SAWS: Una tecnología 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