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Sensores
en el automóvil
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Sensores de posición (recorrido/posición angular)
Potenciómetro de plato sonda
Aplicación
Un potenciómetro (posición 6b esquema inferior) detecta la posición
(ángulo de giro) del plato sonda en el caudalimetro (6) del sistema de
inyección electromecánico de gasolina KE-Jetronic. El movimiento
de este plato sonda, que sólo sufre un retardo insignificante en relación
con el movimiento de la mariposa, determina la velocidad de aceleración.
Esta señal, que corresponde a la variación de la cantidad de aire
aspirado en función del tiempo (o sea, aproximadamente a la potencia
del motor), la suministra el potenciómetro del plato sonda a la unidad
electrónica de control, que activa el actuador de presión electrohidráulico.
En función del estado de funcionamiento del motor y de la señal
de corriente condicionada por la unidad de control, el actuador de presión
varía a su vez la presión en las cámaras de depresión
de las válvulas de presión diferencial del distribuidor dosificador
de combustible y, con ello, el caudal de combustible dosificado para las válvulas
de inyección.
Estructura y funcionamiento
El potenciómetro de la sonda volumétrica de aire (figura inferior)
está construido según la técnica multicapa sobre un substrato
cerámico (5). Se trata de un sensor angular potenciométrico que
aprovecha para la medición la proporcionalidad existente entre la longitud
de una resistencia de capas (pista conductora) y su valor óhmico. La
curva característica del potenciómetro no es lineal, a causa de
la variación del ancho de la pista. Por ello la señal de aceleración
presenta su amplitud máxima en el caso de un movimiento partiendo de
la posición de ralentí. Ella disminuye a medida que aumenta la
potencia del motor.
Un cursor de escobilla se desliza sobre la pista del potenciómetro. La
escobilla se compone de varios alambres muy finos soldados a una palanca. Los
diversos alambres ejercen una presión reducida sobre la pista resistiva,
siendo el desgaste por tanto extremamente bajo. Merced al gran número
de finos alambres, el cursor garantiza un buen contacto eléctrico incluso
en caso de ser rugosa la superficie de la pista y de producirse movimientos
muy rápidos. La palanca del cursor (3) está sujeta al eje de la
palanca (4) del plato sonda. Ella está aislada eléctricamente
de este eje. La tensión del cursor la toma un segundo cursor de escobilla,
que está unido eléctricamente con el cursor principal.
El cursor puede salir hasta más allá del campo de medición
por ambos lados, estando descartado por tanto un deterioro en caso de reflujos
repentinos de la corriente de aire en el tubo de admisión. Una resistencia
eléctrica fija, realizada asimismo en técnica multicapa, está
conectada en serie al cursor para proteger el potenciómetro contra cortocircuitos.
Sensor de mariposa
Aplicación
Este sensor detecta el ángulo de giro de la mariposa de aire del motor
de gasolina. Los motores equipados con el sistema monopunto (Mono Motronic)
disponen así de una señal de carga secundaria que es utilizada
entre otras cosas como información adicional para funciones dinámicas,
para identificar el régimen de funcionamiento (ralentí, carga
parcial, plena carga) y como señal de marcha de emergencia en caso de
fallar el sensor de carga principal (medidor de masa de aire). Para el empleo
del sensor de mariposa como sensor de carga principal se consigue la precisión
necesaria mediante dos potenciómetros para dos campos angulares.
El par motor exigido lo ajusta el sistema Mono Motronic mediante la mariposa
de aire. Para comprobar si la mariposa ocupa la posición calculada, un
sensor adecuado evalúa la posición de la mariposa (regulación
de la posición). Para asegurar el funcionamiento, este sensor posee dos
potenciómetros que trabajan en paralelo (redundancia) y con tensión
de referencia separada.
Estructura
y funcionamiento
El sensor de mariposa es un sensor angular potenciométrico de una (o
dos) curva(s) características lineales.
Los cursores fijados en el brazo detector sujeto al árbol de la mariposa
se deslizan a lo largo de las pistas resistivas correspondientes. El ángulo
de giro de la mariposa es convertido así en una relación de tensiones
UA/Uv proporcional a este ángulo, siendo la tensión
de funcionamiento Uv = 5 V. La conexión del cursor se efectúa
generalmente a través de una segunda pista de contacto de igual superficie,
que tiene debajo una capa de material conductor de baja impedancia.
Como protección contra sobrecargas, está aplicada la tensión a la pista de medición a través de pequeñas resistencias en serie (también para el calibrado del punto cero y de la inclinación de la característica), ver en la figura inferior. Una variación del ancho de la pista de medición (incluso en secciones) repercute en la forma de la curva característica.
Sensores de anillos de cortocircuito semidiferencial
Aplicación
Los sensores de anillos de cortocircuito semidiferencial (sensores inductivos)
son sensores de posición para la detección de recorridos o ángulos.
Estos sensores, llamados también transmisores de cortocircuito semidiferencial,
son muy precisos y robustos. Se emplean como:
Estructura y funcionamiento
Los sensores (figuras inferiores) consisten en un núcleo de hierro dulce
chapeado (formado por chapas). En sendos brazos del núcleo hay fijadas
una bobina de medición y una bobina de referencia.
Cuando fluye corriente alterna a través de las bobinas procedente de
la unidad de control, se generan campos magnéticos alternativos. Los
anillos de cortocircuito de cobre que encierran el brazo respectivo del núcleo
de hierro dulce protegen estos campos magnéticos. El anillo de cortocircuito
de referencia está fijo, mientras que el anillo de cortocircuito de medición
está sujeto a la varilla de regulación o al árbol de la
corredera de regulación (recorrido de regulación "s"
o ángulo de variación "a").
Con el desplazamiento del
anillo de medición se modifica el flujo magnético y con él
la tensión en la bobina, ya que la unidad de control mantiene la corriente
constante (corriente aplicada).
Un circuito de evaluación conforma la relación entre tensión
de salida UA y tensión de referencia URef.
Esta relación es proporcional a la desviación del anillo de medición
y puede ser evaluada por la unidad de control. La pendiente de esta curva característica
se puede ajustar combando el anillo de referencia, y el punto cero, mediante
la posición normal del anillo de medición.
En la figura inferior
tenemos un ejemplo de la aplicación de este tipo de sensores:
El sensor de posición en las bombas electrónicas rotativas de inyección
Diesel es un transductor inductivo sin contactos, conocido como HDK o anillo
semidiferencial. Esta constituido por una bobina circundada por un núcleo de
hierro móvil, que se encuentra unido al eje del servomotor.
Al lado del sensor de posición se encuentra el sensor de temperatura
de combustible dentro de la bomba de inyección.
Sensor de nivel de combustible
Aplicación
La tarea de este sensor es detectar el nivel actual de llenado del depósito
de combustible y transmitir una señal correspondiente a la unidad de
control y/o al instrumento indicador en el cuadro de instrumentos del vehículo.
Junto con la electrobomba de combustible, el filtro de combustible, etc., este
sensor constituye una parte integrante de las unidades que están montadas
en los depósitos de gasolina o gasóleo y aseguran la alimentación
fiable del motor.
Estructura
El sensor de nivel (figura inferior) consta de un potenciómetro encapsulado
estanco al combustible y conectado en forma de resistencia variable, un brazo
cursor (resorte cursor), conductores impresos (contacto doble), una placa portarresistencias
y conexiones eléctricas. La palanca en cuyo extremo se encuentra el flotador
(orientable o fijo, en función de la aplicación) de nitrófilo
resistente al combustible, está fijada en el eje giratorio (pivote) del
potenciómetro y, por tanto, también en el resorte cursor. El diseño
de la placa portarresistencias y la forma del flotador y de su palanca están
adaptados a la conformación respectiva del depósito de combustible.
Funcionamiento
:Al variar el nivel de combustible, el brazo detector, fijamente unido a través
del pivote con la palanca del flotador, se desliza con sus cursores especiales
(remaches chapeados para contactos) a lo largo de las pistas resistivas del
potenciómetro doble. Entonces transforma el ángulo de giro del
flotador en una relación de tensiones proporcional al ángulo.
Unos topes de fin de carrera limitan el margen ángular de 100° para
los niveles mínimo y máximo.
La tensión de funcionamiento es de 5...13 V.
Sensores de pedal acelerador
Aplicación
El deseo de aceleración, de marcha constante o de reducir la velocidad
lo manifiesta el conductor en un motor de mando convencional accionando con
el pedal acelerador la válvula de mariposa del motor de gasolina o la
bomba de inyección del motor Diesel, mecánicamente a través
de un cable o un varillaje.
Cuando el motor está equipado con un sistema de mando electrónico,
un sensor de pedal acelerador (también llamado transmisor de posición
del pedal) realiza la función de la unión mecánica. El
detecta el recorrido o la posición angular del pedal y lo transmite eléctricamente
a la unidad de control del motor.
Como alternativa al sensor individual (figura inferior posición "a") existen también módulos de acelerador (b, c) como unidades listas para el montaje, compuestas de pedal y sensor en el mismo conjunto. Estos módulos no requieren trabajos de ajuste en el vehículo.
Estructura y funcionamiento
Sensor potenciométrico
de pedal acelerador
Su componente principal es un potenciómetro en el que se ajusta una tensión
en función de la posición del acelerador. Con ayuda de una curva
característica de sensor almacenada, la unidad de control convierte esta
tensión en el recorrido relativo o posición angular del acelerador.
Para fines de diagnosis y para el caso de un funcionamiento irregular hay integrado
un sensor redundante (doble). Este es parte integrante del sistema de control.
Una versión del sensor trabaja con un segundo potenciómetro que
en todos los puntos de servicio suministra siempre la mitad de la tensión
del primer potenciómetro, a fin de recibir dos señales independientes
para la identificación de defectos (figura inferior). Otra versión
trabaja, en lugar del segundo potenciómetro, con un interruptor de ralentí
que señala a la unidad de control la posición de ralentí
del pedal acelerador. Para vehículos con cambio automático, un
interruptor adicional puede generar una señal eléctrica de sobregás.
Sensores
de ángulo Hall
El sensor de ángulo Hall del tipo ARS1 (Angle of Rotation Sensor) está
derivado del principio básico de "imán móvil".
Tiene un alcance de medición de aproximadamente. 90°.
El flujo magnético de un rotor (figura inferior, pos. 1), constituido
por un disco semicircular de magnetismo remanente, es reconducido al rotor a
través de una zapata polar (2), pieza conductora (3) y el eje (6). Según
la posición angular (a), el flujo es conducido en mayor o menor medida
a través de los dos conductos de flujo (pieza conductora) en cuyo circuito
magnético se encuentra también el sensor Hall (5). Así
se consigue una característica considerablemente lineal en el campo de
medición.
Sensores de ángulo del volante de dirección
Aplicación
El control electrónico de la estabilidad (ESP) tiene por función
mantener el vehículo en la trayectoria prescrita por el conductor mediante
intervenciones apropiadas en los frenos. Para ello, una unidad de control compara
el ángulo de giro ajustado al volante y la presión de frenado
deseada con el movimiento de giro y la velocidad efectivos del vehículo,
efectuando en caso necesario un frenado selectivo de las ruedas. De este modo
se consigue un "ángulo de deriva" (desviación de la
trayectoria en relación con el eje longitudinal del vehículo)
pequeño y se impide un derrape hasta los límites fijados por la
física.
Para la detección del ángulo del volante son apropiados en principio
todos los tipos de sensores angulares. Sin embargo, con objeto de garantizar
la seguridad se requieren versiones cuya plausibilidad se pueda comprobar fácilmente
o que, mejor aún, posean una función de autocontrol. Se utilizan
potenciómetros, detectores ópticos de código y sistemas
magnéticos. En la mayoría de sensores utilizados es necesario
sin embargo registrar y memorizar constantemente la posición actual del
volante, ya que los sensores angulares usuales pueden medir como máximo
360°, mientras que un volante de turismo puede describir en cambio un ángulo
de ±720° (cuatro vueltas en total).
Estructura
y funcionamiento
Existen dos sensores angulares magnéticos de medición absoluta
adaptados a unidades de control Bosch, que (al contrario de los sensores de
medición incremental) pueden detectar en todo momento el ángulo
de giro del volante en todo el campo angular que alcanza éste.
Sensor Hall
de ángulo de giro del volante LWS1
El sensor del tipo LWS1 detecta mediante 14 "barreras Hall" la posición
angular y el número de vueltas del volante. El funcionamiento de una
barrera Hall es semejante al de una barrera de luz; un elemento Hall mide el
campo generado por un imán vecino, campo que puede ser fuertemente debilitado
o tapado por un disco metálico de codificación. La utilización
de nueve circuitos integrados Hall permite obtener una información digital
sobre el ángulo del volante. Los otros cinco sensores Hall restantes
registran el número de vueltas, que es transmitido por medio de un engranaje
en relación 4:1 dentro del campo unívoco de 360°.
La representación en despiece del sensor de ángulo del volante
LWS1 (figura 1) muestra arriba los nueve imanes que son tapados, cada uno por
separado según la posición del volante, por el disco magnético
dulce de codificación dispuesto debajo. Sobre la placa de circuitos impresos
que sigue inmediatamente al disco de codificación se encuentran interruptores
Hall (C.I.) y un microprocesador en el que se desarrollan pruebas de plausibilidad
(valores dentro de lo posible) y se descodifica la información angular,
siendo preparada para el bus CAN. En la parte inferior siguen el engranaje reductor
y las otras cinco barreras Hall.
El gran número de elementos sensores, así como la equidistancia
necesaria en la disposición de los imanes que han de estar alineados
con los circuitos integrados Hall, ha conducido a la sustitución progresiva
del tipo LWS1 por el LWS3.
Sensor magnetorresistivo
de ángulo del volante LWS3
También el sensor de ángulo del volante LWS3 funciona con sensores
AMR (Anisotrop Magneto resistive), cuya resistencia eléctrica varía
en función del sentido de un campo magnético externo. La formación
angular sobre un campo de cuatro vueltas completas del volante resulta de la
medición de las posiciones angulares de dos ruedas dentadas que acciona
una corona dentada fijada en el árbol de la dirección. Las dos
ruedas dentadas diferencian por tener una de ellas un diente de mas, lo que
permite asignar a cada posición posible del volante un par de valores
de ángulo unívocamente definido.
Un algoritmo matemático (operación de calculo que se desarrolla
según un esquema determinado), calificado como principio de vernier modificado
permite a un microprocesador calcular el ángulo del volante, pudiéndose
corregir incluso imprecisiones de medición de los dos sensores AMR. Adicionalmente
existe la posibilidad de un autocontrol, de manera que a través de la
salida CAN se puede transmitir un valor de medición muy plausible a la
unidad de control.
En la figura
inferior se muestra la estructura esquemática del sensor de ángulo
del volante LWS3. Se pueden distinguir las dos ruedas dentadas, en las que hay
imanes integrados. Encima están dispuestos los
sensores y la electrónica de evaluación.
Sensores de eje
Aplicación
Con ayuda de la regulación automática del alcance de las luces
se corrige el enfoque de los faros del vehículo. Estando conectada la
luz de cruce se regula la inclinación del automóvil, de manera
que se pueda disponer de una visibilidad suficiente al volante sin peligro de
deslumbrar a los conductores que circulan en sentido contrario. El sistema de
regulación estático corrige la inclinación del vehículo
ocasionada por la carga del vehículo. El sistema de regulación
dinámico corrige adicionalmente los movimientos de cabeceo del vehículo
ocasionados por las aceleraciones y los frenados (dinámica de marcha).
Los sensores de eje detectan muy exactamente el ángulo de inclinación
de la carrocería.
Estructura
y funcionamiento
La medición de la inclinación del vehículo se efectúa
por medio de sensores de eje (sensores de ángulo de giro), montados en
las partes delantera y trasera de la carrocería. Mediante una palanca
giratoria unida a través de una biela con el respectivo eje del vehículo
o suspensión de rueda, se mide la compresión de los elementos
de suspensión que se produce. La inclinación del vehículo
se calcula luego partiendo de la diferencia de tensión entre los sensores
de los ejes delantero y trasero.
El funcionamiento de los sensores de eje (figura inferior) se basa en el principio
del efecto Hall. En el estator (5) hay integrado un C.I. Hall, que se encuentra
dentro de un campo magnético homogéneo. El campo magnético
produce en el C.I. una tensión Hall que es proporcional a este campo.
Al girarse los imanes anulares (6) con el árbol (2) se produce una variación
del campo magnético que atraviesa el C.I. Hall.
En función
de la compresión de los elementos de suspensión por la carga y/o
las aceleraciones, la biela (figura inferior, pos. 4) transmite el valor correspondiente
a la palanca giratoria del sensor de eje, que lo convierte en una señal
de tensión eléctrica proporcional al ángulo de giro.
La unidad de control detecta las señales de los sensores de eje, evalúa
la diferencia entre el eje delantero y el eje trasero y calcula el valor teórico
para la posición de los servomotores, teniendo en cuenta la velocidad
de marcha. En marcha constante, la regulación dinámica del alcance
de las luces permanece en el modo de gran amortiguación. Los motores
paso a paso son adaptados sólo lentamente a la inclinación del
vehículo, para evitar que ondulaciones o baches de la calzada ocasionen
correcciones constantes del alcance de los faros. En las aceleraciones o frenados
se conecta inmediatamente el modo dinámico. En pocas milésimas
de segundo asegura la adaptación del alcance de las luces. A continuación
el sistema conecta de nuevo automáticamente al modo de amortiguación
lenta.
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