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Sensores
en el automóvil
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Sensores de aceleración y de vibraciones
Magnitudes de medición
Los sensores de aceleración y de vibraciones son apropiados para la regulación
contra la detonación (picado) en motores de combustión interna,
también sirven para activar sistemas de protección de los pasajeros
(airbag, tensores de cinturón, arco contra el vuelco) y para detectar
aceleraciones en las curvas y variaciones de velocidad en vehículos de
tracción integral equipados con el sistema antibloqueo ABS o el programa
electrónico de estabilidad ESP, o con un sistema de regulación
del tren de rodaje.
La magnitud de medición es la aceleración "a", que con
frecuencia se indica como múltiple de la aceleración de la gravedad
"g" (1g = 9,81 m/s2) para valores típicos de los automóviles
| Sensores de aceleración y de vibraciones | |
| Aplicación |
Campo
de medición
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| Regulación
contra la detonación |
1....10g
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Protección
de los pasajeros |
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| ABS, ESP |
0,8g.....1.2g
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| Regulación
del tren de rodaje: - Carrocería - Eje |
1g 10g |
Principios de medición
Todos los sensores de aceleración miden en principio, con arreglo a la
ley fundamental de la mecánica, las fuerzas F, ejercidas por la aceleración
"a" sobre las masas (inertes) "m", sea ya de modo únicamente
dinámico (sensores de vibraciones) o también estático:
F = m • a
Como en el
caso de medición de una fuerza, existen sensores que miden un desplazamiento
y otros que miden esfuerzos mecánicos.
El encapsulamiento en estos sensores tiene una importancia decisiva para la
calidad de la detección. En su función de sensores de inercia
detectan la magnitud de medición sin la menor comunicación con
el exterior; puede encapsularse pues fácilmente de modo hermético.
Han de disponer, sin embargo, de medios apropiados para un acoplamiento mecánico
lo mas rígido posible al cuerpo a medir, pues elementos intermedios adicionales
elásticos o sueltos alterarían considerablemente la medición.
Este acoplamiento rígido y fijo no debe dar lugar, sin embargo, a que
las posibles dilataciones térmicas del cuerpo a medir se transmitan p.ej.
al sensor, lo que podría influir en el valor medido.
Hay que tener en cuenta que los sensores piezoeléctricos tienen una alta
resistencia interior, es recomendable instalar un primer amplificador desacoplador
directamente junto al sensor (a ser posible incluso dentro de una caja hermética
común), para detectar la tensión de salida. Largos cables de alimentación
alteran la señal, tanto por su capacidad parásita (divisor de
tensión) como por su resistencia efectiva parásita.
Ejemplo de sensores de aceleración:
Sensores
de aceleración de efecto Hall.
Aplicación
Los vehículos equipados con el sistema antibloqueo ABS, el control de
tracción ASR, una tracción integral o con el programa electrónico
de estabilidad ESP disponen, además de los sensores de velocidad de giro
de las ruedas, de un sensor de aceleración de efecto Hall para la medición
de las aceleraciones longitudinal y transversal del vehículo (referido
al sentido de marcha, según la posición de montaje).
Para su correcto funcionamiento y debido a su función en el sistema,
es conveniente que este sensor esté instalado lo más cerca posible
del centro de gravedad del vehículo.
Su misión es la de detectar si existen fuerzas laterales que traten de
sacar el vehículo de la trayectoria deseada y detectar su intensidad.
Este detector es muy sensible y delicado, por lo que puede sufrir daños
con facilidad.
Estructura
El sensor de aceleración de efecto Hall utiliza un sistema masa-resorte
de fijación "elástica".
Está constituido por un resorte en forma de cinta puesto de canto (3),
fijado por uno de sus extremos. En el extremo libre opuesto está colocado
un imán permanente (2) en función de masa sísmica (que
se mueve). Sobre el imán permanente se encuentra el verdadero sensor
de efecto Hall (1) con la electrónica de evaluación. Debajo del
imán hay colocada una plaquita de amortiguación (4) de cobre.
Funcionamiento
Al estar sujeto el sensor a una aceleración transversal al resorte, la
posición de reposo del sistema masa-resorte cambia. Su desplazamiento
es un parámetro específico de la aceleración. El flujo
magnético "F" ocasionado por el movimiento del imán
genera una tensión Hall UH en el sensor de efecto
Hall. La tensión de salida UA resultante de ello
y procedente de la electrónica de evaluación aumenta linealmente
con la aceleración (figura inferior, campo de medición aprox.
1 g).
El sensor está concebido para un reducido ancho de banda de algunos Hz
(herzios) y posee una amortiguación electrodinámica.
Sensores de aceleración
realizados por micromecánica de superficie
Aplicación
Los sensores de aceleración realizados por micromecánica de superficie
y destinados a los sistemas de retención de pasajeros detectan los valores
de aceleración de un choque frontal o lateral y provocan la activación
de los tensores de cinturón, el disparo de los airbag y la actuación
del arco antivuelco.
Estructura y funcionamiento
Estos sensores, utilizados primero para detectar altas aceleraciones (50 a 100
g) en sistemas de protección de pasajeros, son también apropiados
para medir aceleraciones de reducida intensidad. Comparados con los sensores
de silicio realizados por micromecánica de volumen, son mucho más
compactos y están alojados junto con la electrónica de evaluación
(ASIC) en una caja estanca al agua. Su sistema de masa-resorte está montado
sobre la superficie de la plaquita de silicio por un procedimiento aditivo.
La masa sísmica, cuyos electrodos tienen la forma de un peine, está
suspendida elásticamente dentro de la célula de medición.
A ambos lados de esos electrodos móviles hay colocados sobre el chip
electrodos fijos, asimismo en forma de peine (6). Esta disposición de
electrodos fijos y móviles corresponde a una conexión en serie
de dos condensadores diferenciales C1 y C2
(capacidad de la estructura de peine, aprox. 1 pF) . A los bornes de estos condensadores
se aplican tensiones alternas de fases opuestas, cuya superposición es
detectada en el punto CM (capacidad de medición)
entre los condensadores, o sea, en la masa sísmica.
Como la masa sísmica está suspendida de resortes (2), una aceleración
lineal a en el sentido de detección ocasiona una variación de
la distancia entre los electrodos fijos y móviles y, por consiguiente,
una variación de capacidad en los condensadores C1
y C2. De ello resulta una variación de la señal
eléctrica que en la electrónica de evaluación (ASIC) es
amplificada, filtrada y digitalizada para su transmisión a la unidad
de control de los airbag. Por razón de la reducida capacidad de aprox.
1 pF, la electrónica de evaluación está integrada directamente
en el sensor sobre el mismo chip o estrechamente unida al sensor. Es posible
la realización de sistemas reguladores de posición con vuelta
electrostática al estado inicial.
El circuito de evaluación dispone también de una compensación
de desviaciones del sensor y de una autodiagnosis durante la fase de puesta
en funcionamiento. Para la autodiagnosis, unas fuerzas electrostáticas
provocan el desplazamiento de la estructura en forma de peine y simulan así
el proceso que tiene lugar durante la aceleración en el vehículo.
Existen también sensores micromecánicos "dobles", utilizados
p. ej. en el programa electrónico de estabilidad ESP para la regulación
de la dinámica de marcha (figura inferior). Están constituidos
en realidad por dos sensores individuales. Un sensor de convolución (sensor
de viraje o derrapaje) y un sensor de aceleración micromecánicos
forman un módulo compacto. De ese modo se reduce el número de
componentes y de líneas transmisoras de señales. Además,
se necesitan menos puntos de fijación y espacio de montaje en el vehículo.
Sensores
de picado piezoeléctricos
Aplicación
Los sensores de picado son por su principio de funcionamiento sensores de vibraciones;
son muy a propósito para detectar vibraciones debidas a ruidos de impacto.
Estas pueden presentarse en el motor de un vehículo en caso de combustión
incontrolada y se conocen bajo el nombre de "picado". El sensor convierte
las vibraciones en señales eléctricas y las transmite a la unidad
de control. En general, los motores de 4 cilindros en línea son equipados
con un solo sensor de picado, los motores de 5 ó 6 cilindros con dos
sensores, los motores de 8 ó 12 cilindros con dos sensores o más.
Se conmutan en función del orden de encendido.
Estructura y funcionamiento
Por razón de su inercia, una masa ejerce fuerzas de presión al
ritmo de las vibraciones incitantes sobre un elemento piezocerámico de
forma anular. Estas fuerzas provocan una transferencia de carga dentro del elemento
de cerámica: entre los lados superior e inferior de este elemento se
origina una tensión eléctrica que es tomada por discos de contacto
y procesada subsiguientemente en la unidad de control. La sensibilidad corresponde
a la tensión de salida por unidad de aceleración [mV/g].
Las tensiones transmitidas por el sensor son evaluables por medio de un amplificador de tensión alterna de alta impedancia, p. ej. en la unidad de control del sistema de encendido o en la del sistema de gestión del motor Motronic..
Montaje
adosado
El lugar de montaje de un sensor de picado se elige para el respectivo motor
de manera que se pueda detectar fiablemente el picado originado en cada cilindro.
Generalmente se encuentra en el lado ancho del bloque motor. A fin de que las
señales generadas (vibraciones debidas a los ruidos de impacto) puedan
ser transmitidas directamente, sin resonancia y de acuerdo con la característica
seleccionada, del punto de medición en el bloque motor al sensor fijado
con un tornillo, es conveniente que:
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