4. sensores de velocidad angular

SENSORES DE VELOCIDAD
MARCOS ÁVILA DE LA TORRE
24-05-2005
-1-
-2-
1. ÍNDICE GENERAL
1.
ÍNDICE GENERAL
3
2.
INTRODUCCIÓN
5
3.
CARACTERÍSTICAS
6
4.
SENSORES DE VELOCIDAD ANGULAR
9
4.2- INTRODUCCIÓN
4.2-1. GIROSCOPIOS MECÁNICOS
4.2-2. GIROSCOPIOS ÓPTICOS
4.2-2.1. Efecto Sagnac en el vacío
4.2-3. GIROSCOPIOS ELECTRÓNICOS
4.2-3.1. Aceleración de Coriolis
4.2-3.2. Principio de funcionamiento
4.2-4. OTROS GIROSCOPIOS
4.2-5. SENSORES MAGNÉTICOS
4.2-5.1. El Efecto Hall
4.2-5.2. Materiales de los elementos Hall
4.2-5.3. Sensores Hall lineales
4.2-5.4. Circuitos de interfaz
4.2-5.5. Detector de dientes de engranaje
9
9
10
11
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21
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25
5.
26
TECNOLOGÍAS PARA MEDIR LA VELOCIDAD LINEAL
5.2- INTRODUCCIÓN
5.3- ACELERÓMETROS
5.4- QUINTA RUEDA
5.4-1. INTRODUCCIÓN
5.4-2. CONCEPTOS PREVIOS
5.4-3. ELEMENTOS NECESARIOS
5.4-3.1. Tacogenedador
5.4-3.2. Potenciometro
5.4-4. CÁLCULO DE LA VELOCIDAD ABSOLUTA
5.5- SENSOR ÓPTICO
5.5-1. INTRODUCCIÓN
5.5-2. CARACTERÍSTICAS
5.5-3. FUNCIONAMIENTO Y COMPONENTES
5.6- GPS
5.6-1. INTRODUCCIÓN
5.6-2. CALCULO DE LA POSICIÓN
5.6-3. GPS DIFERENCIAL
5.6-4. ERRORES EN LAS SEÑALES
5.6-4.1. Errores de los satélites
5.6-4.2. La atmósfera
5.6-4.3. Error multisenda
5.6-4.4. Error del receptor
5.6-5. SENSORES CON GPS
5.6-6. SENSORES DOPPLER
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26
26
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30
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31
33
33
33
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41
41
41
42
42
44
5.6-6.1. Introducción
5.6-6.2. Frecuencia
5.6-6.3. Corrección del ángulo de offset
5.6-6.4. Otros modos de uso
5.7- VENTAJAS E INCONVENIENTES DE CADA TECNOLOGÍA
5.7-1. ACELERÓMETROS
5.7-2. QUINTA RUEDA
5.7-3. SENSORES ÓPTICOS
5.7-4. GPS
5.7-5. SENSORES DE EFECTO DOPPLER
44
46
46
48
48
48
49
50
51
51
6.
53
ÍNDICE DE FIGURAS
-4-
2. INTRODUCCIÓN
Los sensores son dispositivos empleados para convertir una magnitud
física o química en una señal generalmente eléctrica que puede de esta forma
ser fácilmente procesada, almacenada o transmitida. Son por tanto elementos
transductores al transformar una magnitud en otra diferente, en este caso
eléctrica. Por otro lado están los dispositivos actuadores, encargados de
transformar una magnitud eléctrica en una de otro tipo, generalmente
provocando una acción (Ej. Abriendo o cerrando una válvula).
La señal eléctrica proporcionada a la salida del sensor puede ser una
tensión, corriente o carga, pero también una variación en la resistencia o
capacidad del sensor (en cuyo caso se suele hablar de sensores resistivos y
capacitivos, respectivamente).
Tal variación se puede convertir fácilmente en una variación proporcional
de tensión, corriente o carga, mediante configuraciones en puente resistivo o
capacitivo, por ejemplo.
Se entiende por el término microsensores a sensores miniaturizados,
frecuentemente fabricados en tecnologías estándar de integración de circuitos
(o bien en versiones ligeramente modificadas de estas tecnologías). El circuito
integrado resultante puede contener tan sólo estos sensores, o bien puede
incluir junto con éstos los circuitos electrónicos asociados para el
procesamiento de la señal generada por el sensor.
El microsensor puede ser un dispositivo semiconductor (transistor, diodo,
etc.), o bien una estructura mecánica en miniatura (micropuentes, espiras,
diafragmas, membranas, etc.) obtenida por técnicas de micromecanizado
(micromachining). La tecnología de micromecanizado se divide en
micromecanizado de “cuerpo” o “sustrato” (bulk micromachining) y en
micromecanizado de superficie (surface micromachinig). En la primera el
microdispositivo se fabrica en el cristal de silicio, normalmente por eliminación
selectiva de ciertas regiones. En el segundo se fabrica depositando capas
adicionales sobre el sustrato de silicio. Estos sistemas pueden integrar en un
mismo chip sensores, actuadores y la electrónica de procesado necesaria, por
lo que se suelen denominar sistemas Micro-Electro-Mecanizados (MEMS).
Hoy día muchos de los sensores que se están fabricando son mediante la
tecnología MEMS debido a importantes ventajas que puede ofrecer como el
tamaño y el coste.
En esta sección conviene tratar el concepto que en la literatura en inglés
se conoce como “smart sensors” (sensores inteligentes). Se trata de sensores
que no sólo producen la magnitud que se pretende medir, sino que también
incorporan funciones de procesamiento tales como:
¾
Comunicación bidireccional. La transmisión de la información
medida se realiza bajo petición, controlándose funciones locales.
-5-
¾
Autocalibración. Se trata de compensar variaciones de
características con el tiempo o con condiciones ambientales.
Filtrados, reducción de información en general y compensación de
no linealidades.
¾
Fusión multisensorial. Medidas diferentes con diversos sensores
y obtención de una estimación en función de todas las medidas.
Para realizar estas funciones se emplean normalmente circuitos
electrónicos especializados, microcontroladores y otros componentes
electrónicos.
3. CARACTERÍSTICAS
A la hora de evaluar los sensores, se les debe exigir una serie de
características, que se pasan ahora a enumerar y comentar:
¾
Precisión. Una medida será más precisa que otra si los posibles
errores aleatorios en la medición son menores. Se debe procurar la
máxima precisión posible.
¾
Rango de funcionamiento. El sensor debe tener un rango de
funcionamiento adecuado, es decir, debe ser capaz de medir de
manera exacta y precisa un determinado abanico de valores de la
magnitud correspondiente.
¾
Velocidad de respuesta. El sensor debe responder a los cambios
de la variable a medir en un tiempo mínimo. Lo ideal sería que la
respuesta fuera instantánea.
¾
Calibración. La calibración es el proceso mediante el que se
establece la relación entre la variable medida y la señal de salida
que produce el sensor. La calibración debe poder realizarse de
manera sencilla y además el sensor no debe precisar una
recalibración frecuente.
¾
Fiabilidad. El sensor debe ser fiable, es decir, no debe estar sujeto
a fallos inesperados durante su funcionamiento.
¾
Coste. El coste para comprar, instalar y manejar el sensor debe ser
lo más bajo posible.
¾
Facilidad de funcionamiento. Por último, sería ideal que la
instalación del sensor no necesitara de un aprendizaje excesivo.
Todas estas características son las deseables en los sensores. Sin
embargo, en la mayoría de los casos lo que se procurará será un compromiso
entre su cumplimiento y el coste que ello suponga a la hora del diseño y
fabricación.
-6-
Otras características a tener en cuenta son:
¾
Linealidad. La característica entrada/salida es lineal. Normalmente
se evalúa la separación máxima de la línea recta.
¾
Histéresis. La salida del sensor para una determinada entrada
varía dependiendo de de que entrada esté aumentando o
disminuyendo.
¾
Repetitividad. Es la variabilidad de la salida ante la misma
entrada.
¾
Resolución. Es el cambio más pequeño en la entrada que puede
ser detectable a la salida.
¾
Sensibilidad. Un pequeño cambio en la entrada causa un pequeño
cambio en la salida. Normalmente se cuantifica por la relación entre
el cambio en la salida dividido por el cambio en la entrada.
¾
Ruido. Es el nivel de señal espuria en la salida que no
corresponde a un cambio en la entrada.
¾
Offset. Es el valor de salida del sensor cuando la magnitud medida
es cero.
¾
Diferencia de fase. Si se considera que el fenómeno a medir sufre
una variación de tipo armónico, los transductores reproducen dicho
fenómeno físico con un cierto retraso. Este retraso, en general, es
función de la frecuencia. Por la transformada de Fourier, cualquier
función temporal puede considerarse como suma de señales
armónicas, cada una con frecuencia diferente. Según lo afirmado
en el párrafo anterior, el transductor representará el parámetro a
medir con un retraso que en general, será distinto para cada
frecuencia. La señal de salida del transductor será el resultado de
superponer la señal resultante década una de las frecuencias que
componían la señal original. Como el retraso introducido en cada
una de ellas es distinto la señal resultante sufre una distorsión con
relación a la variación de la señal original.
Figura 3-1 : Retraso producido entre la señal original y la de salida
-7-
Considerando una señal de medida armónica, el fenómeno a medir está
dado por:
x = X cos ωt
Y la señal que se obtiene en el transductor:
y = SX cos[ω (t − T )] = SX cos(ω ⋅ t − φ )
siendo
S = sensibilidad del transductor
φ = diferencia de fase
A la frecuencia ω, la relación entre el retraso T y φ es:
φ =ω t
Como se indica en la Figura 3-2, para que no se produzca distorsión en la
señal de medida, ô debe ser constante e independiente de la frecuencia. Esta
condición equivale a que la curva de la diferencia de fase sea una recta que
pasa por el origen o nula para cualquier frecuencia.
Figura 3-2: Curva de la diferencia de fase respecto la frecuencia
-8-
4. SENSORES DE VELOCIDAD ANGULAR
4.2- Introducción
El uso de giróscopos es muy común ya que pueden calcular la velocidad
de rotación de un móvil en relación a los ejes x, y ó z.
El conocimiento del ángulo rotado en el eje y (pitch), puede ser importante
en los momentos de frenadas bruscas mientras que en las curvas será bueno
conocer la rotación en el eje x (roll).
Se profundizará principalmente en la rotación alrededor del eje z (yaw) ya
que servirá para orientar el móvil en el plano xy. En muchas ocasiones, para
determinar el vector velocidad de algún punto del móvil, será necesario
combinar estos sensores con otros ya que por sí solos no puede dar una
información completa.
Existen diversos tipos de giroscopios, cada uno de los cuales esta regido
por principios físicos diferentes. A continuación se van a explicar los diferentes
modelos: mecánicos, ópticos y electrónicos. Los giroscopios mecánicos son los
mas antiguos mientras que los ópticos y los electrónicos son mas modernos.
4.2-1. Giroscopios mecánicos
Los giróscopos mecánicos están constituidos por un volante o masa que
rota suficientemente rápido alrededor de un eje estando la masa distribuida en
la periferia con objeto de que el momento de inercia del eje de rotación sea
alto. En la Figura 4-1 se muestra una configuración típica de este modelo de
giroscopio.
Figura 4-1: Componentes del Giroscopio mecánico
El rotor es accionado mediante un motor eléctrico, suspendiéndose
mediante un par de cojinetes que deben ser de bajo rozamiento en cada
extremo del eje. Estos cojinetes están soportados por un anillo circular,
conocido como anillo gimbal interno, el cual, a su vez, pivota en un segundo
juego de cojinetes que están unidos rígidamente a un anillo gimbal externo.
Nótese que existen tres ejes: el eje de rotación del volante, o rotor, un eje
-9-
perpendicular al de rotación del volante, que define el pivote interno, horizontal
en la figura anterior, y un tercer eje perpendicular a los dos anteriores que
define el pivote externo, vertical en la figura anterior.
Una propiedad importante de los giróscopos es que si en la rueda que
gira se le aplica un par de fuerzas perpendicular al eje, tendiendo a volcarla, se
aprecia el fenómeno, en principio sorprendente, de que la rueda adquiere un
lento movimiento de rotación, pero no alrededor del eje del par aplicado, sino
alrededor del otro eje perpendicular a él y al eje de giro de la rueda. Este
movimiento, al cual se conoce con el nombre de movimiento de precesión, se
mantiene mientras existe la inercia giroscópica. Esta propiedad también se
puede usar para la medida del ángulo girado.
Figura 4-2: Aplicación de una fuerza vertical en el extremo del rotor
Así si se aplica una fuerza vertical hacia abajo en el extremo de eje del
rotor (Figura 4-2), se produce un par en el eje horizontal que origina un
movimiento de presesión de rotación alrededor del eje vertical. Si a la vez gira
la base del instrumento sobre el mismo eje vertical existirá una relación entre el
movimiento de precesión y la velocidad de giro de la base. En efecto, cuanto
más rápido gire la base, mayor fuerza es necesaria para la presesión y la
velocidad de giro de la base. Esta relación proporcional puede emplearse para
medir la velocidad de giro sobre el eje vertical. Asimismo si en un barco se
coloca el rotor del giroscopio en una dirección perpendicular al eje longitudinal
del barco se mediría la variación en el ángulo de alabeo (roll) o rotación sobre
el eje longitudinal del barco. Conviene resaltar que este giroscopio proporciona
la variación de ángulo de rotación de un eje perpendicular al eje del rotor.
4.2-2. Giroscopios ópticos
La medición de rotación es de considerable interés en un gran número de
áreas.
Los más populares métodos de medición de la rotación usados en las
décadas pasadas, se basan en el giroscopio mecánico, el que, como ya se ha
comentado, depende del momento angular generado por una rueda o bola, a la
cual se le imprime un movimiento rotativo.
El principio por el que se basa un giroscopio láser es el llamado efecto
Sagnac.
- 10 -
Las principales ventajas de los giróscopos ópticos sobre los mecánicos,
básicamente son:
¾
No posee partes móviles
¾
No es necesario un tiempo de calentamiento (WARM-UP)
¾
No son sensibles a la gravedad
¾
Gran rango dinámico
¾
Lectura digital
¾
Bajo costo
¾
Tamaño reducido
Por el contrario, el inconveniente que tiene este tipo de giróscopos es que
son bastante frágiles.
Existen dos tipos de giróscopos ópticos: los RLG (Ring Laser Gyro) en los
que el medio por el que circula el rayo de luz es un anillo de fibra, y los FOG
(Fiber Optic Gyro) en los que el medio es una espiral de fibra óptica.
Independientemente del tipo que se tenga el principio por el que se rigen
ambos es el mismo: el efecto Sagnac.
Un ejemplo de FOG puede verse en los anejos (A1 1.1).
4.2-2.1.
Efecto Sagnac en el vacío
El principio en el que se basa este efecto es en la diferencia de camino
recorrido por dos haces luminosos dentro de un recorrido de fibra óptica.
Figura 4-3: Estructura y componentes de un RLG
Se va a intentar analizar el principio de funcionamiento. Para ello se parte
de un disco de radio R rotando a una velocidad omega (ver Figura 4-4).
- 11 -
Figura 4-4: Recorrido de los Rayos lumínicos
La diferencia de camino que ven dos rayos lumínicos viajando en
direcciones opuestas, a lo largo del perímetro es de:
(
)
∆L = 4 ⋅ A ⋅ Ω
c
donde A es el área encerrada por el camino y c es la velocidad de la luz.
La derivación de esta ecuación se basa en la propagación de la luz en un
campo rotativo, donde la teoría general de la relatividad debe ser usada para
realizar los cálculos apropiados.
La explicación del fenómeno es la siguiente. Nuevamente se considera el
disco rotando con una velocidad angular omega perpendicular al plano del
disco. En un cierto punto del perímetro (designado como 1) fotones idénticos se
envían en ambos sentidos del anillo a la largo de su perímetro. Si la velocidad
angular es cero, entonces ambos fotones verán que el camino es de la misma
longitud, cubriendo una distancia (hasta llegar nuevamente al punto 1) de
2 ⋅ Π ⋅ R . Si ahora el anillo se encuentra rotando, al llegar ambos fotones al
punto 1 uno va a tardar un tiempo tccw (counterclockwise) y el otro un tiempo
tcw (clockwise). Las ecuaciones vienen dadas por:
Lccw = 2 ⋅ Π ⋅ R − R ⋅ Ω ⋅ t ccw = c ccw ⋅ t ccw
Lcw = 2 ⋅ Π ⋅ R + R ⋅ Ω ⋅ t cw = ccw ⋅ t cw
(
)
∆t = t ccw − t cw = 4 ⋅ A ⋅ Ω
c
Cuando se divide un rayo de luz y luego se recombina, se forma una
interferencia. El modelo de interferencia obtenido dependerá de la velocidad de
rotación. Si se supone que no ha habido rotación, los dos rayos estarían en
fase por lo que se conseguiría interferencia constructiva que se representaría
con un punto blanco.
Por el contrario si se ha producido una rotación los rayos ya no estarían
en fase por lo que se obtendría interferencia destructiva y por lo tanto un punto
negro.
- 12 -
A continuación se representa de modo esquemático lo que se acaba de
decir para su mejor comprensión (ver Figura 4-5).
Figura 4-5: Tipos de interferencias producidas al recombinar dos rayos de luz
Otro de los modelos de giróscopos ópticos que se pueden hacer es
arrollando varias vueltas de fibra óptica, como se muestra el la Figura 4-6.
Figura 4-6: Estructura y componentes de un FOG
Según la forma en que esté realizado el separador de rayos (beamsplitter)
las señales provenientes de la fibra pueden interferir en forma constructiva o
destructiva, como ya se ha comentado.
En presencia de rotación, las señales lumínicas mostrarán una diferencia
de camino generada por:
∆L = Lcw − Lccw = ( L ⋅ D ) ⋅ Ω
c
Esto causará una variación de fase de:
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∆φ =
2⋅Π ⋅ L⋅ D
λ0 ⋅ c
Para un tamaño de sensor dado, la sensibilidad puede aumentarse
incrementando la longitud de la fibra. Desgraciadamente no puede alargarse
indefinidamente, debido a la atenuación dentro de la fibra.
A partir de la medida de diferencia de fase los sensores ópticos pueden
transformarla en velocidad de rotación que es lo que realmente se quiere
medir.
4.2-3. Giroscopios electrónicos
Son normalmente sensores de velocidad angular que emplean el efecto
de Coriolis. Para ello se realizan micromecanizados del silicio. El movimiento
de rotación produce fuerzas de Coriolis que dependen de la velocidad de giro.
Un sensor típico puede tener dimensiones entre 2 y 3 milímetros.
Los giroscopios, como ya se sabe, miden la velocidad angular de rotación,
o como de rápido gira un objeto. La rotación es normalmente medida en
referencia a uno de los tres ejes: x, y o z. La Figura 4-7 muestra como según el
plano en el que se monte el giroscopio, calculará una determinada velocidad de
rotación:
Figura 4-7: Velocidades angulares que mide un giroscopio electrónico
Por ejemplo los modelos de giróscopos ADXRS150 y ADXRS300 (ver A1
1.2 y A1 1.3) miden la rotación yaw pero si se montan en otro plano (por
ejemplo en el eje x-z) pueden ser usados para calcular la velocidad angular de
roll.
Una característica importante que hay que definir en este tipo de sensores
es el rango completo de escala cuyo valor determina la cantidad de velocidad
angular que se puede medir. Por ejemplo, un giroscopio de yaw montado en un
plato rotando a 33,3 rpm debería medir una rotación de 360º×33,3 rpm dividido
por 60 segundos o 200º / s.
Saldría un voltaje proporcional a la velocidad angular, o la sensibilidad,
como medida en milivoltios por grado por segundo. Así que en el ejemplo
anterior del plato, un giroscopio necesitaría tener un rango completo de al
menos 200º / s.
- 14 -
Normalmente existe una compensación entre el rango completo de escala
y la sensibilidad. Por ejemplo el modelo ADXRS300 (ver A1 1.3) tiene un rango
completo de escala de 300 º/s y una sensibilidad de 5 mV/º/s mientras que el
modelo ADXRS150 (ver A1 1.2) tiene un rango de escala mas limitado de
150º/s pero con una gran sensibilidad de12.5 mV/º/s.
4.2-3.1.
Aceleración de Coriolis
Todo cuerpo que se mueve sobre un sistema en rotación experimenta una
aceleración, llamada aceleración de Coriolis. La aceleración de Coriolis está
muy relacionada con el parámetro de Coriolis:
f = 2 ⋅ Ω ⋅ sen(θ )
donde Ω es la velocidad angular del sistema que rota (la Tierra, por
ejemplo) y θ es la latitud del lugar. Este parámetro es positivo en el hemisferio
norte y negativo en el hemisferio sur, tal como se deduce de los signos de la
latitud en cada hemisferio.
También se observa que se anula en el ecuador, dado que allí es cero.
En términos del parámetro de Coriolis, la aceleración de Coriolis que
siente un cuerpo que se mueve con rapidez v sobre un cuerpo que rota es
simplemente:
a cor = f ⋅ v
La aceleración de Coriolis es hacia la derecha del cuerpo, en un
hemisferio norte, hacia su izquierda, en un hemisferio sur, y nula en el ecuador.
Un cuerpo que siente una aceleración de Coriolis obviamente
experimenta también una fuerza de coriolis. Para calcularla basta con
multiplicar la aceleración de Coriolis por la masa, según la segunda ley de
Newton.
Dado que la dirección de la aceleración (y la fuerza) de Coriolis depende
del hemisferio en que se mueve el cuerpo, es importante reconocer en qué
hemisferio ocurre el movimiento. Esto no es necesariamente trivial. Una forma
sencilla de reconocer cuál es el hemisferio norte y cuál el sur en un cuerpo que
rota es la siguiente:
Se "sigue" con los dedos meñiques a índice (4 dedos) de la mano derecha
la dirección en que el cuerpo rota. El pulgar apunta entonces hacia el
hemisferio norte.
La fuerza de Coriolis es normalmente muy pequeña, por lo que
difícilmente experimentamos directamente sus efectos en la vida diaria. Sin
embargo, frecuentemente ella determina los movimientos de fluidos que se
mueven lentamente o que se mueven por largos periodos de tiempo (la
atmósfera y los océanos, por ejemplo).
- 15 -
Se va a ver un ejemplo que ayudará mas tarde a entender la explicación
de este modelo de giróscopos. Supóngase que una persona esta en una
plataforma giratoria como se muestra en la Figura 4-8:
Figura 4-8: Plataforma giratoria con una persona subida en ella
Si se coloca cerca del centro y se intenta mantener la posición respecto
del suelo, se debe andar contra la rotación a una velocidad dada. Por otro lado
si se desplaza hacia un punto cercano al extremo exterior de la plataforma,
tendría que andar más rápido para mantener la posición relativa al suelo. Este
incremento de velocidad, que es perpendicular al movimiento radial, es la
aceleración de coriolis. Si la persona tiene una masa M y se sabe que la
aceleración de coriolis, según se ha visto, vale 2 ⋅ Ω ⋅ v , la fuerza que debe
aplicar la plataforma para provocar esa aceleración será 2 ⋅ M ⋅ Ω ⋅ v . La persona
que está subida en la plataforma experimentaría la correspondiente fuerza de
reacción.
4.2-3.2.
Principio de funcionamiento
Este tipo de giróscopos, como por ejemplo los modelos ADXRS , aplican
el efecto de la aceleración de coriolis usando una masa que se desplaza de
forma análoga a la persona que estaba pisando la plataforma rotativa en el
ejemplo anterior. La masa es micromecanizada de polisilicio y atada a una
estructura de polisilicio de tal forma que pueda vibrar a lo largo de una
dirección. Cuando la masa que vibra se mueve hacia el extremo exterior de la
plataforma, esta experimenta una fuerza de reacción hacia la izquierda, por el
contrario cuando se mueve hacia el centro de rotación la experimenta hacia la
derecha. Esto último se expresa más claramente en la siguiente figura (Figura
4-9):
- 16 -
Figura 4-9: Fuerzas producidas por el desplazamiento vertical de una masa
La flecha roja mostrada en la Figura 4-9 que se ve en el dibujo indica la
fuerza aplicada a la estructura, basada en el estado de la masa que se
desplaza.
Para medir la aceleración de coriolis, la estructura que contiene la masa
es atada al sustrato a 90º relativos a la dirección de desplazamiento de la
masa, como se aprecia en la Figura 4-10. La figura también muestra unas
pequeñas barras de silicio que se usan para detectar la aceleración
capacitivamente, como se describirá mas tarde. Si el muelle tiene una rigidez
K, entonces el desplazamiento resultante de la fuerza de reacción será
2⋅Ω⋅ M ⋅v / K
Figura 4-10: Direcciones de desplazamiento de la masa y la estructura que la
contiene
A continuación en la Figura 4-11, se muestra la estructura completa y
como la superficie en la que esta montado el giroscopio rota. También se
puede apreciar como la masa y la estructura experimentan la aceleración de
coriolis y se desplazan 90º una respecto de la otra.
- 17 -
Figura 4-11: Desplazamiento de la masa y de la estructura que la contiene
La estructura y la masa que vibra se desplazan lateralmente en respuesta
al efecto de coriolis. Este efecto se determina del cambio diferencial en
capacidad entre las barras de silicio del sustrato y aquellos atados al sustrato.
Si la capacidad total es C y el espacio entre las barras es g, entonces la
capacidad diferencial debida al desplazamiento de la masa debido a la
aceleración de coriolis, será
2⋅Ω⋅v ⋅ M ⋅C
g⋅K
Si la velocidad angular de rotación se incrementa, la aceleración de
coriolis incrementa, esto hace que se produzca el desplazamiento de la masa.
Por lo tanto el desplazamiento de la masa y el de la estructura que la
contiene son medidos a través de la capacidad que se establece entre las
pequeñas barras de silicio de la estructura que contiene a la masa y las barras
del sustrato base. Cada velocidad angular y cada aceleración de coriolis
corresponden a una determinada capacidad. La electrónica puede detectar
cambios en capacidad tan pequeños como 12 ⋅10 −21 F. Lo que ocurre es que
para detectar estos cambios tan pequeños se tiene que recurrir a
amplificadores y a filtros.
Por último decir que este tipo de sensores son los que mas se están
usando en la industria debido a su pequeño consumo de potencia y su
pequeño tamaño.
4.2-4. Otros Giroscopios
Hoy día, aunque son menos usados, también existen giróscopos que
utilizan algún tipo de fluido de manera que se trabaja con la interacción de las
propiedades térmicas e inerciales de este. Un posible diseño es el esquema
que se muestra a continuación:
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Figura 4-12: Estructura de un giroscopio que funciona con agua
En el esquema de la Figura 4-12 se muestra el recorrido del agua y los
sensores de temperatura que se utilizan. El funcionamiento consiste en que en
el plano de rotación o yaw, la velocidad angular del dispositivo induce una
aceleración de Coriolis normal a la dirección de flujo y cuyo valor es:
a cor = 2 ⋅ ω ⋅ V x
donde:
ac =
Aceleración de coriolis
ω=
Velocidad angular
Vx =
Componente axial de la velocidad del fluido
La aceleración de Coriolis perturba el perfil de la velocidad parabólica del
∂P
flujo. Y asumiendo que el gradiente de presión
es invariante a lo largo del
∂x
canal, a partir de las ecuaciones de Navier Stokes, se puede llegar a:
∂V x
∂ 2V x ∂P
= µ⋅
−
ρ ⋅V y ⋅
∂y
∂x
∂y 2
ρ ⋅V y ⋅
∂V x
∂ 2V x
= µ⋅
− 2 ⋅ ρ ⋅ ω ⋅V x
∂y
∂y 2
donde ρ, µ y Vy son la densidad del fluido, la viscosidad dinámica y la
velocidad trasversal del fluido respectivamente.
El fluido entra al canal a una temperatura más alta que el silicio de
alrededor, de manera que el fluido pierde calor por convección a través de las
paredes del canal. El resultante perfil de temperaturas vendrá dado, en
términos de velocidad axial y trasversal, por:
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Vx ⋅
∂T
∂T
∂ T
+Vy ⋅
+α ⋅ 2 = 0
∂x
∂y
∂y
∂T
se considera constante asumiendo una velocidad uniforme de
∂x
flujo de calor a lo largo de la longitud del canal.
donde
El efecto de la aceleración de Coriolis en la velocidad y el perfil de
temperaturas se muestra en la Figura 4-13:
Figura 4-13: Perfiles de velocidad y temperatura perturbados y sin perturbar
Resolviendo las ecuaciones anteriores se puede obtener la velocidad
angular, ω, como función de la diferencia de temperaturas medida por los
correspondientes sensores situados en paredes opuestas del canal.
4.2-5. Sensores magnéticos
Los sensores magnéticos detectan una variación en el campo magnético
en respuesta a la variación de alguna magnitud física. Están basados en el
efecto Hall, por lo que se conocen como sensores de efecto Hall.
Se caracterizan principalmente por ser dispositivos de estado sólido, no
tener partes móviles, compatibilidad con otros circuitos analógicos y digitales,
margen de temperatura amplio, buena repetibilidad y frecuencia de
funcionamiento relativamente alta (100 kHz).
Se utilizan principalmente como sensores de posición, velocidad y
corriente eléctrica.
- 20 -
4.2-5.1.
El Efecto Hall
Figura 4-14
La figura muestra una fina lámina de material semiconductor (elemento
Hall) de espesor d, a través de la cual circula una corriente eléctrica de control
Ic. En ausencia de campo magnético, la distribución de la corriente es uniforme
y no se tiene una diferencia de potencial en los terminales de salida. En
cambio, en presencia de un campo magnético de densidad B, los electrones se
ven sometidos a una fuerza de Lorentz resultando una diferencia de potencial
en la salida VH denominada tensión Hall, cuyo valor es proporcional a la
corriente y al campo magnético (ecuación 1). La constante RH se llama constate
Hall y su valor para un semiconductor en general viene dada por la expresión 2.
En el caso particular de un semiconductor de tipo n o de un metal, n >>p y
la ecuación 2 se simplifica quedando: RH = -1/nq. Como en los metales la
densidad de portadores es mucho mayor que en los semiconductores la
tensión Hall generada en un metal es mucho menor que en un semiconductor
Expresando la tensión Hall en función de la tensión de control VC
obtenemos la expresión (4), en la que se observa como VH aumenta con la
movilidad de los portadores de carga.
- 21 -
4.2-5.2.
Materiales de los elementos Hall
Figura 4-15
Las características de los dispositivos Hall están determinadas por el tipo
de material con el que se fabrican los elementos Hall y por su forma y
dependen de dos constantes del material:
¾
La movilidad de los portadores de carga, µ.
¾
Banda de energía prohibida, Eg.
La sensibilidad crece con la movilidad como se demostró en la ecuación
(4). Por otro lado cuanto mayor sea E g menores serán las derivas con la
temperatura. La tabla muestra los valores de µ y Eg de los principales
materiales empleados en la fabricación de sensores Hall.
¾
Si: Tiene buenas características de temperatura, pero su
sensibilidad es baja. Se utiliza en la fabricación de sensores Hall
integrados empleando tecnologías clásicas de fabricación de CIs.
¾
GaAs: Tiene bajas derivas de temperatura, pero la pequeña
movilidad de los electrones reduce su sensibilidad.
¾
InSb: Tiene alta sensibilidad debido a su alta movilidad de los
electrones, pero el pequeño valor de E g causa considerables
derivas de la temperatura (coeficiente de temperatura -1%/ºC).
¾
InAs: Tiene menos movilidad que el InSb por lo que tendrá menos
sensibilidad que el, pero las derivas de temperatura son más
pequeñas (coeficiente de temperatura 0,1%/ºC). Empleado en la
fabricación de sondas Hall para medir campos magnéticos debido a
su buena linealidad.
- 22 -
¾
4.2-5.3.
2-DEG: Los elementos Hall 2-DEG (Two-dimensional electron-gas)
son heteroestructuras fabricadas con elementos de los grupos
grupo II y IV. El comportamiento electrónico es esencialmente en
dos dimensiones (2D), esto significa que los portadores son
confinados en pozos de potencial, limitando el movimiento de los
electrones a estados de energía fijos conocidos como “Quantum
Wells”. La figura muestra la formación de un Quantum Well. De
esta forma es posible controlar a nivel del material parámetros
como el coeficiente de temperatura o el offset.
Sensores Hall lineales
Figura 4-16
Atendiendo al tipo de salida, los sensores Hall se dividen en dos grupos:
¾
Sensores Hall de salida lineal.
¾
Sensores Hall de salida digital (interruptores Hall).
La figura muestra la estructura básica de un sensor Hall de salida lineal.
La tensión de salida del elemento Hall requiere un acondicionamiento que
consiste básicamente en una etapa de amplificación diferencial, dado que la
tensión Hall es de muy bajo nivel (30µV/G), y una compensación de
temperatura. También suelen integrar un regulador de tensión a fin de poder
trabajar con amplio margen de tensiones de alimentación y mantener la
corriente constante, de forma que la tensión de salida refleje sólo la intensidad
del campo magnético.
Para permitir un mejor interfaz con otros dispositivos, a la salida del
amplificador diferencial se añade un transistor en emisor abierto, colector
abierto o push-pull.
- 23 -
Figura 4-17
El campo magnético medido puede ser positivo o negativo, por lo que la
salida del amplificador es una tensión positiva o negativa. Esto requiere
disponer, en principio, de fuentes de alimentación tanto positivas como
negativas. Para evitar esta situación en el amplificador diferencial se incorpora
una tensión de polarización (null offset), de forma que con un campo magnético
nulo se tenga, en la salida, una tensión positiva.
Otras características importantes de los sensores Hall lineales son:
¾
Sensibilidad (mV/G). Es la pendiente de la característica de
transferencia. En la mayoría de los sensores Hall lineales la
sensibilidad y el offset son proporcionales a la tensión de
alimentación. Se dice que son sensores ratiométricos..
¾
Alcance (span). Define el margen de salida del sensor.
4.2-5.4.
Circuitos de interfaz
Figura 4-18: Circuitos de interfaz
- 24 -
La salida de un sensor Hall lineal suele ser una configuración en emisor
abierto (fuente de corriente) pudiéndose conectar con facilidad a componentes
estándar.
Son bastante frecuentes las aplicaciones donde la salida se lleva a un
circuito comparador o a un amplificador. La figura muestra ejemplos de
circuitos de interfaz básicos.
Empleando un circuito comparador con alimentación única (por ejemplo el
LM339 o equivalente) se puede obtener un interruptor digital con punto de
funcionamiento ajustable. La resistencia RH proporciona la histéresis a los
circuitos comparadores. La exactitud de la medida depende de la tolerancia y
coeficiente de temperatura de las resistencias, sin embargo la resistencia RL no
es crítica.
4.2-5.5.
Detector de dientes de engranaje
Figura 4-19: Detector de dientes de engranaje
Se trata de un dispositivo encapsulado en una carcasa tipo sonda, que
permite detectar con gran precisión el movimiento de un objetivo de material
ferromagnético. La figura muestra su aplicación como sensor de dientes de
engranaje. Cuando el diente del engranaje pasa por la cara del sensor, detecta
un cambio en el nivel del flujo y traslada este cambio a la tensión de salida, que
conmuta entre la tensión de alimentación y la tensión de saturación del
transistor de salida.
Entre sus aplicaciones más
posicionamiento, tacómetros, etc.
usuales
- 25 -
están
las
de: Recuento,
5. TECNOLOGÍAS
LINEAL
PARA
MEDIR
LA
VELOCIDAD
5.2- Introducción
Actualmente están surgiendo nuevas tecnologías referidas a las pruebas
realizadas en vehículos para las medidas de velocidad absoluta y longitudinal,
las cuales están ofertando una mayor exactitud, ahorros de tiempo y mayor
facilidad en su uso.
Centrándose principalmente en medidas de velocidad, donde una vez la
quinta rueda representó una excelente tecnología de calidad, las nuevas
innovaciones en sistemas de medidas sin contacto han hecho que muchos
ingenieros se planteen seriamente la reevaluación de los sistemas existentes.
Problemas como la falta de exactitud a altas velocidades, el crecimiento de la
rueda, y los saltos muy propios de la quinta rueda, son totalmente eludidos con
los sistemas de no contacto. Las principales razones de estos problemas es el
contacto directo con la superficie a estudiar.
Entre los principales sistemas de no contacto usados para medidas de
velocidad y distancia en pruebas de vehículos, están los sensores ópticos, la
tecnología GPS y los sensores Doppler. Estos últimos están basados en el
efecto Doppler
A continuación se va a hacer un estudio de las diferentes tecnologías que
existen para la medida de la velocidad (absoluta y longitudinal) en algún punto
del vehículo. Se comenzará por el análisis de los acelerómetros que miden las
aceleraciones en las diferentes direcciones del vehículo. A continuación, se
explicará la tecnología de la quinta rueda y luego se procederá a la exposición
de las tecnologías de no contacto.
5.3- Acelerómetros
A la hora de determinar la velocidad absoluta de un determinado punto
del móvil lo primero que se podría plantear es el tratamiento de la señal de
salida de un acelerómetro. Los acelerómetros son dispositivos que se emplean
para determinar la aceleración en cada uno de los ejes de movimiento del
coche.
Existen diferentes tecnologías para construir acelerómetros. Una posible
estructura consiste en una masa colocada en el extremo de una viga en
voladizo, situada entre dos electrodos fijos. El amortiguamiento del sistema se
consigue mediante películas de gas entre la masa y los electrodos. La masa y
la viga en voladizo se fabrican en silicio. En esta estructura capacitiva el
movimiento de la masa se detecta midiendo la capacidad variable en el
condensador.
Hay diferentes tipos de acelerómetros dependiendo de si miden la
aceleración en uno, dos o los tres ejes del móvil.
- 26 -
Se podría pensar que si, por ejemplo, se colocaran dos acelerómetros en
el coche, uno para calcular la aceleración longitudinal y el otro para la lateral y
se integraran las señales obtenidas, se llegaría a obtener la velocidad lateral y
longitudinal del vehículo, y por lo tanto el vector velocidad absoluta (ver Figura
5-1). Es cierto que, que si el coche se desplazase en línea recta, de forma que
no hubiese fuerzas laterales, se podría obtener el valor de dicho parámetro. El
problema surge cuando el móvil se está desplazando en una curva y aparecen
en los neumáticos una serie de fuerzas laterales, como se ha comentado
anteriormente, que hacen que al integrar la señal de aceleración del
acelerómetro lateral no se obtenga el verdadero valor de velocidad lateral. Esto
se debe a que la fuerza normal que se produce en los neumáticos es una
fuerza no inercial. Por esta razón la idea de poner un acelerómetro biaxial o
bien dos uniales no es un buen método para calcular la velocidad absoluta de
un punto del coche.
El la Figura 5-1 se puede ver como si en una curva se tiene Vx y Vy, se
obtiene directamente el vector velocidad el cual es tangente a la trayectoria de
la curva.
Figura 5-1: Velocidad lateral y longitudinal de un punto del móvil en una curva
5.4- Quinta rueda
5.4-1. Introducción
Hasta hace poco tiempo que han surgido las tecnologías sin contacto
para medidas de velocidad, la quinta rueda representó el principal instrumento
para medir este parámetro. A diferencia de otras tecnologías, el hecho de ser
un mecanismo basado en el contacto de dos superficies, hace que puedan
aparecer algunos problemas como deslizamiento en el contacto, saltos de la
rueda, etc. Por otro lado, dependiendo de aspectos como la magnitud de la
velocidad a la que se desplaza el móvil o las condiciones de la superficie por la
- 27 -
que se circula, esta tecnología puede aportar a sus medidas una serie de
ventajas respecto a las tecnologías sin contacto.
Figura 5-2: Dispositivo de quinta rueda montado en un coche
5.4-2. Conceptos previos
Antes de pasar a explicar el mecanismo de la quinta rueda, es importante
conocer lo que se denomina como coeficiente de adherencia (µmax ). Esto se
debe a que al ser una tecnología de contacto es importante tener en cuenta las
posibles condiciones de contacto que se pueden dar entre el neumático y la
superficie por donde se circula. Dicho coeficiente corresponde al valor máximo
de la adherencia entre el neumático y la superficie de rodadura. Una vez
superado ese límite, el deslizamiento entre el neumático y la superficie de
rodadura se extiende de forma casi instantánea a toda la huella de contacto y
disminuye hasta el valor µd (coeficiente de adherencia en deslizamiento).
Los valores del coeficiente de adherencia, están influenciados por
diversos factores que se pueden agrupar en internos (relacionados con el
propio neumático y el vehículo) y externos o relativos al ambiente en que se
mueve, especialmente la naturaleza y estado de la calzada.
Los principales factores internos que afectan a µ son:
¾
Velocidad de la marcha
¾
Dibujo de la banda de rodamiento
¾
Carga normal sobre la rueda
Los principales factores externos, relacionados con la calzada, son:
¾
Naturaleza de la superficie
¾
Humedad superficial
¾
Limpieza
- 28 -
Con todo esto lo que se quiere dar a entender es que al ser la quinta
rueda una tecnología de contacto, la veracidad de las medidas de velocidad
que se obtengan en las pruebas que se realicen dependerá de factores como
los que se acaban de exponer.
La velocidad del vehículo influye en µmax y en µd, haciendo disminuir estos.
Esta variación puede verse representado en la Figura 5-3:
Figura 5-3: Coeficiente de adherencia máxima (transversal y longitudinal) en
función de la velocidad y desgaste de la banda de rodamiento
El diseño de la banda de rodamiento influye en el coeficiente de
adherencia y, especialmente en los valores relativos de la adherencia
longitudinal y transversal. El desgaste de la banda también tiene influencia en
µd, aumentando éste valor con un cierto desgaste de dibujo (ver Figura 5-3).
En relación con los factores que se han denominado externos, los
principales son la naturaleza de la superficie de rodadura y su estado de
humedad. En cuanto a la primera, en la Tabla 3 se indican los valores medios
orientativos de µ max y de µ d, correspondientes a diferentes tipos de superficies.
Tabla 5-1: Valores medios del coeficiente de adherencia (neumático-superficie)
- 29 -
El estado de la humedad y suciedad de las superficies influyen en la
adherencia, provocando la disminución de esta última. En la Figura 5-4 puede
observarse, que sobre calzadas mojadas la adherencia disminuye, tanto más,
cuando mayor es el espesor de la capa de agua.
Se ha visto que si aumenta el desgaste en la superficie de la rueda
aumentará µmax. Pero esto es para el caso de superficies secas, para
superficies mojadas ocurrirá lo contrario, es decir, que la adherencia disminuye.
Figura 5-4:Influencia del espesor de la capa de agua y la velocidad sobre el
coeficiente de adherencia
5.4-3. Elementos necesarios
El uso de la quinta rueda ha sido siempre una forma simple y no muy
costosa de medir la velocidad longitudinal del vehículo. Para hallarla se apoya
en una serie de dispositivos que a continuación se van a exponer para una
posterior mejor comprensión del funcionamiento de esta tecnología.
5.4-3.1.
Tacogenedador
Es un dispositivo para medir la velocidad angular. Su funcionamiento es
sencillo: convertir la energía rotacional del eje en cuestión en energía eléctrica,
proporcional a la rotacional y que puede ser fácilmente medida. Una posible
configuración podría ser la que se ve en la Figura 5-5.
- 30 -
Figura 5-5: Esquema y componentes de un tacogenerador
Para generar la corriente a partir del giro se acopla al motor o eje que se
va a medir, una espira situada dentro de un campo magnético fijo (creado por
los dos imanes). Al girar el motor, la espira girará en el interior del campo
magnético, lo que provocará una corriente eléctrica.
Estos dispositivos pueden llegar a tener una precisión del 0,5 %, por lo
que puede resultar una solución aceptable a la hora de medir la velocidad
angular.
5.4-3.2.
Potenciometro
Los potenciómetros son unos dispositivos capaces de medir la posición
angular y pequeños desplazamientos de posición lineal. Según el tipo de
posición a medir, se tendrán dos tipos distintos de dispositivos pero la idea
básica es común.
Constan de una resistencia a través de la cual hay una determinada
diferencia de potencial. Además hay un contacto unido a la resistencia pero
que se puede deslizar a su alrededor; este elemento es conocido como wiper.
El wiper se conecta físicamente al elemento cuyo movimiento vamos a medir.
Cuando este elemento se mueva el wiper se ira moviendo por la resistencia y la
tensión de salida en él (en el wiper) irá cambiando. Si se mide está tensión de
salida, se podrá determinar cuanto se ha desplazado el wiper, y por lo tanto
cuanto se ha desplazado el elemento que se pretendía controlar.
5.4-4. Cálculo de la velocidad absoluta
Normalmente esta forma de calcular la velocidad del móvil se usa para
calcular la velocidad longitudinal del vehículo. Se ha empleado durante muchas
décadas, y hoy día se sigue empleando aunque en menor medida.
La forma de medir la velocidad consiste en colocar un dispositivo de
quinta rueda como se ve en la Figura 39. Con un tacogenerador que midiese la
velocidad angular de la rueda se podría convertir a velocidad lineal y tener
directamente la velocidad longitudinal. Para evitar problemas como saltos de la
rueda al circular por una superficie irregular, a veces se añade al dispositivo un
muelle (ver Figura 5-6).
- 31 -
Figura 5-6: Quinta rueda montada en un coche
Hasta ahora se ha visto como con la tecnología de quinta rueda se puede
calcular la velocidad longitudinal del coche. Pero lo que realmente interesa es
el vector velocidad absoluta que es la que aporta más información. Una de las
opciones que se plantean, es recurrir a la utilización de un potenciómetro que
determinará la posición angular.
Figura 5-7:Medida de velocidad absoluta con un potenciómetro y una quinta rueda.
Como se muestra en la Figura 5-7 el ángulo β5 podría calcularse a partir
del potenciómetro mencionado colocado en el punto A. Para obtener señales
de velocidad angular bastaría con derivar las señales de posición del
potenciómetro.
El módulo de la velocidad del punto B se obtendría a partir del tacómetro
que se colocase en el punto B. La dirección de VB será la que se indica en la
Figura 5-7.
Por otro lado se sabe que el campo de velocidades de un sólido rígido
viene dado por:
VB = V A + ω × A B
siendo VA velocidad lineal de un punto del sólido, VB la de otro punto, ω la
velocidad angular a la que rota el sólido y AB la distancia que hay entre el
punto A y el punto B.
- 32 -
Aplicando campo de velocidades entre A y B se podría obtener el vector
velocidad absoluta del punto A
Por lo tanto se acaba de ver una manera, en principio viable, de calcular
el vector velocidad absoluta de un punto del móvil.
5.5- Sensor óptico
5.5-1. Introducción
Una de las tecnologías que hoy día están en pleno auge en toda la
industria en general, es la tecnología óptica.
Un sensor óptico se basa en el aprovechamiento de la interacción entre la
luz y la materia para determinar las propiedades de ésta. Una mejora de los
dispositivos sensores, comprende la utilización de la fibra óptica como
elemento de transmisión de la luz.
Figura 5-8: Proceso de funcionamiento de un sensor óptico
En general, los sensores ópticos han sido ampliamente aceptados entre
los expertos en tecnologías de ensayos en vehículos. Son muy utilizados
preferentemente por su exactitud, facilidad de uso y adaptabilidad a una amplia
variedad de entornos de pruebas.
5.5-2. Características
Los sensores ópticos son usados, particularmente para medidas de:
¾
Velocidad
¾
Distancia
¾
Altura
¾
Ángulo
¾
Aceleración
¾
Velocidad de yaw
¾
Deriva
¾
Deslizamiento de la rueda
¾
Ensayos de frenado
- 33 -
Figura 5-9: Sensor óptico en una prueba
En la Figura 5-9 se puede observar como se ha colocado un sensor óptico
en un coche para obtener valores de los parámetros anteriormente señalados.
La prueba se hizo en una superficie pavimentada pero los sensores ópticos
también se pueden usar en terrenos no pavimentados.
En contraste a otros dispositivos que miden velocidad y distancia, los
cuales a menudo son incapaces de medir velocidades muy pequeñas, los
sensores ópticos pueden registrar velocidades tan bajas como 0.3 kilómetros
por hora. Estos pequeños detalles hacen que los sensores ópticos sean muy
aceptados para aplicaciones que demandan exactitud a bajas velocidades.
Para ensayos a altas velocidades los sensores ópticos son también más
exactos, especialmente en comparación con la quinta rueda, la cual es
propensa a saltos cuando es usada por encima de las velocidades medias. Por
ejemplo, el sensor de velocidad y distancia Datron DLS-3 (ver Figura 5-10)
proporciona un margen de exactitud de ±0.2% en medidas a velocidades tan
altas como son 400 kilómetros por hora. En comparación, la quinta rueda
típicamente consigue un rango de exactitud en sus medidas de ±1.5%, con un
empleo eficaz máximo a velocidades de solo 97 kilómetros por hora. A
velocidades mayores de 100 kilómetros por hora, la quinta rueda queda
esencialmente inútil.
Figura 5-10: Sensor DLS-3 instalado en un coche
- 34 -
5.5-3. Funcionamiento y componentes
Los sensores ópticos combinan dos avanzadas tecnologías: correlación
óptica y filtración de frecuencia espacial. Para la adquisición de medidas de
datos, el sensor óptico proyecta un rayo de luz de alta intensidad sobre la parte
superior de la superficie a examinar. Una lente óptica ve el área de la superficie
iluminada y enfoca esta imagen en un enrejado transparente. Cuando ocurre el
movimiento relativo entre el vehículo y la carretera, se genera una señal
eléctrica por los fotorreceptores que están montados detrás del enrejado. Para
medir los parámetros se usan componentes de frecuencia de la señal.
Figura 5-11: Componentes del sensor óptico
La disposición de los distintos elementos que se acaban de comentar
dentro del sensor se puede ver mejor en la Figura 5-11 y Figura 5-12.
Figura 5-12: Estructura interna del sensor
Las distintas imágenes se van superponiendo en el tiempo de manera se
puede sacar la dirección del vector velocidad. Esto se puede ver en la Figura 513.
- 35 -
Figura 5-13: Captación de imágenes y trayectoria en velocidad
El sensor tiene que estar situado dentro de un rango de distancia al suelo
ya que si se pone a mucha altura el rayo puede perder intensidad. Se suelen
establecer unos márgenes de altura entre los que puede operar el sensor.
Los sensores ópticos se pueden usar correctamente en superficies no
pavimentadas como grava o caminos fuera de carretera. También se pueden
usar en superficies pavimentadas irregulares o bien en superficies de adoquín.
Aunque por otro lado hay que decir que, como se verá en los ensayos que se
explicarán más adelante, en superficies mojadas no trabajan muy bien.
Otra de las ventajas que tienen este tipo de sensores es que son legales
para el uso público en autopistas. Además son fáciles de usar, con una
instalación completa que no supera los 10 minutos. Por el contrario el tiempo
de instalación de la quinta rueda puede llevar de 1 a 3 horas.
- 36 -
5.6- GPS
5.6-1. Introducción
El GPS o sistema de posicionamiento Global (Global Positioning System),
es un sofisticado sistema de orientación y navegación cuyo funcionamiento
está basado en la recepción y procesamiento de las informaciones emitidas por
una constelación de 24 satélites conocida como NAVSTAR, orbitando en
diferentes alturas a unos 20.000 Km. por encima de la superficie terrestre (ver
Figura 5-14).
Figura 5-14: Red de satélites alrededor de la tierra
Cada satélite da dos vueltas diarias al planeta, una cada doce horas. Las
trayectorias y la velocidad orbital han sido calculadas para que formen una
especie de red alrededor de la tierra (debe haber en todo momento cinco
satélites a la vista en cualquier zona), de manera que un receptor GPS a
cualquier hora del día o de la noche, en cualquier lugar, con independencia de
las condiciones metereológicas, pueda facilitar la posición que ocupa al captar
y procesar las señales emitidas por un mínimo de tres satélites.
El GPS fue desarrollado por el departamento de defensa de USA con
fines militares. Después se extendió su uso a aplicaciones civiles.
Cada satélite transmite series de datos en dos códigos diferentes. Uno de
los códigos, el código P, está reservado para su utilización militar, el otro
código, llamado SPS, está destinado para uso civil. Cada código tiene una
frecuencia de emisión diferente. El código P se emite en la frecuencia de
1227.6 MHz mientras que para el código SPS es de 1575.42 MHz.
La estación central del sistema GPS, situada en Estados Unidos, degrada
la precisión de las señales civiles (por medio de una pequeña diferencia en el
tiempo de emisión/recepción) de forma que ofrezca un pequeño error. Esta
degradación de la señal es conocida como disponibilidad selectiva (SA). Esta
diferencia en las coordenadas de posición para usos civiles, es debida a
- 37 -
motivos de seguridad, no hay que olvidar que algunos sistemas de dirección de
mísiles utilizan el sistema GPS como guía.
- 38 -
5.6-2. Calculo de la posición
Paso 1
Los satélites son puntos de referencia. Sus posiciones en el espacio se
conocen con toda precisión, constituyendo la base de todos los cálculos GPS.
Paso 2
El tiempo de viaje de la señal da la distancia. Mediante una serie de
mensajes codificados, un receptor en tierra determina el momento en que la
marca de tiempo partió del satélite, así como el momento de llegada a su
antena. La diferencia es el tiempo de viaje de cada señal. La distancia es el
producto del tiempo por la velocidad de la luz. En este proceso es donde hay
errores.
Figura 5-15: Medición por medio de un satélite
Paso 3
Tres distancias fijan la posición. Se supone un receptor a 23000 Km. de
un satélite. Esta medición restringe el lugar del universo en que puede
encontrarse el receptor. Indica que ha de estar en algún lugar de una superficie
esférica imaginaria, centrada en ese satélite y con un radio de 23000 Km. (ver
Figura 5-15).
Figura 5-16: Medición por medio de dos satélites
Si por ejemplo el receptor se encuentra a 26000 Km. de un segundo
satélite, eso restringe aún más el lugar, a la intersección entre dos esferas, que
es una circunferencia (ver Figura 5-16).
- 39 -
Figura 5-17: Medición por medio de tres satélites
Una tercera medición, añade otra esfera, que intercepta el círculo
determinado por las otras dos. La intersección ocurre en dos puntos, y así con
tres mediciones, el receptor restringe su posición a sólo dos puntos en todo el
universo (ver Figura 5-17).
Una cuarta medición seleccionaría uno de estos dos puntos, pero no es
necesario, pues de los dos puntos del paso anterior, uno está a miles de Km.
de la Tierra, por lo que no tiene sentido.
Aunque a veces es realizada esta cuarta medición, para proporcionar una
forma de asegurar que el reloj del receptor está sincronizado con la hora
universal.
5.6-3. GPS diferencial
Es una forma de hacer más preciso al GPS. El DGPS proporciona
mediciones hasta un par de metros en aplicaciones móviles, e incluso mejores
en sistemas estacionarios.
El DGPS opera mediante la cancelación de la mayoría de los errores
naturales y los causados por el hombre, que se infiltran en las mediciones
normales con el GPS.
Las imprecisiones provienen de diversas fuentes, como los relojes de los
satélites, órbitas imperfectas y, especialmente, del viaje de la señal a través de
la atmósfera terrestre. Dado que son variables es difícil predecir cuales actúan
en cada momento, lo que se necesita es una forma de corregir los errores
reales conforme se producen. Aquí es donde entra el segundo receptor, se
sitúa en un lugar cuya posición se conozca exactamente. Calcula su posición a
través de los datos de los satélites y luego compara la respuesta con su
posición conocida. La diferencia es el error de la señal GPS.
No es posible calcular el error en un momento y que valga para
mediciones sucesivas, ya que los receptores de los satélites cambian
continuamente. Para realizar esta tarea es necesario tener dos receptores
operando simultáneamente. El de referencia permanece en su estación y
supervisa continuamente los errores a fin de que el segundo receptor (el
itinerante) pueda aplicar las correcciones a sus mediciones, bien sea en tiempo
real o en algún momento futuro.
- 40 -
5.6-4. Errores en las señales
5.6-4.1.
Errores de los satélites
Los satélites llevan relojes atómicos muy precisos, pero no perfectos. La
posición de los satélites en el espacio es también importante, estos se ubican
en órbitas altas, por lo que están relativamente libres de los efectos
perturbadores de la capa superior de la atmósfera terrestre, pero aún así se
desvían ligeramente de las órbitas predichas.
5.6-4.2.
La atmósfera
La información se transmite por señales de radio y esto constituye otra
fuente de error. La física indica que las señales de radio viajan a la velocidad
de la luz, que es constante, pero eso sólo es en el vacío. Las ondas de radio
disminuyen su velocidad en función del medio en que se propagan. Así pues,
conforme una señal GPS pasa a través de las partículas cargadas de la
ionosfera y luego a través del vapor de agua de la troposfera, se retrasa un
poco, lo cual implica un valor erróneo de la distancia del satélite.
Figura 5-18: Desviación de la señal del satélite debido a la atmósfera
5.6-4.3.
Error multisenda
Cuando la señal GPS llega a la Tierra se puede reflejar en obstrucciones
locales antes de llegar al receptor. La señal llega a la antena por múltiples
sendas, primero la antena recibe la señal directa y algo más tarde llegan las
desplazadas, produciendo ruido. Un ejemplo es en el caso de la TV cuando se
ven imágenes múltiples solapadas.
Figura 5-19: Diversos caminos que toma la señal para llegar a la antena
- 41 -
5.6-4.4.
Error del receptor
Los receptores tampoco son perfectos y pueden introducir sus propios
errores, que surgen de sus relojes o de ruido interno.
5.6-5. Sensores con GPS
Hasta ahora se ha hablado de los GPS convencionales que cuya forma
de tomar medidas se acaba de explicar. Actualmente existen unos sensores
GPS para el cálculo de la posición y la velocidad del vehículo con una exactitud
bastante alta en esta última y que toman sus medidas de forma distinta a los
anteriores, ya que se basan en el principio Doppler. Un ejemplo de este tipo de
sensores puede ser el sensor VBOX de la empresa M-Tech. La forma de
trabajar de este tipo de sensores es viendo la diferencia de fase (principio
Doppler) que hay entre las señales que son recibidas de tres o más satélites,
debido al movimiento de vehículo respecto de los satélites. A partir de esa
diferencia de fase calcula la velocidad del receptor del móvil. El receptor puede
ser colocado en cualquier lugar como se muestra en la Figura 5-20.
Figura 5-20: Receptor montado en un coche
Mediante esta tecnología se puede calcular la velocidad con gran
precisión.
Se podría haber planteado si es posible coger las diferentes señales de
posición de un GPS convencional y derivarlas respecto del tiempo para obtener
velocidades, de forma que no se tuviese que recurrir al efecto Doppler. Esto
desde el punto de vista de la precisión no es viable ya que los errores en
posición del GPS son bastante grandes.
La empresa M-Tech hizo unas pruebas en las que se verificaba la
hipótesis que se acaba de exponer. Se obtuvieron los siguientes resultados
(ver Figura 5-21 y Figura 5-22).
- 42 -
Figura 5-21: Valores de velocidad derivando valores de posición
La Figura 5-21 representa las medidas de velocidad que se obtienen
como resultado de derivar las señales de posición obtenidas por un GPS.
Como se puede observar las señales tienen demasiado ruido.
Por otro lado si se recurre a la metodología de calcular la velocidad a
partir de la diferencia de fase entre las señales (Efecto Doppler), la señal es
mucho más clara como se muestra en la Figura 5-22.
Figura 5-22: Valores de la velocidad aplicando el efecto Dopper
Aparte de la velocidad, este modelo de sensor (VBOX) puede medir otros
parámetros como son:
¾
Distancia
¾
Posición
¾
Altura
¾
Aceleración lateral
¾
Aceleración longitudinal
¾
Velocidad vertical
¾
Radio de giro
- 43 -
Los dispositivos GPS muchas veces van provistos de otros sensores
(giróscopos, odómetros, etc.) para situaciones en las que la señal de los
satélites se pierda, por ejemplo al pasar por un túnel.
5.6-6. Sensores Doppler
5.6-6.1.
Introducción
Una de las tecnologías que se pueden utilizar para el cálculo de la
velocidad longitudinal del vehículo es el uso de sensores basados en el efecto
Doppler, denominados sensores radar o sensores Doppler. Este tipo de
sensores son muy útiles tanto para el cálculo de la velocidad como para la
distancia recorrida por el vehículo. Al ser una tecnología sin contacto las
medidas del movimiento relativo no se ven afectadas por problemas como
pueden ser el deslizamiento de la rueda.
Los sensores basados en le efecto Doppler son capaces de medir
velocidades desde 0.5 hasta 480 Km./h y además debido a su tamaño pueden
ser colocados en cualquier lugar del coche. Otra de las ventajas a parte de su
tamaño, es que solo requiere una pequeña fuente de tensión DC de poca
potencia.
Estos sensores, al igual que los ópticos, pueden ser usados en varios
tipos de superficies y es por ello por lo que son utilizados en carreras de
competición para analizar el comportamiento de los vehículos.
Uno de los principales inconvenientes que tienen estos sensores es que
calculan sólo la velocidad longitudinal del coche, no la velocidad absoluta. Se
podría pensar en la opción de poner un sensor transversalmente al coche y
otro longitudinal para calcular la velocidad en ambas direcciones. Esta hipótesis
ya ha sido estudiada por los fabricantes y las pruebas que han realizado
demuestran que no se puede poner un sensor de efecto doppler
transversalmente para obtener velocidad transversal (Vy ), debido a que
normalmente son velocidades muy pequeñas y la resolución de estos sensores
no es suficiente.
La salida del sensor es un pulso digital. La frecuencia del pulso se puede
utilizar para determinar la velocidad del vehículo o los pulsos se pueden sumar
para determinar la distancia recorrida.
- 44 -
Figura 5-23: Sensor Dopper (Modelo Delta Speed sensorDRS1000) montado en un
coche
En cuanto a la precisión, hay que decir que los sensores Doppler, aunque
son más exactos que la quinta rueda, son algo menos precisos que los
sensores ópticos. Se puede conseguir una precisión de hasta ±0,5%
dependiendo de algunos factores como se verá mas adelante, que puede ser
aceptable para muchas de las aplicaciones.
Como se muestra en la Figura 5-24 el sensor puede ser montado en un
vehículo, apuntando al suelo y utilizado para medir la velocidad del vehículo
relativo al suelo. El sensor se enfocará hacia delante o hacia atrás. Y debido a
su pequeño tamaño puede montarse en cualquier lugar del coche.
Figura 5-24:Sensor Dopper montado en la parte trasera de un coche
- 45 -
5.6-6.2.
Frecuencia
Como ya se ha visto el principio Doppler explica que existe un cambio de
frecuencia entre la onda emitida y la onda reflejada. Para el caso concreto del
sensor de velocidad Delta , se transmite una señal con una frecuencia
específica que refleja en una superficie y es devuelta al sensor. Si el sensor o
la superficie donde se refleja el rayo están moviéndose uno relativamente
respecto del otro, la señal cambiará en frecuencia cuando vuelva al sensor.
Este cambio en frecuencia permite medir la velocidad relativa entre el sensor y
la superficie. El cambio de frecuencia Doppler viene dada por:
F 
Fd = 2 ⋅ V ⋅  0  ⋅ cos θ
 c 
donde:
5.6-6.3.
Fd :
Cambio de frecuencia observado
V:
Velocidad
c:
Velocidad de la luz
F0 :
35,5 ± 0,1GHz (Frecuencia de transmisión).
θ:
Ángulo offset del sensor relativo a la dirección de la
superficie.
Corrección del ángulo de offset
Como se muestra en la Figura 5-25 existe un ángulo de offset entre el
centro del rayo radar y la dirección de marcha de la superficie reflejada el cual
introducirá un factor de coseno en la fórmula anterior.
Figura 5-25: Ángulo de offset producido entre el rayo radar y la superficie.
Lo expuesto anteriormente hace que la salida del sensor se deba corregir
dividiéndola por el coseno del ángulo de offset. Se van a analizar un par de
- 46 -
casos para ver las diferencias que hay en velocidad dependiendo del ángulo de
offset.
¾
Por ejemplo, si tuviese una salida del sensor de 2600 Hz y un
ángulo de offset de 30º el valor de la velocidad real será:
2600 Hz
Velocidad real =
¾
100 Hz / MPH = 30,02MPH
cos 30º
Si tuviese la misma salida pero con un ángulo de offset de 31º la
velocidad real será:
2600 Hz
Velocidad real =
100 Hz / MPH = 30,33MPH
cos 31º
Como se puede apreciar en el ejemplo los cambios en ángulo de offset
influyen en la velocidad medida. Es recomendable que se conozca el ángulo
con una precisión de al menos un grado para mantener una exactitud en
velocidad del 1-2% para un objetivo en el centro del rayo. Debido a que el valor
del coseno cambia rápidamente para ángulos de offset sobre 45º, estos
ángulos no son recomendados.
El rayo diverge 6º del centro, resultando aproximadamente un rayo con
forma cónica. Esta geometría puede inducir un error en las medidas de
velocidad. Esto ocurre porque el objetivo de un extremo del rayo es diferente el
ángulo de offset que en el centro del rayo. Para pequeños ángulos de offset, el
cambio en el coseno de un extremo de rayo al otro es pequeño por lo que los
errores son pequeños. Para ángulos de offset mayores, el cambio es más
significativo.
En el caso del sensor de velocidad Delta incluye un algoritmo que
determina la fuerza de la señal de vuelta. Si la señal es lo suficientemente
fuerte, el sensor se bloqueará. A causa de que diferentes superficies reflejarán
diferentes cantidades de energía hacia el sensor, este se bloqueará
dependiendo de factores como el material de suelo o la orientación del sensor.
Por ejemplo si esta orientación fuese perpendicular a la carretera se reflejaría
mucha mas energía que si se pone con un cierto ángulo.
El sensor recibe energía reflejada de todos los posibles objetivos dentro
del rayo radar. Si alguno de los objetivos se esta moviendo, causará un cambio
de frecuencia, posiblemente provocando una falsa medida sino es el objetivo
deseado. Por esta razón, es importante considerar la geometría del rayo,
particularmente la divergencia del ángulo, y hacer que el sensor no pueda
detectar objetivos no deseados.
- 47 -
5.6-6.4.
Otros modos de uso
A modo de curiosidad se puede decir que muchos de los sensores
basados en el efecto Doppler pueden calcular la velocidad del vehículo
colocando el sensor en una posición exterior al coche. Por eso son empleados
por la policía para realizar controles de velocidad en las carreteras. Esto se
puede ver claramente en la Figura 5-26 como se muestra a continuación.
Figura 5-26: Sensor midiendo la velocidad del coche desde una posición externa al
mismo
El principio de funcionamiento del sensor para este caso es igual que para
el anterior en el que iba montado en el propio coche. El sensor determinará la
velocidad relativa del coche respecto a la posición del sensor externo.
Dentro de esta forma de trabajo, existen otros sensores (Micromet CF-3
radar) que funcionan de esa manera. Es decir, que a partir de un radar
colocado normalmente dentro del coche y otro dispositivo que actúa de
recibidor colocado en una posición externa al vehículo, se puede calcular la
velocidad a la que el coche se desplaza. Estos sensores no son tan usados
como los que se han estudiado anteriormente, ya que entre otras cosas tienen
la limitación de que el coche se tiene que desplazar en línea recta para que las
señales se puedan transmitir bien.
5.7- Ventajas e inconvenientes de cada tecnología
5.7-1. Acelerómetros
Los acelerómetros dan la aceleración en los tres ejes. Integrando la señal
de aceleración se podría obtener velocidad.
Ventajas
¾
La señal de velocidad longitudinal obtenida mediante integración
de la señal de aceleración proporcionada por el acelerómetro, es
bastante precisa.
- 48 -
¾
Precio no muy elevado
¾
Pequeño tamaño
Inconvenientes
¾
No se puede obtener velocidad lateral a partir de la integración de la
medida de un acelerómetro colocado en dirección transversal como ya se
comento.
5.7-2. Quinta rueda
La tecnología de quinta rueda se usa para medir la velocidad longitudinal
del coche. En principio se podría llegar a obtener el vector velocidad absoluta
de un punto del coche mediante la idea propuesta en el laboratorio, ya
comentada anteriormente, de combinar la quinta rueda con un potenciómetro.
Ventajas
¾
Tienen una precisión aceptable a velocidades menores de 100
Kmh.
¾
Siempre y cuando se mantenga la velocidad máxima anterior,
proporciona valores de velocidad precisos cuando la superficie
sobre la que circula está mojada.
¾
Precios asequibles.
Inconvenientes
¾
A velocidades altas la quinta rueda se hace prácticamente inútil.
¾
Dependiendo de la superficie pueden producirse saltos que
perjudicarían a la medida de velocidad.
¾
Al ser una tecnología
deslizamientos.
¾
Requiere mucho tiempo de instalación.
¾
Poca práctica en una carrera de competición.
¾
Debido a su tamaño no se puede instalar en cualquier lugar del
coche.
de
- 49 -
contacto
se
pueden
producir
5.7-3. Sensores ópticos
Estos sensores obtienen directamente medidas de velocidad absoluta.
Miden tanto el módulo como la orientación del vector velocidad absoluta.
Ventajas
¾
Es una tecnología de no contacto por lo que los problemas
surgidos en la quinta rueda por el contacto con la superficie pueden
ser eludidos.
¾
Alta precisión incluso a velocidades altas.
¾
Puede medir incluso a velocidades muy bajas.
¾
Miden la velocidad y su dirección.
¾
Poco tiempo de instalación.
¾
Permitido su uso en autopistas.
Inconvenientes
¾
No funcionan bien cuando la superficie esta mojada.
¾
La señal de velocidad que se obtiene puede presentar ruido.
¾
Tienen un precio bastante alto.
¾
No pueden ser montados en cualquier lugar del coche ya que
deben estar orientados hacia el suelo.
¾
El sensor no se puede poner a mucha altura del suelo ya que el
rayo de luz podría perder nitidez (depende del rango).
¾
Debe utilizarse en superficies donde no haya grandes desniveles
que puedan producir saltos del vehículo ya que el sensor podría
salirse del rango.
- 50 -
5.7-4. GPS
Aquí la señal de salida depende si se trata de un GPS convencional a si
se trata de un GPS Doppler. Los primeros dan el vector velocidad (módulo y
orientación) mientras que los segundos dan solo el modulo de la velocidad.
Ventajas GPS convencional
¾
Da el vector velocidad
¾
Son baratos
Inconvenientes GPS convencional
¾
No son precisos
¾
Tienen baja frecuencia (2 o 3 Hz)
¾
A veces la señal no se recibe bien (por ejemplo en túneles)
Ventajas GPS Doppler
¾
Alta precisión en velocidad.
¾
Es una tecnología sin contacto con todas las ventajas que eso
supone.
¾
No influye el tipo de superficie por donde circule el vehículo
(mojada, seca etc.)
¾
Tienen frecuencia alta (hay modelos de 100Hz).
¾
La señal de salida presenta menos ruido que la de los ópticos.
¾
No hay que calibrar.
Inconvenientes GPS Doppler
¾
Hay ocasiones en las que la señal no se recibe bien (túneles,
edificios altos, etc.).
¾
Solo miden velocidad longitudinal.
5.7-5. Sensores de Efecto Doppler
Estos sensores miden la velocidad longitudinal del vehículo. No te dan la
orientación del coche.
Ventajas
¾
Es una tecnología de no contacto.
¾
Suelen ser sensores de pequeño tamaño.
- 51 -
¾
Puede medir velocidades bastante altas.
¾
Alta precisión.
¾
Precio asequible comparado con otros sensores.
¾
Pueden situarse a más altura que los ópticos.
Inconvenientes
¾
Son menos precisos que los ópticos
¾
Como los sensores ópticos cuando la carretera esta mojada no
funcionan bien
¾
No miden la dirección de la velocidad
¾
No se deben montar en lugares cercanos a posibles vibraciones
(por ejemplo el motor)
¾
Mide velocidad relativa por lo que si se trata de un suelo de tierra o
piedras que puedan moverse, la medida de velocidad puede ser
modificada.
¾
Se tienen que montar de forma que enfoquen a la carretera. Esto
puede limitar los lugares donde sea posible colocar el sensor.
- 52 -
6. ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 3-1 : Retraso producido entre la señal original y la de salida .................. 7
Figura 3-2: Curva de la diferencia de fase respecto la frecuencia...................... 8
Figura 4-1: Componentes del Giroscopio mecánico........................................... 9
Figura 4-2: Aplicación de una fuerza vertical en el extremo del rotor............... 10
Figura 4-3: Estructura y componentes de un RLG ........................................... 11
Figura 4-4: Recorrido de los Rayos lumínicos.................................................. 12
Figura 4-5: Tipos de interferencias producidas al recombinar dos rayos de luz13
Figura 4-6: Estructura y componentes de un FOG........................................... 13
Figura 4-7: Velocidades angulares que mide un giroscopio electrónico........... 14
Figura 4-8: Plataforma giratoria con una persona subida en ella ..................... 16
Figura 4-9: Fuerzas producidas por el desplazamiento vertical de una masa.. 17
Figura 4-10: Direcciones de desplazamiento de la masa y la estructura que la
contiene..................................................................................................... 17
Figura 4-11: Desplazamiento de la masa y de la estructura que la contiene ... 18
Figura 4-12: Estructura de un giroscopio que funciona con agua .................... 19
Figura 4-13: Perfiles de velocidad y temperatura perturbados y sin perturbar . 20
Figura 4-14 ....................................................................................................... 21
Figura 4-15 ....................................................................................................... 22
Figura 4-16 ....................................................................................................... 23
Figura 4-17 ....................................................................................................... 24
Figura 4-18: Circuitos de interfaz ..................................................................... 24
Figura 4-19: Detector de dientes de engranaje ................................................ 25
Figura 5-1: Velocidad lateral y longitudinal de un punto del móvil en una curva
.................................................................................................................. 27
Figura 5-2: Dispositivo de quinta rueda montado en un coche ........................ 28
Figura 5-3: Coeficiente de adherencia máxima (transversal y longitudinal) en
función de la velocidad y desgaste de la banda de rodamiento ................ 29
- 53 -
Figura 5-4:Influencia del espesor de la capa de agua y la velocidad sobre el
coeficiente de adherencia ......................................................................... 30
Figura 5-5: Esquema y componentes de un tacogenerador............................. 31
Figura 5-6: Quinta rueda montada en un coche ............................................... 32
Figura 5-7:Medida de velocidad absoluta con un potenciómetro y una quinta
rueda. ........................................................................................................ 32
Figura 5-8: Proceso de funcionamiento de un sensor óptico ........................... 33
Figura 5-9: Sensor óptico en una prueba ......................................................... 34
Figura 5-10: Sensor DLS-3 instalado en un coche........................................... 34
Figura 5-11: Componentes del sensor óptico................................................... 35
Figura 5-12: Estructura interna del sensor ....................................................... 35
Figura 5-13: Captación de imágenes y trayectoria en velocidad ...................... 36
Figura 5-14: Red de satélites alrededor de la tierra ......................................... 37
Figura 5-15: Medición por medio de un satélite................................................ 39
Figura 5-16: Medición por medio de dos satélites ............................................ 39
Figura 5-17: Medición por medio de tres satélites............................................ 40
Figura 5-18: Desviación de la señal del satélite debido a la atmósfera............ 41
Figura 5-19: Diversos caminos que toma la señal para llegar a la antena ....... 41
Figura 5-20: Receptor montado en un coche ................................................... 42
Figura 5-21: Valores de velocidad derivando valores de posición.................... 43
Figura 5-22: Valores de la velocidad aplicando el efecto Dopper..................... 43
Figura 5-23: Sensor Dopper (Modelo Delta Speed sensorDRS1000) montado
en un coche............................................................................................... 45
Figura 5-24:Sensor Dopper montado en la parte trasera de un coche............. 45
Figura 5-25: Ángulo de offset producido entre el rayo radar y la superficie. .... 46
Figura 5-26: Sensor midiendo la velocidad del coche desde una posición
externa al mismo....................................................................................... 48
- 54 -