11Los sensores de proximidad detectan la presencia o ausencia de objetos mediante campos electromagnéticos, luz y sonido. Existen muchos tipos, cada uno adecuado para aplicaciones y entornos específicos.
Sensores inductivos
Estos sensores de proximidad sin contacto detectan objetivos ferrosos, idealmente acero dulce más grueso que un milímetro. Constan de cuatro componentes principales: un núcleo de ferrita con bobinas, un oscilador, un disparador Schmitt y un amplificador de salida. El oscilador crea un campo magnético oscilante y simétrico que se irradia desde el núcleo de ferrita y el conjunto de bobinas en la cara de detección. Cuando un objetivo ferroso entra en este campo magnético, pequeñas corrientes eléctricas independientes llamadas corrientes de Foucault se inducen en la superficie del metal. Esto cambia la reluctancia (frecuencia natural) del circuito magnético, lo que a su vez reduce la amplitud de oscilación. A medida que entra más metal en el campo de detección, la amplitud de oscilación disminuye y, eventualmente, colapsa. (Este es el principio del «oscilador anulado por corrientes de Foucault» o ECKO). El disparador Schmitt responde a estos cambios de amplitud y ajusta la salida del sensor. Cuando el objetivo finalmente se mueve fuera del alcance del sensor, el circuito comienza a oscilar de nuevo y el disparador Schmitt devuelve al sensor a su salida anterior.
Si el sensor tiene una configuración normalmente abierta , su salida es una señal activa cuando el objetivo entra en la zona de detección. Con normalmente cerrado, su salida es una señal inactiva con el objetivo presente. La salida se lee entonces por una unidad de control externa (p. ej., PLC, controlador de movimiento, variador inteligente) que convierte los estados de encendido y apagado del sensor en información utilizable. Los sensores inductivos suelen clasificarse por frecuencia, o ciclos de encendido/apagado por segundo. Sus velocidades oscilan entre 10 y 20 Hz en cc, o de 500 Hz a 5 kHz en ca. Debido a las limitaciones del campo magnético, los sensores inductivos tienen un alcance de detección relativamente estrecho —desde fracciones de milímetro hasta 60 mm en promedio— aunque hay disponibles productos especializados de mayor alcance.
Para adaptarse a alcances cortos en los estrechos confines de la maquinaria industrial, los estilos geométricos y de montaje disponibles incluyen blindados (al ras), sin blindaje (no al ras), tubulares y rectangulares «flat-pack». Los sensores tubulares, con diferencia los más populares, están disponibles con diámetros de 3 a 40 mm.
Pero lo que a los sensores inductivos les falta en alcance, lo compensan en adaptabilidad al entorno y versatilidad para detectar metales. Sin piezas móviles que se desgasten, una configuración adecuada garantiza una larga vida útil. Los diseños especiales con clasificaciones IP de 67 o superiores son capaces de soportar la acumulación de contaminantes como fluidos de corte, grasa y polvo no metálico, tanto en el aire como en el propio sensor. Cabe señalar que los contaminantes metálicos (p. ej., virutas de aplicaciones de corte) a veces afectan el rendimiento del sensor. La carcasa de los sensores inductivos suele ser de latón niquelado, acero inoxidable o plástico PBT.
Sensores capacitivos
Los sensores de proximidad capacitivos pueden detectar objetivos metálicos y no metálicos en forma de polvo, granulado, líquido y sólido. Esto, junto con su capacidad para detectar a través de materiales no ferrosos, los hace ideales para el monitoreo de mirillas, la detección del nivel de líquido en tanques y el reconocimiento del nivel de polvo en tolvas.
En los sensores capacitivos, las dos placas conductoras (a diferentes potenciales) están alojadas en el cabezal de detección y posicionadas para funcionar como un capacitor abierto. El aire actúa como aislante; en reposo hay poca capacitancia entre las dos placas. Al igual que los sensores inductivos, estas placas están conectadas a un oscilador, un disparador Schmitt y un amplificador de salida. Cuando un objetivo entra en la zona de detección, la capacitancia de las dos placas aumenta, causando un cambio en la amplitud del oscilador, lo que a su vez cambia el estado del disparador Schmitt y crea una señal de salida. Observe la diferencia entre los sensores inductivos y capacitivos: los sensores inductivos oscilan hasta que el objetivo está presente y los sensores capacitivos oscilan cuando el objetivo está presente.
Debido a que la detección capacitiva implica cargar las placas, es algo más lenta que la detección inductiva... oscilando entre 10 y 50 Hz, con un alcance de detección de 3 a 60 mm. Hay muchos estilos de carcasa disponibles; los diámetros comunes van de 12 a 60 mm en versiones de montaje blindadas y sin blindaje. La carcasa (generalmente de metal o plástico PBT) es robusta para permitir el montaje muy cerca del proceso monitoreado. Si el sensor tiene opciones normalmente abiertas y normalmente cerradas, se dice que tiene una salida complementaria. Debido a su capacidad para detectar la mayoría de los tipos de materiales, los sensores capacitivos deben mantenerse alejados de materiales que no sean el objetivo para evitar disparos falsos. Por esta razón, si el objetivo previsto contiene un material ferroso, un sensor inductivo es una opción más confiable.
Sensores fotoeléctricos
Los sensores fotoeléctricos son tan versátiles que resuelven la mayor parte de los problemas planteados a la detección industrial. Debido a que la tecnología fotoeléctrica ha avanzado tan rápidamente, ahora detectan comúnmente objetivos de menos de 1 mm de diámetro, o desde 60 m de distancia. Clasificados por el método en el que se emite y entrega la luz al receptor, hay muchas configuraciones fotoeléctricas disponibles. Sin embargo, todos los sensores fotoeléctricos constan de unos pocos componentes básicos: cada uno tiene una fuente de luz emisora (diodo emisor de luz, diodo láser), un receptor de fotodiodo o fototransistor para detectar la luz emitida, y electrónica de soporte diseñada para amplificar la señal del receptor. El emisor, a veces llamado transmisor, transmite un haz de luz visible o infrarroja al receptor de detección.
Todos los sensores fotoeléctricos operan bajo principios similares. Identificar su salida es así fácil; las clasificaciones darkon y light-on se refieren a la recepción de luz y la actividad de salida del sensor. Si se produce una salida cuando no se recibe luz, el sensor es dark-on. La salida se produce al recibir luz, y es light-on. De cualquier manera, se requiere decidir por light-on o dark-on antes de comprar a menos que el sensor sea ajustable por el usuario. (En ese caso, el estilo de salida puede especificarse durante la instalación volteando un interruptor o cableando el sensor en consecuencia.)
Haz de luz
La detección fotoeléctrica más confiable es con sensores de haz de luz. Separado del receptor por una carcasa independiente, el emisor proporciona un haz de luz constante; la detección ocurre cuando un objeto que pasa entre los dos rompe el haz. A pesar de su confiabilidad, el haz de luz es la configuración fotoeléctrica menos popular. La compra, instalación y alineación
del emisor y receptor en dos ubicaciones opuestas, que pueden estar bastante alejadas, son costosas y laboriosas. Con diseños recién desarrollados, los sensores fotoeléctricos de haz de luz
suelen ofrecer la distancia de detección más larga de los sensores fotoeléctricos —25 m y más es ahora común. Los nuevos modelos de emisores de diodos láser pueden transmitir un haz bien colimado a 60 m para mayor precisión y detección. A estas distancias, algunos sensores láser de haz de luz son capaces de detectar un objeto del tamaño de una mosca; a corta distancia, eso se convierte en 0.01 mm. Pero aunque estos sensores láser aumentan la precisión, la velocidad de respuesta es la misma que con los sensores sin láser —típicamente alrededor de 500 Hz.
Una capacidad única de los sensores fotoeléctricos de haz de luz es la detección efectiva en presencia de contaminantes gruesos en el aire. Si los contaminantes se acumulan directamente en el emisor o receptor, hay una mayor probabilidad de disparos falsos. Sin embargo, algunos fabricantes ahora incorporan salidas de alarma en el circuito del sensor que monitorean la cantidad de luz que golpea el receptor. Si la luz detectada disminuye a un nivel especificado sin un objetivo en su lugar, el sensor envía una advertencia por medio de un LED incorporado o un cable de salida.
Los sensores fotoeléctricos de haz de luz tienen aplicaciones comerciales e industriales. En casa, por ejemplo, detectan obstrucciones en el camino de las puertas de garaje; los sensores han salvado muchos automóviles y bicicletas de ser destrozados. Los objetos en transportadores industriales, por otro lado, pueden ser detectados en cualquier lugar entre el emisor y el receptor, siempre que haya espacios entre los objetos monitoreados, y la luz del sensor no los «atraviese». (El atravesamiento podría ocurrir con objetos delgados o de colores claros que permitan que la luz emitida pase a través de ellos hasta el receptor.)
Retro-reflectante
Los sensores retro-reflectantes tienen la siguiente distancia de detección fotoeléctrica más larga, con algunas unidades capaces de monitorear alcances de hasta 10 m. Operando de manera similar a los sensores de haz de luz sin alcanzar las mismas distancias de detección, la salida ocurre cuando se rompe un haz constante. Pero en lugar de carcasas separadas para el emisor y receptor, ambos están ubicados en la misma carcasa, mirando en la misma dirección. El emisor produce un haz de luz láser, infrarroja o visible y lo proyecta hacia un reflector especialmente diseñado, que luego desvía el haz de vuelta al receptor. La detección ocurre cuando la trayectoria de la luz se rompe o se perturba de otra manera.
Una razón para usar un sensor retro-reflectante sobre un sensor de haz de luz es la conveniencia de una ubicación de cableado; el lado opuesto solo requiere el montaje del reflector. Esto resulta en grandes ahorros de costos en piezas y tiempo. Sin embargo, los objetos muy brillantes o reflectantes como espejos, latas y cajas de jugo envueltas en plástico crean un desafío para los sensores fotoeléctricos retro-reflectantes. Estos objetivos a veces reflejan suficiente luz para engañar al receptor haciéndole pensar que el haz no fue interrumpido, causando salidas erróneas.
Algunos fabricantes han abordado este problema con filtrado de polarización, que permite la detección de luz solo de reflectores especialmente diseñados... y no de reflejos erróneos del objetivo.
Difuso
Al igual que en los sensores retro-reflectantes, los emisores y receptores de sensores difusos están ubicados en la misma carcasa. Pero el objetivo actúa como el reflector, de modo que la detección es de la luz reflejada del dist
urbio objeto. El emisor envía un haz de luz (más a menudo un infrarrojo pulsado, rojo visible o láser) que se difunde en todas las direcciones, llenando un área de detección. El objetivo luego entra en el área y desvía parte del haz de vuelta al receptor. La detección ocurre y la salida se enciende o apaga (dependiendo de si el sensor es light-on o dark-on) cuando suficiente luz cae sobre el receptor.
Los sensores difusos se pueden encontrar en lavabos públicos, donde controlan grifos automáticos. Las manos colocadas bajo el cabezal del rociador actúan como reflector, activando (en este caso) la apertura de una válvula de agua. Debido a que el objetivo es el reflector, los sensores fotoeléctricos difusos a menudo están a merced del material del objetivo y las propiedades de la superficie; un objetivo no reflectante como el papel negro mate tendrá un alcance de detección significativamente disminuido en comparación con un objetivo blanco brillante. Pero lo que parece una desventaja «en la superficie» puede ser realmente útil.
Debido a que los sensores difusos son algo dependientes del color, ciertas versiones son adecuadas para distinguir objetivos oscuros y claros en aplicaciones que requieren clasificación o control de calidad por contraste. Con solo el sensor mismo para montar, la instalación de un sensor difuso es usualmente más simple que con los tipos de haz de luz y retro-reflectantes. La desviación de la distancia de detección y los disparos falsos causados por fondos reflectantes llevaron al desarrollo de sensores difusos que enfocan; ellos «ven» objetivos e ignoran el fondo.
Hay dos maneras en las que esto se logra; la primera y más común es a través de la tecnología de campo fijo. El emisor envía un haz de luz, igual que un sensor fotoeléctrico difuso estándar, pero para dos receptores. Uno está enfocado en el punto de detección deseado, y el otro en el fondo de largo alcance. Un comparador luego determina si el receptor de largo alcance está detectando luz de mayor intensidad que la que está captando el receptor enfocado. Si es así, la salida se mantiene apagada. Solo cuando la intensidad de luz del receptor enfocado es mayor se producirá una salida.
El segundo método de enfoque va un paso más allá, empleando un conjunto de receptores con una distancia de detección ajustable. El dispositivo usa un potenciómetro para ajustar eléctricamente el alcance de detección. Tal sensor
opera mejor en su punto de detección preestablecido. Permitiendo el reconocimiento de piezas pequeñas, también proporcionan tolerancias más altas en las especificaciones de corte de área del objetivo y capacidades de detección de color mejoradas. Sin embargo, las cualidades de la superficie del objetivo, como el brillo, pueden producir resultados variados. Además, los objetos altamente reflectantes fuera del área de detección tienden a enviar suficiente luz de vuelta a los receptores para una salida, especialmente cuando los receptores están ajustados eléctricamente.
Para combatir estas limitaciones, algunos fabricantes de sensores desarrollaron una tecnología conocida como supresión de fondo real por triangulación.
Un sensor de supresión de fondo real emite un haz de luz exactamente igual que un sensor difuso estándar de campo fijo. Pero en lugar de detectar la intensidad de luz, las unidades de supresión de fondo confían completamente en el ángulo en el que el haz regresa al sensor.
Para lograr esto, los sensores de supresión de fondo usan dos (o más) receptores fijos acompañados de una lente de enfoque. El ángulo de la luz recibida se ajusta mecánicamente, permitiendo un corte pronunciado entre el objetivo y el fondo... a veces tan pequeño como 0.1 mm. Este es un método más estable cuando hay fondos reflectantes presentes, o cuando las variaciones de color del objetivo son un problema; la reflectividad y el color afectan la intensidad de la luz reflejada, pero no los ángulos de refracción usados por los sensores fotoeléctricos de supresión de fondo basados en triangulación.
Sensores ultrasónicos
Los sensores de proximidad ultrasónicos se usan en muchos procesos de producción automatizados. Ellos emplean ondas sonoras para detectar objetos, por lo que el color y la transparencia no los afectan (aunque las texturas extremas podrían). Esto los hace ideales para una variedad de aplicaciones, incluyendo la detección de largo alcance de vidrio y plástico transparente, medición de distancia, control continuo de nivel de fluidos y granulados, y apilamiento de papel, metal de lámina y madera.
Las configuraciones más comunes son las mismas que en la detección fotoeléctrica: haz de luz, retro-reflectante y versiones difusas. Los sensores de proximidad difusos ultrasónicos emplean un transductor sónico, que emite una serie de pulsos sónicos, luego escucha su regreso desde el objetivo reflectante. Una vez que la señal reflejada es recibida, el sensor envía una salida a un dispositivo de control. Los alcances de detección se extienden hasta 2.5 m. La sensibilidad, definida como la ventana de tiempo para los ciclos de escucha versus los ciclos de envío o chirp, puede ser ajustada mediante un botón de enseñanza o potenciómetro. Mientras que los sensores ultrasónicos difusos estándar dan una salida simple de presente/ausente, algunos producen señales analógicas, indicando la distancia con una salida variable de 4 a 20 mA o 0 a 10 Vdc. Esta salida puede ser fácilmente convertida en información de distancia utilizable.
Los sensores retro-reflectantes ultrasónicos también detectan objetos dentro de una distancia de detección especificada, pero midiendo el tiempo de propagación. El sensor emite una serie de pulsos sónicos que rebotan en reflectores fijos y opuestos (cualquier superficie dura plana — una pieza de maquinaria, una tabla). Las ondas sonoras deben regresar al sensor dentro de un intervalo de tiempo ajustado por el usuario; si no lo hacen, se asume que un objeto está obstruyendo la trayectoria de detección y el sensor envía una salida en consecuencia. Debido a que el sensor escucha cambios en el tiempo de propagación en lugar de meras señales de regreso, es ideal para la detección de materiales absorbentes y deflectores de sonido como algodón, espuma, tela y caucho espumado.
Similar a los sensores fotoeléctricos de haz de luz, los sensores ultrasónicos de haz de luz tienen el emisor y receptor en carcasas separadas. Cuando un objeto interrumpe el haz sónico, el receptor activa una salida. Estos sensores son ideales para aplicaciones que requieren la detección de un objeto continuo, como una banda de plástico transparente. Si el plástico transparente se rompe, la salida del sensor activará el PLC o carga conectada.
