Selección y aplicación de un sensor de posición lineal para controles de vehículos robustos

Con el Internet de las cosas (IoT) para la automatización de las fábricas y el creciente uso de la electrónica en los vehículos, los diseñadores deben considerar cuidadosamente sus opciones de sensores. Los vehículos como tractores y carretillas elevadoras presentan retos de diseño únicos en lo que respecta a los sensores lineales para controles. Estos controles deben ser precisos, sensibles, fiables y duraderos, y soportar temperaturas extremas, golpes, vibraciones, polvo y humedad durante muchos años con un mantenimiento mínimo.

Una opción que cumple los requisitos de estas aplicaciones es el sensor lineal de efecto Hall. Como opción sin contacto, estos sensores pueden reforzarse para soportar condiciones de trabajo duras.

En este artículo se analizan los requisitos de detección de los vehículos y qué hace que los sensores lineales de efecto Hall sean una buena opción. A continuación, se presentan los sensores lineales de efecto Hall de Vishay para ilustrar sus características y cómo seleccionarlos y aplicarlos con éxito.

Por qué los vehículos resistentes necesitan controles especializados de alta precisión

Los vehículos resistentes se desplazan a menudo en entornos peligrosos en los que se requiere un funcionamiento preciso. Por ello, los mandos de estos vehículos deben ser muy precisos y reactivos. Además, estos controles de operador a menudo necesitan interactuar con varios sensores IoT a bordo y sistemas de control automatizados. Algunos ejemplos de aplicaciones son:

• Motoazadas: Detectar con precisión el ángulo del timón (es decir, la palanca de control principal) permite maniobrar con seguridad y eficacia, lo que es especialmente importante en espacios reducidos.
• Cambios de marcha del tractor: Los cambios de marcha suaves minimizan el desgaste de la transmisión y mejoran la eficiencia del combustible.
• Sistemas de desplazamiento del pedal: Las mediciones precisas permiten un control óptimo del vehículo y mejoran las funciones de seguridad, como la reducción automática de la velocidad y la parada de emergencia.

La fiabilidad es otro requisito de diseño. En entornos como almacenes e instalaciones de fabricación, los controles pueden estar expuestos a contaminantes, temperaturas extremas y maltrato físico.

Por último, los vehículos resistentes suelen tener limitaciones de espacio por su diseño. Por ejemplo, las carretillas elevadoras son muy compactas para optimizar la maniobrabilidad en los pasillos del almacén. Por eso, los sensores de los controles de vehículos resistentes deben ser lo más pequeños posible.

Por qué los sensores lineales de efecto Hall son idóneos para los controles de vehículos resistentes

Elegir un sensor adecuado para controles de vehículos resistentes puede ser difícil debido a la necesidad de durabilidad, largas distancias de recorrido y tamaño reducido. Los sensores lineales de efecto Hall son una buena opción porque son una tecnología sin contacto que puede servir para millones de ciclos sin ajustes. Además, están disponibles en paquetes compactos y fáciles de montar y ofrecen una excelente precisión para la detección de posiciones de corto alcance.

Es útil examinar primero el efecto Hall para comprender estas ventajas. Un sensor de efecto Hall aplica una corriente de polarización CC fija a lo largo de un eje y a través de una fina tira de metal o semiconductor denominada elemento Hall. Cuando se aplica un campo magnético perpendicular al flujo de corriente, los portadores de carga son desviados por la fuerza de Lorentz y se acumulan en lados opuestos del elemento Hall, creando un campo eléctrico transversal denominado campo Hall y un potencial a través del elemento denominado voltaje Hall. El voltaje Hall es proporcional al producto de la corriente, el campo magnético y una constante dependiente del material conocida como coeficiente Hall.

En un sensor lineal, el efecto Hall puede crear un voltaje de salida proporcional a la distancia entre el elemento Hall y un imán. El resultado es una detección de posición de gran precisión en distancias cortas con tiempos de respuesta rápidos.

Un sensor lineal de efecto Hall diseñado para controles de vehículos resistentes

Los sensores de posición de la serie 20LHE de Vishay (Figura 1) ejemplifican las ventajas de los sensores lineales de efecto Hall. Tienen un recorrido corto de 10 milímetros (mm) y una velocidad de seguimiento de 60 mm por segundo (mm/s). Son muy adecuados para los controles de vehículos de alta precisión debido a su linealidad, que puede especificarse tan baja como ±1%.

Figura 1: Los sensores de posición lineales de efecto Hall de la serie 20LHE presentan una linealidad de ±1%. (Fuente de la imagen: Vishay)

Los sensores de la serie 20LHE están diseñados para funcionar en entornos hostiles y tienen una vida útil libre de mantenimiento de más de 10 millones de ciclos. Los sensores proporcionan mediciones precisas cuando se aplica corriente sin calibración ni inicialización. Además, estos sensores proporcionan una excelente estabilidad sin desviación de la linealidad. La histéresis estática se limita al 0.1% de la tensión de alimentación, mientras que la dinámica es de solo el 0.25%.

Los sensores se montan con brida para facilitar su instalación, como se muestra en la figura 2, y el eje puede sobresalir 30 mm de la cara de montaje para facilitar la conexión con el mecanismo de control. Al mismo tiempo, las dimensiones totales de un sensor de la serie 20LHE son de solo 46 x 20.8 x 37 mm, lo que permite que el dispositivo quepa en las estrechas cabinas de los vehículos.

Figura 2: Los sensores de la serie 20LHE son compactos y utilizan un diseño con brida para facilitar el montaje. (Fuente de la imagen: Vishay)

Consideraciones sobre el diseño mecánico de sensores lineales de efecto Hall

Los mandos de vehículos resistentes deben ofrecer una alta fiabilidad en entornos no controlados. Por lo tanto, es crucial tener en cuenta la capacidad de un sensor de control del vehículo para soportar un trato duro. El impacto físico es probable en condiciones duras, al igual que la vibración de fuentes como el motor y la suspensión del vehículo. Los sensores de la serie 20LHE ofrecen un diseño físico resistente que puede soportar vibraciones de hasta 20 g y golpes de hasta 50 g.

Los sensores de la serie 20LHE están alojados en un resistente receptáculo termoplástico para soportar polvo, líquidos y temperaturas extremas de -40 °C a +85 °C. Los modelos con retorno por muelle tienen una clasificación de protección de ingreso (IP) de IP51; también hay disponibles clasificaciones IP superiores.

El grado de protección IP indica el nivel de protección que ofrece un gabinete/recinto contra la intrusión de objetos sólidos (primer dígito) y líquidos (segundo dígito). En el caso de IP51, 5 indica que el gabinete está protegido contra la entrada de polvo en cantidad suficiente para afectar al funcionamiento normal del dispositivo, mientras que 1 indica que el gabinete está protegido contra la caída vertical de gotas de agua.

Consideraciones sobre el diseño eléctrico para el uso de sensores lineales de efecto Hall

Los entornos difíciles también presentan riesgos electromagnéticos, como descargas electrostáticas e interacciones involuntarias entre diversos sistemas eléctricos y electrónicos. La serie 20LHE puede soportar un amplio rango de/una amplia gama de riesgos de este tipo. En particular, pueden resistir una sobretensión de +20 voltios y una tensión inversa de -10 voltios. En la tabla 1, figuran otras especificaciones medioambientales.

Tabla 1: La serie 20LHE está diseñada para soportar riesgos físicos y electromagnéticos. (Fuente de la imagen: Vishay)

Un sensor lineal de efecto Hall debe emparejarse con una resistencia de carga para funcionar correctamente. Para la serie 20LHE, Vishay recomienda una carga mínima de 1 kilohmio (kΩ).

Selección de un sensor lineal de efecto Hall

La precisión es el primer parámetro a tener en cuenta, ya que el sensor debe admitir la precisión de control requerida. En el caso de la serie 20LHE, Vishay ofrece la posibilidad de elegir entre ±2% de linealización con el 20LHE1XWA1P30 o ±1% de linealización con el 20LHE1AWA1P30.

La salida también debe ajustarse a las necesidades del resto del sistema de control. Las opciones típicas incluyen ratiometría analógica o modulación por ancho de pulsos (PWM). La serie 20LHE está disponible en ambas configuraciones, con la salida aumentando o disminuyendo en relación con la posición del sensor. Por ejemplo, el 20LHE1AWB1P30 tiene una salida analógica decreciente, lo que significa que la salida es máxima cuando el eje del sensor está totalmente comprimido (figura 3).

Figura 3: El 20LHE1AWB1P30 está disponible con una salida analógica decreciente, que alcanza su mínimo cuando el eje del sensor está totalmente comprimido. (Fuente de la imagen: Vishay)

El propio eje merece consideración. Por ejemplo, la serie 20LHE tiene un eje de 3.175 mm que puede roscarse opcionalmente con una rosca M3 x 6 mm. Esta configuración puede simplificar la instalación y proporcionar una conexión más segura con el mecanismo de control.

La mayoría de los modelos de la serie 20LHE vienen equipados con un retorno por muelle. Este muelle proporciona un mecanismo de autocentrado que garantiza que el sensor vuelva a su posición original cuando se elimina la fuerza que lo desplazó. Esta característica puede beneficiar a las aplicaciones de control de vehículos, como los sensores de posición del acelerador, en los que los operarios aplican y liberan fuerzas de entrada con frecuencia. También hay disponibles modelos sin muelle, como el 20LHE2AWA1P30.

Conclusión:

Como opción sin contacto, los sensores lineales de efecto Hall son una opción excelente para los controles de vehículos resistentes. La serie 20LHE tiene un factor de forma compacto y se monta con bridas para facilitar la instalación. También son lo suficientemente duraderas como para soportar condiciones de trabajo duras y ofrecer una precisión estable y libre de mantenimiento frente a riesgos físicos y electromagnéticos.