Sensores de velocidad y longitud

El principio de medición de velocidad sin contacto es bastante sencillo. La «herramienta» más primitiva son sus ojos. Cualquier persona puede evaluar la velocidad de movimiento con un vistazo rápido a través de la ventanilla de un vagón de tren o de un automóvil. El cerebro procesará la señal evaluando la distancia a un objeto determinado y su velocidad angular o simplemente la experiencia vital. Los sensores se utilizan para evaluar los mismos parámetros, pero con mayor exactitud.

Consideremos primero el sensor láser por su diseño más sencillo. Para ello es necesario disponer de un objeto en movimiento, una fuente de luz (de lo contrario no se puede ver nada) y un sistema óptico representado por una lente y un fotodetector para registrar la señal reflejada. La superficie del objeto es irregular en términos de color y acabado, por lo que cuando se mueve, el fotodetector registra una frecuencia de señal que es proporcional a la velocidad. El valor típico de esta frecuencia se define por el tamaño lineal del área de registro del fotodetector y el período de tiempo requerido para que un objeto cruce esta área. Así, la tarea puede considerarse resuelta, sin embargo la exactitud deja mucho que desear. El sistema óptico registra la denominada señal de baja frecuencia. Para aumentar la exactitud de medición es necesario estrechar el espectro de frecuencia generado por un objeto en movimiento. Esto puede implementarse mediante un filtro espacial (término relacionado con los sensores ópticos de trama). Sin embargo, el sensor láser se utiliza para crear un patrón de franjas (interferencia), es decir, una modulación periódica de la iluminación del objeto dentro del haz láser (área de detección). Esto es posible gracias a la propiedad de coherencia de la radiación láser, ya que todos los fotones están en fase en un haz. El haz inicial debe dividirse en dos haces que después se recombinan formando un ángulo entre sí. En este caso formará un filtro espacial.

Ahora, cualquier cambio en el perfil o el color del objeto que cruce este filtro estructural generará una señal reflejada con una intensidad modulada con la siguiente frecuencia: periodo de iluminación — velocidad de cruce. El espectro de la señal se estrecha en función del número de periodos generados (cuantos más periodos, más estrecho es el espectro). Una alteración singular del perfil o del color generará no solo un pulso, sino una mayoría de pulsos (grupo de pulsos), cuyo número está definido por un número de periodos del patrón de franjas. Por ejemplo, en la práctica, un diámetro de haz de 5 mm y un periodo de franja de 0,05 mm generarán 100 haces y, en consecuencia, grupos de pulsos. Teniendo en cuenta que el espectro se estrechó aproximadamente 100 veces en comparación con la señal de baja frecuencia mencionada anteriormente, esta señal es ahora deficiente, intermitente y se denomina señal falsa. Cabe señalar que normalmente bastan 20-30 haces para obtener una exactitud de medición de hasta 0,1% o superior.

En el caso de los sensores ópticos, el objeto se ilumina mediante una fuente de luz uniforme (una bombilla o un LED) y en el interior del sensor se sitúa una textura (patrón) periódica. Esto crea una protección adicional para el patrón (un claro ejemplo sería un trineo frente a un bobsleigh), aunque conlleva numerosos problemas, incluida la respuesta en frecuencia (factor de proporción entre la frecuencia de la señal registrada y la velocidad del objeto en Hz/m(m/s)), que depende de la distancia al objeto. Adelantándonos, cabe señalar que este problema ya se ha resuelto de forma eficaz.

El análisis detallado del funcionamiento de los sensores de velocidad láser y ópticos (métodos de generación de filtros espaciales, métodos de procesamiento de señales, etc.) puede encontrarse en una monografía*. La parte teórica se expone a lo largo de doscientas páginas. No obstante, no existe ninguna guía práctica disponible para la fabricación del sensor que deba funcionar en condiciones reales y adversas (como grandes variaciones de temperatura, diversas superficies o alteraciones de distancia durante el proceso de medición).

En el mundo existen pocos fabricantes reales de sensores sin contacto. Hay alrededor de 10 fabricantes de sensores láser y menos de 10 fabricantes de sensores ópticos. En este artículo analizaremos sensores de ambos tipos.

Principales características de diseño de los sensores. En el sensor láser se utilizó una unidad monobloque óptica original basada en el principio de división del haz por frente de onda. Proporciona un patrón de franjas estable que es resistente a las variaciones de temperatura y tiene una diferencia nula en el recorrido del haz, lo que da como resultado un rango máximo de separación de los haces dentro de un amplio rango de distancia al objeto. Además, no se requiere ajuste del bloque óptico. El diagrama óptico del sistema de patrón de recepción del sensor elimina por completo la dependencia de la velocidad medida respecto de la distancia al objeto, conservando así una elevada potencia de iluminación óptica.

También se utilizan microcircuitos y microcontroladores de última generación con procesadores de señal para el procesamiento de señal por hardware en los productos electrónicos analógicos receptores, lo que permite la medición exacta de velocidad a alta frecuencia e implementar diversas señales de salida analógicas, de frecuencia y digitales. Se fabrica una amplia gama de sensores de ambos tipos con una distancia nominal al objeto de 15 a 130 cm y un rango de velocidad medida de 0,01 a 100 m/s para su aplicación industrial en vehículos (véase ISD-3 e ISD-5 para una descripción detallada).

Tenga en cuenta que ambos sensores miden el kilometraje (la longitud que se requiere en la práctica) según la velocidad medida (integral de la velocidad respecto al tiempo). Dicho esto, la exactitud de medición alcanzable (es decir, la capacidad del sensor en términos de frecuencia de medición) ha alcanzado su límite práctico y, de hecho, supera las necesidades requeridas. Por ello, los datos técnicos especifican una exactitud de medición de longitud inferior al 0,1%. No obstante, este parámetro depende de la longitud en sí y de la posibilidad de comprobar esta exactitud de forma independiente (como puede verse en los ejemplos que se dan a continuación, aunque las mediciones reales pueden ser mucho más exactas). En consecuencia, el énfasis principal debe ponerse en la fiabilidad de las mediciones, es decir, el equipo debe estar libre de fallos en diferentes condiciones y tipos de superficie.

Y un par de comentarios más relacionados con la medición de distancia en tareas industriales estándar. Supongamos que hay un objeto en movimiento de gran longitud (banda metálica, placa de vidrio, tela, etc.) que debe cortarse en piezas de una longitud determinada. El sensor debe enviar una señal a un actuador cuando se alcanza este valor. Supongamos que hay una salida digital (Ethernet, USB) que puede utilizarse para la lectura de la longitud de medición actual. Por ejemplo, el incremento de los datos de longitud actual (1 m/s)/(0,02 sec) = 2 cm a una frecuencia de medición igual a 50 Hz y una velocidad del objeto de 1 m/s. Pero esto podría no ser suficiente. Sin embargo, existe una salida de pulsos de longitud con una relación de 1000 Hz por 1 m/s o 1000 pulsos por metro. Esta frecuencia de salida se actualiza 50 veces por segundo, es decir, el incremento de distancia medido debe ser igual a 1 mm a cualquier velocidad. Obviamente, este parámetro puede ajustarse para 10 mil pulsos por metro y, en otras palabras, la exactitud de la medición de longitud realizada por estos sensores se considera perfecta, mientras que la exactitud final está limitada únicamente por las especificaciones de la herramienta de corte.

A continuación se presentan algunos ejemplos de aplicación de sensores con evaluación de la exactitud y la frecuencia de medición.

Prueba de aplicación del sensor láser ISD-5 en la carretera.

La altura aproximada de instalación del sensor es de 50 cm (límite admisible de 35 a 65 cm). La frecuencia de medición es de 54,2 Hz, el rango de medición de velocidad es de 0,02–110 km/h. El vehículo con los sensores instalados se desplazaba sobre un trazado circular de 1 km de longitud (en vía urbana, durante un día soleado, a una temperatura ambiente de -7 °C). El vehículo se desplazaba a velocidad variable (0–50 km/h) con varias paradas. Los resultados de medición se definieron según tres vueltas — 1055,740 m, 1056,244 m y 1055,33 m, es decir, la frecuencia de medición fue inferior al 0,05 % teniendo en cuenta que el recorrido no se repitió de forma perfecta.

Fig. 1. Sensor óptico ISD-3 y sensor láser ISD-5 acoplados a un vehículo para una prueba de marcha.

Se utilizaron conjuntamente dos sensores, óptico y láser. Se fijaron a un vehículo como se muestra en la Figura 1. La altura nominal de instalación del sensor ISD-3 es de 50 cm respecto del suelo y la del sensor láser ISD-5 es de 130 cm, pero este se instaló a una altura de 100 cm. Se realizaron cuatro vueltas en un tramo recto de pavimento de asfalto (2 vueltas en cada sentido) de longitud aproximadamente igual. Tras la prueba se evaluó la diferencia relativa de medición entre los sensores. Los resultados se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Resultados de medición en paralelo obtenidos en la misma ruta por el ISD-3 óptico y el ISD-5 láser.

Así pues, la calidad de medición real de ambos sensores utilizados en el vehículo es equivalente y la frecuencia de medición relativa es el punto de referencia. Cabe señalar también que el sensor óptico es más adecuado para este tipo de aplicación porque es más resistente a los impactos externos negativos (temperatura, nieve, lluvia); en particular, es considerablemente tolerante a la contaminación de la óptica receptora. Esto puede compararse con una cámara fotográfica: aunque la lente esté sucia, aún se puede tomar una fotografía. Por el contrario, una gota de agua sobre la óptica de un sensor láser puede provocar una fuerte distorsión del patrón de franjas sobre el objeto.

Para evaluar la calidad global de la medición, en la Figura 2 se muestra un gráfico de la velocidad de aceleración/frenado de una locomotora con un tren de mercancías (campo de pruebas ferroviario de Schsherbinskiy, sensor ISD-3, distancia nominal de 80 cm. El sensor se instaló en la parte inferior de la locomotora y se orientó hacia los carriles). El gráfico permite evaluar la exactitud de la medición de velocidad instantánea, ya que el movimiento de los vagones ferroviarios es un ejemplo de máxima suavidad de velocidad. Asimismo, a modo de ejemplo, se proporcionan algunos gráficos útiles de pruebas de frenado de neumáticos de coche sobre hielo (realizadas en la pista de hielo Arena, en Mytishy, región de Moscú, con un sensor óptico).

Fig. 2. Diagrama de velocidad de aceleración y frenado de una locomotora con tren de mercancías.

La figura 3a muestra cinco recorridos de prueba de aceleración/frenado con neumáticos de invierno sin clavos. La figura 3b muestra las mismas pruebas, pero con neumáticos con clavos. Tenga en cuenta que los pequeños picos de velocidad en el gráfico no son ruido de medición, son reales porque así es como se mueve un vehículo sobre una carretera helada.

Estos sensores también se utilizan ampliamente en la industria. He aquí un ejemplo más ilustrativo: la medición de la longitud del vidrio. El objeto es un disco giratorio fabricado de vidrio pulido con una superficie limpia. En este caso debe utilizarse un sensor láser con una distancia de trabajo nominal de 130 cm (en realidad la superficie del vidrio está caliente, por lo que la medición debe realizarse desde largas distancias). Un disco tiene una marca que identifica un punto para iniciar y detener la medición circular, que es leída por el sensor. El perímetro medido es de 2,173 m. Se realizaron dos series de 7 y 11 mediciones. La longitud media medida fue de 2,1732 y 2,1733 m con una desviación regular de 0,034 y 0,036% respectivamente.

Fig. 3. Exactitud de la medición de la aceleración y la velocidad de frenado de un coche sobre hielo obtenida mediante el sensor óptico ISD-3 : a — un vehículo con neumáticos de invierno sin clavos; b — un vehículo con neumáticos con clavos.

Uno de nuestros desarrollos recientes que merece mención son los sensores láser bidimensionales, que en particular permiten medir la velocidad de avance de un tubo que se desplaza sobre una superficie de rodadura. Esto resulta prácticamente aplicable en los talleres de aislamiento de las plantas de fabricación de tubos. Entre nuestros numerosos productos exclusivos, uno de los más singulares es un sensor capaz de medir la velocidad de embarcaciones submarinas en relación con el entorno circundante. Existe una larga lista de otros productos, pero debido al alcance limitado de este artículo, la única forma de obtener más detalles es visitar el sitio web del fabricante. En conclusión, nuestros sensores de distancia/velocidad sin contacto son insuperables en prestaciones y a veces incluso superiores en comparación con equivalentes de otros fabricantes internacionales, pero con un precio mucho más bajo.

Prueba del sensor óptico de velocidad ISD-3 para aplicación ferroviaria.

El sensor se montó en la parte delantera de una locomotora eléctrica (véanse las imágenes) para medir sus parámetros dinámicos. Lugar: polígono ferroviario de Shcherbinka, región de Moscú. Clima: -12 °C, ventoso, sin nieve / sin nevadas.

Conexión de un cable al sensor ISD-3.

Instalación del sensor.

El sensor óptico ISD-3 se instala en la locomotora.

Sensor: la distancia al suelo aprox. 60 cm (tolerancia de ± 20 – 25 cm), frecuencia de medición 24,6 Hz.

En la cabina de una locomotora.

Mediciones en curso. Sin nevadas durante la primera mitad del día.

Gráfico de velocidad típico. Sin nieve.

Más detallado.

Prueba de aceleración constante.

Frenado con diferentes fuerzas.

Segunda mitad del día. Nevada bastante intensa. En reposo, debido a la nieve arrastrada por el viento, algunos copos de nieve cruzan el campo de visión del sensor y generan señales. Pero en movimiento, la señal procedente de la propia superficie es mucho mayor y los copos de nieve ya no influyen.

Prueba de velocidad máxima. A alta velocidad se levanta mucha nieve esponjosa del suelo y se generan algunos ruidos adicionales, pero la velocidad media real aún puede medirse.

Conducción a velocidad constante, con ventisca.

Aplicación de los sensores de velocidad y longitud ISD-3 e ISD-5 durante el corte de tubos, accesorios, cable, alambre y otros materiales de gran longitud.