¿Cómo trabajan los sensores inductivos?

Los sensores inductivos se usan ampliamente para medir posición o velocidad, especialmente en ambientes agresivos. Sin embargo, para muchos ingenieros, la terminología y técnica de sensores inductivos puede ser confusa. En este artículo explicamos varios tipos y los principios de operación, además de sus fortalezas y debilidades.

Los sensores de velocidad y posición inductivos vienen en una variedad de formas, tamaños y diseños. Todos los sensores inductivos trabajan según los principios del transformador y todos usan un fenómeno físico basado en las corrientes eléctricas alternas. Este fenómeno fue observado por primera vez por Faraday en 1830 cuando encontró que un conductor transportando corriente puede inducir un flujo de corriente en un segundo conductor. Los descubrimientos de Faraday fueron la base para el desarrollo de los motores eléctricos, dinamos, y por supuesto, sensores de velocidad y posición inductivos. Tales sensores incluyen interruptores de proximidad simples, sensores de inductancia variable, sensores de reluctancia variable, synchros, resolvers, transformadores diferenciales variables linealmente y rotatorios (RVDTs & LVDRs).

Varios tipos

En un sensor de proximidad el dispositivo es alimentado con energía eléctrica, que origina el flujo de corriente alterna hasta una bobina (a veces referida como bucle, bobina o devanado). Cuando un objeto permeable magnéticamente o conductor, tal como un disco de acero, se aproxima a la bobina, cambia la impedancia de la bobina. Cuando se pasa un umbral, esto actúa como señal que el objeto está presente. Los sensores de proximidad típicamente se usan para detectar la presencia o ausencia de un objeto metálico y la salida eléctrica a menudo emula un interruptor. Estos sensores se usan ampliamente en muchas aplicaciones industriales donde los contactos eléctricos en un interruptor tradicional serían problemáticos – notablemente donde está presente mucha suciedad o humedad. Podemos ver muchos sensores inductivos por ejemplo en un lavadero de coches. Los sensores de reluctancia variable e inductancia nVariable típicamente producen una señal eléctrica proporcional al desplazamiento de un objeto permeable magnéticamente o conductivo (normalmente una varilla de acero) relativo a una bobina. Como con los sensores de proximidad, la impedancia de una bobina varía en proporción al desplazamiento de un objeto relativo a una bobina energizada con una corriente alterna. Tales dispositivos normalmente se usan para medir el desplazamiento de los pistones en los cilindros – por ejemplo en sistemas neumáticos o hidráulicos. El pistón puede disponerse para pasar sobre el diámetro exterior de la bobina. Los sincronizadores miden el acoplamiento inductivo entre bobinas cuando se mueven una en relación a otra. Usualmente son rotatorias y requieren conexiones eléctricas en ambas para moverse y partes estacionarias (típicamente referidas como rotor y estator). A menudo ofrecen una exactitud extremadamente alta y se usan en metrología industrial, antenas de radar y telescopios. Los sincronizadores son notoriamente caros y son cada vez más raros hoy en día, y mayoritariamente se han visto desplazados por resolvers sin escobillas. Estos son otra forma de detectores inductivos pero las conexiones eléctricas sólo se hacen a los devanados en el estator. LVDTs, RVDTs y resolvers miden el cambio en acoplamiento inductivo entre bobinas, usualmente referidos como devanados primarios y secundarios. El devanado primario acopla energía entre los devanados secundarios pero el ratio de energía acoplado en cada uno de los devanados secundarios varía en proporción al desplazamiento relativo de un objeto permeable magnéticamente. En un LVDT, esto es usualmente una varilla metálica pasando a través del hueco del devanado. En un RVDT o resolver, esto es normalmente un rotor conformado o una pieza del polo que rota relativa al devanado dispuesto alrededor de la periferia del rotor. Aplicaciones típicas para LVDTs & RVDTs incluyen servos hidráulicos en alerones aeroespaciales, controles del sistema de combustible y motor. Aplicaciones típicas para resolvers incluyen conmutación de motores eléctricos sin escobillas. Una ventaja significativa de los sensores inductivos es que la circuitería de procesado de la señal asociada no necesita localizarse en la proximidad de las bobinas del sensor. Esto permite que las bobinas del sensor se localicen en ambientes agresivos, pudiéndose evitar otras técnicas sensoras tales como las magnéticas u ópticas que requieren electrónica basada en el silicio relativamente delicada que debe colocarse en el punto del sensor.

Aplicaciones

Los sensores inductivos se usan tradicionalmente para operaciones fiables en condiciones difíciles. Consecuentemente, son a menudo la elección automática para aplicaciones relacionadas con la seguridad, seguridad crítica y fiabilidad. Tales aplicaciones son comunes en la industria pesada, militar, aeroespacial y ferrocarril. El motivo de esta sólida reputación está relacionada con la física básica y los principios de operación, que generalmente son independientes de contactos eléctricos móviles, temperatura, humedad, agua, condensación y materias extrañas tales como suciedad, grasa o arena.

Fortalezas y debilidades

Debido a la naturaleza de los elementos de operación básicos – wound coils y partes metálicas – la mayoría de los sensores inductivos son extremadamente robustos. Dada su sólida reputación, una cuestión obvia es por qué los sensores inductivos no se usan más frecuentemente. El motivo es que su robustez física es tanto una fortaleza como una debilidad. Los sensores inductivos tienden a ser exactos, fiables y robustos, pero también grandes y pesados. Son también costosos de producir, especialmente los dispositivos de alta exactitud que requieren devanados de precisión. Además de los sensores de proximidad simples, los sensores inductivos más sofisticados son prohibitivamente caros para muchas aplicaciones.

Otro motivo de la relativa escasez de los sensores inductivos es que son difíciles de especificar para un ingeniero de diseño. Esto se debe a que cada sensor a menudo requiere que la generación AC asociada y circuitería de procesado deben ser especificadas y compradas separadamente.

Dispositivos de nueva generación

Una nueva generación de sensores inductivos ha entrado en el mercado en los últimos años y su reputación es creciente, no sólo en los mercados tradicionales, sino también en industria, automoción, aplicaciones médicas, generación de energía, ciencia y sector gasístico. Esta nueva generación de sensores inductivos usa la misma física básica que los dispositivos tradicionales pero usa circuitos impresos y electrónica digital moderna. Se abren nuevos rangos de aplicaciones para los sensores inductivos que incluyen sensores 2D y 3D, dispositivos lineales de corto alzance (<1 mm), geometrías curvilineales y encoders de ángulo de precisión alto. Zettlex tecnología es la impulsora de esta técnica de inducción de última generación.

Bibliografía

How Inductive Sensors Work.  IEN March 2013