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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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