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La selección y el desarrollo de materiales avanzados son cruciales para la fabricación de sensores de velocidad de rotación N1 y N2, dada la extrema severidad del entorno operativo en los motores de aviación. Estos materiales deben mantener su integridad estructural y sus propiedades eléctricas bajo condiciones de alta temperatura, vibración, presión y exposición a fluidos corrosivos.

Aleaciones de Alta Temperatura y Cerámicas

Los motores de aviación de alto rendimiento, incluidos los componentes que alojan sensores como N1/N2, hacen un uso extensivo de aleaciones de alta temperatura, que pueden constituir más del 50% del material total del motor.

Estas aleaciones se desarrollaron específicamente para cumplir con los requisitos rigurosos de los motores a reacción y son irremplazables para los componentes que operan en las zonas calientes de las turbinas de gas.

Mayormente para estas partes se utiliza el níquel.

Además de las aleaciones, los materiales cerámicos son altamente efectivos para proteger componentes sensibles de las altas temperaturas, como se ve en el monitoreo de la posición de los álabes de turbina que giran a gran velocidad.

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Materiales Semiconductores y su Comportamiento Térmico

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Materiales Semiconductores y su Comportamiento Térmico

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En el núcleo de los sensores de efecto Hall se encuentran los materiales semiconductores. Su comportamiento térmico es un factor crítico, ya que la concentración de portadores de carga, la movilidad y la resistividad de estos materiales cambian significativamente con la temperatura.

algunos materiales son:

Silicio (Si):

El semiconductor más utilizado en la industria electrónica debido a su abundancia y propiedades.

Germanio (Ge):

Otro semiconductor importante, aunque menos común que el silicio.

Carburo de silicio (SiC) y Nitruro de galio (GaN)

Compuestos:

También se pueden crear semiconductores a partir de combinaciones de diferentes elementos, como el arseniuro de galio.

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Primeramente se selecciona el tipo de sensor, los que se utilizan son los de efecto Hall.

Los sensores de efecto Hall son otra tecnología fundamental utilizada en aplicaciones N1/N2. Su funcionamiento se basa en el principio del efecto Hall, donde un elemento Hall, que es una delgada tira de metal, produce un voltaje proporcional a un componente axial del vector de campo magnético. Para que esto ocurra, se aplica una corriente de polarización de corriente continua (CC) fija a través del elemento Hall.

Cuando un campo magnético perpendicular a la dirección de la corriente desvía los portadores de carga, los electrodos de detección miden la diferencia de potencial, o voltaje Hall, que es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético.

Las ventajas de los sensores de efecto Hall en aplicaciones aeroespaciales incluyen su capacidad para proporcionar lecturas precisas, su durabilidad en entornos extremos (resistiendo temperaturas, vibraciones e interferencias electromagnéticas)

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La fabricación de los elementos sensores, particularmente para tecnologías como los sensores de efecto Hall, implica procesos de microfabricación para crear estructuras a escala nanométrica o micrométrica.

El ensamblaje de estos componentes requiere una precisión extrema para asegurar el correcto alineamiento y las tolerancias , que son críticas para la precisión de la medición. La necesidad de precisión a nivel micro para un rendimiento a nivel macro es un desafío de fabricación fundamental.

Esto requiere entornos de fabricación altamente especializados (por ejemplo, salas limpias), robótica avanzada y equipos de metrología sofisticados para garantizar que la precisión a nivel micro se logre de forma consistente en la producción en masa.

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Técnicas de Unión y Encapsulado Hermético

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Técnicas de Unión y Encapsulado Hermético

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Las aplicaciones aeroespaciales de sensores personalizados a menudo requieren técnicas de unión especializadas para garantizar la integridad estructural y la fiabilidad a largo plazo.

Esto incluye la unión eutéctica para aplicaciones de alta temperatura, la unión anódica para interfaces vidrio-silicio, la termocompresión para conexiones eléctricas, y la unión adhesiva para combinaciones de materiales específicas.

El encapsulado hermético es un paso crucial para proteger los componentes electrónicos sensibles de los entornos extremadamente hostiles inherentes a la aviación

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Manufactura – Montaje Electrónico del Sensor 

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Manufactura – Montaje Electrónico del Sensor 

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1. Circuito de Acondicionamiento

En un sensor de velocidad de rotación N1/N2, el circuito de acondicionamiento se encarga de procesar la señal cruda que generan los elementos de medición (por ejemplo, tacogeneradores, sensores ópticos o magnéticos).

Amplificadores: Incrementan la señal para que sea legible por el sistema de monitoreo o computadora de a bordo.

Filtros: Eliminan el ruido eléctrico y vibraciones que podrían distorsionar la lectura.

Convertidores analógico-digital (ADC): Transforman la señal en datos digitales que pueden enviarse al sistema de control (EICAS, FADEC, etc.).

Importancia: Sin este circuito, la señal sería inestable, poco precisa y difícil de interpretar en la interfaz de usuario.

2. Soldadura de Componentes (SMT)

La tecnología SMT (Surface Mount Technology) es usada para montar los componentes electrónicos en la PCB del sensor:

Ventajas: Alta precisión, miniaturización, mayor confiabilidad ante vibraciones (muy importante en aplicaciones aeronáuticas).

Proceso: Los componentes SMD se colocan con máquinas pick-and-place, se fijan con pasta de soldadura y luego se pasa la tarjeta por un horno de reflow que funde la soldadura de manera controlada.

Importancia: Asegura que el sensor pueda operar en entornos de alta temperatura, vibraciones y cambios bruscos de presión sin fallas de conexión.

3. Pruebas Funcionales

Antes de integrar el sensor al motor o al sistema de monitoreo, se hacen pruebas para garantizar su funcionamiento:

Verificación de sensibilidad: El sensor debe detectar correctamente cambios pequeños en la velocidad de rotación.

Linealidad: La salida del sensor debe ser proporcional a la velocidad real del motor en todo el rango operativo.

Respuesta dinámica: El sensor debe reaccionar rápidamente a cambios de RPM sin retrasos significativos.

Importancia: Garantiza que la lectura N1/N2 en cabina sea confiable y segura para la operación de la aeronave.

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Encapsulado Hermético

El encapsulado es la carcasa externa que protege los circuitos electrónicos del sensor. Se utiliza un sellado hermético para impedir la entrada de humedad, polvo, aceite y partículas de combustión.

Materiales típicos: aleaciones de aluminio o acero inoxidable, con recubrimientos anticorrosivos.

En sensores aeronáuticos, también se emplean sellos de goma o elastómeros resistentes a combustibles y lubricantes.

Importancia: Mantiene la precisión del sensor y evita fallas por corrosión, cortocircuitos o degradación de componentes.

Protección Mecánica

El encapsulado debe soportar altas vibraciones y golpes, por lo que se diseñan soportes internos que inmovilizan la PCB.

Se añaden aisladores de vibración (gomas o resinas) para prevenir daños mecánicos a los elementos de medición.

La geometría se diseña para disipar calor y soportar temperaturas extremas (-55°C a 125°C en aplicaciones aeronáuticas).

Protección contra Interferencias Electromagnéticas (EMI/RFI)

Se integra un blindaje electromagnético (malla metálica o recubrimiento conductor) para evitar que señales externas interfieran con la medición. Este blindaje también previene que el sensor emita radiación que afecte otros sistemas.

Revestimientos Protectores Internos

Se aplican recubrimientos conformales (conformal coating) sobre la PCB para aislarla de humedad y contaminantes químicos.

Tipos comunes: acrílicos, siliconas o poliuretanos de grado aeronáutico.

Pruebas de Encapsulado y Protección

Ensayo de estanqueidad: Se verifica que no haya fugas de aire o líquidos.

Pruebas de vibración: Se somete el sensor a ciclos de vibración para comprobar la resistencia mecánica.

Ciclos térmicos: Se expone a variaciones extremas de temperatura para comprobar la estabilidad del encapsulado.

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La calibración y validación son procesos críticos para garantizar que los sensores de un motor turbofan midan los parámetros con precisión. La calibración ajusta la salida de un sensor para que coincida con un valor de referencia conocido. La validación confirma que el sensor funciona correctamente en las condiciones operativas reales.

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Proceso de calibración: Antes de la instalación, los sensores se prueban en un banco de pruebas. Se someten a una fuente de referencia controlada (por ejemplo, un eje giratorio de velocidad conocida) y se ajusta su electrónica para que la señal de salida coincida con la velocidad de referencia. Para los sensores inductivos, se verifica que la frecuencia de los pulsos coincida con la velocidad de rotación.

Validación de datos: Una vez instalados, los sistemas de aviónica del avión comparan las lecturas de los sensores redundantes. Si un sensor proporciona una lectura que difiere significativamente de los demás, el sistema lo identifica como potencialmente defectuoso.

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La calibración dinámica es un proceso más complejo que evalúa el rendimiento del sensor a través de un rango de frecuencias y amplitudes, en lugar de un solo punto de referencia.

Objetivo: Esta técnica es esencial para sensores que miden fenómenos que cambian rápidamente, como las vibraciones del motor o la aceleración. En lugar de simplemente verificar que un sensor mide la velocidad correctamente, una calibración dinámica evalúa si el sensor puede seguir los cambios rápidos en esa velocidad con precisión.

Procedimiento: El sensor se somete a un estímulo variable y controlado (por ejemplo, una vibración de frecuencia creciente). Se analiza la señal de salida para asegurar que la respuesta del sensor sea lineal y precisa en todo el rango dinámico de operación.

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La certificación es un proceso riguroso en el que se demuestra que los sensores cumplen con las normas establecidas por las autoridades de aviación.

Autoridades de certificación: La Administración Federal de Aviación (FAA) en Estados Unidos y la Agencia Europea de Seguridad Aérea (EASA) son los principales organismos que otorgan la certificación.

Estándares clave: Un estándar fundamental es el RTCA DO-160, que establece las pruebas ambientales y las condiciones de operación que deben soportar los equipos electrónicos aeronáuticos. Los sensores deben pasar pruebas de vibración, temperatura, choque, altitud y resistencia a interferencias electromagnéticas para recibir su certificación.

Trazabilidad: Cada sensor debe tener un número de serie único y una documentación detallada que demuestre su cumplimiento con los estándares. Esta trazabilidad es esencial para la seguridad y el mantenimiento.

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Los sensores de velocidad de rotación se montan directamente en las carcasas del motor, en ubicaciones estratégicas para medir con precisión las RPM del fan (N1) y del compresor de alta presión (N2).

Ubicación: Los sensores están cuidadosamente colocados cerca de los álabes del fan o de los engranajes de los compresores. Por ejemplo, el sensor N1 se encuentra cerca del gran ventilador frontal, mientras que el N2 se ubica más internamente, cerca del compresor de alta presión.

Instalación: El montaje se realiza mediante soportes y abrazaderas especiales, garantizando que el sensor quede fijo y a una distancia exacta del componente que está midiendo. Esta distancia, o "brecha de aire", es crucial para que el sensor inductivo detecte correctamente el paso de los dientes o álabes. La posición debe ser precisa para evitar interferencias y lecturas erróneas.

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La conexión de los sensores a la FADEC (Full Authority Digital Engine Control) es vital para que el sistema de control del motor reciba los datos de manera fiable.

Cableado: Los sensores están conectados a la FADEC mediante cables trenzados y blindados. Estos cables están diseñados para resistir el calor, las vibraciones y las interferencias electromagnéticas (EMI) que son comunes en el entorno del motor. El blindaje protege la señal de los pulsos generados por el sensor de cualquier ruido externo.

Procesamiento de la señal: La FADEC recibe la señal de pulso de cada sensor, la cual es una señal analógica. La FADEC luego procesa esta señal, la digitaliza y la convierte en un valor porcentual de las RPM. Este valor es el que se utiliza para el control del motor y se envía al sistema EICAS para que la tripulación lo visualice en la cabina de vuelo.

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Para mejorar la sustentabilidad en la manufactura de sensores de velocidad de rotación, las empresas se centran en reducir el impacto ambiental y mejorar la eficiencia de sus procesos.

Reducción de la huella de carbono

Fuentes de energía renovable: Se utilizan paneles solares o se contratan proveedores de energía renovable para alimentar las instalaciones de fabricación.

Eficiencia energética: Se emplean tecnologías como iluminación LED, sistemas de climatización inteligentes y equipos de producción más eficientes para reducir el consumo de electricidad.

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Uso responsable de materiales

Materiales reciclables y reutilizables: Se opta por materiales como el acero inoxidable y el cobre que pueden reciclarse. Además, se reutilizan los componentes defectuosos o se recuperan los materiales valiosos.

Minimización de residuos: Se optimizan los procesos de corte y mecanizado para reducir la cantidad de material sobrante. Los residuos se separan y se reciclan adecuadamente para evitar que terminen en los vertederos.

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Gestión del ciclo de vida

Diseño para la durabilidad: Los sensores se diseñan para ser extremadamente duraderos y resistentes a entornos hostiles, lo que prolonga su vida útil y reduce la necesidad de reemplazos frecuentes.

Programas de reparación y reacondicionamiento: Algunas empresas ofrecen servicios para reparar o reacondicionar sensores viejos, lo que extiende su vida útil y reduce la demanda de nuevos productos.