Sensor Capacitivo de Posicion Angula de 4 Revoluciones(1)
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SENSOR CAPACITIVO DE POSICION ANGULAR DE 4 REVOLUCIONES ING. GERMAN EDUARDO VELANDIA CELIS ESPECIALIZACION EN AUTOMATIZACION INDUSTRIAL 7 COHORTE UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BUCARAMANGA BUCARAMANGA 2010
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SENSOR CAPACITIVO DE POSICION ANGULAR DE 4 REVOLUCIONES
ING. GERMAN EDUARDO VELANDIA CELISESPECIALIZACION EN AUTOMATIZACION INDUSTRIAL 7 COHORTE
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BUCARAMANGABUCARAMANGA
2010
SENSOR CAPACITIVO DE POSICION ANGULAR
En la mayoría de las aplicaciones metrológicas la posición angular absoluta de un eje tiene que ser medida con un decodificador angular.
El ángulo sistemático y especifico de rotación del eje podría estar limitado a menos de una revolución, por ejemplo, por medio de una interrupción mecánica, o bien, el eje puede girar libremente a lo largo de varias revoluciones.
Si el ángulo cubre más de un simple giro, el sensor necesitara contar las revoluciones del eje para incrementar el rango de medida absoluta a algo más de 360º.
SENSOR CAPACITIVO DE POSICION ANGULAR
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SENSOR CAPACITIVO
SENSOR DIFERENCIAL CAPACITIVO
DONDE :
SE TIENE :
PUENTE DE WHEASTONE CAPACITIVO
En el modo de medición secundaria el rotor es usado como receptor de electrodos por las cargas inducidas por voltajes de incitamiento aplicados a ambos estatores.
En el modo de medición precisa el rotor es conectadoa tierra y utilizado como escudo, mientras que elprimer estator funciona como transmisor por mediode cuatro segmentos transmisores S1 a S4 y el segundo estator como receptor de electrodos.
El resultado es:
El conocimiento de los patrones de incitadores P1 a P4 en combinación con las cargas inducidas y medidas s, s, c y c es suficiente para calcular la posición angular precisa del rotor α.
RESULTADO:
La electrónica del sensor genera señales por encima de la incitación y combina
los resultados medidos de los secundarios y la posición precisa del
rotor para generar una señal de salida: la posición angular del eje requerida
entre 0º a 1440º.
Para obtener un desplazamiento proporcional axial del rotor, digamos,
cuatro revoluciones del eje, se consideraron dos construcciones
diferentes: a) cambio axial de un rotor rígido y b) flexión de un rotor flexible.
ROTOR RIGIDO
ROTOR FLEXIBLE
MODELADO DE UN SENSOR CON UN ROTOR RIGIDO
Para calcular la posición axial del rotor de un sensor con un rotor rígido, un diagrama esquemático simplificado del circuito amplificador de carga se deriva de la fig 2.
topológico.
Las capacitancias en acción Ca1(z) and Ca2(z) son funciones del desplazamiento axial del rotor z; para campos casi homogéneos obtenemos…
Cuando un voltaje de incitación se aplica a l estator, la carga inducida en el rotor se convierte en un voltaje de salida por una carga amplificadora. Dos situaciones son posibles:
En el caso 1, el segundo estator está conectado a tierra y el voltaje de incitación -U0 es aplicado como un voltaje de entrada UIN 1 al circuito 1 de la figura 4.
En el caso 2, el primer estator es conectado a tierra y el voltaje de incitación +U0 es aplicado como un voltaje de entrada UIN 2 al circuito 2 de la figura 4
Debido al capacitor integrado C1 se genera un voltaje dependiente de posición e incitación Uout 1,2 en la salida de la carga amplificadora.
+ es válido para Uout 1 (caso 1, voltaje de incitación –U0) y – es válido para Uout 2 (caso 2, voltaje de incitación +U0).Para calcular los términos desconocidos kU/Ci, ambos, los voltajes de salida Uout 1 (z) y Uout 2 (z) son medidos inmediatamente uno después de otro y son sumados a una posición del rotor conocida, por ejemplo, al final del rango de medida zm, obtenemos entonces
Debido a la topología simétrica del sensor las capacidades parasitarias CaP1 y CaP2 se pueden asumir como iguales.Utilizando (3) y (4) obtenemos el resultado final para la posición axial del rotor z en el modo de medida
secundario.
Los resultados de los modelos obtenidos por
un rotor rígido también se pueden
aplicar a la topología del sensor con las
aspas del rotor flexible. En vez de (2),
una ecuación más compleja, la cual toma en cuenta el ángulo de
inclinación de las aspas del rotor
flexible, se introduce para calcular las capacidades en
trabajo Cb1 y Cb2. Si R0 » Ri, es válido y k = ε0εrR2
0π entonces obtenemos
El último método fue probado en un prototipo de un sensor de posición angular de cuatro revoluciones con un rotor flexible. Fue construido para trabajar como un sensor de ángulo de direccionamiento y de velocidad para uso en automotores. El segundo estator esta hecho de una placa de circuito impreso (1mm de material FR4) y almacena el circuito de carga amplificada.
Para simplificar y aumentar la velocidad del software, el procesador de un solo chip 80C166 había sido escogido por el diseño de prototipos.
El micro-controlador tiene un convertidor integrado
de 10bit A/D y un flash EEPROM como programa de almacenamiento.
El sensor de ángulo de direccionamiento alcanzó excelentes resultados en la medida como se
presenta en la siguiente sección.
RESULTADOS DE LA MEDICION
Para garantizar una operación libre de errores del sensor de
cuatro revoluciones por encima del rango medida completa, el modo de medición secundario
debe tener un error de medición en el peor de los casos de
mucho menos de ±90º (la mitad del rango del modo de medida preciso). Si este logro no se
alcanza bajo todas los condiciones de funcionamiento,
puede ocurrir un error en la medida en múltiplos de 180º.
El modo de medición preciso determina la precisión del
sensor general por encima del rango completo de medida de
±720º debido a su insensibilidad al
desplazamiento axial o flexión de las aspas del rotor. Solo
errores pequeños en la medida con principalmente dos
periodos diferentes de error son reconocidos en la trama de
error .
Todas las medidas habían sido llevadas a cabo a una velocidad constante y baja (<50/s) del eje puesto que nuestro equipo de prueba no está estimado para una velocidad angular alta
La desviación estándar del error es de 0.5 % mostrando exactitud en el sensor, el error es claramente pequeño y se observa en la Fig 7
Con un rango de medición de más de ±720º el error de
medida es menor de ±0.35º, es decir
±0.05%. Sin promediar, la
resolución de la medida es mejor que ±0.02º (12 bit para
180º) es decir, ±0.003% del rango
completo de la medida.
Estos excelentes resultados se
obtuvieron con un prototipo de sensor
de ángulo de direccionamiento sin calibración del modo de medición preciso.
