En términos generales, un sensor es un dispositivo que convierte una cantidad física en otra que puede ser procesada, transmitida o convertida. La primera suele ser una magnitud física que no se puede medir directamente (temperatura, velocidad, desplazamiento, etc.), mientras que la segunda es una señal eléctrica u óptica. Los sensores, cuyo elemento básico es la bobina de inductancia, ocupan un nicho propio en el campo de los instrumentos de medida.
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Cómo se diseñan los sensores inductivos y cómo funcionan
Los sensores inductivos, por su principio de funcionamiento, son activos, es decir, requieren un oscilador externo. Esto genera una señal con una frecuencia y amplitud definidas en la bobina inductora.
La corriente que circula por las bobinas crea un campo magnético. Si un objeto conductor entra en el campo magnético, los parámetros de la bobina cambiarán. Lo único que queda es detectar este cambio.
Los sensores simples sin contacto responden a la presencia de objetos metálicos en el campo cercano de la bobina. Esto cambia la impedancia de la bobina, este cambio debe ser convertido en una señal eléctrica, amplificada y/o detectada por un circuito de comparación.
Otro tipo de sensor responde a un cambio en la posición longitudinal de un objeto que sirve como núcleo de la bobina. Al cambiar la posición del objeto, éste se desliza dentro o fuera de la bobina, cambiando así su inductancia. Este cambio puede convertirse en una señal eléctrica y medirse. Otra versión de este sensor consiste en empujar un objeto sobre la bobina desde el exterior. Esto provoca una reducción de la inductancia debido al efecto de apantallamiento.
Otra versión del sensor de desplazamiento inductivo es el transformador diferencial variable lineal (LVDT). Se trata de una bobina compuesta realizada en el siguiente orden:
- bobina secundaria 1;
- devanado primario;
- devanado secundario 2.
La señal del generador se aplica al devanado primario. El campo magnético creado por la bobina central induce un CEM en cada una de las bobinas secundarias (principio del transformador).principio del transformador). El núcleo, al moverse, modifica el acoplamiento mutuo entre las bobinas, cambiando la fuerza electromotriz en cada uno de los devanados. Este cambio puede ser detectado por el circuito de medición. Dado que la longitud del núcleo es menor que la longitud total de la bobina compuesta, la relación de la FEM en los devanados secundarios puede determinar inequívocamente la posición del objeto.
Un codificador rotativo se basa en el mismo principio de cambio de acoplamiento inductivo entre los devanados. Consta de dos bobinas coaxiales. La señal se aplica a uno de los devanados, el CEM en el segundo devanado depende del ángulo de giro mutuo.
Del principio de funcionamiento se desprende que los sensores inductivos, independientemente de su diseño, son sensores sin contacto. Funcionan a distancia y no requieren un contacto directo con el objeto a vigilar.
Ventajas y desventajas de los sensores inductivos
Las ventajas de los sensores inductivos son principalmente
- Construcción robusta;
- no hay conexiones de contacto;
- alta potencia de salida, lo que reduce la influencia del ruido y simplifica el circuito de control;
- alta sensibilidad;
- Posibilidad de funcionamiento con alimentación de corriente alterna de frecuencia industrial.
Las principales desventajas de los sensores inductivos son su tamaño, peso y complejidad. Se necesita un equipo especial para enrollar las bobinas con los parámetros requeridos. Otra desventaja es que la amplitud de la señal del oscilador maestro debe mantenerse con precisión. El rango de sensibilidad también cambia según la amplitud de la señal. Dado que los sensores sólo funcionan con corriente alterna, el mantenimiento de la amplitud se convierte en un verdadero problema técnico. No es posible conectar el sensor directamente (o a través de un transformador reductor) a una red eléctrica doméstica o industrial, donde las variaciones de tensión en amplitud o frecuencia pueden ser de hasta el 10%, incluso en funcionamiento normal, lo que hace que la precisión de la medición sea inaceptable.
La precisión de la medición también puede verse afectada por:
- Campos magnéticos externos (el blindaje del sensor no es posible debido a su principio de funcionamiento);
- inducciones de CEM laterales en los cables de alimentación y de medición
- inexactitudes de fabricación;
- Errores en la característica del sensor;
- Desplazamientos o deformaciones en el lugar de montaje de la sonda que no afecten al rendimiento general;
- Dependencia de la precisión con la temperatura (los parámetros del cable de bobinado, incluida su resistencia, cambian).
La incapacidad de los sensores de inductancia para responder a la presencia de objetos dieléctricos en su campo magnético puede considerarse tanto una ventaja como una desventaja. Por un lado, esto limita el ámbito de aplicación. Por otro lado, los hace insensibles a la suciedad, la grasa, la arena, etc., de los objetos vigilados.
Si se comprenden las limitaciones y los posibles límites de los sensores inductivos, se pueden aprovechar racionalmente sus ventajas.
Campos de aplicación de los sensores inductivos
Los interruptores de proximidad inductivos se utilizan a menudo como interruptores de límite. Estos dispositivos se utilizan para una gran variedad de aplicaciones:
- en los sistemas de seguridad como sensores para la apertura no autorizada de ventanas y puertas;
- en sistemas de telecontrol como sensores de posición límite para conjuntos y mecanismos;
- en la vida cotidiana en los circuitos de indicación de la posición cerrada de las puertas, las hojas;
- para el recuento de objetos (por ejemplo, en movimiento en una cinta transportadora);
- para determinar la velocidad de rotación de los engranajes (cada diente que pasa por el sensor genera un impulso);
- En otras situaciones.
Los codificadores de posición angular pueden utilizarse para determinar los ángulos de rotación de ejes, engranajes y otras unidades giratorias, y también como codificadores absolutos. También pueden utilizarse en máquinas-herramienta y aplicaciones de robótica junto con los codificadores lineales. Siempre que sea necesario conocer la posición exacta de los componentes de la máquina.
Aplicaciones prácticas de los sensores inductivos
En la práctica, los diseños de sensores inductivos pueden implementarse de diversas maneras. La implementación e incorporación más sencilla es el sensor simple de dos hilos, que controla la presencia de objetos metálicos dentro de su área de detección. Estos dispositivos suelen fabricarse sobre la base de un núcleo en forma de W, pero esto no es un punto crucial. Este diseño es más fácil de fabricar.
Cuando la resistencia de la bobina cambia, la corriente en el circuito y la caída de tensión a través de la carga cambian. Estos cambios pueden ser detectados. El problema es que la resistencia de la carga se vuelve crítica. Si es demasiado grande, el cambio de corriente cuando aparece un objeto metálico será relativamente pequeño. Esto reduce la sensibilidad y la inmunidad del sistema. Si es pequeño, la corriente en el circuito será alta y se necesitará un sensor más resistente.
Por este motivo, hay diseños en los que el circuito de detección está integrado en la carcasa del sensor. Un generador genera impulsos que alimentan la bobina inductora. Cuando se alcanza un determinado nivel, se acciona un disparador, pasando del estado 0 al 1 o viceversa. Un amplificador buffer potencia la señal en términos de potencia y/o tensión, ilumina (apaga) el LED y emite una señal discreta para el circuito externo.
Se puede generar la señal de salida:
- mediante un sistema electromagnético o relé de estado sólido - nivel de tensión cero o unitario;
- "contacto seco" relé electromagnético;
- colector abierto transistor (estructuras n-p-n o p-n-p).
En este caso se necesitan tres cables para conectar el sensor:
- de alimentación;
- cable común (0 voltios);
- cable de señal.
Estos sensores también pueden alimentarse con tensión continua. Sus impulsos de inducción son generados por un oscilador interno.
Los sensores diferenciales se utilizan para controlar la posición. Si el objeto a vigilar está simétricamente en relación con ambas bobinas, la corriente que pasa por ambas bobinas es la misma. Si cualquiera de las bobinas está polarizada hacia el campo, se produce un desequilibrio, la corriente total ya no es cero, lo que puede detectarse mediante un indicador con una flecha en el centro de la escala. El indicador puede utilizarse para determinar tanto la magnitud del desplazamiento como su dirección. Se puede utilizar un circuito de control en lugar de un reloj comparador para proporcionar una señal cuando se recibe información sobre un cambio de posición, tomar medidas para alinear el objeto, realizar correcciones del proceso, etc.
Los sensores basados en el principio de los transformadores diferenciales de regulación lineal se fabrican como construcciones completas, que constan de un bastidor con devanados primarios y secundarios y una varilla que se mueve en su interior (puede estar cargada por un muelle). Los cables para la señal del generador y el EMF de los devanados secundarios están conectados al exterior. El objeto a controlar puede estar conectado mecánicamente al vástago. También puede ser de material dieléctrico: sólo la posición del vástago es relevante para la medición.
A pesar de ciertas desventajas inherentes, el sensor inductivo cierra muchas áreas relacionadas con la detección sin contacto de objetos en el espacio. A pesar del constante desarrollo de la tecnología, este tipo de dispositivos no abandonará el mercado de los aparatos de medición en un futuro próximo, ya que su acción se basa en las leyes fundamentales de la física.
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