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Mecatrónica
Módulo 5: Componentes
mecatrónicos
Libro de Texto
(Concepto)
Wojciech Kwaśny
Andrzej Błażejewski
Universidad Técnica de Wroclaw,
Polonia
Proyecto ampliado de transferencia del concepto europeo para la
calificación agregada de la Mecatrónica las fuerzas especializadas en la
producción industrial globalizada
Proyecto EU Nr. 2005-146319 „MINOS“, Plazo: 2005 hasta 2007
Proyecto EU Nr. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 „MINOS**“,
Plazo: 2008 hasta 2010
El presente proyecto ha sido financiado con el apoyo
de la Comisión Europea. Esta publicación
(comunicación) es responsabilidad exclusiva de su
autor. La Comisión no es responsable del uso que
pueda hacerse da la información aquí difundida.
www.minos-mechatronic.eu
Colaboradores en la elaboración y aprobación del concepto conjunto
de eseñanza:
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Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und
Produktionsprozesse, Deutschland – Projektleitung
Corvinus Universität Budapest, Institut für Informationstechnologien, Ungarn
Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Schweden
Technische Universität Wroclaw, Institut für Produktionstechnik und
Automatisierung, Polen
Henschke Consulting Dresden, Deutschland
Christian Stöhr Unternehmensberatung, Deutschland
Neugebauer und Partner OHG Dresden, Deutschland
Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen
Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Polen
Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Ungarn
Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Ungarn
Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Ungarn
IMH, Spanien
VUT Brno, Tschechische Republik
CICmargune, Spanien
University of Naples, Italien
Unis, Tschechische Republik
Blumenbecker, Tschechische Republik
Tower Automotive, Italien
Bildungs-Werkstatt gGmbH, Deutschland
VEMAS, Deutschland
Concepto conjunto de enseñanza:
Libro de texto, libro de ejercicios y libro de soluciones
Módulo 1-8: Fundamentos / Competencia intercultural y administración de proyectos /
Técnica de fluidos / Accionamiento y mandos eléctricos / Componentes mecatrónicos /
Sistemas y funciones de la mecatrónica / La puesta en marcha, seguridad y teleservicio /
Mantenimiento y diagnóstico
Módulo 9-12: Prototipado Rápido/ Robótica/ Migración Europea/ Interfaces
Todos los módulos están disponibles en los siguientes idiomas: Alemán, Inglés,
español, italiano, polaco, checo, húngaro
Más Información
Dr.-Ing. Andreas Hirsch
Technische Universität Chemnitz
Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz, Deutschland
Tel: + 49(0)371 531-23500
Fax: + 49(0)371 531-23509
Email: [email protected]
Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch oder www.minos-mechatronic.eu
Componentes mecatrónicos
Minos
Índice
1
Sensores inductivos
6
1.1
Fundamentos básicos
6
1.2
Fundamentos teóricos
7
1.2.1
1.2.2
1.3
1.3.1
1.3.2
1.3.3.
7
9
10
10
13
14
Circuito de resonancia
El circuito electrónico
Fundamentos básicos de construcción
Funcionamiento
Coeficientes correctores
Método de montaje
1.4.
Sensores especiales
1.4.1 Sensor inductivo de anillo
1.4.2 Uso de sensores en campos electromagnéticos de elevada intensidad
1.4.3 Uso de sensores en condiciones adversas
16
16
17
18
1.5
Reconocimiento de la dirección del movimiento
19
1.6
Sensores NAMUR
20
1.7
Sensores inductivos analógicos
21
1.8
Corriente continua( CC)
22
1.9
Corriente alterna (AC)
23
1.10
Principios de conexión de los sensores
24
1.11
Medidas de protección y seguridad de sensores
26
1.12
Conexión de sensores a una red de comunicación
27
1.13
Aplicaciones
28
Componentes mecatrónicos
Minos
2
Sensores capacitivos
29
2.1
Introducción
29
2.2
Fundamentos teóricos
30
2.3
Funcionamiento de un sensor capacitivo
32
2.4
Tipos de sensores capacitivos
35
2.5
Influencia del material del objeto
37
2.6
Compensación de interferencias
39
2.7
Aplicaciones
40
3
Sensores de ultrasonido
42
3.1
Fundamentos básicos
42
3.2
Fundamentos teóricos
3.2.1 Propagación de las ondas sonoras en el aire
3.2.2 Influencia ambiental
3.2.3 El transformador de ondas sonoras
3.2.4 Generación de ondas ultrasónicas
43
43
46
47
50
3.3
Funcionamiento de un sensor de ultrasonido
3.3.1 Proceso de difusión
3.3.2 Modo unidireccional (through beam)
54
56
59
3.4
Fallos en el funcionamiento de sensores
3.4.1 Factores físicos
3.4.2 Factores de montaje
3.4.3 Sincronización de sensores
61
61
61
63
3.5
Sensores de ultrasonido especiales
3.5.1 Sensores reflexivos
3.5.2 Sensores de carcasa con transformador doble
64
64
67
3.6.
Sensores de ultrasonido analógicos
69
3.7
Aplicaciones
70
Componentes mecatrónicos
4
Sensores fotoeléctricos
Minos
76
4.1
Características de diseño
76
4.2
Elementos fotoeléctricos
4.2.1 Fundamentos de física
4.2.1.1 Luz
4.2.1.2 Propiedades de la luz
4.2.2 Fotoemisores
4.2.2.1 Diodo luminoso (LED)
4.2.2.2 Diodo láser (LD)
4.2.3 Fotodetectores
4.2.3.1 Fotodiodos
4.2.3.2 Detectores de posición (PSD)
4.2.3.3 Detectores CCD (dispositivo de cargas eléctricas interconectadas)
4.2.3.4 Fototransistores
78
78
78
80
82
83
86
88
91
91
92
93
4.3
Clases de sensores
4.3.1 Barrera de luz unidireccional (Through Beam)
4.3.2 Sensores retroreflectivos
4.3.3 Filtro de luz
94
94
96
99
4.4
Procesamiento de señales
4.4.1 Fuentes de interferencias
4.4.2 Prevención de interferencias
4.4.2 1 Modulación de la luz
4.4.2.2 Polarización de la luz
4.4.3 Margen de operación
4.4.4 Distancia de trabajo
4.4.5 Tiempo de respuesta
101
101
103
103
104
106
109
111
4.5
Tipos especiales de sensores optoelectrónicos
4.5.1 Sensores retroreflectivos polarizados
4.5.2 Filtros para la eliminación de la influencia de fondo
4.5.3 Sensores retroreflectivos con auto colimación
4.5.4 Sensores de fibra óptica
4.5.4.1 Fibra óptica
4.5.4.2 Funcionamiento
112
112
113
117
118
118
121
4.6
Tecnología de conexión
4.6.1 Tipos de conexiones
4.6.2 Conmutación de la salida del sensor
123
123
124
4.7
Aplicaciones
126
Componentes mecatrónicos
Minos
5
Sensores de campo magnético
128
5.1
Fundamentos básicos
128
5.2
Fundamentos físicos
5.2.1 Campo magnético
5.2.2 Contacto Reed
5.2.3 El efecto Hall
5.2.4 Magnetorresistencia
5.2.5 El efecto Wiegand
129
129
132
134
135
136
5.3
Sensores de campo magnético con contacto Reed
137
5.4
Sensores Hall
140
5.5.
Sensores especiales de campo magnético
5.5.1 Sensores magnetoresistentes
5.5.2 Sensores Wiegand
5.5.3 Sensores de campo magnético con un imán
141
141
142
144
5.6
Reglas de montaje
145
5.7
Aplicaciones
146
Componentes mecatrónicos
Minos
1
Sensores inductivos
1.1
Información básica
Los sensores inductivos son los sensores que se utilizan más frecuentemente en sistemas automáticos para controlar la posición y el movimiento
de los mecanismos que dirigen las máquinas y equipamiento. Su estructura compacta, fiabilidad y fácil instalación hacen su uso muy popular.
Cuando un objeto metálico se encuentra en la zona de acción del sensor,
el estado o el valor de la señal de salida del sensor varía.
Un sensor inductivo está formado por los siguientes componentes básicos
(Fig. 1.1): la cabeza que incluye una bobina de inducción con un núcleo
de ferrita, un generador de corriente sinusoidal, un circuito de detección
(comparador) y un amplificador de salida.
Un circuito de inducción formado por la bobina y el núcleo de ferrita genera en torno al extremo del sensor un campo electromagnético variable
de elevada frecuencia. Este campo induce una corriente de Focaoult (o
corriente parásita) en el objeto metálico situado cerca del sensor. Esto
produce una carga del circuito de inducción, disminuyendo como consecuencia la amplitud de oscilación. El cambio en la amplitud depende
de la distancia entre el objeto de metal y el extremo del sensor. Si el
objeto alcanza una distancia característica, la señal de salida cambia.
En sensores analógicos el valor de la señal de salida es inversamente
proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor.
OBJETO
CABEZA DEL
SENSOR
GENERADOR
Figura 1.1: Esquema de un sensor inductivo
6
SISTEMA DE
DETECCIÓN
SISTEMA DE SALIDA
Componentes mecatrónicos
1.2
Fundamentos teóricos
1.2.1
Circuito de resonancia
Minos
La fuente de un campo magnético variable en sensores inductivos es
una bobina de inducción. Si la corriente que fluye a través de la bobina
varía en el tiempo, el campo magnético en la bobina es también variable.
Estos cambios están relacionados con el fenómeno de la autoinducción,
esto es, la creación de un voltaje adicional en la bobina que contrarresta
los cambios de la corriente.
La energía eléctrica acumulada en los circuitos de resonancia se debe
diferenciar entre la energía EL del campo magnético de la bobina de inducción y la energía Ec del campo eléctrico del condensador cargado.
La energía total se mantiene siempre constante: E = EL + Ec = const.
(Fig. 1.2).
En la etapa inicial el circuito LC, integrado por la Bobina L y el condensador C, está abierto y la energía se encuentra almacenada en los
electrodos del condensador cargado (1). Al cerrar el circuito eléctrico,
el condensador comienza a descargarse y la corriente I comienza a
fluir por el circuito. La intensidad de corriente pasa tener valor cero a la
intensidad máxima Imax. Toda la energía del condensador se almacena
en la bobina (2).
Aunque el condensador ya está descargado, la corriente fluye en el
circuito en la misma dirección. La corriente procedente de la autoinducción en la bobina, carga el condensador y la energía se transfiere de
nuevo a este. Cuando la carga en el condensador es máxima la energía
desaparece del circuito(3). El estado en la última fase es similar al de
la etapa inicial, solo que en esta fase el condesador está cargado de
manera inversa y la corriente fluye en sentido contrario. En todo circuito
LC se producen las oscilaciones del campo eléctrico del condensador y del campo magnético de la bobina.
Figura 1.2: Oscilaciones en un circuito LC
7
Minos
Componentes mecatrónicos
En la realidad se producen siempre pérdidas adicionales de energía
en todo circuito LC debidas a la propia resistencia de la bobina y el
condensador. Estas se representan con la letra R. Como resultado de
estas pérdidas las oscilaciones en un circuito con una resistencia RLC
desaparecen (Fig. 1.3). Las oscilaciones del circuito pueden mantenerse constantes cuando este sea alimentado por una fuente externa de
voltaje sinusoidal. Cuando la frecuencia de la fuente externa es igual a
la frecuencia propia del circuito LC la amplitud alcanza su valor máximo.
f – frecuencia de la fuente externa sinusoidal ,
f0 – frecuencia propia del circuito LC no amortiguado,
L – inductividad [Henry],
C – capacidad [Farad].
Bajo esta condición se produce la resonancia de las tensiones. Cuanto
mayor sea el factor de calidad del circuito, mayor será la amplitud de
las oscilaciones.
El factor de calidad Q es una medida de las pérdidas generadas por la
resistencia R en los elementos L y C. En un circuito sin pérdidas bajo
condiciones de resonancia la resistencia R sería infinitamente grande.
Cuanto mayor sean las pérdidas en el circuito, más pequeña será la
resistencia y el factor de calidad será menor.
Figura 1.3: Oscilaciones de circuitos LC y RLC : a) circuito LC no amortiguado; b) circuito RLC sin
fuente externa; c) circuito RLC alimentado por una fuente externa sinusoidal
8
Componentes mecatrónicos
1.2.2
El circuito eléctrico
Minos
En generadores que presentan un circuito de resonancia formado por
una bobina y un condensador se emplean también amplificadores operacionales o transistores para mantener las oscilaciones.
Para generar oscilaciones deben cumplirse dos condiciones: de fases
y de amplitud. La condición de fases implica que la fase de la tensión
de entrada sea igual a la fase de la tensión de salida. La condición
de amplitud requiere que el amplificador compense en su totalidad el
amortiguamiento en el circuito de resonancia. En este caso el generador
mismo produce la señal que mantiene las oscilaciones. Las condiciones
de fases y de amplitudes se cumplen cuando el circuito LC está dividido
correctamente o se utiliza un transformador acoplado.
Las oscilaciones de tensión y corriente se generan en el circuito LC
formado por una bobina y un condensador. La corriente conectada
al circuito LC le transmite una parte de su energía mediante la carga
del condensador y mantiene las oscilaciones en el circuito. Cuando la
energía suministrada es igual a la energía que se pierde, se alcanza el
equilibrio y la amplitud en el circuito LC se mantiene constante así como
las oscilaciones no son amortiguadas ( Fig. 1.4a)
La señal de salida depende del factor de calidad Q del circuito de resonancia. Cuanto menor sea el factor de calidad, la señal de salida será
menor (Fig. 1.4b). Los generadores LC generan vibraciones cuya frecuencia es mayor que unas pocas decenas de miles de hercios. Cuando
la frecuencia es menor, se requiere una inductividad L del circuito de
resonancia demasiado grande. En este caso es difícil alcanzar un elevado
factor de calidad y las bobinas son de un tamaño relativamente grande.
Figura 1.4: El circuito electrónico: a) Generador LC con un amplificador que compensa el
amortiguamiento en el circuito, b) nivel de la señal de salida para diferentes valores de Q.
9
Componentes mecatrónicos
Minos
1.3
Fundamentos básicos de construcción
1.3.1
Funcionamiento
La parte activa de un sensor inductivo contiene una bobina enrollada en
torno a un núcleo de ferrita que crea un campo magnético. El núcleo de
ferrita con el circuito magnético abierto intensifica el campo de la bobina
y lo orienta hacia la zona de medida del sensor.
Al cambiar el campo magnético se genera un campo eléctrico. Cuando
un conductor se encuentra en este campo eléctrico variable, un campo
magnético aparece en torno a las líneas del campo eléctrico (Fig. 1.5),
que contrarresta al campo magnético de la bobina y sustrae una parte
de la energía del circuito de resonancia.
El valor del factor de calidad se reduce porque las pérdidas en el circuito
de resonancia se modifican. Mientras que el conductor se encuentre
en el campo magnético de la bobina, la amplitud de la oscilación sera
amortiguada. Si se elimina el conductor, se reduce la amortiguación hasta
que la amplitud alcanza el valor inicial.
conductor
Campo magnético de
corrientes eddy
Campo magnético
de la bobina
Bobina
Amplitud
Amplitud
Núcleo
ferromagnético
Tiempo
Tiempo
Figura 1.5: Objeto metálico en el campo magnético de una bobina con el núcleo de ferrita.
10