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MAGNETÓMETRO Esta sección en particular se enfoca exclusivamente en sensores magnéticos diseñados específicamente para detectar y reaccionar al campo magnético de la Tierra. Sin embargo, vale la pena señalar que existe una amplia gama de sensores magnéticos a pequeña escala, incluido el sensor Hall ampliamente utilizado, que encuentran aplicaciones en varios otros dominios. Estos sensores magnéticos compactos, como el sensor Hall, poseen capacidades versátiles más allá de su utilización en las mediciones del campo magnético terrestre. Se pueden emplear para determinar la posición o la velocidad de rotación de los componentes mecánicos, entre muchos otros fines. Con su sensibilidad a los campos magnéticos, estos sensores permiten un seguimiento y control precisos del movimiento, la velocidad y la orientación de las piezas mecánicas en diversos sistemas y dispositivos. El sensor Hall, en particular, se ha vuelto omnipresente debido a su rendimiento confiable y facilidad de integración. Funciona en base al efecto Hall, donde un conductor que transporta corriente colocado en un campo magnético experimenta un potencial de voltaje perpendicular a través de sus bordes. Al medir este voltaje, el sensor Hall puede proporcionar información valiosa sobre la posición o la velocidad de rotación de objetos o componentes magnéticos cercanos. La versatilidad de los sensores magnéticos pequeños, incluido el sensor Hall, ha llevado a su amplia adopción en numerosas industrias. Se emplean ampliamente en aplicaciones automotrices, como la detección de la velocidad de las ruedas, la detección de la posición del acelerador y el control de la caja de cambios. En robótica y automatización, estos sensores contribuyen a la retroalimentación de posición precisa y al control de brazos, articulaciones y pinzas robóticas. Además, encuentran utilidad en la electrónica de consumo, maquinaria industrial, dispositivos médicos e innumerables otros campos donde se requiere una detección precisa de movimiento o posición. Si bien esta discusión se centra principalmente en los sensores magnéticos diseñados específicamente para la detección del campo magnético de la Tierra, es importante reconocer la gama más amplia de aplicaciones y la versatilidad que ofrecen los sensores magnéticos a pequeña escala como el omnipresente sensor Hall. Su tamaño compacto, confiabilidad y funcionalidad diversa los convierten en componentes indispensables en varios avances tecnológicos, impulsando la innovación y mejorando la eficiencia en múltiples industrias. En épocas anteriores, un magnetómetro solía ser un instrumento de medición engorroso que presentaba perillas u otros controles junto con algún tipo de salida visual. Aunque esta definición prevalece, el enfoque de esta discusión es únicamente sobre los sensores magnéticos que están integrados en los microchips. A lo largo de los años, los avances tecnológicos han revolucionado el campo de la magnetometría. Los magnetómetros tradicionales requerían un espacio físico significativo y dependían de la manipulación manual de los controles. Sin embargo, con la aparición de sensores magnéticos basados en chips, el panorama se ha transformado significativamente. Los sensores magnéticos basados en chips ofrecen una alternativa compacta y eficiente a sus predecesores más voluminosos. Al aprovechar los principios de la magnetorresistencia o el efecto Hall, estos pequeños sensores pueden detectar y medir con precisión los campos magnéticos en diversas aplicaciones. Su integración en microchips ha desbloqueado una amplia gama de posibilidades, lo que permite su uso en diversas industrias, como electrónica de consumo, automotriz, aeroespacial y más. Una ventaja notable de los sensores magnéticos basados en chips es su compatibilidad con dispositivos electrónicos miniaturizados. Su pequeño tamaño y bajo consumo de energía los hacen ideales para incluirlos en teléfonos inteligentes, tabletas, dispositivos portátiles y otros dispositivos portátiles. Estos sensores permiten la funcionalidad de brújula, facilitan el posicionamiento preciso en los sistemas de navegación e incluso admiten experiencias de realidad aumentada. Además, los sensores magnéticos basados en chips han encontrado utilidad en entornos industriales. Desempeñan un papel vital en el seguimiento y control del movimiento de maquinaria y equipos, garantizando operaciones seguras y eficientes. Al detectar con precisión los cambios en los campos magnéticos, estos sensores contribuyen a la automatización y optimización de los procesos industriales, mejorando la productividad y la confiabilidad. La evolución de los magnetómetros voluminosos del pasado a los sensores magnéticos basados en chips compactos y versátiles de la actualidad ejemplifica el progreso continuo de la tecnología. A medida que estos sensores se integran cada vez más en varios dispositivos y sistemas, nos otorgan nuevas capacidades y allanan el camino para soluciones innovadoras en un mundo en constante avance. Función y Operación El propósito principal de una brújula convencional es determinar la dirección en función del campo magnético de la Tierra. Se compone de una delgada tira de metal magnetizado delicadamente balanceada sobre un pivote. Al alinearse con el campo magnético de la Tierra, proporciona una indicación general del norte, sur, este y oeste. Un magnetómetro escalar, por otro lado, está diseñado para medir la fuerza total de un campo magnético sin considerar su orientación. Cuantifica la magnitud total del campo magnético, independientemente de sus componentes direccionales. Por el contrario, un magnetómetro vectorial ofrece una evaluación más completa al medir la fuerza del campo magnético en una dirección específica. Proporciona una salida numérica que representa el ángulo entre la orientación del instrumento de medición y los polos magnéticos de la Tierra. Los magnetómetros modernos basados en chips adoptan predominantemente un enfoque basado en vectores. Estos sensores compactos suelen incorporar tres detectores individuales dispuestos de forma ortogonal entre sí. Cada sensor se coloca en un ángulo preciso de 90 grados en relación con los otros dos. A través de sofisticados algoritmos de software, las lecturas analógicas obtenidas de estos sensores se pueden interpretar para calcular con precisión el norte o el sur magnéticos. Este cálculo se logra independientemente del ángulo en el que se sostenga el magnetómetro, en relación con el suelo. La utilización de magnetómetros basados en chips de tipo vectorial equipados con tres sensores ortogonales brinda mayor precisión y versatilidad a las mediciones de campo magnético. La integración de algoritmos de software avanzados permite la determinación precisa de la dirección del campo magnético terrestre, independientemente de la orientación física del instrumento. Esta capacidad resulta invaluable en una multitud de aplicaciones, que incluyen navegación, topografía, geofísica y sistemas basados en orientación. La progresión de las brújulas tradicionales a los magnetómetros escalares y vectoriales, en particular las variantes compactas basadas en chips, muestra el refinamiento y la optimización continuos de la tecnología de detección magnética. Al aprovechar el poder del magnetismo y la ingeniería innovadora, estos instrumentos nos brindan información direccional confiable y precisa, lo que facilita nuestra exploración y comprensión del mundo que nos rodea. Símbolo en diagramas esquemáticos A diferencia de muchos otros componentes electrónicos, un magnetómetro no tiene un símbolo esquemático estandarizado específicamente asignado. Debido a su funcionalidad única, los magnetómetros generalmente se representan en esquemas utilizando una combinación de símbolos genéricos y etiquetas que indican su propósito. Unidad de medida inercial (IMU) Un giroscopio es un sensor que mide la velocidad de rotación o la tasa de rotación del objeto o recinto en el que está instalado. Captura con precisión los cambios en el movimiento de rotación. Es importante tener en cuenta que un giroscopio no proporciona información sobre el movimiento lineal o los ángulos estáticos de orientación. Por otro lado, un acelerómetro está diseñado para medir variaciones en el movimiento lineal. También puede determinar su propia orientación estática en relación con la fuerza de la gravedad. Sin embargo, si un acelerómetro gira alrededor de su propio eje, no puede medir la velocidad angular. En ciertos casos, un acelerómetro, un giroscopio y, a veces, un magnetómetro se integran en un solo paquete. Este módulo de sensor integrado se conoce comúnmente como unidad de medición inercial (IMU). Una IMU es particularmente valiosa en situaciones donde las señales de GPS no están disponibles, como en aviones, naves espaciales o embarcaciones. Al combinar los datos de estos sensores, una IMU puede proporcionar información esencial para fines de navegación y maniobra. Aplicaciones Los magnetómetros tienen aplicaciones generalizadas en dispositivos portátiles, incluidas brújulas digitales, cámaras y teléfonos celulares. Por lo general, se fabrican como chips de montaje en superficie en grandes cantidades y, a menudo, se usan junto con microcontroladores. Para los aficionados y las personas involucradas en el desarrollo de productos experimentales, los magnetómetros pueden montarse convenientemente en tableros de conexiones, lo que simplifica su uso e integración en proyectos electrónicos.
Fig. Placa de conexión de magnetómetro de triple eje LIS3MDL - Adafruit | Mouser La versatilidad de los magnetómetros, junto con su tamaño compacto y su facilidad de integración, ha contribuido a su amplia adopción en diversas industrias. Desempeñan un papel crucial en los sistemas de navegación, la robótica, la realidad virtual y las aplicaciones de realidad aumentada. Además, permiten la determinación precisa del rumbo, el seguimiento de la orientación y ayudan en los servicios basados en la ubicación. Si bien no existe un símbolo esquemático específico para los magnetómetros, su importancia y amplia gama de aplicaciones los convierten en componentes indispensables en los dispositivos y sistemas electrónicos modernos. Principio de funcionamiento Para comprender el funcionamiento de los magnetómetros, es esencial comprender los principios fundamentales del magnetismo. Campos magnéticos La representación de un campo magnético a menudo implica la visualización de líneas de campo que representan la fuerza y la dirección del campo. La figura [consulte el número de figura] ilustra las líneas de campo asociadas con un imán permanente simple. El espacio entre las líneas indica la fuerza, o densidad de flujo, en un punto dado, mientras que el ángulo tangencial de una línea representa su vector. Normalmente, la densidad de flujo de un campo magnético se indica con el símbolo B y se mide en unidades de newton-metros por amperio, comúnmente conocidas como teslas (T). En el pasado se utilizaba la unidad gauss (G), con 1 tesla equivalente a 10.000 gauss. Algunas hojas de datos aún pueden hacer referencia a gauss.
Se cree que el campo magnético de la Tierra se origina a partir de corrientes de convección en el núcleo externo líquido del planeta. La fuerza de este campo varía según la ubicación y oscila entre 25 y 65 microteslas (0,25 y 0,65 gauss). En términos generales, la Tierra se comporta como si una barra magnética masiva conectara su polo norte magnético y su polo sur magnético. En particular, en las regiones más cercanas a los polos, las líneas de campo exhiben una fuerte inclinación hacia la superficie, mientras que cerca del ecuador, las líneas corren aproximadamente paralelas a la superficie. En consecuencia, cuando un magnetómetro se sostiene tangencialmente a la superficie de la Tierra, tiende a medir un campo horizontal más fuerte cerca del ecuador en comparación con las regiones polares.
El ángulo de intersección de las líneas de campo con la superficie terrestre, tangencial a su curvatura, se conoce como inclinación. Las variaciones en la intensidad del campo pueden proporcionar una estimación aproximada de la ubicación, aunque el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) que utiliza tecnología satelital permite un posicionamiento significativamente más preciso. Un punto de confusión surge del hecho de que el polo norte magnético de la Tierra se comporta como un polo sur, mientras que el polo magnético sur se comporta como un polo norte. En otras palabras, cuando un imán permanente que gira libremente se alinea, su polo norte apuntará hacia el llamado polo norte magnético de la Tierra, a pesar de que los polos opuestos se atraen. Por lo tanto, es más exacto percibir el polo norte de la Tierra como el que atrae el extremo norte de una brújula. Comprender los magnetómetros implica profundizar en los principios del magnetismo y el complejo comportamiento de los campos magnéticos, particularmente el de la Tierra. Al comprender estos fundamentos, podemos apreciar cómo los magnetómetros facilitan varias aplicaciones en navegación, geofísica y más. Eje de rotación de la Tierra La Tierra experimenta un movimiento de rotación alrededor de una línea imaginaria conocida como eje de rotación. Este eje está ligeramente desplazado del eje magnético, que conecta el polo norte magnético con el polo sur magnético de la Tierra, como se muestra en la siguiente figura.
El eje de rotación es un concepto esencial para comprender la rotación diaria de la Tierra y su efecto en varios fenómenos naturales. Es una línea imaginaria que pasa por el Polo Norte y el Polo Sur, alrededor de la cual la Tierra completa una rotación completa en aproximadamente 24 horas, dando lugar a ciclos diurnos y nocturnos. Por el contrario, el eje magnético se refiere a la línea que conecta el polo norte magnético y el polo sur magnético de la Tierra. Se alinea estrechamente con el eje de rotación pero no coincide con precisión con él. Los polos magnéticos de la Tierra no son estacionarios y sufren cambios graduales con el tiempo. Estos cambios, conocidos como variación secular geomagnética, están influenciados por varios factores, incluido el movimiento del hierro fundido dentro del núcleo exterior de la Tierra. El eje magnético y el campo magnético asociado juegan un papel crucial en la navegación, ya que las brújulas magnéticas se alinean en función del campo magnético de la Tierra. Sin embargo, es importante señalar que el polo norte magnético no coincide con el polo norte geográfico y las líneas del campo magnético se desvían del eje de rotación. Al comprender la distinción entre el eje de rotación de la Tierra y el eje magnético, obtenemos información sobre la intrincada interacción entre las propiedades magnéticas del planeta y su dinámica de rotación. Este conocimiento es vital en diversos campos, como la navegación, la geofísica y la exploración espacial, donde el campo magnético de la Tierra y su relación con el eje de rotación contribuyen a la comprensión científica y los avances tecnológicos. Variación magnética y su impacto La declinación magnética se refiere a la diferencia angular entre el polo norte magnético y el polo norte geográfico según lo observado por un individuo. Este ángulo varía según la ubicación específica del observador en la superficie de la Tierra. Debido a la existencia de la declinación, la dirección de la fuerza magnética experimentada en diferentes puntos de la superficie del planeta variará según la latitud y la longitud de esos lugares. Esta variación se ilustra en la Figura 2-5, donde las líneas rojas representan meridianos magnéticos superpuestos a las líneas verdes que indican los meridianos geográficos. Los meridianos magnéticos indican la dirección de la fuerza magnética, mientras que los meridianos geográficos conectan los extremos del eje de rotación de la Tierra. Si bien existe una correlación general entre los dos, en ciertas regiones, particularmente cerca de los polos, la discrepancia entre las direcciones magnética y geográfica puede exceder los 40 grados. Para tener en cuenta estas variaciones, hay tablas de declinación estándar disponibles para ubicaciones específicas en la Tierra. Estas tablas proporcionan los ajustes necesarios que se deben aplicar a las lecturas de la brújula o del magnetómetro para determinar con precisión la dirección del norte geográfico. Los sistemas de navegación suelen expresar el rumbo de un vehículo o embarcación en relación con el norte geográfico, lo que permite una navegación y una orientación precisas. Comprender la variación magnética, incluida la declinación magnética, es vital para una navegación y orientación precisas en varios campos, incluida la navegación marítima, la aviación y la exploración de la naturaleza. Al considerar el impacto de la declinación y usar tablas o herramientas de referencia apropiadas, los navegantes pueden garantizar una búsqueda de dirección precisa y un paso seguro a través de la superficie de la Tierra. Magnetómetro basado en cable Cuando una corriente eléctrica fluye a través de un cable, genera un campo magnético con una densidad de flujo que es directamente proporcional a la intensidad de la corriente medida en amperios. Por el contrario, un campo magnético variable puede inducir una corriente eléctrica en un cable. Aprovechando este principio fundamental, se emplea un magnetómetro de bobina para detectar objetos ocultos utilizando el movimiento de la bobina sobre ellos. Mediante el empleo de un magnetómetro de bobina giratoria, se puede determinar la fuerza del campo magnético sin desplazar físicamente el instrumento. Sin embargo, vale la pena señalar que la bobina utilizada en dichos magnetómetros debe tener un tamaño relativamente importante. El concepto detrás de un magnetómetro basado en cables gira en torno a la interacción entre las corrientes eléctricas y los campos magnéticos. A medida que la corriente eléctrica pasa a través del cable, genera un campo magnético a su alrededor. La magnitud de este campo magnético es directamente proporcional a la fuerza de la corriente. Al emplear este principio, los magnetómetros pueden detectar la presencia de materiales magnéticos o medir la fuerza de los campos magnéticos. En el caso de un magnetómetro de bobina, se utiliza una bobina de alambre para mejorar la sensibilidad y precisión de las mediciones. Cuando la bobina se mueve sobre objetos enterrados, los cambios en el campo magnético inducen una corriente eléctrica dentro de la bobina. Al detectar y analizar esta corriente inducida, se puede identificar la presencia de objetos enterrados. Además, un magnetómetro de bobina giratoria es capaz de medir la fuerza de un campo magnético mientras mantiene una posición fija. Esto se logra girando la bobina dentro del magnetómetro, lo que le permite muestrear el campo magnético desde diferentes orientaciones. Al analizar la corriente inducida dentro de la bobina giratoria, se puede determinar la fuerza del campo magnético. Sin embargo, es importante tener en cuenta que para un rendimiento óptimo, la bobina utilizada en un magnetómetro debe ser relativamente grande. Esto se debe a que una bobina más grande puede capturar una mayor cantidad de flujo de campo magnético, lo que mejora la sensibilidad y la precisión. Los magnetómetros de cable, como los magnetómetros de bobina, desempeñan un papel importante en varias aplicaciones. Se utilizan comúnmente en detección de metales, estudios geofísicos e investigación científica, donde la detección y medición de campos magnéticos son esenciales. Al comprender los principios detrás de los magnetómetros de bobina y su dependencia de las corrientes eléctricas y los campos magnéticos, podemos apreciar su eficacia para detectar objetos enterrados y cuantificar la intensidad del campo magnético. Efecto Hall y Magnetorresistencia en Magnetómetros En los dispositivos portátiles modernos, los magnetómetros suelen emplear el efecto Hall o la magnetorresistencia para medir los campos magnéticos. El efecto Hall es un fenómeno en el que se genera un voltaje a través de un conductor cuando se somete a un campo magnético perpendicular al flujo de corriente. Por otro lado, la magnetorresistencia se refiere al cambio en la resistencia eléctrica de un material cuando se expone a un campo magnético. Si bien los sensores de magnetorresistencia pueden ofrecer una mayor precisión en comparación con los sensores de efecto Hall, tienden a ser más costosos. Los magnetómetros basados en chip de montaje en superficie incorporan sensores orientados ortogonalmente alineados con ejes etiquetados como X, Y y Z. Estos sensores son dispositivos analógicos que producen valores continuos, que luego se convierten en valores digitales mediante un convertidor analógico a digital integrado ( CDA). Los valores digitales obtenidos de los sensores se almacenan en registros y se ponen a disposición de otros dispositivos, a menudo utilizando el protocolo I2C ampliamente utilizado, que facilita la comunicación con los microcontroladores. Por lo general, para cada eje, hay dos registros que consisten en un byte alto y un byte bajo que juntos representan el valor digital obtenido del ADC. En la práctica, el ADC puede tener una resolución más alta que el tamaño del registro, comúnmente usando de 10 a 13 bits. Esto significa que el ADC genera valores más precisos, pero solo una parte de esos bits se utiliza y almacena en los registros, dejando los bits restantes sin usar. La utilización del efecto Hall o magnetorresistencia en magnetómetros, junto con la conversión de señales analógicas a valores digitales a través de ADC, permite una medición y representación precisas de los campos magnéticos. Estos magnetómetros encuentran amplias aplicaciones en varios dispositivos, incluidos teléfonos inteligentes, tabletas y otros dispositivos electrónicos portátiles, donde se requiere una detección precisa de campos magnéticos para la funcionalidad de brújula, seguimiento de movimiento y experiencias de realidad aumentada. Qué puede ir mal Inclinación Los magnetómetros son sensibles a su entorno, lo que puede inducir una polarización del magnetómetro de dos tipos. La desviación de hierro duro es causado principalmente por material magnetizado dentro del dispositivo que contiene el magnetómetro. Debido a que este efecto suele ser invariable, compensarlo es relativamente fácil. La desviación de hierro dulce es causada por la interacción entre las variaciones en el campo magnético de la Tierra y los materiales dentro de un magnetómetro que puede ser magnetizado Un ejemplo común de desviación de hierro dulce serían las líneas eléctricas, que generan un campo magnético que puede afectar el uso de magnetómetros para la navegación de modelos de aviones y drones. Errores de montaje La colocación de un magnetómetro basado en chip en una placa de circuito es fundamental. Deben tenerse en cuenta los efectos de campo de los transformadores o relés, e incluso el bajo voltaje y la baja corriente en la traza de un circuito pueden crear un campo magnético suficiente para perturbar un chip. Ninguna traza de capas del tablero debe pasar a través de la huella del chip. Un magnetómetro no debe montarse dentro de una caja ferromagnética.
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