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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
Regulación contra la detonación
1....10g

Protección de los pasajeros
- Airbag, tensor de cinturón
- Arco contra el vuelco
- Bloqueador de cinturón


50g
4g
0,4g

ABS, ESP
0,8g.....1.2g
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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