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Sensores en el automóvil

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Sensores de velocidad de rotación/velocidad lineal

Magnitudes de medición
Los sensores de velocidad de rotación y de velocidad lineal miden el ángulo descrito o el espacio recorrido por unidad de tiempo. En ambos casos de aplicación en el automóvil se trata generalmente de magnitudes de medición relativas que aparecen entre dos piezas o también en relación con la calzada u otro vehículo. En algunos casos, sin embargo, hay que medir también la velocidad de rotación absoluta en el espacio o alrededor de los ejes del vehículo (giro sobre si mismo y vuelco), parámetro designado a menudo "velocidad de convolución". Así, p. ejemplo., para la regulación de la dinámica de marcha (ESP) hay que detectar la velocidad de giro del vehículo alrededor de su eje vertical. En la figura inferior tenemos un sensor de rotación también conocido como sensor de revoluciones o r.p.m.

Para la detección de la velocidad de rotación relativa se hace una distinción, según el número y el tamaño de las marcas periféricas exploradas de un rotor.

Son ejemplos de velocidad de rotación relativa::

La medición se efectúa generalmente con la ayuda de un sistema detector incremental, compuesto de rueda dentada y sensor tacométrico.

Son además nuevas aplicaciones:
• medición de velocidades de rotación por medio de sensores tacométricos integrados en los cojinetes (cojinetes de rueda, módulo de retén de aceite en el cigüeñal),
• velocidad en relación con el suelo,
• velocidad de giro del vehículo alrededor de su eje longitudinal (alzable) y del eje de cabeceo (protección contra el vuelco).

Principios de medición
Los sensores tacométricos convencionales se basan en efectos de medición grandes (p. ej. inducción). Por eso son en la mayoría de los casos eléctricamente "pasivos", es decir, no poseen generalmente ninguna electrónica integrada. Los sensores más recientes se basan en efectos de medición muy pequeños (p. ej. los basados en el efecto Hall) y requieren por tanto una electrónica integrada. Estos sensores se denominan "inteligentes" (llamados a menudo también sensores "activos"). Los detectores de velocidades de rotación absolutas (velocidad de convolución o de girar sobre si mismo, también el vuelco) requieren incluso una electrónica muy compleja directamente en el sensor, pues los efectos de medición aquí utilizados no sólo son muy pequeños, sino que necesitan también una compleja regeneración de las señales.

Dentro de los sensores de rotación podemos encontrar los sensores "inductivos" y los "magnetostáticos (efecto Hall).

 

Sensores inductivos
Los sensores inductivos de bobina estaban ya disponibles para la medición de velocidades de rotación cuando no existía aún ninguna versión en absoluto o todavía no adecuada en tecnología magnetoestática (efecto Hall).
Los sensores inductivos de velocidad de rotación constan en principio de tres componentes magnéticos esenciales (figura superior):

Los sensores inductivos actuales están constituidos preferentemente por un imán de barra (figura arriba, pos. 1) con espiga polar de hierro dulce (3) que soporta la bobina de inducción (4) de dos conexiones. Cuando gira una corona dentada ferromagnética (5) u otro rotor de estructura similar por delante de este detector, se induce en la bobina una tensión proporcional (casi sinusoidal) a la variación del flujo magnético en función del tiempo.
Los sensores inductivos son siempre, por tanto, sensores dinámicos. En principio no son apropiados para detectar velocidades extremamente lentas (casi estáticas o estáticas), pues su señal de salida tiende entonces a ser cero.
Para que la unidad de control pueda efectuar una evaluación segura y fiable, la tensión generada por el sensor debería ser de 30 mV como mínimo. La desventaja de los sensores inductivos, sin embargo, reside en el hecho de que su tensión de salida puede tener a grandes velocidades valores muy altos, superiores en mucho a 100 V, que son difíciles de procesar por vía electrónica.
Si las altas puntas de tensión son recortadas con la ayuda de diodos Zener, se producen muy pronto considerables errores angulares a causa de la variación consecutiva de la impedancia de carga del sensor. Eso puede ser muy desfavorable por lo menos en el caso de los sensores angulares de cigüeñal y de árbol de levas, que participan en la regulación del avance del encendido. Para estas aplicaciones se requiere una tolerancia angular de aprox. 0,2°.

Las coronas dentadas montadas en los cigüeñales y las ruedas (ABS) están previstas para cubrir entrehierros de hasta 0,8 o 1,5 mm. La marca de referencia necesaria para el encendido se obtiene suprimiendo un diente o llenando un hueco entre dientes. Se identifica por la mayor distancia de los pasajes por cero y genera (como si hubiera un diente más grande) una tensión de señal mucho más alta.

Ventajas de los sensores inductivos

Desventajas

Ejemplos de aplicación

 

Sensores magnetostáticos
La detección casi estática de la velocidad de rotación se puede realizar con eficacia mediante sensores magnetostáticos. Su señal de salida independiente de la velocidad de rotación y únicamente dependiente del campo magnético facilita y simplifica, incluso en el caso de velocidades elevadas, el tratamiento electrónico de tensiones de señales de valores limitados. Ofrecen además una posibilidad de miniaturización del sensor y la ventaja de tener integrados la amplificación y el tratamiento de las señales en ellos mismos. Gracias a su pequeño tamaño de construcción se pueden realizar también fácilmente sistemas múltiples tales como p. ej. configuraciones diferenciales o sistemas de detección integrada del sentido de rotación. Una desventaja importante de tales sensores activos radica sin embargo en el hecho de que el margen de su temperatura de funcionamiento lo determina muy ampliamente la correspondiente electrónica de evaluación a base de componentes de silicio que, en general, no puede resistir temperaturas tan altas como los elementos sensores mismos. Desde hace algún tiempo se suministran a opción sensores activos equipados con una salida de corriente (bipolares), de modo que la económica conexión bifilar de los sensores inductivos de bobina no podrá ser considerada en el futuro ya como una ventaja específica.

Barreras Hall
Un ejemplo de sensor manetostático es la "barrera Hall" (utilizado p. ejemplo como sensores generadores de impulsos en el distribuidor de encendido). Los correspondientes circuitos electrónicos de alimentación y de evaluación de las señales están integrados directamente en el mismo chip del sensor.
Este "C.I. Hall" (realizado en tecnología bipolar para temperaturas continuas <150°C y conexión directa a la red de a bordo) se encuentra en un circuito magnético prácticamente cerrado, consistente en un imán permanente y piezas polares (figura inferior). El entrehierro aún restante lo recorre un rotor de pantallas de magnetismo dulce (p. ej. accionado por el árbol de levas). Cuando una pantalla penetra en el entrehierro cortocircuita el flujo magnético (es decir, lo desvía del sensor); cuando la pantalla abandona el entrehierro, el hueco entre pantallas del rotor deja que el flujo atraviese sin obstáculo el sensor. El funcionamiento fiable del sensor está garantizado también si el rotor de pantallas penetra con profundidad irregular en la barrera o si la posición del entrehierro se desplaza en sentido radial, es decir, verticalmente al sentido de rotación.


Las barreras Hall de este tipo sólo se pueden realizar para una resolución periférica limitada y se utilizan principalmente como sensores de segmentos. Si las hendiduras entre las pantallas son demasiado estrechas, el campo magnético no atraviesa ya el rotor y no puede alcanzarse ya el nivel de inducción necesario.

 

Sensores de gradiente
Otro sensor mangnetostático son los sensores (sondas) de gradiente, que pueden realizarse a elección sobre la base de sensores Hall o de sensores magnetorresistivos diferenciales, son mucho más a propósito que los sensores Hall sencillos para la exploración de rotores magnéticamente pasivos. Poseen un imán permanente cuya superficie polar orientada hacia la rueda dentada es homogeneizada por una delgada plaquita ferromagnética (figura inferior). Sobre ésta hay colocados dos elementos galvanomagnéticos (término genérico para designar sensores Hall y magnetorresistencias) espaciados a una distancia que corresponde a la mitad de la distancia entre dientes. De ese modo un elemento se encuentra exactamente frente a un hueco entre dientes cuando el otro está frente a un diente. El sensor mide la diferencia de campo magnético entre dos puntos muy próximos en el sentido periférico. La señal de salida corresponde aproximadamente a la derivación del campo magnético en función del ángulo periférico y, desde el punto de vista de la polaridad, es independiente por tanto del entrehierro. Las variaciones del entrehierro no producen impulsos parásitos, pues no cambian el signo de la señal de gradiente.
Para la evaluación de las señales las dos magnetorresistencias pueden estar sencillamente conectadas formando un divisor de tensión que es alimentado con una tensión constante y cuya señal de salida es detectada por la unidad de control generalmente sin carga. A temperatura ambiente y para entrehierros estándar esta señal se aproxima al voltio, pero también a temperaturas más altas es aún suficientemente grande para que se pueda transmitir a la unidad de control sin ser preamplificada.

Ejemplos de aplicación de sensores magnetostáticos
• Sensor Hall (encendido transistorizado TZ-H),
• sensor de fase Hall (árbol de levas),
• sensor Hall de cajas de cambios (RS50, RS51),
• sensor activo Hall de velocidad de rotación,
• sensor activo AMR de velocidad de rotación,
• sensor magnetorresistivo (para bomba rotativa de inyección diesel de émbolos radiales).

 

Medición absoluta de velocidades de convolución

Funcionamiento
Para medir la velocidades de convolucion (derrapes o vuelcos del vehículo) se utiliza el giroscopio. Los giroscopios mecánicos aprovechan las fuerzas de inercia para medir con mucha precisión movimientos angulares en el espacio, independientemente de sistemas de referencia. A pesar de su gran aptitud para la medición, ni los girómetros de giroscopio ni los sensores ópticos basados en el efecto de Sagnac (girómetros de láser o de fibra optica) entran en consideración para sistemas del automóvil, a causa de aspectos económicos muy rigurosos.
Por el contrario, las exigencias de precisión no tan severas de nuevos sistemas del automóvil se rueden satisfacer mediante girómetros realizados en mecánica de precisión o micromecánica, que en vez de un movimiento de rotación aprovechan únicamente un movimiento vibratorio elástico equivalente para la generación de un efecto de medición. Estos sensores llamados girómetros de vibración o sensores de convolución por diapasón eran utilizados hasta ahora predominantemente para regulaciones de estabilización. Responden también en grado suficiente a todas las otras exigencias específicas del automóvil, tales como exención de mantenimiento, vida útil, constante de la duración de funcionamiento, etc., incluso respecto a los costes de fabricación que cabe esperar. Los girómetros de vibración miden el ángulo de aro absoluto sobre el eje vertical del vehículo (eje de guiñada) p. ej. en sistemas para la regulación de la dinámica de marcha (ESP, estabilización de fenómenos de derrape) y para la navegación de corta duración (p. ej. en la zona de un cruce de carreteras). Sistemas avanzados para la activación de sistemas de protección contra el vuelco necesitan las velocidades de convolución alrededor de los ejes alzable y de cabeceo del vehículo. El principio de estos sensores se asemeja al de los giroscopios mecánicos. Aprovechan para la medición las aceleraciones de Coriolis que se presentan cuando se producen movimientos de rotación acompañados de un movimiento vibratorio.

Ejemplos de aplicación.


 

 

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