MÁSTER DE AUTOMOCIÓN CURSO 2011-2012 2012 Teoría de Sensores
CADENA DE MEDIDA Magnitud Mecánica Elemento Sensor Primario Elemento Transducción Acondicionador de señal Adquisición, Presentación datos Transductor
Características Generales RANGO Definición: Valores máximo y mínimo de la magnitud a medir en que es capaz de operar Rango mecánico: Aquel en que el transductor es capaz de operar sin que sufra un daño mecánico. Rango de trabajo: Aquel en que el transductor no solo no sufre daño mecánico, sino que además tampoco se ven modificadas sus características de respuesta, bien sea temporal o definitivamente. Rango dinámico: Aquel en que el transductor es capaz de operar dentro de sus características de diseño (linealidad, sensibilidad, resolución, etc.). Rango de utilización: Aquel en el que variará la magnitud a medir durante la utilización de transductor. SENSIBILIDAD Sensibilidad: Variación obtenida en la señal de salida para una variación unidad de la magnitud a medir. Función de calibración: M=F(S) Sensibilidad: Resolución: Mínima diferencia en la magnitud a medir que puede ser detectada de manera fiable por el transductor.
Características Generales RUIDO Definición: Perturbación aleatoria ajena a la magnitud a medir capaz de alterar la lectura. HISTÉRESIS, REPETIBILIDAD, LINEALIDAD. Al realizar la calibración de un transductor el procedimiento habitual suele ser el realizar varias series de medidas, ascendentes y descendentes, de la salida del transductor en función de la magnitud física a medir. 100 90 Salida del transductor (%) 80 70 60 50 40 30 Histéresi C alib ración Linealidad 20 R epetitivid 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Magnitud a medir (% ) Histéresis: Diferencia máxima entre la curva ascendente y la descendente de un mismo ciclo. Repetitibilidad: Capacidad de un transductor para reproducir el mismo valor a la salida al aplicarle a la entrada la misma magnitud en la misma dirección y en dos ciclos distintos. Linealidad: Máxima desviación de la curva de calibración respecto a una línea recta. Parámetro de conformancia: máxima desviación respecto a una curva no lineal especificada. Se utiliza cuando en transductor es intrínsecamente no lineal
Características Generales RESPUESTA DINAMICA Definición: Capacidad del transductor para seguir variaciones de la magnitud a medir. Da una idea del rango de frecuencias de variación de la magnitud a medir que el transductor es capaz de reproducir en la señal de salida. Existen transductores en los que la limitación se produce a frecuencias bajas. 3 2.8 2.6 2.4 2.2 Respuesta 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.000001 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 Frecuencia DERIVA Definición: Fenómeno por el cual la curva de calibración se desplaza paralelamente a si misma por efecto de una variable de influencia.
Clasificación de los transductores por sistema de alimentación Inductivos PASIVOS Capacitivos Potenciométricos Piezorresistivos (galgas de deformación) ACTIVOS Electrodinámicos o de velocidad Piezoeléctricos
Sensores piezorresistivos Este tipo de transductores también denominados extensiométricos, miden la deformación sufrida por el elemento elástico, a través de unas bandas extensiométricas o galgas pegadas sobre su superficie. A B R1 R2 C Vout R4 R3 D Vin Las variaciones de resistencia de una galga se miden mediante el circuito llamado Puente de Wheatstone V out V in R1R 3 R2R4 ( R1 R2) ( R3 R4 ) R1 R4 Cte. R R 2 3 Aunque realmente el valor de las resistencias nunca coincidirá exactamente, por lo que en condiciones de descarga del sensor, es decir aunque externamente no se actúe sobre él, existirá una tensión de salida inicial de unos pocos milivoltios, denominada Offset del transductor, siendo éste un valor característico, que debe permanecer invariable durante toda la vida útil del sensor. Como más tarde se verá, el offset inicial puede ser eliminado a través del balanceo del puente.
Sensores piezorresistivos. Distintas configuraciones del Puente de Wheatstone Duplica la sensibilidad a las deformaciones axiales mientras que las deformaciones de flexión se compensan Este montaje hace justo lo contrario, además en este último caso el efecto de la temperatura también se compensa. Sólo la deformación de torsión es medida y además la sensibilidad a esta deformación se multiplica por cuatro, el efecto de la temperatura se elimina. La configuración de puente completo como la 4.4(c) tiene una tensión de salida lineal con respecto a la deformación medida y será preferible siempre que pueda realizarse.
Sensores piezorresistivos Ejemplos de sensores piezorresistivos Shear W eb Shear Gages Hold Down Bolt W iring Duct Junction Box Diaphragm O-Ring Loading Bolt Supporting Structure
Sensores Piezoeléctricos El cuarzo, ya en su estado puro es capaz de generar carga eléctrica sobre ciertas caras del cristal cuando una fuerza externa se aplica sobre él. Este efecto físico, se conoce como piezoeléctricidad directa. Inversamente cuando un voltaje eléctrico es aplicado al cristal, una tensión mecánica tiene lugar deformándolo, esta propiedad es llamada piezoeléctricidad recíproca La magnitud de la carga resultante con el efecto longitudinal no depende de las dimensiones geométricas de las superficies del cuarzo, sino únicamente de la fuerza aplicada F x. Por otro lado la magnitud del voltaje aplicado sí que depende de la geometría, debido a que el voltaje es igual a la carga generada Q dividido por la capacitancia del transductor C, donde las capacitancias del cable conectado y de la entrada al amplificador son también incluidas. El único modo de incrementar la carga producida, es construir un montaje de varios platos de cuarzo en serie para la transmisión de la fuerza, y conectarlos eléctricamente en paralelo Longitudinal Transversal Cortante
Sensores Piezoeléctricos. En este tipo de transductores la función del elemento elástico deformable en el sensor la realiza el cristal piezoeléctrico, además de ser el propio cristal de cuarzo el que detecta la presencia de la fuerza externa y genera una carga eléctrica proporcional a aquélla. Podemos representar al transductor por medio de un sistema de segundo orden, en este caso el cuarzo equivale a un muelle de rigidez altísima (medida de fuerza sin desplazamiento). El transductor de fuerza piezoeléctrico más comúnmente usado es la denominada arandela de carga (load washer), dos discos de cuarzo cortados para trabajar bajo el efecto longitudinal con un electrodo central separándolos, son intercalados entre dos anillos de acero; los discos de cuarzo son colocados de tal modo que el eje cristalográfico x queda orientado hacia el electrodo. De este modo, las cargas generadas bajo compresión son sumadas, duplicándose la sensibilidad Las células de carga del tipo load washer son montadas bajo una precarga determinada, permitiendo de este modo la medida de fuerzas de tensión
Sensores Piezoeléctricos y piezorresistivos Equipo de acondicionamiento de señal más general y sencillo. La ventaja fundamental de este tipo de acelerómetros es su capacidad de medir aceleraciones continuas o de muy baja frecuencia (respuesta desde frecuencia 0) y su menor sensibilidad a interferencias y a ruidos eléctricos. A cambio, presentan problemas a frecuencias elevadas o cuando se pretenden medir aceleraciones de muy baja amplitud, así como una mayor influencia de la temperatura. Sensores piezoresistivos Masa sísmica Rangos dinámicos y de frecuencias muy amplios. Masa sísmica Estable y robusto, no tiene partes móviles, admite ambientes muy hostiles. No necesita corriente de alimentación. Aunque son bastante sensibles a parásitos exteriores desde el cable. Sensor piezoeléctrico Por último, el tamaño de un sensor piezoeléctrico suele ser menor que el de un piezorresistivo de análogo rango. Sobre todo en el campo de las células de carga.
Tipos de sensores según medida Desplazamiento Potenciométricos. Inductivos. Capacitivos. Otros Tipos de sensores según la magnitud a medir Aceleración Presión Fuerza y par Potenciométricos. Inductivos. Piezorresistivos Piezoeletricos Transformador variable Capacitivos Peliculares Electrec Inductivos Piezoeléctricos Potenciométricos Resistivos Piezorresistivos Equilibrio de fuerzas Elemento vibrante Otros Fuerza de galgas extensimétricas Fuerza por medida de desplazamiento Fuerza y par piezoeléctricos Par
Tipos de sensores según medida, (Fuerza y par) Transductores de tracción-compresión El cuerpo sensible se puede diseñar para trabajar a tracción-compresión a modo de columna. En ellos se trata de evitar que las cargas no axiales a la columna (originadoras de flexión, cortadura, etc.) den lugar a señal. Por no existir deformaciones iguales y de signo contrario en estos cuerpos sensibles, queda una no linealidad eléctrica intrínseca al puente.
Tipos de sensores según medida, (Fuerza y par). Transductores de flexión Cuando se desea una mayor sensibilidad, se construyen cuerpos sensibles trabajando a flexión. Su forma puede ser en anillo, en viga triangular o rectangular en voladizo y en semianillo simple o doble.
Tipos de sensores según medida, (Aceleración). PRINCIPIOS BASICOS Definición: Los acelerómetros, también denominados captadores sísmicos, son elementos capaces de medir la aceleración a que están sometidos de una manera absoluta, es decir, sin referencia a ningún elemento del exterior. Construcción: Un acelerómetro está constituido por una masa suspendida elásticamente de la estructura de soporte mediante un elemento que, en general, presentará una constante de rigidez, K, y un amortiguamiento, C, que supondremos exclusivamente de tipo viscoso, es decir, proporcional a la velocidad. La señal de salida se obtiene midiendo el desplazamiento o la velocidad, según el caso, de la masa respecto a la estructura. y M C K z x
Tipos de sensores según medida, (Aceleración). Medida de la aceleración Respuesta estacionaria: z ma ( k mw 2 ) o 2 ( cw) 2 e j( wt ) w 2 n a (1 r 2 o ) 2 (2r ) 2 e j( wt ) H ( w) a 0 Con (a o =-w 2 x o ) 5 C/Cc = 0 4 C/Cc = 0.25 Ganancia 3 2 5 C/Cc = 0.5 C/Cc = 0.25 1 C/Cc = 1.00 0 1.0E-08 1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 w/wr Frecuencia natural alta Por debajo de ella el movimiento relativo z es proporcional a la aceleración de la base Rango de frec. útil generalmente por debajo del 20% de la frec. Natural, para que el error < 5%
Tipos de sensores según medida, (Aceleración). ACELEROMETROS PIEZOELECTRICOS Principio de funcionamiento: El elemento flexible es un material piezoeléctrico que al comprimirse genera una carga entre sus dos caras proporcional a la fuerza aplicada. El elemento activo del acelerómetro son los piezoeléctricos. Estos actúan como muelles que unen la base del acelerómetro a la masa sísmica a través del poste triangular central. Cuando el acelerómetro es sometido a una vibración aparece una fuerza sobre el elemento piezoeléctrico igual al producto de la aceleración de la masa sísmica por su masa. El elemento piezoeléctrico produce una carga proporcional a la fuerza aplicada. Como la masa sísmica es constante la carga producida es proporcional a la aceleración de la masa sísmica. Como la aceleración de la masa sísmica es proporcional a la aceleración de la base en un rango de frecuencias muy amplio, la salida del acelerómetro es proporcional a la aceleración de la base y por tanto a la aceleración de la superficie sobre la que está montado el acelerómetro.
ACELEROMETROS PIEZORRESISTIVOS Tipos de sensores según medida, (Aceleración) Los acelerómetros piezoresistivos están constituidos por una masa suspendida elásticamente de la estructura del transductor mediante un elemento elástico El elemento elástico suele estar constituido por una viga trabajando a flexión que, cerca de su empotramiento, tiene instalado un puente de extensímetros semiconductores, generalmente completo, que proporciona una salida proporcional al desplazamiento de la masa respecto a la estructura del acelerómetro. En este sentido son análogos a los piezoeléctricos, permitiendo medir desplazamientos o aceleraciones, estas últimas con un desfase de 180º.
Hojas de características.
Hojas de características.
masa pequeña fresonancia alta poca sensibilidad Influencia de las condiciones atmosféricas: Cuidados durante el montaje.
Cuidados durante el montaje. Ruido del cable: En un acelerómetro hay que evitar: que se cree un lazo a tierra que se cree ruido eléctrico inducido por el movimiento del cable cable recubierto y fijado que exista ruido inducido por campos electromagnéticos cable doblemente apantallado Sensibilidad transversal: El acelerómetro también responde a un movimiento en el plano perpendicular. Esto se específica mediante su sensibilidad transversal, que viene expresada como un % respecto a la sensibilidad vertical. Idealmente suele ser 0 En general es despreciable En casos especiales en los que existan grandes vibraciones transversales, habrá que tener en cuenta la carta de directividad del acelerómetro, para minimizar el error que induce.
Montaje del acelerómetro: Cuidados durante el montaje.
Respuesta en frecuencia. Relación entre sensibilidad y rango en frecuencia En general cuanto mayor es el acelerómetro mayor es su sensibilidad (mayor salida) Mientras que cuanto menor sea su tamaño mayor será su rango en frecuencias. Importancia de un correcto montaje Un montaje incorrecto puede reducir drásticamente el rango útil de frecuencias del sensor. El principal requerimiento es una unión lo más rígida posible entre la base del acelerómetro y la superficie.
Sensores deteriorados. Medir el offset del sensor y compararlo con el que figura en su carta de calibración Medir Su resistencia de entrada y de salida y compararlas con las que figuran en su carta de calibración Inspección visual
Sensores utilizados para ensayos de impacto. ACELEROMETROS MODELOS Y MARCAS ESPECIFICAS UTILIZADAS EN ENSAYOS DE IMPACTO. ENDEVCO 7264B Son los más numerosos. Su rango es de 500 y de 2000g. Los primeros se destinan a instrumentar maniquíes y los segundos a instrumentar vehículos. Su denominación es: 7264B-2000 Acelerómetro de 2000g con 3% de sensibilidad transversal. 7264B-2000T Acelerómetro de 2000g con 1% de sensibilidad transversal. 7264B-500T Acelerómetro de 500g con 1% de sensibilidad transversal. Son no amortiguados e incorporan topes de sobrerango. Utilizan puente completo. Acelerómetro 7264B
Sensores utilizados para ensayos de impacto. En rojo se indica la dirección de medición así como el sentido positivo de la señal, es decir una aceleración positiva se produce en la dirección y sentido que indica la flecha. Es posible montar tres acelerómetros en un cubo (mounting-block) para realizar mediciones en las tres direcciones coordenadas. Acelerómetros unidos a un mounting para medir en tres direcciones Los acelerómetros deben ser montados siempre que sea posible, con placas de unión y tornillos, específicamente diseñados para ellos. En ocasiones, donde la instalación de la placa no sea posible, pueden pegarse con cinta de doble cara. Los lugares habituales de montaje son: Vehículo completo: Interior puertas. Interior paneles de puerta. Túnel central. Pilares laterales. Carrocerías, sleds, carros y estructuras varias: Depende mucho de la aplicación en concreto, pero en general se miden aceleraciones en la dirección de impacto en lugares específicos. Maniquíes: (dependiendo del maniquí y la aplicación) Centro de gravedad de cabeza. Centro de gravedad de tórax. Centro de gravedad de pelvis. Costillas. Fémur.
Sensores utilizados para ensayos de impacto. ENDEVCO 7231C-750 Son acelerómetros específicamente diseñados para ser utilizados en dummies. Son ligeramente más grandes que los anteriores y se caracterizan por tener los terminales al aire, como puede apreciarse en la fotografía. Esto permite soldar el cable de nuevo, si por algún motivo se ha producido un arrancamiento del mismo debido al impacto. No tienen amortiguamiento y no tienen topes de sobrerrango. Utilizan puente completo. Se montan en centro de gravedad de cabeza, tórax y pelvis de dummy Hybrid III.
Sensores utilizados para ensayos de impacto. ENDEVCO 7267A-1500 Son acelerómetros triaxiales, formados por tres acelerómetros miniatura incorporados en la misma carcasa y orientados según la dirección de los ejes coordenados. Utilizan medio puente y son no amortiguados. También tienen los terminales al aire y es posible la sustitución de cualquiera de los acelerómetros que forman el conjunto si por algún motivo uno de ellos se deteriora. Este tipo de acelerómetro es especialmente frágil, ya que no dispone de topes de sobrerango y el peso de la carcasa hace que un pequeño golpe contra una superficie rígida pueda ser motivo de daño. Los lugares de localización habituales son: Túnel de vehículo. Maniquíes. Carros de impacto.
Sensores utilizados para ensayos de impacto. ENDEVCO 2262CA, 2262A Se trata de acelerómetros amortiguados especialmente útiles cuando es necesario aumentar el rango útil de frecuencias de medición. Aunque se trata de acelerómetros relativamente robustos, su enchufe de conexión los hace especialmente delicados y no es conveniente una asidua manipulación. Se localizan en péndulos de impacto, así como sleds, siendo su acelerómetro principal. El rango oscila entre los 200 y 2000g. Los 2262CA tienen dos resistencias activas, mientras que los 2262A tienen las cuatro resistencias activas.
Sensores utilizados para ensayos de impacto. CELULAS DE CARGA MODELOS Y MARCAS ESPECIFICAS UTILIZADAS EN ENSAYOS DE IMPACTO. La gran mayoría de las células de carga son utilizadas en los maniquíes de impacto, con el fin de medir las reacciones existentes en puntos clave, como el cuello, la columna vertebral o los miembros inferiores. Estas células son altamente especializadas, debido a que es necesario suplir de manera biofiel la parte del cuerpo concreta, con forma, tamaño y peso. Existen además, otras células utilizadas en ensayos de impacto y colocadas en estructuras para medir las reacciones entre diferentes elementos. CÉLULAS PARA DUMMIES Debido al gran numero y especialización de las mismas, únicamente se mostrarán algunos diseños, sin entrar en más detalles, además de incluir la denominación general de las existentes en la sección impacto.
Sensores utilizados para ensayos de impacto. Hybrid III: Clavícula - Upper neck. - Lower neck. - Clavícula. - Torácica. - Lumbar. - Upper & lower femur. - Lower femur. - Knee klevis. - Upper & lower tibia.0 Lower neck Lumbar Eurosid 2: - Upper neck. - Lower neck. - Hombro - Torácica.T-12 - Lumbar. - Back plate. - Upper femur. - Pubis. - Abdomen. Tibias
Sensores utilizados para ensayos de impacto. CÉLULAS DE ANCLAJE DE ASIENTO Son células de carga para medida de fuerza en tres ejes ortogonales, especialmente diseñadas para medir las fuerzas de reacción existentes en el anclaje de los asientos. Su amplio rango (50KN por eje) y reducido tamaño las hacen muy útiles en cualquier otra aplicación. CÉLULAS DE COLUMNA DE DIRECCIÓN Está especialmente diseñada para medir fuerzas y momentos en la separación entre la columna de dirección y el volante. CÉLULA DE CINTURÓN DE SEGURIDAD Son utilizadas para medir la tensión de la correa del cinturón de seguridad sometido a la carga del cuerpo del maniquí en el impacto
Sensores utilizados para ensayos de impacto. SENSORES DE DESPLAZAMIENTO MODELOS Y MARCAS ESPECIFICAS UTILIZADAS EN ENSAYOS DE IMPACTO La sección de impacto utiliza varios tipos de potenciómetros, cuyo funcionamiento es muy similar, dependiendo sus características de la aplicación a la que van a ir destinados POTENCIÓMETRO DE HILO ASM WS10 Es un potenciómetro de propósito general que consta de una carcasa en cuyo interior se encuentra un cable de acero enrollado a un tambor que le mantiene continuamente tensando. La salida del potenciómetro es directamente proporcional a la longitud del cable desenrollada. Es un sensor de medio puente alimentado a 2.5V y el rango típico es de 750mm. Una de sus aplicaciones más habituales es la de medir el desplazamiento de la correa del cinturón de seguridad. La carcasa se coloca fija a la carrocería (sobre el pilar B) y el cable de acero se engancha a la parte vertical del cinturón (entre el carrete y el reenvío). En otras ocasiones se utiliza para medir el desplazamiento de la columna de dirección en el proceso de colapso.
Sensores utilizados para ensayos de impacto. POTENCIÓMETRO DE VARILLA NOVOTECHNICK Dependiendo de la aplicación, a veces es más conveniente utilizar potenciómetros de varilla como los de la figura para realizar mediciones de desplazamiento. En muchas ocasiones su utilización depende del rango de medida necesario, del espacio disponible para su anclaje, etc. MEDIDA DE DESPLAZAMIENTO EN DUMMIES Los maniquíes de impacto incorporan medida de desplazamiento en tórax y rodillas. Lo que se mide es el desplazamiento del esternón respecto a la columna vertebral ocasionado por la compresión que ejerce el cinturón de seguridad sobre el tórax. A su vez también es posible medir cómo se desplaza la tibia respecto al fémur a la altura de la rodilla cuando el salpicadero golpea los miembros inferiores del maniquí. Las figuras siguientes muestran los potenciómetros
Sensores utilizados para ensayos de impacto. SENSORES DE VELOCIDAD ANGULAR, MODELOS Y MARCAS ESPECIFICAS UTILIZADAS EN ENSAYOS DE IMPACTO Existe un tipo especial de sensores capaz de medir velocidad angular. Su funcionamiento no se basa en los principios de los sensores vistos anteriormente (piezorresistivos) sino en efectos magnetohidráulicos. Esta tecnología se basa en la generación de una fuerza electromotriz (fem) cuando el fluido conductor (mercurio) gira respecto a la carcasa exterior del sensor en presencia de un campo magnético permanente perpendicular al vector velocidad. Así, la salida del sensor (mv) es directamente proporcional a la velocidad de giro del mismo. Sensor de velocidad angular ATA ARS-01