Desde cadenas de transmisión robóticas hasta cintas transportadoras en operaciones de cadena de suministro hasta el balanceo de torres de turbinas eólicas, la detección de posición es una función crítica en una amplia gama de aplicaciones. Puede tomar muchas formas, incluidos sensores lineales, rotativos, angulares, absolutos, incrementales, de contacto y sin contacto. Se han desarrollado sensores especializados que pueden determinar la posición en tres dimensiones. Las tecnologías de detección de posición incluyen potenciométricas, inductivas, de corrientes parásitas, capacitivas, magnetostrictivas, de efecto Hall, de fibra óptica, ópticas y ultrasónicas.
Estas preguntas frecuentes proporcionan una breve introducción a las distintas formas de detección de posición y luego revisan una variedad de tecnologías que los diseñadores pueden elegir al implementar una solución de detección de posición.
Los sensores de posición potenciométricos son dispositivos basados ​​en resistencia que combinan una pista resistiva fija con un limpiador unido al objeto cuya posición necesita ser detectada. El movimiento del objeto mueve los limpiadores a lo largo de la pista. La posición del objeto se mide utilizando una red divisoria de voltaje formada por rieles y limpiadores para medir el movimiento lineal o rotacional con un voltaje de CC fijo (Figura 1). Los sensores potenciométricos son de bajo costo, pero generalmente tienen baja precisión y repetibilidad.
Los sensores de posición inductivos utilizan cambios en las propiedades del campo magnético inducido en la bobina del sensor. Dependiendo de su arquitectura, pueden medir la posición lineal o rotacional. Los sensores de posición de Transformador Diferencial Variable Lineal (LVDT) utilizan tres bobinas enrolladas alrededor de un tubo hueco: una bobina primaria y dos secundarias. Las bobinas están conectadas en serie, y la relación de fase de la bobina secundaria está desfasada 180° con respecto a la bobina primaria. Un núcleo ferromagnético llamado armadura se coloca dentro del tubo y se conecta al objeto en la ubicación que se está midiendo. Se aplica un voltaje de excitación a la bobina primaria y se induce una fuerza electromagnética (FEM) en la bobina secundaria. Al medir la diferencia de voltaje entre las bobinas secundarias, se puede determinar la posición relativa de la armadura y aquello a lo que está unida. Un Transformador Diferencial de Voltaje Rotatorio (RVDT) utiliza la misma técnica para rastrear la posición rotatoria. Los sensores LVDT y RVDT ofrecen buena precisión, linealidad, resolución y alta sensibilidad. No tienen fricción y se pueden sellar para su uso en entornos hostiles.
Los sensores de posición por corrientes de Foucault funcionan con objetos conductores. Las corrientes de Foucault son corrientes inducidas que se producen en materiales conductores en presencia de un campo magnético cambiante. Estas corrientes fluyen en un bucle cerrado y generan un campo magnético secundario. Los sensores de corrientes de Foucault constan de bobinas y circuitos de linealización. La corriente alterna energiza la bobina para crear el campo magnético primario. Cuando un objeto se acerca o se aleja de la bobina, su posición se puede detectar utilizando la interacción del campo secundario producido por las corrientes de Foucault, que afecta la impedancia de la bobina. A medida que el objeto se acerca a la bobina, las pérdidas por corrientes de Foucault aumentan y el voltaje oscilante se vuelve más pequeño (Figura 2). El voltaje oscilante se rectifica y procesa mediante un circuito linealizador para producir una salida de CC lineal proporcional a la distancia del objeto.
Los dispositivos de corrientes de Foucault son dispositivos robustos, sin contacto, que normalmente se utilizan como sensores de proximidad. Son omnidireccionales y pueden determinar la distancia relativa al objeto, pero no la dirección o la distancia absoluta al objeto.
Como sugiere su nombre, los sensores de posición capacitivos miden los cambios en la capacitancia para determinar la posición del objeto detectado. Estos sensores sin contacto se pueden utilizar para medir la posición lineal o rotacional. Consisten en dos placas separadas por un material dieléctrico y utilizan uno de dos métodos para detectar la posición de un objeto:
Para provocar un cambio en la constante dieléctrica, el objeto cuya posición se va a detectar se une al material dieléctrico. A medida que el material dieléctrico se mueve, la constante dieléctrica efectiva del capacitor cambia debido a la combinación del área del material dieléctrico y la constante dieléctrica del aire. Alternativamente, el objeto se puede conectar a una de las placas del capacitor. A medida que el objeto se mueve, las placas se acercan o se alejan, y el cambio en la capacitancia se utiliza para determinar la posición relativa.
Los sensores capacitivos pueden medir el desplazamiento, la distancia, la posición y el espesor de los objetos. Debido a su alta estabilidad de señal y resolución, los sensores de desplazamiento capacitivos se utilizan en entornos industriales y de laboratorio. Por ejemplo, los sensores capacitivos se utilizan para medir el espesor de películas y aplicaciones adhesivas en procesos automatizados. En máquinas industriales, se utilizan para monitorear el desplazamiento y la posición de la herramienta.
La magnetostricción es una propiedad de los materiales ferromagnéticos que provoca que el material cambie de tamaño o forma cuando se aplica un campo magnético. En un sensor de posición magnetostrictivo, un imán de posición móvil se fija al objeto que se está midiendo. Consiste en una guía de ondas que consta de cables que transportan pulsos de corriente, conectados a un sensor ubicado en el extremo de la guía de ondas (Figura 3). Cuando se envía un pulso de corriente por la guía de ondas, se crea un campo magnético en el cable que interactúa con el campo magnético axial del imán permanente (el imán en el pistón del cilindro, Figura 3a). La interacción del campo es causada por la torsión (el efecto Wiedemann), que tensa el cable, produciendo un pulso acústico que se propaga a lo largo de la guía de ondas y es detectado por un sensor en el extremo de la guía de ondas (Fig. 3b). Al medir el tiempo transcurrido entre el inicio del pulso de corriente y la detección del pulso acústico, se puede medir la posición relativa del imán de posición y, por lo tanto, el objeto (Fig. 3c).
Los sensores de posición magnetostrictivos son sensores sin contacto que se utilizan para detectar la posición lineal. Las guías de ondas suelen estar alojadas en tubos de acero inoxidable o aluminio, lo que permite utilizar estos sensores en entornos sucios o húmedos.
Cuando un conductor delgado y plano se coloca en un campo magnético, cualquier corriente que fluya tiende a acumularse en un lado del conductor, creando una diferencia de potencial llamada voltaje Hall. Si la corriente en el conductor es constante, la magnitud del voltaje Hall reflejará la intensidad del campo magnético. En un sensor de posición de efecto Hall, el objeto está conectado a un imán alojado en el eje del sensor. A medida que el objeto se mueve, la posición del imán cambia con respecto al elemento Hall, lo que resulta en un voltaje Hall cambiante. Al medir el voltaje Hall, se puede determinar la posición de un objeto. Existen sensores de posición de efecto Hall especializados que pueden determinar la posición en tres dimensiones (Figura 4). Los sensores de posición de efecto Hall son dispositivos sin contacto que brindan alta confiabilidad y detección rápida, y funcionan en un amplio rango de temperaturas. Se utilizan en una variedad de aplicaciones de consumo, industriales, automotrices y médicas.
Hay dos tipos básicos de sensores de fibra óptica. En los sensores de fibra óptica intrínsecos, la fibra se utiliza como elemento sensor. En los sensores de fibra óptica externos, la fibra óptica se combina con otra tecnología de sensor para transmitir la señal a la electrónica remota para su procesamiento. En el caso de las mediciones de posición de fibra intrínseca, se puede utilizar un dispositivo como un reflectómetro de dominio de tiempo óptico para determinar el retraso de tiempo. El cambio de longitud de onda se puede calcular utilizando un instrumento que implementa un reflectómetro de dominio de frecuencia óptico. Los sensores de fibra óptica son inmunes a la interferencia electromagnética, pueden diseñarse para funcionar a altas temperaturas y no son conductores, por lo que se pueden utilizar cerca de materiales de alta presión o inflamables.
También se puede utilizar otra detección de fibra óptica basada en la tecnología de rejilla Bragg de fibra (FBG) para la medición de posición. La FBG actúa como un filtro de muesca, que refleja una pequeña fracción de la luz centrada en la longitud de onda de Bragg (λB) cuando se ilumina con luz de amplio espectro. Está fabricada con microestructuras grabadas en el núcleo de la fibra. Las FBG se pueden utilizar para medir diversos parámetros, como temperatura, deformación, presión, inclinación, desplazamiento, aceleración y carga.
Hay dos tipos de sensores de posición ópticos, también conocidos como codificadores ópticos. En un caso, la luz se envía a un receptor en el otro extremo del sensor. En el segundo tipo, la señal de luz emitida es reflejada por el objeto monitoreado y devuelta a la fuente de luz. Dependiendo del diseño del sensor, los cambios en las propiedades de la luz, como la longitud de onda, la intensidad, la fase o la polarización, se utilizan para determinar la posición de un objeto. Los sensores de posición ópticos basados ​​en codificadores están disponibles para movimiento lineal y rotatorio. Estos sensores se dividen en tres categorías principales: codificadores ópticos transmisivos, codificadores ópticos reflectantes y codificadores ópticos interferométricos.
Los sensores de posición ultrasónicos utilizan transductores de cristal piezoeléctrico para emitir ondas ultrasónicas de alta frecuencia. El sensor mide el sonido reflejado. Los sensores ultrasónicos se pueden utilizar como sensores de proximidad simples, o diseños más complejos pueden proporcionar información de alcance. Los sensores de posición ultrasónicos funcionan con objetos objetivo de una variedad de materiales y características de superficie, y pueden detectar objetos pequeños a mayores distancias que muchos otros tipos de sensores de posición. Son resistentes a la vibración, el ruido ambiental, la radiación infrarroja y la interferencia electromagnética. Los ejemplos de aplicaciones que utilizan sensores de posición ultrasónicos incluyen la detección de nivel de líquido, el conteo de objetos a alta velocidad, los sistemas de navegación robótica y la detección automotriz. Un sensor ultrasónico automotriz típico consta de una carcasa de plástico, un transductor piezoeléctrico con una membrana adicional y una placa de circuito impreso con circuitos electrónicos y microcontroladores para transmitir, recibir y procesar señales (Figura 5).
Los sensores de posición pueden medir el movimiento lineal, rotacional y angular absoluto o relativo de los objetos. Los sensores de posición pueden medir el movimiento de dispositivos como actuadores o motores. También se utilizan en plataformas móviles como robots y automóviles. Se utiliza una variedad de tecnologías en los sensores de posición con varias combinaciones de durabilidad ambiental, costo, precisión, repetibilidad y otros atributos.
Sensores de posición magnéticos 3D, Allegro Microsystems; Análisis y mejora de la seguridad de sensores ultrasónicos para vehículos autónomos, IEEE Internet of Things Journal; Cómo seleccionar un sensor de posición, Cambridge Integrated Circuits; Tipos de sensores de posición, Ixthus Instrumentation; ¿Qué es un sensor de posición inductivo?, Keyence; ¿Qué es la detección de posición magnetoestrictiva?, AMETEK
Explore los últimos números de Design World y números anteriores en un formato fácil de usar y de alta calidad. Edite, comparta y descargue hoy mismo con la revista líder en ingeniería de diseño.
El foro de EE para resolución de problemas más importante del mundo que cubre microcontroladores, DSP, redes, diseño analógico y digital, RF, electrónica de potencia, enrutamiento de PCB y más.
Copyright © 2022 WTWH Media LLC. Todos los derechos reservados. El material de este sitio no puede reproducirse, distribuirse, transmitirse, almacenarse en caché ni utilizarse de ningún otro modo sin la autorización previa por escrito de WTWH Media. Política de privacidad | Publicidad | Acerca de nosotros