Sensores de Posición Industrial: Codificadores Optoelectrónicos y LVDT para Medición Precisa

Codificadores Optoelectrónicos de Posición

Los codificadores optoelectrónicos de posición proporcionan información digital equivalente al desplazamiento lineal o angular de objetos móviles. Se utilizan comúnmente para medir velocidad, aceleración (lineal o angular) y posición. De acuerdo con la forma en que proporcionan la información de salida, pueden clasificarse en incrementales o absolutos.

Codificadores Absolutos de Posición

Estos codificadores suelen ser ópticos y están constituidos por un disco codificado que posee n pistas concéntricas. Estas pistas combinan zonas oscuras y transparentes, asignadas a los valores binarios "0" y "1". Las combinaciones están intercaladas de manera que cada posición angular corresponde a una combinación binaria única y diferente. Cada pista cuenta con un diodo luminiscente y un receptor (fotodiodo o fototransistor) enfrentados entre sí. El código más utilizado en estos dispositivos es el código Gray, debido a su propiedad de cambiar solo un bit entre posiciones adyacentes, lo que minimiza errores de lectura.

Codificadores Incrementales de Posición

Los codificadores incrementales generan un número de impulsos proporcional al desplazamiento. Se dividen principalmente en:

• Unidireccionales

  Poseen una sola pista codificada con zonas opacas y transparentes iguales, dispuestas de manera alternativa. Miden desplazamientos o giros en un solo sentido. Una ranura de índice adicional indica el paso del disco por la posición inicial o de referencia. La resolución de estos codificadores se calcula como 360 grados dividido por el número de ranuras.

• Bidireccionales

  Permiten la medición en ambos sentidos de giro. Se suelen implementar mediante dos pistas codificadas, desplazadas un cuarto de período (90°) una con respecto a la otra, o con una sola pista y dos fotosensores desplazados. El sentido de giro se detecta gracias al desfase de 90° entre las señales generadas por ambos fotodetectores.

  Por ejemplo:

  • Si el eje gira en sentido horario, la señal B está siempre en nivel cero cuando se produce un flanco de subida de A, y en nivel 1 cuando se produce un flanco de bajada de A.
  • Por el contrario, si el eje gira en sentido antihorario, la señal B se encuentra en un nivel 1 cuando se produce un flanco de subida en A, y en nivel 0 cuando se produce un flanco de bajada de A.

  El conteo de los impulsos puede realizarse mediante un circuito digital contador dedicado o a través de un procesador digital, como un Application Processor (AP) o un microcontrolador.

Transformador Diferencial Variable Lineal (LVDT)

El Transformador Diferencial Variable Lineal, conocido por sus siglas en inglés Linear Variable Differential Transformer (LVDT), es un elemento sensor o transductor basado en la variación de la inductancia mutua entre un devanado primario y dos devanados secundarios conectados en oposición (M2-M2’). Esta variación se produce por el desplazamiento de un núcleo de material ferromagnético que está unido a la pieza a medir.

El devanado primario es alimentado con una tensión alterna. Los devanados secundarios, al estar ubicados simétricamente con respecto al primario, y el núcleo al estar en su posición central (x=0) con respecto a los secundarios, generan una diferencia de tensiones nula. Cuando el núcleo se desplaza, la tensión en uno de los secundarios crece y la del otro se reduce en la misma magnitud, lo que da origen a una curva característica lineal de salida.

Características Destacadas del LVDT

• Ausencia de Contacto Físico: No hay contacto físico entre el núcleo móvil y la estructura que aloja los devanados, lo que lo convierte en un dispositivo sin rozamiento y permite una operación suave y precisa.
• Larga Vida Útil y Fiabilidad: Al no existir partes sometidas a desgaste, el LVDT posee una vida mecánica ilimitada y una gran fiabilidad en su funcionamiento.
• Resistencia Ambiental: El aislamiento inherente entre el núcleo y los devanados permite fabricar modelos de sensores LVDT aptos para ser utilizados en condiciones ambientales severas.
• Alta Resolución y Sensibilidad: El sensor LVDT posee una resolución muy elevada y es extremadamente sensible a desplazamientos muy pequeños del núcleo, gracias a su principio de funcionamiento inductivo. La resolución final del sistema está limitada principalmente por el circuito electrónico al que va conectado.

Ventajas y Aplicaciones del LVDT

• Los sensores LVDT alcanzan valores de sensibilidad elevados que varían linealmente tanto con la amplitud como con la frecuencia de la tensión aplicada al primario. Generalmente, operan con frecuencias entre 50 Hz y algunas decenas de KHz, y los valores de tensión no superan los 50 V eficaces.
• En el mercado, se encuentran LVDT con rangos de medida que van desde ±0.1 mm hasta ±150 mm o superiores, con precisiones que pueden superar el 0.1%.

Procesamiento de la Señal LVDT

La señal de salida de un sensor LVDT contiene la información de posición codificada en la amplitud de una onda senoidal. Por lo tanto, es una señal modulada en amplitud que requiere ser demodulada para obtener una lectura útil. Un esquema completo de un sensor LVDT incluye un circuito electrónico de acondicionamiento asociado al elemento sensor, el cual proporciona a la salida una señal analógica continua cuya amplitud es directamente proporcional al desplazamiento del núcleo.