TC UNIDAD 5 Sensores de Movimiento

Tecnología de Control 2º año Automotores E.E.S.T. Nº 2 “Ing. César Cipolletti”

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UNIDAD 5

SENSORES DE MOVIMIENTO (POSICIÓN, VELOCIDAD y ACELERACIÓN)

INTRODUCCIÓN Conceptos tales como posición, desplazamiento, velocidad, rapidez y aceleración, forman parte del estudio de la física del movimiento, y más específicamente de la cinemática. Tanto en el mundo del automóvil, como en la mecánica en general, la medición de los parámetros que dan cuenta del movimiento, ya sea de una pieza específica o del conjunto de una maquinaria, son de vital importancia para informar del comportamiento de los mismos, en distintas situaciones de funcionamiento.- Para resumir lo que ya se ha visto en cursos anteriores de física, diremos que el desplazamiento, la velocidad y la aceleración de un cuerpo están relacionados entre sí a través del tiempo en el que transcurre su movimiento. Las expresiones matemáticas generales que definen estos conceptos son las siguientes:

2

2

0

)()()(

)()(

)()(

)(

dttrd

dttvdtanAceleració

dttrdtvVelocidad

trtrrentoDesplazami

trPosición

f

==

=

−=∆


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SENSORES DE POSICIÓN Utilizados para ubicar la posición de un objeto con respecto a un punto, eje o superficie de referencia. Se los clasifica, según su principio de funcionamiento, en:

Bobinados de Pista Conductiva POTENCIOMÉTRICOSMagneto resistentes

CAPACITIVOS LVDT y RVDT SYNCRO INDUCTIVOS RESOLVER

ANALÓGICOS

Basados en ULTRASONIDOS Magnéticos Eléctricos

SENSORES DE

POSICIÓN

DIGITALES ENCODERS Ópticos

• Sensores de posición potenciométricos: Los potenciómetros están formados por un elemento resistivo, con un contacto móvil deslizante, de modo que su resistencia variará proporcionalmente al desplazamiento. Se trata de sensores analógicos que según sea el desplazamiento a medir los podremos clasificar en lineales o angulares. Además, según su principio constructivo, se los clasifica en:

Potenciómetros de pista conductiva:

Están formados por un soporte aislante, sobre el que se fija una película de carbón y plástico que forma la resistencia. Esta resistencia variará dependiendo de la posición del cursor sobre la película. Cuanto más fina sea la película mayor resolución tendremos.-


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Potenciómetros bobinados:

La resistencia está formada por un hilo metálico bobinado sobre un soporte aislante. La resistencia de salida vendrá dada por el número de espiras entre el cursor y unos de los extremos del potenciómetro. Cuanto mayor sea el número de espiras, mayor será su resolución.-

Potenciómetros magneto-resistentes Están formados por un elemento de material magneto-resistente cuya resistencia depende del campo magnético al que esté sometido. La variación del campo magnético es producido por un imán que va unido al elemento móvil que queremos medir. Este tipo de potenciómetro tiene la ventaja de que no necesita contacto físico con la resistencia, por lo que no sufre desgaste.-

Los potenciómetros requieren de un circuito adicional para entregar su señal al controlador del sistema. Se lo puede utilizar como divisor de tensión, con el cual la posición es traducida en una caída de tensión sobre el potenciómetro; o bien directamente como una resistencia de carga sobre una tensión aplicada por el controlador, con lo cual la posición detectada es convertida en una corriente proporcional a la misma.-

Algunos de los factores que afectan al comportamiento de estos sensores son:

o La temperatura ambiente y el calentamiento producido por efecto Joule. o El rozamiento y la inercia del cursor. o La estabilidad de la tensión de alimentación. o La falta de uniformidad en todo el recorrido de la resistencia del

potenciómetro. o El ruido producido por el contacto del cursor.


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dSC ε=

• Sensores de posición capacitivos: Como se sabe, la capacidad de un condensador depende del dieléctrico que separa sus placas, de la superficie de las mismas y de la distancia entre ellas:

Es así como, para medir el desplazamiento, debemos hacer que el elemento móvil pueda modificar cualquiera de estas las tres magnitudes.-

Entre las características de estos sensores, podemos mencionar que:

o No tienen rozamientos y no les afecta la temperatura. o Son sensibles a interferencias externas debido a las capacidades parásitas. o Tienen rangos pequeños. o Su sensibilidad y resolución son elevadas.

• Sensores de posición inductivos: El principio de funcionamiento se basa en modificar la inductancia de una bobina (L) o la inductancia mutua (M) entre dos bobinas, en función de un desplazamiento.

Sensores LVDT y RVDT (Transformadores diferenciales variables): Poseen un bobinado primario colocado en el centro, entre dos bobinados secundarios. En el eje central tenemos un núcleo ferromagnético unido al elemento móvil a medir. Cuando el núcleo se desplace hacia la izquierda, la FEM inducida en el 1er secundario será mayor que la FEM inducida en el 2do secundario y viceversa. Esto sucede porque, con el movimiento del núcleo ferromagnético, hacemos que un secundario tenga más acoplamiento con el primario que el otro, generando así más FEM en un secundario que en otro.-

Las bobinas del secundario podrán ser conectadas en fase o en contrafase, es decir en paralelo o en serie, con lo cual se varía la sensibilidad del sensor.-

Las principales características de estos sensores son: no producen carga, sus resoluciones son grandes: 0.1µm, son muy sensibles, lineales y precisos, pero no tienen grandes alcances.-

ε = Constante dieléctrica del material S = Superficie de cada placa d = Distancia entre placas

donde:


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Sensores SYNCRO y RESOLVER:

Se basan en un funcionamiento similar al de un motor. Están formados por una parte fija, estator, y una parte móvil, el rotor. Tanto el estator como el rotor contienen devanados. El estator está formado por tres bobinas separadas entre sí 120º (en el caso de los syncro), o solamente dos y desfasadas 90º (en los resolver), que actúan como secundario. El rotor, en cambio, está formado por una única bobina que actúa como primario y que va unido a la parte móvil a medir. Según la posición del rotor, varía el acoplamiento entre las bobinas del estator y el rotor, variando la FEM inducida en cada bobina del estator.- Como característica, podemos mencionar: baja carga mecánica; permiten trabajar en ambientes agresivos de temperatura, humedad, choques eléctricos, vibraciones e interferencias; tienen el inconveniente de desgaste de escobillas. Sus precisiones son de 5 a 30 minutos de grado para el syncro y de 1 a 20 minutos para los resolver.-

• Sensores basados en ULTRASONIDOS: Se basan en la emisión de una señal de frecuencia elevada dirigida hacia el objeto a medir, rebotando la señal en dicho objeto y midiendo el tiempo que tarda en volver el eco de la señal emitida. La velocidad con la que se propague esta señal no dependerá de la frecuencia sino del medio por el que se transmita.- Para entregar una señal con la que trabajar, además de la tensión eléctrica generada por el receptor al recibir el eco de la señal, necesitaremos una unidad


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de evaluación que mida el tiempo que ha tardado en recibir la onda y una etapa de salida que genere una señal continua proporcional al tiempo de retorno de la señal, o sea, proporcional a la distancia del objeto.- Sus características: no son elementos invasivos; se pueden aplicar en cualquier superficie sólida o líquida, la única restricción es que el elemento a medir sea capaz de reflejar la señal. Las variaciones de temperatura y humedad afectan a la propagación de la onda y por lo tanto a la exactitud de la medida.- • ENCODERS DIGITALES:

Su funcionamiento se basa en la entrega de una señal que consiste en una serie de pulsos que dependerá del desplazamiento o de la posición del elemento a medir. Para generar estos pulsos, los encoders utilizan un disco si son angulares o una regla en caso de ser lineales, en los que hay ranuras. Con un cabezal distinguimos las ranuras.- En el caso de los angulares el elemento móvil es el disco que va unido al elemento a medir, mientras que en los lineales se pueden mover tanto la regla como el cabezal.-

Según sea la forma de distinguir los sectores tendremos:

Encoders magnéticos: Se basan en un soporte no magnético con una serie de sectores magnetizados. El lector está formado por dos bobinas, una inductora y otra sobre la que se inducirá tensión en caso de pasar por un sector magnético, ambas acopladas sobre un núcleo toroidal abierto.- Encoders eléctricos: Tenemos dos tipos de encoders eléctricos:

- Capacitivos: El cabezal lector detecta los cambios de capacidad que se producen al desplazarse el disco o la regla.-

- De contacto: El disco está formado por un material conductor

con sectores aislantes. Un par de escobillas hacen contacto en cada lado del disco y cuando ambas pasan por una zona no aislada circula corriente entre ellas. En este tipo de encoders


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tenemos el inconveniente del desgaste de las escobillas además de ser sensible a vibraciones.-

Encoders ópticos: El lector está formado por un emisor y un detector de luz. Podremos tener dos configuraciones, una con sectores opacos y transparentes o con zonas reflectantes y no reflectantes.-

SENSORES DE VELOCIDAD

TACÓMETROS LINEALES ELECTROMAGNÉTICOS

TACÓMETROS BASADOS EN EFECTO DOPPLER

TACODINAMO o DINAMO TACOMÉTRICO

TACOALTERNADOR

SENSORES DE VELOCIDAD

TACÓMETRO DE IMPULSOS • TACÓMETROS LINEALES ELECTROMAGNÉTICOS: Su principio de funcionamiento está basado en dos elementos, una bobina y un imán permanente. Unimos el imán permanente al elemento a medir, dependiendo de la velocidad a la que se desplace el imán, el flujo variable al que está sometida la bobina variará a la misma velocidad que el elemento a medir, de manera que se generará una FEM proporcional a esta velocidad. A más velocidad, más variación de flujo y más FEM.- • TACÓMETROS BASADOS EN EFECTO DOPPLER: Se basan en la emisión de una señal luminosa (láser), de alta frecuencia (radar) o sonora (ultrasonidos) y medir el cambio de frecuencia de la señal reflejada en el elemento móvil, con la señal emitida:

αcos2cvfff ere =− donde:

fe = frecuencia emitida. fr = frecuencia reflejada. v = velocidad del elemento móvil que

se desea medir. c = velocidad de propagación de la

radiación. α = ángulo entre el vector de velocidad

y la dirección de propagación.


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• TACOGENERADORES: Son sensores de velocidad angular los cuales entregan una tensión analógica continua o alterna, proporcional a la velocidad angular del objeto que gira.-

• TACÓMETROS DE IMPULSOS: Se trata de un sistema que consiste generalmente en un elemento ranurado, acoplado al eje de medición, el cual intercepta o refleja una señal generada por una fuente emisora. Por medio de un sensor apropiado, se cuentan los pulsos en una unidad de tiempo. Se podría decir que es una variante de los encoders digitales.- La generación de las señales podrán ser, según su utilidad, ópticos, inductivos o por efecto Hall.-

En los automóviles, los generadores de impulsos inductivos son muy utilizados para medir las velocidades de rotación del cigüeñal, y las velocidades angulares de las ruedas (información necesaria para los sistemas ABS).-


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SENSORES DE ACELERACIÓN El acelerómetro se basa en los efectos que produce la aceleración/desaceleración del elemento a medir sobre la masa que unimos a él. Estos efectos pueden ser de dos tipos: cambio de posición de la masa, o bien la deformación de la misma.- Tenemos varias maneras de medir aceleración:

Masa resorte + galgas

Masa resorte + LVDT

Masa resorte + cristal piezoeléctrico SENSORES DE ACELERACIÓN

Masa resorte + sensor Hall • Masa resorte + galgas: Las galgas van unidas por un extremo al objeto a medir y miden la deformación del sistema masa-resorte. Cuando se produce una aceleración, la masa estira o comprime el resorte, y las galgas miden esa deformación.-


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• Masa resorte + LVDT: Se basa en un núcleo unido a la carcasa del sensor mediante muelles, el cual transmitirá el movimiento al vibrar con las aceleraciones.- • Masa resorte + cristal piezoeléctrico: La masa móvil del sensor está en contacto con unos discos piezoeléctricos gracias a la a la presión de un muelle. Al producirse vibraciones (aceleraciones), la masa se desplazará y presionará los discos piezoeléctricos generando una tensión de salida proporcional a las fuerzas vibratorias.-


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• Masa resorte + sensor Hall: Utiliza un sistema masa-resorte de fijación "elástica". Está constituido por un resorte en forma de cinta (3), fijado por uno de sus extremos. En el extremo libre opuesto, está colocado un imán permanente (2), que hace las veces de masa sísmica. Sobre el imán se encuentra el verdadero sensor de efecto Hall (1) con la electrónica de evaluación.-

Al estar sujeto el sensor a una aceleración transversal al resorte, la posición de reposo del sistema masa-resorte cambia. Su desplazamiento dependerá de la aceleración. El flujo magnético "F" ocasionado por este movimiento del imán genera una tensión Hall UH en el sensor. La tensión de salida UA resultante, procedente de la electrónica de evaluación, aumenta linealmente con la aceleración.-

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