Mecatrónica Módulo 5: Componentes mecatrónicos

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1 Mecatrónica Módulo 5: Componentes mecatrónicos Libro de Texto (Concepto) Wojciech Kwaśny Andrzej Błażejewski Universidad Técnica de Wroclaw, Polonia Proyecto ampliado de transferencia del concepto europeo para la calificación agregada de la Mecatrónica las fuerzas especializadas en la producción industrial globalizada Proyecto EU Nr MINOS, Plazo: 2005 hasta 2007 Proyecto EU Nr. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS**, Plazo: 2008 hasta 2010 El presente proyecto ha sido financiado con el apoyo de la Comisión Europea. Esta publicación (comunicación) es responsabilidad exclusiva de su autor. La Comisión no es responsable del uso que pueda hacerse da la información aquí difundida.

2 Colaboradores en la elaboración y aprobación del concepto conjunto de eseñanza: Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse, Deutschland Projektleitung Corvinus Universität Budapest, Institut für Informationstechnologien, Ungarn Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Schweden Technische Universität Wroclaw, Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Polen Henschke Consulting Dresden, Deutschland Christian Stöhr Unternehmensberatung, Deutschland Neugebauer und Partner OHG Dresden, Deutschland Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Polen Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Ungarn Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Ungarn Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Ungarn IMH, Spanien VUT Brno, Tschechische Republik CICmargune, Spanien University of Naples, Italien Unis, Tschechische Republik Blumenbecker, Tschechische Republik Tower Automotive, Italien Bildungs-Werkstatt ggmbh, Deutschland VEMAS, Deutschland Concepto conjunto de enseñanza: Libro de texto, libro de ejercicios y libro de soluciones Módulo 1-8: Fundamentos / Competencia intercultural y administración de proyectos / Técnica de fluidos / Accionamiento y mandos eléctricos / Componentes mecatrónicos / Sistemas y funciones de la mecatrónica / La puesta en marcha, seguridad y teleservicio / Mantenimiento y diagnóstico Módulo 9-12: Prototipado Rápido/ Robótica/ Migración Europea/ Interfaces Todos los módulos están disponibles en los siguientes idiomas: Alemán, Inglés, español, italiano, polaco, checo, húngaro Más Información Dr.-Ing. Andreas Hirsch Technische Universität Chemnitz Reichenhainer Straße 70, Chemnitz, Deutschland Tel: + 49(0) Fax: + 49(0) minos@mb.tu-chemnitz.de Internet: oder

3 Índice Componentes mecatrónicos 1 Sensores inductivos Fundamentos básicos Fundamentos teóricos Circuito de resonancia El circuito electrónico Fundamentos básicos de construcción Funcionamiento Coeficientes correctores Método de montaje Sensores especiales Sensor inductivo de anillo Uso de sensores en campos electromagnéticos de elevada intensidad Uso de sensores en condiciones adversas Reconocimiento de la dirección del movimiento Sensores NAMUR Sensores inductivos analógicos Corriente continua( CC) Corriente alterna (AC) Principios de conexión de los sensores Medidas de protección y seguridad de sensores Conexión de sensores a una red de comunicación Aplicaciones 28

4 Componentes mecatrónicos 2 Sensores capacitivos Introducción Fundamentos teóricos Funcionamiento de un sensor capacitivo Tipos de sensores capacitivos Influencia del material del objeto Compensación de interferencias Aplicaciones 40 3 Sensores de ultrasonido Fundamentos básicos Fundamentos teóricos Propagación de las ondas sonoras en el aire Influencia ambiental El transformador de ondas sonoras Generación de ondas ultrasónicas Funcionamiento de un sensor de ultrasonido Proceso de difusión Modo unidireccional (through beam) Fallos en el funcionamiento de sensores Factores físicos Factores de montaje Sincronización de sensores Sensores de ultrasonido especiales Sensores reflexivos Sensores de carcasa con transformador doble Sensores de ultrasonido analógicos Aplicaciones 70

5 Componentes mecatrónicos 4 Sensores fotoeléctricos Características de diseño Elementos fotoeléctricos Fundamentos de física Luz Propiedades de la luz Fotoemisores Diodo luminoso (LED) Diodo láser (LD) Fotodetectores Fotodiodos Detectores de posición (PSD) Detectores CCD (dispositivo de cargas eléctricas interconectadas) Fototransistores Clases de sensores Barrera de luz unidireccional (Through Beam) Sensores retroreflectivos Filtro de luz Procesamiento de señales Fuentes de interferencias Prevención de interferencias Modulación de la luz Polarización de la luz Margen de operación Distancia de trabajo Tiempo de respuesta Tipos especiales de sensores optoelectrónicos Sensores retroreflectivos polarizados Filtros para la eliminación de la influencia de fondo Sensores retroreflectivos con auto colimación Sensores de fibra óptica Fibra óptica Funcionamiento Tecnología de conexión Tipos de conexiones Conmutación de la salida del sensor Aplicaciones 126

6 Componentes mecatrónicos 5 Sensores de campo magnético Fundamentos básicos Fundamentos físicos Campo magnético Contacto Reed El efecto Hall Magnetorresistencia El efecto Wiegand Sensores de campo magnético con contacto Reed Sensores Hall Sensores especiales de campo magnético Sensores magnetoresistentes Sensores Wiegand Sensores de campo magnético con un imán Reglas de montaje Aplicaciones 146

7 Componentes mecatrónicos 1 Sensores inductivos 1.1 Información básica Los sensores inductivos son los sensores que se utilizan más frecuentemente en sistemas automáticos para controlar la posición y el movimiento de los mecanismos que dirigen las máquinas y equipamiento. Su estructura compacta, fiabilidad y fácil instalación hacen su uso muy popular. Cuando un objeto metálico se encuentra en la zona de acción del sensor, el estado o el valor de la señal de salida del sensor varía. Un sensor inductivo está formado por los siguientes componentes básicos (Fig. 1.1): la cabeza que incluye una bobina de inducción con un núcleo de ferrita, un generador de corriente sinusoidal, un circuito de detección (comparador) y un amplificador de salida. Un circuito de inducción formado por la bobina y el núcleo de ferrita genera en torno al extremo del sensor un campo electromagnético variable de elevada frecuencia. Este campo induce una corriente de Focaoult (o corriente parásita) en el objeto metálico situado cerca del sensor. Esto produce una carga del circuito de inducción, disminuyendo como consecuencia la amplitud de oscilación. El cambio en la amplitud depende de la distancia entre el objeto de metal y el extremo del sensor. Si el objeto alcanza una distancia característica, la señal de salida cambia. En sensores analógicos el valor de la señal de salida es inversamente proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor. OBJETO CABEZA DEL SENSOR GENERADOR SISTEMA DE DETECCIÓN SISTEMA DE SALIDA Figura 1.1: Esquema de un sensor inductivo 6

8 Componentes mecatrónicos 1.2 Fundamentos teóricos Circuito de resonancia La fuente de un campo magnético variable en sensores inductivos es una bobina de inducción. Si la corriente que fluye a través de la bobina varía en el tiempo, el campo magnético en la bobina es también variable. Estos cambios están relacionados con el fenómeno de la autoinducción, esto es, la creación de un voltaje adicional en la bobina que contrarresta los cambios de la corriente. La energía eléctrica acumulada en los circuitos de resonancia se debe diferenciar entre la energía EL del campo magnético de la bobina de inducción y la energía Ec del campo eléctrico del condensador cargado. La energía total se mantiene siempre constante: E = EL + Ec = const. (Fig. 1.2). En la etapa inicial el circuito LC, integrado por la Bobina L y el condensador C, está abierto y la energía se encuentra almacenada en los electrodos del condensador cargado (1). Al cerrar el circuito eléctrico, el condensador comienza a descargarse y la corriente I comienza a fluir por el circuito. La intensidad de corriente pasa tener valor cero a la intensidad máxima Imax. Toda la energía del condensador se almacena en la bobina (2). Aunque el condensador ya está descargado, la corriente fluye en el circuito en la misma dirección. La corriente procedente de la autoinducción en la bobina, carga el condensador y la energía se transfiere de nuevo a este. Cuando la carga en el condensador es máxima la energía desaparece del circuito(3). El estado en la última fase es similar al de la etapa inicial, solo que en esta fase el condesador está cargado de manera inversa y la corriente fluye en sentido contrario. En todo circuito LC se producen las oscilaciones del campo eléctrico del condensador y del campo magnético de la bobina. Figura 1.2: Oscilaciones en un circuito LC 7

9 Componentes mecatrónicos En la realidad se producen siempre pérdidas adicionales de energía en todo circuito LC debidas a la propia resistencia de la bobina y el condensador. Estas se representan con la letra R. Como resultado de estas pérdidas las oscilaciones en un circuito con una resistencia RLC desaparecen (Fig. 1.3). Las oscilaciones del circuito pueden mantenerse constantes cuando este sea alimentado por una fuente externa de voltaje sinusoidal. Cuando la frecuencia de la fuente externa es igual a la frecuencia propia del circuito LC la amplitud alcanza su valor máximo. f frecuencia de la fuente externa sinusoidal, f0 frecuencia propia del circuito LC no amortiguado, L inductividad [Henry], C capacidad [Farad]. Bajo esta condición se produce la resonancia de las tensiones. Cuanto mayor sea el factor de calidad del circuito, mayor será la amplitud de las oscilaciones. El factor de calidad Q es una medida de las pérdidas generadas por la resistencia R en los elementos L y C. En un circuito sin pérdidas bajo condiciones de resonancia la resistencia R sería infinitamente grande. Cuanto mayor sean las pérdidas en el circuito, más pequeña será la resistencia y el factor de calidad será menor. Figura 1.3: Oscilaciones de circuitos LC y RLC : a) circuito LC no amortiguado; b) circuito RLC sin fuente externa; c) circuito RLC alimentado por una fuente externa sinusoidal 8

10 Componentes mecatrónicos El circuito eléctrico En generadores que presentan un circuito de resonancia formado por una bobina y un condensador se emplean también amplificadores operacionales o transistores para mantener las oscilaciones. Para generar oscilaciones deben cumplirse dos condiciones: de fases y de amplitud. La condición de fases implica que la fase de la tensión de entrada sea igual a la fase de la tensión de salida. La condición de amplitud requiere que el amplificador compense en su totalidad el amortiguamiento en el circuito de resonancia. En este caso el generador mismo produce la señal que mantiene las oscilaciones. Las condiciones de fases y de amplitudes se cumplen cuando el circuito LC está dividido correctamente o se utiliza un transformador acoplado. Las oscilaciones de tensión y corriente se generan en el circuito LC formado por una bobina y un condensador. La corriente conectada al circuito LC le transmite una parte de su energía mediante la carga del condensador y mantiene las oscilaciones en el circuito. Cuando la energía suministrada es igual a la energía que se pierde, se alcanza el equilibrio y la amplitud en el circuito LC se mantiene constante así como las oscilaciones no son amortiguadas ( Fig. 1.4a) La señal de salida depende del factor de calidad Q del circuito de resonancia. Cuanto menor sea el factor de calidad, la señal de salida será menor (Fig. 1.4b). Los generadores LC generan vibraciones cuya frecuencia es mayor que unas pocas decenas de miles de hercios. Cuando la frecuencia es menor, se requiere una inductividad L del circuito de resonancia demasiado grande. En este caso es difícil alcanzar un elevado factor de calidad y las bobinas son de un tamaño relativamente grande. Figura 1.4: El circuito electrónico: a) Generador LC con un amplificador que compensa el amortiguamiento en el circuito, b) nivel de la señal de salida para diferentes valores de Q. 9

11 Componentes mecatrónicos 1.3 Fundamentos básicos de construcción Funcionamiento La parte activa de un sensor inductivo contiene una bobina enrollada en torno a un núcleo de ferrita que crea un campo magnético. El núcleo de ferrita con el circuito magnético abierto intensifica el campo de la bobina y lo orienta hacia la zona de medida del sensor. Al cambiar el campo magnético se genera un campo eléctrico. Cuando un conductor se encuentra en este campo eléctrico variable, un campo magnético aparece en torno a las líneas del campo eléctrico (Fig. 1.5), que contrarresta al campo magnético de la bobina y sustrae una parte de la energía del circuito de resonancia. El valor del factor de calidad se reduce porque las pérdidas en el circuito de resonancia se modifican. Mientras que el conductor se encuentre en el campo magnético de la bobina, la amplitud de la oscilación sera amortiguada. Si se elimina el conductor, se reduce la amortiguación hasta que la amplitud alcanza el valor inicial. conductor Campo magnético de corrientes eddy Campo magnético de la bobina Amplitud Amplitud Bobina Núcleo ferromagnético Tiempo Tiempo Figura 1.5: Objeto metálico en el campo magnético de una bobina con el núcleo de ferrita. 10