Guía Introductoria para Sensores de Posición

1. Introducción

Este documento está destinado a ingenieros, técnicos y estudiantes – en particular para los que necesitan conseguir una curva rápida de aprendizaje y un entendimiento básico de los métodos de detección de posición y de los sensores de posición. El documento es intencionadamente corto y tiene como objeto proporcionar una visión general y no un tratado exhaustivo.

2. Terminología de los sensores de posición

A los ingenieros nos gusta utilizar una jerga técnica que nos ayuda a diferenciarnos de los simples mortales. Lamentablemente, la jerga también hace difícil que ingeniero competente de un área de la ingeniería se entienda con otro de otra área. La detección de la posición no es ninguna excepción, por lo que comenzaremos con algunas aclaraciones sobre la terminología.

En primer lugar, se encontrará con varios términos para ‘sensor’ – encoder, transmisor, detector, transductor e incluso emisor. Existen algunas diferencias, pero para la mayoría de las intenciones y propósitos podemos considerar que todos ellos son términos para referirse al mismo objeto. Utilizaremos la palabra “sensor” como término universal.

Resulta algo confuso, ya que algunos sensores – en particular, los sensores de proximidad – son realmente interruptores de proximidad debido a que determinan la presencia o ausencia de un objeto. Esto significa que producen una simple salida digital o de encendido/apagado en lugar de una medición contínua de la posición. En este documento nos centraremos en los sensores genuinos y no en los interruptores. Dicho de otro modo, los sensores que generan una señal (generalmente eléctrica) proporcional a la posición a lo largo de una ruta de medición.

Existen también numerosos términos que se refieren a la posición (lineal y giratoria) – desplazamiento, ángulo, posición angular, giratorio, rotación, lineal – de nuevo, para los fines de este documento, utilizaremos el término universal “posición” para cubrir geometrías tanto lineales como angulares

Figura 2 – Un tiro exacto (izquierda) y tiros de precisión (derecha)

Si se disparan numerosas flechas, la precisión equivale a la magnitud del agrupamiento de flechas. Si todas las flechas se agrupan juntas, el grupo se considera preciso o, dicho de otro modo, muy repetible.

Un sensor de posición perfectamente lineal es también perfectamente exacto. Para la mayoría de las aplicaciones, la linealidad puede considerarse como equivalente a la exactitud.

Por lo tanto, la cuestión parece ser muy sencilla– basta con especificar sensores muy precisos cada vez y ¿estará en lo correcto? Lamentablemente, existen algunos inconvenientes importantes con este tipo de enfoque. En primer lugar, los sensores de alta precisión son caros. En segundo lugar, los sensores de alta precisión pueden requerir una instalación cuidadosa y esto puede que no sea práctico debido a la vibración, la expansión térmica diferencial o, más probablemente, el costo. En tercer lugar, algunos tipos de sensor de alta precisión son también delicados y pueden sufrir un funcionamiento anómalo o fallos en entornos adversos.

La estrategia óptima es especificar lo que se necesita – nada más y nada menos. Por ejemplo, en un sensor de posición para un caudalímetro industrial, la linealidad no será un requisito clave, ya que es muy probable que las características del flujo de fluido sean altamente no lineales. Y lo que es más probable, la repetibilidad en condiciones ambientales variables suele ser determinante. Conviene señalar que la resolución y la repetibilidad suelen ser más importantes que la linealidad en numerosas aplicaciones de ingeniería.

En una máquina herramienta de control numérico CNC, por ejemplo, es probable que tanto la exactitud como la precisión sean un requisito clave. En consecuencia, disponer de un sensor de posición de alta precisión (linealidad), resolución y alta capacidad de repetición, incluso en entornos sucios, húmedos y con largos períodos sin mantenimiento, probablemente sean requisitos cruciales.

4. Tipos comunes de sensor de posición

Los sensores de posición se utilizan en una amplia gama de aplicaciones industriales y comerciales, desde aplicaciones aeroespaciales y militares de alta gama, hasta electrodomésticos de bajo costo para automóviles y de consumo. De hecho, después de la medición de la temperatura, la medición de la posición es la segunda propiedad más común que necesitamos medir en nuestras vidas profesionales.

Figura 3 – Los sensores de posición se utilizan en aplicaciones aeroespaciales y militares.

Actualmente tenemos a nuestra disposición una desconcertante gama de sensores de posición, así pues, ¿cómo elegir el correcto? En esta sección se describen los principales tipos de sensores y sus respectivos puntos fuertes y débiles.

4.1 Potenciómetros

Aunque existe una tendencia hacia los sensores sin contacto, los potenciómetros (‘pots’) siguen siendo los sensores de posición más comunes. Estos sensores miden una caída de tensión cuando los contactos eléctricos se deslizan a lo largo de una pista resistiva, lo que significa que la posición es proporcional a la tensión de salida. Los potenciómetros están disponibles en formas rotatorias, lineales o curvilíneas y suelen ser de tipo compacto y ligero. Un dispositivo simple nos costará unos pocos céntimos, mientras que una versión de alta precisión puede costar más de 200 dólares. Linealidades inferiores al 0,01 % son posibles mediante el recorte por láser de las pistas resistivas.

Los potenciómetros funcionan bien en aplicaciones con ciclos de servicio no exigentes, entornos no hostiles y rendimiento relajado. Lamentablemente, los potenciómetros son susceptibles al desgaste especialmente en entornos de alta vibración y/o con partículas extrañas, tales como polvo o arena, que desgastan la pista resistiva. Los dispositivos de mayor calidad tienen una larga vida útil en cuanto al número de ciclos, pero a menudo no se tiene en cuenta los efectos de la vibración.

Figura 5 – Los sensores ópticos utilizan un disco óptico para medir el ángulo

Los encoders rotatorios empaquetados están ampliamente disponibles, típicamente con 50 – 5.000 conteos por revolución y se ha constatado que funcionan bien en aplicaciones en ambientes no hostiles. Sin embargo, en entornos más hostiles, si el sistema de la lente o la rejilla se oscurece por partículas extrañas, tales como suciedad, virutas o agua, entonces las mediciones serán incorrectas.

Al seleccionar un sensor óptico es importante tener en cuenta que si se indica que el sensor tiene 1.000 conteos por revolución, esto no significa que sea preciso a 1/1000 de revolución. Tendrá que leerse con cuidado la hoja de datos del sensor, en particular en el caso de kits de encoders o encoders de anillo que requieren que el usuario realice un montaje del sensor con extrema precisión y para asegurar que no se produzca contaminación alguna.

Si el encoder tiene un disco de vidrio, la unidad tendrá una resistencia limitada a los choques.

Puntos fuertes: Alta resolución; alta precisión; alta repetibilidad; compacto; tolerancias de alineación moderadas
Puntos débiles: Robustez ambiental.

4.3 Sensores magnéticos

Todos los sensores magnéticos utilizan un principio de medición similar: cuando un imán se desplaza en relación con un detector magnético, el campo magnético cambia en proporción a su desplazamiento relativo. Una forma común es el dispositivo de Efecto Hall, disponible en forma de pastilla. A menudo se utilizan en aplicaciones de motores automotrices y eléctricos con un modesto rendimiento de medición.

Los sensores magnéticos superan gran parte de los inconvenientes asociados a los dispositivos ópticos, ya que son más tolerantes a la presencia de cuerpos extraños. Sin embargo, estos sensores rara vez se utilizan para aplicaciones de alta precisión debido a la histéresis magnética y a la necesidad de ingeniería mecánica de precisión entre las partes móviles y estacionarias. La hoja de datos de cualquier sensor magnético debe estudiarse cuidadosamente con respecto a las tolerancias de instalación, coeficiente de temperatura y temperatura de funcionamiento.

Otra consideración es la proximidad de materiales magnéticos o cables eléctricos. Los imanes pueden atraer algunas partículas extrañas y una causa de fallo operativo es la acumulación de virutas o partículas con el transcurso del tiempo. Los sensores magnéticos no se suelen elegir para aplicaciones con condiciones de impacto o choque severos, puesto que los modernos imanes de NdFeB son notoriamente frágiles.

Puntos fuertes: Bastante robusto; la mayoría de los líquidos no les afecta.
Puntos débiles: Temperatura; histéresis; necesidad de ingeniería mecánica de precisión; no proximidad de fuentes de acero/corriente continua y bajo rendimiento frente a impactos/choques.

4.4 Sensor magnetoestrictivo

Estos sensores utilizan un fenómeno inusual denominado ‘magnetoestricción’, que está presente en algunos materiales. Cuando un imán se aproxima al material, genera una energía que pasa a lo largo del material para su reflexión. La posición se puede medir a partir del tiempo que tarda un pulso de energía en desplazarse a lo largo y hacia atrás de una tira de material magnetoestrictivo – normalmente un alambre delgado o una tira.

4.5 Sensores capacitivos

Un condensador es un dispositivo eléctrico que acumula carga. Típicamente consta de dos placas conductoras separadas por un aislante. La cantidad de carga que el condensador puede almacenar varía según el tamaño de las placas, su porcentaje de solapamiento, su separación y la permeabilidad del material entre las placas. En su forma más sencilla, un sensor de posición capacitivo mide la separación de las placas. Los desplazamientos suelen ser sobre rangos inferiores a 1 mm para la medición de la carga, deformación y presión.

Otro método para detectar la posición rotatoria o lineal es el uso de una serie de placas que se cortan o se graban a lo largo del eje de medición. Cuando otra placa se desplaza a través de ellas, la capacitancia de los circuitos a lo largo del eje varía indicando así la posición relativa de las dos partes. Los sensores de posición capacitivos son poco frecuentes y rara vez se utilizan en aplicaciones relacionadas con la seguridad. Lamentablemente, así como el solapamiento de las placas, etc., la capacitancia también varía con la temperatura, humedad, materiales circundantes y la presencia de materias extrañas, lo que hace difícil la ingeniería de un sensor de posición estable y de alta precisión.

He trabajado en sensores, automatización y electrónica durante casi 30 años. Todavía estoy por conocer a un ingeniero de diseño que esté contento con su selección de un sensor de posición capacitivo. Los sensores capacitivos tienen una mala reputación entre ingenieros experimentados y es poco probable que se elijan para aplicaciones relacionadas con la seguridad. Para mayor engorro, algunos fabricantes han dejado de referirse a ‘capacitivo’ y en su lugar utilizan términos tales como almacenamiento de carga, acoplamiento de carga o efecto eléctrico. Existen numerosas circunstancias que nos pueden llevar a una selección incorrecta y lo mejor es evitarlas, a no ser que se tenga la necesidad de mediciones de alta precisión en aplicaciones muy estables y clínicas.

Puntos fuertes: Compacto; baja potencia.
Puntos débiles: Coeficientes significativos de temperatura y humedad; sensible a la presencia de materias extrañas; tolerancias de instalación muy estrictas.

4.6 Sensor inductivo tradicional

Los sensores de posición inductivos tradicionales funcionan sobre la base de principios inductivos o de transformadores y han sido utilizados durante más de 100 años. Tienen una reputación excelente en cuanto a funcionamiento seguro y fiable en condiciones adversas, lo que los convierten en una opción casi automática en numerosas aplicaciones relacionadas con la seguridad.

Los sensores de posición inductivos lineales suelen recibir el nombre de reluctancia variable o transformadores diferenciales linealmente variables (LVDTs). Las formas rotatorias se conocen como dispositivos de sincronización, resolvers o RVDTs. Los transformadores LVDTs utilizan una construcción en transformador con al menos tres devanados de cable: uno primario y dos secundarios. A medida que se desplaza la varilla, varía el acoplamiento electromagnético entre los devanados primario y secundario. La relación de las señales inducidas indica la posición de la varilla con respecto a los devanados. Esta técnica ratiométrica es clave para la alta estabilidad del LVDT y su rendimiento en la medición.

Mientras que los sensores ópticos y magnéticos requieren circuitos electrónicos adyacentes al punto de detección, los sensores inductivos pueden desplazar la electrónica lejos del área de detección, lo que permite que el sensor pueda situarse en entornos hostiles y su electrónica en otra posición menos adversa.

Sin embargo, debido a la construcción del transformador de devanados, tienden a ser grandes, voluminosos y de alto coste.

Puntos fuertes: Alta precisión; fiables; robustos; funcionamiento en entornos extremos; ampliamente disponibles.
Puntos débiles: Alto coste; voluminoso; pesado.

4.7 Sensores inductivos de nueva generación o Incoders

Los sensores inductivos de nueva generación – con frecuencia denominados incoders – utilizan los mismos principios que los sensores inductivos tradicionales, por lo que ofrecen un buen rendimiento de medición sin contacto en entornos adversos. Sin embargo, en lugar de utilizar bobinas voluminosas de cable, estos sensores utilizan circuitos impresos sobre substratos flexibles o rígidos.

La transición a los devanados impresos aporta otras ventajas específicas:

• Una gran reducción en los costes de producción, tamaño y peso
• Mayor flexibilidad en lo que a su forma se refiere
• Erradicación de fuentes de imprecisión causadas por el proceso de bobinado
• Geometrías de medición complejas, tales como la detección de posición curvilínea, en 2D y 3D
• Se pueden poner múltiples sensores en el mismo espacio utilizando placas de circuito impreso multicapa (p.ej., sensores redundantes en aplicaciones relacionadas con la seguridad).

El rendimiento de EMC es, por lo general, tan bueno como el de los resolvers o transformadores LVDTs. Esto se evidencia por la creciente selección de dispositivos inductivos de nueva generación para aplicaciones aeroespaciales y militares.

Puntos fuertes: Alta precisión; fiable; robusto; geometrías múltiples; compacto; ligero.
Puntos débiles: Más caros que los potenciómetros

5. Errores comunes

A continuación, se facilita una lista de los errores más comunes que los ingenieros cometen con respecto a los sensores de posición:

No calcular el costo del fallo del sensor. Todos los ingenieros desean seleccionar una solución de bajo costo. Esto no es lo mismo que simplemente seleccionar el sensor de menor costo. Como regla general, el costo del fallo del sensor en el campo de aplicación va resultar más problemático y muchas veces va a tener un coste varias veces más elevado que el de un sensor de posición. Dicho de otro modo, la mejor solución y de menor coste global suele ser seleccionar un sensor que no falle. Además, también ha de considerarse la naturaleza del fallo. Un sensor que funciona mal o que deja de funcionar, suele ser mucho menos problemático y costoso que un sensor que falla y proporciona una lectura creíble pero incorrecta. Las consecuencias de una lectura incorrecta del sensor en términos de costo y seguridad, pueden ser incluso mayores que las de un sensor que simplemente deja de funcionar o que avisa de la existencia de un error.

No entender la diferencia entre repetibilidad, resolución y precisión. Es conveniente que se vuelva a leer el apartado 3 y se asegure de haber entendido estos principios básicos. Debe evitar cometer el error (frecuentemente propagado por la industria de los sensores de posición) de confundir resolución con precisión. Sólo porque un encoder óptico le ofrezca un millón de conteos por revolución no significa que sea exacto para una millonésima de una revolución – está lejos de serlo. Por el contrario, la capacidad de repetición es a menudo el requisito clave en numerosas aplicaciones de ingeniería y no es necesario especificar sensores de alta precisión (y, por lo tanto, de alto costo).

Tipo de sensor y entorno no coincidentes. El hombre ha ideado formas de aprovechar la mayor parte de los fenómenos físicos básicos para medir la posición utilizando técnicas ópticas, magnéticas, capacitivas, resistivas e inductivas. Cada técnica tiene sus propios puntos fuertes y débiles. Por regla general, no seleccione:

• Sensores resistivos (potenciométricos), ópticos o capacitivos para entornos sucios o húmedos. La condensación y el hielo superficial en equipos en exteriores es causa común de fallo operativo.
• Sensores ópticos, magnéticos o capacitivos en aplicaciones con temperaturas de funcionamiento extremas (en su mayoría no funcionarán a una temperatura superior a 125ºC)
• Sensores magnéticos a los que se les se requiere un alto rendimiento de medición, a menos que también sea posible erradicar los campos magnéticos y disponer de un montaje mecánico de precisión del sensor.
• Potenciómetros en aplicaciones con vibraciones perjudiciales o prolongadas. Esta circunstancia se debe a que sus contactos eléctricos deslizantes están sujetos al desgate y al fallo causados por los numerosos movimientos microscópicos inducidos por vibración.

Inferir una medida en lugar de medir directamente. Una regla de buen diseño para sensores de posición es medir la posición del objeto en el que se está interesado. Dicho de otro modo, medir su posición directamente. Hay que tratar de no inferir o calcular la posición de un componente mediante la medición de la posición de otro componente, como puede ser un engranaje en el extremo de la línea de transmisión o la posición de un motor de accionamiento. Es probable que existan holguras, espacios libres, variabilidad de parte a parte, fallo mecánico, expansión/contracción térmica diferencial, etc., que degradarán inevitablemente la fiabilidad y el rendimiento de la medición.

Olvidar cables y conectores. Los cables y conectores son causa principal de fallo en el sensor. Es preciso estar seguro de que se han tenido en cuenta en el diseño y en particular, el hecho de que los cables producen un alivio de la deformación en aplicaciones que experimentan movimiento, choque o vibración.

No leer la letra pequeña de la hoja de datos de un sensor. La industria de los sensores de posición es muy competitiva. Lamentablemente, esta circunstancia ha llevado a algunos fabricantes a actuar de forma demasiado comercial en relación con los datos de la especificación. Con frecuencia se salen con la suya porque la industria también sabe que muchos ingenieros no habrán leído un documento  como éste. La consecuencia es que los sensores serán dados a conocer, a modo de ejemplo, con una resolución de 10.000 conteos por revolución – pero no hacen mención alguna de la precisión. Otro ejemplo son los sensores con una resolución impresionantemente alta, pero con mucha menos repetibilidad – dicho de otro modo, mucha resolución, pero también mucho ruido en la salida del sensor. El truco para no caer en el engaño de las cifras principales de una hoja de datos es precisamente leer su letra pequeña.

6. Cómo especificar un sensor de posición

El primer y más importante paso en la elección de un sensor de posición para su proyecto es tener absolutamente claro lo que necesita, en especial, todo lo relativo a resolución, capacidad de repetición y linealidad del sensor. Especificar en exceso cualquiera de estos atributos causará un gasto innecesario. La solución está en dar con un sensor que se ajuste a nuestros propósitos con un coste globalmínimo – recordando incluir en su propio análisis la tolerancia para el fallo.

A continuación facilitamos una lista de verificación que puede utilizar para asegurarse de que ha considerado todos los aspectos importantes de su especificación. Si usted facilita esta lista a un Proveedor de sensores de posición, junto con un dibujo mecánico de la envolvente, le aportará también una base sólida para sus discusiones:

1. Geometría – a modo de ejemplo, lineal o rotatoria o curvilínea o en 2D o en 3D
2. Envolvente espacial – puntos de fijación mecánicos, enrutamiento de cables y espacio envolvente
3. Tipo de medición – incremental o absoluta
4. A gran escala – a modo de ejemplo, 360 grados o 600 mm
5. Resolución – dicho de otro modo, el cambio más pequeño que debe medirse – por ejemplo, 0,1 grados o 0,2 mm
6. Repetibilidad – en otras palabras, la estabilidad de la medición al volver al mismo punto – a modo de ejemplo, repetibilidad = +/- 0,025 mm
7. Linealidad – la desviación máxima admisible de una lectura perfectamente exacta. Es posible que quiera reflexionar cuidadosamente sobre esta cuestión, ya que, en la mayoría de los casos, nos hemos dado cuenta de que lo más importante para muchas aplicaciones es precisamente la repetibilidad.
8. Intervalo operativo de temperatura y almacenamiento – -40 + 85 Celsius es el intervalo más típico
9. Alimentación eléctrica – a modo de ejemplo, 5 V, 12 V o 24 V
10. Salida eléctrica– por ejemplo, datos en serie, pulsos A/B, 0-10 V, 4-20 mA
11. Cosas inusuales – tales como: “deseamos mantener el consumo de energía tan bajo como sea posible” o “es para inmersión en ácido sulfúrico caliente” o “estamos utilizando un dispositivo capacitivo y tenemos problemas de fiabilidad”.