Sensores de Desplazamiento y Distancia

Sensores de Desplazamiento y Distancia
Sistema de medición sin contacto para uso industrial
Sensores de Desplazamiento y Distancia
Sistema de medición sin contacto para uso industrial
Thomas Burkhardt, Albert Feinäugle, Sorin Fericean, Alexander Forkl
Traducción al español: Nortécnica S.R.L.
Índice
Introducción
4
Sensores Inductivos de Distancia
6
Principio de medición
6
Funcionalidad y construcción del sensor
8
Miniaturización a través de integración consistente
13
Aplicaciones
15
Resumen
18
Sensores de Desplazamiento Magneto-Inductivo
20
Principio de medición
20
Funcionalidad y construcción del sensor
21
Aplicaciones
25
Sensores de Distancia Optoelectrónicos
30
Fundamentos
30
Sensado de distancia basada en Triangulación
35
Sensado de distancia basada en Tiempo-de-Vuelo
36
Aplicaciones
37
Transductores de Desplazamiento Magnetoestrictivo
40
Fundamentos físicos
40
Principio de medición y construcción del sensor
43
Diseño de cuerpos y aplicaciones
44
Sensores de Desplazamiento con Banda Magnética Codificada 50
Construcción del sensor
50
Principio de funcionamiento
50
Configuraciones y aplicaciones
51
No-Linealidad / Clase de Precisión
55
Desplazamiento Lineal e Interfases en Sensores de Distancia
56
Sensores con salida analógica
56
Sensores con salida digital
58
Tendencias y perspectivas
60
Definiciones y Normas Estándar
62
Valores característicos para sensores de desplazamiento y distancia 62
Normas estándar utilizadas para los sensores de distancia
65
Referencias
68
3
Introducción
Sensores - Los
órganos sensoriales
de las máquinas
modernas
Sensores binarios y
analógicos
Sensores de
desplazamiento y
distancia
La eficiencia y el desempeño de máquinas y sistemas modernos en la
automatización de la fabricación y el proceso han aumentado notablemente en estos últimos años. Las máquinas no sólo han llegado a ser
más rápidas, más pequeñas y más confiables, sino que al mismo tiempo
también más seguras y más flexibles. Por último y no por eso menos
importante, este progreso se ha dado en cada faceta de la protección
ambiental. Las máquinas modernas son más limpias, más silenciosas y
generan ahorro de energía.
Si uno analiza estos cambios positivos, queda claro que ellos son en
gran parte el resultado de avances en la tecnología de la automatización. La disponibilidad de componentes de gran rendimiento permite el
uso de diseños mecánicos sofisticados que utilizan el control electrónico
para las secuencias de movimiento.
Los sensores juegan un papel importante en estos procesos de la automatización. Ellos proporcionan información al control, de los acontecimientos durante el ciclo del trabajo de la máquina.
De allí que nos refiramos a ellos como los órganos sensoriales de máquinas modernas.
Los sensores binarios, utilizados en su mayor parte como finales de
carrera rígidos representan, numéricamente hablando, la porción más
grande . Cuando su funcionalidad llega al límite, aparecen los sensores
de desplazamiento y distancia con salidas analógicas, digitales o BUS
de campo. Los puntos de conmutación que necesitaban ajustes mecánicos incómodos, ahora pueden ser definidos fácilmente mediante
un software. El control en el movimiento ha hecho enormes avances,
gracias a la posibilidad de programar la velocidad se puede asegurar
arranques y paradas suaves aún en altas velocidades. Los sensores
biestables y los sensores analógicos están entre los componentes más
importantes para la automatización de las máquinas, con inagotable posibilidades de aplicaciones.
Este apunte trata respecto de cinco tecnologías diferentes para sensado
sin contacto de desplazamientos lineales y de distancia. Los sensores
de desplazamiento difieren de los sensores de distancia en que ellos
siempre necesitan un elemento de posición, tal como un imán, que se
desplaza a lo largo del cuerpo y cuyo movimiento lineal es detectado.
El criterio más importante para elegir un sensor de desplazamiento o de
distancia es el rango de medición requerido (Fig. 1). La implementación
técnica de los principios de medición varía poco entre los fabricantes,
pero los componentes de un sensor pueden diferir apreciablemente en
términos de detalles específicos en la aplicación. El alcance de este
apunte no permite discusión de estas diferencias en gran detalle. Sin
embargo presenta una selección de aplicaciones representativas para
cada tipo de sensor.
4
Fig. 1:
Rangos de sensado típicos
de los sensores de desplazamiento y de distancia
descriptos en este apunte
para aplicaciones en construcción de máquinas
Notas: _____________________________________________________________________
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Sensores inductivos de Distancia
Principio del sensor
inductivo de distancia
Circuitos complejos
Los sensores inductivos de distancia son sensores analógicos sin contacto y pertenecen a la clase de sensores de proximidad inductivos [1,
2]. Su principio de funcionamiento se basa en la interacción entre una
bobina que genera un campo electromagnético y un objeto metálico
(blanco de detección) ubicado dentro del rango de sensado. El circuito electrónico de procesamiento para este efecto se viene utilizando
para aplicaciones industriales desde hace más de 30 años, predominantemente para sensores inductivos de proximidad con salida de conmutación biestable, para sensar solamente una única posición. Estos
sensores, generalmente llamados detectores de proximidad inductivos,
son aplicados masivamente por tener propiedades excepcionales para
uso industrial: desde las máquinas herramientas hasta la industria alimenticia. Sus características principales son el sensado sin contacto de
la distancia a un objeto (cualquier objeto metálico), fiabilidad, robustez,
resistencia a la contaminación y tamaño compacto. Los avances en los
últimos 10 años en la integración, la miniaturización y técnicas de construcción han hecho posible el continuo desarrollo hacia circuitos significativamente más complejos para sensores de proximidad inductivos
analógicos. Esto permite realizar versiones analógicas particulares con
las mismas exigencias de diseño y características igualmente buenas
como los sensores biestables.
Principio de Medición
Fig. 2:
Campo magnético de la
bobina toroidal, mitad derecha, en un sensor inductivo
de distancia (resultado en
dos dimensiones de una
representación espectral de
una simulación)
6
Los sensores de proximidad inductivos son esencialmente sensores
de corrientes de torbellino [3]. La bobina del sensor es excitada por la
electrónica del sensor con una corriente de alta frecuencia, generando así un campo magnético cuya distribución y fuerza dependen de la
configuración de la bobina (la geometría, el número de vueltas, etc.) y
los parámetros de la corriente (amplitud, frecuencia) (fig. 2). Este campo
Efecto primario:
pérdidas eléctricas
Fig. 3:
Excitación del sensor
primario por el oscilador
(el sensor primario está
representado por el circuito
en serie L y RS)
induce corrientes de torbellino en el objeto a detectar. Las pérdidas eléctricas
en el objeto dependen de la fuerza del campo magnético, las propiedades
del material del objeto (conductividad eléctrica γ y permeabilidad magnética µr) y, sobre todo, de la distancia del objeto a la bobina del sensor. Estas
causan un cambio en los parámetros eléctricos de la bobina. Un circuito
eléctrico preferido para la bobina, es el circuito serie de Jordan que consiste
en un inductor de bobina L y la pérdida por resistencia en serie RS (fig. 3). Los
componentes de este circuito equivalente, pueden ser fácilmente determinados por medición o evaluando los resultados de la simulación.
Sin embargo esto no describe totalmente el principio de funcionamiento de
los sensores de proximidad inductivos, ya que la mayoría de ellos poseen
una bobina con un núcleo.
La geometría del núcleo es seleccionada de tal manera que el sensor de
distancia inductivo sea caracterizado por una “dirección de visión” preferida.
En el caso de un objeto ferromagnético a ser detectado, junto con el núcleo
forman un circuito magnético cuya reluctancia depende de la distancia. La
variación de esta resistencia causa un cambio en la inductancia de la bobina.
La detección de la distancia, por ej. la conversión de la variación geométrica en una señal eléctrica, se logra midiendo continuamente el factor de la
bobina QL:
ω.L
(1)
RS
donde ω es la frecuencia angular de la corriente de excitación en la bobina,
L es la inductancia y RS es la resistencia de pérdida en la serie.
Efecto secundario:
cambio en la
inductividad
Evaluación...
QL =
…usando el Factor-Q
7
Funcionalidad y Construcción del Sensor
Electrónica del sensor
integrada
Los componentes de los sensores de distancia inductivos consisten en
un transductor primario (elemento de sensado) con su bobina más un
circuito de procesamiento (electrónica del sensor) ambos integrados
dentro del sensor. Según sus funciones principales, la electrónica esta
dividida en áreas funcionales: excitación de la bobina y medición del
Factor-Q en la parte delantera, procesamiento y generación de señal
estandarizada a la salida del sensor en la parte trasera.
Elemento de sensado
La fig. 4 muestra la estructura del elemento de sensado para un sensor
tubular con cuerpo metálico. El componente esencial es el devanado en
forma de espiral (1) sobre el cuerpo de la bobina (2). La bobina, la cual es
instalada en un núcleo (3), esta protegida por el tubo metálico (4) y, en la
dirección de la superficie de sensado por una tapa plástica (5); los
Fig. 4:
Vista en perspectiva de
los elementos de sensado
en un sensor de distancia
inductivo (Balluff)
Distancia
característica D/2
8
componentes (4) y (5) no juegan un papel significativo en la medición de la distancia, pero afectan al desempeño del sensor. Desde un punto de vista de la
ingeniería eléctrica, este elemento de sensado es una bobina excitada con pérdidas que son causadas por el objeto a detectar, pero también por el devanado, el
núcleo y el tubo metálico (pérdidas inherentes). En la figura 5 (cuadro superior) se
muestra una típica relación en las variables L y RS para esta bobina y la distancia
normalizada s a un objeto ferromagnético estándar. La resistencia de pérdida RS
representa todas las pérdidas incluyendo las antes mencionadas que deben ser
reducidas al mínimo mediante un óptimo diseño. Si la distancia es mayor que la
mitad del diámetro del núcleo (s > D/2), las corrientes de torbellino tienen poco
efecto. En distancias más pequeñas que la mitad (s ≤ D/2) este efecto es perceptiblemente mayor. El efecto del cierre del circuito magnético antes descrito ocurre
para distancias s < D/2 y causa un aumento de la inductancia.
Inductancia normalizada L/L_∞
Pérdida por resistencia Normalizada Rs/Rs_∞
El resultado de la curva del Factor-Q de la bobina mostrada en el cuadro
inferior de la figura 5 (ecuación 1) muestra los límites de este método de
medición y define las tareas principales de la primera etapa de la electrónica
de sensor. A través de la optimización sistemática y adecuado diseño de los
elementos de sensado, la distancia de sensado está prácticamente limitada
por el diámetro del núcleo. Cuando s ≈ D la extensión del Factor-Q referido
al valor en el estado no actuado ( s = ∞) es sólo del 1 a 2 %. La evaluación
precisa de esta leve variación en ambientes industriales y bajo grandes
Distancia normalizada s/D
Fig. 5:
Cuadro superior: Inductancia y pérdida por resistencia normalizadas para
un blanco de detección
estándar en función de una
distancia normalizada: L_∞,
RS_∞ inductancia, perdida
por resistencia en estado
no actuado. (s=∞)
S: Distancia
D: Diámetro de la bobina
Cuadro inferior: Factor-Q de
los elementos de sensado
en función de la distancia
Factor QL
normalizada
Distancia normalizada s/D
cambios de temperaturas representa un gran desafío para la electrónica
de sensor [4]. A pesar de todas las medidas optimizadas, el Factor-Q del
elemento sensor siempre muestra una correlación de distancia no lineal,
para el cual en el caso de sensores de proximidad analógicos inductivos
tiene que ser linealizada por la electrónica de sensor.
9
ASIC Maestro
Linealizando
La electrónica del sensor
Para medir confiablemente el Factor-Q y evaluar su correlación de distancia, el elemento sensor primario tiene incorporado un circuito resonante paralelo cuyo condensador de oscilación es un componente de
alta calidad con pérdidas mínimas. Este circuito oscilador está excitado
en su frecuencia resonante (frecuencia de trabajo del sensor) utilizando
un oscilador especial que tiene una resistencia de entrada negativa [5]
(ver fig.3). La característica de este oscilador, el cual fue desarrollado
para la integración monolítica y cumplir con las exigencias antedichas
incluyendo la linealización [6], es la implementación de la retroalimentación positiva por medio electrónico de modo que no haya necesidad de
una conexión a bobina [3, 7]. Esto causa una conexión ventajosa de 2
cables entre el oscilador y el circuito resonante (ver fig.3).
La figura 6 muestra el diagrama de bloques de un sensor inductivo de distancia. La etapa frontal de la electrónica del sensor es implementada por dos
ASIC (Circuito Integrado de Aplicación Específica). El ASIC maestro realiza
las funciones principales del sensor inductivo de distancia. El núcleo de este
componente consiste en el oscilador, seguido de un rectificador de precisión.
Esta etapa excita el elemento sensor y convierte la señal de salida del oscilador
sinusoidal el cual varía el Factor-Q de la bobina en un voltaje de corriente continua. Esta señal aún no acondicionada, contiene la información de distancia
quedando disponible en la salida del ASIC maestro. El acondicionado de la
señal, por ej., su conversión en señal de salida estándar, ocurre en la etapa
de salida del sensor. El ASIC maestro también contiene el circuito integrado
para linealizar la curva distancia/salida característica del sensor. Este circuito
compensa la relación casi a la exponencial inversa entre el Factor-Q y la distancia (ver Figura 5 debajo) mediante un ajuste del gradiente específico de la
corriente de excitación para el elemento sensor [6], haciéndola dependiente
de ese ajuste debido a la incorporación del circuito de la linealización de la
distancia al objeto. El resultado es una dependencia lineal entre la señal de salida del oscilador y la distancia en todo su rango. Debido a la función lineal de
Fig. 6:
Diagrama general de
bloques de los sensores de
ASIC Maestro
Blanco
•
•
•
distancia inductivos (Balluff)
Oscilador
Linealización
Compensación
por temperatura
Elemento
Sensor
Estado de salida
•
•
Acondicionamiento de la señal
Funciones de protección del sensor
Estado de salida
por temperatura
ASIC esclavo
Calibración por
Teach-in
Parte frontal
10
Acondicionamiento
de la señal
Parte trasera
transferencia de la etapa de la salida, uno obtiene la misma relación lineal en
la salida del sensor. Este tipo de sensores inductivos de distancia muestran
una leve desviación lineal en el rango de trabajo desde cero hasta más de
la mitad del diámetro del núcleo. Para optimizar el comportamiento del sensor, el ASIC maestro incorpora un circuito integrado para la compensación
de temperatura. Este circuito compensa las dependencias eléctricas de los
componentes del sensor y asegura una mínima deriva térmica para el rango
de temperatura de trabajo indicado en el sensor para uso industrial. La
dependencia más grande de temperatura es representada por el elemento
sensor, cuyo Factor-Q varía con la temperatura en una compleja y difícil manera de modelar. La compensación por temperatura ocurre en dos etapas
[ 4 ]. La primer etapa optimiza la capacitancia del condensador del oscilador
(véase fig. 3). La segunda etapa es una compensación activa, realizada por el
ASIC maestro. Para cada tipo de sensor corresponde un ASIC maestro determinado el cual modifica la corriente de la excitación del elemento sensor,
para compensar la dependencia de temperatura del Factor-Q.
Este circuito integrado de compensación ofrece grandes ventajas sobre los
métodos tradicionales. Desde el oscilador, la linealización y la compensación
de temperatura con el sensor de temperatura están integrados en un solo
chip de silicio, y este último está situado directamente al lado del elemento
sensor. La compensación de temperatura demuestra ser muy eficiente y
precisa, con una extremadamente baja variación en la muestra.
El sensor de temperatura integrado también satisface otra tarea. En las versiones de sensores inductivos de distancia con señal de salida de temperatura real del sensor, se convierte y amplifica en una segunda etapa de la
salida del sensor, de modo que una señal de la temperatura esté disponible
en la segunda salida del sensor. Esta señal de voltaje tiene una linealidad y
exactitud excepcionales y se puede utilizar con propósitos de monitoreo.
Calibración del Sensor en Fábrica
Mediante un procedimiento teach-in se puede lograr el ajuste preciso de la
calibración con una baja variación de la curva distancia/salida, después que
los sensores estén completamente ensamblados [ 8 ]. Para este propósito
los sensores tienen un ASIC esclavo en la parte delantera (véase la fig. 6)
que está conectado con el ASIC maestro y determina la característica de la
curva. La calibración individual del sensor se hace usando un accesorio de
calibración (blanco de detección), el que es posicionado mecánicamente en
el límite superior del rango de distancia requerido. La comunicación entre el
sensor y el accesorio de calibración durante este proceso ocurre sobre las
líneas de alimentación del sensor, el que no tiene ninguna conexión adicional.
Una vez que la calibración comienza, la señal de salida del oscilador cambia
por medio de una red programable integrada del resistor en el ASIC esclavo
cuyo valor varía continuamente desde el comienzo de la calibración hasta
que la señal de salida del sensor alcanza el límite superior requerido.
Compensación de
temperatura…
…en dos pasos
Salida de temperatura
ASIC Esclavo
11
Fig. 7:
Valores medidos
Línea de regresión
Error de linealidad
Linea de cero
Curva distancia/salida
no-linealidad después de la
calibración.
Tensión de salida Ua [V]
Error de linealidad ε [% FS]
característica y curva de
Distancia s [mm]
Interfases
12
El resultado del valor individual específico de la resistencia se almacena en
una memoria EEPROM permanente en el ASIC esclavo. La interfaz de comunicaciones integrada en el ASIC esclavo es entonces desactivada, de
modo que ya no sean posibles cambios parásitos debido a las condiciones
del ambiente.
Este procedimiento teach-in considera todas las variables de la dispersión que puedan afectar la señal de salida (incluyendo las propiedades del
material del encapsulado o la orientación de la instalación del elemento
sensor ) para cada sensor individual y compensan estas variables. Durante
la inspección final y directamente después de la calibración, la curva característica distancia/salida es comprobada para cada sensor individualmente.
La fig. 7 muestra la medición de una curva distancia/salida y el error de linealidad en el área entre la más baja y la más alta distancia. Estos dos valores
característicos del sensor (aquí 2 y 8 milímetros) son especialmente enfatizados. Los sensores inductivos de distancia aquí descriptos, tienen una de las
siguientes interfases (Interfase para los sensores lineales de desplazamiento y
distancia, pág. 56): una salida de voltaje de 0... 10 V o una salida de 0... 20 mA.
ó 4... 20 mA. La etapa de salida proporciona funciones de protección para el
sensor, tales como protección contra cortocircuito e inversión de polaridad.
También tiene un regulador de voltaje interno que estabiliza el voltaje de la
fuente del sensor con un voltaje constante. Esto permite que el sensor tenga
un rango de voltaje de 15 a 30 V para las versiones con salida de tensión, o
de 10 a 30 V para las versiones con salida de corriente. La resistencia RL de
la carga mostrada en fig. 6 simboliza la aplicación, como si fuera la entrada
analógica del controlador (PLC).
Miniaturización a través de la integración consistente
Variantes de cuerpo
Además de los cuerpos estándar (fig. 8) en M8 hasta los tubos roscados
M30 (versión enrasados o en las versiones no enrasados con salida
voltaje o corriente), también hay versiones tubulares o de bloque muy
compactas. La característica de todas las versiones es el alto grado de
miniaturización, que se refleja en los sensores estándar de cuerpo corto
así como las longitudes mínimas estándar especificadas.
Fig. 8:
Sensores inductivos de
distancia para aplicaciones
varias
La implementación de la alta funcionalidad en los cuerpos miniaturizados fue
posible solamente a través de la integración coherente de los componentes electrónicos de base, junto con los procedimientos más modernos de montaje (fig.
9). Dentro del sensor, el ASIC altamente integrado está operando; el bajo número
de componentes periféricos SMT se utilizan casi exclusivamente para determinar
los parámetros de la función ASIC y para el acondicionamiento de señal.
Fig. 9:
Representación en 3D de
la construcción mecánica
de un sensor inductivo de
distancia (Balluff); el ensamble del chip directamente
contra la cara frontal ahorra
espacio y costos
ASIC’s
El ASIC maestro para la primer etapa de la electrónica del sensor fue integrado
usando una tecnología bipolar de alta frecuencia, Una estructura de montaje excelente permite la integración de más de 700 transistores en un chip de silicio en un
área menor de 4.5 mm2. Para el ASIC esclavo fue utilizada una tecnología de baja
tensión y de poca intensidad compatible CMOS. Este ASIC contiene junto con la
13
Tecnología de
conexión
red de resistor programable, la memoria EEPROM y la unidad central específica
para realizar la calibración teach-in en un chip de silicio de área menor
a 4 mm².
Solamente la capa inferior de fibra de vidrio reforzado (FR4) se utiliza para la
placa portadora de la electrónica del sensor. En contraste con otras capas
inferiores (de cerámica, película de poliamida, etc.) los circuitos impresos en
FR4 satisfacen los importantes requisitos al mismo tiempo: robustez para los
ambientes industriales severos y la alta densidad de integración del sensor.
Para colocar y conectar los chips ASIC (sin la cubierta) se utilizan dos modernas tecnologías chip-on-board (fig.10). El cable se coloca y se pega directamente en la plaqueta con su cara activa hacia arriba. El contacto ocurre por
medio de conexiones del alambre entre las puntas de conexión del ASIC y
las almohadillas de contacto en la plaqueta. Luego se cubre la estructura (fig.
10 a la izquierda). Este procedimiento es el más avanzado tecnologicamente
para la estandarización de las cubiertas de los sensores, y su utilización está
incrementándose en estos últimos 10 años. La adecuada solución para los
sensores inductivos de distancia altamente miniaturizados es la tecnología flipchip-on-board (FCOB) [10]. Este método altamente moderno implica conectar
el chip con la plaqueta directamente en los puntos de soldadura (vaporización
súbita) con las superficies activas hacia abajo; no es necesario revestimiento
protector (fig. 10 a la derecha). Luego, el proceso de integración de los chips es
provisto por este tipo de soldadura con un diámetro típico de apenas 100 µm.
Conjuntamente con elementos pasivos del tamaño 0402 (modelo rectangular
más pequeño de SMT 1.0 mm largo, 0.5 mm de ancho) la tecnología FCOB es
el método más moderno para fabricar sensores miniatura de alta calidad para
usos industriales. Las pequeñas conexiones directas de soldadura y la orientación del chip con sus revestimientos del lado de la capa inferior hacia arriba
también mejoran la compatibilidad electromagnética (EMC) del sensor.
Fig. 10:
Sensores parcialmente
ensamblados consistentes
en el núcleo de la bobina
y la electrónica del sensor
(Balluff)
Izquierda: ASIC unidos
Derecha: ASIC ensamblados con tecnología flip-chip
(sin cubierta protectora)
Aplicaciones
14
Los sensores inductivos analógicos de distancia están hechos para la
detección frontal de un objeto a lo largo del eje de simetría de la bobina.
Están calibrados y dimensionados para un acercamiento axial al blanco
de detección estándar en una dirección perpendicular a la cara activa
del sensor. Sin embargo, también es posible el movimiento lateral de
un objeto (que pasa frente a la cara activa del sensor). En el caso de
aproximación lateral la señal de salida del sensor depende de la distancia del objeto a la cara activa del sensor y es también dependiente de las
dimensiones del objeto, por lo que las características del sensor se pueden representar mediante curvas teniendo en cuenta esos parámetros.
La experiencia demuestra que el espectro de aplicaciones posibles crece constantemente. Los ejemplos (fig.11) para la variedad de aplicaciones industriales incluyen:
• Medición del espesor de hoja de papel (a)
• Detección de zonas no-homogéneas en superficies metálicas planas
(agujeros, ranuras, etc.) (b)
• Detección de orientación de pequeñas piezas en inspección de montaje (c)
• Detección de excentricidad
• Operaciones de conteo
• Operaciones de monitoreo
Aproximación axial y
radial
Rango de
aplicaciones
Fig. 11:
Ejemplos de aplicaciones
para sensores de distancia
inductivos
Esto representa solamente un pequeño número de aplicaciones. Para
detectar excentricidad de objetos que rotan (fig. 11d), las levas o los
desbalanceos provocan un cambio periódico en la señal de salida del
sensor. Si el objeto es de rotación simétrica, puede ser centrado usando dos sensores de distancia a 90º.
La sensibilidad del sensor (definiciones y normas estándar, pág. 62)
depende entre otras cosas de las características físicas del objeto;
esto permite discriminar entre diversos materiales (Fig. 11e). A una distancia
constante la señal de salida del sensor es determinada básicamente por el
15
Aproximación lateral
en un plano inclinado
Puntos variables de
conmutación
Fig. 12:
Uso de un sensor de
distancia inductivo miniatura
para monitorear la sujección
en una fresadora.
Representación simbólica:
Dada la distancia entre el
sensor y el plano inclinado
del husillo, uno puede
saber cuando la pieza está
sujetada.
16
material del objeto. Los objetos hechos por el mismo material pero que tienen
distintas alturas tendrán distintos efecto de atenuación y resulta en una diferencia en la señal de salida.
El acercamiento lateral de un plano inclinado (fig. 11f) es un ejemplo clásico de
aplicación para detectar desplazamientos más largos usando sensores inductivos de distancia. Con el sensor dispuesto verticalmente a la base del plano
inclinado, la trayectoria de acercamiento W depende de la distancias y del
ángulo de la inclinación del plano inclinado:
∆s
∆w =
(2)
tan β
Esta función de traslación permite significativos aumentos en la gama de detección, por ejemplo por un factor de 10 donde β = 6.34°. Esta es la base para
el uso tradicional de sensores inductivos de distancia para monitoreo de la
distancia de sujeción en el husillo de la herramienta (fig. 12) y el cilindro que sujeta al objeto. En este caso el objetivo es supervisar si el dispositivo de sujeción
esta cerrado o abierto con o sin herramienta, y en el último caso si el objeto
esta correctamente sujetado. El movimiento rotativo de cierre del dispositivo
de sujeción se convierte en un movimiento lineal a lo largo del eje de la rotación.
La función del plano inclinado es asumida por un cono que está situado en el
eje de la rotación que se mueva hacia el sensor durante la rotación continua.
Como las posiciones finales pueden variar para los diversos objetos y herramientas, el sensor analógico es ideal para este propósito de supervisión. Esta
característica lineal de la curva distancia/salida se puede usar para fijar varios
puntos de conmutación. Esto elimina la necesidad de ajuste mecánico para
el monitoreo de la distancia de sujeción, el cual es particularmente ventajoso
cuando el dispositivo de sujeción esta en una ubicación de difícil acceso.
Medición y conmutación
En muchas aplicaciones existe la necesidad de generar una señal de conmutación en ciertos puntos a lo largo de la curva distancia/salida. Estas señales
de conmutación se utilizan para determinar una posición particular del objeto,
generalmente cuando se ha alcanzado una parte de la máquina.
Una categoría especial de los sensores inductivos de distancia ofrece salidas adicionales de conmutación que se pueden programar usando un procedimiento
teach-in. Paralelo al circuito básico (véase fig. 6) la electrónica del sensor también
contiene un circuito microcontrolador integrado en el sensor para convertir la
señal de salida análoga en tres señales biestables de conmutación del sensor.
Versiones inteligentes
Fig. 13:
Arriba: Puede utilizarse
un proceso de teach-in
en un sensor de distancia
inductivo que tiene salidas
Voltaje Ua [V]
adicionales de conmutación para programar estas
salidas dentro del rango de
medición.
Abajo: Aplicación típica:
Monitoreo del desgaste de
un disco de freno.
Uso
Disco de freno
Ua
Peligro
Aviso
Ventana de trabajo
Distancia s
17
Programando
los umbrales de
conmutación
Los umbrales de conmutación de la conversión analógica-digital son
programables libremente. La programación se logra usando un procedimiento teach-in. Aquí el objeto se mueve sucesivamente a tres posiciones deseadas que cambian dentro del rango de distancia del sensor
(fig. 13 arriba); la secuencia de distancias de conmutación no es crítica.
Mediante la activación temporal usando el control de entrada de programación, los umbrales de conmutación correspondientes se asignan a
las distancias del sistema y estos valores se almacenan en una memoria
EEPROM.
El procedimiento es ayudado por LEDs. Cada salida de conmutación es
asociada a un LED que indica el modo de programación y sirve como
indicador del estado de conmutación durante la operación normal.
Un ejemplo de aplicación con estos complejos sensores se muestra en
la fig. 13 abajo. El espesor de un disco de freno se supervisa continuamente y el desgaste se divide en tres áreas (ventana de trabajo, aviso,
peligro) de operaciones lógicas en las tres salidas del sensor.
Resumen
Compactos, los sensores inductivos de distancia en un solo
componente se identifican por sus muy buenas características y un cociente costo/beneficio favorable. Sus características son en función del tamaño de su cuerpo. En resumen,
se pueden mencionar las siguientes características principales: Rangos lineales hasta 50 mm con un error de linealidad
menor a ±3 % del límite superior (línea de tendencia: línea
de regresión), exactitud de repetición entre ±5 µm y ±15 µm
(aproximación unidireccional o bidireccional), límite típico de
resolución ±0.1 % del límite superior. Con frecuencias de corte
hasta 1 kHz, clase de protección IP67 y clase del aislamiento
II son los ideales para aplicaciones industriales.
18
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19
Sensores de desplazamiento
Magneto-inductivo
Cuando la distancia de medición lineal está comprendida entre los 20
a 200 mm aproximadamente, no ha habido alternativa, sin contacto, al
potenciómetro lineal. La mayoría de los usuarios han debido someterse
al tamaño del cuerpo, a la longitud del rango de trabajo del sensor, a la
limitada vida útil o al costo excesivo.
Los sensores de desplazamiento magneto-inductivo llenan este espacio.
Principio de medición
Elemento de sensado
Fig. 14:
Resultado de simulación:
Representación 3-D del
espectro de la densidad
de flujo magnético sobre
la superficie del film del
elemento de sensado; el
cursor en este caso es un
imán cilíndrico con magnetización axial de 10mm
de diámetro y a 3mm de
distancia al film.
20
Los sensores de desplazamiento magneto-inductivo (SmartSens®) operan sin contacto físico y detectan la ubicación de un cursor magnético
permanente con respecto a la superficie activa del sensor. El cursor actúa
localmente sobre una película magnética, simulando un núcleo en una
bobina plana excitada con corrientes de alta frecuencia, la cual causa
una localización dependiente del cambio de la inductancia en la bobina,
que luego será procesado por la electrónica del sensor. Este principio de
operación, así como también la construcción del elemento de sensado le
da al sensor una ventaja sobre otros diseños similares.
Cuando el cursor esta ubicado sobre el elemento de sensado, el primer
campo magnético causa una saturación local de la capa independientemente de la dirección de la magnetización. La Fig. 14 muestra la zona
saturada por un imán cilíndrico con magnetización axial. Dentro de la zona
saturada, la conductividad magnética (permeabilidad) en la capa disminuye hasta que esta propiedad queda totalmente ausente. Este punto de
cambio actúa como la reducción del tamaño del área en la capa, por lo
tanto disminuye la inductancia en la bobina. El cambio en la inductancia
Densidad
de flujo B [T]
Fig. 15:
Banda
Blanco magnético
Elemento de sensado y
Bobina plana en PCB
Oscilador
•
•
Oscilador
Push/pull
Compensación
de temperatura
Interfase
•
•
•
Elemeto de sensado
Parte delantera
bloque esquemático de la
Rectificación
Acondicionamiento de la
señal
Acondicionado de cero y
punto final
Estado final
•
•
•
•
Tensión de
alimentación
Amplificación
de la señal
Señal de salida
Funciones de
protección
electrónica del sensor de
desplazamiento magnetoinductivo (Balluff)
Parte trasera
es directamente proporcional a la sección del área de la zona saturada
y la cara de la bobina esta situada debajo de ella. A medida que el cursor se desplaza, las dimensiones de la zona saturada permanecen casi
constantes. Si la geometría de la bobina cambia sobre el camino de la
medición, el resultado es el cambio de la localización del imán respecto
del cambio de la inductancia y por eso hay clara correlación entre la inductancia y el desplazamiento del objeto [11].
Funcionalidad y construcción del sensor
Los sensores de desplazamiento magneto-inductivo son un sistema de
componentes simples que contienen el ya mencionado elemento de
sensado y un procedimiento electrónico integrado dentro del sensor
(Fig. 15). Las principales funciones de esta electrónica son la excitación
de la bobina del elemento de sensado y simultáneamente la medición de
la inductancia en la parte delantera así como la señal (producto de esta),
condicionando y generando una señal estándar de salida del sensor en
la parte final.
Bobina plana impresa
Elemento de sensado
Una bobina plana no es una bobina de alambre sino que es una bobina
impresa en una placa portadora dieléctrica (Fig. 16). Su inductancia es determinada por la geometría de la bobina y es constante, aún bajo las influencias del ambiente como por ejemplo, un cambio de temperatura. La
construcción de una bobina plana aumenta significativamente la fiabilidad
del sensor particularmente en aplicaciones industriales con fuertes choques
y vibraciones. También reduce considerablemente los costos de producción.
El proceso fotolitográfico para la fabricación de circuitos impresos, representa actualmente la mejor tecnología para fabricar excelentes estructuras de
bobina, flexibles y muy pequeñas.
21
Fig. 16:
Bobina plana de un
sensor de desplazamiento
magneto-inductivo (Balluff);
bobinado triangular en forma de espiral, utilizado para
generar una dependencia
de la ubicación del cursor
con la señal de salida del
sensor.
Diseño de la
estructura del
elemento de sensado
Evaluación
El núcleo esta hecho de una membrana altamente permeable (µr > 1),
delgada y flexible, la cual es adherida en los dos lados de la bobina
plana. La membrana aumenta la inductividad del elemento de sensado.
Esto se aplica por supuesto, solamente a los sensores no actuados, por
ejemplo, sin cursor magnético permanente dentro del rango de trabajo
del sensor. En el estado actuado la inductancia es reducida en función
del desplazamiento tal como la saturación descripta anteriormente.
La gran ventaja de una estructura plana de capas para el elemento de
sensado es que la posición del cursor puede ser completamente identificada en una de las caras del mismo dentro del rango de trabajo. Los
parámetros del sensor, especialmente un error de linealidad, pueden
ser optimizados a través del diseño de estos elementos. Una solución a
tener en cuenta es la bobina plana en forma triangular con varias vueltas,
en una misma superficie, y la delgada membrana magnética rectangular.
Electrónica del sensor
El oscilador armónico en la etapa de captación suministra al elemento
de sensado una corriente de alta frecuencia (f < 1 MHz); su señal de
salida es una tensión de corriente alterna a la misma frecuencia cuya
amplitud se define con la posición del cursor en el rango de trabajo del
sensor. Usando un procedimiento diferencial con un oscilador push-pull
[12] el efecto de medición es duplicado y con él, el EMC (campo electro
magnético) del sensor. Al mismo tiempo se suprimen efectos comunes,
como cambios de temperatura en el ambiente o la presencia de material
no ferroso en el espacio entre el cursor y la cara activa del sensor.
El método de procesamiento de medición de inductancia combinado
con el procedimiento diferencial permite detectar al cursor no sólo a
través de medios aislantes como aire, plástico, vidrio y líquidos, sino
que también a través de paredes hechas de metales diamagnéticos o paramagnéticos. La pérdida de alta frecuencia en este medio es compensada
de tal forma que las características y propiedades dinámicas del sensor se
mantengan virtualmente sin cambios.
22
Tensión de salida Ua [V]
Error de linealidad [% FS]
Fig. 17:
Salida característica y curva
del error de linealidad de un
sensor de desplazamiento
magneto-inductivo (Balluff);
el punto cero en el gráfico
corresponde a la mitad del
rango de medición (longitud
160mm) el cual se indica en
Rango de trabajo [mm]
el cuerpo del sensor
Linealidad
Para reducir la influencia térmica el oscilador tiene un control proporcional e
integral de la amplitud con compensación de temperatura.
Un correcto diseño del elemento de sensado permite obtener el menor error
lineal de la curva característica (Fig. 17) de tal manera que no es necesario un
ajuste de línea en la electrónica del sensor. Esto reduce la complejidad electrónica del sensor. La amplitud de señal de salida del oscilador se comporta
directamente proporcional con la distancia de desplazamiento y demuestra una
destacada supresión de los efectos antes mencionados. Esta señal es convertida en la interfase de salida, en tensión de CC usando un rectificador de precisión.
El acondicionamiento de señal consiste en la amplificación y compensación de
la misma. Debido a la alta frecuencia de excitación del elemento de sensado,
la señal de salida del oscilador genera altas frecuencias. Para convertir esto en
CC, son necesarias pequeñas constantes de tiempo en el circuito rectificador.
Estos no resulta en tiempos de retraso al final. Estos tiempos no tienen efecto
en la dinámica del sensor. El objetivo principal del acondicionamiento de señal es generar salidas estándar del sensor para un rango específico, por ejemplo,
Ua = 0… 10 V ó Ia = 4… 20 mA. En el ejemplo, la desviación debida a las tolerancias
mecánicas y de los componentes del armado del sensor es compensada por
ajustes de punto cero y punto final. Para este propósito, el sensor tiene, dependiendo de la versión, dos potenciómetros miniatura (para ajustes manuales
durante la fabricación) o dos microcontroladores basados en potenciómetros
electrónicos (para procesos teach-in). Las funciones para la etapa final están
integradas como interfase entre la electrónica del sensor y su aplicación externa,
por ejemplo, entradas analógicas de un PLC (controlador lógico programable),
representado por resistencias de carga RL1 y RL2 en la figura 15. Para este
propósito se coloca reguladores de voltaje los que estabilizan el abastecimiento
de tensión de la parte delantera con tensión constante. Esto significa que el
sensor puede ser operado en el rango de 15 a 30 V para la versión de salida de
tensión, o de 10 a 30 V para los tipos de salida de corriente. La etapa final provee
al mismo tiempo una señal de tensión y corriente las cuales pueden ser procesadas convenientemente. Esta última etapa, también incorpora las funciones de
protección del sensor tales como protección contra corto-circuito y protección
contra inversión de polaridad.
Señales de salida del
sensor estándar
Tensión de
alimentación
23
Fig. 18: Elemento sensor
plano (placa horizontal) y
placa electrónica vertical de
un sensor de desplazamiento magneto-inductivo
Gran rango de trabajo
Fig. 19:
Sensores de desplazamiento magneto-inductivo
y distintos elementos de
montaje
24
Configuración Mecánica
La figura 18 muestra uno de los tipos de sensores de desplazamiento magneto-inductivo así como también su construcción interna. Las
partes visibles son el elemento horizontal de sensado y directamente
relacionado la placa electrónica vertical del sensor. Esta versión tiene
un rango de sensado de 60 mm, tiene 95mm de largo, 15mm de alto
y 15mm de ancho. Una versión extendida del sensor tiene 230 mm
de largo con la misma altura y espesor y un rango de sensado de 160
mm. Gracias al compacto diseño del sensor y a la variedad de roscas
integradas y elementos disponibles de montaje (fig. 19), los sensores
pueden montarse mecánicamente con diferentes configuraciones. El
sensor esta completamente preparado para que fácilmente cumpla con
los requerimientos de la protección IP67.
Aplicaciones
Los robustos sensores magneto-inductivo proveen una señal de salida
proporcional absoluta y continua y, gracias a sus compactas dimensiones,
son fáciles de integrar en distintas aplicaciones. Es amplio el espectro del
rango de aplicaciones típicas, desde robots manipuladores ó de transporte y tecnología para dosificación y tareas de medición de flujo [13].
Un análisis de aplicación requiere mostrar un alto potencial de integración
del sensor. Considerando el sensor como un compacto sistema de tres
componentes; cursor, hardware del sensor y el software de procesamiento, uno reconoce varios niveles de integración orientado a cada aplicación
comenzando por componentes estándar y finalizando en aplicaciones específicas de configuración para estos tres elementos. La versión estándar
(ver fig. 19) se ajusta particularmente para aplicaciones de integración de
primer nivel. El cursor estándar es un imán permanentemente axialmente
magnetizado (ferrita sólida) con forma cilíndrica (diámetro y altura de 10
mm) el cual puede integrarse dentro de un objeto de detección o instalado
dentro de un cuerpo plástico. La fig. 20 muestra la orientación estándar del
cursor con respecto a la superficie activa del sensor. El eje de simetría del
cursor es vertical a esta superficie y el imán se mueve en la dirección X a lo
largo de la superficie activa del sensor (paralelo y colineal al plano). El espacio entre la superficie del cursor y la superficie activa del sensor es de 2mm
(densidad típica del flujo magnético: 30 a 50mT). Todos los parámetros del
sensor están especificados de acuerdo a estas condiciones.
Una ventajosa propiedad del sensor de desplazamiento magneto-inductivo
es su gran tolerancia a desviaciones en las direcciónes (Y) y (Z). Fluctuaciones en la separación especificada o desviaciones en la colinealidad causan pequeños cambios en los parámetros eléctricos del sensor. Partiendo
de que el desplazamiento del sensor esta basado en la saturación de la
membrana del elemento de sensado, el tipo de magnetización del cursor
y su orientación son de menor significado. Se han logrado resultados muy
positivos en aplicaciones con cursores que se mueven colinealmente al
borde del sensor y paralelamente al plano, hacia cualquier extremo deseado del mismo (actuando a lo largo de la longitud en dirección X, fig. 20).
Capacidad para una
alta integración
Alineación estándar
del cursor
Fig. 20:
Orientaciones posibles
para un cursor: Actuación
a lo largo de la superficie
activa (estándar) y un cursor
desplazándose lateralmente
(cursor mostrado con líneas
de puntos)
25
Cursor con
orientación
alternativa
Sensado a través de
materiales
Fig. 21:
Medición de flujo ó
nivel usando un sensor de
desplazamiento magnetoinductivo
26
La experiencia demuestra que la colinealidad con el borde del sensor
no es imprescindible. Se han logrado buenos resultados con la configuración que se observa en la figura 20 cuando el cursor realiza un
movimiento que hace pivotar sobre un arco. Cuando el cursor esta mecánicamente vinculado a un brazo con mango rotativo, un rango del
ángulo de rotación entre -30º y +30º puede ser convertido con repetición
de alta exactitud y alta linealidad a una señal de salida eléctrica a través
del óptimo diseño de una traslación mecánica.
La habilidad de detectar objetos de imán permanente a través de un
medio aislante o aún a través de metales no ferrosos ha contribuido
al amplio uso de los sensores en un segundo nivel de integración. La
figura 21 muestra una aplicación de medición de flujo ó nivel.El líquido
fluye de manera ascendente a través del tubo cónico de vidrio y eleva el
flotante en el cual el imán permanente está incrustado. La señal de salida
del sensor de desplazamiento magneto-inductivo es una medición del
flujo ó nivel.
Dado que el sensor magneto-inductivo puede “ver” a través de los materiales no ferromagnéticos, son ideales para el uso en cilindros neumáticos (Fig. 22).
Uso en cilindros
neumáticos
Fig. 22:
Sensando la posición
del pistón en un cilindro
neumático usando un
sensor de desplazamiento
magneto-inductivo
Un anillo magnético alojado en el pistón sirve como cursor permitiendo
simular un sensor estándar. La fuerza del campo de este anillo magnético probablemente difiere en gran forma con el cursor estándar. El
sensor puede ser ajustado como se necesite. Los antes mencionados
elementos de ajuste ya sea por procedimiento manual o teach-in, permiten a uno establecer la sensibilidad deseada para las características
de la curva del sensor. Las versiones de sensor con imán de detección
adicional puede señalar que el pistón ha dejado el rango de trabajo en
dos formas: las señales de salida de repente cambian a valores que
exceden el límite mayor (generalmente 11 V ó 22 mA), y el LED indicador
se enciende.
27
Resumen
Con un error de linealidad no menor a ±1.5% y una exactitud de repetición mejor que ±0.1% los sensores de desplazamiento magneto-inductivo son la posible solución con la
mejor relación costo beneficio. El sensor trabaja a velocidades de hasta 5 m/s aproximadamente con insignificante
error de retraso. Por lo tanto, son ideales para aplicaciones
dinámicas.
Notas: _____________________________________________________________________
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Notas: _____________________________________________________________________
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Sensores de distancia
Optoelectrónicos
Fig. 23:
Los Sensores de distancia optoelectrónicos estan diseñados para proveer
una señal de salida que sea proporcional a la distancia del objeto independientemente, si es posible, del color, la reflexión o la composición de la superficie del blanco de detección.
Existe una variedad de técnicas diferentes para diseñar sensores de distancia
optoelectrónicos. Los métodos más utilizados son: triangulación y medición
de tiempo-de-vuelo. Los elementos esenciales para el funcionamiento de un
sensor de distancia optoelectrónico se pueden observar en la fig 23.
Recorrido de la señal en un
distancia.
Generador de señal
Emisor de luz
Amplificador
Receptor de luz
Procesador
Ópticas de emisor
y receptor
sensor optoelectrónico de
Blanco
Señal de salida ~ S
Fundamentos
Los componentes semiconductores estándar son utilizados como emisores y
receptores (detectores). Esto convierte la energía eléctrica en luz (emisor) y la
luz de vuelta en energía eléctrica (receptor).
Diodos emitiendo luz
Diodos láser
30
El emisor
En general los LED se utilizan como fuentes de luz para sensores binarios de
distancia optoelectrónicos. El diodo trabaja emitiendo hacia adelante una luz en
un rango espectral particular; puede ser una luz roja (visible) o infrarroja (invisible).
En general el diodo es encapsulado en cuerpos de plástico. La superficie del
cuerpo actúa como una lente, la cual envuelve la luz y por ello hace un efecto
de direccionamiento.
Debido a los altos requerimientos de la industria, el sensor de distancia optoelectrónico usa, cada vez más, un diodo semiconductor láser como fuente de luz.
El haz de luz que se emite desde el diodo láser permite la detección de los
objetos con una gran precisión. El láser de luz roja añade la ventaja de la fácil
visualización, por el ojo humano, cuando se deben alinear los sensores a grandes distancias.
Los diodos láser que están disponibles comercialmente tienen una estructura
como lo que muestra en la figura 24. El corazón de los componentes es un
cristal (chip láser) compuesto de varias capas. El cristal láser esta adherido a un
bloque de metal el cual disipa el calor resultante. Cuando se aplica tensión, una
Fig. 24:
Representación esquemática de un diodo láser
1: Ventana de vidrio
2: Cuerpo
3: Chip láser
4: Disipador de calor
5: Diodo monitor
corriente fluye verticalmente hacia las capas, lo que genera fotones (quantos
de luz) análogos hacia el LED.Cuando se excede el umbral de corriente,
se emite en lo alto de la capa que envuelve la barrera una luz amplificada
a través de la emisión estimulada. La onda de luz que viaja en esta capa
es reflejada parcialmente fuera del extremo brilloso y espejado. La onda
reflejada es nuevamente amplificada en la capa, resultando en la actual luz
láser – radiación de una longitud de onda y localización de la fase. Ella sale
por la superficie frontal (generalmente 1 x 3 µm² ) con gran luminancia. En la
dirección opuesta la luz láser choca con el diodo monitor el cual mide constantemente el flujo luminoso, de esta manera permite que la corriente del
chip láser sea regulada para mantener constante la potencia de radiación.
Fig. 25:
Sensor de distancia optoelectrónico láser clase 2 que
utiliza medición por tiempode-vuelo (ver Fig. 30)
31
Formación del rayo
en sensores láser
Clases de láser
Fotodiodo
Avalancha de
fotodidodos
Elemento PSD
El rayo láser que sale por la ventana de vidrio en el frente del cuerpo,
tiene un ángulo cónico generalmente de 10º a 30º para los diodos láser
comercialmente disponibles. Para obtener un rayo paralelo o enfocado
es necesario adaptar una lente de precisión con estricta tolerancia para
el diodo láser.
La gran luminosidad del rayo láser indica ampliar la necesidad de tomar
medidas apropiadas de seguridad cuando se lo utiliza en sensores. La
norma EN 60825-1 define el valor límite máximo permitido de la luz de
salida emitida, así como también las acciones de protección requeridas
y la señalización para estos dispositivos. Los sensores de distancia optoelectrónicos generalmente utilizan láser clase 1 ó 2 (Fig. 25).
El receptor
Los fotodiodos son utilizados en gran número como receptores de luz
en los sensores binarios. Cuando la luz impacta en el diodo, una corriente inversa bias tipo ensamble-pn provee una señal fotoeléctrica. Esto
consiste en cambios en la capa de la barrera debido a la generación de
pares electrones-agujeros.
El efecto avalancha de fotodiodos (abreviado APD) es especialmente
útil para mediciones de alta sensibilidad y modulación de frecuencias
como las requeridas en la medición del tiempo-de-vuelo. Se logra un
alto grado de amplificación interna usando un alto voltaje para acelerar
la carga del portador descargado a través de la luz y de esa forma son
generados más pares de electrón-agujero en avalancha.
El elemento PSD (detector sensible de posición) es un diodo de efecto
lateral con una extendida superficie sensible a la luz. El rayo de luz reflejada en esta superficie genera una corriente total I, la cual es dividida
en dos corrientes parciales I1 e I2 (Fig. 26). El cociente de esta corriente
parcial es determinado por la ubicación X del punto de incidencia.
Asumiendo que la superficie activa tiene una longitud total L, entonces:
Punto de incidencia
I1 – I2
L – 2x
=
I1 + I2
L
(3)
Podemos determinar la posición del punto de incidencia, a través de la
medición parcial de la corriente. El cociente (ecuación 3) significa que el
resultado no depende en la intensidad de la luz y tampoco de la reflexión
de la superficie del objeto. En cambio la distribución espacial determina
esa relación. El efecto lateral del diodo reacciona en el punto donde incide la luz y puede ser usada como un elemento de sensado para objetos
por técnica de triangulación.
32
Luz
Fig. 26:
Plano de detección
Estructura esquemática
y funcionamiento de un
elemento PSD.
L: largo de la superficie
activa
x: Ubicación del punto de
incidencia de la distribución de la intensidad
Los dispositivos de carga acoplada (CCD) consisten en un conjunto regular de
fotodetectores (Fig. 27). Se conecta un capacitor a cada detector. La presencia
de luz causa una separación de carga en los fotodetectores. Los electrones
liberados cargan el capacitor asociado. Un pulso de control transmite los paquetes de carga a un registrador de cambio. La distribución de la carga en el
registrador de cambio corresponde a la distribución de la intensidad de la luz a
lo largo del CCD de la forma que esta llega durante el tiempo de exposición.
La señal del control también sirve para descargar los detectores, los dispositivos CCD quedan listos para otra exposición. Al mismo tiempo el reloj de cambio dentro del registrador causa un transporte de carga acoplada escalonado,
de todos los paquetes de carga de un elemento al siguiente. La distribución
de carga alimenta a un amplificador de salida. El siguiente microcontrolador
analiza la distribución de la luz. Los dispositivos CCD son utilizados en sensado
por triangulación.
Disposición CCD
Fig. 27:
Construcción esquemática y
función del dispositivo CCD
Luz
Máximo principal
Distribución de la
intensidad
Submáximo
Amplificador
Fotodetector
Reloj de control
Microcontrolador
Reloj de cambio
Registrador de cambio
33
Zona ciega
Ópticas de
autocolimación
Ópticas
Las ópticas del emisor y receptor del sensor de distancia optoelectrónico consisten generalmente en lentes de plástico o de vidrio. La forma y
disposición del lente varía con la principal función y el rango de sensado.
El área en frente del sensor en el cual este no puede proveer una señal
de salida, se llama zona ciega. El tamaño de la misma es determinado
principalmente por la construcción del eje óptico del emisor con respecto al eje óptico del receptor. Cuanto mayor sea la distancia entre el
emisor y el receptor óptico, mayor será la zona ciega. Sin embargo, el
rango y la capacidad de resolución máxima aumentan con la distancia
entre el emisor y receptor (longitud base B) (ver Sensado de distancia
Basada en Triangulación en la página 35).
Con ópticas de autocolimación, los ejes ópticos del emisor y receptor
son idénticos. Este sistema es implementado a través de una óptica
compuesta con diodo láser en el centro o a lo largo de la óptica del
receptor o utilizando un espejo semi-reflectivo y lentes (Fig. 28).
Las ópticas de autocolimación eliminan la zona ciega con la excepción
de los sensores con tecnología de medición tiempo-de-vuelo que, debido al extremadamente corto tiempo de propagación, no permiten una
evaluación del área cercana.
Fig. 28:
Óptica de autocolimación
Emisor
Espejo semi-reflectivo
Blanco
Receptor
Rango máximo
34
La exactitud de los resultados de medición estan determinados por la relación entre la potencia de la señal con la que llegan al componente detector y
el componente de ruidos de los componentes de sensado. Se logran grandes rangos de sensado por permitir al emisor irradiar a su máxima potencia
posible y mantener las pérdidas ópticas entre el emisor y el receptor tan
pequeñas como sea posible, así como también usando componentes de
alta sensibilidad del lado del receptor.
Las pérdidas ópticas dependen de la reflexión dependiente de la longitud de
onda (remisión) y la composición de la superficie de los objetos. A grandes
rangos (gran distancia desde los objetos) uno debe considerar también que la
luminancia reflejada difusamente desde un objeto disminuye con el cuadrado
de la distancia del mismo.
Cuanto más grande sea el diámetro del lente del receptor, mayor luz es captada. Por razones de volumen y peso estos son a menudo lentes Fresnel.
Sensado de distancia Basada en Triangulación
El principio de triangulación es conocido en la metrología geodésica.
El objeto a ser medido es visto por dos puntos fijos cuya línea base de
distancia es conocida: A partir de proporciones geométricas, la distancia
hasta el objeto a ver se puede determinar definitivamente.
En triangulación láser (Fig. 29) el rayo láser es dirigido al objeto a medir.
La luz reflejada difusa desde el punto de incidencia es representada en el
plano de detección a través de receptores ópticos. El detector determina el mayor valor de la distribución de intensidad. La ubicación x
Reflexión difusa
Fig. 29:
Arriba: El principio de
triangulación
Emisor
Abajo: Distribución de la
intensidad de la luz en
un plano de detección a
objetos a distinta distancia
Plano de detección
(Resultado de una simu-
Intensidad lumínica
lación)
del punto focal, la línea base B y la distancia F del plano del detector son
utilizados para conocer la distancia s del objeto:
F
s=B.
(4)
x
Distancia del objeto
por triangulación
Debido a la relación no lineal entre x y s la curva de salida tiene que
ser linealizada. Esto generalmente se logra por medio de un poderoso
microcontrolador.
Se utilizan como detectores elementos PSD o dispositivos CCD. Los
elementos PSD se caracterizan por su alto dinamismo. Para determinar
el punto de concentración de la distribución de luz, ellos proveen solamente un único punto de información.
Por otra parte, los conjuntos CCD analizan la distribución de la luz permitiendo la identificación y filtrado de interferencias de reflexión de luz (sub35
máximo en la curva de intensidad de la luz, ver figura 27) de esta manera
se asegura un procedimiento mas preciso y libre de interferencias.
Sensado de distancia Basada en Tiempo-de-Vuelo
En este principio de medición el sistema emite una señal de luz el que es
reflejado por el objeto y recibido por el detector. El tiempo transcurrido t
es una medida de la distancia s al objeto. Si la luz pasa a través del medio, como un líquido, la velocidad es reducida por el índice de refracción
n comparado con la velocidad de la luz en el vacío c. Para una luz roja de
diodo láser con una longitud de onda de 685 nm, entonces n = 1 en el aire y
n = 1.3 en el agua. La distancia del objeto es calculada en general por:
s=
Distancia a objetos
mediante tiempo-devuelo del pulso
Fig. 30:
t . c
2 n
(5)
Para obtener distancias desde unos pocos centímetros hasta 10 m y
además resolución de unos pocos milímetros, es necesario utilizar un
semiconductor láser rápido modulado para generar la luz y detectores
rápidos para capturar la luz. Se usan dos diferentes técnicas para medir
tiempo-de-vuelo, los que difieren en la forma de la onda de luz: tiempode-vuelo del pulso y tiempo-de-vuelo de la fase.
Diodo láser emisor
Blanco
Funcionamiento y señales
de la medición por tiempode-vuelo del pulso
Señal de inicio
Reloj electrónico
Señal de mascara
Señal de parada
Señal de AF
Distancia s
Alimentación de
alta tensión
Señal de inicio
Señal de parada
Tiempo de
retardo t
Señal de enmascarado para objetos
distantes
Señal de onda cuadrada para medición de
tiempo en función de la
distancia
Tiempo
36
Acond. de la señal
Señal de salida
Tiempo-de-vuelo de Pulso
En el tiempo-de-vuelo del pulso, son generados pequeños pulsos de
luz de unos nanosegundos de duración (correspondientes aproximadamente desde 0.5 a 1 m de largo) en el diodo láser de alto índice de
repetición (hasta varios Megahertz). Midiendo directamente el tiempode-vuelo se obtiene la distancia al objeto de acuerdo a la ecuación 5. A
medida que el pulso de luz es enviado, una señal interna comienza como
una señal interna de reloj (Fig. 30) Tan pronto como el pulso de luz vuelve al receptor, el reloj se detiene y evalúa. Las señales que son reflejadas
desde objetos distantes son enmascaradas por una señal interna.
Tiempo-de-vuelo de Fase
El método de tiempo-de-vuelo de fase (Fig. 31) emplea un rayo de luz
modulado y continuo. Un cambio en la fase ϕ = 2π . t/T en un período T
de la modulación de la señal, entre la onda de la luz emitida y la detectada, la cual esta directamente relacionada con el tiempo-de-vuelo t (de
la ecuación 5) se obtiene la distancia del objeto:
Fig. 31:
Principio de medición
mediante tiempo-de-vuelo
Emisor
de la fase
Detector
de fase
Receptor
Acondicionado
de señal
Señal
de salida
s=ϕ.c.
T
4π . n
(6)
Distancia a objetos
mediante tiempo-devuelo de la fase
Si el tiempo-de-vuelo es mayor que el período de modulación de señal, aparecen problemas de ambigüedad, los cuales se pueden superar
usando técnicas similares a la tecnología de radar, como por ejemplo la
modulación de la frecuencia.
Aplicaciones
Los continuos progresos y mejoras en la tecnología de los sensores de
distancia optoelectrónicos han perfeccionado su seguridad operativa.
Los efectos ambientales como la contaminación y la perdida luz se convirtieron en un problema menor. Las posibilidades de aplicación para
los desafíos en automación son virtualmente ilimitados, algunos de los
cuales serán mencionados aquí (Fig. 32):
37
Fig. 32:
Aplicaciones típicas para
sensores de distancia
optoelectrónicos
a) Medición de distancias
b) Determinación de
contorno
c) Medición de espesores
d) Sensado de nivel
Áreas típicas de
aplicación
Montaje de asientos
para automóviles
38
• Monitoreo de distancia y posición (distancia, altura, medición de
nivel)
• Discriminación del contorno en objetos que se mueven en inspección
de calidad o para clasificar de acuerdo a criterios varios
• Medición de espesor o volumen en madera, hojas de metal u otros
materiales, mediante diferencial de valores obtenidos desde sensores
opuestos
• Verificación de posición de herramientas, especialmente pequeñas
partes detectadas a grandes distancias
• Medición de tolerancias en producción (acabado, geometría)
• Determinación de ubicación de piezas
El siguiente es un ejemplo representativo de las diferentes posibilidades
de aplicación:
Como parte de la inspección de calidad final para armado de asientos
de automóviles, ambas, la posición del asiento y el respaldo necesitan
ser corregidas a una determinada posición para la conducción. Esta
tarea se realiza con dificultad debido a los diferentes colores y superficies
del tapizado del asiento. El espectro es amplio, desde tela negra hasta
cuero claro y brillante. Este problema es resuelto usando un sensor de
distancia el cual mide a través tiempo-de-vuelo de pulso (Fig. 33). Después de la instalación en el vehículo, el asiento se mueve a una posición
predefinida. Esta posición es verificada del mismo modo por los sensores de distancia optoelectrónicos.
Fig. 33:
Función de chequeo en
montaje de asientos en una
automotriz
Resumen
El espectro del rango de sensores de distancia optoelectrónicos
va desde sensores miniatura para detectar distancias en áreas
de espacios reducidos hasta sensores muy potentes, los cuales
proveen señales precisas de salida aún a grandes distancias. El
rango de medición de distancia es generalmente desde 30 mm
a 30 m con una resolución límite desde unos pocos micrómetros hasta 5 mm. Otra característica para sensores de distancia
optoelectrónicos es que incluyen un error lineal de menos de
1%, repetibilidad ±0.15%, clase de protección IP67, clase de
aislamiento II, y frecuencias de operación hasta 1 kHz.
Parámetros más
importantes
Notas: _____________________________________________________________________
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39
Transductores de Desplazamiento
magnetoestrictivo
Los sensores lineales de desplazamiento basados en el principio de la magnetoestricción, usualmente denominados transductores, tienen propiedades fundamentales para uso industrial, como su funcionamiento sin contacto y libre de
desgaste. Esto permite al elemento de sensado ó cursor, estar integrado en un
cuerpo sellado herméticamente, porque la información de su posición se manifiesta cuando el campo magnético del cursor penetra en el cuerpo estanco hasta
el interior del sensor. Es típico para estos elementos que cuenten con grado de
protección IP67 ó IP68 sin que esto implique cuestiones constructivas laboriosas,
que sean caros ó propensos a tener defectos.
Fundamentos físicos
Definición
Efecto de la
magnetoestricción
positiva
Fig. 34:
Efecto de la magnetoestricción positiva en la geometría de un cubo.
40
Magnetoestricción
Magnetoestricción (del latín strictio que significa constricción) se define como
cualquier cambio en las dimensiones geométricas de los cuerpos por aplicación
de un campo magnético. Los efectos pueden clasificarse como cambios de forma sin variación en el volumen y cambios de volumen sin variación en la forma.
Si el cuerpo sometido a un campo magnético externo se acorta en dirección a
la magnetización, entonces uno habla de magnetoestricción negativa; el efecto
opuesto es la magnetoestricción positiva [14]. Las aplicaciones prácticas son dominadas por la forma de la magnetoestricción.
La figura 34 muestra la forma positiva de la magnetoestricción de un cubo causado por la presencia de un campo magnético que tiene un campo de fuerza
H. El resultado es un incremento longitudinal en dirección a la magnetización M,
mientras perpendicularmente a la magnetización el cuerpo se encoge. El cuerpo
se extiende en dirección a las líneas del campo magnético. El efecto magnetoestrictivo es especialmente pronunciado en metales tales como el hierro, cobalto,
níquel, y esto permite por la magnitud y dirección del efecto, ser fuertemente
dependiente de la composición de la aleación.
Como el efecto piezoeléctrico, el efecto magnetoestrictivo es reversible. La deformación elástica de un cuerpo magnetoestrictivo en la dirección apropiada resulta
en un cambio en la magnetización remanente el cual puede ser detectado por
medio de la inducción de la bobina.
Efecto reversible
Ondas torsionales
La magnetoestricción puede ser utilizada para generar ondas torsionales en
cuerpos tubulares o alambres; este es el prerrequisito básico para el diseño de
los transductores de desplazamiento magnetoestrictivo. La figura 35 muestra la
construcción principal: un conductor eléctrico esta enhebrado a través de la longitud de un tubo hecho de material magnetoestrictivo. Las líneas imaginarias de textura del tubo están destinadas a facilitar la descripción del principio de operación.
Fig. 35:
Tubo magnetoestrictivo
con un conductor de cobre
enhebrado y elementos
magnéticos permanentes
adyacentes.
Uno ó más imanes permanentes son ubicados alrededor de la circunferencia
del tubo. Lo relevante aquí son solamente las líneas de campo de estos imanes
permanentes Hp los cuales están aplicadas en la pared del tubo y se mueven
en dirección axial. Si una corriente I es enviada a través del alambre conductor,
un campo electromagnético rotativo es generado alrededor de él (Fig. 36). La
mayoría de este campo magnético es también generado en la pared del tubo,
representado por el vector HI. La interacción de estos dos campos resultan
en el campo magnético HRES. Idealmente la fuerza de los campos se eligen
de manera tal que HRES esté desviado 45º aproximadamente con respecto
a Hp. Dado que el tubo es de material magnetoestrictivo positivo, este material
incrementa su longitud en dirección del campo magnético resultante. Se forma
un área en forma de anillo, el cual esta ligeramente torcido con respecto al resto
del tubo, ilustrado aquí por la deformación de la línea de textura imaginaria.
41
Fig. 36:
Aplicando un pulso de
corriente se induce una
deformación torsional
elástica por medio de la
magnetoestricción
Generación de la
onda de torsión
Velocidad de propagación
Inmunidad al ruido
42
Para generar la onda deseada la torsión es inducida por un pulso corto de corriente de solamente unos microsegundos de duración el cual
luego es inmediatamente apagado. Este proceso puede ser comparado
con la generación de la onda transversal en una cuerda tensionada y
por rápidos movimientos hacia arriba y hacia abajo. Como la experiencia
muestra, el tiempo de la secuencia de los movimientos hacia arriba y
hacia abajo determina la amplitud de la onda de la cuerda. Aquí también
una secuencia exacta de extremos positivos y negativos del pulso de
una corriente disparada, es decisiva para la amplitud de la onda.
La figura 37 muestra la secuencia de inicio y fin de la onda torsiónal, así
como también el resultado de la propagación de la onda. Las ondas
torsionales viajan desde el punto de origen en ambas direcciones hasta
el final del tubo. Su velocidad de propagación es calculada desde el
módulo de corte G y la densidad ρ del material magnetoestrictivo:
ν=
√
G
ρ
(7)
La velocidad de propagación para los transductores de desplazamiento
magnetoestrictivos es de 2850 m/s. La aleación seleccionada hace que
esta velocidad sea independiente de la temperatura.
Es importante notar que a diferencia de las ondas transversales, las ondas torsionales no pueden ser generadas desde el exterior por un golpe
o una vibración. Este es el factor clave en la integridad de la señal de los
transductores magnetoestrictivos.
Fig. 37:
Propagación de la onda
torsional
a) Condición inicial: El tubo
es magnetizado solo
donde se encuentra el
imán permanente.
b) Se aplica un pulso de
corriente. Los campos
magnéticos del imán
permanente y el del pulso
de corriente interactúan.
La torsión magnética se
ha formado totalmente.
c) La corriente desaparece.
La torsión se atenúa
primero en el centro y
comienza la propagación
de la onda.
d) La onda torsional se
propaga en ambas direcciones con una velocidad
ν = 2850 m/s.
Principio de medición y construcción del sensor
La idea básica para los transductores magnetoestrictivos lineales y sin contacto es simple. La onda torsional generada en un tubo ubicada en la zona
donde se magnetiza, viaja en ambas direcciones hasta el final de ese tubo.
En uno de los extremos del tubo la onda es despreciable; allí un elemento de
amortiguación previene que esta se refleje en el extremo del tubo y la onda
regrese en la otra dirección. Hacia el otro extremo esta ubicado un detector
en la forma de una bobina de inducción el cual sensa el arribo de la onda
torsional (efecto magnetoestrictivo inverso). El tiempo entre la generación
de la onda (en el mismo instante en que el pulso de corriente es generado)
y su detección por la bobina es determinado usando mediciones de tiempo-de-vuelo de alta resolución. A partir de conocer la velocidad de la onda
torsional, es sencilla la cuestión de calcular la distancia (posición) del imán.
Detección de la onda
43
Fig. 38:
Construcción básica de un
transductor de desplazaZona de
amortiguamiento
miento magnetoestrictivo
Posición del cursor
Detector
Procesamiento electrónico
Dimensiones
Interfases
La figura 38 muestra la construcción básica de los transductores de
desplazamiento magnetoestrictivos. Los elementos claves son la guía
de onda en forma tubular o de alambre y uno o más imanes cilíndricos
permanentes alrededor de la guía de onda en el tubo. Estos, también
llamados anillos magnéticos, generalmente son fijados en un cursor (que
no muestra la figura 38), y están unidos al elemento móvil ó carro de la
máquina cuya posición se va a determinar.
La guía de onda tubular tiene un diámetro externo de 0.7 mm e interno
de 0.5 mm. La longitud corresponde a la carrera útil de medición y varios
milímetros más para permitir la ubicación de la zona de amortiguación y
la bobina de detección. Un conductor sólido de cobre esta enhebrado a
través de guía de onda por medio del cual se envía el pulso de corriente. Las interfases de salida para los transductores magnetoestrictivos
comprenden desde analógico, digital, pulso Start/stop, hasta interfases
bus-compatibles (ver Desplazamiento lineal e interfases en Sensores de
distancia, Pág. 56).
Diseño de cuerpos y aplicaciones
Dos versiones:
flotante …
44
Tipo perfil extruido
La figura 39 muestra un tramo del transductor con un corte de manera
transversal a través del cuerpo. La electrónica se encuentra protegida dentro un perfil extruido de aluminio el cual también contiene un canal cilíndrico
para sostener la guía de onda. Su armado consiste en un tubo de fibra de
vidrio en el cual se fija la guía de onda. El perfil de aluminio esta cerrado con
dos tapas finales que permiten un grado de protección IP67. Los campos
de los imanes en el cursor (en este caso un bloque de plástico es mejor que
un anillo) penetran en el cuerpo de aluminio para invadir la guía de onda.
Los transductores usan dos tipos de cursores, guiado (cautivo) o flotante.
Los cursores flotantes están montados directamente al elemento móvil de
la máquina y son transportados hacia el espacio específico sobre el cuerpo
del transductor.
Fig. 39:
Inferior: Tipo perfil con elemento magnético flotante
Superior: Tipo perfil con
elemento magnético cautivo
con brazo articulado
La ventaja es que no es necesario grandes demandas en la precisión del
guiado. Los sensores toleran una desalineación lateral y vertical de varios
milímetros. Si aún esas generosas tolerancias no pueden ser sostenidas, se
utilizan los imanes guiados. Aquí el cuerpo actúa como una vía para deslizarse, sobre la cual se monta el cursor. Una varilla articulada (Fig. 39 superior)
es utilizada para unir el imán cautivo con el elemento móvil de la máquina,
compensando así con el movimiento que no es paralelo al transductor.
… y cursores cautivos
Tipo varilla
La fig. 40 muestra ejemplos de los estilos de los transductores de desplazamiento magnetoestrictivos tipo varilla. Esta forma es más comunmente
utilizada en actuadores hidráulicos. La instalación en el área de presión
de un cilindro hidráulico demanda la misma resistencia de presión para el
transductor como para el cilindro. En la práctica la presión alcanza hasta
600 bar (8700 psi). La electrónica está protegida por una cuerpo cilíndrico
hecho de aluminio o de acero inoxidable, y la guía de onda por un tubo
cerrado de acero inoxidable, no magnetizable y resistente a la presión.
La brida del lado opuesto sella por medio de un o-ring o una junta plana.
Versión para presión
45
Fig. 40:
Sensores de desplazamiento magnetostrictivo tipo
varilla
Versión encapsulada
área explosiva
Redundancia para
seguridad
Dos cursores, dos
ondas …
… dos posiciones
detectadas
46
El anillo magnético se traslada sobre la varilla de acero inoxidable, y en
el caso de los cilindros hidráulicos es montado en el pistón.
Versiones para áreas explosivas
Algunas aplicaciones requieren el uso de sensores de desplazamiento
en áreas explosivas. Para el uso en zonas 0 ó 1, los transductores magnetoestrictivos están disponibles en formatos encapsulados específicos
para estas áreas.
Sensores redundantes para aplicaciones de seguridad
Los transductores magnetoestrictivos son ideales para aplicaciones que requieren un alto grado de seguridad o disponibilidad continua A veces son
utilizados de manera redundante para asegurar el auto monitoreo o para
proveer un canal de reserva cuando sea necesario. Hay numerosos ejemplos de aplicación de transductores magnetoestrictivos redundantes, por
ejemplo en propulsión de barcos, en plantas de energía y en aplicaciones
para ferrocarriles.
Dos desplazamientos – un sensor
Los transductores magnetoestrictivos hacen posible proveer dos o más posiciones independientes usando un solo transductor. Si un segundo imán es
ubicado en la guía de onda, el mismo pulso de corriente inicial va a generar
dos ondas torsionales simultáneas, cada una originada en la localización del
imán respectivo. Estas ondas llegan a la bobina de detección en diferentes
momentos y generan dos pulsos de parada. Asumiendo que la electrónica
es capaz de procesar ambos pulsos, resultarán dos posiciones localizadas
independientes. Esta técnica es empleada a menudo en máquinas de inyección para proveer una posición de retroalimentación entre el portamatriz
y el eyector, usando un transductor simple. Anteriormente, se utilizaban por
ejemplo dos potenciómetros lineales para esta aplicación.
La figura 41 muestra un transductor de cuerpo redondo y dos imanes. La
ubicación de los respectivos rangos de medición pueden ser programados para los dos imanes sobre el total de la longitud nominal del transductor, aún si éstos se superponen dentro del rango de medición permitido.
Fig. 41:
Usando la configuración de
imanes múltiples, se pueden detectar dos movimien-
Salida de tensión
tos con un transductor
Área de medición [% de carr. nominal]
Actuador hidráulico con posición controlada
Con la incorporación de los transductores magnetoestrictivos se han
podido diseñar actuadores hidráulicos que combinan, por un lado las
ventajas de una fuerza superior y la dinámica de la potencia fluídica,
con la sutil capacidad de posicionamiento de los actuadores lineales
eléctricos.El control de posición requiere constante retroalimentación de
la corriente. En la mayoría de los casos los transductores del tipo varilla
pueden ser instalados directamente en el cilindro hidráulico.
La varilla con la guía de onda es insertada a través de un agujero practicado en el pistón y una perforación ciega en el vástago (Fig. 42). El
pistón aloja y traslada el anillo magnético cuando se mueve. El tubo de
acero inoxidable está sometido a presión hidráulica y soporta hasta 600
bar (8700 psi).
Fig. 42:
Cilindro hidráulico con
transductor de desplazamiento incorporado
Cursor con elementos magnéticos
47
Potencia eólica
Control del ángulo de
paso de hélices
Controlando el ángulo de paso de hélices
El punto ideal de trabajo de las partes móviles en algunos equipamientos de
potencia se configura con el control de paso de hélices. Ejemplos representativos de ello incluye a las plantas de generación de energía eólica, térmica
ó hidráulica, así como también los sistemas de propulsión marinos. Estas
aplicaciones tienen en común, la necesidad de convertir un movimiento lineal
en un movimiento rotativo alrededor del eje longitudinal de la máquina. Son
usados frecuentemente actuadores hidráulicos capaces de modificar de una
vez el ángulos de paso de todas los álabes de un rotor, ya que son capaces
de proveer la fuerza y la dinámica requeridas en un pequeño espacio.
En las plantas eólicas de generación de energía es esencial el monitoreo
y control del ángulo de paso del álabe de la turbina para mantener el
nivel de energía generada, maximizándola a una velocidad rotacional
constante ante grandes variaciones de vientos. Grandes molinos de
viento ahora utilizan turbinas cuyos alabes pueden ser autoajustadas
para cambiar ángulo de paso (Fig. 43), porque las condiciones del viento
arriba de la estructura difieren considerablemente de las condiciones al
nivel del suelo. Un solo actuador hidráulico con un transductor de desplazamiento magnetoestrictivo monitorea y compensa constantemente
el ángulo de paso mientras el sistema rota.
Resumen
Los transductores de desplazamiento magnetoestrictivo se han
asegurado un firme lugar en una gran variedad de industrias debido a su impresionante rendimiento debido a su estanquidad,
su resistencia a golpes y a las vibraciones. La señal de salida absoluta y el principio de operación sin contacto físico entre cursor
y el cuerpo transductor aumenta el atractivo para este sensor. Se
obtienen transductores de desplazamiento magnetoestrictivos
con carreras nominales de hasta 4000 mm (6000 mm), linealidad
superior a ±0.02% (valores de linealidad de ±30 µm) y frecuencia
de pulso entre 1 y 2 KHz. Se disponen tanto de interfases de
salida analógicas en tensión o en corriente, como de start /stop
para todo el espectro de bus de campo comerciales.
48
Fig. 43:
Planta eólica de generación
de energía con el alabe de
la turbina ajustable.
Notas: _____________________________________________________________________
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49
Sensores de desplazamiento con
banda magnética codificada
Construcción del sensor
Cabezal sensor y
banda magnética
El sistema de medición descrito en este capítulo esta compuesto por un
cabezal de sensado (Fig. 44) el cual contiene el sensor de campo magnético y el total de la electrónica, y una cinta magnética codificada. La
banda generalmente consiste en una cinta de plástico magnética flexible
sobre un soporte. Los polos magnéticos norte (oscuro) y sur (claro) se
alternan en la banda.
Fig. 44:
Cabezal sensor
Principio básico del sensor
de desplazamiento con
Dirección de movimiento
banda magnética codificada
Banda magnética
Las líneas magnéticas de campo forman un vector tridimensional cuyo
período es el doble del ancho del polo de la banda y mide desde unas
pocas décimas hasta varios milímetros. El cabezal de sensado se mueve centrado por encima de la banda. El borde del área de la banda es
ignorado para las mediciones.
Principio de funcionamiento
Dos sensores de
campo magnético …
50
Para reunir la información de desplazamiento, el cabezal de sensado es
guiado sin contacto a una distancia cercana a cero (alrededor de un tercio
del ancho de un polo sobre la banda). El cabezal de sensado contiene dos
sensores de campo magnético los cuales miden tanto el vector componente
del campo magnético como el ángulo del mismo con respecto a la dirección
de traslación (Fig. 45).
Contar los períodos magnéticos permite inferir la distancia de desplazamiento. Para conocer la dirección del desplazamiento, los dos campos magnéticos deben emitir las señales de salida desfasadas durante el movimiento
común a lo largo del recorrido. Para este fin, están generalmente fijados en el
cabezal de sensado a una distancia de un cuarto o tres cuartos del período
del campo magnético (la mitad o una vez y media del ancho de polo) entre si.
Para cada ciclo sinusoidal de la señal de salida la diferencia de fase es enton-
Fig. 45:
Cabezal sensor
Dos sensores de campo
magnético separados por
Líneas de campo
3/4 del período magnético
e ilustración de las líneas
de campo magnético en la
cinta magnética
Sensor cosinusoidal
Sensor sinusoidal
ces de 90º o de 270º (a un período magnético le corresponde 360º). La
señal de salida de uno de los sensores de campo magnético puede ser
interpretada como sinusoidal y la otra como señal cosenoidal (Fig. 46).
Este es el porqué a los dos sensores de campo magnético se les puede
dar el nombre se sensores sinusoidales o cosenoidales.
Sensor
cosenoidal
… Sensor sinusoidal y
cosenoidal
Fig. 46:
Sensor
sinusoidal
Señales del sensor sinusoidal y cosenoidal con un
Salida de tensión
período magnético de 0,5
mm (ancho del polo 0,25
mm)
Desplazamiento
Configuraciones y aplicaciones
Contando los periodos
Sólo se cuenta el número de períodos en la aplicación más simple, con
las dos señales de salida del cabezal. Esto requiere simplemente que las
señales análogas sean digitalizadas para provocar el conteo del período
(arriba/abajo). El estado de conteo corresponde exactamente a cuatro
veces el número de períodos atravesados.
Se permite también un cambio de dirección. Evaluando cada flanco de
las dos señales, el cambio en una señal y el estado estático de la otra
son utilizadas para conocer un cambio en la dirección de desplazamiento. La figura 47 muestra un ejemplo de movimiento de cinco incrementos en dirección positiva y cuatro incrementos en la dirección negativa.
Sin embargo, la potencial resolución no es especialmente impresionante. Esto asciende hasta la mitad del ancho del polo o expresado de otra
forma, un cuarto del período magnético.
Cambio de dirección
51
Fig. 47:
Señales sinusoidal y
cosenoidal con un contador
de períodos
Señal A
Señal B
Incremento
adelante
Dirección de movimiento
atrás
Estado del contador
Interpolador
Resolución alcanzable
Sensado de posición dentro de un período
Para lograr una resolución dentro del rango del micrómetro es necesario
determinar exactamente la posición dentro de los límites de un período
magnético. Si por ejemplo usted necesita una resolución de 10 µm para
un período magnético de 10 mm (2.5 mm corresponde a una cuarta parte del período), el período magnético debe estar dividido por lo menos
250 veces (2.5 mm/10 µm = 250), o por lo menos digitalizado en 8 bits
(28 = 256). La tarea es realizada por el interpolador, ubicado de acuerdo
al modelo, en el cabezal sensor o en el controlador de la máquina.
En términos matemáticos el ángulo de conversión digital es fácil de implementar usando funciones trigonométricas, por parte de un microcontrolador (Fig. 48).
Alimentación
Tensión de alimentación
Fig. 48:
Diagrama esquemático
Acondicionamiento
de la señal
Microcontrolador
cos
Interpolador
sen
Amplificador
magnética codificada
Sensores
desplazamiento con la cinta
Conversor A/D
de bloques del sensor de
Señal de
Salida
El valor calculado se mantiene constante. Para obtener una alta resolución, las dos señales medidas deben tener la calidad apropiada. Esto
significa que necesitan tener las siguientes características:
• La misma amplitud
• La misma amplitud de compensación
• Una fase de compensación de 90º exactamente
• Pocos componentes armónicos
• Una notable diferencia entre la señal y el ruido
• Baja susceptibilidad para campos parásitos
52
Si estas condiciones no se dan de manera óptima, el resultado es una
no-linealidad dentro de cada período: La posición derivada de las señales sinusoidal y cosenoidal se desvían de la posición actual.
El tiempo requerido para calcular la posición de las señales de salida
de los sensores de campo magnético varía de acuerdo al diseño de
la electrónica, dentro de un rango de unos pocos milisegundos hasta
fracciones de un microsegundo.
Sensor incremental
Un sensor incremental (Fig. 49) envía pulsos interpolados digitales A/B
o señales análogas sinusoidales y cosenoidales representando el movimiento (en este último caso, la interpolación es realizada en el controlador). Esto no da conocimiento de su posición absoluta. El controlador de
la máquina suma estos incrementos para informar la posición actual del
móvil. Si se produce algún movimiento cuando el sistema esta apagado,
el controlador pierde su posición anterior. Esto generalmente necesita un
movimiento direccional hasta una posición de referencia asociada con
un interruptor de referencia. Tan pronto el móvil alcanza su posición de
referencia, donde el estado de conteo es por ejemplo, cero, el controlador puede calcular la posición anterior contando los pulsos recorridos
para tal fin. La exactitud de la posición absoluta (por ejemplo de resolución 1 µm) depende del punto de referencia, este debiera ser capaz de
conmutar con una exactitud de 1 µm.
Los sensores de desplazamiento magnético, generalmente, también
pueden entregar una señal de referencia a la salida. Esta es codificada
en una pista separada en la banda o es sacada en cierto punto de
cada período magnético. En el último caso, sólo es necesaria una señal
externa de referencia para seleccionar el período en el cual la posición
de referencia debe estar ubicada. Esto minimiza los requerimientos para
el interruptor. La exactitud en la conmutación ahora puede ser reducida
a la mitad del período (por ejemplo 0.5 mm). El controlador evalúa la
posición de referencia exactamente cuando coinciden la conmutación
y el periodo de referencia. Como otra opción, algunos cabezales de
sensado poseen un interruptor como final de carrera, donde diferentes
imanes permanentes polarizados son detectados al final del rango de
recorrido.
Señales de salida
analógica y digitales
Salida de posición de
referencia
Fig. 49:
Representación esquemáti-
sen
Banda incremental
cos
ca del sensor incremental
Cabezal sensor
Sistema de medición absoluto
Si no es posible un movimiento autoguiado después del encendido o
lleva mucho tiempo, se puede utilizar un sensor absoluto de medición.
53
Sensor absoluto con
pista absoluta separada
Las mediciones absolutas son posibles si el sistema incorpora la banda
incremental y la banda absoluta (Fig. 50). La banda absoluta es sensada por sensores propios de campo magnético (a0, a1 …). El número
máximo de estos sensores absolutos de campo magnético determina
el máximo de la longitud de la banda que puede ser sensada confiablemente.
Fig. 50:
Representación esquemáti-
Banda absoluta
Sensor quasiabsoluto con bateria
protegida
cos
Banda incremental
sen
ca del sistema absoluto
Cabezal sensor
Cuando se aplica tensión al cabezal del sensor asociado a la banda
absoluta se detecta una única posición del período , (PP). Los sensores
sinusoidales y cosenoidales determinan la posición dentro del período
(período parcial de posición, TPP). La posición absoluta luego es calculada por la suma de PP y TPP.
Una segunda configuración usa un sistema incremental con ininterrumpida provisión de tensión. Tan pronto como se entrega tensión (al cabezal de sensado y el controlador con el contador) siempre se conoce
donde esta posicionado. Sin tensión el contador pierde esta posición
absoluta. Para prevenir esto, el contador y una batería están integrados
en el cabezal de sensado (Fig. 51). Esto asegura que los sensores de
campo magnético y el contador siempre tengan energía. El cabezal solo
necesita obtener la posición de referencia una sola vez. Luego de eso,
nunca pierde su posición absoluta. Sin embargo, hay que tener en cuenta que no se permite en esta configuración retirar al cabezal de sensado
de la banda; la posición absoluta se perdería. Pero, en una operación
normal puede que esto no ocurra.
Fig. 51:
Batería
Banda incremental
sen
Contador
ca del sistema absoluto
cos
Representación esquemáti-
Cabezal sensor
La señal de salida de los sensores absolutos (ver página 58) normalmente es una señal SSi/BiSS o bus. Para lograr compatibilidad con
sistemas incrementales, las interfases incrementales (interfases A/B) son
a veces también utilizadas. Esto provee otra posibilidad para realizar un
movimiento autoguiado: luego del encendido el controlador establece
su posición de cálculo interna en cero. Luego envía una señal digital al
cabezal de sensado. Sin moverse, el cabezal de sensado envía pulsos
A/B hasta que este llega a su posición absoluta. El controlador cuenta
54
estos pulsos y al final del movimiento autoguiado también conoce la posición del cabezal de sensado. Para este procedimiento no se necesita
un movimiento físico.
No-Linealidad / clase de precisión
La diferencia entre la posición física actual y la medida, es la posición
de salida referida como la no-linealidad o clase de precisión. Esto es
definido sobre la distancia de recorrido de un metro, la posición de salida nunca se desvía de la posición más que el grado de precisión. En
la actualidad el grado de precisión llega a ser menor que ±10 µm. La
no-linealidad puede ser atribuida a varios factores.
La no-linealidad dentro de un período ocurre, por ejemplo, cuando la
fase complementaria entre las señales de los sensores sinusoidales y
cosenoidales no es de 90º exactamente. Esto se repite en cada período.
Cada período magnético puede ser deducido por la no-linealidad.
Si por ejemplo la banda no ha sido magnetizada con el período exacto o la misma fue estirada o abollada durante el montaje, el resultado
será una no-linealidad en varios períodos. Cuanto más lejos se mueve
el sensor de la posición de referencia, mayor será la diferencia entre la
posición actual y la medida.
Si la banda fue dañada durante el armado, por ejemplo por el uso de herramientas o partes magnéticas, puede haber puntos defectuosos a lo
largo del recorrido. Esto se denomina no-linealidad debido a disturbios
en el campo magnético.
Tres causas de nolinealidad
Resumen
Los sensores de desplazamiento con banda magnética codificada son muy precisos, de respuesta rápida y con un
sistema robusto de medición. Los rangos de resolución disminuyen hasta ser tan pequeños como 1µm, con grados de
precisión de 10 a 20 µm. La velocidad de desplazamiento
permitida es de hasta 10 m/s. El valor de la posición medida
es presentado en fracción de microsegundos. El controlador
capta la señal de posición en tiempo real.
A pesar de su alta precisión y su comunicación en tiempo
real, se pueden obtener distancias de más de 2mm (aproximadamente el 30% del ancho del polo) entre el cabezal y
la banda. Un sistema de medición magnético, comparado
con los sistemas ópticos, es altamente inmune a la contaminación de aceite, polvo, etc. Estas propiedades hacen que
sea ideal para ser utilizado en un ambiente industrial sucio y
severo como por ejemplo la industria maderera.
55
Desplazamiento lineal e Interfases
en Sensores de Distancia
El valor medido es codificado en la señal de salida del sensor. Siempre
que sea posible, un mensaje de error debería ser capaz de ser enviado
junto con la información de posición. La señal llega al controlador por la
línea de transmisión (generalmente un cable). Desde el punto de vista del
usuario las demandas para la transmisión de esa señal deben incluir:
Requerimientos en las
líneas de transmisión
• La señal debe ser inmune tanto al ruido como a otras perturbaciones
en la línea de transmisión, tanto como sea posible.
• La señal debe ser capaz de ser enviada a distancias tan grandes como
sea posible.
• La señal debe estar disponible en tiempo real.
• En el caso de sensores múltiples debería ser posible que se mida
simultáneamente.
• El tiempo muerto en la línea de transmisión debe ser tan corto como
sea posible.
• El cableado debe ser tan simple y económico como sea posible.
• Una señal de error debe ser capaz de ser enviada y ser detectado un
cable roto.
Sensores con salidas analógicas
El sensor representa la variable medida en la forma de una variable eléctrica. En teoría cualquier variación eléctrica es posible como transportadora de señal, como la resistencia, capacidad, inductancia, frecuencia,
ciclo operativo, fase, tiempo de modulación, corriente o tensión. Los
sensores analógicos se acomodan mejor a las de voltaje, corriente y
modulación de tiempo para las señales de salida.
Señal de error
Rotura de cable
56
Salida de Tensión
La variable medida es representada sobre un rango definido de voltaje, comúnmente 0… 10 V, -10… +10 V ó 0… 5 V. La señal de error es enviada a una
tensión mayor que la mayor señal de tensión, por ejemplo 10.5 V. Hay sensores
con salidas ascendentes y/o descendentes sobre la medición del recorrido. Se
pueden atender demandas especiales en el cableado. Para garantizar la transmisión libre de ruidos, la longitud máxima del cable esta limitada de 10 a 20 m.
Salida de corriente
La variable medida está representada sobre un intervalo de 0… 20 mA (punto cero verdadero) ó 4… 20 mA (punto cero compensado). El punto cero
compensado tiene la ventaja de que un cable roto es detectado como una
falla, porque esto resultará en una corriente de 0 mA. La salida de corriente
es más inmune al ruido que la salida de tensión. Es posible largo de cable por
encima de 20 m.
Salida seno-coseno
Los sensores de desplazamiento cuya operación interna está basada
en una señal sinusoidal y cosenoidal a menudo presentan estas señales
como salida directa (ver Fig. 46). Las señales de salida son enviadas como
señales análogas diferenciales (seno+, seno-, coseno+, coseno-). Si por
ejemplo la señal sinusoidal tiene una amplitud de 0.3 V y la compensación-CC (corriente continua) de la señal es 2.5 V, entonces las amplitudes
de las señales seno+ y seno- son +2.8 V y +2.2 respectivamente. El receptor evalúa la diferencia entre las amplitudes de estas señales, la cual
en este ejemplo es de 0.6 V. Dado que el valor común generalmente se
puede filtrar, se logra una buena inmunidad de ruido. Generalmente la señal es amplificada en el sensor para que alcance la máxima amplitud de 1
Vpp (valor pico a pico). El controlador toma las cuatro señales e interpola la
posición exacta dentro de un período. Para el movimiento sobre períodos
múltiples el controlador también cuenta el número de períodos.
Como las señales son sinusoidales, este tipo de transmisión tiene la ventaja que las señales permanecen en baja frecuencia aún en movimiento
rápido. El controlador selecciona el número de bits de la interpolación y
por medio de eso la resolución de desplazamiento que necesita.
Salidas Start/stop y DPI/IP
La señal de tiempo modulado de la forma de salida start/stop combina
las ventajas de transmisión analógica y digital. La señal es enviada bajo
demanda del controlador en la forma de pulsos digitales. El tiempo análogo entre el primer pulso, el pulso Start, y uno o más de los siguientes
pulsos, el pulso de Stop, es la medida para la variable análoga medida (s)
(Fig. 52). El método puede ser también utilizado para enviar posiciones
desde múltiples imanes (en caso de Transductores de Desplazamiento
Magnetoestrictivo). El pulso de stop estará asociado con cada imán.
Además del tiempo de señal, un protocolo compatible descendente
DPI/IP (interfase de pulso digital/protocolo integrado) puede ser utilizado
para enviar una señal digital durante la acotada ventana de tiempo [15].
Generalmente los pulsos digitales son enviados como señales diferenciales sobre dos líneas (RS422); esto permite extender el cable hasta
varios cientos de metros y ser utilizado confiablemente.
Señal analógica diferencial
Señal de tiempo modulado
Fig. 52:
Modulación de tiempo
Inicio / Parada
57
Sensores con salidas digitales
La variable medida es digitalizada en el sensor y luego es enviada en forma
de conteo o de serie de bits. Todas las señales digitales son enviadas como
señales de tensión diferencial (RS422) [16]. Son posibles las ramificaciones
de líneas, sistemas bus y configuraciones en forma de lazo cerrado.
Dos pulsos compensados de onda cuadrada
Interfase incremental (Interfase A/B)
Las interfases A/B son característicos para sistemas incrementales. Esta
provee dos señales digitales A y B las cuales tienen un defasaje de 90º
eléctricos entre si. El signo del cambio de la fase depende de la dirección
del movimiento del sensor. Un contador arriba/abajo evalúa las dos señales
para determinar la posición de la corriente. Cada cambio de flanco en canal
A ó B causa un paso de conteo (ver Fig. 47). Si la señal A es la primera en
llegar, se incrementa el estado del contador, y si la señal B es la primera en
llegar, el estado disminuye. Utilizando esta interfase el controlador conoce en
todo momento el incremento exacto de la posición sin tener que consultar
al sensor. Esto provee la capacidad de tiempo real. La desventaja es la gran
proporción de armónicos en el pulso de ondas cuadradas, las cuales tienen
una base de alta frecuencia cuando se produce un movimiento rápido.
Interfase SSI
La interfase serie síncrona (SSI) es una configuración de forma interactiva. Cada sensor se conecta con dos canales (reloj y datos) al controlador. El controlador envía una tren de pulsos señal reloj al sensor
para sincronizar la transmisión de datos. Esta señal es la que asume la
función de disparador. En el momento que se detecta el flanco descendente (disparo) el sensor almacena su valor actual de medición. Al primer
flanco ascendente de esta señal, se envía al control este valor mediante
el MSB (bit más significativo) (Fig. 53)
Fig. 53:
Señal SSI de un sensor de
desplazamiento magne-
Secuencia de reloj
+ Reloj
toestrictivo Balluff
+ Datos
bit de
error
El envío de datos al control comienza después del tercer periodo de la señal
reloj desde el MSB hasta el LSB (bit menos significativo). Una ventaja de la
transmisión de SSI es la amplia gama de las frecuencias de reloj que se pueden
seleccionar para evitar ruidos eléctricos. Además de la interrogación secuencial
a los sensores arriba descritos, también es posible accionar en forma simultánea varios sensores conectados en paralelo sobre el SSI. Aquí el controlador
aplica el primer flanco ascendente de la señal reloj, a todos los sensores al
mismo tiempo. Éstos últimos, utilizan este flanco para almacenar su valor actual
de medición para luego enviarlos al control. Esto asegura que los valores de la
posición para todos los sensores se hayan registrado al mismo tiempo.
58
BiSS
El sensor de interfase bi-direccional (BiSS) es compatible con la SSI.
También hace posible el uso del ancho de la modulación del pulso de
reloj para enviar información desde el controlador al sensor. El simple
protocolo de bus es usado para acceder hasta 8 sensores en un bus.
CAN bus y Profibus
En este sistema de bus se pueden conectar hasta 126 sensores [17].
Cada sensor tiene su propia dirección la cual es codificada en un protocolo serial. Después que el sensor reconoció su dirección este se configura a si mismo o coloca la información requerida en el bus. El sistema
de bus simplifica en grandes proporciones el cableado, especialmente
cuando están involucrados varios sensores. Los valores derivados de
posición, velocidad, levas virtuales y estados de error, pueden ser enviados dentro del protocolo.
El controlador es capaz de programar las características del sensor
como por ejemplo la resolución de posición, la velocidad o la posición de
las levas virtuales. Aún a grandes distancias (hasta 1000m) se asegura
una transmisión de información confiable por diferentes coeficientes de
transmisión y varios mecanismos de protección contra error como CRC
(chequeo de redundancia cíclica) y distancias exageradas.
Transmisión bi-direccional de datos
Programando los
sensores
Notas: _____________________________________________________________________
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Tendencias y perspectivas
Nuevos principios de
medición
Incremento de la
miniaturización
Incremento en la
inteligencia
60
El constante crecimiento en estos últimos años de la demanda en tecnología de automatización ha provocado dos tendencias: una, hacia sensores sin contacto y libre de desgaste, los cuales aseguran significativamente mayor exactitud en la máquina; y la otra, desde accionamientos
biestables a sensores de medición. El crecimiento en la complejidad e
individualidad de las máquinas y sistemas van a continuar conduciendo
la tendencia en un futuro hacia sensores de medición.
Los principales fabricantes de sensores de desplazamiento y de distancia están trabajando para expandir la variedad de los principios de
medición. Los nuevos principios como el de desplazamiento MagnetoInductivo ya están en el mercado, y continuarán otros nuevos principios
basados en la inducción, magnetismo, óptica y relaciones físicas. Son
concebibles por ejemplo, sensores de microonda, en versiones binarias
y de medición. Se anticipan avances tecnológicos también con respecto
a los materiales en electrónica y óptica. Esto lleva a un inmenso rango de
mejoras, exactitud y dinámica de sensores con gran flexibilidad.
El aumento en la miniaturización entrega sensores con requerimientos
mínimos de espacio y de alto rendimiento, así como también en detectores que ofrecen una mejor funcionalidad sin necesidad de un cuerpo
más grande. Innovaciones potenciales permitirán que se incluyan ópticas de silicio y bobinas de silicio, técnicas modernas de construcción
electrónica así como también ventajas en los cuerpos y en las tecnologías de montaje (Fig. 54). La gran capacidad de integración de modernos sensores de desplazamiento y de distancia es un requisito para
todos los futuros logros en la construcción de máquinas y sistemas. El
crecimiento en la inteligencia del sensor puede ser visto por ejemplo
en su capacidad de diagnóstico y configuración. Esto irá de la mano
con un crecimiento en el número de interfases de sensor intérpretes de
protocolos. Al mismo tiempo se necesitará fomentar constantemente la
estandarización de las interfases en el sensor y en el control.
Todas estas mejoras harán que las máquinas y los sistemas se vuelvan
más rápidos, flexibles, confiables y amigables.
Rango, ancho de escala
Linealidad
Datos para mejora
de funcionamiento
Micro ensamblado
Resolución
Índice de muestreo
Miniaturización
Repetibilidad
Tecnología
constructiva
Cable de conexión
Bobina en silicio
Chip de disparo
Ópticas en silicio
Interfases de protocolo
capaces
Sensor
configurable
Sensor informativo
Campo de desarrollo
“Sensores”
inteligentes
Inalámbricos
Sensor controlador
Diagnóstico
integrado
Inalámbricos
Sensores
autoalimentados
Teach-in
Fig. 54:
Aproximaciones para el
continuo desarrollo de
sensores de distancia y de
desplazamiento
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Definiciones y Normas Estándar
Valores característicos para sensores de desplazamiento
y de distancia
Parámetros metrológicos
El término sensor es utilizado en la literatura técnica con el significado
correspondiente a un dispositivo técnico, que convierte una medida física
no eléctrica en una señal eléctrica definida unívoca [18, 19].
La variable medida de un sensor de distancia es la distancia entre la cara
activa del sensor y el objeto utilizado como blanco de detección; por otro
lado, la variable medida del sensor de posición es la posición del cursor
con respecto al sensor. La señal eléctrica de salida del sensor (abreviada
SOS, sensor output signal) es generalmente un voltaje o una corriente
que puede ser analógica, binaria o digital.
Para cuantificar cuan exactamente un sensor convierte una variación
que describe comportamiento estático o casi estático, son utilizadas una
variedad de características metrológicas. Las más importantes son: la
precisión, la repetitibidad y la resolución [20]. La precisión corresponde a
la diferencia entre el valor actual de la medida y el valor de la medición o la
media aritmética de los valores medidos cuando se miden repetitivamente. La repetibilidad corresponde a la dispersión de los valores medidos,
los cuales ocurren para repetidas mediciones para una medida constante
en el valor actual y bajo idénticas condiciones (Fig. 55).
Fig. 55:
Diferencia entre precisión y
repetibilidad; los valores de
Valor real teórico
medición desde el sensor
son indicados por el eje x
sobre el eje SOS de la señal
de salida del sensor
Arriba: Alta precisión, alta
repetibilidad
Media aritmetica
Valor real teórico
Centro: Alta precisión, baja
repetibilidad
Media aritmetica
Abajo: Baja precisión, baja
repetibilidad
Valor real teórico
Media aritmetica
62
La resolución define la mínima posibilidad de cambio en la medición que
puede ser detectado por el sensor. Esta propiedad es expresada por el
límite de resolución. Un sensor con alta resolución tiene un pequeño límite
de resolución. Este parámetro del sensor no debe ser confundido con la
repetida precisión.
Para sensores con salida digital, el límite de resolución esta determinado
por la división del rango de sensado en 2n, donde n es el número de
bits de la conversión analógica-digital. Los sensores con salida analógica
teóricamente no tienen límite de resolución. El valor práctico del límite de
resolución debe ser más alto que el determinado esencialmente por un
ruido eléctrico en la SOS. El ruido inherente de los componentes electrónicos puede ser minimizado pero nunca eliminado completamente. El ruido
eléctrico se extiende sobre la SOS y causa una onda de alta frecuencia
en esta señal. Cambios en la señal que sean menores que el valor picoa-pico del ruido, no pueden ser atribuidos a la señal requerida o al ruido
eléctrico. El límite de resolución de la SOS por lo tanto no debe ser menor
que el valor pico-a-pico del ruido. Esto establece el límite más bajo en la
resolución de la medida.
Un segundo grupo de parámetros referido a la curva característica del
sensor, la cual representa la dependencia de la SOS con la medición. El
requisito fundamental para una detección inequívoca de la medición es
la existencia de un segmento monótono en esta curva característica, el
rango de trabajo (WR) o rango de sensado (Fig. 56 arriba). Es altamente
ventajoso si hay una proporcionalidad entre la medida y la SOS sobre todo
el rango de sensado o por lo menos sobre una gran parte de él. El modelo
específico extendido en este rango de linealidad (LR) y la correspondiente
salida de la SOS son información importante para el sensor.
La curva característica del sensor en un rango lineal corresponde a una
línea recta ideal cuya pendiente también es referida como la sensitividad
(Fig. 56 abajo). Esta recta es ideal y representa el caso ideal y generalmente se da en ciertas versiones de sensores. La curva característica del
sensor es calibrada al final del proceso de producción para que la misma
se acerque lo más posible a una línea recta ideal. El efecto acumulativo
de las tolerancias de todos los componentes, resulta en cada sensor un
ejemplo específico de la curva característica real, la cual se desvía dentro
del rango permitido de la línea recta ideal.
La desviación de la curva característica real puede ser cuantificada agregando tres valores de error. El error de compensación representa un cambio paralelo hacia la línea recta ideal a través de la adición de un constante
valor indeseable en la SOS. En general, este error puede ser eliminado
al final de la producción calibrando el sensor. Un cambio en la temperatura del ambiente del sensor tiene un efecto significativo en el error de
compensación. El error de sensitividad se muestra en una rotación de la
línea recta ideal alrededor de un punto y resulta en un cambio en el valor
actual de sensitividad. La calibración también minimiza este error. El error
de linealidad esta caracterizado por un escaso cambio en la sensitividad
entre puntos adyacentes y esto es expresado por las desviaciones de la
63
Fig. 56:
Representación general de
las curvas características
de un sensor de desplazamiento
Arriba: Definición del rango
de trabajo WR y del rango
de linealidad LR
Abajo: Desviación por
compensación, error de
sensitividad y de linealidad
Curva característica real
Línea de tendencia
Error de linealidad
Error de sensitividad
Error de compensación
Línea recta ideal
curva característica real referenciada a una pendiente de la línea recta.
Varias líneas rectas definidas matemáticamente pueden ser utilizadas
para definir la pendiente de una línea recta, en la figura 56 la línea recta a
través del punto de inicio y final del rango de linealidad fue utilizada como
una línea recta de tendencia.
El error total corresponde a la evaluación más conservadora de la desviación entre la curva característica ideal y la real. Aquí las diferencias
entre ideal y real por puntos significativos en la curva característica son
64
calculados y tabulados. Este procedimiento es también conocido en la
literatura técnica bajo el nombre de “determinación del error absoluto
de linealidad”.
El parámetro principal para caracterizar la dinámica del comportamiento
del sensor es la frecuencia de corte o ancho de banda. Esta es la más
alta frecuencia de actuación periódica del sensor, causada por ejemplo,
por un objeto rotativo según el cual la SOS no cae por menos de 3 dB,
por ejemplo en aproximadamente el 70% del valor del estado estable.
Representan dos demandas contradictorias, por un lado, el deseo de un
gran ancho de banda y las buenas asociaciones dinámicas del sensor y
por otro el bajo ruido en la salida del sensor con una resultante de alta
resolución. Teóricamente el ruido es distribuido sobre el amplio espectro
de frecuencia. Filtrando las altas frecuencias antes de la salida del sensor, resulta en un nivel más bajo de ruido y por ello una mejor resolución;
pero al mismo tiempo el ancho de banda cae y de esta manera empeora
la dinámica del sensor.
Dinámica del
comportamiento del
sensor
Normas estándar utilizadas para los sensores de
distancia
La norma EN 60947-5-7 fue aprobada el 9 de Enero del año 2003 como
una parte de la norma IEC 60947. La norma IEC 60947-5-2 describe los
requerimientos para dispositivos inductivos, capacitivos, optoelectrónicos y ultrasónicos utilizando elementos semiconductores en la salida.
Parte de la norma IEC 60947-5-7 modifica los requerimientos correspondientes de la norma IEC 60947-5-2 para hacerlos aplicables a los
sensores de proximidad con salida analógica.
IEC 60947
Fig. 57:
Curva distancia/salida
características de un sensor
Límite
Sup.
de proximidad con salida
analógica de acuerdo a la
norma EN 60947-5-7
Límite
Inf.
Menor
distancia
Rango de distancia
Mayor
distancia
65
De acuerdo a la norma EN 60947-5-7:2004 un sensor de proximidad
con salida analógica es un sensor de distancia el cual “genera una señal
de salida continua que depende de la distancia entre su superficie de
sensado y el correspondiente objetivo”. El rango de distancia está definido por la distancia inferior/superior; dentro de este intervalo la señal de
salida cambia continuamente (Fig. 57). La señal de salida es una señal
analógica de voltaje o de corriente; el rango de la señal de salida esta
determinada por el limite superior/inferior. La norma EN 60947-5-7:2004
provee para la señal de salida los siguientes límites de rango:
• Señales de voltaje: +1…+5 V or 0…+10 V
• Señales de corriente: 0…20 mA or 4…20 mA
Si el cero es utilizado como el límite inferior, se denomina “cero verdadero”; si un valor finito es utilizado se denomina “cero compensado”.
La curva característica de distancia/salida es definida como la “relación
entre la señal de salida en estado seguro y la distancia entre la superficie
activa del sensor de proximidad y su objetivo”. La desviación máxima
incluyendo las tolerancias de fabricación entre la curva característica
distancia/salida específica y los valores de medición para por lo menos
cinco distancias definidas, representa la conformidad. La conformidad
debe estar dentro de ±10% del límite superior. Para determinar este parámetro estándar el blanco de detección es movido hacia atrás y hacia
adelante en frente de la superficie de sensado. La señal de salida es
grabada para por lo menos cinco distancias y tres pases completos de
distancia en cada dirección de movimiento del objeto. Las diferencias
entre los valores medidos y los teóricos de la señal de salida se resumen como el error de escala ascendente o descendente. Estas escalas
se definen como la media aritmética de las desviaciones de todos los
ciclos para cada distancia creciente y decreciente. Finalmente el error
promedio es calculado utilizando un media aritmética de desviaciones
de escala ascendente o descendente para todas las distancias.
De acuerdo a la norma EN 60947-5-7 la “conformidad es la mayor desviación de la curva de la desviación promedio y la curva característica
distancia/salida dada”. Esto esta expresado en porcentajes positivos y
negativos del límite superior.
66
Notas: _____________________________________________________________________
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