SENSORES DE POSICIÓN


 

Potenciómetro angular

Es un transductor de posición angular, de tipo absoluto y con salida de tipo analógico. Básicamente es una resistencia de hilo bobinado en una pista de material conductor, distribuida a lo largo de un soporte en forma de arco y un cursor solidario a un eje de salida que pueda deslizar sobre dicho conductor . El movimiento del eje arrastra el cursor provocando cambios de resistencia entre éste y los extremos. De esta forma si se alimentan los extremos con una tensión constante Vo aparece en la toma de medida una tensión proporcional al ángulo girado a partir del origen. Interesa que esta variación sea lineal como se representa en la figura. En cuanto a la respuesta dinámica el potenciómetro es un elemento proporcional sin retardo, pero la frecuencia de funcionamiento suele quedar limitada a 5 Hz por motivos mecánicos.

Potenciómetro angular

Encoders

Los encoders son dispositivos formados por un rotor con uno o varios grupos de bandas opacas y translúcidas alternadas y un estator con una serie de captadores ópticos que detectan la presencia o no de banda opaca. Existen dos tipos de encoders, incrementales y absolutos. Los primeros dan un determinado número de impulsos por vuelta y requieren un contador para determinar la posición a partir de un origen de referencia, los absolutos disponen de varias bandas en el rotor ordenadas según un código binario, y los captadores detectan un código digital completo que es único para cada posición del rotor.

Los encoders incrementales suelen tener una sola banda de marcas repartidas en el disco del rotor y separadas por un paso p. En el estator disponen de dos pares de emisor-receptor ópticos, decalados un número entero de pasos más ¼ de paso. Al girar el rotor genera una señal cuadrada, el decalaje hace que las señales tengan un desfase de ¼ de periodo si el rotor gira en un sentido y de ¾ si gira en el sentido contrario, lo que se utiliza para discriminar el sentido de giro.

Un simple sistema lógico permite determinar desplazamientos a partir de un origen, a base de contar impulsos de un canal y determinar el sentido de giro a partir del desfase entre los dos canales. Algunos encoders pueden disponer de un canal adicional que genere un pulso por vuelta y la lógica puede dar número de vueltas más fracción de vuelta.

Encoder Incremental

La resolución del encoder depende del número N de divisiones del rotor, es decir del número de impulsos por revolución. No debe confundirse lo que es resolución angular del encoder con la posible resolución de un sistema de medida de coordenadas lineales que dependerá de la desmultiplicación mecánica.

Los encoders absolutos disponen de varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares concéntricas, dispuestas de tal forma que en sentido radial el rotor queda dividido en sectores, con combinaciones de opacos y transparentes que siguen un código Gray o binario .

Encoder absoluto

El estator dispone de un conjunto emisor-receptor ópticos para cada corona del rotor. El conjunto de información binaria obtenida de los captadores es único para cada posición del rotor y representa su posición absoluta. Se utiliza el código Gray en lugar de un binario clásico porque en cada cambio de sector sólo cambia el estado de una de las bandas, evitando errores por falta de alineación de los captadores. Para un encoder con N bandas, el rotor permite 2N combinaciones, la resolución será 360° entre los 2N sectores, por ejemplo para encoders de 12 y 16 bits se obtiene una resolución angular de 0.0879° y 0.00054° respectivamente.

Sincros y Resolvers

Un sincro es un transductor de posición angular de tipo electromagnético. Su principio de funcionamiento puede resumirse diciendo que se trata de un transformador, en el que uno de los devanados es rotativo.La configuración más habitual es :

Primario en el rotor y monofásico

Secundario en el estator y trifásico

En la Figura se representa el esquema de un Sincro con la configuración indicada. Cuando se aplica una tensión senoidal al devando primario, se recogen en los devanados secundarios de cada una de las fases tres tensiones, cuya amplitud y fase con respecto a la tensión del primario dependen de la posición angular del rotor.

Funcionamiento del Sincro

En caso de existir una sola fase en el estator existiría una indeterminación en el signo del ángulo, que desaparece para un estator trifásico.

Una configuración particular del Sincro es la del Resolver, cuyo principio de funcionamiento es análogo, con las siguientes particularidades constructivas :

Primario en el estator y bifásico

Secundario en el rotor, monofásico o bifásico.

En la Figura se representa de forma esquemática una configuración típica. Los devanados del estator se alimentan en serie, dando un campo estacionario sobre el eje y los devanados del rotor recogen distintas tensiones en función de 1 .

Esquema de resolver

Sensores Inductosyn

Es un transductor electromagnético utilizado para la medida de desplazamientos lineales, con precisión del orden de micras. Se emplea en máquinas medidoras de coordenada y máquinas herramientas de control numérico. El transductor consta de dos partes acopladas magnéticamente, una denominada escala fija y situada paralela al eje de desplazamiento y otra solapada a la anterior deslizante y solidaria a la parte móvil.

Inductosyn

La parte fija lleva grabado un circuito impreso con pistas en forma de onda rectangular con un paso p. La parte móvil tiene dos más pequeños, encarados con los de la escala, y desfasados entre si un número entero de pasos mas ¼ de paso (análogamente a lo visto para encoders incrementales). Si se excita la parte fija con una señal alterna en cada uno de los circuitos de la parte deslizante se recoge una tensión que es función del desplazamiento lineal y el paso de onda de la escala. La amplitud varia entre un máximo y un mínimo según las que los circuitos fijo y móvil estén enfrentados o decalados ½ de paso. La medida se realiza sumando el número de ciclos de señal de salida completos, más la variación dentro de un ciclo. La indeterminación del sentido se resuelve comparando la fase de los dos captadores.

Sensores LASER

Los sensores LASER pueden utilizarse como detectores de distancias por análisis de interferencias (interferometría LASER). El principio de funcionamiento se basa en la superposición de dos ondas de igual frecuencia, una directa y la otra reflejada. La onda resultante pasa por valores máximos y mínimos al variar la fase de la señal reflejada. Los sensores industriales generan un haz de luz que se divide en dos parte ortogonales mediante un separador . Un haz se aplica sobre un espejo plano fijo, mientras el otro refleja sobre el objeto cuya distancia se quiere determinar, los dos haces se superponen de nuevo en el separador, de forma que al separarse el objeto se generan máximos y mínimos a cada múltiplo de la longitud de onda del haz. La distancia se mide contando dichas oscilaciones o franjas, obteniéndose una salida digital de elevada precisión.

Sensores ultrasónicos

Los sensores ultrasónicos emiten una señal de presión hacia el objeto cuya distancia se pretende medir, y miden el tiempo que transcurre hasta la recepción del eco reflejado. El más conocido es el SONAR o en la actualidad los sistema de ecografía, en el campo industrial se suelen emplear para controlar niveles de sólidos en depósitos, presencia de obstáculos en celdas robotizadas, detección de grietas en la inspección de materiales o soldaduras.

Sensores magnetoestrictivos

Están también basados en la detección de un impulso ultrasónico generado por la deformación elástica que se produce en algunos materiales bajo el efecto de un campo magnético.

Básicamente se trata de una varilla de material magnético en la que se genera una perturbación ultrasónica mediante una bobina inductora, sobre la varilla se coloca un imán móvil que puede deslizarse. El imán provoca un cambio de permeabilidad en el medio y esto provoca una reflexión de la onda ultrasónica, pudiéndose detectar la distancia al imán por el tiempo en recibir el eco.