Sensores Öpticos
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1 1. Sensores ópticos 2. Definición Los detectores ópticos basan su funcionamiento en la emisión de un haz de luz que es interrumpido o reflejado por el objeto a detectar. Tiene mucha aplicaciones en al ámbito industrial y son ampliamente utilizados. 2.1. Partes Los sensores ópticos están conformados por las siguientes partes: - Fuente. - Receptor. - Lentes. - Circuito de salida. 2.1.1. Fuente Origina un haz luminoso, usualmente con un LED, que puede tener un amplio rango en el espectro (incluyendo luz visible e infrarroja). Para la mayoría de las aplicaciones se prefiere las radiaciones infrarrojas pues son las que mayor porcentaje de luz emiten y disipan menos calor. Los LEDs tipos visibles son muy útiles sobre todo para facilitar el ajuste de la operación del sensor. Entre los LED de luz visible los LEDs de luz roja son los más eficaces para esta aplicación. En la figura 1 se muestra el diagrama de un LED y se observan sus partes. Figura 1. Foto emisor. Sensores de posición descripción, selección y uso 2 El haz con frecuencia es modulado con pulsos, ya que la modulación presenta ventajas como son: mayor luminosidad en el haz, mayor vida útil del LED, inmunidad del sensor a otras fuentes de luz que puedan interferir con la señal. Presenta la desventaja de reducir la respuesta en frecuencia del detector óptico. La figura 2 presenta los pulsos de alimentación para la modulación de un emisor. Figura 2. Modulación 2.1.2. Receptor Recibe el haz luminoso de la fuente, usualmente es un fotodiodo o un foto transistor. El foto sensor debe estar acoplado espectralmente con el emisor, esto significa que el fotodiodo o el foto transistor que se encuentra en el detector debe permitir mayor circulación de corriente cuando la longitud de onda recibida sea igual a la del LED en el emisor. El receptor recibe los pulsos de luz en sincronía con el emisor, esto permite ignorar radiaciones provenientes de otras fuentes. Este tipo de recepción sincrónica sólo es posible cuando la fuente y el receptor están en el mismo encapsulado. En el receptor, además, existe un circuito asociado que acondiciona la señal antes de llegar al dispositivo de salida. En la figura 3 se observa una gráfica que muestra como el LED infrarrojo tiene mayor eficacia que el LED visible rojo. Figura 3. Longitud de onda. Prof. Miguel Indriago Alvarado, 2004 3 2.1.3. Lentes Tienen la función de dirigir el haz de luz tanto en el emisor como en el receptor para restringir el campo de visión, esto trae como consecuencia aumentar la distancia de detección. El área de la base del cono de haz emitido por el LED y el lente aumenta a mayor distancia. Utilizando un lente se puede generar un cono muy estrecho, lo que permitiría darle más alcance al sensor pero con el inconveniente de presentar mayor dificultad en el momento de alinearlo. Algunos detectores son diseñados para tener un amplio campo de visión, esto permite detectar objetos grandes, pero a distancias relativamente cortas. La figura 4 presenta como propaga el campo de visión en presencia y ausencia del lente. Figura 4. Lentes 2.1.4. Circuito de salida Existen varios tipos de salidas discretas o digitales (se denominan así por tener dos estados y la más comunes son: relé, NPN o PNP, TRIAC, MOSFET), analógicas y seriales que serán discutida en el capitulo 6. En la figura 5 se muestra un diagrama de bloque de un sensor fotoeléctrico con todas sus partes. Sensores de posición descripción, selección y uso 4 Figura 5. Diagrama de bloques de un sensor foto eléctrico La fuente de alimentación suministra la potencia necesaria para el funcionamiento del detector, en el regulador de voltaje se ajustan y mantienen los niveles de tensión utilizados por el resto de los bloques del sensor. El generador de pulsos suministra al LED la señal modulada que permitirá la emisión de un haz discontinuo de luz que al chocar con un objeto regresa al foto detector. La salida de foto detector es amplificada (note que la ganancia del amplificador puede ser cambiada para ajustar la sensibilidad) y luego es comparada con la frecuencia de pulsos para verificar que la señal recibida provenga del LED del detector, esto se hace en el integrador. El nivel de salida del integrador es chequeado en el detector de nivel de tal forma que la cantidad de luz recibida sea suficiente para activar o desactivar el sensor. En algunos sensores se puede colocar una lógica de tiempo opcional que permite introducir retardos para activar o retardos para desactivar la salida. Finalmente se encuentra el dispositivo de salida, para el diagrama de bloque de la figura 5, que corresponde a un sensor con salida discreta, este dispositivo puede ser un relé, un transistor NPN, un transistor PNP, un TRIAC, un FET o un MOSFET. La salida alimenta directamente a la carga que puede ser la entrada de un controlador lógico programable, la bobina de un relé, de un Prof. Miguel Indriago Alvarado, 2004 5 arrancador o de una válvula solenoide, una luz piloto, o cualquier otro dispositivo de salida. 2.2. Margen La definición de margen según [6] es la siguiente: El margen es una medida de la cantidad de luz de la fuente de luz detectada por el receptor. El concepto de margen se puede explicar mejor por medio de un ejemplo: 1. Un margen de cero ocurre cuando el sensor de luz no puede detectar nada de la luz emitida por la fuente de luz. 2. El margen de uno se obtiene cuando se detecta la cantidad de luz suficiente para cambiar de estado el dispositivo de salida (del estado CONECTADO al de DESCONECTADO, o viceversa). 3. Se dice que existe un margen de 20 cuando se detecta una cantidad de luz 20 veces mayor que la mínima requerida para cambiar de estado el dispositivo de salida. El concepto de margen se define como: Cantidad actual de luz detectada ______ Cantidad mínima necesaria para cambiar de estado el dispositivo de salida Y generalmente se expresa como una relación o como un número entero seguido por “X”. Un margen de 6 puede expresarse como 6:1 ó como 6X. 2.3. Modos de detección Los sensores ópticos se colocan en tres configuraciones diferentes estas son: Transmisión directa, reflexivo y difuso. Sensores de posición descripción, selección y uso 6 2.3.1. Transmisión directa o barrera El emisor se coloca en frente del receptor y el objeto es detectado cuando pasa entre ambos. Esta configuración tiene la ventaja de alcanzar grandes distancias de detección (hasta unos 270 m). Su principal desventaja se presenta durante la instalación en campo de estos detectores ya que por estar separados el emisor y el detector los cables de alimentación y señal que van hacia estos dispositivos no pueden ser los mismos al igual que los ductos o tuberías por donde el cable es tendido, esto trae e como consecuencia que la cantidad de cable y tubería que se utilizan con estos sensores sea mayor. La figura 6 muestra un sensor foto eléctrico en configuración de transmisión directa. Figura 6. Modo transmisión directa El área cónica de proveniente de la fuente de luz y el área de detección frente al receptor es lo que se denomina campo de visión y el haz efectivo en la configuración transmisión directa es igual al diámetro del lente (área menor de la conicidad del campo de visión) como se muestra en la figura 8. Figura 7. Haz efectivo en la transmisión directa Si se necesita detectar objetos de menor tamaño se puede reducir el diámetro de haz efectivo colocando unas aberturas en los lentes tanto del emisor como del receptor. La figura 8 ilustra como se puede reducir el haz efectivo. Prof. Miguel Indriago Alvarado, 2004 7 Figura 8. Haz efectivo con aberturas Esta configuración (barrera) no es muy adecuada para la detección de objetos traslucidos o transparentes debido al alto margen con el que funciona, por esta razón, puede que estos tipos de objetos no sean detectados. El alto margen (mayor a 100x) de detección también lo hace ser la configuración apta para ambientes muy contaminados. 2.3.2. Reflexivo El emisor y el receptor se colocan en el mismo sitio uno al lado del otro y en frente de ellos se coloca una superficie reflexiva El haz de luz emitido choca contra el reflector para ser registrado por el receptor. La detección ocurre cuando pasa el objeto impidiendo el haz de luz llegue hasta el receptor. Esta configuración, que es la de uso común, tiene la ventaja de que el emisor y el receptor vienen en el mismo empaque y utilizan el mismo ducto para el cableado, pero las distancias de detección son varias veces menor que en la configuración de transmisión directa. La figura 9 muestra un sensor óptico en configuración reflexiva. Figura 9. Modo Reflexivo La superficie donde choca el haz esta formada por reflectores especiales o cintas reflexivas diseñadas para que el haz regrese al foto interruptor, aún estando desalineado, y esto es una ventaja sobre el uso de espejos en donde el haz debe Sensores de posición descripción, selección y uso 8 incidir de forma perpendicular. El tamaño y construcción de estos reflectores influyen sobre la distancia máxima de detección, reflectores muy pequeños no reflejaran la misma cantidad de luz que uno de mayor tamaño. La figura 10 presenta algunos ejemplos de materiales reflexivos. Figura 10. Materiales reflexivos Los detectores de tipo reflexivo pueden presentar problemas cuando el objeto a detectar es muy brillante ya que el haz de todas formas llega al detector. En estos casos es muy útil usar sensores reflexivos polarizados. Este tipos de detectores tienen un filtro en el emisor y otro, desfasado 90º, en el receptor. Cuando el haz de luz polarizada choca con el receptor, éste despolariza el haz y el receptor deja pasar parte de la luz reflejada. Cuando el objeto brillante pasa frente al detector la luz se refleja pero sin despolarizase y el filtro colocado en el receptor impide que la luz pase lo que ocasiona que el objeto sea detectado. Los sensores polarizados tienen entre 30 y 40 % menos alcance que los sensores reflexivos sin polarizar. La figura 11 ilustra e funcionamiento de un sensor reflexivo polarizado. Para la detección de objetos trasparentes se utilizan sensores reflexivos polarizados con arreglos ópticos que luego se optimizan con la ayuda de la electrónica del circuito y rutinas de software. Prof. Miguel Indriago Alvarado, 2004 9 Figura 11. Reflexivo polarizado 2.3.3. Difuso o proximidad Esta configuración se parece a la reflexiva sólo que ésta no utiliza el espejo sino que el objeto a detectar es el que sirve de reflector. Para lograr que objetos poco brillantes puedan ser detectados, el haz de luz no se transmite en una sola dirección como en las configuraciones anteriores, sino que viaja en varias direcciones. Esta configuración presenta la desventaja de tener muy corta distancia de detección, pero es muy útil cuando es difícil acceder ambos lados de objeto. La figura 12 muestra el modo de detección difuso. Figura 12. Modo difuso En la tabla 1 muestra la reflectividad relativa típica (valor típico de la propiedad que tienen algunos materiales para reflejar la luz) de algunos materiales, a mayor reflectividad relativa mayor será la distancia de detección. Sensores de posición descripción, selección y uso 10 Tabla 1. Reflectividad típica de algunos materiales Diana Aluminio pulido Papel banco (referencia) Papel blanco de escritura Cartón Madera cortada Papel negro Neopreno Goma de neumático Fieltro negro Reflectividad relativa típica 500 100 90 40 20 10 5 4 2 Además del difuso normal, que ya explicamos existen varios tipos de detectores difusos, estos son: difusa de corte abrupto, difusa de foco fijo, difusa gran angular y supresión del fondo difuso. Estos otros tipos de detección difusa se utilizan sobre todo cuando el fondo es altamente reflexivo (como ilustra la figura 13) y se explican a continuación. Figura 13. Sensor difuso con fondo reflexivo 2.3.3.1 Difusa de corte abrupto En los sensores de corte abrupto, el emisor y el receptor están orientados uno hacia el otro de tal forma que la distancia de detección sea pequeña. Esto hace que el detector pueda sensar el objeto deseado que se encuentra cerca de él y no sensar el fondo. 2.3.3.2 Supresión del fondo difuso Este tipo de sensores pueden detectar los cambios de luminosidad en el receptor. El sensor puede discriminar la luz proveniente de un fondo brillante y detectar el objeto menos brillante que el fondo, esto se hace a través de circuitos electrónicos sofisticados lo que los hace más costosos. Prof. Miguel Indriago Alvarado, 2004 11 2.3.3.3 Difusa de foco fijo El haz de luz y el área de detección del receptor están enfocados hacia un punto muy específico, esto quiere decir que la distancia de detección es fija y el sensor es muy sensible en este punto y muy poco sensible fuera de él. 2.3.3.4 Difuso gran angular Este tipo de sensores tanto el haz de luz como el área de detección de receptor son bastante amplias, esto se puede observar en la figura 14. Figura 14. Modo difuso gran angular 2.4. Fibras A las configuraciones mencionadas se les pueden instalar cables ópticos o fibras ópticas de tal forma de lograr algunas mejoras ya que la fibra puede colocarse en espacios muy reducidos donde no caben los sensores y además pueden soportar mayores temperaturas, hasta unos 500ºC. Estos cables ópticos pueden ser de fibra de vidrio o de fibra de plástico. Los cables ópticos de fibras de vidrio soportan mayor temperatura y son más duraderos, generalmente vienen recubiertos de plástico o de acero inoxidable. Los cables ópticos de fibra de plástico generalmente están hechos de un solo filamento de acrílico sin recubrimiento lo que los hace más económicos, son muy flexibles y vienen en configuración de espiral, lo que les da mayor flexibilidad. Tanto el cable óptico de fibra de vidrio como el de fibra de plástico vienen en configuración individual (utilizada en la configuración barrera) o bifurcada (utilizados para las configuraciones reflexiva y difusa). La fibra sirve tanto para luz infrarroja como para luz visible y la detección reflexiva polarizada no Sensores de posición descripción, selección y uso 12 es posible con cables ópticos. La figura 15 muestra los cables de fibra óptica utilizados con los detectores ópticos. Figura 15. Cables de fibra óptica 2.5. Comparación entre sensores ópticos. las diferentes configuraciones de La tabla 2 resume las principales características de las configuraciones mencionadas. 2.6. Especificaciones de sensores ópticos 2.6.1. Operación luz/oscuridad La operación luz se refiere al modo de funcionamiento en el cual la salida del sensor se activa cuando al receptor le llega suficiente luz. Para el caso de los sensores de transmisión directa o reflexivos esto ocurre cuando el objeto a detectar esta ausente y para los sensores difusos esto ocurre cuando el objeto a detectar está presente. La operación en oscuridad opera de forma totalmente opuesta, la salida se energiza cuando al receptor no le llega suficiente luz, en el caso de los detectores en barrera o reflexivos esto ocurre cuando el objeto está presente y en los difusos cuando el objeto está ausente. 2.6.2. Distancia máxima de detección Este es un parámetro dado por el fabricante y se refiere a: La distancia entre el emisor y el receptor en los sensores de haz transmitido. La distancia entre el emisor/receptor y el reflector en los sensores reflexivo. La distancia entre el emisor/receptor y el objeto en los sensores difusos. Prof. Miguel Indriago Alvarado, 2004 13 La distancia máxima viene dada para un margen de 1x y en la práctica es ligeramente mayor a la que especifica el fabricante. Tabla 2. Ventajas y precauciones de los modos de detección fotoeléctrica Modo de detección Aplicaciones Ventajas Consideraciones Haz transmitido Detección de uso general • Alto margen para ambientes contaminados • Detección a gran distancia • No es afectado por reflejos de segunda superficie • Probablemente más confiable cuando usted tiene objetos altamente reflexivos • Detección a distancias moderadas • Menos costoso que el haz transmitido porque el cableado es más simple • Facilidad de alineamiento • Más costoso porque requiere fuente de luz y receptor separados, cableado más costoso • El alineamiento es importante • Evite detectar objetos de material transparente Conteo de piezas • Detección a menor distancia que el haz transmitido • Menor margen que el haz transmitido • Puede detectar reflejos de objetos brillantes (en ese caso use polarizado) Retrorreflectivo Detección de uso general Polarizado retrorreflectivo Detección de uso general de objetos brillantes • Ignora los reflejos de la primera superficie • Usa haz rojo visible para facilitar el alineamiento • Menor distancia de detección que el retrorreflectivo normal • Puede ver reflejos de segunda superficie Difuso normal Aplicaciones donde no se puede acceder a ambos lados del objeto • No se requiere acceso a ambos lados del objeto • No se requiere reflector • Facilidad de alineamiento • Puede ser difícil de aplicar si el fondo detrás del objeto es suficientemente reflexivo y está cerca al objeto Difusa de abrupto Detección de corto rango de objetos con la necesidad de ignorar los fondos que están acerca al objeto • No se requiere acceso a ambos lados del objeto • Proporciona cierta protección contra la detección • de fondos cercanos • Detecta objetos independientemente del color dentro de la distancia especificada • Útil sólo para detección de distancia muy corta • No se usa con fondos cercanos al objeto Supresión del fondo difuso Detección de uso general Áreas donde usted necesita ignorar los fondos que están cerca del objeto • Más costoso que otros tipos de sensores difusos • Distancia de detección máxima limitada Difusa de foco fijo Detección de pequeñas dianas. Detecta objetos a una distancia específica del sensor. Detección de marcas de color. Detección de objetos que no están en una posición precisa. Detección de fibras muy finas en un área extensa. Permite la detección fotoeléctrica en áreas donde no se puede instalar un sensor debido a consideraciones de tamaño o ambientales. • No es necesario el acceso a ambos lados de la diana • Ignora los fondos por encima de la distancia nominal de detección independientemente de su reflectividad • Detecta objetos independientemente del color a una distancia especificada • Detección precisa de objetos pequeños en una ubicación especifica corte Difusa angular Fibras ópticas gran • Efectivo para ignorar reflejos del fondo • Detección de objetos que no están en una posición precisa • No se requiere reflector • Cables disponibles para aplicaciones de temperatura ambiental elevada • Resistente al choque y a la vibración • Se pueden usar cables de fibra óptica en áreas donde se requiere movimiento continuo • Inserción en espacio limitado • Inmunidad al ruido • Es factible en áreas corrosivas • Detección a distancia muy corta • Inadecuado para detección de uso general • El objeto debe estar en una posición precisa • Detección a distancia corta • Más costoso que los sensores con lente • Detección a distancia corta Sensores de posición descripción, selección y uso 14 2.6.3. Distancia mínima de detección La mayoría de los sensores reflexivos y difusos tienen un área ciega dentro del cual no pueden detectar, como se puede observar en la figura 16 existe una región entre el detector y la distancia mínima de detección en la cual si un objeto se ubica o bien el haz de luz no lo toca, o bien el haz reflejado no llega al receptor. Figura 16. Distancia mínima de detección 2.6.4. Curva de respuesta típica Muestra cuanto vale el margen según la distancia de detección. La figura 17 muestra una gráfica para un sensor reflexivo que tiene como reflector papel blanco, el margen operativo se obtiene interceptando la distancia a la cual se encuentra el papel blanco del detector con la curva, por ejemplo para una distancia de operación de 100 mm se obtiene un margen de 80. Figura 17. Curva de respuesta típica 2.6.5. Tiempo de respuesta. El tiempo de respuesta es el lapso de tiempo que transcurre desde que el objeto está presente hasta que la salida se energiza o el tiempo desde que el Prof. Miguel Indriago Alvarado, 2004 15 objeto desaparece y la salida se desactiva. Este va desde unos 30 µs hasta unos 30 ms dependiendo de que tipo de salida tenga el detector, las salidas en DC tienen tiempos de respuesta más cortos que las salidas en AC. 2.6.6. Campo de visión. En la mayoría de sensores fotoeléctricos, el haz de luz proveniente de la fuente de luz y el área de detección al frente del receptor se proyecta en dirección opuesta al sensor en una forma cónica. El campo de visión es una medida (en grados) de esta área cónica. La figura 18 ilustra esto con más detalle. Figura 18. Campo de visión para un sensor retroreflectivo 2.6.7. Histéresis La histéresis de un sensor fotoeléctrico es la diferencia entre la distancia en la que se puede detectar un objeto a medida que se mueve hacia el sensor y la distancia que se tiene que mover en dirección opuesta al sensor para que deje de ser detectado, tal como se observa en la figura 19. Figura 19. Histéresis Sensores de posición descripción, selección y uso 16 2.7. Aplicaciones En la figura 20 se muestra un sistema de paletizadores (un paletizador es una máquina donde se llena una pieza de madera, llamada paleta, de varias capas de algún producto) numerados del 1 al 11 que reciben paletas de cuatro dispensadores (A, B, C y D) por medio de dos carros (A y B). En el sistema hay instalados 50 detectores fotoeléctricos. Cada paletizador tiene tres foto detectores a lo largo de un transportador, uno al inicio, otro en el medio y uno al final. Estos detectores ópticos son del tipo reflexivo ya que se puede acceder a ambos lados del objeto a detectar, presenta mayor margen que el tipo difuso y es más económico que el tipo transmisión directa. En la posición donde se encuentra el detector final (el que está más alejado de la ruta de los carros) es donde ocurre el paletizado. En la posición donde se encuentra el sensor de posición intermedia puede esperar una paleta vacía, cuando el detector óptico de la posición final indica “sin paleta” la paleta de la posición intermedia, si hay alguna, avanza a la posición final. Cuando el foto detector de la posición inicial detecta que hay paleta una señal se enclava indicándole al controlador que hay una paleta entre la posición inicial y la posición intermedia, cuando la paleta avanza a la posición intermedia la señal se desenclava, si la señal esta sin enclavamiento y el foto detector de la posición intermedia no indica la presencia de paleta entonces el controlador envía una señal a algunos de los carros previamente programado para llevar una paleta al dispensador correspondiente. Los dispensadores tienen tres foto detectores uno para indicar la pila de paletas que se colocó es mayor a la que el dispensador puede manejar, en condiciones normales no bebe detectar a ningún objeto, este foto detector es del tipo difuso para facilitar la operación de llenado de paletas en el dispensador por un monta carga. El segundo foto detector indica cuando la pila de paletas se ha vaciado, este detector óptico es del tipo reflexivo ya que se puede acceder a ambos lados del objeto. El tercer detector óptico indica cuando hay una paleta en el dispensador lista para ser entregado a uno de los carros y es del tipo reflexivo. Prof. Miguel Indriago Alvarado, 2004 17 El carro tiene dos foto detectores que tiene la misma función, detectar si hay una paleta sobre el carro, los detectores son redundantes y se colocan de esta forma ya que, dependiendo del dispensador que suministre la paleta esta puede entrar en uno de dos sentidos posibles, este detector es del tipo difuso para minimizar el riesgo de choque con el sensor o el reflector cuando la paleta ingresa al carro. Figura 20. Sistema de paletizado. El último detector utilizado está conectado en modo transmisión directa a lo largo de la ruta de los carros (FSE: emisor y FSR: receptor) y a una altura suficiente para no detectar al carro con la paleta. La finalidad del detector es proteger de ser atropellada a cualquier persona que se atraviese en el camino de los carros, además de esta protección el sistema cuenta con otra que se serán estudiada en el capitulo 6. La razón por la que se utiliza detectores en modo barrera es por que la distancia de detección es unos 26 m. 2.8. Dimensiones La figura 21 muestra las dimensiones de un sensor fotoeléctrico y en la figura 22 se puede observar el aspecto real de un sensor comercial. Las dimensiones fuera de los paréntesis tienen unidades en milímetros y la que están dentro de los paréntesis tienen unidades en pulgadas. Sensores de posición descripción, selección y uso 18 Figura 21. Dimensiones de un sensor fotoeléctrico Figura 22. Sensor foto eléctrico fotoeléctrico 2.9. Encapsulado Es importante resaltar que el encapsulado de los detectores está regido por normas internacionales como la NEMA (National Electrical Manufacturers Association) o la IEC (International Electrotechnical Commission). Estas normas especifican las característica del encapsulado según el ambiente donde vaya a trabajar el detector, así tendremos, por ejemplo, especificaciones para trabajar en ambiente corrosivo (NEMA 4X o IP67 – IEC529) donde los dispositivos se construyen de poliéster reforzado con fibra de vidrio no metálicos y son totalmente sellados. Tenemos especificaciones para ambientes explosivos donde los detectores son construidos con materiales semiconductores, evitando los Prof. Miguel Indriago Alvarado, 2004 19 dispositivos con piezas móviles que puedan causar chispas, y totalmente herméticos para evitar el contacto del interior del sensor con el medio ambiente. También existen especificaciones para equipos que van a trabajar en la intemperie, en ambientes con mucho polvo, para ambientes de uso general y otros ambientes. La aplicación de normas para los encapsulados se aplica a todos los tipos de sensores estudiados en este texto y no serán tocados mas adelante. Para mayor información puede visitar los sitios Web http://www.iec.ch/ y http://www.nema.org/ 2.10. Hoja técnica A continuación se muestra una hoja técnica de un sensor foto eléctrico comercial. Sensores de posición descripción, selección y uso 20 Prof. Miguel Indriago Alvarado, 2004
