Especificaciones del inclinómetro
Los inclinómetros, también conocidos como sensores de inclinación, clinómetros o sensores de pendiente, están diseñados para medir el ángulo de un objeto con respecto a la fuerza de la gravedad. Estos dispositivos determinan el ángulo de cabeceo y/o alabeo y transmiten estos valores mediante la interfaz eléctrica correspondiente.
Principio de medición de los inclinómetros MEMS
Los inclinómetros miden el ángulo de orientación de un objeto respecto a la fuerza de gravedad. Esto se logra mediante un acelerómetro que monitorea el efecto de la gravedad sobre una pequeña masa suspendida en una estructura elástica. Cuando el dispositivo se inclina, esta masa se mueve levemente, causando un cambio de capacitancia entre la masa y la estructura de soporte. El ángulo de inclinación se calcula a partir de las capacitancias medidas.
Masa de prueba con
Electrodos
Resortes
Electrodos fijos
Fig. 1: Principio de un sensor MEMS
La función puede ilustrarse con un modelo simplificado con dos electrodos: uno fijo y otro móvil (la masa de prueba), suspendido por elementos elásticos (ver Fig. 1). Cuando el inclinómetro está en posición horizontal (Fig. 2.1), se mide la capacitancia entre los electrodos. Si el sensor se inclina (Fig. 2.2), la masa móvil y su electrodo cambian su posición respecto al electrodo fijo. El sensor mide esta variación de capacitancia y la utiliza para calcular el nuevo valor de inclinación.
Sensor MEMS en posición horizontal
Sensor MEMS en posición inclinada
Fig. 2: Posición de un sensor MEMS
Limitations of Static Inclinometers
En caso de golpes o vibraciones fuertes, el amortiguamiento físico en los inclinómetros estáticos puede no ser suficiente para suprimir las perturbaciones. Los filtros por software solo pueden ayudar en forma limitada a reducir el impacto de dichas perturbaciones. En los inclinómetros TILTIX estáticos, se pueden activar y configurar filtros como “media móvil” o “exponencial” para suavizar la señal, pero con el inconveniente de perder el tiempo de reacción rápido del inclinómetro MEMS, haciendo que la respuesta del sensor sea más lenta.
Para movimientos dinámicos con fuertes aceleraciones, se deben usar los inclinómetros dinámicos TILTIX de POSITAL. Están basados en una tecnología diferente sin amortiguación física, por lo que no hay compromiso entre estabilidad y tiempo de respuesta.
Inclinómetro dinámico
En aplicaciones donde pueden producirse movimientos repentinos, golpes o vibraciones, es fundamental contar con sensores de respuesta rápida y señal limpia. Los inclinómetros dinámicos de POSITAL combinan dos principios de medición usando dos sensores MEMS distintos: un acelerómetro 3D y un giroscopio 3D. El acelerómetro no está amortiguado (a diferencia de los utilizados en inclinómetros estáticos), lo que le permite seguir movimientos dinámicos rápidos. Al mismo tiempo, el giroscopio mide la velocidad de rotación basándose en principios inerciales. Las señales de ambos sensores se combinan para calcular una medición de inclinación que compensa totalmente los efectos de la aceleración. Como resultado, los inclinómetros dinámicos TILTIX pueden utilizarse de forma fiable en maquinaria móvil como equipos de construcción, minería, grúas o aplicaciones robóticas.
El siguiente diagrama compara el rendimiento de un inclinómetro dinámico con giroscopio integrado con el de un inclinómetro estático convencional, cuando ambos están sometidos a movimientos dinámicos con fuertes choques y vibraciones.
Medición de inclinación en una excavadora en movimiento
Algoritmo innovador para resultados confiables
En aplicaciones donde pueden producirse movimientos bruscos, golpes o vibraciones, es importante contar con sensores que ofrezcan respuesta rápida y una señal de salida limpia. Los inclinómetros dinámicos de POSITAL combinan dos principios de medición utilizando dos sensores MEMS distintos: un acelerómetro 3D y un giroscopio 3D. El acelerómetro no está amortiguado (a diferencia de los usados en inclinómetros estáticos) y puede seguir movimientos dinámicos rápidos. El giroscopio mide la velocidad de rotación con base en principios inerciales. Las señales de ambos sensores se combinan para obtener una medición de inclinación que compensa completamente los efectos de las aceleraciones. Como resultado, los inclinómetros dinámicos TILTIX pueden utilizarse de forma confiable en equipos móviles como maquinaria de construcción, equipos de minería, grúas o aplicaciones robóticas.
El siguiente diagrama compara el rendimiento de un inclinómetro dinámico con giroscopio integrado con el de un inclinómetro estático convencional cuando ambos están sometidos a movimientos dinámicos con fuertes impactos y vibraciones.
Rango de medición y opciones de montaje
La serie de inclinómetros TILTIX está disponible en dos variantes.
Doble eje
Un sensor de doble eje diseñado para montaje horizontal. Esta versión tiene dos salidas, una para el eje X y otra para el eje Y. Cada eje muestra el ángulo de inclinación con respecto al campo gravitacional.
Eje único
2. Versión de medición de inclinación de un solo eje diseñada para montaje vertical con salida de un eje.
Funciones adicionales del inclinómetro dinámico
El objetivo principal de los inclinómetros dinámicos es proporcionar datos estables del ángulo de inclinación sin necesidad de configurar parámetros del sensor.
Sin embargo, para las versiones con interfaz CANopen, es posible obtener por separado las fuerzas de aceleración (acelerómetro) y la velocidad de rotación (giroscopio) en cada uno de los tres ejes.
Estas mediciones se almacenan en objetos CANopen mapeables.
El monitoreo de la aceleración en uno o más ejes puede usarse para implementar funciones adicionales o características de seguridad desde el controlador.
El controlador puede detener la máquina si se supera un umbral de aceleración.
Con la información adicional de velocidad de rotación en el eje X, es posible medir y monitorear la rotación horizontal (yaw) de la máquina.
Depende del fabricante o integrador del sistema decidir cómo utilizar esta información adicional.
Procesamiento de Datos
Un microcontrolador de alto rendimiento se utiliza para evaluar las señales del sensor en tiempo real y calcular el ángulo de inclinación corregido.
También se mide la temperatura, que es utilizada por algoritmos de compensación para eliminar efectos no deseados.
Algoritmos de filtrado digital inteligentes reducen el ruido y la vibración ambiental, proporcionando una señal precisa y estable en cualquier condición.
Las no linealidades de los sensores MEMS se identifican mediante mediciones de referencia realizadas durante la producción, y se almacenan como datos de calibración en el sensor.
Durante la operación, estos datos se utilizan para corregir los valores brutos y entregar un ángulo de inclinación linealizado.
El cliente puede añadir parámetros personalizados como una corrección de desplazamiento (Preset) o una función de escala (en caso de señales analógicas).
Especificaciones comunes
Tiempo de ciclo del sensor
Es el tiempo interno de actualización del sensor. Un ciclo de 5 ms significa que el valor de posición se actualiza cada 5 ms.
Tiempo de ciclo de interfaz
Es el tiempo con el que se transmite la posición a través del interfaz. Puede ser ajustado por el usuario.
Precisión absoluta
Desviación máxima entre la posición medida y la real dentro del rango especificado.
Desplazamiento (Offset)
Incluso en posición cero, puede haber un pequeño error, llamado error de offset.
Precisión dinámica
Se mide igual que la precisión absoluta pero bajo condiciones de vibración y aceleración. POSITAL realiza pruebas en laboratorio para simular entornos reales.
Condiciones de prueba:
Aceleración lineal: 10 m/s² en un eje por 1 segundo
Vibraciones: De 1 a 1000 Hz con fuerza de 1 g
Resolución: Es el cambio más pequeño que puede detectar el sensor.
Histéresis: La salida depende no solo de la entrada actual, sino también de entradas anteriores. En los inclinómetros, esto significa que el ángulo medido puede variar dependiendo de la trayectoria previa.
Gradiente de temperatura: Mide cómo cambia el ángulo de inclinación con los cambios de temperatura.
Tiempo de estabilización: Tiempo necesario para que la salida permanezca dentro del 5 % del valor final.
Fabricación de chips sensores MEMS
Gracias a los avances en la fabricación de dispositivos MEMS (Sistemas Microelectromecánicos), estos sensores se han convertido en productos de consumo masivo con una excelente relación rendimiento/costo. El componente de medición principal en los inclinómetros TILTIX es una célula sensor MEMS integrada en un ASIC completamente encapsulado.
