SAWs: Una Tecnologia De Avanzada

Sensor Technology es una pequeña empresa de alta tecnología dedicada a la investigación, desarrollo y producción de transductores de medición de torque rotativo usando la tecnología de onda acústica superficial (SAW). También se ocupa del otorgamiento de licencias de esta tecnología.

La compañía es privada y de propiedad de los mellizos Lonsdale, Anthony y Bryan, y de Tony Ingham. Se estableció hace 27 años en un pintoresco molino de agua convertido cerca de Banbury, Oxfordshire.

A lo largo de su historia, la empresa ha tenido capacidad para llevar a cabo investigación y desarrollo para clientes en sistemas de magnetometría y navegación, así como en sensores de torque. Sin duda, fue la amalgama del trabajo en un sistema de navegación y magnetometría en 1990 lo que llevó a Anthony Lonsdale a experimentar problemas con los dispositivos SAW que usaba y a darse cuenta de que podía convertir esta desventaja en una ventaja -que los dispositivos SAW se podían usar para medir esfuerzos.

La empresa tiene 23 personas que trabajan tanto en investigación y desarrollo como en producción, y está registrada en ISO 9000.

En virtud de su actividad, cuenta con una amplia gama de clientes, que incluye empresas de defensa y aeroespaciales, equipos de carreras de Fórmula 1, universidades, organizaciones de pruebas, fabricación y procesamiento continuo de piezas discretas.

La estrategia de la empresa ha sido usar sus patentes asociadas con la tecnología SAW para concentrarse más intensamente en los sensores de torque rotativo en los mercados de instrumentación y prueba, por ejemplo para probar motores, cajas de cambios y cojinetes. Hasta ahora, la electrónica usada para interrogar a los dispositivos SAW era compleja y de gran tamaño. La introducción de la nueva serie RWT310/RWT320 ofrece una estrategia electrónica diferente y ha sido diseñada para el uso de bajo costo y por los fabricantes de equipos originales (OEM). Ofrece a Sensor Technology una ventaja exclusiva al permitirle no sólo ofrecer un transductor básico que será bienvenido por los usuarios OEM, sino también un transductor de avanzada que posee varias funciones configurables por el usuario y una variedad de salidas. La simplicidad, exactitud y costo que la tecnología tiene para ofrecer, así como su incorporación como embutida en el nuevo producto, según espera

Sensor Technologies, beneficiará a muchos sectores nuevos tales como las industrias de bombas, mezcladores y motores.

Dispositivos SAWs

Los dispositivos de onda acústica no son nuevos y están en uso comercial desde hace más de 60 años. En la década de 1970, fueron desarrollados para radares de compresión de pulsos, osciladores y filtros pasabanda para televisores domésticos y equipos profesionales de radio. En los años 80, el surgimiento de los teléfonos móviles causó un drástico aumento en la demanda de filtros. La industria de las telecomunicaciones es el cliente más importante, al absorber más de 3 billones de filtros SAW por año, diseñados par actuar como filtros pasabanda.

En 1885, el científico inglés Lord Rayleigh predijo que tales ondas serían un componente importante de los terremotos, hecho que se confirmó mucho más tarde en la década de 1920, debido al advenimiento de los registros sismográficos.

Unos cuarenta y cinco años después, Voltmer y White, de la Universidad de California, generaron esas ondas, cuya denominación más común es la de ondas acústicas superficiales (SAW) u ondas de Rayleigh, en la superficie de un sustrato isotrópico elástico, el cuarzo.

Una propiedad importante de la onda acústica superficial es que la velocidad de la onda de Rayleigh es aproximadamente 105 veces menor que la velocidad de la radiación electromagnética en el vacío y por lo tanto, para la misma frecuencia, la longitud de onda elástica es menor que la de la onda electromagnética correspondiente en un factor de 105. Esta relación es de importancia inmediata para la geometría del calibre resultante y es la filosofía en que se basa la tecnología de ondas superficiales, puesto que los dispositivos propiamente dichos pueden ser mucho más pequeños que sus congéneres electromagnéticos.

Un dispositivo SAW básico consiste en dos arreglos de transductores interdigitales (IDT) dispuestos sobre un sustrato piezoeléctrico tal como el cuarzo. Los IDT consisten en electrodos metálicos intercalados, fabricados sencillamente usando la tecnología estándar de los circuitos integrados, que se emplean para emitir y recibir las ondas, de modo que una señal eléctrica se convierte en una onda acústica y luego nuevamente en una señal eléctrica. Es esta aplicación de un campo eléctrico la que establece las tensiones y esfuerzos mecánicos. A la inversa, si se aplica una tensión mecánica, por ejemplo debida al esfuerzo, se puede generar un campo eléctrico y por lo tanto una señal.

La separación entre los electrodos metálicos intercalados determina el período de la onda generada. El esfuerzo hace variar la separación de los electrodos interdigitales y por lo tanto la frecuencia resonante. Es esta variación de la frecuencia la que usa Sensor Technology para medir el esfuerzo y por lo tanto el torque.

La operación de un transductor SAW para la medición de esfuerzos depende de la selección de un sustrato piezoeléctrico adecuado, que pueda ser fijado al material a tensionar.

Existen muchas aplicaciones de ingeniería para los dispositivos de onda acústica. Por ejemplo, sensores de torque y de presión de neumáticos para aplicaciones automotrices, sensores químicos para aplicaciones médicas y de seguridad, así como sensores de torque, vapor, humedad, temperatura y masa para aplicaciones industriales. Se cree que varias de estas aplicaciones de sensores emergentes pueden finalmente igualar la demanda del mercado de telecomunicaciones.

Para aplicar el principio del elemento SAW a fin de medir el torque, se usan dos dispositivos dispuestos en medio puente, en forma análoga a la configuración del extensímetro resistivo clásico, uno posicionado de modo que sea sensible al esfuerzo compresor principal, y el otro posicionado para observar el esfuerzo de tracción principal.

Las dos frecuencias producidas por los dispositivos SAW se mezclan electrónicamente para producir señales diferencia y / o suma. La señal diferencia es una medición del esfuerzo inducido debido al momento torsor y por lo tanto, a partir del conocimiento de las propiedades del material y las ecuaciones aplicables, una medición de torque. La señal suma es una medición de la temperatura del eje.

El acoplamiento de las señales hacia y desde el eje de la máquina se logra mediante un dispositivo electromecánico, separado por una distancia adecuada, uno fijo al alojamiento del eje y el otro al eje rotativo, suministrando una interrogación sin contacto que es intrínsecamente segura.

Por lo tanto, si bien es posible medir torque usando otros sistemas, la tecnología SAW ofrece un método efectivo y de bajo costo para dicha medición.

Desarrollo de los Dispositivos SAW

Esencialmente, la medición de torque con tecnología SAW consiste en tres componentes:

Los dispositivos SAW propiamente dichos Un par Un paquete electrónico

La empresa ha desarrollado esta tecnología durante los últimos 12 años. A lo largo de ese tiempo, acumuló varias patentes asociadas con la tecnología y una considerable capacidad técnica.

El Nuevo Producto

La introducción del nuevo RWT310/RWT320 ofrece un transductor compacto junto con la electrónica integrada dentro del cuerpo. Este logro ha sido posible gracias al desarrollo de la tecnología de electrónica de barrido, que brinda las ventajas de un mayor ancho de banda.

El RWT310 se ofrecerá en una variedad de tamaños para aquellos que desean medir torque desde 100mNm a 10.000Nm así como posibles valores superiores con la opción de salidas de corriente de 4-20mA o 0-20mA.

El producto avanzado RWT320 ofrecerá como características estándar:

Salida analógica

Salida RS232 Salida USB de alta velocidad Muestreo, almacenamiento y promedio de torque pico Un paquete de pruebas de autodiagnóstic Y la opción de una salida de corriente seleccionable por el usuario para

permitir salidas de 4-20mA o 0-20mA

Sensor de superficie de onda acústica SAWLos sensores más comunes están constituidos por dispositivos piezoeléctricos. La figura  muestra la estructura básica de un sensor acústico electrónico de gas. Este tipo de sensores se utiliza para la realización de sensores multifuncionales físico y químicos ;esta estructura se utiliza para  sensores microscópicos  de  viscosidad,  humedad, detectores de humo, sensores de gas ,  y sensores de campo magnético-eléctrico. Normalmente, el deposito de sustancias en la película delgada se utilizan para la medida de estos parámetros al producir cambios físicos y químicos que hacen varias la frecuencia de resonancia de la película. Los cambios en los sensores basados en el desplazamiento de frecuencia de resonancia , son producidos por causas mecánicas, químicas  u otras perturbaciones.

 Estructura básica acústica-electrónica de una plataforma sensora de gas.

 Si el resonador se pone junto con una película delgada, las condiciones de funcionamiento varían. Una película dieléctrica modifica su funcionamiento bajo condiciones mecánicas, mientras una película conductora modifica ambos su funcionamiento eléctrico y mecánico. Las perturbaciones mecánicas y eléctricas causan desplazamientos de la frecuencia de resonancia.  Si

asumimos que la cantidad de corriente interna es aproximadamente  

y  , donde F es el potencial eléctrico, y ho es la densidad de carga eléctrica, los cambios en el funcionamiento y desplazamiento de frecuencia de resonancia vienen dados por:

donde  U es la energía acústica cargada en modo resonador, T es la tensión de esfuerzo, y * indica un conjugado complejo. Las condiciones de la interface son:

  y   y 

Donde  H es el campo magnético relativo a al campo eléctrico  a través de la ecuación de Maxwell.El régimen de la oscilación del resonador piezoeléctrico puede ser modificado mecánica o eléctricamente. Las perturbaciones eléctricas pueden ocurrir en la película metálica con diferentes valores de conductividad  en el resonador o si el resonador se introduce en un electrolito de conducción iónica. La influencia mecánica, química y eléctrica en sólidos y fluidos en la superficie del sensor depende de la interface entre el resonador de cuarzo y la resonancia. Algunos efectos en líquidos y sólidos hacen oscilar el resonador y modificar la resolución del sensor. La resolución del sensor se determina por la respuesta en el desplazamiento de la frecuencia de resonancia, a perturbaciones y la capacidad de monitorizar los cambios en  desplazamiento de frecuencia. Cuando un resonador de cuarzo libre se pone en contacto con un sólido o fluido, parte de la energía acústica se trasmite fuera del resonador. El acoplamiento acústico define  el desplazamiento de la frecuencia de resonancia, y modifica el factor Q de calidad.La siguiente figura  muestra la superficie de una plataforma de onda acústica usando varios sensores de película delgada depositados en un resonador piezoeléctrico. En una mezcla de gases, cada película detecta un componente determinado .

 

 

Una plataforma de hola acústica usa varios sensores de película delgada depositados en la línea del resonador piezoeléctrico. La figura muestra otra superficie de onda acústica  (SAW) configurada con silicio, en un sustrato no piezoeléctrico. El traductor interdigital esta construido por  ZnO, un material piezoeléctrico. La línea SAW es parte de un circuito oscilador.  Cuando la sensibilidad cambia los parámetros mecánicos también lo que se produce por la presencia de un gas cuya presión desplaza la frecuencia de resonancia y cambia la velocidad de propagación en el SAW. La línea de referencia del SAW, construida con película de cristal pasivo se usa para calibraciones.

Una configuración SAW usando substrato  no piezoeléctrico.

Sensor de medición del par de bajo coste

La tecnología de sensores está evolucionando hacia la emergencia de lechos de ensayo que simultáneamente controlan simultáneamente múltiples parámetros. TorqSense, es un sensor digital in-line de fácil uso, exacto y de bajo coste – ideal para ensayo de motores. 

La medición del par de un motor es vital para los fabricantes de máquinas y procesos industriales. Los sensores convencionales usan a menudo anillas deslizantes que se desgastan con el tiempo y de esta forma se incrementa la inexactitud o tienen electrónica analógica cuya interfaz es difícil con equipos digitales. TorqSense no tiene anillos deslizantes ya que funciona sin contacto, mediante una acoplamiento RF y moderna electrónica RF digital, lo que permite fácil interfaz con equipos digitales y con su propio software TorqView. De esta forma los ingenieros de desarrollo pueden concentrarse en el control de los parámetros de entrada y salida. 

Otro tipo de instalaciones donde es esencial el control del par mecánico son las plantas de híbridas de producción de energía eléctrica, ya que el flujo de energía tiene que ser usado tan eficientemente como sea posible y con las mínimas pérdidas.Significativamente las dos direcciones de flujo de energía, a y de la fuente de energía, son igualmente importantes para optimizar de manera que la recarga se eficiente cuando está en funcionamiento.La utilización del sensor de par TorqSense para controlar entradas y salidas rotatorias en cualquier combinación de máquinas eléctricas y motores consigue que puedan implementarse cálculos de eficiencia. Esta ventaja es definitiva para los desarrolladores de motores.Este sensor puede utilizarse también para aplicaciones que hasta ahora resultan complejas. Por ejemplo, la medición del par de entradas en carga de correas es notoriamente difícil, y en poleas es cara requiere mucho tiempo. Pero TorqSense crea un ensayo de tipo plug & play que gana en eficiencia al realizar este tipo de mediciones.Los transductores TorqSense usan dos minúsculos peines piezoeléctricos de cuarzo, llamados dispositivos de onda acústica de superficie (SAW) fijados a la superficie del eje del sensor. Cuando el par incrementa el espaciamiento entre los peines, el dispositivo SAW varía, permitiendo que la frecuencia resonante cambie proporcionalmente al par aplicado al eje en rotación. En efecto, los dispositivos SAW son medidores de tensión dependientes de la frecuencia que miden cambios en la frecuencia de resonancia del eje de ensayo. Se utiliza u acoplamiento de radio frecuencia inalámbrico (RF) para transferir la señal de datos sin ningún contacto. 

Bibliografía: Digital torque sensor is low-cost. Manufacturingtalk. July 2008 Palabras clave: Torque measurement, surface acoustic wave (SAW) devices, wire radio frequency (RF) coupling

Figura 1.1: Sensibilidades solapadas de la agrupación de sensores que forman

la nariz electrónica aunque cada sensor sea más sensible a un compuesto o

aroma