Tipos
Sensores resistivos
Los sensores de posición resistivos, comúnmente implementados como potenciómetros, consisten en una pista resistiva a lo largo de la cual se mueve un limpiador deslizante para detectar un desplazamiento lineal o angular. El elemento resistivo suele ser una tira o bobina uniforme hecha de materiales como película de carbono, cermet o alambre bobinado para un manejo de mayor potencia, depositado sobre un sustrato aislante como una base de cerámica o plástico. En las variantes lineales, la pista es recta, lo que permite que el limpiaparabrisas se deslice a lo largo a través de un mecanismo conectado, mientras que las versiones giratorias presentan una pista circular o helicoidal donde el limpiaparabrisas gira con un eje. Este diseño de contacto mecánico permite el acoplamiento directo a la parte móvil cuya posición se está midiendo.[3][36][37]
En funcionamiento, se aplica un voltaje de CC constante a través de los extremos de la pista resistiva, creando un efecto divisor de voltaje a medida que la posición del limpiaparabrisas varía la relación de resistencia entre sus secciones. La salida es un voltaje analógico tomado del limpiaparabrisas, directamente proporcional a la ubicación del limpiaparabrisas a lo largo de la vía, proporcionando una señal continua que refleja la posición detectada. Los tipos de precisión logran errores de linealidad independientes tan bajos como ±0,1 % de la escala completa, lo que garantiza una representación precisa del desplazamiento de entrada en el rango operativo. Sin embargo, el contacto mecánico introduce problemas potenciales como el desgaste con el tiempo, aunque esto se mitiga en los modelos de plástico conductor para una vida útil prolongada.[3][38][39]
Estos sensores ofrecen rangos de medición de hasta 360° para configuraciones giratorias de una sola vuelta y rotación continua en variantes de múltiples vueltas, donde los mecanismos de engranajes permiten múltiples revoluciones sin límite. La resolución es teóricamente infinita debido a la naturaleza analógica de la salida, pero está prácticamente limitada por la granularidad del contacto del limpiador y el ruido eléctrico, a menudo equivalente a una precisión de 12 bits en aplicaciones de interfaz digital. Se utilizan ampliamente en escenarios sensibles a los costos que requieren retroalimentación de posición simple y confiable, como controles de volumen o sensores de aceleración. Inventado en 1841 por Johann Christian Poggendorff como herramienta de medición de voltaje, el diseño ha evolucionado pero sigue siendo susceptible al ruido del rebote del contacto del limpiaparabrisas durante movimientos rápidos.
Sensores inductivos
Los sensores de posición inductivos detectan desplazamiento lineal o angular a través de cambios en campos electromagnéticos inducidos por elementos conductores o ferromagnéticos en movimiento, ofreciendo medición sin contacto con alta confiabilidad en condiciones adversas. Estos sensores abarcan diseños basados en transformadores como el transformador diferencial lineal variable (LVDT) y variantes similares a resolutores, así como sistemas basados en corrientes parásitas que explotan las corrientes inducidas en los objetivos para obtener retroalimentación de posición. Su funcionamiento se basa en la ley de inducción electromagnética de Faraday, donde las variaciones en el acoplamiento magnético o la impedancia producen salidas eléctricas proporcionales.
El LVDT, un tipo de sensor inductivo de núcleo, presenta una construcción con una bobina primaria colocada entre dos bobinas secundarias idénticas, todas enrolladas en una forma cilíndrica no magnética, como un polímero reforzado con vidrio, y encapsuladas en acero inoxidable para protección. Un núcleo ferromagnético móvil, típicamente tubular y altamente permeable, se desliza axialmente dentro del conjunto de bobina sin hacer contacto con los devanados, lo que permite un movimiento sin fricción. La bobina primaria recibe excitación de CA a frecuencias de 1 a 10 kHz y voltajes de alrededor de 3 Vrms, generando un flujo magnético que se acopla a las secundarias. En la posición nula, el núcleo centra el flujo por igual, produciendo voltajes inducidos iguales y opuestos en los secundarios para una salida diferencial cero; el desplazamiento desplaza el núcleo, desequilibrando el acoplamiento y produciendo un voltaje de CA diferencial proporcional a la posición y la dirección, a menudo demodulado a CC para su procesamiento. La salida sigue Vout=k⋅xV_{out} = k \cdot xVout=k⋅x, donde kkk es la sensibilidad (por ejemplo, 100 mV/mm) y xxx es el desplazamiento.[44][42] Los rangos típicos abarcan ±25 mm con errores de linealidad de ±0,5 % de escala completa, lo que proporciona una resolución submicrónica y una vida mecánica infinita gracias al diseño sin contacto. Los LVDT exhiben una fuerte inmunidad a la humedad y las fluctuaciones de temperatura de hasta 150 °C cuando están sellados con epoxi, ya que el mecanismo inductivo evita la exposición ambiental directa a los elementos sensores. Desarrollado a mediados del siglo XX, el diseño LVDT fue patentado en 1936 por George B. Hoadley para aplicaciones telemétricas.
Una variante rotacional, el transformador diferencial variable giratorio (RVDT), adapta el principio LVDT para la medición angular al disponer bobinas alrededor de un núcleo o rotor ferromagnético giratorio, manteniendo una excitación de CA y una salida diferencial similares para la posición del eje. Los RVDT logran linealidad en rangos de hasta ±80° en configuraciones de ciclo único, con sensibilidades de alrededor de 133 mV/grado, lo que los hace adecuados para codificadores rotatorios en sistemas dinámicos.[47][48]
Los sensores inductivos de corrientes parásitas, otro subtipo clave, emplean una sola bobina integrada en un circuito oscilador de alta frecuencia (a menudo 1 MHz) integrado en la carcasa del sensor, sin partes móviles en el cabezal sensor. Cuando se acerca un objetivo conductor, el campo magnético alterno de la bobina induce corrientes parásitas en el objetivo, que generan un campo opuesto que altera la impedancia efectiva de la bobina y, por tanto, la amplitud o fase del oscilador. Este cambio se amplifica y condiciona para producir un voltaje de salida inversamente proporcional a la distancia entre el objetivo y el sensor, lo que permite una detección precisa de desplazamiento sin contacto en metales ferromagnéticos y no ferromagnéticos. Los rangos típicos se extienden desde submicrómetros hasta varios milímetros, con resoluciones de hasta nanómetros y respuestas de frecuencia de hasta 100 kHz, al tiempo que mantienen una linealidad mejor que el 0,1 % y una inmunidad a contaminantes como aceite o polvo gracias al diseño con clasificación IP67. Estos sensores destacan en entornos de alta presión (hasta 2000 bar) y temperatura extrema (-40 °C a +200 °C) a través de circuitos de compensación activos.[43][43]
Sensores capacitivos
Los sensores de posición capacitivos funcionan detectando cambios en la capacitancia causados por el movimiento relativo de un objeto objetivo dentro de un campo eléctrico, lo que permite la medición sin contacto de desplazamiento lineal o angular. Estos sensores normalmente constan de una estructura de electrodo fija y un objetivo conductor o dieléctrico que sirve como "placa" opuesta, donde la posición del objetivo altera la capacitancia efectiva entre ellos. Las construcciones comunes incluyen configuraciones de placas paralelas, donde dos placas conductoras están separadas por un espacio dieléctrico, o conjuntos de electrodos interdigitados, que presentan patrones entrelazados en forma de dedos en un solo plano para mejorar la sensibilidad para las mediciones de superficies.
En operación, la posición del objetivo modifica la capacitancia CCC, la cual se rige fundamentalmente por la relación C=εAdC = \varepsilon \frac{A}{d}C=εdA, donde ε\varepsilonε es la permitividad, AAA es el área efectiva y ddd es la distancia de separación; Este cambio se detecta mediante métodos como la medición del tiempo de carga/descarga del condensador o el cambio de frecuencia en un circuito oscilador LC. La sensibilidad SSS, definida como el cambio en la capacitancia por unidad de desplazamiento, se aproxima a ΔCΔd≈εAd2\frac{\Delta C}{\Delta d} \approx \frac{\varepsilon A}{d^2}ΔdΔC≈d2εA, destacando la dependencia del cuadrado inverso de la distancia que proporciona alta resolución en rangos cercanos. Como mecanismo sin contacto que depende de campos eléctricos, estos sensores convierten variaciones posicionales en señales eléctricas para una lectura precisa.[49][51]
El rango de medición de los sensores de posición capacitivos abarca desde micras hasta centímetros, y las aplicaciones de precisión alcanzan resoluciones de hasta niveles subnanométricos, particularmente en entornos de vacío donde se minimiza la interferencia ambiental. Estos sensores exhiben una alta sensibilidad a los materiales dieléctricos, ya que las variaciones en la permitividad del objetivo influyen directamente en la capacitancia, lo que los hace adecuados para detectar objetos tanto conductores como no conductores. Estos sensores se han empleado para mediciones de desplazamiento de alta precisión, y a menudo incorporan anillos protectores alrededor de los electrodos activos para compensar las derivas inducidas por la temperatura y garantizar la uniformidad del campo.
Sensores ópticos
Los sensores ópticos de posición detectan la posición de un objeto midiendo interrupciones o modulaciones en los haces de luz, normalmente utilizando diodos emisores de luz (LED) o láseres como fuentes y fotodiodos como detectores. Estos sensores son dispositivos sin contacto que destacan en aplicaciones de alta velocidad y alta precisión debido a la velocidad de propagación de la luz y la capacidad de lograr resoluciones finas sin desgaste físico.[54]
Una construcción común para codificadores ópticos giratorios implica un LED emparejado con una matriz de fotodiodos colocados a través de un disco codificado giratorio, donde el disco presenta segmentos transparentes y opacos que se alternan para modular el haz de luz. Para los codificadores incrementales, el disco tiene líneas radiales espaciadas uniformemente que generan trenes de pulsos a medida que el disco gira, lo que permite que el sensor cuente estos pulsos para determinar la posición relativa. Por el contrario, los codificadores absolutos utilizan un disco con un patrón codificado binario, como el código Gray, que permite la lectura directa de la posición absoluta en un solo escaneo sin necesidad de un punto de referencia.
Los sensores ópticos basados en láser, como los que emplean triangulación, consisten en un emisor láser que proyecta un haz sobre la superficie objetivo y un detector sensible a la posición (PSD) o cámara que captura la luz reflejada, con el ángulo de reflexión triangulado para calcular el desplazamiento. Estas configuraciones admiten rangos desde micrómetros hasta varios metros mediante la escala de la óptica, como el ajuste de la distancia de referencia entre el emisor y el detector, y pueden funcionar a velocidades de hasta 100.000 RPM en configuraciones giratorias. Las resoluciones en codificadores ópticos de alta gama alcanzan hasta 0,001° para mediciones angulares, limitadas principalmente por la densidad de línea en el disco de código y el procesamiento de la señal.[56][57]
Los codificadores ópticos se originaron en la década de 1960, con el primer diseño patentado por David Cronin en 1964, y evolucionaron a partir de principios fotoeléctricos anteriores para permitir un control preciso del movimiento en la maquinaria. Las variantes avanzadas, como los sensores ópticos interferométricos, logran una precisión inferior a la longitud de onda aprovechando los cambios de fase en el patrón de interferencia de la luz coherente, como los desplazamientos de un cuarto de longitud de onda (λ/4), donde λ es la longitud de onda de la luz, lo que produce resoluciones de hasta 0,1 nm mediante técnicas como la detección heterodina. Estos sensores aprovechan brevemente los principios de ondas sin contacto para medir el desplazamiento, pero se centran en la interferencia fotónica en lugar de interacciones electromagnéticas más amplias.[58][59][60]
Sensores magnéticos
Los sensores de posición magnéticos detectan la posición de un objeto midiendo variaciones en los campos magnéticos generados por imanes permanentes o electroimanes conectados al componente móvil. Estos sensores funcionan según principios sin contacto, donde los cambios en la densidad del flujo magnético se correlacionan con el desplazamiento lineal o angular, lo que los hace adecuados para entornos con polvo, suciedad o altas temperaturas que podrían afectar otros métodos de detección.[61][62]
Los sensores de efecto Hall, un tipo primario de sensor de posición magnético, utilizan una placa Hall semiconductora delgada, generalmente hecha de materiales como silicio o arseniuro de galio, donde los portadores de carga experimentan la fuerza de Lorentz en presencia de un campo magnético. Se aplica una corriente constante a través de la placa y se mide el voltaje Hall transversal resultante, que es proporcional a la intensidad del campo magnético perpendicular al flujo de corriente. La operación se basa en el efecto Hall, descubierto en 1879 por el físico Edwin Hall, quien observó esta generación de voltaje en una muestra de lámina de oro sometida a un campo magnético.[63] El voltaje Hall VHV_HVH viene dado por la fórmula
donde III es la corriente a través de la placa, BBB es la intensidad del campo magnético (que varía con la posición del imán), nnn es la densidad del portador de carga, eee es la carga del electrón y ttt es el espesor de la placa; Este voltaje indica directamente la posición a medida que el imán se mueve en relación con el sensor. Los sensores comerciales de efecto Hall surgieron en la década de 1950 con el desarrollo de materiales semiconductores como el arseniuro de indio, lo que permitió aplicaciones prácticas más allá del uso en laboratorio. Los elementos magnetorresistivos, como las tiras magnetorresistivas anisotrópicas (AMR), representan otra variante de construcción, donde los cambios de resistencia en películas delgadas ferromagnéticas detectan la dirección y la magnitud del campo para la detección de posición.[62]
Los sensores de posición magnetoestrictivos emplean una guía de ondas ferromagnética, a menudo una varilla o tubo de acero inoxidable, a lo largo de la cual viaja un imán permanente móvil para indicar la posición. Se envía un pulso de corriente de interrogación a través de la guía de ondas, creando un campo magnético axial que interactúa con el campo radial del imán de posición, produciendo un pulso de tensión torsional a través del efecto Wiedemann en la ubicación del imán. Este pulso viaja a lo largo de la guía de ondas a velocidades ultrasónicas y es detectado por un transductor piezoeléctrico en un extremo; la medición del tiempo de vuelo arroja la posición precisa.[66] Estos sensores ofrecen rangos extendidos, hasta 100 metros o más en diseños especializados, con una no linealidad típicamente inferior al 0,02 % de la escala completa, lo que garantiza una alta precisión para aplicaciones de carrera larga. El principio magnetoestrictivo para la medición de la posición lineal fue patentado en 1975 por Jacob Tellerman, quien adaptó la tecnología de línea de retardo para crear el primer dispositivo práctico.