Sensores de Desplazamiento y DistanciaSistema de medición sin contacto para uso industrial

Sensores de Desplazamiento y DistanciaSistema de medición sin contacto para uso industrial

Thomas Burkhardt, Albert Feinäugle, Sorin Fericean, Alexander Forkl

Traducción al español: Nortécnica S.R.L.

3

Índice

Introducción 4Sensores Inductivos de Distancia 6

Principio de medición 6Funcionalidad y construcción del sensor 8Miniaturización a través de integración consistente 13Aplicaciones 15Resumen 18

Sensores de Desplazamiento Magneto-Inductivo 20Principio de medición 20Funcionalidad y construcción del sensor 21Aplicaciones 25

Sensores de Distancia Optoelectrónicos 30Fundamentos 30Sensado de distancia basada en Triangulación 35Sensado de distancia basada en Tiempo-de-Vuelo 36Aplicaciones 37

Transductores de Desplazamiento Magnetoestrictivo 40Fundamentos físicos 40Principio de medición y construcción del sensor 43Diseño de cuerpos y aplicaciones 44

Sensores de Desplazamiento con Banda Magnética Codificada 50Construcción del sensor 50Principio de funcionamiento 50Configuraciones y aplicaciones 51No-Linealidad / Clase de Precisión 55

Desplazamiento Lineal e Interfases en Sensores de Distancia 56Sensores con salida analógica 56Sensores con salida digital 58

Tendencias y perspectivas 60Definiciones y Normas Estándar 62

Valores característicos para sensores de desplazamiento y distancia 62Normas estándar utilizadas para los sensores de distancia 65

Referencias 68

4

Introducción

La eficiencia y el desempeño de máquinas y sistemas modernos en la automatización de la fabricación y el proceso han aumentado notable-mente en estos últimos años. Las máquinas no sólo han llegado a ser más rápidas, más pequeñas y más confiables, sino que al mismo tiempo también más seguras y más flexibles. Por último y no por eso menos importante, este progreso se ha dado en cada faceta de la protección ambiental. Las máquinas modernas son más limpias, más silenciosas y generan ahorro de energía.Si uno analiza estos cambios positivos, queda claro que ellos son en gran parte el resultado de avances en la tecnología de la automatiza-ción. La disponibilidad de componentes de gran rendimiento permite el uso de diseños mecánicos sofisticados que utilizan el control electrónico para las secuencias de movimiento. Los sensores juegan un papel importante en estos procesos de la auto-matización. Ellos proporcionan información al control, de los aconteci-mientos durante el ciclo del trabajo de la máquina. De allí que nos refiramos a ellos como los órganos sensoriales de má-quinas modernas.Los sensores binarios, utilizados en su mayor parte como finales de carrera rígidos representan, numéricamente hablando, la porción más grande . Cuando su funcionalidad llega al límite, aparecen los sensores de desplazamiento y distancia con salidas analógicas, digitales o BUS de campo. Los puntos de conmutación que necesitaban ajustes me-cánicos incómodos, ahora pueden ser definidos fácilmente mediante un software. El control en el movimiento ha hecho enormes avances, gracias a la posibilidad de programar la velocidad se puede asegurar arranques y paradas suaves aún en altas velocidades. Los sensores biestables y los sensores analógicos están entre los componentes más importantes para la automatización de las máquinas, con inagotable po-sibilidades de aplicaciones.Este apunte trata respecto de cinco tecnologías diferentes para sensado sin contacto de desplazamientos lineales y de distancia. Los sensores de desplazamiento difieren de los sensores de distancia en que ellos siempre necesitan un elemento de posición, tal como un imán, que se desplaza a lo largo del cuerpo y cuyo movimiento lineal es detectado.

El criterio más importante para elegir un sensor de desplazamiento o de distancia es el rango de medición requerido (Fig. 1). La implementación técnica de los principios de medición varía poco entre los fabricantes, pero los componentes de un sensor pueden diferir apreciablemente en términos de detalles específicos en la aplicación. El alcance de este apunte no permite discusión de estas diferencias en gran detalle. Sin embargo presenta una selección de aplicaciones representativas para cada tipo de sensor.

Sensores - Los órganos sensoriales de las máquinas modernas

Sensores binarios y analógicos

Sensores de desplazamiento y distancia

5

Fig. 1:

Rangos de sensado típicos

de los sensores de des-

plazamiento y de distancia

descriptos en este apunte

para aplicaciones en cons-

trucción de máquinas

Notas: _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6

Sensores inductivos de Distancia

Los sensores inductivos de distancia son sensores analógicos sin con-tacto y pertenecen a la clase de sensores de proximidad inductivos [1, 2]. Su principio de funcionamiento se basa en la interacción entre una bobina que genera un campo electromagnético y un objeto metálico (blanco de detección) ubicado dentro del rango de sensado. El circui-to electrónico de procesamiento para este efecto se viene utilizando para aplicaciones industriales desde hace más de 30 años, predomi-nantemente para sensores inductivos de proximidad con salida de con-mutación biestable, para sensar solamente una única posición. Estos sensores, generalmente llamados detectores de proximidad inductivos, son aplicados masivamente por tener propiedades excepcionales para uso industrial: desde las máquinas herramientas hasta la industria ali-menticia. Sus características principales son el sensado sin contacto de la distancia a un objeto (cualquier objeto metálico), fiabilidad, robustez, resistencia a la contaminación y tamaño compacto. Los avances en los últimos 10 años en la integración, la miniaturización y técnicas de cons-trucción han hecho posible el continuo desarrollo hacia circuitos signi-ficativamente más complejos para sensores de proximidad inductivos analógicos. Esto permite realizar versiones analógicas particulares con las mismas exigencias de diseño y características igualmente buenas como los sensores biestables.

Principio de Medición

Principio del sensor inductivo de distancia

Circuitos complejos

Fig. 2:

Campo magnético de la

bobina toroidal, mitad dere-

cha, en un sensor inductivo

de distancia (resultado en

dos dimensiones de una

representación espectral de

una simulación)

7

Los sensores de proximidad inductivos son esencialmente sensores de corrientes de torbellino [3]. La bobina del sensor es excitada por la electrónica del sensor con una corriente de alta frecuencia, generan-do así un campo magnético cuya distribución y fuerza dependen de la configuración de la bobina (la geometría, el número de vueltas, etc.) y los parámetros de la corriente (amplitud, frecuencia) (fig. 2). Este campo

induce corrientes de torbellino en el objeto a detectar. Las pérdidas eléctricas en el objeto dependen de la fuerza del campo magnético, las propiedades del material del objeto (conductividad eléctrica γ y permeabilidad magné-tica µr) y, sobre todo, de la distancia del objeto a la bobina del sensor. Estas causan un cambio en los parámetros eléctricos de la bobina. Un circuito eléctrico preferido para la bobina, es el circuito serie de Jordan que consiste en un inductor de bobina L y la pérdida por resistencia en serie RS (fig. 3). Los componentes de este circuito equivalente, pueden ser fácilmente determina-dos por medición o evaluando los resultados de la simulación.Sin embargo esto no describe totalmente el principio de funcionamiento de los sensores de proximidad inductivos, ya que la mayoría de ellos poseen una bobina con un núcleo.La geometría del núcleo es seleccionada de tal manera que el sensor de distancia inductivo sea caracterizado por una “dirección de visión” preferida.En el caso de un objeto ferromagnético a ser detectado, junto con el núcleo forman un circuito magnético cuya reluctancia depende de la distancia. La variación de esta resistencia causa un cambio en la inductancia de la bo-bina.La detección de la distancia, por ej. la conversión de la variación geométri-ca en una señal eléctrica, se logra midiendo continuamente el factor de la bobina QL:

QL = ω . L (1)

RS

donde ω es la frecuencia angular de la corriente de excitación en la bobina, L es la inductancia y RS es la resistencia de pérdida en la serie.

Efecto primario: pérdidas eléctricas

Fig. 3:

Excitación del sensor

primario por el oscilador

(el sensor primario está

representado por el circuito

en serie L y RS)

Efecto secundario: cambio en la inductividad

Evaluación...

…usando el Factor-Q

8

Funcionalidad y Construcción del Sensor

Los componentes de los sensores de distancia inductivos consisten en un transductor primario (elemento de sensado) con su bobina más un circuito de procesamiento (electrónica del sensor) ambos integrados dentro del sensor. Según sus funciones principales, la electrónica esta dividida en áreas funcionales: excitación de la bobina y medición del Factor-Q en la parte delantera, procesamiento y generación de señal estandarizada a la salida del sensor en la parte trasera.

Elemento de sensadoLa fig. 4 muestra la estructura del elemento de sensado para un sensor tubular con cuerpo metálico. El componente esencial es el devanado en forma de espiral (1) sobre el cuerpo de la bobina (2). La bobina, la cual es instalada en un núcleo (3), esta protegida por el tubo metálico (4) y, en la dirección de la superficie de sensado por una tapa plástica (5); los

componentes (4) y (5) no juegan un papel significativo en la medición de la dis-tancia, pero afectan al desempeño del sensor. Desde un punto de vista de la ingeniería eléctrica, este elemento de sensado es una bobina excitada con pérdi-das que son causadas por el objeto a detectar, pero también por el devanado, el núcleo y el tubo metálico (pérdidas inherentes). En la figura 5 (cuadro superior) se muestra una típica relación en las variables L y RS para esta bobina y la distancia normalizada s a un objeto ferromagnético estándar. La resistencia de pérdida RS

representa todas las pérdidas incluyendo las antes mencionadas que deben ser reducidas al mínimo mediante un óptimo diseño. Si la distancia es mayor que la mitad del diámetro del núcleo (s > D/2), las corrientes de torbellino tienen poco efecto. En distancias más pequeñas que la mitad (s ≤ D/2) este efecto es percep-tiblemente mayor. El efecto del cierre del circuito magnético antes descrito ocurre para distancias s < D/2 y causa un aumento de la inductancia.

Electrónica del sensor integrada

Fig. 4:

Vista en perspectiva de

los elementos de sensado

en un sensor de distancia

inductivo (Balluff)

Distancia característica D/2

9

El resultado de la curva del Factor-Q de la bobina mostrada en el cuadro inferior de la figura 5 (ecuación 1) muestra los límites de este método de medición y define las tareas principales de la primera etapa de la electrónica de sensor. A través de la optimización sistemática y adecuado diseño de los elementos de sensado, la distancia de sensado está prácticamente limitada por el diámetro del núcleo. Cuando s ≈ D la extensión del Factor-Q referido al valor en el estado no actuado ( s = ∞) es sólo del 1 a 2 %. La evaluación precisa de esta leve variación en ambientes industriales y bajo grandes

cambios de temperaturas representa un gran desafío para la electrónica de sensor [4]. A pesar de todas las medidas optimizadas, el Factor-Q del elemento sensor siempre muestra una correlación de distancia no lineal, para el cual en el caso de sensores de proximidad analógicos inductivos tiene que ser linealizada por la electrónica de sensor.

Fig. 5:

Cuadro superior: Inductan-

cia y pérdida por resis-

tencia normalizadas para

un blanco de detección

estándar en función de una

distancia normalizada: L_∞, RS_∞ inductancia, perdida

por resistencia en estado

no actuado. (s=∞)

S: Distancia

D: Diámetro de la bobina

Cuadro inferior: Factor-Q de

los elementos de sensado

en función de la distancia

normalizada

Indu

ctan

cia

norm

aliz

ada

L/L_

∞

Pér

dida

por

resi

sten

cia

Nor

mal

izad

a R

s/R

s_∞

Distancia normalizada s/D

Distancia normalizada s/D

Fact

or Q

L

10

La electrónica del sensorPara medir confiablemente el Factor-Q y evaluar su correlación de dis-tancia, el elemento sensor primario tiene incorporado un circuito reso-nante paralelo cuyo condensador de oscilación es un componente de alta calidad con pérdidas mínimas. Este circuito oscilador está excitado en su frecuencia resonante (frecuencia de trabajo del sensor) utilizando un oscilador especial que tiene una resistencia de entrada negativa [5] (ver fig.3). La característica de este oscilador, el cual fue desarrollado para la integración monolítica y cumplir con las exigencias antedichas incluyendo la linealización [6], es la implementación de la retroalimenta-ción positiva por medio electrónico de modo que no haya necesidad de una conexión a bobina [3, 7]. Esto causa una conexión ventajosa de 2 cables entre el oscilador y el circuito resonante (ver fig.3).La figura 6 muestra el diagrama de bloques de un sensor inductivo de dis-tancia. La etapa frontal de la electrónica del sensor es implementada por dos ASIC (Circuito Integrado de Aplicación Específica). El ASIC maestro realiza las funciones principales del sensor inductivo de distancia. El núcleo de este componente consiste en el oscilador, seguido de un rectificador de precisión. Esta etapa excita el elemento sensor y convierte la señal de salida del oscilador sinusoidal el cual varía el Factor-Q de la bobina en un voltaje de corriente con-tinua. Esta señal aún no acondicionada, contiene la información de distancia quedando disponible en la salida del ASIC maestro. El acondicionado de la señal, por ej., su conversión en señal de salida estándar, ocurre en la etapa de salida del sensor. El ASIC maestro también contiene el circuito integrado para linealizar la curva distancia/salida característica del sensor. Este circuito compensa la relación casi a la exponencial inversa entre el Factor-Q y la dis-tancia (ver Figura 5 debajo) mediante un ajuste del gradiente específico de la corriente de excitación para el elemento sensor [6], haciéndola dependiente de ese ajuste debido a la incorporación del circuito de la linealización de la distancia al objeto. El resultado es una dependencia lineal entre la señal de sa-lida del oscilador y la distancia en todo su rango. Debido a la función lineal de

ASIC Maestro

Linealizando

Fig. 6:

Diagrama general de

bloques de los sensores de

distancia inductivos (Balluff)

ASIC Maestro

• Oscilador• Linealización• Compensación

por temperatura

Estado de salida

• Acondiciona-miento de la señal

• Funciones de pro-tección del sensor

ASIC esclavoCalibración por

Teach-in

Estado de salidapor temperatura

Acondicionamiento de la señal

Parte frontal Parte trasera

ElementoSensor

Blanco

11

transferencia de la etapa de la salida, uno obtiene la misma relación lineal en la salida del sensor. Este tipo de sensores inductivos de distancia muestran una leve desviación lineal en el rango de trabajo desde cero hasta más de la mitad del diámetro del núcleo. Para optimizar el comportamiento del sen-sor, el ASIC maestro incorpora un circuito integrado para la compensación de temperatura. Este circuito compensa las dependencias eléctricas de los componentes del sensor y asegura una mínima deriva térmica para el rango de temperatura de trabajo indicado en el sensor para uso industrial. La dependencia más grande de temperatura es representada por el elemento sensor, cuyo Factor-Q varía con la temperatura en una compleja y difícil ma-nera de modelar. La compensación por temperatura ocurre en dos etapas [ 4 ]. La primer etapa optimiza la capacitancia del condensador del oscilador (véase fig. 3). La segunda etapa es una compensación activa, realizada por el ASIC maestro. Para cada tipo de sensor corresponde un ASIC maestro de-terminado el cual modifica la corriente de la excitación del elemento sensor, para compensar la dependencia de temperatura del Factor-Q.Este circuito integrado de compensación ofrece grandes ventajas sobre los métodos tradicionales. Desde el oscilador, la linealización y la compensación de temperatura con el sensor de temperatura están integrados en un solo chip de silicio, y este último está situado directamente al lado del elemento sensor. La compensación de temperatura demuestra ser muy eficiente y precisa, con una extremadamente baja variación en la muestra. El sensor de temperatura integrado también satisface otra tarea. En las ver-siones de sensores inductivos de distancia con señal de salida de tempe-ratura real del sensor, se convierte y amplifica en una segunda etapa de la salida del sensor, de modo que una señal de la temperatura esté disponible en la segunda salida del sensor. Esta señal de voltaje tiene una linealidad y exactitud excepcionales y se puede utilizar con propósitos de monitoreo.

Calibración del Sensor en FábricaMediante un procedimiento teach-in se puede lograr el ajuste preciso de la calibración con una baja variación de la curva distancia/salida, después que los sensores estén completamente ensamblados [ 8 ]. Para este propósito los sensores tienen un ASIC esclavo en la parte delantera (véase la fig. 6) que está conectado con el ASIC maestro y determina la característica de la curva. La calibración individual del sensor se hace usando un accesorio de calibración (blanco de detección), el que es posicionado mecánicamente en el límite superior del rango de distancia requerido. La comunicación entre el sensor y el accesorio de calibración durante este proceso ocurre sobre las líneas de alimentación del sensor, el que no tiene ninguna conexión adicional. Una vez que la calibración comienza, la señal de salida del oscilador cambia por medio de una red programable integrada del resistor en el ASIC esclavo cuyo valor varía continuamente desde el comienzo de la calibración hasta que la señal de salida del sensor alcanza el límite superior requerido.

Compensación de temperatura…

…en dos pasos

Salida de temperatura

ASIC Esclavo

12

El resultado del valor individual específico de la resistencia se almacena en una memoria EEPROM permanente en el ASIC esclavo. La interfaz de co-municaciones integrada en el ASIC esclavo es entonces desactivada, de modo que ya no sean posibles cambios parásitos debido a las condiciones del ambiente. Este procedimiento teach-in considera todas las variables de la disper-sión que puedan afectar la señal de salida (incluyendo las propiedades del material del encapsulado o la orientación de la instalación del elemento sensor ) para cada sensor individual y compensan estas variables. Durante la inspección final y directamente después de la calibración, la curva carac-terística distancia/salida es comprobada para cada sensor individualmente. La fig. 7 muestra la medición de una curva distancia/salida y el error de linea-lidad en el área entre la más baja y la más alta distancia. Estos dos valores característicos del sensor (aquí 2 y 8 milímetros) son especialmente enfati-zados. Los sensores inductivos de distancia aquí descriptos, tienen una de las siguientes interfases (Interfase para los sensores lineales de desplazamiento y distancia, pág. 56): una salida de voltaje de 0... 10 V o una salida de 0... 20 mA. ó 4... 20 mA. La etapa de salida proporciona funciones de protección para el sensor, tales como protección contra cortocircuito e inversión de polaridad. También tiene un regulador de voltaje interno que estabiliza el voltaje de la fuente del sensor con un voltaje constante. Esto permite que el sensor tenga un rango de voltaje de 15 a 30 V para las versiones con salida de tensión, o de 10 a 30 V para las versiones con salida de corriente. La resistencia RL de la carga mostrada en fig. 6 simboliza la aplicación, como si fuera la entrada analógica del controlador (PLC).

Fig. 7:

Curva distancia/salida

característica y curva de

no-linealidad después de la

calibración.

Interfases

Tens

ión

de s

alid

a U

a [V

]E

rror

de

linea

lidad

ε [%

FS

]

Valores medidosLínea de regresiónError de linealidadLinea de cero

Distancia s [mm]

13

Miniaturización a través de la integración consistente

Además de los cuerpos estándar (fig. 8) en M8 hasta los tubos roscados M30 (versión enrasados o en las versiones no enrasados con salida voltaje o corriente), también hay versiones tubulares o de bloque muy compactas. La característica de todas las versiones es el alto grado de miniaturización, que se refleja en los sensores estándar de cuerpo corto así como las longitudes mínimas estándar especificadas.

La implementación de la alta funcionalidad en los cuerpos miniaturizados fue posible solamente a través de la integración coherente de los componentes elec-trónicos de base, junto con los procedimientos más modernos de montaje (fig. 9). Dentro del sensor, el ASIC altamente integrado está operando; el bajo número de componentes periféricos SMT se utilizan casi exclusivamente para determinar los parámetros de la función ASIC y para el acondicionamiento de señal.

El ASIC maestro para la primer etapa de la electrónica del sensor fue integrado usando una tecnología bipolar de alta frecuencia, Una estructura de montaje exce-lente permite la integración de más de 700 transistores en un chip de silicio en un área menor de 4.5 mm2. Para el ASIC esclavo fue utilizada una tecnología de baja tensión y de poca intensidad compatible CMOS. Este ASIC contiene junto con la

Variantes de cuerpo

Fig. 8:

Sensores inductivos de

distancia para aplicaciones

varias

Fig. 9:

Representación en 3D de

la construcción mecánica

de un sensor inductivo de

distancia (Balluff); el ensam-

ble del chip directamente

contra la cara frontal ahorra

espacio y costos

ASIC’s

14

red de resistor programable, la memoria EEPROM y la unidad central específica para realizar la calibración teach-in en un chip de silicio de área menor a 4 mm².Solamente la capa inferior de fibra de vidrio reforzado (FR4) se utiliza para la placa portadora de la electrónica del sensor. En contraste con otras capas inferiores (de cerámica, película de poliamida, etc.) los circuitos impresos en FR4 satisfacen los importantes requisitos al mismo tiempo: robustez para los ambientes industriales severos y la alta densidad de integración del sensor.Para colocar y conectar los chips ASIC (sin la cubierta) se utilizan dos moder-nas tecnologías chip-on-board (fig.10). El cable se coloca y se pega directa-mente en la plaqueta con su cara activa hacia arriba. El contacto ocurre por medio de conexiones del alambre entre las puntas de conexión del ASIC y las almohadillas de contacto en la plaqueta. Luego se cubre la estructura (fig. 10 a la izquierda). Este procedimiento es el más avanzado tecnologicamente para la estandarización de las cubiertas de los sensores, y su utilización está incrementándose en estos últimos 10 años. La adecuada solución para los sensores inductivos de distancia altamente miniaturizados es la tecnología flip-chip-on-board (FCOB) [10]. Este método altamente moderno implica conectar el chip con la plaqueta directamente en los puntos de soldadura (vaporización súbita) con las superficies activas hacia abajo; no es necesario revestimiento protector (fig. 10 a la derecha). Luego, el proceso de integración de los chips es provisto por este tipo de soldadura con un diámetro típico de apenas 100 µm. Conjuntamente con elementos pasivos del tamaño 0402 (modelo rectangular más pequeño de SMT 1.0 mm largo, 0.5 mm de ancho) la tecnología FCOB es el método más moderno para fabricar sensores miniatura de alta calidad para usos industriales. Las pequeñas conexiones directas de soldadura y la orien-tación del chip con sus revestimientos del lado de la capa inferior hacia arriba también mejoran la compatibilidad electromagnética (EMC) del sensor.

Tecnología de conexión

Fig. 10:

Sensores parcialmente

ensamblados consistentes

en el núcleo de la bobina

y la electrónica del sensor

(Balluff)

Izquierda: ASIC unidos

Derecha: ASIC ensambla-

dos con tecnología flip-chip

(sin cubierta protectora)

Aplicaciones

15

Los sensores inductivos analógicos de distancia están hechos para la detección frontal de un objeto a lo largo del eje de simetría de la bobina. Están calibrados y dimensionados para un acercamiento axial al blanco de detección estándar en una dirección perpendicular a la cara activa del sensor. Sin embargo, también es posible el movimiento lateral de un objeto (que pasa frente a la cara activa del sensor). En el caso de aproximación lateral la señal de salida del sensor depende de la distan-cia del objeto a la cara activa del sensor y es también dependiente de las dimensiones del objeto, por lo que las características del sensor se pue-den representar mediante curvas teniendo en cuenta esos parámetros.La experiencia demuestra que el espectro de aplicaciones posibles cre-ce constantemente. Los ejemplos (fig.11) para la variedad de aplicacio-nes industriales incluyen:

• Medición del espesor de hoja de papel (a)• Detección de zonas no-homogéneas en superficies metálicas planas (agujeros, ranuras, etc.) (b)• Detección de orientación de pequeñas piezas en inspección de montaje (c)• Detección de excentricidad• Operaciones de conteo• Operaciones de monitoreo

Esto representa solamente un pequeño número de aplicaciones. Para detectar excentricidad de objetos que rotan (fig. 11d), las levas o los desbalanceos provocan un cambio periódico en la señal de salida del sensor. Si el objeto es de rotación simétrica, puede ser centrado usan-do dos sensores de distancia a 90º. La sensibilidad del sensor (definiciones y normas estándar, pág. 62) depende entre otras cosas de las características físicas del objeto; esto permite discriminar entre diversos materiales (Fig. 11e). A una distancia constante la señal de salida del sensor es determinada básicamente por el

Aproximación axial y radial

Rango de aplicaciones

Fig. 11:

Ejemplos de aplicaciones

para sensores de distancia

inductivos

16

material del objeto. Los objetos hechos por el mismo material pero que tienen distintas alturas tendrán distintos efecto de atenuación y resulta en una dife-rencia en la señal de salida. El acercamiento lateral de un plano inclinado (fig. 11f) es un ejemplo clásico de aplicación para detectar desplazamientos más largos usando sensores induc-tivos de distancia. Con el sensor dispuesto verticalmente a la base del plano inclinado, la trayectoria de acercamiento W depende de la distancias y del ángulo de la inclinación del plano inclinado:

∆w = ∆s (2)

tan βEsta función de traslación permite significativos aumentos en la gama de de-tección, por ejemplo por un factor de 10 donde β = 6.34°. Esta es la base para el uso tradicional de sensores inductivos de distancia para monitoreo de la distancia de sujeción en el husillo de la herramienta (fig. 12) y el cilindro que su-jeta al objeto. En este caso el objetivo es supervisar si el dispositivo de sujeción esta cerrado o abierto con o sin herramienta, y en el último caso si el objeto esta correctamente sujetado. El movimiento rotativo de cierre del dispositivo de sujeción se convierte en un movimiento lineal a lo largo del eje de la rotación. La función del plano inclinado es asumida por un cono que está situado en el eje de la rotación que se mueva hacia el sensor durante la rotación continua. Como las posiciones finales pueden variar para los diversos objetos y herra-mientas, el sensor analógico es ideal para este propósito de supervisión. Esta característica lineal de la curva distancia/salida se puede usar para fijar varios puntos de conmutación. Esto elimina la necesidad de ajuste mecánico para el monitoreo de la distancia de sujeción, el cual es particularmente ventajoso cuando el dispositivo de sujeción esta en una ubicación de difícil acceso.

Aproximación lateral en un plano inclinado

Puntos variables de conmutación

Fig. 12:

Uso de un sensor de

distancia inductivo miniatura

para monitorear la sujección

en una fresadora.

Representación simbólica:

Dada la distancia entre el

sensor y el plano inclinado

del husillo, uno puede

saber cuando la pieza está

sujetada.

17

Medición y conmutaciónEn muchas aplicaciones existe la necesidad de generar una señal de conmu-tación en ciertos puntos a lo largo de la curva distancia/salida. Estas señales de conmutación se utilizan para determinar una posición particular del objeto, generalmente cuando se ha alcanzado una parte de la máquina.Una categoría especial de los sensores inductivos de distancia ofrece salidas adi-cionales de conmutación que se pueden programar usando un procedimiento teach-in. Paralelo al circuito básico (véase fig. 6) la electrónica del sensor también contiene un circuito microcontrolador integrado en el sensor para convertir la señal de salida análoga en tres señales biestables de conmutación del sensor.

Versiones inteligentes

Fig. 13:

Arriba: Puede utilizarse

un proceso de teach-in

en un sensor de distancia

inductivo que tiene salidas

adicionales de conmuta-

ción para programar estas

salidas dentro del rango de

medición.

Abajo: Aplicación típica:

Monitoreo del desgaste de

un disco de freno.

Volta

je U

a [V

]

Uso

Disco de freno

Peligro

Aviso

Ventana de trabajo

Distancia s

Ua

18

Los umbrales de conmutación de la conversión analógica-digital son programables libremente. La programación se logra usando un proce-dimiento teach-in. Aquí el objeto se mueve sucesivamente a tres posi-ciones deseadas que cambian dentro del rango de distancia del sensor (fig. 13 arriba); la secuencia de distancias de conmutación no es crítica. Mediante la activación temporal usando el control de entrada de progra-mación, los umbrales de conmutación correspondientes se asignan a las distancias del sistema y estos valores se almacenan en una memoria EEPROM.El procedimiento es ayudado por LEDs. Cada salida de conmutación es asociada a un LED que indica el modo de programación y sirve como indicador del estado de conmutación durante la operación normal. Un ejemplo de aplicación con estos complejos sensores se muestra en la fig. 13 abajo. El espesor de un disco de freno se supervisa continua-mente y el desgaste se divide en tres áreas (ventana de trabajo, aviso, peligro) de operaciones lógicas en las tres salidas del sensor.

ResumenCompactos, los sensores inductivos de distancia en un solo componente se identifican por sus muy buenas característi-cas y un cociente costo/beneficio favorable. Sus caracterís-ticas son en función del tamaño de su cuerpo. En resumen, se pueden mencionar las siguientes características principa-les: Rangos lineales hasta 50 mm con un error de linealidad menor a ±3 % del límite superior (línea de tendencia: línea de regresión), exactitud de repetición entre ±5 µm y ±15 µm (aproximación unidireccional o bidireccional), límite típico de resolución ±0.1 % del límite superior. Con frecuencias de corte hasta 1 kHz, clase de protección IP67 y clase del aislamiento II son los ideales para aplicaciones industriales.

Programando los umbrales de conmutación

19

Notas: _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

20

Sensores de desplazamiento

Magneto-inductivo

Cuando la distancia de medición lineal está comprendida entre los 20 a 200 mm aproximadamente, no ha habido alternativa, sin contacto, al potenciómetro lineal. La mayoría de los usuarios han debido someterse al tamaño del cuerpo, a la longitud del rango de trabajo del sensor, a la limitada vida útil o al costo excesivo.Los sensores de desplazamiento magneto-inductivo llenan este espacio.

Principio de medición

Los sensores de desplazamiento magneto-inductivo (SmartSens®) ope-ran sin contacto físico y detectan la ubicación de un cursor magnético permanente con respecto a la superficie activa del sensor. El cursor actúa localmente sobre una película magnética, simulando un núcleo en una bobina plana excitada con corrientes de alta frecuencia, la cual causa una localización dependiente del cambio de la inductancia en la bobina, que luego será procesado por la electrónica del sensor. Este principio de operación, así como también la construcción del elemento de sensado le da al sensor una ventaja sobre otros diseños similares.Cuando el cursor esta ubicado sobre el elemento de sensado, el primer campo magnético causa una saturación local de la capa independien-temente de la dirección de la magnetización. La Fig. 14 muestra la zona saturada por un imán cilíndrico con magnetización axial. Dentro de la zona saturada, la conductividad magnética (permeabilidad) en la capa disminu-ye hasta que esta propiedad queda totalmente ausente. Este punto de cambio actúa como la reducción del tamaño del área en la capa, por lo tanto disminuye la inductancia en la bobina. El cambio en la inductancia

Elemento de sensado

Fig. 14:

Resultado de simulación:

Representación 3-D del

espectro de la densidad

de flujo magnético sobre

la superficie del film del

elemento de sensado; el

cursor en este caso es un

imán cilíndrico con mag-

netización axial de 10mm

de diámetro y a 3mm de

distancia al film.

Densidad de flujo B [T]

21

Fig. 15:

Elemento de sensado y

bloque esquemático de la

electrónica del sensor de

desplazamiento magneto-

inductivo (Balluff)

Bobina plana impresa

es directamente proporcional a la sección del área de la zona saturada y la cara de la bobina esta situada debajo de ella. A medida que el cur-sor se desplaza, las dimensiones de la zona saturada permanecen casi constantes. Si la geometría de la bobina cambia sobre el camino de la medición, el resultado es el cambio de la localización del imán respecto del cambio de la inductancia y por eso hay clara correlación entre la in-ductancia y el desplazamiento del objeto [11].

Funcionalidad y construcción del sensor

Los sensores de desplazamiento magneto-inductivo son un sistema de componentes simples que contienen el ya mencionado elemento de sensado y un procedimiento electrónico integrado dentro del sensor (Fig. 15). Las principales funciones de esta electrónica son la excitación de la bobina del elemento de sensado y simultáneamente la medición de la inductancia en la parte delantera así como la señal (producto de esta), condicionando y generando una señal estándar de salida del sensor en la parte final.

Elemento de sensadoUna bobina plana no es una bobina de alambre sino que es una bobina impresa en una placa portadora dieléctrica (Fig. 16). Su inductancia es de-terminada por la geometría de la bobina y es constante, aún bajo las in-fluencias del ambiente como por ejemplo, un cambio de temperatura. La construcción de una bobina plana aumenta significativamente la fiabilidad del sensor particularmente en aplicaciones industriales con fuertes choques y vibraciones. También reduce considerablemente los costos de producción. El proceso fotolitográfico para la fabricación de circuitos impresos, represen-ta actualmente la mejor tecnología para fabricar excelentes estructuras de bobina, flexibles y muy pequeñas.

Blanco magnético Banda

Bobina plana en PCB

Parte trasera Parte delantera

Oscilador

• Oscilador Push/pull• Compensación de temperatura

Interfase

• Rectificación• Acondiciona-

miento de la señal

• Acondiciona-do de cero y punto final

Estado final

• Tensión de alimentación

• Amplificación de la señal

• Señal de salida• Funciones de

protección

Elemeto de sensado

22

El núcleo esta hecho de una membrana altamente permeable (µr > 1), delgada y flexible, la cual es adherida en los dos lados de la bobina plana. La membrana aumenta la inductividad del elemento de sensado. Esto se aplica por supuesto, solamente a los sensores no actuados, por ejemplo, sin cursor magnético permanente dentro del rango de trabajo del sensor. En el estado actuado la inductancia es reducida en función del desplazamiento tal como la saturación descripta anteriormente.La gran ventaja de una estructura plana de capas para el elemento de sensado es que la posición del cursor puede ser completamente iden-tificada en una de las caras del mismo dentro del rango de trabajo. Los parámetros del sensor, especialmente un error de linealidad, pueden ser optimizados a través del diseño de estos elementos. Una solución a tener en cuenta es la bobina plana en forma triangular con varias vueltas, en una misma superficie, y la delgada membrana magnética rectangu-lar.

Electrónica del sensorEl oscilador armónico en la etapa de captación suministra al elemento de sensado una corriente de alta frecuencia (f < 1 MHz); su señal de salida es una tensión de corriente alterna a la misma frecuencia cuya amplitud se define con la posición del cursor en el rango de trabajo del sensor. Usando un procedimiento diferencial con un oscilador push-pull [12] el efecto de medición es duplicado y con él, el EMC (campo electro magnético) del sensor. Al mismo tiempo se suprimen efectos comunes, como cambios de temperatura en el ambiente o la presencia de material no ferroso en el espacio entre el cursor y la cara activa del sensor.El método de procesamiento de medición de inductancia combinado con el procedimiento diferencial permite detectar al cursor no sólo a través de medios aislantes como aire, plástico, vidrio y líquidos, sino que también a través de paredes hechas de metales diamagnéticos o pa-ramagnéticos. La pérdida de alta frecuencia en este medio es compensada de tal forma que las características y propiedades dinámicas del sensor se mantengan virtualmente sin cambios.

Fig. 16:

Bobina plana de un

sensor de desplazamiento

magneto-inductivo (Balluff);

bobinado triangular en for-

ma de espiral, utilizado para

generar una dependencia

de la ubicación del cursor

con la señal de salida del

sensor.

Diseño de la estructura del elemento de sensado

Evaluación

23

Fig. 17:

Salida característica y curva

del error de linealidad de un

sensor de desplazamiento

magneto-inductivo (Balluff);

el punto cero en el gráfico

corresponde a la mitad del

rango de medición (longitud

160mm) el cual se indica en

el cuerpo del sensor

Linealidad

Señales de salida del sensor estándar

Tensión de alimentación

Para reducir la influencia térmica el oscilador tiene un control proporcional e integral de la amplitud con compensación de temperatura.Un correcto diseño del elemento de sensado permite obtener el menor error lineal de la curva característica (Fig. 17) de tal manera que no es necesario un ajuste de línea en la electrónica del sensor. Esto reduce la complejidad elec-trónica del sensor. La amplitud de señal de salida del oscilador se comporta directamente proporcional con la distancia de desplazamiento y demuestra una destacada supresión de los efectos antes mencionados. Esta señal es converti-da en la interfase de salida, en tensión de CC usando un rectificador de precisión. El acondicionamiento de señal consiste en la amplificación y compensación de la misma. Debido a la alta frecuencia de excitación del elemento de sensado, la señal de salida del oscilador genera altas frecuencias. Para convertir esto en CC, son necesarias pequeñas constantes de tiempo en el circuito rectificador. Estos no resulta en tiempos de retraso al final. Estos tiempos no tienen efecto en la dinámica del sensor. El objetivo principal del acondicionamiento de se-ñal es generar salidas estándar del sensor para un rango específico, por ejemplo, Ua = 0… 10 V ó Ia = 4… 20 mA. En el ejemplo, la desviación debida a las tolerancias mecánicas y de los componentes del armado del sensor es compensada por ajustes de punto cero y punto final. Para este propósito, el sensor tiene, de-pendiendo de la versión, dos potenciómetros miniatura (para ajustes manuales durante la fabricación) o dos microcontroladores basados en potenciómetros electrónicos (para procesos teach-in). Las funciones para la etapa final están integradas como interfase entre la electrónica del sensor y su aplicación externa, por ejemplo, entradas analógicas de un PLC (controlador lógico programable), representado por resistencias de carga RL1 y RL2 en la figura 15. Para este propósito se coloca reguladores de voltaje los que estabilizan el abastecimiento de tensión de la parte delantera con tensión constante. Esto significa que el sensor puede ser operado en el rango de 15 a 30 V para la versión de salida de tensión, o de 10 a 30 V para los tipos de salida de corriente. La etapa final provee al mismo tiempo una señal de tensión y corriente las cuales pueden ser proce-sadas convenientemente. Esta última etapa, también incorpora las funciones de protección del sensor tales como protección contra corto-circuito y protección contra inversión de polaridad.

Tens

ión

de s

alid

a U

a [V

]

Rango de trabajo [mm]

Err

or d

e lin

ealid

ad [%

FS

]

24

Configuración MecánicaLa figura 18 muestra uno de los tipos de sensores de desplazamien-to magneto-inductivo así como también su construcción interna. Las partes visibles son el elemento horizontal de sensado y directamente relacionado la placa electrónica vertical del sensor. Esta versión tiene un rango de sensado de 60 mm, tiene 95mm de largo, 15mm de alto y 15mm de ancho. Una versión extendida del sensor tiene 230 mm de largo con la misma altura y espesor y un rango de sensado de 160 mm. Gracias al compacto diseño del sensor y a la variedad de roscas integradas y elementos disponibles de montaje (fig. 19), los sensores pueden montarse mecánicamente con diferentes configuraciones. El sensor esta completamente preparado para que fácilmente cumpla con los requerimientos de la protección IP67.

Fig. 18: Elemento sensor

plano (placa horizontal) y

placa electrónica vertical de

un sensor de desplazamien-

to magneto-inductivo

Gran rango de trabajo

Fig. 19:

Sensores de desplaza-

miento magneto-inductivo

y distintos elementos de

montaje

25

Aplicaciones

Los robustos sensores magneto-inductivo proveen una señal de salida proporcional absoluta y continua y, gracias a sus compactas dimensiones, son fáciles de integrar en distintas aplicaciones. Es amplio el espectro del rango de aplicaciones típicas, desde robots manipuladores ó de transpor-te y tecnología para dosificación y tareas de medición de flujo [13].Un análisis de aplicación requiere mostrar un alto potencial de integración del sensor. Considerando el sensor como un compacto sistema de tres componentes; cursor, hardware del sensor y el software de procesamien-to, uno reconoce varios niveles de integración orientado a cada aplicación comenzando por componentes estándar y finalizando en aplicaciones es-pecíficas de configuración para estos tres elementos. La versión estándar (ver fig. 19) se ajusta particularmente para aplicaciones de integración de primer nivel. El cursor estándar es un imán permanentemente axialmente magnetizado (ferrita sólida) con forma cilíndrica (diámetro y altura de 10 mm) el cual puede integrarse dentro de un objeto de detección o instalado dentro de un cuerpo plástico. La fig. 20 muestra la orientación estándar del cursor con respecto a la superficie activa del sensor. El eje de simetría del cursor es vertical a esta superficie y el imán se mueve en la dirección X a lo largo de la superficie activa del sensor (paralelo y colineal al plano). El espa-cio entre la superficie del cursor y la superficie activa del sensor es de 2mm (densidad típica del flujo magnético: 30 a 50mT). Todos los parámetros del sensor están especificados de acuerdo a estas condiciones. Una ventajosa propiedad del sensor de desplazamiento magneto-inductivo es su gran tolerancia a desviaciones en las direcciónes (Y) y (Z). Fluctuacio-nes en la separación especificada o desviaciones en la colinealidad cau-san pequeños cambios en los parámetros eléctricos del sensor. Partiendo de que el desplazamiento del sensor esta basado en la saturación de la membrana del elemento de sensado, el tipo de magnetización del cursor y su orientación son de menor significado. Se han logrado resultados muy positivos en aplicaciones con cursores que se mueven colinealmente al borde del sensor y paralelamente al plano, hacia cualquier extremo desea-do del mismo (actuando a lo largo de la longitud en dirección X, fig. 20).

Capacidad para una alta integración

Alineación estándar del cursor

Fig. 20:

Orientaciones posibles

para un cursor: Actuación

a lo largo de la superficie

activa (estándar) y un cursor

desplazándose lateralmente

(cursor mostrado con líneas

de puntos)

26

La experiencia demuestra que la colinealidad con el borde del sensor no es imprescindible. Se han logrado buenos resultados con la con-figuración que se observa en la figura 20 cuando el cursor realiza un movimiento que hace pivotar sobre un arco. Cuando el cursor esta me-cánicamente vinculado a un brazo con mango rotativo, un rango del ángulo de rotación entre -30º y +30º puede ser convertido con repetición de alta exactitud y alta linealidad a una señal de salida eléctrica a través del óptimo diseño de una traslación mecánica.La habilidad de detectar objetos de imán permanente a través de un medio aislante o aún a través de metales no ferrosos ha contribuido

Cursor con orientación alternativa

Sensado a través de materiales

Fig. 21:

Medición de flujo ó

nivel usando un sensor de

desplazamiento magneto-

inductivo

27

Uso en cilindros neumáticos

Fig. 22:

Sensando la posición

del pistón en un cilindro

neumático usando un

sensor de desplazamiento

magneto-inductivo

al amplio uso de los sensores en un segundo nivel de integración. La figura 21 muestra una aplicación de medición de flujo ó nivel.El líquido fluye de manera ascendente a través del tubo cónico de vidrio y eleva el flotante en el cual el imán permanente está incrustado. La señal de salida del sensor de desplazamiento magneto-inductivo es una medición del flujo ó nivel.Dado que el sensor magneto-inductivo puede “ver” a través de los ma-teriales no ferromagnéticos, son ideales para el uso en cilindros neumá-ticos (Fig. 22).

Un anillo magnético alojado en el pistón sirve como cursor permitiendo simular un sensor estándar. La fuerza del campo de este anillo mag-nético probablemente difiere en gran forma con el cursor estándar. El sensor puede ser ajustado como se necesite. Los antes mencionados elementos de ajuste ya sea por procedimiento manual o teach-in, per-miten a uno establecer la sensibilidad deseada para las características de la curva del sensor. Las versiones de sensor con imán de detección adicional puede señalar que el pistón ha dejado el rango de trabajo en dos formas: las señales de salida de repente cambian a valores que exceden el límite mayor (generalmente 11 V ó 22 mA), y el LED indicador se enciende.

28

Resumen

Con un error de linealidad no menor a ±1.5% y una exacti-tud de repetición mejor que ±0.1% los sensores de despla-zamiento magneto-inductivo son la posible solución con la mejor relación costo beneficio. El sensor trabaja a veloci-dades de hasta 5 m/s aproximadamente con insignificante error de retraso. Por lo tanto, son ideales para aplicaciones dinámicas.

Notas: _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

29

Notas: _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

30

Sensores de distancia

Optoelectrónicos

Los Sensores de distancia optoelectrónicos estan diseñados para proveer una señal de salida que sea proporcional a la distancia del objeto indepen-dientemente, si es posible, del color, la reflexión o la composición de la su-perficie del blanco de detección.Existe una variedad de técnicas diferentes para diseñar sensores de distancia optoelectrónicos. Los métodos más utilizados son: triangulación y medición de tiempo-de-vuelo. Los elementos esenciales para el funcionamiento de un sensor de distancia optoelectrónico se pueden observar en la fig 23.

FundamentosLos componentes semiconductores estándar son utilizados como emisores y receptores (detectores). Esto convierte la energía eléctrica en luz (emisor) y la luz de vuelta en energía eléctrica (receptor).

El emisorEn general los LED se utilizan como fuentes de luz para sensores binarios de distancia optoelectrónicos. El diodo trabaja emitiendo hacia adelante una luz en un rango espectral particular; puede ser una luz roja (visible) o infrarroja (invisible). En general el diodo es encapsulado en cuerpos de plástico. La superficie del cuerpo actúa como una lente, la cual envuelve la luz y por ello hace un efecto de direccionamiento.Debido a los altos requerimientos de la industria, el sensor de distancia optoelec-trónico usa, cada vez más, un diodo semiconductor láser como fuente de luz. El haz de luz que se emite desde el diodo láser permite la detección de los objetos con una gran precisión. El láser de luz roja añade la ventaja de la fácil visualización, por el ojo humano, cuando se deben alinear los sensores a gran-des distancias.Los diodos láser que están disponibles comercialmente tienen una estructura como lo que muestra en la figura 24. El corazón de los componentes es un cristal (chip láser) compuesto de varias capas. El cristal láser esta adherido a un bloque de metal el cual disipa el calor resultante. Cuando se aplica tensión, una

Fig. 23:

Recorrido de la señal en un

sensor optoelectrónico de

distancia.

Diodos emitiendo luz

Diodos láser

Generador de señal

Amplificador

Procesador

Emisor de luz

Receptor de luz

Ópt

icas

de

emis

ory

rece

ptor

Señal de salida ~ S

Blanco

31

Fig. 24:

Representación esquemáti-

ca de un diodo láser

1: Ventana de vidrio

2: Cuerpo

3: Chip láser

4: Disipador de calor

5: Diodo monitor

Fig. 25:

Sensor de distancia optoe-

lectrónico láser clase 2 que

utiliza medición por tiempo-

de-vuelo (ver Fig. 30)

corriente fluye verticalmente hacia las capas, lo que genera fotones (quantos de luz) análogos hacia el LED.Cuando se excede el umbral de corriente, se emite en lo alto de la capa que envuelve la barrera una luz amplificada a través de la emisión estimulada. La onda de luz que viaja en esta capa es reflejada parcialmente fuera del extremo brilloso y espejado. La onda reflejada es nuevamente amplificada en la capa, resultando en la actual luz láser – radiación de una longitud de onda y localización de la fase. Ella sale por la superficie frontal (generalmente 1 x 3 µm² ) con gran luminancia. En la dirección opuesta la luz láser choca con el diodo monitor el cual mide cons-tantemente el flujo luminoso, de esta manera permite que la corriente del chip láser sea regulada para mantener constante la potencia de radiación.

32

Formación del rayo en sensores láser

Clases de láser

Fotodiodo

Avalancha de fotodidodos

Elemento PSD

Punto de incidencia

El rayo láser que sale por la ventana de vidrio en el frente del cuerpo, tiene un ángulo cónico generalmente de 10º a 30º para los diodos láser comercialmente disponibles. Para obtener un rayo paralelo o enfocado es necesario adaptar una lente de precisión con estricta tolerancia para el diodo láser.La gran luminosidad del rayo láser indica ampliar la necesidad de tomar medidas apropiadas de seguridad cuando se lo utiliza en sensores. La norma EN 60825-1 define el valor límite máximo permitido de la luz de salida emitida, así como también las acciones de protección requeridas y la señalización para estos dispositivos. Los sensores de distancia op-toelectrónicos generalmente utilizan láser clase 1 ó 2 (Fig. 25).

El receptorLos fotodiodos son utilizados en gran número como receptores de luz en los sensores binarios. Cuando la luz impacta en el diodo, una corrien-te inversa bias tipo ensamble-pn provee una señal fotoeléctrica. Esto consiste en cambios en la capa de la barrera debido a la generación de pares electrones-agujeros. El efecto avalancha de fotodiodos (abreviado APD) es especialmente útil para mediciones de alta sensibilidad y modulación de frecuencias como las requeridas en la medición del tiempo-de-vuelo. Se logra un alto grado de amplificación interna usando un alto voltaje para acelerar la carga del portador descargado a través de la luz y de esa forma son generados más pares de electrón-agujero en avalancha.El elemento PSD (detector sensible de posición) es un diodo de efecto lateral con una extendida superficie sensible a la luz. El rayo de luz re-flejada en esta superficie genera una corriente total I, la cual es dividida en dos corrientes parciales I1 e I2 (Fig. 26). El cociente de esta corriente parcial es determinado por la ubicación X del punto de incidencia. Asumiendo que la superficie activa tiene una longitud total L, entonces:

I1 – I2 = L – 2x (3)I1 + I2 L

Podemos determinar la posición del punto de incidencia, a través de la medición parcial de la corriente. El cociente (ecuación 3) significa que el resultado no depende en la intensidad de la luz y tampoco de la reflexión de la superficie del objeto. En cambio la distribución espacial determina esa relación. El efecto lateral del diodo reacciona en el punto donde inci-de la luz y puede ser usada como un elemento de sensado para objetos por técnica de triangulación.

33

Fig. 26:

Estructura esquemática

y funcionamiento de un

elemento PSD.

L: largo de la superficie

activa

x: Ubicación del punto de

incidencia de la dis-

tribución de la intensidad

Disposición CCD

Fig. 27:

Construcción esquemática y

función del dispositivo CCD

Los dispositivos de carga acoplada (CCD) consisten en un conjunto regular de fotodetectores (Fig. 27). Se conecta un capacitor a cada detector. La presencia de luz causa una separación de carga en los fotodetectores. Los electrones liberados cargan el capacitor asociado. Un pulso de control transmite los pa-quetes de carga a un registrador de cambio. La distribución de la carga en el registrador de cambio corresponde a la distribución de la intensidad de la luz a lo largo del CCD de la forma que esta llega durante el tiempo de exposición.La señal del control también sirve para descargar los detectores, los dispositi-vos CCD quedan listos para otra exposición. Al mismo tiempo el reloj de cam-bio dentro del registrador causa un transporte de carga acoplada escalonado, de todos los paquetes de carga de un elemento al siguiente. La distribución de carga alimenta a un amplificador de salida. El siguiente microcontrolador analiza la distribución de la luz. Los dispositivos CCD son utilizados en sensado por triangulación.

Plano de detecciónLuz

Fotodetector

Reloj de control

Submáximo

Máximo principal

Distribución de la intensidad

Registrador de cambio

Reloj de cambio

Luz

Amplificador

Microcontrolador

34

Zona ciega

Ópticas de autocolimación

Fig. 28:

Óptica de autocolimación

Rango máximo

ÓpticasLas ópticas del emisor y receptor del sensor de distancia optoelectró-nico consisten generalmente en lentes de plástico o de vidrio. La forma y disposición del lente varía con la principal función y el rango de sensado.El área en frente del sensor en el cual este no puede proveer una señal de salida, se llama zona ciega. El tamaño de la misma es determinado principalmente por la construcción del eje óptico del emisor con res-pecto al eje óptico del receptor. Cuanto mayor sea la distancia entre el emisor y el receptor óptico, mayor será la zona ciega. Sin embargo, el rango y la capacidad de resolución máxima aumentan con la distancia entre el emisor y receptor (longitud base B) (ver Sensado de distancia Basada en Triangulación en la página 35).Con ópticas de autocolimación, los ejes ópticos del emisor y receptor son idénticos. Este sistema es implementado a través de una óptica compuesta con diodo láser en el centro o a lo largo de la óptica del receptor o utilizando un espejo semi-reflectivo y lentes (Fig. 28). Las ópticas de autocolimación eliminan la zona ciega con la excepción de los sensores con tecnología de medición tiempo-de-vuelo que, de-bido al extremadamente corto tiempo de propagación, no permiten una evaluación del área cercana.

La exactitud de los resultados de medición estan determinados por la rela-ción entre la potencia de la señal con la que llegan al componente detector y el componente de ruidos de los componentes de sensado. Se logran gran-des rangos de sensado por permitir al emisor irradiar a su máxima potencia posible y mantener las pérdidas ópticas entre el emisor y el receptor tan pequeñas como sea posible, así como también usando componentes de alta sensibilidad del lado del receptor.Las pérdidas ópticas dependen de la reflexión dependiente de la longitud de onda (remisión) y la composición de la superficie de los objetos. A grandes rangos (gran distancia desde los objetos) uno debe considerar también que la luminancia reflejada difusamente desde un objeto disminuye con el cuadrado de la distancia del mismo. Cuanto más grande sea el diámetro del lente del receptor, mayor luz es cap-tada. Por razones de volumen y peso estos son a menudo lentes Fresnel.

Emisor Espejo semi-reflectivo

Receptor

Blanco

35

Sensado de distancia Basada en Triangulación

El principio de triangulación es conocido en la metrología geodésica. El objeto a ser medido es visto por dos puntos fijos cuya línea base de distancia es conocida: A partir de proporciones geométricas, la distancia hasta el objeto a ver se puede determinar definitivamente. En triangulación láser (Fig. 29) el rayo láser es dirigido al objeto a medir. La luz reflejada difusa desde el punto de incidencia es representada en el plano de detección a través de receptores ópticos. El detector determi-na el mayor valor de la distribución de intensidad. La ubicación x

del punto focal, la línea base B y la distancia F del plano del detector son utilizados para conocer la distancia s del objeto:

s = B . F

(4) x

Debido a la relación no lineal entre x y s la curva de salida tiene que ser linealizada. Esto generalmente se logra por medio de un poderoso microcontrolador.Se utilizan como detectores elementos PSD o dispositivos CCD. Los elementos PSD se caracterizan por su alto dinamismo. Para determinar el punto de concentración de la distribución de luz, ellos proveen sola-mente un único punto de información. Por otra parte, los conjuntos CCD analizan la distribución de la luz permi-tiendo la identificación y filtrado de interferencias de reflexión de luz (sub-

Reflexión difusa

Fig. 29:

Arriba: El principio de

triangulación

Abajo: Distribución de la

intensidad de la luz en

un plano de detección a

objetos a distinta distancia

(Resultado de una simu-

lación)

Distancia del objeto por triangulación

Plano de detección

Emisor

Inte

nsid

ad lu

mín

ica

36

Distancia a objetos mediante tiempo-de-vuelo del pulso

Fig. 30:

Funcionamiento y señales

de la medición por tiempo-

de-vuelo del pulso

máximo en la curva de intensidad de la luz, ver figura 27) de esta manera se asegura un procedimiento mas preciso y libre de interferencias.

Sensado de distancia Basada en Tiempo-de-Vuelo

En este principio de medición el sistema emite una señal de luz el que es reflejado por el objeto y recibido por el detector. El tiempo transcurrido t es una medida de la distancia s al objeto. Si la luz pasa a través del me-dio, como un líquido, la velocidad es reducida por el índice de refracción n comparado con la velocidad de la luz en el vacío c. Para una luz roja de diodo láser con una longitud de onda de 685 nm, entonces n = 1 en el aire y n = 1.3 en el agua. La distancia del objeto es calculada en general por:

s = t . c

(5) 2 n

Para obtener distancias desde unos pocos centímetros hasta 10 m y además resolución de unos pocos milímetros, es necesario utilizar un semiconductor láser rápido modulado para generar la luz y detectores rápidos para capturar la luz. Se usan dos diferentes técnicas para medir tiempo-de-vuelo, los que difieren en la forma de la onda de luz: tiempo-de-vuelo del pulso y tiempo-de-vuelo de la fase.

Diodo láser emisor Señal de inicio

Señal de mascara

Reloj electrónico

Señal de parada

Acond. de la señalSeñal de AF

Alimentación dealta tensión

Señal de salidaDistancia s

Blanco

Señal de inicio

Señal de parada Tiempo de retardo t

Señal de enmasca-rado para objetos distantes

Señal de onda cuadra-da para medición de tiempo en función de la distancia

Tiempo

37

Fig. 31:

Principio de medición

mediante tiempo-de-vuelo

de la fase

Distancia a objetos mediante tiempo-de-vuelo de la fase

Tiempo-de-vuelo de PulsoEn el tiempo-de-vuelo del pulso, son generados pequeños pulsos de luz de unos nanosegundos de duración (correspondientes aproxima-damente desde 0.5 a 1 m de largo) en el diodo láser de alto índice de repetición (hasta varios Megahertz). Midiendo directamente el tiempo-de-vuelo se obtiene la distancia al objeto de acuerdo a la ecuación 5. A medida que el pulso de luz es enviado, una señal interna comienza como una señal interna de reloj (Fig. 30) Tan pronto como el pulso de luz vuel-ve al receptor, el reloj se detiene y evalúa. Las señales que son reflejadas desde objetos distantes son enmascaradas por una señal interna.

Tiempo-de-vuelo de FaseEl método de tiempo-de-vuelo de fase (Fig. 31) emplea un rayo de luz modulado y continuo. Un cambio en la fase ϕ = 2π . t/T en un período T de la modulación de la señal, entre la onda de la luz emitida y la detec-tada, la cual esta directamente relacionada con el tiempo-de-vuelo t (de la ecuación 5) se obtiene la distancia del objeto:

s = ϕ . c . T

(6) 4π . n

Si el tiempo-de-vuelo es mayor que el período de modulación de se-ñal, aparecen problemas de ambigüedad, los cuales se pueden superar usando técnicas similares a la tecnología de radar, como por ejemplo la modulación de la frecuencia.

AplicacionesLos continuos progresos y mejoras en la tecnología de los sensores de distancia optoelectrónicos han perfeccionado su seguridad operativa. Los efectos ambientales como la contaminación y la perdida luz se con-virtieron en un problema menor. Las posibilidades de aplicación para los desafíos en automación son virtualmente ilimitados, algunos de los cuales serán mencionados aquí (Fig. 32):

Emisor

Receptor

Detectorde fase

Acondicionado de señal

Señal de salida

38

Fig. 32:

Aplicaciones típicas para

sensores de distancia

optoelectrónicos

a) Medición de distancias

b) Determinación de

contorno

c) Medición de espesores

d) Sensado de nivel

Áreas típicas de aplicación

Montaje de asientos para automóviles

• Monitoreo de distancia y posición (distancia, altura, medición de nivel)

• Discriminación del contorno en objetos que se mueven en inspección de calidad o para clasificar de acuerdo a criterios varios

• Medición de espesor o volumen en madera, hojas de metal u otros materiales, mediante diferencial de valores obtenidos desde sensores opuestos

• Verificación de posición de herramientas, especialmente pequeñas partes detectadas a grandes distancias

• Medición de tolerancias en producción (acabado, geometría)• Determinación de ubicación de piezas

El siguiente es un ejemplo representativo de las diferentes posibilidades de aplicación: Como parte de la inspección de calidad final para armado de asientos de automóviles, ambas, la posición del asiento y el respaldo necesitan ser corregidas a una determinada posición para la conducción. Esta tarea se realiza con dificultad debido a los diferentes colores y superficies del tapizado del asiento. El espectro es amplio, desde tela negra hasta cuero claro y brillante. Este problema es resuelto usando un sensor de distancia el cual mide a través tiempo-de-vuelo de pulso (Fig. 33). Des-pués de la instalación en el vehículo, el asiento se mueve a una posición predefinida. Esta posición es verificada del mismo modo por los senso-res de distancia optoelectrónicos.

39

Fig. 33:

Función de chequeo en

montaje de asientos en una

automotriz

Parámetros más importantes

Resumen

El espectro del rango de sensores de distancia optoelectrónicos va desde sensores miniatura para detectar distancias en áreas de espacios reducidos hasta sensores muy potentes, los cuales proveen señales precisas de salida aún a grandes distancias. El rango de medición de distancia es generalmente desde 30 mm a 30 m con una resolución límite desde unos pocos micróme-tros hasta 5 mm. Otra característica para sensores de distancia optoelectrónicos es que incluyen un error lineal de menos de 1%, repetibilidad ±0.15%, clase de protección IP67, clase de aislamiento II, y frecuencias de operación hasta 1 kHz.

Notas: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

40

Definición

Efecto de la magnetoestricción positiva

Fig. 34:

Efecto de la magnetoestric-

ción positiva en la geome-

tría de un cubo.

Transductores de Desplazamiento

magnetoestrictivo

Los sensores lineales de desplazamiento basados en el principio de la magne-toestricción, usualmente denominados transductores, tienen propiedades fun-damentales para uso industrial, como su funcionamiento sin contacto y libre de desgaste. Esto permite al elemento de sensado ó cursor, estar integrado en un cuerpo sellado herméticamente, porque la información de su posición se mani-fiesta cuando el campo magnético del cursor penetra en el cuerpo estanco hasta el interior del sensor. Es típico para estos elementos que cuenten con grado de protección IP67 ó IP68 sin que esto implique cuestiones constructivas laboriosas, que sean caros ó propensos a tener defectos.

Fundamentos físicos

MagnetoestricciónMagnetoestricción (del latín strictio que significa constricción) se define como cualquier cambio en las dimensiones geométricas de los cuerpos por aplicación de un campo magnético. Los efectos pueden clasificarse como cambios de for-ma sin variación en el volumen y cambios de volumen sin variación en la forma. Si el cuerpo sometido a un campo magnético externo se acorta en dirección a la magnetización, entonces uno habla de magnetoestricción negativa; el efecto opuesto es la magnetoestricción positiva [14]. Las aplicaciones prácticas son do-minadas por la forma de la magnetoestricción.La figura 34 muestra la forma positiva de la magnetoestricción de un cubo cau-sado por la presencia de un campo magnético que tiene un campo de fuerza H. El resultado es un incremento longitudinal en dirección a la magnetización M, mientras perpendicularmente a la magnetización el cuerpo se encoge. El cuerpo

41

Efecto reversible

Fig. 35:

Tubo magnetoestrictivo

con un conductor de cobre

enhebrado y elementos

magnéticos permanentes

adyacentes.

se extiende en dirección a las líneas del campo magnético. El efecto magnetoes-trictivo es especialmente pronunciado en metales tales como el hierro, cobalto, níquel, y esto permite por la magnitud y dirección del efecto, ser fuertemente dependiente de la composición de la aleación.Como el efecto piezoeléctrico, el efecto magnetoestrictivo es reversible. La defor-mación elástica de un cuerpo magnetoestrictivo en la dirección apropiada resulta en un cambio en la magnetización remanente el cual puede ser detectado por medio de la inducción de la bobina.

Ondas torsionalesLa magnetoestricción puede ser utilizada para generar ondas torsionales en cuerpos tubulares o alambres; este es el prerrequisito básico para el diseño de los transductores de desplazamiento magnetoestrictivo. La figura 35 muestra la construcción principal: un conductor eléctrico esta enhebrado a través de la longi-tud de un tubo hecho de material magnetoestrictivo. Las líneas imaginarias de tex-tura del tubo están destinadas a facilitar la descripción del principio de operación.

Uno ó más imanes permanentes son ubicados alrededor de la circunferencia del tubo. Lo relevante aquí son solamente las líneas de campo de estos imanes permanentes Hp los cuales están aplicadas en la pared del tubo y se mueven en dirección axial. Si una corriente I es enviada a través del alambre conductor, un campo electromagnético rotativo es generado alrededor de él (Fig. 36). La mayoría de este campo magnético es también generado en la pared del tubo, representado por el vector HI. La interacción de estos dos campos resultan en el campo magnético HRES. Idealmente la fuerza de los campos se eligen de manera tal que HRES esté desviado 45º aproximadamente con respecto a Hp. Dado que el tubo es de material magnetoestrictivo positivo, este material incrementa su longitud en dirección del campo magnético resultante. Se forma un área en forma de anillo, el cual esta ligeramente torcido con respecto al resto del tubo, ilustrado aquí por la deformación de la línea de textura imaginaria.

42

Fig. 36:

Aplicando un pulso de

corriente se induce una

deformación torsional

elástica por medio de la

magnetoestricción

Generación de la onda de torsión

Velocidad de propa-gación

Inmunidad al ruido

Para generar la onda deseada la torsión es inducida por un pulso cor-to de corriente de solamente unos microsegundos de duración el cual luego es inmediatamente apagado. Este proceso puede ser comparado con la generación de la onda transversal en una cuerda tensionada y por rápidos movimientos hacia arriba y hacia abajo. Como la experiencia muestra, el tiempo de la secuencia de los movimientos hacia arriba y hacia abajo determina la amplitud de la onda de la cuerda. Aquí también una secuencia exacta de extremos positivos y negativos del pulso de una corriente disparada, es decisiva para la amplitud de la onda.La figura 37 muestra la secuencia de inicio y fin de la onda torsiónal, así como también el resultado de la propagación de la onda. Las ondas torsionales viajan desde el punto de origen en ambas direcciones hasta el final del tubo. Su velocidad de propagación es calculada desde el módulo de corte G y la densidad ρ del material magnetoestrictivo:

ν = √ G

(7) ρ

La velocidad de propagación para los transductores de desplazamiento magnetoestrictivos es de 2850 m/s. La aleación seleccionada hace que esta velocidad sea independiente de la temperatura.Es importante notar que a diferencia de las ondas transversales, las on-das torsionales no pueden ser generadas desde el exterior por un golpe o una vibración. Este es el factor clave en la integridad de la señal de los transductores magnetoestrictivos.

43

Fig. 37:

Propagación de la onda

torsional

a) Condición inicial: El tubo

es magnetizado solo

donde se encuentra el

imán permanente.

b) Se aplica un pulso de

corriente. Los campos

magnéticos del imán

permanente y el del pulso

de corriente interactúan.

La torsión magnética se

ha formado totalmente.

c) La corriente desaparece.

La torsión se atenúa

primero en el centro y

comienza la propagación

de la onda.

d) La onda torsional se

propaga en ambas direc-

ciones con una velocidad

ν = 2850 m/s.

Detección de la onda

Principio de medición y construcción del sensor

La idea básica para los transductores magnetoestrictivos lineales y sin con-tacto es simple. La onda torsional generada en un tubo ubicada en la zona donde se magnetiza, viaja en ambas direcciones hasta el final de ese tubo. En uno de los extremos del tubo la onda es despreciable; allí un elemento de amortiguación previene que esta se refleje en el extremo del tubo y la onda regrese en la otra dirección. Hacia el otro extremo esta ubicado un detector en la forma de una bobina de inducción el cual sensa el arribo de la onda torsional (efecto magnetoestrictivo inverso). El tiempo entre la generación de la onda (en el mismo instante en que el pulso de corriente es generado) y su detección por la bobina es determinado usando mediciones de tiem-po-de-vuelo de alta resolución. A partir de conocer la velocidad de la onda torsional, es sencilla la cuestión de calcular la distancia (posición) del imán.

44

Fig. 38:

Construcción básica de un

transductor de desplaza-

miento magnetoestrictivo

Dimensiones

Interfases

Dos versiones: flotante …

La figura 38 muestra la construcción básica de los transductores de desplazamiento magnetoestrictivos. Los elementos claves son la guía de onda en forma tubular o de alambre y uno o más imanes cilíndricos permanentes alrededor de la guía de onda en el tubo. Estos, también llamados anillos magnéticos, generalmente son fijados en un cursor (que no muestra la figura 38), y están unidos al elemento móvil ó carro de la máquina cuya posición se va a determinar. La guía de onda tubular tiene un diámetro externo de 0.7 mm e interno de 0.5 mm. La longitud corresponde a la carrera útil de medición y varios milímetros más para permitir la ubicación de la zona de amortiguación y la bobina de detección. Un conductor sólido de cobre esta enhebrado a través de guía de onda por medio del cual se envía el pulso de corrien-te. Las interfases de salida para los transductores magnetoestrictivos comprenden desde analógico, digital, pulso Start/stop, hasta interfases bus-compatibles (ver Desplazamiento lineal e interfases en Sensores de distancia, Pág. 56).

Diseño de cuerpos y aplicaciones

Tipo perfil extruidoLa figura 39 muestra un tramo del transductor con un corte de manera transversal a través del cuerpo. La electrónica se encuentra protegida den-tro un perfil extruido de aluminio el cual también contiene un canal cilíndrico para sostener la guía de onda. Su armado consiste en un tubo de fibra de vidrio en el cual se fija la guía de onda. El perfil de aluminio esta cerrado con dos tapas finales que permiten un grado de protección IP67. Los campos de los imanes en el cursor (en este caso un bloque de plástico es mejor que un anillo) penetran en el cuerpo de aluminio para invadir la guía de onda. Los transductores usan dos tipos de cursores, guiado (cautivo) o flotante. Los cursores flotantes están montados directamente al elemento móvil de la máquina y son transportados hacia el espacio específico sobre el cuerpo del transductor.

Detector

Posición del cursor

Zona de amortiguamiento

Procesamiento electrónico

45

Fig. 39:

Inferior: Tipo perfil con ele-

mento magnético flotante

Superior: Tipo perfil con

elemento magnético cautivo

con brazo articulado

… y cursores cautivos

Versión para presión

La ventaja es que no es necesario grandes demandas en la precisión del guiado. Los sensores toleran una desalineación lateral y vertical de varios milímetros. Si aún esas generosas tolerancias no pueden ser sostenidas, se utilizan los imanes guiados. Aquí el cuerpo actúa como una vía para deslizar-se, sobre la cual se monta el cursor. Una varilla articulada (Fig. 39 superior) es utilizada para unir el imán cautivo con el elemento móvil de la máquina, compensando así con el movimiento que no es paralelo al transductor.

Tipo varillaLa fig. 40 muestra ejemplos de los estilos de los transductores de despla-zamiento magnetoestrictivos tipo varilla. Esta forma es más comunmente utilizada en actuadores hidráulicos. La instalación en el área de presión de un cilindro hidráulico demanda la misma resistencia de presión para el transductor como para el cilindro. En la práctica la presión alcanza hasta 600 bar (8700 psi). La electrónica está protegida por una cuerpo cilíndrico hecho de aluminio o de acero inoxidable, y la guía de onda por un tubo cerrado de acero inoxidable, no magnetizable y resistente a la presión. La brida del lado opuesto sella por medio de un o-ring o una junta plana.

46

Fig. 40:

Sensores de desplazamien-

to magnetostrictivo tipo

varilla

Versión encapsulada área explosiva

Redundancia para seguridad

Dos cursores, dos ondas …

… dos posiciones detectadas

El anillo magnético se traslada sobre la varilla de acero inoxidable, y en el caso de los cilindros hidráulicos es montado en el pistón. Versiones para áreas explosivasAlgunas aplicaciones requieren el uso de sensores de desplazamiento en áreas explosivas. Para el uso en zonas 0 ó 1, los transductores mag-netoestrictivos están disponibles en formatos encapsulados específicos para estas áreas.Sensores redundantes para aplicaciones de seguridadLos transductores magnetoestrictivos son ideales para aplicaciones que re-quieren un alto grado de seguridad o disponibilidad continua A veces son utilizados de manera redundante para asegurar el auto monitoreo o para proveer un canal de reserva cuando sea necesario. Hay numerosos ejem-plos de aplicación de transductores magnetoestrictivos redundantes, por ejemplo en propulsión de barcos, en plantas de energía y en aplicaciones para ferrocarriles.Dos desplazamientos – un sensorLos transductores magnetoestrictivos hacen posible proveer dos o más po-siciones independientes usando un solo transductor. Si un segundo imán es ubicado en la guía de onda, el mismo pulso de corriente inicial va a generar dos ondas torsionales simultáneas, cada una originada en la localización del imán respectivo. Estas ondas llegan a la bobina de detección en diferentes momentos y generan dos pulsos de parada. Asumiendo que la electrónica es capaz de procesar ambos pulsos, resultarán dos posiciones localizadas independientes. Esta técnica es empleada a menudo en máquinas de in-yección para proveer una posición de retroalimentación entre el portamatriz y el eyector, usando un transductor simple. Anteriormente, se utilizaban por ejemplo dos potenciómetros lineales para esta aplicación.

47

Fig. 41:

Usando la configuración de

imanes múltiples, se pue-

den detectar dos movimien-

tos con un transductor

Fig. 42:

Cilindro hidráulico con

transductor de desplaza-

miento incorporado

La figura 41 muestra un transductor de cuerpo redondo y dos imanes. La ubicación de los respectivos rangos de medición pueden ser programa-dos para los dos imanes sobre el total de la longitud nominal del transduc-tor, aún si éstos se superponen dentro del rango de medición permitido.

Actuador hidráulico con posición controladaCon la incorporación de los transductores magnetoestrictivos se han podido diseñar actuadores hidráulicos que combinan, por un lado las ventajas de una fuerza superior y la dinámica de la potencia fluídica, con la sutil capacidad de posicionamiento de los actuadores lineales eléctricos.El control de posición requiere constante retroalimentación de la corriente. En la mayoría de los casos los transductores del tipo varilla pueden ser instalados directamente en el cilindro hidráulico.La varilla con la guía de onda es insertada a través de un agujero prac-ticado en el pistón y una perforación ciega en el vástago (Fig. 42). El pistón aloja y traslada el anillo magnético cuando se mueve. El tubo de acero inoxidable está sometido a presión hidráulica y soporta hasta 600 bar (8700 psi).

Área de medición [% de carr. nominal]Sal

ida

de te

nsió

n

Cursor con elementos magnéticos

48

Potencia eólica

Control del ángulo de paso de hélices

Controlando el ángulo de paso de hélicesEl punto ideal de trabajo de las partes móviles en algunos equipamientos de potencia se configura con el control de paso de hélices. Ejemplos represen-tativos de ello incluye a las plantas de generación de energía eólica, térmica ó hidráulica, así como también los sistemas de propulsión marinos. Estas aplicaciones tienen en común, la necesidad de convertir un movimiento lineal en un movimiento rotativo alrededor del eje longitudinal de la máquina. Son usados frecuentemente actuadores hidráulicos capaces de modificar de una vez el ángulos de paso de todas los álabes de un rotor, ya que son capaces de proveer la fuerza y la dinámica requeridas en un pequeño espacio.En las plantas eólicas de generación de energía es esencial el monitoreo y control del ángulo de paso del álabe de la turbina para mantener el nivel de energía generada, maximizándola a una velocidad rotacional constante ante grandes variaciones de vientos. Grandes molinos de viento ahora utilizan turbinas cuyos alabes pueden ser autoajustadas para cambiar ángulo de paso (Fig. 43), porque las condiciones del viento arriba de la estructura difieren considerablemente de las condiciones al nivel del suelo. Un solo actuador hidráulico con un transductor de des-plazamiento magnetoestrictivo monitorea y compensa constantemente el ángulo de paso mientras el sistema rota.

Resumen

Los transductores de desplazamiento magnetoestrictivo se han asegurado un firme lugar en una gran variedad de industrias de-bido a su impresionante rendimiento debido a su estanquidad, su resistencia a golpes y a las vibraciones. La señal de salida ab-soluta y el principio de operación sin contacto físico entre cursor y el cuerpo transductor aumenta el atractivo para este sensor. Se obtienen transductores de desplazamiento magnetoestrictivos con carreras nominales de hasta 4000 mm (6000 mm), linealidad superior a ±0.02% (valores de linealidad de ±30 µm) y frecuencia de pulso entre 1 y 2 KHz. Se disponen tanto de interfases de salida analógicas en tensión o en corriente, como de start /stop para todo el espectro de bus de campo comerciales.

49

Fig. 43:

Planta eólica de generación

de energía con el alabe de

la turbina ajustable.

Notas: _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

50

Cabezal sensor y banda magnética

Fig. 44:

Principio básico del sensor

de desplazamiento con

banda magnética codificada

Dos sensores de campo magnético …

Sensores de desplazamiento con

banda magnética codificada

Construcción del sensor

El sistema de medición descrito en este capítulo esta compuesto por un cabezal de sensado (Fig. 44) el cual contiene el sensor de campo mag-nético y el total de la electrónica, y una cinta magnética codificada. La banda generalmente consiste en una cinta de plástico magnética flexible sobre un soporte. Los polos magnéticos norte (oscuro) y sur (claro) se alternan en la banda.

Las líneas magnéticas de campo forman un vector tridimensional cuyo período es el doble del ancho del polo de la banda y mide desde unas pocas décimas hasta varios milímetros. El cabezal de sensado se mue-ve centrado por encima de la banda. El borde del área de la banda es ignorado para las mediciones.

Principio de funcionamiento

Para reunir la información de desplazamiento, el cabezal de sensado es guiado sin contacto a una distancia cercana a cero (alrededor de un tercio del ancho de un polo sobre la banda). El cabezal de sensado contiene dos sensores de campo magnético los cuales miden tanto el vector componente del campo magnético como el ángulo del mismo con respecto a la dirección de traslación (Fig. 45).Contar los períodos magnéticos permite inferir la distancia de desplazamien-to. Para conocer la dirección del desplazamiento, los dos campos magné-ticos deben emitir las señales de salida desfasadas durante el movimiento común a lo largo del recorrido. Para este fin, están generalmente fijados en el cabezal de sensado a una distancia de un cuarto o tres cuartos del período del campo magnético (la mitad o una vez y media del ancho de polo) entre si. Para cada ciclo sinusoidal de la señal de salida la diferencia de fase es enton-

Cabezal sensor

Dirección de movimiento

Banda magnética

51

Fig. 45:

Dos sensores de campo

magnético separados por

3/4 del período magnético

e ilustración de las líneas

de campo magnético en la

cinta magnética

… Sensor sinusoidal y cosenoidal

Fig. 46:

Señales del sensor sinus-

oidal y cosenoidal con un

período magnético de 0,5

mm (ancho del polo 0,25

mm)

Cambio de dirección

ces de 90º o de 270º (a un período magnético le corresponde 360º). La señal de salida de uno de los sensores de campo magnético puede ser interpretada como sinusoidal y la otra como señal cosenoidal (Fig. 46). Este es el porqué a los dos sensores de campo magnético se les puede dar el nombre se sensores sinusoidales o cosenoidales.

Configuraciones y aplicaciones

Contando los periodos Sólo se cuenta el número de períodos en la aplicación más simple, con las dos señales de salida del cabezal. Esto requiere simplemente que las señales análogas sean digitalizadas para provocar el conteo del período (arriba/abajo). El estado de conteo corresponde exactamente a cuatro veces el número de períodos atravesados.Se permite también un cambio de dirección. Evaluando cada flanco de las dos señales, el cambio en una señal y el estado estático de la otra son utilizadas para conocer un cambio en la dirección de desplazamien-to. La figura 47 muestra un ejemplo de movimiento de cinco incremen-tos en dirección positiva y cuatro incrementos en la dirección negativa. Sin embargo, la potencial resolución no es especialmente impresionan-te. Esto asciende hasta la mitad del ancho del polo o expresado de otra forma, un cuarto del período magnético.

Líneas de campo

Cabezal sensor

Sensor sinusoidal

Sensor cosinusoidal

Sal

ida

de te

nsió

n

Sensor cosenoidal

Sensor sinusoidal

Desplazamiento

52

Fig. 47:

Señales sinusoidal y

cosenoidal con un contador

de períodos

Interpolador

Resolución alcan-zable

Fig. 48:

Diagrama esquemático

de bloques del sensor de

desplazamiento con la cinta

magnética codificada

Sensado de posición dentro de un períodoPara lograr una resolución dentro del rango del micrómetro es necesario determinar exactamente la posición dentro de los límites de un período magnético. Si por ejemplo usted necesita una resolución de 10 µm para un período magnético de 10 mm (2.5 mm corresponde a una cuarta par-te del período), el período magnético debe estar dividido por lo menos 250 veces (2.5 mm/10 µm = 250), o por lo menos digitalizado en 8 bits (28 = 256). La tarea es realizada por el interpolador, ubicado de acuerdo al modelo, en el cabezal sensor o en el controlador de la máquina. En términos matemáticos el ángulo de conversión digital es fácil de im-plementar usando funciones trigonométricas, por parte de un microcon-trolador (Fig. 48).

El valor calculado se mantiene constante. Para obtener una alta reso-lución, las dos señales medidas deben tener la calidad apropiada. Esto significa que necesitan tener las siguientes características:

• La misma amplitud• La misma amplitud de compensación• Una fase de compensación de 90º exactamente• Pocos componentes armónicos• Una notable diferencia entre la señal y el ruido• Baja susceptibilidad para campos parásitos

Señal A

Señal B

Incremento

Dirección de movimiento

Estado del contador

adelante atrás

Tensión de alimentaciónA

cond

icio

nam

ient

o de

la

seña

l

Mic

roco

ntro

lado

r

Inte

rpol

ador

Con

vers

or A

/D

Am

plifi

cado

r

sen

cos

Sen

sore

s

Alimentación

Señal de

Salida

53

Señales de salida analógica y digitales

Salida de posición de referencia

Fig. 49:

Representación esquemáti-

ca del sensor incremental

Si estas condiciones no se dan de manera óptima, el resultado es una no-linealidad dentro de cada período: La posición derivada de las seña-les sinusoidal y cosenoidal se desvían de la posición actual.El tiempo requerido para calcular la posición de las señales de salida de los sensores de campo magnético varía de acuerdo al diseño de la electrónica, dentro de un rango de unos pocos milisegundos hasta fracciones de un microsegundo.

Sensor incrementalUn sensor incremental (Fig. 49) envía pulsos interpolados digitales A/B o señales análogas sinusoidales y cosenoidales representando el movi-miento (en este último caso, la interpolación es realizada en el controla-dor). Esto no da conocimiento de su posición absoluta. El controlador de la máquina suma estos incrementos para informar la posición actual del móvil. Si se produce algún movimiento cuando el sistema esta apagado, el controlador pierde su posición anterior. Esto generalmente necesita un movimiento direccional hasta una posición de referencia asociada con un interruptor de referencia. Tan pronto el móvil alcanza su posición de referencia, donde el estado de conteo es por ejemplo, cero, el contro-lador puede calcular la posición anterior contando los pulsos recorridos para tal fin. La exactitud de la posición absoluta (por ejemplo de resolu-ción 1 µm) depende del punto de referencia, este debiera ser capaz de conmutar con una exactitud de 1 µm. Los sensores de desplazamiento magnético, generalmente, también pueden entregar una señal de referencia a la salida. Esta es codificada en una pista separada en la banda o es sacada en cierto punto de cada período magnético. En el último caso, sólo es necesaria una señal externa de referencia para seleccionar el período en el cual la posición de referencia debe estar ubicada. Esto minimiza los requerimientos para el interruptor. La exactitud en la conmutación ahora puede ser reducida a la mitad del período (por ejemplo 0.5 mm). El controlador evalúa la posición de referencia exactamente cuando coinciden la conmutación y el periodo de referencia. Como otra opción, algunos cabezales de sensado poseen un interruptor como final de carrera, donde diferentes imanes permanentes polarizados son detectados al final del rango de recorrido.

Sistema de medición absolutoSi no es posible un movimiento autoguiado después del encendido o lleva mucho tiempo, se puede utilizar un sensor absoluto de medición.

Banda incremental Cabezal sensorsen

cos

54

Sensor absoluto con pista absoluta sepa-rada

Fig. 50:

Representación esquemáti-

ca del sistema absoluto

Sensor quasi-absoluto con bateria protegida

Fig. 51:

Representación esquemáti-

ca del sistema absoluto

Las mediciones absolutas son posibles si el sistema incorpora la banda incremental y la banda absoluta (Fig. 50). La banda absoluta es sensa-da por sensores propios de campo magnético (a0, a1 …). El número máximo de estos sensores absolutos de campo magnético determina el máximo de la longitud de la banda que puede ser sensada confia-blemente.

Cuando se aplica tensión al cabezal del sensor asociado a la banda absoluta se detecta una única posición del período , (PP). Los sensores sinusoidales y cosenoidales determinan la posición dentro del período (período parcial de posición, TPP). La posición absoluta luego es calcu-lada por la suma de PP y TPP.Una segunda configuración usa un sistema incremental con ininterrum-pida provisión de tensión. Tan pronto como se entrega tensión (al ca-bezal de sensado y el controlador con el contador) siempre se conoce donde esta posicionado. Sin tensión el contador pierde esta posición absoluta. Para prevenir esto, el contador y una batería están integrados en el cabezal de sensado (Fig. 51). Esto asegura que los sensores de campo magnético y el contador siempre tengan energía. El cabezal solo necesita obtener la posición de referencia una sola vez. Luego de eso, nunca pierde su posición absoluta. Sin embargo, hay que tener en cuen-ta que no se permite en esta configuración retirar al cabezal de sensado de la banda; la posición absoluta se perdería. Pero, en una operación normal puede que esto no ocurra.

La señal de salida de los sensores absolutos (ver página 58) normal-mente es una señal SSi/BiSS o bus. Para lograr compatibilidad con sistemas incrementales, las interfases incrementales (interfases A/B) son a veces también utilizadas. Esto provee otra posibilidad para realizar un movimiento autoguiado: luego del encendido el controlador establece su posición de cálculo interna en cero. Luego envía una señal digital al cabezal de sensado. Sin moverse, el cabezal de sensado envía pulsos A/B hasta que este llega a su posición absoluta. El controlador cuenta

Banda incremental Cabezal sensorsen

cos

Banda absoluta

Banda incremental Cabezal sensorsen

cos

Batería

Contador

55

Tres causas de no-linealidad

estos pulsos y al final del movimiento autoguiado también conoce la po-sición del cabezal de sensado. Para este procedimiento no se necesita un movimiento físico.

No-Linealidad / clase de precisión

La diferencia entre la posición física actual y la medida, es la posición de salida referida como la no-linealidad o clase de precisión. Esto es definido sobre la distancia de recorrido de un metro, la posición de sa-lida nunca se desvía de la posición más que el grado de precisión. En la actualidad el grado de precisión llega a ser menor que ±10 µm. La no-linealidad puede ser atribuida a varios factores. La no-linealidad dentro de un período ocurre, por ejemplo, cuando la fase complementaria entre las señales de los sensores sinusoidales y cosenoidales no es de 90º exactamente. Esto se repite en cada período. Cada período magnético puede ser deducido por la no-linealidad. Si por ejemplo la banda no ha sido magnetizada con el período exac-to o la misma fue estirada o abollada durante el montaje, el resultado será una no-linealidad en varios períodos. Cuanto más lejos se mueve el sensor de la posición de referencia, mayor será la diferencia entre la posición actual y la medida.Si la banda fue dañada durante el armado, por ejemplo por el uso de he-rramientas o partes magnéticas, puede haber puntos defectuosos a lo largo del recorrido. Esto se denomina no-linealidad debido a disturbios en el campo magnético.

Resumen

Los sensores de desplazamiento con banda magnética co-dificada son muy precisos, de respuesta rápida y con un sistema robusto de medición. Los rangos de resolución dis-minuyen hasta ser tan pequeños como 1µm, con grados de precisión de 10 a 20 µm. La velocidad de desplazamiento permitida es de hasta 10 m/s. El valor de la posición medida es presentado en fracción de microsegundos. El controlador capta la señal de posición en tiempo real. A pesar de su alta precisión y su comunicación en tiempo real, se pueden obtener distancias de más de 2mm (aproxi-madamente el 30% del ancho del polo) entre el cabezal y la banda. Un sistema de medición magnético, comparado con los sistemas ópticos, es altamente inmune a la contami-nación de aceite, polvo, etc. Estas propiedades hacen que sea ideal para ser utilizado en un ambiente industrial sucio y severo como por ejemplo la industria maderera.

56

Requerimientos en las líneas de transmisión

Señal de error

Rotura de cable

Desplazamiento lineal e Interfases

en Sensores de Distancia

El valor medido es codificado en la señal de salida del sensor. Siempre que sea posible, un mensaje de error debería ser capaz de ser enviado junto con la información de posición. La señal llega al controlador por la línea de transmisión (generalmente un cable). Desde el punto de vista del usuario las demandas para la transmisión de esa señal deben incluir:

• La señal debe ser inmune tanto al ruido como a otras perturbaciones en la línea de transmisión, tanto como sea posible.

• La señal debe ser capaz de ser enviada a distancias tan grandes como sea posible.

• La señal debe estar disponible en tiempo real.• En el caso de sensores múltiples debería ser posible que se mida

simultáneamente.• El tiempo muerto en la línea de transmisión debe ser tan corto como

sea posible.• El cableado debe ser tan simple y económico como sea posible.• Una señal de error debe ser capaz de ser enviada y ser detectado un

cable roto.

Sensores con salidas analógicasEl sensor representa la variable medida en la forma de una variable eléc-trica. En teoría cualquier variación eléctrica es posible como transporta-dora de señal, como la resistencia, capacidad, inductancia, frecuencia, ciclo operativo, fase, tiempo de modulación, corriente o tensión. Los sensores analógicos se acomodan mejor a las de voltaje, corriente y modulación de tiempo para las señales de salida.

Salida de TensiónLa variable medida es representada sobre un rango definido de voltaje, común-mente 0… 10 V, -10… +10 V ó 0… 5 V. La señal de error es enviada a una tensión mayor que la mayor señal de tensión, por ejemplo 10.5 V. Hay sensores con salidas ascendentes y/o descendentes sobre la medición del recorrido. Se pueden atender demandas especiales en el cableado. Para garantizar la trans-misión libre de ruidos, la longitud máxima del cable esta limitada de 10 a 20 m.

Salida de corrienteLa variable medida está representada sobre un intervalo de 0… 20 mA (pun-to cero verdadero) ó 4… 20 mA (punto cero compensado). El punto cero compensado tiene la ventaja de que un cable roto es detectado como una falla, porque esto resultará en una corriente de 0 mA. La salida de corriente es más inmune al ruido que la salida de tensión. Es posible largo de cable por encima de 20 m.

57

Señal analógica dife-rencial

Señal de tiempo mo-dulado

Fig. 52:

Modulación de tiempo

Salida seno-cosenoLos sensores de desplazamiento cuya operación interna está basada en una señal sinusoidal y cosenoidal a menudo presentan estas señales como salida directa (ver Fig. 46). Las señales de salida son enviadas como señales análogas diferenciales (seno+, seno-, coseno+, coseno-). Si por ejemplo la señal sinusoidal tiene una amplitud de 0.3 V y la compensa-ción-CC (corriente continua) de la señal es 2.5 V, entonces las amplitudes de las señales seno+ y seno- son +2.8 V y +2.2 respectivamente. El re-ceptor evalúa la diferencia entre las amplitudes de estas señales, la cual en este ejemplo es de 0.6 V. Dado que el valor común generalmente se puede filtrar, se logra una buena inmunidad de ruido. Generalmente la se-ñal es amplificada en el sensor para que alcance la máxima amplitud de 1 Vpp (valor pico a pico). El controlador toma las cuatro señales e interpola la posición exacta dentro de un período. Para el movimiento sobre períodos múltiples el controlador también cuenta el número de períodos. Como las señales son sinusoidales, este tipo de transmisión tiene la ven-taja que las señales permanecen en baja frecuencia aún en movimiento rápido. El controlador selecciona el número de bits de la interpolación y por medio de eso la resolución de desplazamiento que necesita.

Salidas Start/stop y DPI/IPLa señal de tiempo modulado de la forma de salida start/stop combina las ventajas de transmisión analógica y digital. La señal es enviada bajo demanda del controlador en la forma de pulsos digitales. El tiempo aná-logo entre el primer pulso, el pulso Start, y uno o más de los siguientes pulsos, el pulso de Stop, es la medida para la variable análoga medida (s) (Fig. 52). El método puede ser también utilizado para enviar posiciones desde múltiples imanes (en caso de Transductores de Desplazamiento Magnetoestrictivo). El pulso de stop estará asociado con cada imán. Además del tiempo de señal, un protocolo compatible descendente DPI/IP (interfase de pulso digital/protocolo integrado) puede ser utilizado para enviar una señal digital durante la acotada ventana de tiempo [15]. Generalmente los pulsos digitales son enviados como señales diferen-ciales sobre dos líneas (RS422); esto permite extender el cable hasta varios cientos de metros y ser utilizado confiablemente.

Inicio / Parada

58

Dos pulsos compen-sados de onda cua-drada

Fig. 53:

Señal SSI de un sensor de

desplazamiento magne-

toestrictivo Balluff

Sensores con salidas digitalesLa variable medida es digitalizada en el sensor y luego es enviada en forma de conteo o de serie de bits. Todas las señales digitales son enviadas como señales de tensión diferencial (RS422) [16]. Son posibles las ramificaciones de líneas, sistemas bus y configuraciones en forma de lazo cerrado.

Interfase incremental (Interfase A/B)Las interfases A/B son característicos para sistemas incrementales. Esta provee dos señales digitales A y B las cuales tienen un defasaje de 90º eléctricos entre si. El signo del cambio de la fase depende de la dirección del movimiento del sensor. Un contador arriba/abajo evalúa las dos señales para determinar la posición de la corriente. Cada cambio de flanco en canal A ó B causa un paso de conteo (ver Fig. 47). Si la señal A es la primera en llegar, se incrementa el estado del contador, y si la señal B es la primera en llegar, el estado disminuye. Utilizando esta interfase el controlador conoce en todo momento el incremento exacto de la posición sin tener que consultar al sensor. Esto provee la capacidad de tiempo real. La desventaja es la gran proporción de armónicos en el pulso de ondas cuadradas, las cuales tienen una base de alta frecuencia cuando se produce un movimiento rápido.

Interfase SSILa interfase serie síncrona (SSI) es una configuración de forma interac-tiva. Cada sensor se conecta con dos canales (reloj y datos) al con-trolador. El controlador envía una tren de pulsos señal reloj al sensor para sincronizar la transmisión de datos. Esta señal es la que asume la función de disparador. En el momento que se detecta el flanco descen-dente (disparo) el sensor almacena su valor actual de medición. Al primer flanco ascendente de esta señal, se envía al control este valor mediante el MSB (bit más significativo) (Fig. 53)

El envío de datos al control comienza después del tercer periodo de la señal reloj desde el MSB hasta el LSB (bit menos significativo). Una ventaja de la transmisión de SSI es la amplia gama de las frecuencias de reloj que se pueden seleccionar para evitar ruidos eléctricos. Además de la interrogación secuencial a los sensores arriba descritos, también es posible accionar en forma simultá-nea varios sensores conectados en paralelo sobre el SSI. Aquí el controlador aplica el primer flanco ascendente de la señal reloj, a todos los sensores al mismo tiempo. Éstos últimos, utilizan este flanco para almacenar su valor actual de medición para luego enviarlos al control. Esto asegura que los valores de la posición para todos los sensores se hayan registrado al mismo tiempo.

Secuencia de reloj

+ Reloj

+ Datosbit de error

59

Transmisión bi-direc-cional de datos

Programando los sensores

BiSSEl sensor de interfase bi-direccional (BiSS) es compatible con la SSI. También hace posible el uso del ancho de la modulación del pulso de reloj para enviar información desde el controlador al sensor. El simple protocolo de bus es usado para acceder hasta 8 sensores en un bus.

CAN bus y ProfibusEn este sistema de bus se pueden conectar hasta 126 sensores [17]. Cada sensor tiene su propia dirección la cual es codificada en un proto-colo serial. Después que el sensor reconoció su dirección este se confi-gura a si mismo o coloca la información requerida en el bus. El sistema de bus simplifica en grandes proporciones el cableado, especialmente cuando están involucrados varios sensores. Los valores derivados de posición, velocidad, levas virtuales y estados de error, pueden ser envia-dos dentro del protocolo. El controlador es capaz de programar las características del sensor como por ejemplo la resolución de posición, la velocidad o la posición de las levas virtuales. Aún a grandes distancias (hasta 1000m) se asegura una transmisión de información confiable por diferentes coeficientes de transmisión y varios mecanismos de protección contra error como CRC (chequeo de redundancia cíclica) y distancias exageradas.

Notas: _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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Nuevos principios de medición

Incremento de la miniaturización

Incremento en la inteligencia

Tendencias y perspectivas

El constante crecimiento en estos últimos años de la demanda en tecno-logía de automatización ha provocado dos tendencias: una, hacia sen-sores sin contacto y libre de desgaste, los cuales aseguran significativa-mente mayor exactitud en la máquina; y la otra, desde accionamientos biestables a sensores de medición. El crecimiento en la complejidad e individualidad de las máquinas y sistemas van a continuar conduciendo la tendencia en un futuro hacia sensores de medición.Los principales fabricantes de sensores de desplazamiento y de dis-tancia están trabajando para expandir la variedad de los principios de medición. Los nuevos principios como el de desplazamiento Magneto-Inductivo ya están en el mercado, y continuarán otros nuevos principios basados en la inducción, magnetismo, óptica y relaciones físicas. Son concebibles por ejemplo, sensores de microonda, en versiones binarias y de medición. Se anticipan avances tecnológicos también con respecto a los materiales en electrónica y óptica. Esto lleva a un inmenso rango de mejoras, exactitud y dinámica de sensores con gran flexibilidad.

El aumento en la miniaturización entrega sensores con requerimientos mínimos de espacio y de alto rendimiento, así como también en detec-tores que ofrecen una mejor funcionalidad sin necesidad de un cuerpo más grande. Innovaciones potenciales permitirán que se incluyan ópti-cas de silicio y bobinas de silicio, técnicas modernas de construcción electrónica así como también ventajas en los cuerpos y en las tecno-logías de montaje (Fig. 54). La gran capacidad de integración de mo-dernos sensores de desplazamiento y de distancia es un requisito para todos los futuros logros en la construcción de máquinas y sistemas. El crecimiento en la inteligencia del sensor puede ser visto por ejemplo en su capacidad de diagnóstico y configuración. Esto irá de la mano con un crecimiento en el número de interfases de sensor intérpretes de protocolos. Al mismo tiempo se necesitará fomentar constantemente la estandarización de las interfases en el sensor y en el control.Todas estas mejoras harán que las máquinas y los sistemas se vuelvan más rápidos, flexibles, confiables y amigables.

61

Fig. 54:

Aproximaciones para el

continuo desarrollo de

sensores de distancia y de

desplazamiento

Rango, ancho de escala

Campo de desarrollo

Datos para mejora de funcionamientoLinealidad

Resolución

Índice de muestreo

Repetibilidad

Interfases de protocolo capaces

Sensor configurable

Sensor informativo

Sensor controlador

Diagnóstico integrado

Teach-in

“Sensores” inteligentes

Inalámbricos

Inalámbricos

Miniaturización

Sensores autoalimentados

Micro ensamblado

Tecnología constructiva

Bobina en silicio

Ópticas en silicio

Cable de conexión

Chip de disparo

Notas: _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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Parámetros metroló-gicos

Fig. 55:

Diferencia entre precisión y

repetibilidad; los valores de

medición desde el sensor

son indicados por el eje x

sobre el eje SOS de la señal

de salida del sensor

Arriba: Alta precisión, alta

repetibilidad

Centro: Alta precisión, baja

repetibilidad

Abajo: Baja precisión, baja

repetibilidad

Definiciones y Normas Estándar

Valores característicos para sensores de desplazamiento y de distancia

El término sensor es utilizado en la literatura técnica con el significado correspondiente a un dispositivo técnico, que convierte una medida física no eléctrica en una señal eléctrica definida unívoca [18, 19].La variable medida de un sensor de distancia es la distancia entre la cara activa del sensor y el objeto utilizado como blanco de detección; por otro lado, la variable medida del sensor de posición es la posición del cursor con respecto al sensor. La señal eléctrica de salida del sensor (abreviada SOS, sensor output signal) es generalmente un voltaje o una corriente que puede ser analógica, binaria o digital.Para cuantificar cuan exactamente un sensor convierte una variación que describe comportamiento estático o casi estático, son utilizadas una variedad de características metrológicas. Las más importantes son: la precisión, la repetitibidad y la resolución [20]. La precisión corresponde a la diferencia entre el valor actual de la medida y el valor de la medición o la media aritmética de los valores medidos cuando se miden repetitivamen-te. La repetibilidad corresponde a la dispersión de los valores medidos, los cuales ocurren para repetidas mediciones para una medida constante en el valor actual y bajo idénticas condiciones (Fig. 55).

Valor real teórico

Media aritmetica

Valor real teórico

Valor real teórico

Media aritmetica

Media aritmetica

63

La resolución define la mínima posibilidad de cambio en la medición que puede ser detectado por el sensor. Esta propiedad es expresada por el límite de resolución. Un sensor con alta resolución tiene un pequeño límite de resolución. Este parámetro del sensor no debe ser confundido con la repetida precisión. Para sensores con salida digital, el límite de resolución esta determinado por la división del rango de sensado en 2n, donde n es el número de bits de la conversión analógica-digital. Los sensores con salida analógica teóricamente no tienen límite de resolución. El valor práctico del límite de resolución debe ser más alto que el determinado esencialmente por un ruido eléctrico en la SOS. El ruido inherente de los componentes electróni-cos puede ser minimizado pero nunca eliminado completamente. El ruido eléctrico se extiende sobre la SOS y causa una onda de alta frecuencia en esta señal. Cambios en la señal que sean menores que el valor pico-a-pico del ruido, no pueden ser atribuidos a la señal requerida o al ruido eléctrico. El límite de resolución de la SOS por lo tanto no debe ser menor que el valor pico-a-pico del ruido. Esto establece el límite más bajo en la resolución de la medida. Un segundo grupo de parámetros referido a la curva característica del sensor, la cual representa la dependencia de la SOS con la medición. El requisito fundamental para una detección inequívoca de la medición es la existencia de un segmento monótono en esta curva característica, el rango de trabajo (WR) o rango de sensado (Fig. 56 arriba). Es altamente ventajoso si hay una proporcionalidad entre la medida y la SOS sobre todo el rango de sensado o por lo menos sobre una gran parte de él. El modelo específico extendido en este rango de linealidad (LR) y la correspondiente salida de la SOS son información importante para el sensor. La curva característica del sensor en un rango lineal corresponde a una línea recta ideal cuya pendiente también es referida como la sensitividad (Fig. 56 abajo). Esta recta es ideal y representa el caso ideal y general-mente se da en ciertas versiones de sensores. La curva característica del sensor es calibrada al final del proceso de producción para que la misma se acerque lo más posible a una línea recta ideal. El efecto acumulativo de las tolerancias de todos los componentes, resulta en cada sensor un ejemplo específico de la curva característica real, la cual se desvía dentro del rango permitido de la línea recta ideal. La desviación de la curva característica real puede ser cuantificada agre-gando tres valores de error. El error de compensación representa un cam-bio paralelo hacia la línea recta ideal a través de la adición de un constante valor indeseable en la SOS. En general, este error puede ser eliminado al final de la producción calibrando el sensor. Un cambio en la tempe-ratura del ambiente del sensor tiene un efecto significativo en el error de compensación. El error de sensitividad se muestra en una rotación de la línea recta ideal alrededor de un punto y resulta en un cambio en el valor actual de sensitividad. La calibración también minimiza este error. El error de linealidad esta caracterizado por un escaso cambio en la sensitividad entre puntos adyacentes y esto es expresado por las desviaciones de la

64

Fig. 56:

Representación general de

las curvas características

de un sensor de desplaza-

miento

Arriba: Definición del rango

de trabajo WR y del rango

de linealidad LR

Abajo: Desviación por

compensación, error de

sensitividad y de linealidad

curva característica real referenciada a una pendiente de la línea recta. Varias líneas rectas definidas matemáticamente pueden ser utilizadas para definir la pendiente de una línea recta, en la figura 56 la línea recta a través del punto de inicio y final del rango de linealidad fue utilizada como una línea recta de tendencia.El error total corresponde a la evaluación más conservadora de la des-viación entre la curva característica ideal y la real. Aquí las diferencias entre ideal y real por puntos significativos en la curva característica son

Curva característica realLínea de tendenciaError de linealidad

Error de sensitividad

Error de compensaciónLínea recta ideal

65

Dinámica del comportamiento del sensor

IEC 60947

Fig. 57:

Curva distancia/salida

características de un sensor

de proximidad con salida

analógica de acuerdo a la

norma EN 60947-5-7

calculados y tabulados. Este procedimiento es también conocido en la literatura técnica bajo el nombre de “determinación del error absoluto de linealidad”.El parámetro principal para caracterizar la dinámica del comportamiento del sensor es la frecuencia de corte o ancho de banda. Esta es la más alta frecuencia de actuación periódica del sensor, causada por ejemplo, por un objeto rotativo según el cual la SOS no cae por menos de 3 dB, por ejemplo en aproximadamente el 70% del valor del estado estable. Representan dos demandas contradictorias, por un lado, el deseo de un gran ancho de banda y las buenas asociaciones dinámicas del sensor y por otro el bajo ruido en la salida del sensor con una resultante de alta resolución. Teóricamente el ruido es distribuido sobre el amplio espectro de frecuencia. Filtrando las altas frecuencias antes de la salida del sen-sor, resulta en un nivel más bajo de ruido y por ello una mejor resolución; pero al mismo tiempo el ancho de banda cae y de esta manera empeora la dinámica del sensor.

Normas estándar utilizadas para los sensores de distancia

La norma EN 60947-5-7 fue aprobada el 9 de Enero del año 2003 como una parte de la norma IEC 60947. La norma IEC 60947-5-2 describe los requerimientos para dispositivos inductivos, capacitivos, optoelectróni-cos y ultrasónicos utilizando elementos semiconductores en la salida. Parte de la norma IEC 60947-5-7 modifica los requerimientos corres-pondientes de la norma IEC 60947-5-2 para hacerlos aplicables a los sensores de proximidad con salida analógica.

Límite Sup.

Límite Inf.

Rango de distanciaMenor distancia

Mayordistancia

66

De acuerdo a la norma EN 60947-5-7:2004 un sensor de proximidad con salida analógica es un sensor de distancia el cual “genera una señal de salida continua que depende de la distancia entre su superficie de sensado y el correspondiente objetivo”. El rango de distancia está defi-nido por la distancia inferior/superior; dentro de este intervalo la señal de salida cambia continuamente (Fig. 57). La señal de salida es una señal analógica de voltaje o de corriente; el rango de la señal de salida esta determinada por el limite superior/inferior. La norma EN 60947-5-7:2004 provee para la señal de salida los siguientes límites de rango:

• Señales de voltaje: +1…+5 V or 0…+10 V• Señales de corriente: 0…20 mA or 4…20 mA

Si el cero es utilizado como el límite inferior, se denomina “cero verdade-ro”; si un valor finito es utilizado se denomina “cero compensado”.La curva característica de distancia/salida es definida como la “relación entre la señal de salida en estado seguro y la distancia entre la superficie activa del sensor de proximidad y su objetivo”. La desviación máxima incluyendo las tolerancias de fabricación entre la curva característica distancia/salida específica y los valores de medición para por lo menos cinco distancias definidas, representa la conformidad. La conformidad debe estar dentro de ±10% del límite superior. Para determinar este pa-rámetro estándar el blanco de detección es movido hacia atrás y hacia adelante en frente de la superficie de sensado. La señal de salida es grabada para por lo menos cinco distancias y tres pases completos de distancia en cada dirección de movimiento del objeto. Las diferencias entre los valores medidos y los teóricos de la señal de salida se resu-men como el error de escala ascendente o descendente. Estas escalas se definen como la media aritmética de las desviaciones de todos los ciclos para cada distancia creciente y decreciente. Finalmente el error promedio es calculado utilizando un media aritmética de desviaciones de escala ascendente o descendente para todas las distancias.De acuerdo a la norma EN 60947-5-7 la “conformidad es la mayor des-viación de la curva de la desviación promedio y la curva característica distancia/salida dada”. Esto esta expresado en porcentajes positivos y negativos del límite superior.

Notas: _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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69

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