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Sensores
en el automóvil
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Sensores de velocidad de rotación/velocidad lineal
Sensores de revoluciones
inductivos
Aplicación
Los sensores de revoluciones del motor (sensores de barra), también llamados
transmisores de revoluciones o r.p.m, se emplean para:
El número de revoluciones se calcula mediante el intervalo de tiempo entre las señales del sensor. La señal de este sensor es una de las magnitudes más importantes del control electrónico del motor.
Estructura y funcionamiento
El sensor está montado (separado por un entrehierro) directamente frente
a una rueda de impulsos ferromagnética (figura inferior, pos. 5). Contiene
un núcleo de hierro dulce (espiga polar) (3) rodeado por un devanado
(4). La espiga polar comunica con un imán permanente (1). Hay un campo
magnético que se extiende sobre la espiga polar y penetra en la rueda
de impulsos (5). El flujo magnético a través de la bobina depende
de si delante del sensor se encuentra un hueco o un diente de la rueda de impulsos.
Un diente concentra el flujo de dispersión del imán. Se produce
una intensificación del flujo útil a través de la bobina.
Por contra, un hueco debilita el flujo magnético. Estos cambios en el
flujo magnético inducen en la bobina una tensión sinusoidal de
salida que es proporcional a la velocidad de las variaciones y, por tanto, al
número de revoluciones (figura 2). La amplitud de la tensión alterna
crece intensamente a medida que aumenta el número de revoluciones (pocos
mV... >100 V). Existe una amplitud suficiente a partir de un número
mínimo de 30 revoluciones por minuto.
El número de dientes
de la rueda de impulsos depende de la aplicación. Los motores con sistemas
de gestión por electroválvulas tienen ruedas de impulsos con división
60, existiendo en ellas un hueco correspondiente a dos dientes (5). Esto quiere
decir que la rueda tiene 60 - 2 = 58 dientes. El hueco por dientes faltantes
especialmente grande es una marca de referencia y está asignado a una
posición definida del cigüeñal. Sirve para la sincronización
de la unidad de control.
Otra ejecución de la rueda de impulsos lleva un diente por cilindro en
el perímetro. Si el motor es de cuatro cilindros p.ej. hay cuatro dientes;
por tanto, por cada vuelta se producen cuatro impulsos.
Los dientes y la espiga polar han de estar ajustados entre sí en su geometría.
El circuito de evaluación en la unidad de control convierte la tensión
sinusoidal de amplitud muy diferenciada en una tensión rectangular de
amplitud constante. Esta señal se evalúa en el microcontrolador
de la unidad de control.
Sensores
de revoluciones y sensores de ángulo de giro
Aplicación
Estos sensores están montados en las bombas rotativas de inyección
Diesel de mando por electroválvula de alta presión. Su señal
se emplea para:
El número de revoluciones
actual de la bomba es una de las magnitudes de entrada para la unidad de control
de ésta. La unidad determina así el tiempo de activación
de la válvula de alta presión y, dado el caso, de la válvula
del variador de avance.
El tiempo de activación de la válvula de alta presión es
necesario para adaptar el caudal de inyección teórico a las condiciones
de servicio presentes en ese momento. La posición del ángulo en
el instante determina los momentos de activación para la válvula
de alta presión. Sólo con una activación correcta respecto
al ángulo se garantiza que tanto el cierre como la apertura de la válvula
de :alta presión tengan lugar en la carrera de leva correspondiente.
La activación exacta asegura el comienzo y el caudal de inyección
correctos.
La posición necesaria para la regulación del variador del avance
se determina comparando las señales del sensor de revoluciones del cigüeñal
con las del sensor del ángulo de giro.
Estructura y funcionamiento
El sensor de revoluciones o sensor de ángulo de giro explora un disco-rueda
de impulsos que tiene 120 dientes y está montado sobre el eje de accionamiento
de la bomba rotativa. El disco-rueda tiene (repartidos uniformemente en su perímetro)
huecos entre dientes, cuyo número corresponde al número de cilindros
del motor.
El sensor empleado es un sensor doble diferencial de células resistivas.
Estas son resistencias de semiconductor mandadas por campo magnético;
su estructura es similar a la de los sensores Hall. Las cuatro resistencias
del sensor doble diferencial están conectadas eléctricamente como
puente integral.
El sensor tiene un imán permanente cuya cara polar dirigida al disco-rueda
de impulsos es homogeneizada por una delgada plaquita ferromagnética.
Sobre ella están fijas las cuatro magnetorresistencias a media distancia
de la existente entre dientes. De este modo se encuentran siempre alternadas
dos resistencias frente a huecos y dos frente a dientes. Las células
magnetorresistivas para automóviles soportan temperaturas de hasta <
170 °C (por breve período <200 °C).
Sensores
de fase Hall
Aplicación
El árbol de levas está desmultiplicado en una relación
de 1:2 respecto al cigüeñal. Su posición indica si un pistón
del motor que se mueve hacia el punto muerto superior se encuentra en el tiempo
de compresión o en el de escape. El sensor de fase junto al árbol
de levas (también llamado transmisor de fase) suministra esta información
a la unidad de control.
Estructura
y funcionamiento
Sensores de barra Hall
Los sensores de barra Hall (figura 2 a) aprovechan el efecto Hall: con el árbol
de levas gira un rotor (pos. 7, rueda de impulsos con dientes, segmentos o un
diafragma con aberturas) de material ferromagnetico El circuito integrado Hall
(6) se encuentra entre el rotor y un imán permanente (5) que proporciona
un campo magnético perpendicular al elemento Hall.
Cuando pasa un diente (Z) por delante del elemento sensor atravesado por corriente
(plaquita de semiconductor) del sensor de barra, varía él la intensidad
del campo magnético perpendicularmente al elemento Hall. Por tanto, los
electrones impulsados por el componente longitudinal de una tensión aplicada
al elemento son desviados en mayor grado perpendicularmente al sentido de la
corriente (figura 1, ángulo "a").
De este modo se genera una
señal de tensión (tensión Hall), en un margen de milivoltios,
independiente de la velocidad relativa entre el sensor y la rueda de impulsos.
El sistema electrónico evaluador incorporado en el circuito integrado
Hall del sensor prepara la señal y la entrega como una señal de
salida rectangular.
Sensores
de barra Hall diferenciales
Los sensores de barra que trabajan según el principio diferencial disponen
de dos elementos Hall desplazados en los sentidos radial y axial en el espacio
(figura inferior, SI y S2). Éstos suministran una señal de salida
proporcional a la diferencia de la densidad de flujo entre los dos puntos de
medición. Para ello es necesario, sin embargo, un "diafragma con
aberturas" de doble vía o una "rueda de impulsos de doble vía"
para poder generar una señal opuesta en ambos elementos Hall.
Estos sensores se emplean cuando las exigencias de precisión son muy
elevadas. Constituyen otras ventajas el mayor entrehierro y una buena compensación
de la temperatura.
Sensores
de velocidad de giro de las ruedas
Aplicaciones
De las señales de los sensores de velocidad de giro de las ruedas las
unidades de control de los sistemas ABS, ASR y ESP derivan la velocidad de rotación
de las ruedas (número de vueltas), para impedir el bloqueo o el patinaje
de las ruedas y asegurar así la estabilidad y dirigibilidad del vehículo.
A partir de estas señales, los sistemas de navegación calculan
la distancia recorrida.
Estructura
y funcionamiento
Sensor de velocidad de rotación pasivo (inductivo) La espiga polar del
sensor inductivo de velocidad de rotación, que está rodeada de
un arrollamiento, se encuentra directamente sobre la corona generadora de impulsos,
fijamente unida con el cubo de rueda. La espiga polar de magnetismo dulce está
unida con un imán permanente, cuyo campo magnético llega hasta
la corona generadora de impulsos, penetrando en ella. A causa de la alternancia
permanente entre los dientes y los entredientes, el giro de la rueda ocasiona
la variación del flujo magnético dentro de la espiga polar y,
por consiguiente, también dentro del arrollamiento que la rodea. La variación
del campo magnético induce en el arrollamiento una tensión alterna,
que se toma en cada extremo del bobinado.
Tanto la frecuencia como la amplitud de la tensión alterna son proporcionales
a la velocidad de giro de la rueda. Cuando la rueda está parada, la tensión
inducida es igual a cero. La velocidad mínima mensurable depende de la
forma de los dientes, del entrehierro, de la pendiente de la subida de tensión
y de la sensibilidad de entrada de la unidad de control; partiendo de este parámetro
se puede conocer la velocidad mínima de conexión alcanzable para
la aplicación del ABS.
El sensor de velocidad de giro y la rueda de impulsión están separados
por un entrehierro de aprox. 1 mm con estrechas tolerancias, para garantizar
una detección eficaz de las señales. Además, una fijación
firme del sensor de velocidad de giro impide que sus señales sean alteradas
por vibraciones procedentes del freno de rueda.
Como las condiciones de montaje en la zona de la rueda no son siempre idénticas,
existen diferentes formas de la espiga polar y distintos modos de montaje. La
más difundida es la espiga polar en forma de cincel (llamada también
polo plano, figura inferior a) para montaje radial, perpendicular a la corona
generadora de impulsos. La espiga polar en forma de rombo (llamada también
polo en cruz, figura inferior b), para montaje axial, se encuentra en posición
radial respecto a la corona generadora de impulsos. Los dos tipos de espiga
polar han de estar exactamente ajustados a la corona generadora de impulsos
en su montaje. La espiga polar redonda (figura inferior c) no exige una alineación
exacta con la corona generadora de impulsos; ésta, sin embargo, ha de
tener un diámetro suficientemente grande o un número reducido
de dientes.
Sensores
tacométricos de cajas de cambios
Aplicación
Los sensores tacométricos RS (Rotational Speed Sensor) detectan la velocidad
de rotación en cambios de marchas automáticos, semiautomáticos
y de variación continua (CVT). Para esta utilización, los sensores
son por su concepción resistentes a los aceites ATF para transmisiones
automáticas. El "concepto de compactación" prevé
la integración en el módulo de mando del cambio de marchas o en
versión independiente. La tensión de alimentación Uv se
encuentra entre 4,5 y 16,5 V y el margen de temperaturas de funcionamiento alcanza
de -40 a +150°C.
Estructura
y funcionamiento
El sensor tacométrico activo posee un C.I. de efecto Hall diferencial
y un interface de corriente bifilar. Para el funcionamiento ha de ser conectado
a una fuente de tensión (tensión de alimentación Uv. El
sensor puede detectar la señal de velocidad de rotación generada
por ruedas dentadas y discos de chapa ferromagnéticos o por coronas multipolares
(entrehierro entre 0,1 y 2,5 mm); aprovecha el efecto Hall y suministra una
señal de amplitud constante, independiente de la velocidad de rotación.
Eso hace posible una detección de velocidades de rotación de hasta
casi n = 0. Para la entrega de la señal se modula la corriente de alimentación
en el ritmo de la señal incremental. La modulación de la corriente
(baja: 7 mA, alta: 14 mA) es convertida luego mediante una resistencia de medición
RM integrada en la unidad de control en una tensión
de señal URM (figura inferior).
Existen dos versiones de sensores tacométricos de cajas de cambios:
Portainyector
con sensor de movimiento de aguja
Aplicación
El comienzo de inyección es una magnitud característica importante
para el funcionamiento óptimo de los motores Diesel. Su detección
hace posible p.ej. una variación del avance de inyección en función
de la carga y del número de revoluciones en el circuito de regulación
cerrado. Sirve para ello en las bombas rotativas o en línea un portainyector
con sensor de movimiento de aguja (figura inferior) que suministra una señal
cuando se levanta la aguja del inyector.
Estructura
y funcionamiento
El perno de presión prolongado, de magnetismo permanente (12), penetra
en la bobina (11). La profundidad de penetración (longitud de recubrimiento
"X") determina el flujo magnético en la bobina. Un movimiento
de la aguja del inyector induce, con la variación del flujo magnético
en la bobina, una señal de tensión dependiente de la velocidad
que es procesada directamente en un circuito de evaluación en la unidad
de control. La superación de una tensión umbral le sirve al circuito
de evaluación como señal para el comienzo de inyección.
Sensor inductivo
para encendido transistorizado
Aplicación
Este sensor inductivo es un disparador de impulsos para el encendido transistorizado
TZ-I.
Representa un generador eléctrico de corriente alterna. El punto de conexión
del ángulo de cierre se determina por comparación de la señal
de tensión alterna del sensor con una señal de tensión
correspondiente al tiempo de regulación de la corriente.
Estructura
El sensor inductivo está alojado en la caja del distribuidor de encendido,
en el lugar que ocupaba el anterior ruptor convencional
El núcleo magnético dulce del arrollamiento de inducción
tiene la forma de un disco, llamado "disco polar". El imán
permanente, el arrollamiento de inducción y el núcleo del sensor
inductivo forman una unidad compacta, el "estator".
Frente a esta unidad gira la rueda generadora de impulsos, fijamente unida al
árbol del distribuidor y llamada "rotor". El rotor (comparable
a la leva de encendido del ruptor) está fijado sobre el árbol
hueco que rodea el árbol del distribuidor.
El núcleo y el rotor son de acero magnético dulce; tienen prolongaciones
en forma de dientes (dientes del estator y del rotor): El disco polar (núcleo)
tiene p. ej. en el lado exterior dientes estatóricos doblados en ángulo
recto hacia arriba.
Conforme a ello, el rotor tiene dientes doblados hacia abajo.
El número de dientes del rotor y del disco polar corresponde generalmente
al número de cilindros del motor. Cuando están frente a frente,
los dientes fijos y los dientes móviles están distanciados unos
de otros aproximadamente 0,5 mm.
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Funcionamiento
El principio de funcionamiento se basa en el hecho de que el entrehierro entre
los dientes del rotor y del estator varía periódicamente al girar
el rotor. Con él varía el flujo magnético. La variación
del flujo induce una tensión alterna en el arrollamiento de inducción.
La tensión de cresta ± Us es entonces proporcional a la velocidad
de rotación: aprox. 0,5 V a baja velocidad y aprox. 100 V a alta velocidad.
La frecuencia de esta tensión alterna corresponde al número de
chispas de encendido por minuto,
Sensor
Hall para encendido transistorizado
Aplicación
Este sensor Hall es un disparador de impulsos para el encendido transistorizado
TZ-H. La señal de esta "barrera Hall" integrada en el distribuidor
de encendido corresponde, en su contenido de informaciones, a la señal
del encendido convencional por bobina y mando por contactos: mientras que el
ruptor del encendido en el distribuidor determina el ángulo de cierre
con la ayuda de la leva de encendido, el sensor Hall en el distribuidor prefija
la relación cíclica de impulsos mediante su rotor de pantallas.
Estructura
El sensor Hall (figura inferior) está integrado en el distribuidor de
encendido. Su barrera magnética está montada sobre la placa soporte
móvil. El C. I. Hall se encuentra sobre un soporte cerámico; el
circuito y una de sus piezas conductoras están rodeados de plástico
fundido, como medida de protección contra la humedad, la suciedad y daños
de orden mecánico. Las piezas conductoras y el rotor de pantallas son
de material magnético dulce. El número de pantallas es igual al
número de cilindros. El ancho "b" de cada pantalla puede determinar,
según el módulo electrónico utilizado, el ángulo
de cierre máximo de este sistema de encendido. Por ello, el ángulo
de cierre permanece prácticamente constante durante toda la vida útil
del sensor Hall; por tanto, no es necesario ya un ajuste del ángulo de
encendido.
Funcionamiento
Cuando gira el árbol del distribuidor, las pantallas del rotor pasan
sin contacto por el entrehierro de la barrera Hall; cuando el entrehierro está
libre, el C.I. Hall incorporado y el elemento sensor Hall son atravesados por
el campo magnético. El flujo magnético incide en el elemento sensor
Hall y la tensión Hall alcanza su valor máximo. El C.I. Hall está
activado. Tan pronto como una de las pantallas entra en el entrehierro, la mayor
parte del flujo magnético se dispersa en la pantalla y es mantenido alejado
así del C.I. La densidad del flujo desaparece del elemento sensor Hall,
excepto un pequeño resto procedente del campo de dispersión. La
tensión Hall alcanza un mínimo. La forma de la pantalla del rotor
determina el ángulo de cierre por generación inmediata de una
tensión de rampa a partir de la tensión de la señal í/s
(tensión Hall convertida, figura 2); sobre esta tensión de rampa
se desplaza el punto de activación del ángulo de cierre. El principio
de trabajo y la forma de construcción del sensor Hall permiten un ajuste
del encendido estando el motor parado, siempre que no se haya previsto ninguna
desconexión de la corriente de reposo.
Sensores
de convolución (viraje) piezoeléctricos de diapasón
Estructura
El sensor de ángulo de rotación (llamado también girómetro)
se compone de un cuerpo de acero en forma de diapasón provisto de cuatro
piezoelementos (dos en la parte inferior y dos en la parte superior, figura
1) y de una electrónica de detección.
Este sensor, insensible a perturbaciones magnéticas, efectúa mediciones
muy precisas.
Se monta bajo la columna de dirección, junto al transmisor de aceleración
transversal, en un soporte común.
Detectan en vehículos con regulación de la dinámica de
marcha (ESP) los movimientos de rotación del vehículo sobre su
eje vertical, p. ej. al recorrer curvas o en caso de desviarse de la dirección
o de patinar (derrapar). Este sensor mide la velocidad de viraje, indicado en
el equipo de autodiagnóstico como º/s (grados/segundo).
Por esta razón la posición de montaje es crítica, ya que
un mal montaje implica una señal errónea.
Está
compuesto por una electrónica de control y un sensor capaz de medir los
giros sobre el eje vertical, denominado diapasón doble. El diapasón
está construido a partir de silicio monocristalino.
Cuando el diapasón doble se torsiona bajo el efecto de los pares de viraje,
la electrónica de control detecta estas solicitaciones mecánicas
y las transforma en señales eléctricas.
Esto requiere que el transmisor sea alimentado con 5 V y masa por la unidad
de control, en tanto que la señal enviada del transmisor a la unidad
es una tensión que varía en función del par de viraje entre
0 y 5 V, dando un valor de 2’5 V cuando no hay ningún par de viraje
aplicado.
Si se analiza el diapasón doble en detalle se observa que consta de dos
diapasones simples opuestos entre sí y unidos por la base. Al diapasón
superior se le llama de excitación y al inferior, de medición.
Están diseñados de tal forma que el diapasón de excitación
entra en resonancia al alcanzar una frecuencia de 11 kHz, mientras que el diapasón
de medición tiene la frecuencia de resonancia a 11,33 kHz.
Funcionamiento
Al aplicarse una tensión, los piezoelementos inferiores comienzan a vibrar
y excitan a su vez los piezoelementos en los extremos superiores del diapasón,
haciendo que generen vibraciones de fase opuesta.
Sensores
de convolución piezoeléctricos ("vasos" oscilantes)
Aplicación
Se trata de otro modelo de sensor de viraje o de velocidad de viraje (llamados
también girómetros).
Estructura y funcionamiento
Los sensores de convolución piezoeléctricos son detectores mecánicos
de precisión. Un cilindro metálico hueco oscilatorio (9) es excitado
a oscilar y es mantenido en resonancia en sentido radial por dos cerámicas
piezoeléctricas 1-1' diametralmente opuestas fijadas en el cilindro;
un segundo par de cerámicas piezoeléctricas 2-2', dispuesto desplazado
en 90° del primero, estabiliza la oscilación a una amplitud constante,
que presenta cuatro nudos de oscilación alineados en sentido axial (desplazados
en 45° del sentido de excitación) (figuras 1 a 3).
Al girar a la velocidad de convolución (V) alrededor del eje del cilindro,
los nudos se desplazan ligeramente en la periferia por el efecto de la aceleración
de Coriolis; en esos nudos que, normalmente están libres de fuerza, aparecen
entonces unas fuerzas proporcionales a la velocidad de rotación, que
son detectadas por un tercer par de cerámicas piezoeléctricas
3-3'. Un cuarto par de excitación 4-4' y un bucle cerrado de regulación
reducen la tensión resultante a un valor de referencia Uref = 0. La magnitud
de ajuste necesaria para ello sirve, tras un esmerado filtrado por un rectificador
de sincronización de fases, como señal de salida extremamente
precisa. Mediante una encauzada variación provisional del valor teórico
a ref = O se puede comprobar fácilmente el sistema total del sensor (test
integrado). La derivación térmica de este sensor requiere la existencia
de un complejo circuito de compensación. La inevitable alteración
con el tiempo de las características del material de los elementos piezoeléctricos
obliga además a realizar un envejecimiento prematuro esmerado.
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