.10)  Está formado por múltiples triedros trirectángulos que reflejan al 100% la luz. (Figura.10) Figura.10 α Rayo incidente I Rayo reflejado R Triedro trirectángulo C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 57  El reflector ha de ser adecuado al tamaño del objeto. En el caso de la Figura.11 el objeto es percibido por el detector fotoeléctrico provocando que el rayo de luz procedente del emisor no llegue al reflector, al tratarse de un objeto no reflectante éste no reflejara rayo alguno hacia el receptor del detector fotoeléctrico por lo que se realiza una detección adecuada. Figura.11  En el caso de la Figura.12 el tamaño del objeto no es el adecuado debido a que el rayo emitido consigue llegar al reflector donde será reflejado hacia el receptor y por lo tanto no se producirá detección alguna. Figura.12  La elección del reflector ha de estar de acuerdo con el alcance (distancia en metros) necesario para una correcta detección.  Para distancias cortas el reflector ha de ser de grandes triedros. Como se observa en la Figura.13 en el detector de la izquierda el rayo emitido será reflejado hacia el receptor debido al gran tamaño de los triedros, lo contrario ocurre en el detector de la derecha en el que el rayo emitido no podrá ser recibido en ningún momento por el receptor. Objeto no reflectante C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 64 D ∗ = SN  (A×∆f) 9 : W A = Área sensible del dispositivo sensor, cm 2 W= valor eficaz de la potencia radiante incidente en el área sensible, w. Se expresa normalmente como D*(λ, fc , ∆5)= cm.Hz 1/2 .W -1 , es decir el valor de D* viene dado a una longitud de onda especificada (λ), frecuencia de troceado de test (f c ) y ancho de banda de ruido equivalente (∆5). CLASIFICACIÓN MÁS GENERAL DE LOS SENSORES DE LUZ Los sensores de luz que proporcionan una salida eléctrica en respuesta a una radiación electromagnética incidente se pueden clasificar en dos categorías que estudiaremos con mayor profundidad en el presente proyecto: • Sensores fotónicos: cuya respuesta depende de los efectos producidos cuando un fotón de radiación incidente actúa sobre los electrones de material sensor. • Sensores térmicos: cuya respuesta depende de la energía radiante total y que se utilizan principalmente como sensores IR. 8.3.1 SENSORES FOTÓNICOS 8.3.1.1 SENSORES FOTOVOLTAICOS INTRODUCCIÓN Los sensores fotovoltaicos son autogeneradores; no necesitan una excitación exterior. Su tensión de salida es una función de la intensidad luminosa que incide sobre la superficie de una unión PN. Existen diferentes tipos de sensores fotovoltaicos entre los que se encuentran los de silicio, selenio…, con una unión p-n como barrera de potencial y cuya respuesta espectral corresponde a la región visible y de infrarrojo cercano. Para la región de infrarrojo lejano se fabrican con otro tipo de materiales. Los sensores fotovoltaicos se desarrollan mediante la unión de un semiconductor tipo N, excedentario de electrones, con un semiconductor de tipo P, excedentario en huecos, que provoca la aparición de una corriente de difusión de portadores. Donde: C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 65 n no = nivel de electrones en la zona N en condiciones de equilibrio (elect/cm 3 ) p no = nivel de huecos en la zona N en condiciones de equilibrio (elect/cm 3 ) n po = nivel de electrones en la zona P en condiciones de equilibrio (elect/cm 3 ) p po = nivel de huecos en la zona P en condiciones de equilibrio (elect/cm 3 ) n i = concentración intrínseca de portadores por cm 3 Para un semiconductor en equilibrio se cumple: n no p no = n i2 n po p po = n i2 p po > p no n no > n po Figura.1 Unión PN en equilibrio Esta diferencia entre concentraciones de portadores conlleva la creación de una corriente de difusión en la zona de transición, los portadores mayoritarios de cada región se difunden hacia la otra. Como consecuencia de la redistribución de carga, aparece un campo eléctrico en la zona de transición (capa de carga espacial) cuyo sentido es de N a P, provocando una corriente de arrastre que equilibra la corriente de difusión. Si esta unión la polarizamos en directa, aplicamos mayor potencial en P que en N, aumentamos los efectos de difusión. La ecuación V-I para la unión PN es la siguiente: I= I s ;< =.? ∩.A.B −1C C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 66 donde: q = Valor absoluto de la carga del electrón (1,6 10 -19 ) = Factor corrector T = Temperatura absoluta V = Tensión aplicada en la unión K = Constante de Boltzmann (1.3806 10 -23 J/K) I s = Intensidad de saturación La forma más común de operación de la unión pn es el funcionamiento como célula, en este caso se cortocircuitan los extremos de la unión PN, o se conecta entre sus extremos una pequeña carga (Figura.2). De este modo se provoca una circulación de corriente debido al campo eléctrico existente en la zona de transición, de huecos de la zona N hacia la zona P y viceversa. La unión pn actúa así como un generador de corriente, transformando la energía radiante (hν) en energía eléctrica. La expresión de la intensidad será: I = I s ;< =.? ∩.D.BEFG(HIJHK)LM −1C+ F HO −P Q donde: R L = carga conectada en serie R p y R s = resistencias internas I f = fotocorriente I f = R.S F .TU1− VWXY.Z 9J[Y.\] ^ donde: q = valor absoluto de la carga del electrón (1.6 10 -19 C) E v = iluminancia (lm/m 2 =lx) S =Superficie sensible del fotodiodo w = anchura de la zona de transición L p = distancia de difusión de los huecos en la zona N α ϒ = absorbancia espectral C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 67 Si R L =0, R s ≈0, entonces V=0 por lo tanto I cc = -I f Figura.2 Operación como célula En muchas ocasiones estas células que suelen proveer unos 0,5 volt cada una pueden conectarse formando lo que se denomina paneles tanto en serie como en paralelo. Si la conexión se produce en serie incrementan el voltaje ya que se suma el voltaje individual de cada una de las fotocélulas. Si se conectan en paralelo el voltaje se mantendrá constante al de una célula pero incrementará el amperaje. 8.3.1.1.1 SENSORES FOTOVOLTAICOS DE SILICIO También denominado célula de silicio utiliza la unión entre un cristal de silicio tipo p y uno de tipo n, produciendo una corriente a la salida proporcional a la iluminación incidente. Un diseño típico de una célula de silicio consiste en una rebanada de silicio (tipo n) dopada con arsenio y de 0,5mm de espesor, con boro difundido sobre su superficie superior para crear una capa, transparente a la luz, de silicio tipo p. h ν R L Semiconductor tipo P Unión Semiconductor tipo N C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 68 1) Electrodos negativos 2) Electrodos positivos 3) Silicio tipo n 4) Silicio tipo p 5) Capa límite Figura.1 Imagen tomada de http://www.renewables-made-in-germany.com/index.php?id=18&L=2 En función del material utilizado para su fabricación, podemos hablar de distintos tipos de células. Según esto se dividen en tres tipos principalmente: • Células Monocristalinas: las cuales se componen de secciones de un único cristal de silicio.(Figura.2) Ventajas:  Buen rendimiento de 14% al 16%  Número de fabricantes elevado. Inconvenientes:  Coste elevado • Células Policristalinas: están formadas por pequeñas partículas cristalizadas, se basan en secciones de una barra de silicio que se ha estructurado desordenadamente en forma de pequeños cristales. Visualmente son reconocibles por tener su superficie un aspecto granulado.(Figura.3) Ventajas:  Células cuadradas (con bordes redondeados en el caso de Si monocristalino) que permite un mejor funcionamiento en un módulo.  Eficiencia de conversión óptima, alrededor de 100 Wp/m², pero un poco menor que en el monocristalino. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 69  Lingote más barato de producir que el monocristalino. Inconvenientes:  Bajo rendimiento en condiciones de iluminación baja. • Células amorfas: El silicio durante su transformación, produce un gas que se proyecta sobre una lámina de vidrio. La celda es gris muy oscuro. Es la célula de las calculadoras y relojes llamados «solares». Estás células fueron las primeras en ser manufacturadas, ya que se podían emplear los mismos métodos de fabricación de diodos.(Figura.4) Ventajas:  Funciona con una luz difusa baja (incluso en días nublados).  Un poco menos costosa que otras tecnologías.  Integración sobre soporte flexible o rígido. Inconvenientes:  Rendimiento a pleno sol bajo, del 5% al 7%.  Rendimiento decreciente con el tiempo (~7%). Otra diferencia entres ellas es su rendimiento, es decir, que porcentaje de radiación solar es transformado en energía eléctrica. En el caso de las células monocristalinas y policristalinas no existe gran diferencia de rendimiento entre ellas, siendo mayor el rendimiento cuanto mayores son los cristales, por el contrario al tener mayor tamaño la célula, también es mayor su grosor, su peso, y por añadidura, su coste. Sin embargo el rendimiento de las células cristalizadas es mayor que las de silicio amorfo. Figura. 2 Célula de silicio monocristalino. Imagen tomada de http://www.directindustry.es/prod/boschsolar-energy-ag/celda-solar-fotovoltaica-monocristalina-54351-353990.html C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 70 Figura.3 Célula de silicio policristalino. Imagen tomada de http://www.directindustry.es/prod/boschsolar-energy-ag/celda-solar-fotovoltaica-policristalina-54351-354510.html Figura.4 Célula de silicio amorfo. Imagen tomada de http://www.directindustry.es/prod/bosch-solar- energy-ag/modulo-fotovoltaico-de-capas-delgadas-de-silicio-54351-411506.html Otro concepto importante en la estructura de una célula fotovoltaica ya se trate de una célula de silicio como de otro elemento, es el concepto que hace referencia a lo que llamamos malla de metalización frontal. Los contactos metálicos (electrodos) superficiales son necesarios para extraer la corriente eléctrica de la célula. El metal es un material opaco a la luz, en consecuencia, al menos el contacto frontal (el del lado de la célula expuesta directamente al Sol) no puede recubrir completamente la superficie de la célula. (Figura.1) Puede pensarse entonces que el contacto frontal debe ser lo más pequeño (en superficie) posible, pero si se hace excesivamente pequeño la resistencia serie R s , aumenta y esto significa una pérdida de eficiencia de la célula. Así pues ha de llegarse a una solución de compromiso para que la superficie del contacto frontal sea lo suficientemente baja para permitir el paso de la luz del Sol y lo suficientemente alta para que la resistencia serie de la célula sea tolerable. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 71 Gráfica (Sensibilidad relativa (%), longitud de onda (λ)) Figura.5 Aplicaciones: (comunes a los demás tipos de sensores fotovoltaicos) Telecomunicaciones: Repetidores de televisión, equipos de radio, antenas de telefonía móvil, etc. Señalización: La señalización marítima y terrestre es una de las grandes aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos. Así son numerosos los ejemplos en balizamiento de aeropuertos, señalización de carreteras y puertos, etc. Zonas protegidas: En parajes naturales, donde por motivos de protección ambiental se recomienda no instalar tendidos eléctricos aéreos, en ocasiones, resulta más rentable utilizar sistemas fotovoltaicos en lugar de tendidos subterráneos o grupos electrógenos que utilizan combustibles fósiles. Electrificación de viviendas aisladas: La distancia del punto de consumo a la red eléctrica puede hacer, en muchos casos, más rentable esta aplicación debido al coste de instalar el tendido eléctrico. Alumbrado de calles y carreteras: La posibilidad de utilizar sistemas de iluminación autónomos de fácil instalación y mínima obra civil hace que sea una solución adecuada en muchas ocasiones. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 72 Otras aplicaciones: (también comunes a los demás tipos de sensores fotovoltaicos) Centrales conectadas a red con subvención a la producción Instalaciones médicas en áreas rurales. Corriente eléctrica para casas de campo. Sistemas de comunicaciones de emergencia. Sistemas de vigilancia de datos ambientales y de calidad del agua. Bombeo para sistemas de riego, agua potable en áreas rurales y abrevaderos para el ganado. Sistemas de protección catódica. Sistemas de desalinización. Vehículos de recreo. Señalización ferroviaria. Sistemas para cargar los acumuladores de barcos. Fuente de energía para naves espaciales. Postes SOS (Teléfonos de emergencia de carretera). Parquímetros. Recarga de Scooters Eléctricos 8.3.1.1.2 SENSORES FOTOVOLTAICOS DE SELENIO También denominado célula de selenio utiliza la unión entre un cristal de selenio tipo p y óxido de cadmio de tipo n, produciendo una corriente a la salida proporcional a la iluminación incidente. Un diseño típico consiste en una capa policristalina de selenio de alrededor de 75 µm de espesor que se deposita sobre una armadura de base metálica (por ejemplo hierro). Se deposita al vacío una capa de cadmio sobre el selenio, de manera que el cadmio en contacto con el selenio se encuentra oxidado. Entonces se provoca el crecimiento de la región de unión, consistente en una capa gradiente de seleniuro de cadmio y óxido de cadmio. La película de cadmio así como la unión son casi transparentes a la luz. A baja temperatura se deposita una aleación de alta conductividad (por ejemplo plata) en forma de línea o anillo sobre la superficie activa utilizándose como electrodo. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 73 9. 10. Figura.1 La corriente de salida depende de la resistencia de carga, así como de la iluminación, sin embargo, la dependencia con la resistencia de carga no es tan grande en estos diseños como lo es para la mayoría de los otros diseños. En algunos diseños especiales la relación de repuesta espectral entre el azul y el rojo queda aumentada, con un costo de eficiencia global, mediante la evaporación de un electrodo transparente de oro sobre la unión. Gráfica (Sensibilidad relativa (%), longitud de onda (λ)) Figura.2 Película conductora transparente Contacto metálico Selenio tipo p Unión Óxido de cadmio tipo n Anillo (electrodo) + - C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 80 Como se ha explicado anteriormente la resistencia de un fotoconductor disminuye con la luz, de ahí la apariencia contraria en la figura entre los tiempos de subida y de caída. El tiempo de caída es considerablemente más largo porque lleva más tiempo a los electrones en volver a la banda de valencia, debido a las imperfecciones cristalinas. Los tiempos de subida y de caída son una de las características que producen más desventajas en el funcionamiento del fotoconductor. Figura.2 Velocidad de respuesta de un fotoconductor Los sensores fotoconductores resistivos tienen diversas ventajas: • Alta sensibilidad (debido a la gran superficie). • Fácil empleo. • Bajo costo. • No hay potencial de unión. • Alta relación resistencia luz-oscuridad. Sus inconvenientes son: • Respuesta espectral estrecha. • Efectos de histéresis. • Estabilidad por temperatura baja para los materiales más rápidos. • Respuesta lenta en materiales estables. • Falta de linealidad entre resistencia e iluminación. Resistencia del fotoconductor Sin luz Con luz Tiempo Tiempo de caída Tiempo de subida C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 81 Los materiales utilizados como elemento fotoconductor son: • En el espectro visible.  Sulfuro de Cadmio CdS.  Seleniuro de Cadmio CdSe. • En el espectro infrarrojo.  Silicio Si.  Sulfuro de Plomo PbS.  Seleniuro de Plomo PbSe.  Germanio dopado con oro Ge (Au). 8.3.1.2.1 SENSOR FOTOCONDUCTOR DE SULFURO DE CADMIO Y SELENIURO DE CADMIO Los sensores fotoconductores de Sulfuro de Cadmio (CdS) y Seleniuro de Cadmio (CdSe) son los más populares debido a que su respuesta espectral se encuentra centrada en la región de luz visible, y por su alta sensibilidad a cambios de nivel de iluminación. Su agudo pico de respuesta espectral realza su utilización en colorimetría. La gama de resistencias de este tipo de fotoconductores es muy amplia variando entre cientos de Ω con luz brillante hasta MΩ en la oscuridad. La relación entre la iluminación y la resistencia generalmente no es lineal y esta no linealidad se acentúa al aumentar la iluminación (Figura.2). Figura.1 Imagen tomada de http://www.hardmodding.net/smf/electronicaaplicada/fotorresistencia-by- zo1gr3z/ El coeficiente de temperatura de la resistencia es mayor en los CdSe que en los CdS y la polaridad de los coeficientes es usualmente negativa para los CdS y positiva para los CdSe. Los coeficientes varían también con una función inversa del nivel de luz. Los tiempos de respuesta son nuevamente más cortos para el CdSe que para el CdS y decrecen al aumentar los niveles de iluminación. Para una iluminación de 10 lx (lux) los tiempos de subida típicos están entre 35 y 150ms para el CdS y entre 25 y 90ms para el C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 82 CdSe. La geometría del área activa en algunos casos es rectangular, aunque es más usual que tengan formas redondeadas especiales obtenidas mediante técnicas de evaporación, que proporcionan un área activa mucho mayor para un mismo tamaño de sensor. Figura.2 Variación de la resistencia en función de la intensidad luminosa Gráfica (Sensibilidad relativa (%), longitud de onda (λ)) Figura.3 R ( Ω ) I(luminosa) R=f (Intensidad luminosa) C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 83 Aplicaciones: Figura.4 a) Medidor de luz usando un fotoconductor; b) Circuitos divisores de tensión fotosensibles; c) Circuito conversión luz-tiempo. En la Figura 4 se muestran dos aplicaciones de las más simples de un fotorresistor. Seleccionando la tensión apropiada de la batería (V1) , el fotorresistor, el instrumento de medida, y los shunt, puede medirse un amplio margen de nivel de luz. Reemplazando un extremo de un simple divisor de tensión por un fotorresistor se obtiene una tensión dependiente de la luz, como muestra la Figura.4 aptdo b). Como ejemplo de la sensibilidad de estos fotorresistores, considérese el circuito de la izquierda de la Figura.4 aptdo b) con R 1 = 10 kΩ y un fotorresistor. Si se sustituye el resistor fijo por un condensador, como muestra la Figura.4 aptdo c) su promedio de carga será proporcional a la radiación incidente. Por ejemplo, si se suponen el mismo fotorresistor y las mismas condiciones de luz del caso anterior, la constante de tiempo RC variará dependiendo de la luz incidente. λ R1 R2 λ Vsal Vsal R1 R 2 λ Vsal λ C1 0,22 µ F a) b) c) C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 84 Figura.5 Regulador de voltaje Imagen tomada de: http://www.itlalaguna.edu.mx/Academico/Carreras/electronica/opteca/OPTOPDF2_archivos/UNIDAD2 TEMA2.PDF La Figura.5 nos muestra un regulador de voltaje en el cual al disminuir Vi baja la intensidad de la lámpara L1 aumentando con esto el valor de la fotorresistencia, incrementándose el valor de Vo compensándose la disminución de Vi. Si aumenta Vi baja el valor de la fotorresistencia disminuyendo Vo. V ଴ = V ୧ R ଶ R ଵ + R ଶ Figura.6 Interruptores de crepúsculo Imagen tomada de: http://www.itlalaguna.edu.mx/Academico/Carreras/electronica/opteca/OPTOPDF2_archivos/UNIDAD2 TEMA2.PDF La Figura.6 muestra dos circuitos de interruptor de crepúsculo (control de iluminación), Cuando la radiación luminosa es intensa el valor de la fotorresistencia es pequeño de tal modo que el DIAC está apagado y por lo tanto el TRIAC y la lámpara también lo están, al oscurecer el valor de la fotorresistencia va incrementando la tensión en extremos del DIAC haciendo que se ponga a ON el DIAC disparándose así el TRIAC pasando corriente por él y encendiéndose la lámpara. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 85 8.3.1.2.2 SENSOR FOTOCONDUCTOR DE SULFURO DE PLOMO Y SELENIURO DE PLOMO Los sensores fotoconductores de Sulfuro de Plomo (PbS) y Seleniuro de Plomo (PbSe) son los más utilizados para trabajar en la región espectral del infrarrojo cercano. El PbS trabaja entre 1 y 3µm y el PbSe entre 1 y 4,5µm a temperatura ambiente. Si nos encontramos a (77 °K) la respuesta espectral cambia, para el PbS se encuentra entre 1 y 4,5 µm y para el PbSe entre 1 y 5,5µm. Otras diferencias entre el PbS y el PbSe son la capacidad de detección, las constantes de tiempo y la resistencia que presenta cada uno; en el caso del PbS éste tiene una mejor capacidad de detección pero en cambio las constantes de tiempo son sustancialmente más cortas para el material PbSe (entre 1 y 5µs para el PbSe y entre 40 y 1000µs para el PbS, a temperatura ambiente). Las constantes de tiempo aumentan al disminuir la temperatura del elemento sensor por lo tanto para una temperatura de 77°K las constantes de tiempo aumentarán a 5000µs para el PbS y a 80µs para el PbSe. La resistencia que presenta el PbS varía de 0,1 a 10MΩ en la oscuridad. Gráfica (Sensibilidad relativa Sulfuro de plomo (%), longitud de onda (λ)) Figura.1 C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 86 Gráfica (Sensibilidad relativa Seleniuro de plomo (%), longitud de onda (λ)) Figura.2 Aplicaciones: Control de contraste en televisores y monitores. Control automático de la iluminación en juguetes y juegos electrónicos. Controles industriales. Interruptores crepusculares. Boyas y balizas de encendido automático. Auto-flash. Espectroscopia . En misiles dirigidos por rayos u objetivos que emiten este tipo de radiación infrarroja. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 87 8.3.1.2.3 SENSOR FOTOCONDUCTOR DE GERMANIO DOPADO CON ORO Los sensores fotoconductores de Germanio dopado con Oro Ge(Au) se utilizan como sensores del infrarrojo cercano, con una respuesta espectral entre 1 y 9µm. En esta área se incluyen en los desarrollos otros dopantes de germanio diferentes, como el cadmio, cobre y cinc obteniéndose respuestas espectrales de hasta 40 µm. 8.3.1.3 SENSORES DE UNIÓN-FOTOCONDUCTORA INTRODUCCIÓN En estas versiones de sensores fotoconductivos la resistencia a través de la unión de un material semiconductor p y n cambia en función de la luz incidente. La fotocorriente de la unión aumenta con el aumento del flujo de fotones incidentes. Los sensores de unión fotoconductora están compuestos por un semiconductor de tipo n (excedentario de electrones procedentes de impurezas donadoras) y otro semiconductor de tipo p (excedentario en huecos procedentes de impurezas aceptoras) donde su lado p (ó n) es muy corto, y su extremo metalizado no opaco, permitiendo el paso de fotones. (Figura.1) En el momento en que los fotones incidan con una energía mayor que la correspondiente a la banda prohibida del semiconductor (E f > E h ), sobre la región p, sobre la zona de transición o sobre la zona n (la profundidad que esos fotones alcancen dependerá de las características de la luz incidente (λ) y de la constitución del propio sensor), generarán pares electrón-hueco. Si el par electrón-hueco es generado en la zona de transición, el campo eléctrico los separa rápidamente de manera que el hueco es trasladado a la zona p y el electrón a la zona n. Si el par electrón-hueco es generado en la zona P, implicará un aumento en la concentración de portadores minoritarios, en este caso electrones, (suponemos que la concentración de mayoritarios no se verá afectada) y por lo tanto la corriente de difusión en el interior de dicha zona; algunos de los electrones podrán recombinarse antes de alcanzar la zona de transición. Lo mismo ocurrirá en el caso de que los pares electrón-hueco se generan en la zona N, al ser la primera mucho más estrecha que la segunda; en la zona P predominarán los efectos de generación sobre los de recombinación. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 88 Al aplicar una tensión inversa en los extremos del diodo, se crea una fotocorriente I f que es en general independiente de la tensión inversa aplicada y dependerá de la iluminancia aunque puede ser también función de la tensión aplicada, ya que la anchura de la zona de transición depende del valor de esta tensión inversa, y la fotocorriente es función a su vez de la anchura de la zona de transición. E h = hv = Energia fotónica radicante h = Constante de Plank, 6,626 196 x 10 -34 J.s v = Frecuencia, Hz Figura.1 8.3.1.3.1 FOTODIODOS DE UNIÓN P-N Un fotodiodo unión p-n es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Los fotodiodos de unión p-n tienen una estructura interna que les permite operar en el modo fotovoltaico es decir polarizado directamente, en ausencia de luz exterior, generan una tensión muy pequeña entre ánodo y cátodo, pero tienen mejores prestaciones al utilizarlos en el modo fotoconductor (inversamente polarizado). En modo fotoconductor cuando la luz de longitud de onda apropiada es dirigida hacia la unión, se crean pares electrón-hueco que se desplazan a través de la unión debido al campo generado en la región de transición. Como resultado de la creación de los pares electrón-hueco se crea una corriente denominada fotocorriente (I f ), en el circuito externo, que es proporcional a la luz irradiada efectiva en el dispositivo. El fotodiodo se comporta básicamente como un generador de corriente constante hasta que se alcanza la tensión de avalancha. (Figura.1) La superficie sensible a la luz en un fotodiodo de unión p-n puede estar en la región n, en la región p o en la región de transición. (Figura.2) Material tipo N Unión Material tipo P E h = h ν V C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 89 Grafica (V, I ) en función de la luz (L). Figura.1 Dibujo estructura interna fotodiodo unión p-n. Figura.2 Imagen tomada de www.mecanicavirtual.org/can-most-bus.htm V I La curva I/V se desplaza hacia abajo al ser iluminado C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 96 Figura.1 . Imagen tomada de www.electronica2000.info/.../05/fototransistor/ La corriente que entrega el fotodiodo (circula hacia la base del transistor) se amplifica β veces, y es la corriente que puede entregar el fototransistor, donde β es la ganancia de corriente del fototransistor. Gráfica (Sensibilidad relativa (%), longitud de onda(λ)) Figura.2 C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 97 Aplicaciones: Figura.3 I magen tomada de http://profesormolina2.iespana.es/electronica/componentes/optoelect/optot.htm Este circuito muestra el control de posición mediante el uso de dos fototransistores. Si la radiación de luz que incide sobre los dos transistores es la misma, el condensador C se carga durante los semiciclos positivos y negativos a través de los transistores, con la misma carga pero polaridad opuesta. Por lo tanto el voltaje resultante será cero. La radiación de luz sea diferente en los fototransistores, la señal diferencial es amplificada con el amplificador operacional, con el fin de energizar una carga. En el semiciclo positivo de la onda de entrada, la corriente viaja por el diodo D1, por el fototransistor derecho, y por lo tanto aparece una carga neta positiva en el condensador C. En el semiciclo negativo de la onda, el diodo D2 conduce, la corriente viaja por el transistor de la izquierda y aparece un voltaje negativo en el condensador. Este cambio de polaridad se puede utilizar para controlar la dirección de giro de un motor, controlando la radiación incidente sobre los fototransistores. Figura.4 Imagen tomada de http://profesormolina2.iespana.es/electronica/componentes/optoelect/optot.htm Este circuito muestra un amplificador DC utilizando fototransistores, y con compensación de temperatura. El circuito contiene el fototransistor T1 empleado como fotodetector, y el fototansistor T2 oscurecido, empleado como referencia. En C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 98 los dispositivos semiconductores la temperatura origina también que se generen corrientes en el fototransistor, por lo que se pueden obtener respuestas que no sólo dependen de la luz. Para corregir este efecto, y que el circuito entregue una salida dependiente sólo de la radiación que incida sobre él, se incluye el fototransistor T2 oscurecido, de manera que el operacional es el encargado de eliminar la parte de corriente creada debido a la temperatura. La compensación se realiza por medio del potenciómetro de 5k. Este circuito se emplea como amplificador de escaneo y como detector en acopladores optoelectrónicos. 8.3.1.4 SENSORES FOTOEMISIVOS INTRODUCCIÓN Los sensores fotoemisivos emiten electrones desde un cátodo cuando los fotones chocan contra él. Los electrones son lanzados fuera de la superficie del cátodo cuando la energía de la radiación es mayor que la función de trabajo del material catódico. Este efecto se utiliza en los diodos fototubo (al vació o rellenos de gas) así como en los tubos fotomultiplicadores. En los diodos fototubo, algunos electrones son recolectados por algún ánodo que se encuentra a algún potencial positivo con respecto al cátodo (Figura.1). Esto ocasiona un flujo de corriente que puede ser utilizado para proporcionar una tensión de salida a través de una resistencia de carga en serie con el ánodo. En el tubo fotomultiplicador (Figura.2) se utilizan electrodos adicionales (dínodos), con potenciales crecientes secuencialmente, localizados entre el cátodo y el ánodo de manera que amplifican la corriente de electrones por medio de la emisión secundaria de los dínodos. e Cátodo Envolvente Ánodo h ν h ν E salida C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 99 Figura.1 Diodo Fototubo. Figura.2 Fotomultiplicador. Los sensores fotoemisivos tienen diversas ventajas: • Pueden ser utilizados cuando la fuente de iluminación es débil. • Pueden ser utilizados cuando solo se dispone de unos cuantos microwatts de potencia óptica. • Ofrecen mayor área fotosensible. • No muestran apenas fluctuaciones con los cambios de temperatura. • Su alta sensibilidad y alta estabilidad permiten su uso en aparatos médicos y químicos. • En cuanto a los tubos fotomultiplicadores proporcionan una sensibilidad extremadamente alta a la luz y el nivel de ruido es excepcionalmente bajo en comparación con otros dispositivos fotosensibles. • La alta ganancia se logra sin sacrificar el ancho de banda. Sus inconvenientes son: • Son voluminosos. • Frágiles. e e e e + h ν Cátodo Dínodos Envolvente Ánodo E salida R L - C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 100 • Requieren fuente de alimentación de alto voltaje que aumenta el coste de utilización de estos sensores. • La ganancia y el rendimiento de la corriente oscura de fotomultiplicadores individuales de la misma serie de producción puede variar ampliamente, a menudo por un factor de 2 a 5 en un diseño en particular. • En el caso de los fotomultiplicadores, a menudo requieren tiempos de recuperación muy largos (algunos nunca se recuperan de iluminación de alta intensidad). 8.3.1.4.1 FOTOTUBOS Un fototubo es un sensor cuyo funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico descubierto por Albert Einstein. Cuando un fotón con suficiente energía llega a un metal, arranca un electrón de dicho metal. La construcción de un fototubo es la siguiente: en el interior de un tubo de vidrio que se encuentra al vacío o relleno de algún gas inerte (argón o similar) se coloca un metal de forma semicilíndrica y enfrente se coloca un electrodo metálico. Se conecta una fuente de corriente continua al fototubo tal que el polo negativo se conecta al metal cilíndrico (cátodo) y el positivo se conecta a una resistencia en serie con el otro electrodo (ánodo). Cuando incide la luz sobre el metal cilíndrico, desprende electrones que son atraídos por el electrodo positivo. Así se genera una corriente por el circuito exterior al fototubo y se crea una ddp (diferencia de potencial) entre los bornes de la resistencia que es proporcional a la intensidad de la luz incidente sobre la célula fotoeléctrica. Cuando la intensidad de la luz incidente es muy pequeña y el fototubo genera una corriente demasiado pequeña, se emplea el fotomultiplicador que produce mayor amplificación. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 101 Figura.1 Imagen tomada de: http://eskuelahipi.com/KEMLUX/Fototubo.html Los fototubos son más sensibles que las células fotovoltaicas, debido principalmente a la posibilidad de una buena amplificación externa. La señal del fototubo que es pequeña, del orden de 10 pA (producida a niveles de iluminación bajos) como hemos citado anteriormente puede ser amplificada. Los tiempos de subida se encuentran entre 1µs y menos de 1 ns. Los fototubos rellenos con gas proporcionan una sensibilidad mayor debido a que el plasma iónico de este gas proporciona una corriente mayor que en un fototubo de vacío en un diseño equivalente; sin embargo, las características de fotocorriente en función del flujo luminoso en el caso del tipo relleno de gas es menos lineal. La sensibilidad espectral del fototubo depende de la naturaleza de la sustancia que recubre el cátodo y puede variarse usando diferentes metales alcalinos o variando el método de recubrimiento del cátodo. La composición del material que recubre el cátodo, en la mayor parte de los fototubos comerciales, consiste en una mezcla de un metal alcalino, un óxido de metal alcalino, plata metálica y óxido de plata. Gráfica (Sensibilidad relativa (%), longitud de onda (λ)) Figura.2 En la (Figura.2) se representan las curvas de respuesta espectral para distintos fototubos preparados con distintos metales alcalinos. El metal alcalino más fácilmente ionizable, el más pesado, emite electrones de longitud de onda más larga que el más ligero, y, al pasar del sodio al cesio la respuesta relativa tiende a disminuir y la amplitud de la respuesta espectral aumenta. En los fototubos de la (Figura.2), las envolturas usadas para aislar los electrodos son de vidrio, y en consecuencia, todos los fototubos tienen su respuesta máxima a unos 400nm. Si se usan ventanas de cuarzo o C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 102 de sílice fundido la zona de trabajo de estos fototubos puede extenderse a través del ultravioleta próximo y hasta el ultravioleta lejano. Aplicaciones: Las aplicaciones de los fototubos son muy variadas y genéricamente puede decirse que tienen su campo de utilización en todos aquellos dispositivos que de una forma u otra necesitan convertir una intensidad luminosa en una corriente eléctrica, bien para medir aquélla simplemente o para conseguir, a partir de sus variaciones, acciones de otro tipo, como mecánicas, p. ej. Entre algunas de las aplicaciones tenemos: • Detección de energía radiada: Los fototubos de vacío se utilizan para la detección de energía con longitudes de onda entre 200 y 1100 nm. La corriente fotoeléctrica es directamente proporcional a la intensidad de la radiación, lo que hace a los fototubos adecuados como transductores para medir valores físicos. Debido a ello, estos tubos se usan en radiómetros, fotómetros y colorímetros. Gracias a su buena respuesta ante pulsos cortos, se utilizan también para medir la intensidad de pulsos muy cortos generados por el láser o por la radiación nuclear visible. • Lectura de bandas sonoras: Una aplicación de los fototubos era la lectura de las bandas sonoras de las películas de cine. En este caso, se utilizan los fototubos rellenos de gas. En dichas películas, el sonido estaba registrado en una banda paralela a la película. Para leer dicha banda, se iluminaba por una cara y en la otra se colocaba el fototubo, que leía la señal sonora. La respuesta de los fototubos en este caso está limitada a 15 kHz. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 103 En la siguiente figura se muestran diferentes tipos de fototubos y sus aplicaciones: Figura.3 Imagen tomada de: http://www.fazano.pro.br/port50.html • El fototubo tipo A esta constituido por dos ánodos y su sensibilidad es de 10 µA/lumen donde lumen es la medida del flujo luminoso. • El fototubo tipo B es el que generalmente se usa en fotómetros. • El fototubo tipo C es un fototubo de gas usado en proyectores y su sensibilidad es de 10µA/lumen. • El fototubo tipo D es un fototubo de gas usado en equipamientos de reproducción sonora. 8.3.1.4.2 FOTOMULTIPLICADORES INTRODUCCIÓN Los tubos fotomultiplicadores (PMT) son dispositivos fotoemisores que difieren de los fototubos en que se han situado electrodos adicionales (dínodos) entre el fotocátodo y el ánodo. Los dínodos están conectados a una red divisoria de tensión de manera que el dínodo más cercano al fotocátodo tiene una tensión ligeramente superior, de manera que el potencial aumenta en los dínodos sucesivos. El dínodo más cercano al ánodo tiene un potencial muy similiar al potencial aplicado en dicho ánodo. Cuando los fotones chocan con el cátodo, se liberal electrones libres que se dirigen hacia el primer dínodo (baja tensión) debido a que su potencial es positivo respecto al cátodo. Por cada electrón emitido por el cátodo se liberan varios electrones en el primer dínodo. Esta emisión secundaria de electrones se dirige hacia el siguiente C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 104 dínodo debido a que su potencial es positivo, respecto al dínodo anterior. Por cada electrón emitido por el primer dínodo se liberan varios electrones en el segundo dínodo. Este proceso se multiplica en cada dínodo sucesivo (de ahí el término fotomultiplicador) (Ver Figura.2 Sensores fotoemisivos). Todos los electrones resultantes de esta multiplicación se recogen en el ánodo. La amplificación de la fotocorriente catódica debido al proceso de multiplicación, se encuentra típicamente entre 10 5 y 10 8 (ganancia de corriente). La ganancia de un fotomultiplicador puede estimarse mediante la siguiente ecuación: Ganancia =  =   donde µ es la amplificación de corriente (ganancia),  es la relación de emisión secundaria para los dínodos, y n es el número de etapas de dínodos dependiendo del número de dínodos del tubo fotomultiplicador. Se utilizan tres estructuras básicas de dínodos: la jaula circular, la jaula tipo persiana, la jaula en línea, y la jaula de tipo caja y rejilla.  Jaula circular: Usada generalmente en los fotomultiplicadores laterales (side on), se caracteriza por optimizar el espacio, respuesta rápida y alta ganancia obtenida con un suministro de voltaje relativamente bajo. Figura.1 Imagen tomada de: http://spie.org/x32388.xml Ventana de cristal o cuarzo Luz incidente Cátodo fotoeléctrico Ánodo C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 105  Jaula tipo persiana veneciana: Cada dinodo está formado por láminas paralelas inclinadas 45° con respecto al eje del tubo. Usado en tubos con áreas fotocatódicas grandes y cuando no es prioridad la respuesta en tiempo del tubo fotomultiplicador. Figura.2 Imagen tomada de: http://www.physics.upenn.edu/balloon/phototube.html  Jaula en línea: Lo caracteriza su respuesta rápida en tiempo y la linealidad de pulso, además de ofrecer una corriente de salida grande. Figura.3 Imagen tomada de: http://www.physics.upenn.edu/balloon/phototube.html  Jaula tipo caja y rejilla: Es una sucesión de cuartas partes de dínodos cilíndricos. Se usa en fotomultiplicadores frontales (head on) debido a la eficiencia en la recolección de electrones y a su uniformidad. Figura.4 Imagen tomada de: http://www.physics.upenn.edu/balloon/phototube.html Cátodo Ánodo Cátodo Ánodo Cátodo Ánodo C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 112 8.3.2 SENSORES TÉRMICOS 8.3.2.1 SENSORES TERMOELÉCTRICOS INTRODUCCIÓN Esta categoría de sensores térmicos comprende las termopilas y termopares que se basan en el efecto termoeléctrico, el cual vamos a desarrollar a continuación. El efecto termoeléctrico está basado a su vez en otros tres efectos: Efecto Seebeck, Efecto Peltier y Efecto Thompson. • Efecto Seebeck: Descubierto en 1821 por el físico estonio Thomas Johann Seebeck. Consiste en la generación de una diferencia de potencial eléctrico al someter a una diferencia de temperatura dos metales o semiconductores diferentes. Se produce cuando un flujo de calor atraviesa dos metales que están conectados entre sí mediante uniones. (Se crea un voltaje en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. Una diferencia de temperaturas T1 y T2 en las juntas entre los metales A y B induce una diferencia de potencial V.)( Figura.1) En el circuito: Figura.1 Efecto Seebeck T 2 T 1 A B B V + - C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 113 • Efecto Peltier: la circulación de corriente a través de un circuito conformado por dos metales distintos puede emitir o absorber calor en la juntura de los mismos, dependiendo de la dirección de la corriente. La cantidad de calor absorbida o emitida en la juntura resulta proporcional a la corriente eléctrica mediante el coeficiente Peltier. Figura.2 Efecto Peltier Imagen tomada de: http://www.hardside.com.ar/utils/peltier.htm La potencia calorífica intercambiada en la unión entre A y B es: donde ᴨAB es el llamado coeficiente Peltier, que se define como el calor intercambiado en la unión por unidad de tiempo y de corriente que circula a través de la misma: J: Flujo de corriente eléctrica S: Superficie T: Temperatura absoluta (K) αA , α B : Coeficiente Seebeck de los materiales A y B respectivamente C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 114 • Efecto Thompson: En el cual se absorbe o emite calor cuando una corriente recorre un material en el que existe un gradiente de temperaturas. En este caso la cantidad de calor asociada es proporcional a ambos, el gradiente térmico y la corriente circulante, a través del coeficiente Thompson. Figura.3 Efecto Thomson El flujo neto de potencia calorífica por unidad de volumen, en un conductor de resistividad ρ, con un gradiente longitudinal de temperatura, por el que circula una densidad de corriente J será: donde σ es el coeficiente Thomson. El primer término corresponde al efecto Joule, irreversible, mientras que el segundo expresa el efecto Thomson, reversible. Desarrollando esta expresión para obtener la relación entre el coeficiente Thomson y Seebeck y teniendo en cuenta las ecuaciones que rigen los efectos Peltier y Seebeck, se llega a: Quedando para la unión: C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 115 En conclusión los sensores termoeléctricos se configuran de manera que producen una tensión de salida (autogeneradores) en respuesta a un flujo de radiación incidente. Aplicaciones: Aplicaciones en las que la temperatura debe ser regulada de forma muy precisa y fiable, como por ejemplo en los contenedores empleados en el transporte de órganos para trasplantes o en aquellas en las que las vibraciones son un inconveniente grave, como por ejemplo: los sistemas de guía que emplean láser, o los circuitos integrados. Además, la posibilidad de crear un flujo térmico a partir de una corriente eléctrica de manera directa hace inútil el empleo de gases como el freón, que resultan perjudiciales para la capa de ozono. Aplicaciones de generación eléctrica mediante efecto termoeléctrico, sobre todo a partir de fuentes de calor residual como los tubos de escape de los automóviles, las chimeneas de los incineradores, los circuitos de refrigeración de las centrales nucleares. El uso de esta tecnología supondría en estos casos una mejora en el rendimiento energético del sistema completo de manera «limpia». El calor residual es aprovechado para obtener un mayor aprovechamiento de la energía. Por ejemplo: el empleo de la termoelectricidad en los automóviles permitiría suplir parcialmente el trabajo del alternador, reduciendo así aproximadamente en un 10% el consumo de combustible. Además, la gran fiabilidad y durabilidad de estos sistemas (gracias a la ausencia de partes móviles) ha motivado su empleo en la alimentación eléctrica de sondas espaciales, como ocurre en la sonda espacial Voyager, lanzada al espacio en 1977. En ella el flujo de calor establecido entre el material fisible PuO2 (el PuO2 es radiactivo y se desintegra, constituyendo entonces una fuente de calor) y el exterior atraviesa un sistema de conversión termoeléctrica a base de SiGe (un termopar de silicio y germanio), permitiendo de esta manera la alimentación eléctrica de la sonda (las sondas espaciales no pueden alimentarse mediante paneles solares más allá de Marte, ya que el flujo solar es demasiado débil). C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 116 8.3.2.1.1 TERMOPILAS La termopila se utiliza para medir la radiación térmica. Una termopila está compuesta por termopares conectados eléctricamente en serie. La absorción de la radiación térmica por una de las uniones de termopar (unión activa) aumenta su temperatura, la temperatura diferencial entre el unión activa y una unión de referencia que se mantiene a una temperatura fija genera una fuerza electromotriz directamente proporcional a la temperatura diferencial creada. Este efecto se denomina efecto termoeléctrico. Figura.1 Termopilas El funcionamiento del termopar se basa en el efecto termoeléctrico (Seebeck), por lo que la cantidad de potencial eléctrico producido se puede interpolar como una medida de diferencia de temperatura. Pero ¿cuál es la relación hay entre la fem producida en el circuito abierto y la diferencia de temperatura entre las dos uniones? Todo depende de la pareja de termoelementos utilizados: algunos termopares dan un voltaje Seebeck que varía de forma anticipada con la temperatura. Algunos termopares de uso común tienen características fem-temperatura casi lineales. Una vez que la curva de calibración del termopar se obtiene, mediante el mantenimiento de uno de los nudos en una conocida temperatura fija, la otra unión se utiliza como la unión de medición. La unión mantenida a una temperatura conocida se llama la unión de referencia mientras que la otra unión se denomina unión activa. Para un termopar ideal, la tensión en circuito abierto obtenida es proporcional a la diferencia de temperatura entre las uniones de conductores construidos A y B, ∆ =    ∆, donde S AB es el coeficiente relativo de Seebeck, expresado en µV/K. Este coeficiente no depende sólo de la temperatura, sino también de la elección de los dos materiales utilizados en el termopar. El signo del coeficiente Seebeck es asignado de acuerdo con el signo de la diferencia de potencial relacionada con la diferencia de temperatura. Sin embargo, es mucho más conveniente trabajar con valores absolutos: la magnitud del coeficiente Seebeck de una unión se calcula como el valor absoluto de la diferencia entre el coeficiente de Seebeck de cada metal, es decir:   =|  −   | C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 117 Debido a que una se produce cuando una existe una diferencia de temperatura entre las dos uniones del termopar (Figura.2) el termopar se puede utilizar como un detector de radiación incidente. En circuito abierto la fem producida suele ser baja, del orden de una décima de microvoltios por grado centígrado de diferencia de temperatura para un solo par de uniones. A fin de aumentar la tensión de salida, la salida de varios pares se pueden conectar en serie. Figura.2 Efecto Seebeck La responsividad se aumenta por la unión del termopar n si n pares se colocan en serie, es decir: ∆ = ∆ A tal dispositivo se le denomina termopila. Como se muestra en la Figura 3, basada en la descripción de Dereniak [1984], los elementos de una serie de termopares de materiales alternativos A y B se colocan entre una fuente de calor y un disipador de calor. La unión caliente entra en equilibrio térmico con la alta temperatura de alrededor produciendo una fem en los cables. Si se produce un flujo de corriente, la energía térmica se convierte en energía eléctrica. La restante energía absorbida en la unión caliente es rechazada hacia al disipador de calor en la unión fría. Metal A Metal B Unión Fría, T E AB Unión Caliente, T+ ΔT Metal B C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 118 Figura.3 Ejemplo de termopila Ahora dirigimos nuestra atención a los detectores de radiación térmica. Cuando una termopila se utiliza, la energía radiante es absorbida por una capa de revestimiento en la unión activa que actúa como fuente de calor, y la diferencia de temperatura entre la unión activa y la unión de referencia se traduce en una tensión de salida a través del efecto Seebeck. En la mayoría de implementaciones prácticas podemos despreciar el efecto Joule, Thomson y Peltier porque la impedancia de entrada del circuito acondicionado de señal es lo suficientemente elevada como para garantizar que una insignificante corriente fluya a través de la termopila. Las termopilas ofrecen una serie de ventajas: • Miden las diferencias de temperatura directamente, sin cualquier compensación, si no hay radiación incidente en el detector, la tensión de salida es cero. • La termopila también ofrece un rápido tiempo de respuesta en potencia. • Volumen reducido. • Capacidad térmica mínima. Flujo de calor Material B Disipador Material A Unión activa Unión de referencia Cables - + C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 119 Aplicaciones • Termómetros para el oído, termómetros clínicos. • Termómetros infrarrojos. • Aplicaciones de consumo: secador de pelo, microondas, aire acondicionado, refrigerador. • Sistema de seguridad • Medidas de absorción para el análisis de gas • Convertidores termoeléctricos • Caudalímetro de flujo de calor. 8.3.2.1.2 TERMOPARES Un termopar se basa en el efecto Seebeck, donde la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría) se mantienen a distinta temperatura. Figura.1 Termopar Imagen tomada de: Instrumentación Industrial (Antonio Creus) Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de los dos metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thomson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas. La combinación de los dos efectos, es la causa de la circulación de corriente al cerrar el circuito del termopar. Esta corriente puede calentar el termopar y afectar a la C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 120 precisión en la medida de temperatura, por lo que durante la medición debe hacerse mínimo su valor. Se han realizado numerosos estudios sobre el comportamiento de termopares que han permitido establecer tres leyes fundamentales: • Ley del circuito homogéneo: En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor. • Ley de los metales intermedios: Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura A a otro punto B, la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo A y B. Figura.2 Imagen tomada de: http://laboratorios.fi.uba.ar/lscm/termocuplas01.pdf • Ley de las temperaturas intermedias: La f.e.m generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T 1 y T 2 es independiente de las temperaturas intermedias en los conductores A y B. Figura.3 Imagen tomada de: http://laboratorios.fi.uba.ar/lscm/termocuplas01.pdf C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 121 • Ley de las temperaturas sucesivas: La fem generada por una termocupla con sus juntas a las temperaturas T 1 y T 3 es la suma algebraica de la fem de dicha termocupla con sus juntas T 1 T 2 más la fem de la misma termocupla con sus juntas a la temperatura T 2 T 3 . Figura.4 Imagen tomada de: http://laboratorios.fi.uba.ar/lscm/termocuplas01.pdf Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. Los valores de esta f.e.m están tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a 0 o C. Existen diversos tipos de termopares entre los que se encuentran: • Tipo K: (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 o C a +1.372 o C y una sensibilidad 41µV/° C aprox. Posee buena resistencia a la oxidación por lo que se recomienda para uso en atmósferas oxidantes. No debe ser utilizado en atmósferas reductoras ni sulfurosas a menos que esté protegido con un tubo de protección. • Tipo E: (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/° C. Este termopar posee la fem más alta por variación de temperatura, y puede usarse para las temperaturas entre -200 a +900 o C. • Tipo J: (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760º C ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40º C a +750º C y una sensibilidad de ~52 µV/° C. Es afectado por la corrosión. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 128 La tensión obtenida será: ܸ ଴ =∆ܳ ܥ=∆ܳ ܾ ߝܣ=݌ܾ ߝ∆ܶ Cuando la radiación incidente es pulsante y tiene una potencia P i , la tensión obtenida en el condensador es: ܸ ଴ =ܴ ௩ ܲ ௜ donde R v es la denominada responsividad o sensibilidad en tensión y viene dada por: ܴ ௩ =∝݌ ܥ ா ߝܣ ߬ (1+߱ ଶ ߬ ଶ ) ଵ/ଶ ܸ/ܹ Donde α es la fracción de la potencia incidente que se convierte en calor p es el coeficiente piroeléctrico del material τ es la constante de tiempo térmica C E es el calor específico volumétrico ࢿ es la constante dieléctrica ࣓ es la pulsación de la radiación incidente La dependencia frecuencial de R v es, pues, de tipo paso bajo. Para sensores comerciales decrece a frecuencias del orden de 0,1 Hz. Sus características principales dependen principalmente del material del sensor, de la preparación y geometría de los electrodos, y de la utilización de revestimientos absorbentes. En cuanto al material del sensor existen dos grupos de sensores piroeléctricos: los lineales y los ferroeléctricos. En los primeros, la polarización no se puede cambiar a base de invertir el sentido del campo eléctrico. Están en este grupo, entre otros, la turmalina, el sulfato de litio, los sulfuros de cadmio y el selenio. Entre los ferroeléctricos están el tantaliato de litio que tiene un punto de Curie mucho más elevado (610 o C), el niobato de estroncio y bario, el titanato-circonato de plomo y el sulfato de trigilicina (TGS) con capacidad de respuesta muy buena es difícil de fabricar, es higroscópico y tiene un punto de Curie muy bajo (49 o C), temperatura a la cual ocurre una despolarización y se pierden las propiedades piroeléctricas. Aparte están los polímeros como el polivinilideno (PVF 2 o PVDF) cuya ventaja significativa es su producción a un costo relativamente bajo. C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 129 La respuesta espectral de los sensores piroeléctricos se extiende desde por debajo del ultravioleta lejano hasta el infrarrojo lejano, pero a veces se limita la banda de longitudes de onda en la región infrarroja por medio de una ventana. Los tiempos de subida suelen ser de 1ns a 200ns. La capacidad de detección es del orden de 10 8 cmHz 1/2 /W. Figura.2 Sensores piroeléctricos Imagen tomada de: http://www.directindustry.es/prod/dias-infrared/sensorinfrarrojo-piro-electrico-35299-226112.html Características: • Alta sensibilidad • Versátil selección de filtros de longitud de onda de infrarrojos • Bajo coste • Robusto bajo condiciones ambientales severas • Estable a temperatura ambiente y bajo cambios atmosféricos • Estable frente a las interferencias electromagnéticas • Por su pequeño tamaño y alta sensibilidad a cambios de temperatura, su respuesta es más rápida que la de otros detectores térmicos (termopares), pues no es necesario que alcancen el equilibrio térmico con la fuente de radiación. Aplicaciones: • Medida de temperatura a distancia en hornos, vidrio o metal fundido, o simplemente para determinar pérdidas de calor en edificios). • Analizadores de IR • Detectores de CO 2 y otros gases que absorben radiación IR • Detección de radiación IR emitida por el cuerpo humano (para detección de intrusos y de presencia en sistemas de encendido automático de la iluminación o calefacción en viviendas, apertura de puertas, reclamos publicitarios) • Detección de llamas C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 130 • Termómetros de alta resolución • Detección de pulsos láser de alta potencia • Medidas de potencia generadas por una fuente de radiación 8.3.2.4 SENSORES TIPO GOLAY Los sensores tipo Golay (detector Golay, célula Golay) emplean el método de transducción de energía radiante, principalmente en la porción infrarroja del espectro, del tipo fotoeléctrico actuado por presión de ahí que en ocasiones sean llamados detectores termoneumáticos. El sistema sensor consiste en una cámara rellena de gas de baja conductividad térmica (por ejemplo, xenón) en el interior de un cilindro tapada por una membrana ennegrecida sobre un extremo y un diafragma revestido de espejo en otro extremo. La radiación incidente IR actúa sobre la membrana ennegrecida provoca que el gas se expanda y deforme el diafragma y consecuentemente la superficie del espejo. El diafragma se coloca en el camino óptico entre una fuente de luz (diodo emisor de luz) y un sensor de luz (por ejemplo un fotodiodo) de manera que la deformación del diafragma ocasiona que la luz reflejada actúe sobre este sensor de luz al aumentar la presión. La salida del sensor de luz es por consiguiente proporcional a la radiación IR incidente. Figura.1 Cuerpo del sensor completo Imagen tomada de: http://www.pi1.unistuttgart.de/research/Methoden/Submm5_e.php C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 131 En la Figura.2 se muestra el sistema sensor junto con el sistema de transducción (fotoeléctrico). Figura.2 Sistema sensor Imagen tomada de: Infrared detectors (A.Rogalski) Características: • La respuesta espectral del sensor es esencialmente plana entre 0,5 y 1000µm. • La selección de las ventanas determina la respuesta espectral específica de un sensor dentro de su banda ancha de longitudes de onda. • También afecta la sensibilidad debido a que diferentes ventanas tienen diferentes valores de transmitancia. • Las sensibilidades de los detectores típicos son de 3x10 6 V/W con ventanas del tipo KBr, KRS-5 o CsI (respuesta espectral por debajo de 50µm) y 1,5x10 6 V/W con ventanas de diamante, cuarzo o silicio (respuesta espectral por encima de 50µm, entre 350 y 900nm). • El tiempo de respuesta al 90% es del orden de 20ms, seguido de un tiempo de recuperación mayor. Aplicaciones: Seguimiento y control de la radiación THz donde terahercios se refiere a las ondas electromagnéticas enviadas en las frecuencias en el rango de THz. Es también conocida como radiación submilimétrica, ondas terahertz, luz terahertz, los rayos T, T-luz, T-lux y THz. El término se utiliza normalmente para la región del espectro electromagnético entre los 300 gigahercios (3x10 11 Hz ) y 3 terahertz (3x10 12 Hz), correspondiente a la submilimétricas de longitud de onda entre 1 milímetro y 100 micrómetros (longitud de onda de borde largo del infrarrojo lejano de luz ). CELDA RADIACIÓN LED SENSOR FOTOVOLTAICO ESPEJO FLEXIBLE ENRREJILLADO C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z 9. LISTADO DE CARPETAS M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z LISTADO DE CARPETAS Página 132 C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 133 10. BIBLIOGRAFÍA 10.1 DOCUMENTACIÓN TÉCNICA “Sensores y analizadores” Harry N. Norton (Editorial Gustavo Gili,S.A) “Instrumentación Industrial” Antonio Creus (Marcombo Boixareu Editores) “Handbook of modern sensors” Jacob Fraden “Métodos ópticos de análisis” Eugene D.Olsen (Editorial Reverté) “Sensores acondicionadores de señal” Ramón Pallás Areny (Marcomobo) “Transducers Theory & Applications” John A.Allocca (Reston Publishing Company) “Presentación Power Point sobre Sensores Fotoeléctricos” que fue aportada por el tutor del proyecto. “Director Mx y Lingo” Phil Gros (Anaya) junto con otros tutoriales de Director. 10.2 PÁGINAS WEB CONSULTADAS http://www.laseroptics.com.ar/sensores.htm http://www.ifm-electronic.com/ifmmx/web/padv0!1_40_10_10.html http://wapedia.mobi/es/Célula_fotoeléctrica http://www.directindustry.es/fabricante-industrial/entrada-salida-fibras-opticas- 547/sensor-fotoelectrico-62108.html http://eskuelahipi.com/KEMLUX/Fototubo.html http://sales.hamamatsu.com/en/products/electron-tube- division/detectors/photomultiplier-tubes.php http://www.scribd.com/doc/7936757/SENSORES-FOTOELECTRICOS http://www.ifm.com/ifmes/news/news_7plhnx.htm http://www.fazano.pro.br/port50.html http://www.mitecnologico.com/Main/ClasificacionSensoresDeLuz http://www.olympusfluoview.com/theory/pmtintro.html http://www.infrarrojos.net/lecciones/pir.html http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-8497-205315/unrestricted/chap2.pdf http://www.vishay.com/ http://es.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Portada http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Tutorial/TECNO4.pdf http://axxon.com.ar/rob/Sensores_fotovoltaicas.htm http://server-die.alc.upv.es/asignaturas/LSED/2002- 03/Sensores_Luz/fotoconductores.htm http://ocw.uc3m.es/tecnologia-electronica/instrumentacion-electronica-i/material-de- clase-1/tema8_MOD.pdf http://www.alldatasheet.com/ http://www.datasheetcatalog.com/ http://sales.hamamatsu.com/en/products/electron-tube- division/detectors/photomultiplier-tubes.php http://psec.uchicago.edu/links/Photomultiplier_Handbook.pdf C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 134 http://www.physics.upenn.edu/balloon/phototube.html http://www.archiexpo.es/fabricante-arquitectura-design/celula-fotovoltaica- 1635.html http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4040003/lecciones/cap3lecc7 .htm http://piroelectrico.blogspot.com/ http://www.answers.com/topic/bolometer http://www.uv.es/ramirez/Docencia/LO/Notas_termopares.pdf http://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit03.pdf http://ocw.uc3m.es/tecnologia-electronica/instrumentacion-electronica-i/material-de- clase-1/tema8_MOD.pdf http://www.unicrom.com/Tut_ldr.asp http://pdf.directindustry.com/pdf/vigo-system/photoelectromagnetic-infrared- detectors/38567-22982.html C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 135 11. CONCLUSIONES, FECHA Y FIRMA Con todo lo anteriormente expuesto, se espera que el presente proyecto contenga la suficiente información con la mayor claridad y extensión para permitir al usuario un perfecto aprendizaje del funcionamiento de los sensores de luz de una forma amena y sencilla. Queda a disposición de la autoridad competente para cualquier duda, sugerencia o modificación a verificar. Fecha Firma JENIFER BLANCO ARNAL C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 136 ANEXO: CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN DE DIRECTOR C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 137 Lingo es el lenguaje de programación que lleva incorporado Macromedia Director. Permite integrar con relativa facilidad texto, imágenes, sonidos y video digital, siendo una alternativa a lenguajes más tradicionales, como el C/C++, porque el desarrollo de la aplicación es mucho más rápido y flexible. El soporte para publicar suele ser el CD y desde hace algún tiempo, con la ayuda de Adobe Shockwave, también la WWW. Ahora mostraremos algunos de los códigos de programación utilizados para la realización del CD MULTIMEDIA. COMANDO PARA DESPLAZARSE A LAS MARCAS DENTRO DE UNA PELÍCULA on mouseUp go to frame "Principal" end COMANDO PARA DESPLAZARSE A LA MARCA SIGUIENTE SIN IMPORTAR SU NOMBRE. on mouseUp go to next end COMANDO PARA DESPLAZARSE A LA MARCA ANTERIOR SIN IMPORTAR SU NOMBRE. on mouseUp go to previous end COMPANDO PARA DESPLAZARSE A LA MARCA QUE SE SITUA EN OTRO ARCHIVO on mouseUp go to frame "Principal" of movie "proyecto1.dir" end SALIR DEL PROYECTO on mouseUp halt end COMANDO PARA HACER UNA PAUSA EN LA PELÍCULA MANTENIENDO ACTIVADO TODO LO REFERENTE A ELLA, ESTO INCLUYE PRINCIPALMENTE LAS ACCIONES Y ESTADOS DE LOS BOTONES Y OTRAS AREAS INTERACTIVAS. on mouseUp go to the frame end C D M U L T I M E D I A S E N S O R E S D E L U Z Página 144 if field "panel" = "extrínseco" then go to frame "25" end if if field "panel" = "flujo luminoso" then go to frame "26" end if if field "panel" = "flujo térmico" then go to frame "26" end if if field "panel" = "fluorescencia" then go to frame "27" end if if 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