Sensores de aceleracin y de vibraciones

Magnitudes de medicinLos sensores de aceleracin y de vibraciones son apropiados para la regulacin contra la detonacin (picado) en motores de combustin interna, tambin sirven para activar sistemas de proteccin de los pasajeros (airbag, tensores de cinturn, arco contra el vuelco) y para detectar aceleraciones en las curvas y variaciones de velocidad en vehculos de traccin integral equipados con el sistema antibloqueo ABS o el programa electrnico de estabilidad ESP, o con un sistema de regulacin del tren de rodaje.La magnitud de medicin es la aceleracin "a", que con frecuencia se indica como mltiple de la aceleracin de la gravedad "g" (1g = 9,81 m/s2) para valores tpicos de los automvilesSensores de aceleracin y de vibraciones

AplicacinCampo de medicin

Regulacin contra la detonacin1....10g

Proteccin de los pasajeros- Airbag, tensor de cinturn- Arco contra el vuelco- Bloqueador de cinturn50g4g0,4g

ABS, ESP0,8g.....1.2g

Regulacin del tren de rodaje:- Carrocera- Eje1g10g

Principios de medicinTodos los sensores de aceleracin miden en principio, con arreglo a la ley fundamental de la mecnica, las fuerzas F, ejercidas por la aceleracin "a" sobre las masas (inertes) "m", sea ya de modo nicamente dinmico (sensores de vibraciones) o tambin esttico:F = m aComo en el caso de medicin de una fuerza, existen sensores que miden un desplazamiento y otros que miden esfuerzos mecnicos.El encapsulamiento en estos sensores tiene una importancia decisiva para la calidad de la deteccin. En su funcin de sensores de inercia detectan la magnitud de medicin sin la menor comunicacin con el exterior; puede encapsularse pues fcilmente de modo hermtico. Han de disponer, sin embargo, de medios apropiados para un acoplamiento mecnico lo mas rgido posible al cuerpo a medir, pues elementos intermedios adicionales elsticos o sueltos alteraran considerablemente la medicin. Este acoplamiento rgido y fijo no debe dar lugar, sin embargo, a que las posibles dilataciones trmicas del cuerpo a medir se transmitan p.ej. al sensor, lo que podra influir en el valor medido.Hay que tener en cuenta que los sensores piezoelctricos tienen una alta resistencia interior, es recomendable instalar un primer amplificador desacoplador directamente junto al sensor (a ser posible incluso dentro de una caja hermtica comn), para detectar la tensin de salida. Largos cables de alimentacin alteran la seal, tanto por su capacidad parsita (divisor de tensin) como por su resistencia efectiva parsita.Ejemplo de sensores de aceleracin: Sensores de aceleracin de efecto Hall. Sensores de aceleracin piezoelctricos Sensores de aceleracin micromecnicosSensores de aceleracin de efecto Hall.AplicacinLos vehculos equipados con el sistema antibloqueo ABS, el control de traccin ASR, una traccin integral o con el programa electrnico de estabilidad ESP disponen, adems de los sensores de velocidad de giro de las ruedas, de un sensor de aceleracin de efecto Hall para la medicin de las aceleraciones longitudinal y transversal del vehculo (referido al sentido de marcha, segn la posicin de montaje).Para su correcto funcionamiento y debido a su funcin en el sistema, es conveniente que este sensor est instalado lo ms cerca posible del centro de gravedad del vehculo.Su misin es la de detectar si existen fuerzas laterales que traten de sacar el vehculo de la trayectoria deseada y detectar su intensidad. Este detector es muy sensible y delicado, por lo que puede sufrir daos con facilidad.

EstructuraEl sensor de aceleracin de efecto Hall utiliza un sistema masa-resorte de fijacin "elstica".Est constituido por un resorte en forma de cinta puesto de canto (3), fijado por uno de sus extremos. En el extremo libre opuesto est colocado un imn permanente (2) en funcin de masa ssmica (que se mueve). Sobre el imn permanente se encuentra el verdadero sensor de efecto Hall (1) con la electrnica de evaluacin. Debajo del imn hay colocada una plaquita de amortiguacin (4) de cobre.

FuncionamientoAl estar sujeto el sensor a una aceleracin transversal al resorte, la posicin de reposo del sistema masa-resorte cambia. Su desplazamiento es un parmetro especfico de la aceleracin. El flujo magntico "F" ocasionado por el movimiento del imn genera una tensin Hall UHen el sensor de efecto Hall. La tensin de salida UAresultante de ello y procedente de la electrnica de evaluacin aumenta linealmente con la aceleracin (figura inferior, campo de medicin aprox. 1 g).El sensor est concebido para un reducido ancho de banda de algunos Hz (herzios) y posee una amortiguacin electrodinmica.

Sensores de aceleracin realizados por micromecnica de superficieAplicacinLos sensores de aceleracin realizados por micromecnica de superficie y destinados a los sistemas de retencin de pasajeros detectan los valores de aceleracin de un choque frontal o lateral y provocan la activacin de los tensores de cinturn, el disparo de los airbag y la actuacin del arco antivuelco.

Estructura y funcionamientoEstos sensores, utilizados primero para detectar altas aceleraciones (50 a 100 g) en sistemas de proteccin de pasajeros, son tambin apropiados para medir aceleraciones de reducida intensidad. Comparados con los sensores de silicio realizados por micromecnica de volumen, son mucho ms compactos y estn alojados junto con la electrnica de evaluacin (ASIC) en una caja estanca al agua. Su sistema de masa-resorte est montado sobre la superficie de la plaquita de silicio por un procedimiento aditivo.La masa ssmica, cuyos electrodos tienen la forma de un peine, est suspendida elsticamente dentro de la clula de medicin. A ambos lados de esos electrodos mviles hay colocados sobre el chip electrodos fijos, asimismo en forma de peine (6). Esta disposicin de electrodos fijos y mviles corresponde a una conexin en serie de dos condensadores diferenciales C1y C2(capacidad de la estructura de peine, aprox. 1 pF) . A los bornes de estos condensadores se aplican tensiones alternas de fases opuestas, cuya superposicin es detectada en el punto CM(capacidad de medicin) entre los condensadores, o sea, en la masa ssmica.Como la masa ssmica est suspendida de resortes (2), una aceleracin lineal a en el sentido de deteccin ocasiona una variacin de la distancia entre los electrodos fijos y mviles y, por consiguiente, una variacin de capacidad en los condensadores C1y C2. De ello resulta una variacin de la seal elctrica que en la electrnica de evaluacin (ASIC) es amplificada, filtrada y digitalizada para su transmisin a la unidad de control de los airbag. Por razn de la reducida capacidad de aprox. 1 pF, la electrnica de evaluacin est integrada directamente en el sensor sobre el mismo chip o estrechamente unida al sensor. Es posible la realizacin de sistemas reguladores de posicin con vuelta electrosttica al estado inicial.

El circuito de evaluacin dispone tambin de una compensacin de desviaciones del sensor y de una autodiagnosis durante la fase de puesta en funcionamiento. Para la autodiagnosis, unas fuerzas electrostticas provocan el desplazamiento de la estructura en forma de peine y simulan as el proceso que tiene lugar durante la aceleracin en el vehculo.

Existen tambin sensores micromecnicos "dobles", utilizados p. ej. en el programa electrnico de estabilidad ESP para la regulacin de la dinmica de marcha (figura inferior). Estn constituidos en realidad por dos sensores individuales. Un sensor de convolucin (sensor de viraje o derrapaje) y un sensor de aceleracin micromecnicos forman un mdulo compacto. De ese modo se reduce el nmero de componentes y de lneas transmisoras de seales. Adems, se necesitan menos puntos de fijacin y espacio de montaje en el vehculo.

Sensores de picado piezoelctricosAplicacinLos sensores de picado son por su principio de funcionamiento sensores de vibraciones; son muy a propsito para detectar vibraciones debidas a ruidos de impacto. Estas pueden presentarse en el motor de un vehculo en caso de combustin incontrolada y se conocen bajo el nombre de "picado". El sensor convierte las vibraciones en seales elctricas y las transmite a la unidad de control. En general, los motores de 4 cilindros en lnea son equipados con un solo sensor de picado, los motores de 5 6 cilindros con dos sensores, los motores de 8 12 cilindros con dos sensores o ms. Se conmutan en funcin del orden de encendido.

Estructura y funcionamientoPor razn de su inercia, una masa ejerce fuerzas de presin al ritmo de las vibraciones incitantes sobre un elemento piezocermico de forma anular. Estas fuerzas provocan una transferencia de carga dentro del elemento de cermica: entre los lados superior e inferior de este elemento se origina una tensin elctrica que es tomada por discos de contacto y procesada subsiguientemente en la unidad de control. La sensibilidad corresponde a la tensin de salida por unidad de aceleracin [mV/g].

Las tensiones transmitidas por el sensor son evaluables por medio de un amplificador de tensin alterna de alta impedancia, p. ej. en la unidad de control del sistema de encendido o en la del sistema de gestin del motor Motronic..Montaje adosadoEl 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 seales generadas (vibraciones debidas a los ruidos de impacto) puedan ser transmitidas directamente, sin resonancia y de acuerdo con la caracterstica seleccionada, del punto de medicin en el bloque motor al sensor fijado con un tornillo, es conveniente que: el tornillo de fijacin est apretado con un par definido, la superficie de contacto y el taladro en el motor presenten la calidad prescrita, no se utilice ninguna arandela simple o elstica para asegurar el sensor.

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Introduccin Al Giroscopio.Posted by:5Hertzon 21/02/2014inArduino3 Comments2,044 views0Los giroscopios, o girmetros, son dispositivos que miden o mantienen el movimiento de rotacin. MEMS (sistemas microelectromecnicos) giroscopios son pequeos sensores, de bajo costo para medir la velocidad angular. Las unidades de velocidad angular se miden en grados por segundo ( / s) o revoluciones por segundo (RPS). La velocidad angular es simplemente una medida de la velocidad de rotacin.

Giroscopios similares al anterior, se pueden utilizar para determinar la orientacin y se encuentran en la mayora de los sistemas de navegacin autnomos. Por ejemplo, si desea equilibrar un robot, un giroscopio puede ser usado para medir la rotacin de la posicin de equilibrio y enviar correcciones a un motor.Contenido:1. Introduccin.1.1 Cmo funciona un girmetro?.1.2 Cmo funciona el giroscopio MEMS para detectar la velocidad angular?.2. Como conectarse a un giroscopio.2.1 Interfaz de comunicaciones.2.2 Potencia.3. Como seleccionar un giroscopio.3.1 Alcance.3.2 Sensibilidad.3.3 Offset.3.4 Tabla comparativa de algunos girmetros.4. Como conectar un girmetro (giroscopio) al arduino.4.1 Programacin.

1.1 Cmo funciona un girmetro?.Cuando un objeto gira alrededor de un eje obtiene algo llamado velocidad angular. Una rueda que gira puede ser medida en revoluciones por segundo (RPS ) o grados por segundo ( / s ) .

Tenga en cuenta que el eje z del giroscopio a abajo se alinea con el eje de rotacin en la rueda.

Si conecta el sensor a la rueda que se muestra ms arriba , se puede medir la velocidad angular del eje z del girscopo. Los otros dos ejes no son capaces de medir esa velocidad.Imagnese si la rueda gira una vez por segundo . Se tendra una velocidad angular de 360 grados por segundo . La direccin de giro de la rueda tambin es importante, si es en sentido horario alrededor del eje , o va hacia la izquierda.Un giroscopio MEMS de 3 ejes , similar a la que se muestra arriba en la imagen (ITG-3200), puede medir la rotacin en torno a tres ejes : X, Y , y Z . Algunos giroscopios vienen en variedades de eje simple y doble, pero el giroscopio de tres ejes en un solo chip son cada vez ms pequeo, menos costoso y ms popular.Los giroscopios se utilizan a menudo en los objetos que no estn girando muy rpido del todo. Las aeronaves (con suerte) no giran. En se lugar giran unos pocos grados en cada eje . Mediante la deteccin de estos pequeos cambios los giroscopios ayudan a estabilizar el vuelo de la aeronave. Adems, tenga en cuenta que la aceleracin o la velocidad lineal de la aeronave no afecta a la medicin del girscopo. Los giroscopios slo miden la velocidad angular.

1.2 Cmo funciona el giroscopio MEMS para detectar la velocidad angular?.

Funcionamiento interno de un sensor giroscpico MEMS.El sensor MEMS dentro de un giroscopio es muy pequeo ( entre 1 a 100 micrmetros , el tamao de un cabello humano ). Cuando se hace girar el giroscopio, una pequea masa de resonancia se desplaza con los cambios de velocidad angular. Este movimiento se convierte en seales elctricas de muy bajas corrientes que se pueden amplificar para ser ledas por un microcontrolador.

2. Cmo conectarse a un giroscopio.Las conexiones de hardware principales para usar un giroscopio son una interfaz de comunicacin y el poder . Como siempre, consulte la hoja de datos del sensor para la totalidad de la informacin sobre las especificaciones y ejemplos de conexiones.

2.1 Interfaz de comunicaciones.Giroscopios pueden tener ya sea una interfaz de comunicacin digital o analgica.Giroscopio con una interfaz digital por lo general usan el SPI o protocolos de comunicacin I2C. El uso de estas interfaces permite una conexin fcil a un microcontrolador. Una de las limitaciones de una interfaz digital es la velocidad de muestreo mxima. El I2C tiene una frecuencia de muestreo mximo de 400 Hz. El SPI, por otro lado, puede tener una frecuencia de muestreo mucho ms alta .Giroscopios con una interfaz analgica representan la velocidad de rotacin con un voltaje variable, por lo general entre tierra y la tensin de alimentacin. Un ADC en un microcontrolador puede ser utilizado para leer la seal. Giroscopios analgicos pueden ser menos costoso y, a veces ms preciso, dependiendo de cmo se est leyendo la seal analgica.

2.2 Potencia.Giroscopios MEMS son generalmente dispositivos de baja potencia. la corriente que consumen estn en mA y, a veces en el rango de A. La tensin de alimentacin para giroscopios es generalmente 5V o menos. Giroscopios digitales pueden tener voltajes lgicos seleccionables o funcionar a la tensin de alimentacin. Para cualquier interfaz digital, recuerde conectar 5V a lneas de 5V y 3.3V a lneas de 3.3V. Tambin, giroscopios con interfaces digitales pueden tener modos de alimentacin y de sueo tan bajos que les permiten ser utilizados en aplicaciones que funcionan con batera. A veces esto es una ventaja sobre un giroscopio analgico.

3. Cmo seleccionar un giroscopio.Hay muchas especificaciones a tener en cuenta al seleccionar un giroscopio. Aqu estn algunos de los ms importantes los:

3.1 Alcance.El rango de medicin, o rango de escala completa, es la velocidad angular mxima que el giroscopio puede leer.

3.2 Sensibilidad.La sensibilidad se mide en mV por grado por segundo ( mV / / s ) . No deje que la dimensin extraa de este valor te asuste . Se determina la cantidad de los cambios de voltaje para una velocidad angular dada. Por ejemplo , si se especifica un giroscopio con una sensibilidad de 30 mV / / s y se ve un cambio de 300 mV en la salida, esto quiere decir que el giroscopio rota a 10 / s .Una buena regla para recordar : si la sensibilidad aumenta, el margen disminuye. Por ejemplo, mire la hoja de datos del girscopo LPY503 o cualquier giroscopio con un rango seleccionable :

Tenga en cuenta que con un rango mayor, la sensibilidad disminuye y se obtiene menos resolucin.

3.3 Off set.Al igual que con cualquier sensor, los valores que son medidos contendrn cierta cantidad de error o corrimiento. Usted puede ver el corrimiento midiendo la salida cuando el giroscopio se encuentre esttico. Aunque se podra pensar que se vera 0/s, siempre se ver un ligero error distinto de cero en la salida. Estos errores son a veces llamados desplazamiento de la polarizacin. La temperatura del sensor afecta en gran medida el error. Para ayudar a minimizar el origen de este error, la mayora de los giroscopios han incorporado un sensor de temperatura. Por lo tanto , usted es capaz de leer la temperatura del sensor y corregir cualquier temperatura o cambios dependientes. Con el fin de corregir estos errores, el girscopo debe ser calibrado. Esto se hace generalmente al mantener el giroscopio quieto y reduciendo a cero de todas las lecturas en el cdigo.

3.4 Tabla comparativa de algunos de los girmetros ms usados.Nota: estos dispositivos estarn prximamente en tienda.

DispositivoEjesRangoInterfazRequerimientos de energaCaractersticas

IDG12152 (X,Y)67/sAnalgica3V100A-Incluye amplificador y filtro paso bajo.

LPR503AL2 (X,Y)30/s120/sAnalgica2.7V a 3.6 V 6.8 mA- Filtro paso bajo.- SEFL-TEST.- Power down.

LPR5150AL2 (X,Y)1500/s6000/sAnalgica2.7V a 3.6 V 6.8 mA- Filtro paso bajo.- SEFL-TEST.- Power down.

ITG32003 (X,Y,Z)2000/sDigital I2C-16 bits2.1V a 3.6V 6.5 mA- Filtro paso bajo programable.- Sensor de temperatura.

MPU-60503 acelermetro (X,Y,Z)3 girmetro(X,Y,Z)250, 500, 1000, and 2000/sec2g, 4g, 8g and16gDigital I2C2.375V-3.46VG-3.6 mAA- 500A- Filtro paso bajo programable.- Deteccin de orientacin.- Interrupciones programables.- Deteccin de cada libre.- SEL-TEST.- Deteccin de golpe.

LPY503AL2 (X,Z)30/s120/sAnalgica2.7 V a 3.6 V6.8mA- Filtro paso bajo.- SEFL-TEST.- Power down.

MPU-30503 (X,Y,Z)250, 500,1000, and 2000/secDigital I2C2.1V a 3.6V 6.1 mA- Interrupciones programable soporta caractersticas tales como el reconocimiento de gestos, paneo, deteccin de cero movimiento, deteccin de golpe y sacudida.- Filtro paso bajo programable.- Funcionalidad podmetro.

MPU-60003 acelermetro (X,Y,Z)3 girmetro(X,Y,Z)250, 500, 1000,and 2000/sec2g,4g, 8g and16gDigital I2C2.375V-3.46VG-3.6 mAA- 500A- Filtro paso bajo programable.- Deteccin de orientacin.- Interrupciones programables.- Deteccin de cada libre.- SEL-TEST.- Deteccin de golpe.

MAX-210003 (X,Y,Z)31.25/62.50/125/250/500/1k/2k /sDigital I2C,SPI1.71V a 3.6V 5.4 mA-Filtro paso bajo programable.(Interrupciones programable)

BMG1603 (X,Y,Z)125/s a 2000/sDigitalI2C, SPI2.4V a 3.6V 5mA- Filtro paso bajo.- Sensor de temperatura.