I. Introducción a las tecnologías de sensores de proximidad
Sensores de proximidad son dispositivos esenciales utilizados para detectar la presencia o ausencia de un objeto dentro de un rango especificado sin contacto físico. Funcionan emitiendo diversas formas de energía -como campos electromagnéticos, ondas sonoras o luz- y midiendo la respuesta cuando un objeto se acerca al sensor. La diversidad de tecnologías de sensores de proximidad permite su aplicación en numerosos campos, como la automatización industrial, la robótica, los sistemas de automoción y la electrónica de consumo.
II. Sensores de proximidad capacitivos
Características principales de los sensores de proximidad capacitivos
Los sensores de proximidad capacitivos son dispositivos versátiles que detectan la presencia de objetos sin contacto físico. Estas son sus principales características:
- Rango de detección: Normalmente, los sensores capacitivos pueden detectar objetos dentro de un rango de unos pocos milímetros hasta aproximadamente 1 pulgada (25 mm), con algunos modelos que se extienden hasta 2 pulgadas.
- Sensibilidad a los materiales: Estos sensores pueden detectar tanto materiales metálicos como no metálicos, incluidos líquidos, plásticos y vidrio, gracias a su capacidad para detectar cambios en la capacitancia basados en la constante dieléctrica del material objetivo.
- Funcionamiento sin contacto: Funcionan sin contacto físico, lo que reduce el desgaste y alarga la vida útil del sensor.
- Sensibilidad ajustable: Muchos sensores capacitivos incluyen un potenciómetro para ajustar la sensibilidad, lo que permite a los usuarios ajustar con precisión los parámetros de detección para aplicaciones específicas.
- Indicadores LED: La mayoría de los modelos están equipados con indicadores LED para confirmar visualmente el estado operativo del sensor.
Principio de funcionamiento
Los sensores de proximidad capacitivos funcionan basándose en el principio de los cambios de capacitancia provocados por los objetos cercanos. Así es como funcionan:
- Construcción: El sensor consta de dos electrodos metálicos que forman un condensador. Un electrodo está conectado a un circuito oscilador, mientras que el otro actúa como placa de referencia.
- Cambio de capacitancia: Cuando un objeto se acerca al sensor, entra en el campo eléctrico creado entre los electrodos. Esta presencia altera la constante dieléctrica entre las placas, lo que a su vez modifica la capacitancia del sistema.
- Detección de oscilación: El circuito oscilador detecta estos cambios en la capacitancia. Al acercarse un objeto, la capacitancia aumenta, lo que provoca un cambio en la frecuencia de oscilación del circuito. Este cambio de frecuencia es monitorizado por un amplificador y convertido en una señal de salida binaria que indica la presencia de un objeto.
- Señal de salida: Cuando la oscilación alcanza una determinada amplitud umbral, provoca un cambio en el estado de salida del sensor. A la inversa, cuando el objeto se aleja, la amplitud disminuye, volviendo la salida a su estado original.
- Consideraciones medioambientales: Para un rendimiento óptimo, los sensores capacitivos deben utilizarse en entornos con niveles estables de temperatura y humedad, ya que las fluctuaciones pueden afectar a su sensibilidad y precisión.
III. Sensores ultrasónicos de proximidad
Ventajas de los sensores de proximidad ultrasónicos
Los sensores de proximidad ultrasónicos ofrecen varias ventajas que los hacen adecuados para diversas aplicaciones:
- Independencia de los materiales: Pueden detectar todo tipo de materiales, incluidos objetos brillantes, transparentes y de forma irregular, sin que les afecte el color o la textura de la superficie del objeto.
- Largo alcance de detección: Los sensores ultrasónicos pueden medir distancias superiores a 1 metro, lo que los hace ideales para aplicaciones que requieren detección de largo alcance.
- Rendimiento robusto en condiciones adversas: Estos sensores no se ven influidos por factores ambientales como el polvo, la lluvia o la nieve, que pueden obstaculizar otros tipos de sensores. Su funcionamiento sigue siendo fiable incluso en condiciones difíciles.
- Alta sensibilidad y precisión: Los sensores ultrasónicos proporcionan mediciones precisas y son capaces de detectar objetos pequeños a distancias considerables.
- Aplicaciones versátiles: Se utilizan ampliamente en diversas industrias para tareas como la medición de nivel, la detección de objetos y el control automatizado de procesos, lo que demuestra su adaptabilidad en diferentes escenarios.
Mecanismo de funcionamiento
El mecanismo de funcionamiento de los sensores de proximidad ultrasónicos se basa en la emisión y recepción de ondas sonoras de alta frecuencia. He aquí cómo funcionan:
- Emisión de ondas sonoras: El sensor emite ondas sonoras ultrasónicas (normalmente por encima de 20 kHz) hacia el objeto objetivo.
- Reflexión: Estas ondas sonoras viajan hasta chocar con un objeto y se reflejan hacia el sensor.
- Medición del tiempo: El sensor mide el tiempo que tardan en regresar las ondas sonoras emitidas tras chocar con el objeto. Este intervalo de tiempo es crucial para determinar la distancia al objeto.
- Cálculo de la distancia: Mediante la fórmula Distancia = (Velocidad del sonido × Tiempo) / 2, el sensor calcula la distancia al objeto basándose en la velocidad del sonido en el aire (aproximadamente 343 metros por segundo a temperatura ambiente) y el tiempo medido.
- Generación de señal de salida: Una vez calculada la distancia, el sensor genera una señal de salida que indica si un objeto se encuentra dentro de un rango predeterminado, lo que permite diversas aplicaciones, como activar alarmas o controlar maquinaria.
IV. Sensores magnéticos de proximidad
Tipos de detectores magnéticos de proximidad
Los sensores magnéticos de proximidad pueden clasificarse en varios tipos en función de sus principios de funcionamiento y aplicaciones:
- Interruptor de láminas: Se trata de un interruptor accionado magnéticamente que consta de dos láminas ferromagnéticas selladas en una cápsula de vidrio. Cuando hay un campo magnético, las láminas se juntan para completar un circuito eléctrico.
- Sensor de efecto Hall: Utiliza el principio de efecto Hall, en el que se genera una tensión a través de un conductor cuando se expone a un campo magnético. Este sensor detecta la presencia de imanes y proporciona una señal de salida en consecuencia.
- Sensor magnetoestrictivo: Mide la posición de un objeto magnético utilizando el efecto magnetostrictivo, que implica cambios en el campo magnético que afectan a las propiedades de un material.
- Sensor magneto-resistivo: Funciona basándose en el efecto magnetorresistivo, en el que la resistencia eléctrica de un material ferromagnético cambia en respuesta a un campo magnético externo.
- Sensor de proximidad magnético inductivo: Similares a los sensores inductivos pero diseñados específicamente para detectar campos magnéticos en lugar de objetos metálicos. Utilizan una bobina oscilante para generar un campo magnético y detectar cambios cuando se acerca un imán permanente.
Funcionalidad
La funcionalidad de los sensores magnéticos de proximidad gira en torno a su capacidad para detectar campos magnéticos y proporcionar las señales de salida correspondientes. He aquí cómo funcionan:
- Mecanismo de detección: Los sensores magnéticos de proximidad detectan la presencia de objetos magnéticos (como imanes permanentes) a través de varios principios, incluyendo los mencionados anteriormente. Cada tipo tiene su propio método de detección:
- Los interruptores Reed cierran los contactos cuando se exponen a un campo magnético.
- Los sensores de efecto Hall generan una señal de tensión en respuesta a imanes cercanos.
- Los sensores magnetostrictivos y magnetorresistivos miden los cambios en las propiedades de los materiales debidos a influencias magnéticas.
- Procesamiento de la señal: Una vez detectado un cambio en el campo magnético, el sensor procesa esta información para generar una señal de salida. Esta señal puede ser digital (encendido/apagado) o analógica, según la aplicación y el tipo de sensor.
- Activación de la salida: La señal de salida puede activar diversas acciones, como la activación de alarmas, el control de motores o la retroalimentación en sistemas automatizados. Los sensores suelen utilizarse en aplicaciones como sistemas de seguridad (para puertas y ventanas), automatización industrial (detección de posición) y electrónica de consumo.
- Flexibilidad de instalación: Los sensores magnéticos de proximidad pueden instalarse enrasados o no en diversos entornos, incluidos aquellos con materiales no magnéticos como el plástico o la madera, lo que permite una aplicación versátil en diferentes entornos.
V. Sensores ópticos de proximidad （Sensores fotoeléctricos）
Principios de funcionamiento de los sensores ópticos de proximidad
Los sensores ópticos de proximidad funcionan utilizando la luz para detectar la presencia o ausencia de objetos dentro de su campo de detección. El principio fundamental de funcionamiento consiste en emitir luz, normalmente en el espectro infrarrojo o visible, y medir la luz reflejada por un objeto. He aquí un desglose de su funcionamiento:
- Emisión de luz: El sensor emite un haz de luz hacia el objeto objetivo. Esta luz puede ser generada por diversas fuentes, como LED o láser.
- Detección por reflexión: Cuando la luz emitida encuentra un objeto, parte de ella se refleja hacia el sensor. La cantidad y la intensidad de esta luz reflejada dependen de la distancia del objeto y de las características de su superficie.
- Procesamiento de la señal: El receptor del sensor detecta la luz reflejada. Si la cantidad de luz reflejada supera un determinado umbral, el sensor determina la presencia de un objeto y genera una señal de salida (digital o analógica) que indica la detección.
- Medición de la distancia: En algunos sensores ópticos avanzados, se puede medir el tiempo que tarda la luz en volver (en el caso de los sensores láser) para calcular la distancia precisa al objeto.
Este método permite que los sensores ópticos de proximidad sean muy eficaces para detectar objetos sin contacto, lo que los hace idóneos para diversas aplicaciones en automatización, seguridad y electrónica de consumo.
Diferentes tipos de sensores ópticos de proximidad
Los sensores ópticos de proximidad pueden clasificarse en varios tipos en función de su diseño y principios de funcionamiento:
- Sensores de infrarrojos (IR): Estos sensores emiten luz infrarroja y detectan cambios en la radiación IR reflejada. Se suelen utilizar en aplicaciones como puertas automáticas y sistemas de seguridad.
- Sensores láser: Utilizando rayos láser, estos sensores proporcionan alta precisión y capacidad de detección de largo alcance. Suelen emplearse en aplicaciones industriales que requieren mediciones de distancia precisas.
- Sensores fotoeléctricos: Constan de una fuente de luz (normalmente un LED) y un receptor. Pueden funcionar en diferentes modos:
- Haz luminoso pasante: El emisor y el receptor están situados uno frente al otro; un objeto interrumpe el haz luminoso.
- Catadióptrico: El emisor y el receptor están en el mismo lado, con un reflector que hace rebotar la luz emitida hacia el receptor.
- Reflexión difusa: El emisor y el receptor están alojados juntos; el sensor detecta la luz reflejada por un objeto situado directamente delante.
- Sensores de tiempo de vuelo (ToF): Estos avanzados sensores miden el tiempo que tarda un pulso de luz en viajar hasta un objeto y volver, lo que permite medir la distancia con precisión.
VI. Sensores de proximidad de efecto Hall
Principales ventajas de los sensores de proximidad de efecto Hall
Los detectores de proximidad de efecto Hall ofrecen varias ventajas que los hacen muy eficaces para diversas aplicaciones:
- Sensores sin contacto: Estos sensores detectan la presencia de campos magnéticos sin contacto físico, lo que reduce el desgaste en comparación con los interruptores mecánicos.
- Durabilidad: los sensores de efecto Hall son dispositivos de estado sólido, lo que significa que son menos propensos a fallos mecánicos y pueden funcionar en entornos difíciles, incluida la exposición al polvo, la suciedad y la humedad.
- Alta velocidad y sensibilidad: Pueden responder rápidamente a los cambios en los campos magnéticos, lo que los hace adecuados para aplicaciones de alta velocidad como el control de motores y la detección de posición.
- Aplicaciones versátiles: Los sensores de efecto Hall se pueden utilizar en una amplia gama de aplicaciones, incluidos los sistemas de automoción (por ejemplo, sensores de velocidad de las ruedas), electrónica de consumo (por ejemplo, teléfonos inteligentes) y automatización industrial (por ejemplo, detección de proximidad).
- Bajo consumo: Estos sensores suelen consumir menos energía que los interruptores mecánicos tradicionales, lo que los hace ideales para dispositivos que funcionan con pilas.
Teoría operativa
La teoría de funcionamiento de los detectores de proximidad de efecto Hall se basa en el fenómeno del efecto Hall, que implica la interacción entre corrientes eléctricas y campos magnéticos. He aquí cómo funcionan:
- Flujo de corriente: Un sensor de efecto Hall consiste en una fina tira de material conductor (el elemento Hall) a través de la cual fluye una corriente eléctrica. Esta corriente genera su propio campo magnético.
- Interacción del campo magnético: Cuando se aplica un campo magnético externo perpendicular a la dirección del flujo de corriente, los portadores de carga (electrones o huecos) en el material conductor experimentan una fuerza (fuerza de Lorentz) que les hace desviarse de su trayectoria en línea recta.
- Generación de tensión: Esta desviación da lugar a una concentración de portadores de carga en un lado del elemento Hall, creando una diferencia de tensión a través de los lados opuestos de la tira, conocida como tensión Hall. La magnitud de esta tensión es proporcional a la intensidad del campo magnético.
- Señal de salida: El sensor mide esta tensión Hall y la convierte en una señal de salida. Dependiendo del diseño, esta salida puede ser analógica o digital. Por ejemplo, en aplicaciones digitales, el sensor puede encenderse o apagarse en función de si el campo magnético supera un determinado umbral.
- Tipos de sensores de efecto Hall: Dependiendo de su configuración, los sensores de efecto Hall se pueden clasificar en:
- Sensores unipolares: Se activan con una polaridad de campo magnético.
- Sensores bipolares: Responden a ambas polaridades.
- Sensores omnipolares: Pueden ser activados por un campo magnético positivo o negativo.
VIII. Sensores inductivos de proximidad
Características de los sensores de proximidad inductivos
Los sensores de proximidad inductivos son dispositivos especializados diseñados principalmente para detectar objetos metálicos sin contacto físico. Estas son sus principales características:
- Detección sin contacto: Pueden detectar objetos metálicos sin necesidad de tocarlos, lo que minimiza el desgaste tanto del sensor como del objeto detectado.
- Sensibilidad a los metales: Estos sensores son especialmente sensibles a los materiales ferromagnéticos (como el hierro), pero también pueden detectar metales no ferrosos (como el aluminio y el cobre) en función del diseño.
- Alcance de detección: El alcance de detección varía en función del tamaño y el tipo de objeto metálico, y suele oscilar entre unos pocos milímetros y varios centímetros.
- Robustez: Los sensores inductivos son duraderos y pueden funcionar en entornos difíciles, como la exposición al polvo, la humedad y las temperaturas extremas.
- Alta velocidad: Pueden cambiar de estado rápidamente, lo que los hace adecuados para aplicaciones de alta velocidad en procesos de automatización y fabricación.
- Instalación sencilla: Los sensores de proximidad inductivos suelen ser fáciles de instalar e integrar en los sistemas existentes, con varias opciones de montaje disponibles.
Método operativo
El funcionamiento de los detectores de proximidad inductivos se basa en el principio de inducción electromagnética. He aquí cómo funcionan:
- Circuito oscilador: El sensor contiene un circuito oscilador que genera un campo electromagnético alterno de alta frecuencia en su cara de detección. Este campo electromagnético se extiende a la zona circundante.
- Generación de corrientes de Foucault: Cuando un objeto metálico se acerca a este campo electromagnético, induce corrientes de Foucault en el metal. Estas corrientes fluyen dentro del objeto metálico debido a la inducción electromagnética.
- Cambio de amplitud: La presencia de estas corrientes parásitas provoca una pérdida de energía en el circuito oscilante, lo que conduce a una reducción de la amplitud de la oscilación. Cuanto más se acerca el objeto metálico, mayor es la pérdida de energía y más significativa la disminución de la amplitud de oscilación.
- Detección de señales: El sensor incluye un circuito de detección de amplitud que supervisa los cambios en el estado de oscilación. Cuando la amplitud cae por debajo de un determinado umbral debido a la presencia de un objeto metálico, se detecta este cambio.
- Generación de la señal de salida: A continuación, el sensor convierte esta detección en una señal de salida (normalmente una señal binaria), que indica si un objeto está presente o no. Esta salida puede utilizarse para activar otros dispositivos o procesos de un sistema de automatización.
IX. Comparación de diferentes tecnologías de sensores de proximidad
A. Puntos fuertes y limitaciones
| Tipo de sensor | Puntos fuertes | Limitaciones |
|---|---|---|
| Inductivo | Alta fiabilidad para detectar objetos metálicos
Duradero y resistente a condiciones duras Tiempo de respuesta rápido |
Limitado a objetivos metálicos
Sensible a las interferencias electromagnéticas |
| Capacitivo | Detecta objetos metálicos y no metálicos
Funciona a través de barreras no metálicas Sensibilidad ajustable |
Menor alcance de detección en comparación con los sensores inductivos
Afectada por factores ambientales (humedad, temperatura) |
| Ultrasonidos | Detección sin contacto de diversos materiales
Funciona en entornos difíciles Largo alcance de detección |
Eficacia limitada en el vacío
El rendimiento puede verse afectado por la textura del objeto y la absorción acústica |
| Fotoeléctrico | Versátil con diferentes configuraciones (pasante, retrorreflectante)
Tiempo de respuesta rápido Puede detectar objetos transparentes |
Complejidad de instalación para algunos tipos
El rendimiento puede variar en función del color y la reflectividad del objeto |
| Láser | Detección de alta precisión y largo alcance
Adecuado para objetivos pequeños o distantes |
Mayor coste y consumo de energía
Cuestiones de seguridad relacionadas con la exposición ocular Rendimiento limitado con materiales transparentes |
B. Aplicaciones adecuadas para cada tecnología
Aplicaciones adecuadas para cada tecnología
- Sensores inductivos de proximidad:
- Se utiliza habitualmente en la automatización industrial para detectar piezas metálicas en cintas transportadoras.
- Ideal para la detección de posición en maquinaria y equipos.
- Sensores de proximidad capacitivos:
- Adecuado para detectar materiales no metálicos como líquidos, polvos y plásticos.
- A menudo se utiliza en aplicaciones de envasado, procesamiento de alimentos y medición de nivel.
- Sensores ultrasónicos de proximidad:
- Eficaz en aplicaciones que requieren medición de distancias, como la detección del nivel de líquidos y la detección de objetos en robótica.
- Se utiliza en sistemas de ayuda al aparcamiento de automóviles.
- Sensores fotoeléctricos de proximidad:
- Ampliamente utilizado en envasado, sistemas de clasificación y manipulación de materiales.
- Adecuado para detectar objetos transparentes o contar artículos en una cinta transportadora.
- Sensores láser de proximidad:
- Se utiliza en aplicaciones que requieren gran precisión, como el posicionamiento robótico y los sistemas de inspección automatizados.
- Común en logística para medir distancias o dimensiones de paquetes.
Conclusiones: Diversidad de tecnologías de detección de proximidad
La diversidad de tecnologías de detección de proximidad refleja los distintos requisitos de los sistemas modernos de automatización y control. Cada tipo de sensor posee puntos fuertes únicos que lo hacen adecuado para aplicaciones específicas, al tiempo que presenta limitaciones que deben tenerse en cuenta durante la selección. Los sensores inductivos destacan en la detección de metales, mientras que los capacitivos ofrecen versatilidad con distintos materiales. Los sensores ultrasónicos ofrecen sólidas capacidades de medición de distancias, mientras que los sensores fotoeléctricos se ven favorecidos por su velocidad y adaptabilidad. Los sensores láser destacan por su precisión en largas distancias.
Fuente del artículo:
https://www.ifm.com/de/en/shared/technologies/ultrasonic-sensors/advantages-of-ultrasonic-sensors
https://www.tme.eu/Document/e5f38f78b147f70a1fae36b473781d74/MM-SERIES-EN.PDF
