En cada vehículo hay una red de sensores integrada que actúa como un tipo crítico de "sistema nervioso" que detecta y mide diferentes parámetros automotrices. Esta red es esencial para la seguridad, el rendimiento y la eficiencia de un vehículo. Varios tipos de sensores son responsables de diferentes funciones, como monitorear la temperatura de los componentes del motor, la velocidad del vehículo para el control de tracción o la proximidad a objetos para los sistemas de prevención de colisiones.
Los datos recopilados por estos sensores son procesados por las unidades de control electrónico (ECU) del vehículo para tomar decisiones y ajustes en tiempo real, garantizando un funcionamiento óptimo. En este artículo, cubriremos los diferentes tipos de sensores en los vehículos modernos y su función fundamental para brindar una experiencia de conducción segura y agradable.
El papel de los sensores automotrices
Los sensores automotrices contribuyen colectivamente al funcionamiento de los vehículos modernos. Éstos son algunos de los atributos que ofrecen.
Seguridad
Los sistemas de seguridad de un vehículo, como el control de estabilidad, el control de tracción y el sistema de frenos antibloqueo (ABS), dependen en gran medida de los sensores. Estos sistemas modifican la potencia del motor y el frenado para evitar derrapes, pérdida de control y posibles colisiones utilizando datos de sensores como la velocidad de las ruedas, el ángulo de dirección, etc. En milisegundos, los sensores de impacto identifican colisiones e inician el despliegue de las bolsas de aire, protegiendo a los ocupantes de lesiones graves. Asimismo, los sensores de las cámaras ayudan a localizar los vehículos en el área ciega del conductor, lo que reduce la posibilidad de cambios de carril que provoquen colisiones.
Actuación
Múltiples sensores respaldan el rendimiento del automóvil. Por ejemplo, los sensores de oxígeno y flujo de aire masivo son la razón por la que el motor de un vehículo puede funcionar sin problemas y quemar combustible de la manera más eficiente posible. Estos sensores monitorean la temperatura del motor y la combinación de aire y combustible, optimizando el rendimiento y reduciendo las emisiones mientras mejoran la economía de combustible. Los sensores que miden la velocidad de la carretera y las rpm del motor también contribuyen a la economía de combustible y la eficiencia del vehículo al garantizar que la transmisión cambie de marcha de manera suave y efectiva.
Además, los sensores de radar y LiDAR permiten un control de crucero de bajo consumo de combustible en las carreteras y, al mismo tiempo, garantizan una distancia segura de otros vehículos.
Mantenimiento predictivo
Algunos sensores detectan pequeñas anomalías en el rendimiento del motor, la presión de los neumáticos y otros sistemas, alertando a los conductores sobre posibles problemas antes de que se conviertan en fallas o defectos más graves. Esto a menudo ahorra costos de reparación al permitir el mantenimiento preventivo.
Comodidad y conveniencia
Disfrutar de la temperatura ideal mientras se conduce se atribuye a los sensores de temperatura y humedad del vehículo, que regulan los sistemas de calefacción y aire acondicionado para mantener un ambiente confortable en la cabina. Los sensores de estacionamiento pueden ayudar a los conductores a superar obstáculos y protegerse de colisiones involuntarias. Los sensores de luz mejoran la seguridad y la visibilidad al amanecer y al anochecer ajustando el brillo de los faros según la luz ambiental. Además, los sensores de lluvia activan automáticamente los limpiaparabrisas, mejorando la visibilidad en condiciones de lluvia.
Conduciendo solo
LiDAR, radar, cámaras y sensores ultrasónicos respaldan a los vehículos autónomos recopilando datos ambientales y tomando decisiones de navegación seguras. Al detectar marcas de carril, controles de carretera, peatones y otros vehículos, estos sensores ayudan al vehículo a tomar decisiones inteligentes y a conducirse solo.
Los sensores
Algunos de los sensores más críticos son los siguientes.
1. Sensor de presión absoluta del colector (MAP)
2. Sensor de oxígeno
3. Sensor de flujo masivo de aire (MAF)
4. Sensor de posición del cigüeñal (CKP)
5. Sensor de posición del árbol de levas (CMP)
6. Sensor de temperatura del refrigerante del motor
7. Sensor de presión de aceite del motor
8. Sensor de posición del acelerador (TPS)
9. Sensor de detonación
10. Sensor de velocidad del vehículo (VSS)
11. Sensores de emisiones
12. Sensor de ángulo de dirección
13. Sensores del sistema de control de presión de neumáticos (TPMS)
14. Sensor de nivel de combustible
15. Sensores del sistema de advertencia de cambio de carril
16. Sensor de voltaje
17. Sensores de conveniencia
Un sensor de presión absoluta múltiple (MAP) es una parte pequeña pero esencial del motor de un vehículo. Tiene un impacto significativo en las emisiones, la economía de combustible y el mantenimiento de un funcionamiento suave y eficiente del motor. El colector de admisión es la cámara donde el combustible y el aire se mezclan antes de llegar a los cilindros del motor. Como su nombre lo indica, los sensores MAP detectan la presión absoluta dentro del colector.
La unidad de control del motor (ECU) utiliza esta lectura de presión para calcular la presión de sobrealimentación, la carga del motor y la densidad del aire. La ECU utiliza la medición de presión para determinar cuánto aire ingresa al motor. Esta información es vital para determinar cuánto combustible inyectar para una combustión adecuada.
La presión del colector de admisión varía según la fuerza con la que el conductor presiona el pedal del acelerador. Una presión más alta corresponde a una carga más alta del motor y la ECU modifica el tiempo de encendido y el suministro de combustible en consecuencia. Un sensor MAP monitorea la acumulación de presión producida por el turbo en vehículos equipados con turbocompresores, lo que permite que la ECU la regule para lograr la máxima eficiencia y evitar un impulso excesivo.
Hay dos tipos principales de sensores MAP: piezoresistivos y capacitivos. El piezoresistivo es el más común y utiliza un diafragma sensible a la presión que se desvía ligeramente ante los cambios de presión. Esta desviación cambia la resistencia eléctrica de un medidor de tensión en el diafragma, lo que la ECU interpreta como un cambio de presión.
Los sensores capacitivos utilizan un pequeño condensador que detecta cambios en la capacitancia dependiendo de la presión aplicada a su diafragma. La ECU mide esta capacitancia para determinar la presión.
Los sensores MAP tienen una cámara sellada con una presión de referencia (normalmente atmosférica). Dependiendo del tipo de sensor, la presión del colector de admisión actúa sobre la membrana o la placa del condensador. La desviación del diafragma o el cambio en la capacitancia cambia la señal eléctrica enviada a la ECU. La ECU interpreta la señal y la utiliza para calcular la densidad del aire, la carga del motor o la presión de sobrealimentación. La ECU ajusta la inyección de combustible, el tiempo de encendido y otros parámetros del motor basándose en estos cálculos.
El sensor de oxígeno , a veces llamado sensor de O2, mide cuánto oxígeno queda en los gases de escape después de la combustión. La ECU regula la cantidad de combustible y aire que ingresa al motor y depende de estos datos para mantener el equilibrio. La relación aire-combustible ideal es aproximadamente 14,7:1, o 14,7 partes de aire por cada parte de combustible.
Al garantizar una combustión completa, esta relación maximiza la eficiencia del motor y reduce las emisiones peligrosas. Un componente clave para mantener este delicado equilibrio es el sensor de oxígeno.
Los vehículos tienen dos tipos de sensores de oxígeno: sensores de O2 de banda estrecha y sensores de O2 de banda ancha. Los sensores de banda estrecha son más comunes y menos costosos. Cuando el escape tiene un alto contenido de oxígeno (mezcla pobre), produce una señal de voltaje que oscila entre alto (aproximadamente 0,9 voltios) y bajo (aproximadamente 0,1 voltios) cuando el escape tiene poco oxígeno (mezcla rica). Sin embargo, no pueden proporcionar información continuamente sobre la relación exacta de aire y combustible y tienen un rango de respuesta limitado.
Los sensores de banda ancha ofrecen un mayor alcance y una reacción más rápida que los sensores de banda estrecha, lo que proporciona cambios de combustible más precisos. Esto se debe a que la ECU proporciona continuamente la relación exacta de aire-combustible en un rango más amplio de concentraciones de oxígeno. Los resultados son un mejor rendimiento del motor, menos emisiones y una mayor economía de combustible.
Los sensores de O2 están ubicados en el colector de escape y están expuestos a los gases de escape. Por tanto, estos sensores tienen una capa de electrolito de circonio poroso y una carcasa de cerámica. Se crea un diferencial de voltaje entre los electrodos interior y exterior debido a las moléculas de oxígeno del escape que se difunden a través de la capa de electrolito. El contenido de oxígeno del escape determina el diferencial de voltaje.
Un voltaje bajo indica una mezcla rica (falta de oxígeno), mientras que un voltaje alto indica una mezcla pobre (demasiado oxígeno). La ECU envía un voltaje de referencia al sensor. Para obtener la relación aire-combustible ideal, la ECU compara la señal de voltaje del sensor con el voltaje de referencia y usa la diferencia para modificar la inyección de combustible.
sensor MAF
El sensor de flujo masivo de aire (MAF) mide la masa real de aire que fluye hacia el motor de un vehículo por unidad de tiempo, independientemente de la presión o la temperatura. La ECU utiliza estos datos para calcular cuánto combustible inyectar para una combustión completa del vehículo. Para obtener el máximo rendimiento y las menores emisiones, un motor requiere la relación aire-combustible ideal, o aproximadamente 14,7 partes de aire por 1 parte de combustible.
Mientras que el sensor MAF mide la cantidad de aire, el sensor MAP mide la presión del aire. El sensor MAF está ubicado en el tubo de admisión, antes del cuerpo del acelerador, mientras que el sensor MAP está ubicado en el colector de admisión, después del cuerpo del acelerador. El sensor MAF determina la entrada de aire para la inyección de combustible, mientras que el sensor MAP determina la densidad del aire para la inyección de combustible.
Hay dos tipos de sensores MAF: de hilo caliente y de película. El tipo de alambre caliente utiliza un alambre calentado que se enfría a medida que el aire fluye sobre él. El sensor monitorea la corriente requerida para mantener la temperatura del cable, proporcional a la masa de aire que fluye. La cantidad de enfriamiento depende del caudal de aire.
El tipo de película utiliza un elemento calefactor de película delgada cuya resistencia varía con la velocidad del flujo de aire. Para determinar la masa de aire, la ECU mide el voltaje o la corriente necesaria para mantener esta resistencia constante.
Sensor de posición del cigüeñal (CKP). Los movimientos hacia arriba y hacia abajo del pistón de un vehículo se convierten en acción giratoria mediante el cigüeñal, un eje giratorio forjado en acero. Un vehículo acelera debido a esta fuerza de rotación, que se transfiere a otras partes como el volante y las ruedas. La manivela correspondiente gira a medida que cada pistón empuja y tira de su biela, aumentando la rotación total del cigüeñal. La capacidad del motor IC para generar energía depende de esta conversión del movimiento alternativo en movimiento rotacional.
El sensor CKP rastrea con precisión la posición de rotación y la velocidad del cigüeñal. Esta información es esencial para que la ECU pueda controlar con precisión varias funciones vitales.
Los sensores CKP vienen en dos tipos: magnéticos y de efecto Hall. Cuando se utiliza un tipo magnético, una bobina sensora y un imán fijado al cigüeñal interactúan para proporcionar una señal de voltaje que cambia según la posición del imán. En el tipo de efecto Hall, un imán permanente y un chip semiconductor funcionan para detectar cambios en el campo magnético a medida que gira el cigüeñal, lo que genera una salida de voltaje que indica la posición del sensor. Basado en el sensor CKP, la ECU controla con precisión la sincronización de la inyección de combustible, el control de velocidad de ralentí y la sincronización del encendido.
Sensor de posición del árbol de levas (CMP). El árbol de levas es un eje giratorio equipado con lóbulos excéntricos (protuberancias). Estos lóbulos ocasionalmente hacen contacto con los balancines cuando el árbol de levas gira. A su vez, cada balancín aplica presión a una válvula apropiada (de escape o de admisión) en el motor de combustión interna. Los gases de escape o el aire pueden entrar o salir del cilindro al abrir la válvula.
El sensor de posición del árbol de levas monitorea la posición y velocidad del árbol de levas, ayudando al ECM a controlar la inyección de combustible y el tiempo de encendido. Así como el sensor de posición del cigüeñal (CKP) actúa como metrónomo del motor, el CMP sirve como conductor preciso de la danza de las válvulas.
El sensor CMP también viene en dos tipos: magnético y de efecto Hall. En el tipo magnético, una bobina sensora y un imán en el árbol de levas interactúan para proporcionar una señal de voltaje que varía según la ubicación del imán. Cuando un árbol de levas gira en forma de efecto Hall, un imán permanente y un chip semiconductor detectan variaciones en el campo magnético, generando una señal de voltaje que indica la posición del árbol de levas.
El sensor de temperatura del refrigerante del motor (ECT ) actúa como guardián contra el sobrecalentamiento midiendo continuamente la temperatura del refrigerante del motor que fluye a través del bloque del motor. El refrigerante debe estar a 90° C (194° F) o cerca de él para la mayoría de los motores. Es esencial lograr un equilibrio de temperatura entre minimizar el estrés térmico y permitir un rendimiento eficaz del motor. La ECU, el cerebro del motor, recibe esta información crucial del ECT.
Hay dos tipos de ECT: termistor y sensor de voltaje. Un termistor utiliza un material semiconductor y su resistencia eléctrica cambia drásticamente con la temperatura. A medida que aumenta la temperatura del refrigerante, la resistencia disminuye y la ECU interpreta este cambio como un aumento de temperatura. Usando un circuito divisor de voltaje, el sensor de voltaje modifica el voltaje de salida en respuesta a la temperatura del refrigerante. Esta diferencia de voltaje es medida por la ECU, que la interpreta como una lectura de temperatura.
El sensor de presión de aceite del motor monitorea la presión del aceite en el bloque del motor o cerca del filtro de aceite. Si la presión cae por debajo de un límite crítico, el sensor envía una señal de advertencia a la ECU, vital para evitar daños al motor y fugas de aceite.
Hay dos tipos de sensores de presión de aceite: interruptores y sensores analógicos. El tipo de interruptor funciona de manera similar a un interruptor de presión. Completa un circuito y alerta a la ECU cuando la presión del aceite cae por debajo de un nivel predeterminado. El sensor analógico más avanzado envía una señal constante a la ECU proporcional a la presión del aceite. Después de eso, la ECU decodifica esta señal para verificar el nivel de presión preciso y, si es necesario, iniciar la acción necesaria.
El sensor de posición del acelerador (TPS) monitorea la posición de la válvula del acelerador, lo que permite a la ECU controlar con precisión la cantidad de aire que ingresa al motor. Esto, a su vez, determina la potencia del motor.
Hay dos tipos de sensores de posición del acelerador: potenciómetros y divisores de voltaje. Los potenciómetros tienen una resistencia variable que cambia según la posición de la válvula de mariposa. Cuando se abre la válvula, el limpiador del potenciómetro se mueve, cambia la resistencia y envía la señal de voltaje correspondiente a la ECU.
Los divisores de voltaje tienen una resistencia fija y la resistencia variable de la válvula de mariposa para crear un circuito divisor de voltaje. La ECU mide la salida de voltaje de este circuito para determinar la posición de la válvula del acelerador.
El sensor de detonación. El proceso de combustión del motor de un vehículo debe realizarse de forma fluida y eficiente. Sin embargo, en circunstancias específicas, pueden producirse golpes o detonaciones prematuras, provocando vibraciones peligrosas y posibles daños al motor.
El sensor de detonación, normalmente montado en el bloque del motor, capta estas vibraciones peligrosas. Las vibraciones del motor se transforman en señales eléctricas mediante cristales piezoeléctricos. Cuando la ECU detecta una "detonación", reconoce que algo anda mal y reacciona rápidamente.
El sensor de velocidad del vehículo (VSS), también llamado sensor de velocidad de transmisión o sensor de velocidad del eje de salida, juega un papel crucial en el funcionamiento de un vehículo al medir la velocidad de las ruedas o la transmisión. El velocímetro utiliza datos de sensores, que muestran la velocidad actual del vehículo en el tablero. También lo utiliza el control de crucero para mantener una velocidad constante establecida por el conductor.
En los automóviles con transmisión automática, la velocidad del vehículo determina la marcha adecuada. El sistema de control de tracción utiliza esta información para evitar que las ruedas patinen durante la aceleración y las curvas. Según los datos de este sensor, el ABS optimiza la fuerza de frenado del vehículo para evitar que las ruedas se bloqueen.
Hay dos tipos de VSS: sensor de velocidad de la rueda (WSS) y sensor de velocidad de la transmisión (TSS). El WSS está montado en cada cubo de rueda y normalmente utiliza tecnología magnética o de efecto Hall para medir la velocidad de la rueda giratoria. El TSS está montado en el eje de salida de la transmisión y mide la velocidad de rotación del eje, que está directamente relacionada con la velocidad del vehículo.
Los sensores de emisiones ayudan a controlar los contaminantes en un vehículo, asegurando que cumpla con las regulaciones ambientales. El sensor de óxido de nitrógeno (NOx) mide los NOx en el escape, lo que ayuda al motor a reducir estas emisiones. El sensor de temperatura de los gases de escape (EGT) monitorea la temperatura de los gases de escape, asegurando que permanezcan dentro de límites seguros.
El sensor de ángulo de dirección (SAS) rastrea el ángulo y la velocidad de los movimientos del volante de un vehículo. Estos datos le dicen a la ECU exactamente cuánto y con qué rapidez el conductor mueve o gira el volante. SAS transmite esta información y se utiliza para dirección asistida, control de tracción, control de estabilidad, asistencia de estacionamiento, advertencia de cambio de carril y asistencia para mantenerse en el carril. Hay dos sensores de ángulo de dirección: potenciómetro y magnético.
Los sensores del Sistema de monitoreo de presión de neumáticos (TPMS) rastrean la presión de aire de los neumáticos de un vehículo y notifican al conductor cuando se desvía de los rangos sugeridos. Los sensores TMPS vienen en dos variedades: directos e indirectos.
Cada neumático de tipo directo viene con un sensor instalado dentro de la rueda que funciona con una batería. Estos sensores envían datos de presión y temperatura en tiempo real a la computadora a bordo del vehículo.
El control indirecto de la presión de los neumáticos utiliza los sensores actuales de velocidad de las ruedas del vehículo. Analiza la velocidad de rotación de cada rueda y busca diferencias de presión en función de los cambios de diámetro. Aunque es menos preciso que el TPMS directo, es menos costoso y no requiere baterías.
El sensor de nivel de combustible mide la cantidad de gasolina que queda en el tanque y proporciona el número desde el indicador de combustible en el tablero del vehículo. Este sensor se encuentra dentro del tanque de gasolina y mide el nivel de gasolina utilizando varias tecnologías.
El método convencional utiliza un flotador liviano conectado a una palanca que sube y baja en respuesta al nivel de combustible. Cuando un potenciómetro (resistencia variable) se coloca de manera diferente, el panel de instrumentos recibe una señal de voltaje correspondiente a la resistencia modificada.
Sin embargo, la mayoría de los coches cuentan actualmente con sistemas capacitivos. Dentro del tanque hay dos electrodos. La capacitancia entre estos electrodos está influenciada por el nivel de combustible, lo que cambia la señal de voltaje transmitida al panel de instrumentos. Los sensores ultrasónicos se utilizan en algunos sistemas sofisticados para medir la distancia entre el sensor y la superficie del combustible mediante ondas ultrasónicas. La ECU determina el nivel de combustible en función de esta distancia.
Los sensores del sistema de advertencia de cambio de carril (LDW) monitorean e interpretan continuamente las marcas de tráfico. Los sistemas LDW utilizan varias tecnologías, incluidos láser, radar y cámaras. El tipo más común y eficiente utiliza una cámara montada en el frente para detectar marcas de carril. La cámara detecta los bordes de la carretera y del vehículo analizando las imágenes fotograma a fotograma. Las cámaras de alta resolución funcionan bien en entornos bien iluminados, pero pueden presentar marcas de carril complejas o problemas de baja visibilidad.
En algunos sistemas, los sensores de radar complementan la cámara o funcionan de forma independiente. Liberan ondas de radio, que son reflejadas por los marcadores de carril y luego devueltas al sensor. Al examinar la señal de retroalimentación, la tecnología determina la posición y la distancia entre los bordes de la pista. El radar puede ser menos preciso que las cámaras en carreteras despejadas, pero funciona mejor en condiciones de baja visibilidad, como niebla o lluvia.
A veces se utilizan sensores láser en sistemas de alta tecnología para la detección de carriles. Emiten rayos láser que, al igual que los radares, reflejan marcas fuera de la pista para revelar información posicional exacta. Actualmente, la tecnología láser es la opción más cara y menos práctica.
El sensor de voltaje mide el voltaje de la batería de un vehículo y de todo el sistema eléctrico, proporcionando información vital a la ECU y otros componentes para mantener el automóvil funcionando sin problemas y de forma segura.
Sensores de conveniencia . Se agregan varios sensores a marcas y modelos de vehículos específicos para una experiencia de conducción más cómoda. Esto puede incluir sensores de lluvia automáticos en el parabrisas o sensores de luz de los faros que se ajustan automáticamente según las condiciones de luz ambiental. Hay muchos otros.
