Desde cadenas de transmisión robóticas hasta cintas transportadoras en operaciones de cadena de suministro hasta el balanceo de torres de turbinas eólicas, la detección de posición es una función crítica en una amplia gama de aplicaciones. Puede tomar muchas formas, incluidos sensores lineales, rotativos, angulares, absolutos, incrementales, de contacto y sin contacto. Se han desarrollado sensores especializados que pueden determinar la posición en tres dimensiones.
Esta pregunta frecuente proporciona una breve introducción a las diversas formas de detección de posición, luego revisa una gama de tecnologías que los diseñadores pueden elegir al implementar una solución de detección de posición.
Los sensores de posición potenciométricos son dispositivos basados ​​en resistencia que combinan una pista resistiva fija con un limpiador conectado al objeto cuya posición debe detectarse. El movimiento del objeto mueve el limpiador a lo largo de la pista. La posición del objeto se mide utilizando una red divisoria de voltaje formada por rieles y limpiadores para medir el movimiento lineal o rotacional con un voltaje de CC fijo (Figura 1). Los sensores potenciométricos son de bajo costo, pero generalmente tienen baja precisión y repetibilidad.
Los sensores de posición inductivos utilizan cambios en las propiedades del campo magnético inducido en la bobina del sensor. Dependiendo de su arquitectura, pueden medir posiciones lineales o rotacionales. Los sensores de posición del transformador diferencial variable lineal (LVDT) usan tres bobinas envueltas alrededor de un tubo hueco;una bobina primaria y dos bobinas secundarias. Las bobinas están conectadas en serie, y la relación de fase de la bobina secundaria está desfasada 180° con respecto a la bobina primaria. Se coloca un núcleo ferromagnético llamado armadura dentro del tubo y se conecta al objeto en el lugar que se está midiendo. Se aplica un voltaje de excitación a la bobina primaria y se induce una fuerza electromagnética (EMF) en la bobina secundaria. El transformador diferencial de voltaje giratorio (RVDT) utiliza la misma técnica para rastrear la posición giratoria. Los sensores LVDT y RVDT ofrecen buena precisión, linealidad, resolución y alta sensibilidad. No tienen fricción y se pueden sellar para su uso en entornos hostiles.
Los sensores de posición de corrientes de Foucault funcionan con objetos conductores. Las corrientes de Foucault son corrientes inducidas que ocurren en materiales conductores en presencia de un campo magnético cambiante. Estas corrientes fluyen en un circuito cerrado y generan un campo magnético secundario. Los sensores de corrientes de Foucault consisten en bobinas y circuitos de linealización. La corriente alterna energiza la bobina para crear el campo magnético primario. impedancia. A medida que el objeto se acerca a la bobina, las pérdidas por corrientes de Foucault aumentan y el voltaje oscilante se vuelve más pequeño (Figura 2). El voltaje oscilante es rectificado y procesado por un circuito linealizador para producir una salida de CC lineal proporcional a la distancia del objeto.
Los dispositivos de corrientes de Foucault son dispositivos robustos sin contacto que normalmente se usan como sensores de proximidad. Son omnidireccionales y pueden determinar la distancia relativa al objeto, pero no la dirección o la distancia absoluta al objeto.
Como sugiere el nombre, los sensores de posición capacitivos miden los cambios en la capacitancia para determinar la posición del objeto que se detecta. Estos sensores sin contacto se pueden usar para medir la posición lineal o rotacional. Constan de dos placas separadas por un material dieléctrico y usan uno de dos métodos para detectar la posición de un objeto:
Para causar un cambio en la constante dieléctrica, el objeto cuya posición se va a detectar se une al material dieléctrico. A medida que se mueve el material dieléctrico, la constante dieléctrica efectiva del capacitor cambia debido a la combinación del área del material dieléctrico y la constante dieléctrica del aire. Alternativamente, el objeto se puede conectar a una de las placas del capacitor. A medida que el objeto se mueve, las placas se acercan o alejan, y el cambio en la capacitancia se usa para determinar la posición relativa.
Los sensores capacitivos pueden medir el desplazamiento, la distancia, la posición y el grosor de los objetos. Debido a su alta resolución y estabilidad de la señal, los sensores de desplazamiento capacitivos se utilizan en entornos industriales y de laboratorio. Por ejemplo, los sensores capacitivos se utilizan para medir el grosor de la película y las aplicaciones de adhesivo en procesos automatizados. En las máquinas industriales, se utilizan para controlar el desplazamiento y la posición de la herramienta.
La magnetoestricción es una propiedad de los materiales ferromagnéticos que hace que el material cambie de tamaño o forma cuando se aplica un campo magnético. En un sensor de posición magnetoestrictivo, un imán de posición móvil se adjunta al objeto que se mide. Consiste en una guía de ondas que consta de cables que transportan pulsos de corriente, conectados a un sensor ubicado en el extremo de la guía de ondas (Figura 3). Cuando se envía un pulso de corriente por la guía de ondas, se crea un campo magnético en el cable que interactúa con el campo magnético axial del imán permanente (el imán en el pistón del cilindro, Figura 3a). La interacción de campo es causada por la torsión (el efecto Wiedemann), que tensa el cable, produciendo un pulso acústico que se propaga a lo largo de la guía de ondas y es detectado por un sensor al final de la guía de ondas (Fig. 3b). Al medir el tiempo transcurrido entre el inicio del pulso de corriente y la detección del pulso acústico, se puede medir la posición relativa del imán de posición y, por lo tanto, del objeto (Fig.3c).
Los sensores de posición magnetoestrictivos son sensores sin contacto que se utilizan para detectar la posición lineal. Las guías de ondas suelen estar alojadas en tubos de acero inoxidable o aluminio, lo que permite que estos sensores se utilicen en entornos sucios o húmedos.
Cuando un conductor delgado y plano se coloca en un campo magnético, cualquier corriente que fluya tiende a acumularse en un lado del conductor, creando una diferencia de potencial llamada voltaje Hall. Si la corriente en el conductor es constante, la magnitud del voltaje Hall reflejará la fuerza del campo magnético. En un sensor de posición de efecto Hall, el objeto está conectado a un imán alojado en el eje del sensor. Hay sensores de posición de efecto Hall especializados que pueden determinar la posición en tres dimensiones (Figura 4). Los sensores de posición de efecto Hall son dispositivos sin contacto que brindan alta confiabilidad y detección rápida, y funcionan en un amplio rango de temperatura. Se utilizan en una variedad de aplicaciones de consumo, industriales, automotrices y médicas.
Hay dos tipos básicos de sensores de fibra óptica. En los sensores de fibra óptica intrínseca, la fibra se utiliza como elemento de detección. En los sensores de fibra óptica externos, la fibra óptica se combina con otra tecnología de sensor para transmitir la señal a la electrónica remota para su procesamiento. temperaturas y no son conductores, por lo que pueden usarse cerca de materiales inflamables o de alta presión.
También se puede utilizar otra detección de fibra óptica basada en la tecnología de red de Bragg de fibra (FBG) para medir la posición. La FBG actúa como un filtro de muesca, reflejando una pequeña fracción de la luz centrada en la longitud de onda de Bragg (λB) cuando se ilumina con luz de amplio espectro. Está fabricada con microestructuras grabadas en el núcleo de la fibra. Las FBG se pueden utilizar para medir varios parámetros, como temperatura, deformación, presión, inclinación, desplazamiento, aceleración y carga.
Hay dos tipos de sensores ópticos de posición, también conocidos como codificadores ópticos. En un caso, la luz se envía a un receptor en el otro extremo del sensor. En el segundo tipo, la señal de luz emitida es reflejada por el objeto monitoreado y devuelta a la fuente de luz. Según el diseño del sensor, los cambios en las propiedades de la luz, como la longitud de onda, la intensidad, la fase o la polarización, se usan para determinar la posición de un objeto. Los sensores de posición ópticos basados ​​en codificadores están disponibles para movimiento lineal y giratorio. Estos sensores se dividen en tres categorías principales;codificadores ópticos transmisivos, codificadores ópticos reflectantes y codificadores ópticos interferométricos.
Los sensores de posición ultrasónicos utilizan transductores de cristal piezoeléctrico para emitir ondas ultrasónicas de alta frecuencia. El sensor mide el sonido reflejado. Los sensores ultrasónicos se pueden usar como sensores de proximidad simples, o los diseños más complejos pueden proporcionar información de rango. detección de objetos, sistemas de navegación robótica y detección automotriz. Un sensor ultrasónico automotriz típico consta de una carcasa de plástico, un transductor piezoeléctrico con una membrana adicional y una placa de circuito impreso con circuitos electrónicos y microcontroladores para transmitir, recibir y procesar señales (Figura 5).
Los sensores de posición pueden medir el movimiento lineal, rotacional y angular absoluto o relativo de los objetos. Los sensores de posición pueden medir el movimiento de dispositivos como actuadores o motores. También se usan en plataformas móviles como robots y automóviles. En los sensores de posición se usa una variedad de tecnologías con varias combinaciones de durabilidad ambiental, costo, precisión, repetibilidad y otros atributos.
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