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• Johnny Kevyn Huillcaya Ortiz

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SENSORES

Se usan para detectar y/o medir: - Velocidad (Se mide en rpm) - Longitud - Presencia / Ausencia - Marcas (tacas) - Metales - Posición - Desplazamiento (longitudinal y angular) - Colores - Otros

Los sensores más usados son: • Electromecánicos (límites de carrera) • Inductivos • Capacitivos • Magnéticos • Fotoeléctricos • Ultrasónicos • Encoders (Incrementales y Absolutos)

ELECTROMECÁNICOS: • Son sensores usualmente robustos, que se usan como límites de carrera. • Cada vez se usan menos porque tienen partes móviles y sufren desgaste. • En su lugar, el uso de sensores de no contacto, como los inductivos, fotoeléctricos y otros, proveen mayor tiempo de vida y mayor confiabilidad y disponibilidad.

INTERRUPTORES DE POSICIÓN ELECTROMECÁNICOS Descripción del funcionamiento: Con los finales de carrera mecánicos, se establece o se interrumpe un contacto eléctrico por medio de una fuerza externa. La vida útil del contacto es de un máximo de unos 10 millones de ciclos de interrupción. Dependiendo del diseño, pueden transmitirse tensiones e intensidades relativamente elevadas.

En el caso de un final de carrera mecánico, el espacio que separa dos contactos abiertos de diferente polaridad se conoce como el intervalo entre contactos. Los tiempos de conmutación de los finales de carrera mecánicos son entre 1 y 10ms. Cuando se utilizan interruptores electromecánicos para operaciones de conteo, deben tenerse en cuenta los posibles rebotes de los contactos

APLICACIÓN DE SENSORES DE PROXIMIDAD En aplicaciones para detectar si hay un objeto en una determinada posición; por ejemplo para el funcionamiento de cilindros neumáticos, accionadores eléctricos, pinzas, barreras de protección, sistemas de arrollado y puertas.

En aplicaciones de posicionado de piezas, por ejemplo, en centros de mecanizado, correderas de transferencia de piezas, cilindros neumáticos.

Aplicaciones de conteo de piezas y secuencias de movimiento, por ejemplo, cintas transportadores, dispositivos de clasificación

Aplicaciones para medición de la velocidad de rotación, por ejemplo, de engranajes, o para detectar velocidad cero.

Aplicación para detección de material, por ejemplo, para suministrar o clasificar material (reciclado).

Aplicación para definir el sentido de un movimiento lineal o rotativo, por ejemplo, definiendo el sentido de las piezas clasificadas.

Aplicaciones de supervisión de herramientas

Aplicación para supervisión de niveles de llenado por medio de sensores de proximidad ópticos, capacitivos o ultrasónicos.

Aplicación para la Medición aproximada de Distancias (distancia x)

Aplicación para medición de la velocidad

Aplicación para la protección de máquinas contra contacto peligroso.

Aplicaciones para la detección de la forma de un objeto por medio de varios detectores de proximidad dispuestos siguiendo el contorno.

SENSORES DE PROXIMIDAD REED Descripción del funcionamiento: Estos sensores de proximidad, reaccionan ante los campos magnéticos de imanes permanentes y de electroimanes. En el caso de un sensor reed, las láminas de contacto están hechas de material ferromagnético (Fe-Ni aleado, Fe = hierro, Ni = níquel) y están selladas dentro de un pequeño tubo de vidrio. El tubo se llena con un gas inerte, por ejemplo, Nitrógeno (Gas inerte significa un gas no activo ni combustible).

Si se acerca un campo magnético al sensor de proximidad, las láminas se unen por magnetismo y se produce un contacto eléctrico

Cilindro neumático con sensores de proximidad magnéticos. Los sensores de proximidad se utilizan para la detección de las posiciones finales, aprox. A unos 10 mm del final de la carrera.

• La aplicación más ampliamente conocida y utilizada: Detectores de posición de cilindros. • Con la utilización de sensores de proximidad magnéticos pueden solventarse muchos otros problemas de detección si al objeto a detectar se le aplica un imán, por ejemplo:

• Medición de la velocidad de rotación de piezas de cualquier material. • Detección selectiva de piezas individuales de series similares. • Sistemas de codificación por desplazamiento incremental. • Dispositivos de conteo. • Interruptores de puertas. • Posicionamiento de material.

Características técnicas de los sensores de proximidad reed

Principio de funcionamiento de los sensores de proximidad magnéticos para la detección de las posiciones de un cilindro.

a) El sensor de proximidad está sin activar; los contactos están abiertos. b) Cuando se aproxima un campo magnético, los contactos se cierran.

Sensores de proximidad inductivos

Los componentes mas importantes de un sensor de proximidad inductivo son un oscilador (circuito resonante LC), un rectificador demodulador, un amplificador biestable y una etapa de salida.

Diagrama de bloques de un sensor de proximidad inductivo

• El campo magnético, que es dirigido hacia el exterior, es generado por medio del núcleo de ferrita semiabierto de una bobina osciladora y de un apantallado adicional. Esto crea un área limitada a lo largo de la superficie activa del sensor de proximidad inductivo, la cual se conoce como zona activa de conmutación. • Cuando se aplica una tensión al sensor, el oscilador se activa y fluye una corriente de reposo definida. Si un objeto conductor de electricidad se introduce en la zona activa de conmutación, se crean unas corriente parásitas que restan energía al oscilador. La oscilación se atenúa y esto produce un cambio en el consumo de corriente del sensor de proximidad. Los dos estadososcilación atenuada y oscilación sin atenuar-se evalúan electrónicamente.

Método de funcionamiento de un sensor de proximidad inductivo

• Por medio de los sensores de proximidad inductivos, solo pueden detectarse materiales conductores de electricidad. • Dependiendo del tipo de conmutación (normalmente cerrado o normalmente abierto), la etapa final es conectada o interrumpida si se presenta un objeto metálico en la zona activa de conmutación. La distancia del área activa, donde se produce un cambio en la señal de salida, se conoce como distancia de conmutación. Por ello, un criterio importante para los sensores de proximidad inductivos es el tamaño de la bobina incorporada en la cabeza del sensor. Cuanto más grande sea la bobina, mayor será la distancia de conmutación activa. Puede alcanzarse distancias de hasta 250 mm.

DATOS TÉCNICOS Material del objeto Tensión de Funcionam iento Distancia de Conm utación Nom inal Intensidad m áxim a Tem peratura de Funcionam iento Vibración Sensibilidad a la suciedad Vida útil Frecuencia de conm utación Ejecución Tam año (ejem plo) Clas de protección IEC 529, DIN 40050

Metales Típica 10 V ... 30 V Típica 0.8 ...10m m Máx. aprox. 250m m 75 m A ... 400 m A -25 ºC ...+70 ºC 10 ... 50 Hz 1m m . am plitud insensible Muy larga Típica 10 ...5000 Hz Máx. 20 KHz Cilíndrica, rectangular M8x1, M12x1, M18x1, m 30x1,  4m m ...  30 m m , 25 m m x 40m m x 80m m Hasta IP 67

FUNDAMENTOS Material Acero dulce Níquel Cromo Latón Aluminio Cobre

Factor de Reducción 1.0 0.70-0.90 0.35-0.50 0.35-0.50 0.25-0.40

APLICACIONES • Limitación del final de posición de una corredera automática.

SENSORES CAPACITIVOS El principio de funcionamiento de un sensor proximidad capacitivo, está basado en la medición los cambios de capacitancia eléctrica de condensador en un circuito resonante RC, ante aproximidad de cualquier material.

de de un la

En un sensor de proximidad capacitivo, entre un electrodo “activo” y uno puesto a tierra, se crea un campo electrostático disperso. Generalmente también se halla presente un tercer electrodo para compensación de las influencias que pueda ocasionar la humedad en el sensor de proximidad.

Diagrama de bloques de un sensor de proximidad capacitativo

Si un objeto o un medio (metal, plástico, vidrio, madera, agua), irrumpe en la zona activa de conmutación, la capacitancia del circuito resonante se altera. Los sensores de proximidad capacitativos son adecuados, por ejemplo, para supervisar los niveles de llenado en conectores de almacenamiento. Otras áreas de aplicación incluyen la detección de materiales no- metálicos.

DATOS TÉCNICOS

Detección de objetos mate y negros Los objetos de goma, cuero, plástico y otros materiales, son difíciles de detectar por sensores ópticos de reflexión directa y, en según que aplicaciones, la utilización de sensores ultrasónicos puede resultar excesivamente costosa.

Detección del nivel de llenado de líquidos En el caso de tener que detectar niveles de líquidos a través de paredes finas de recipientes de plástico, tubos de vidrio de inspección, etc. El grueso de la pared debe limitarse de tal forma que permita al sensor de proximidad capacitivo reaccionar sólo con el propio contenido del recipiente.

a) Sensor de proximidad capacitivo, encapsulado en plástico o en cristal de cuarzo. b) Detección del nivel de un líquido a través de un tubo de plástico o de vidrio.

Detección del nivel de llenado de material a granel • Los sensores de proximidad capacitivos también son adecuados para la detección de materiales pulverulentos o granulados en contenedores o silos. • Verificación del contenido de paquetes Es posible, por ejemplo, verificar el volumen de llenado de contenedores de productos alimenticios a través de cajas selladas, por medio de sensores de proximidad capacitivos.

SENSORES OPTICOS Los sensores de proximidad ópticos utilizan medios ópticos y electrónicos para la detección de objetos. Para ello se utiliza luz roja o infrarroja. Los diodos semiconductores emisores de luz (LEDS) son una fuente particularmente fiable de luz roja e infrarroja. Son pequeños y robustos, tienen una larga vida útil y pueden modularse fácilmente. Los fotodiodos y fototransistores se utilizan como elementos receptores. Cuando se ajusta un sensor de proximidad óptico, la luz roja tiene la ventaja a la infrarroja de que es visible. Además , pueden utilizarse fácilmente cables de fibra óptica de polímero en la longitud de onda del rojo, dada su baja atenuación de la luz.

La luz infrarroja (invisible) se utiliza en ocasiones en las que se requieren mayores prestaciones, por ejemplo, para cubrir mayores distancias. Además la luz infrarroja es menos susceptible a las interferencias (luz ambiental). Con ambos tipos de sensores de proximidad ópticos, la supresión adicional de las influencias de luz externas se alcanza por medio de la modulación de la señal óptica. El receptor (con la excepción de los sensores de barrera) se sintoniza con los pulsos del emisor. Con sensores de barrera se utiliza un pasabanda eléctrico en el receptor. Particularmente en el caso de luz infrarroja, la utilización de filtros de luz diurna, mejora aún más su insensibilidad a la luz ambiental.

Diagrama de bloques de un sensor de proximidad óptico (emisor y receptor instalados en el mismo cuerpo)

Sensores de Proximidad Ópticos 

Sensores de Proximidad ópticos

Sensores de

Sensores de

Barrera

Reflexión directa

Ejecución con

Sensores de

Ejecución con

cables de

retroreflexión

cables de

fibra óptica

fibra óptica

La zona de respuesta está definida con precisión por el tamaño de la apertura óptica del emisor y el receptor. De esta forma se obtiene una detección precisa de la posición lateral.

Ventajas del sensor de Barrera: • Incremento de la fiabilidad debido a la presencia permanente de luz durante el estado de reposo. • Amplio alcance. • Pueden detectarse pequeños objetos incluso a largas distancias. • Adecuado para ambientes agresivos. • Los objetos pueden ser reflectantes, especulares o traslúcidos. • Buena precisión de posicionado.

Desventajas del sensor de Barrera • Dos elementos separados forman el sensor (emisor y receptor), con lo que se requieren conexiones independientes. • No pueden transparentes.

utilizarse

para

objetos

completamente

Notas: • En el caso de objetos transparentes, es posible reducir la potencia del emisor por medio del potenciómetro incorporado hasta un nivel tal que el receptor se desactive cuando el objeto transparente interfiera en el rayo de luz. • Un fallo del emisor es evaluado como “objeto presente” (importante en aplicaciones para prevencion de accidentes).

Verificación de la rotura de broca por medio de sensores de barrera

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS La zona de respuesta está determinada con precisión por la apertura de los extremos del cable de fibra óptica. Esto permite una buena precisión en aproximación lateral, incluso con objetos pequeños. Zona de respuesta de un sensor de barrera con fibra óptica

Aplicaciones

• Altura

• Verificación de objetos en envases transparentes

• Lavado de automóviles

SENSORES DE REFLEXIÓN DIRECTA Descripción del funcionamiento El emisor y el receptor se halla alojados en un mismo cuerpo. El objeto refleja directamente un porcentaje de la luz emitida, activando con ello el receptor. Dependiendo del diseño del receptor, la salida es activada (función normalmente abierta) o desactivada (función normalmente cerrada). La distancia de detección depende mucho de la reflectividad del objeto. El tamaño, superficie, forma, densidad y color del objeto, así como el ángulo de incidencia del rayo, determinan la intensidad de la luz reflejada de forma que , en general, solo pueden detectarse objetos a distancias cortas, del orden de unos pocos decímetros.

El fondo debe absorber o desviar la emisión de luz, es decir, cuando no hay objeto, el rayo de luz reflejado debe estar netamente por debajo del umbral de respuesta del circuito receptor.

Principio de un sensor de reflexión directa

Influencia del fondo en el ajuste de sensibilidad

Influencia del fondo en un sensor de reflexión directa

SENSIBILIDAD AJUSTABLE El efecto del sensor de reflexión directa depende de la diferencia entre la reflexión del objeto y la del fondo. Con contrastes muy pequeños, el umbral de respuesta debe ajustarse, si es preciso, modificando la sensibilidad del sensor de proximidad (potenciómetro de 1 vuelta o multivuelta) de forma que el objeto sea detectado con la fiabilidad incluso bajo estas circunstancias difíciles.

• Sin embargo, debe tenerse en cuenta un margen de tolerancia en relación con el envejecimiento, fluctuaciones de la tensión o la temperatura y suciedad. Por esta razón, cuando se realizan los ajustes no debe utilizarse todo el margen de tolerancia. • Cuando se ajusta el sensor de reflexión directa con su potenciómetro, debe dejarse un cierto margen teniendo en cuenta los cambios en las condiciones del objeto, del grado de suciedad del sensor o de la contaminación de la atmósfera polvo, etc.) De cerca, los ajustes funcionales raramente pueden producir problemas. • Algunos sensores de reflexión directa tiene un LED intermitente incorporado para facilitar un ajuste correcto, el cual parpadea si el objeto no se detecta claramente. El ajuste de un detector de proximidad con una salida normalmente abierta debe hacerse de forma tal que el LED esté activo y sin parpadear en el estado de detección del objeto.

Comportamiento de un sensor de reflexión directa con un objeto especular

Un control conectado, verifica si responden consecuentemente todos los sensores (los sensores de proximidad se conectan mediante un determinado enlace lógico). Para una mayor precisión y distancias inferiores, podría considerarse la utilización de sensores de reflexión directa con cables de fibra óptica Control de forma y posición con sensores de reflexión directa

Los cables del emisor y del receptor de una fibra óptica se incorporan en una cabeza sensora

Sensor de reflexión directa con cables de fibra óptica

Ejemplos de aplicación

Control de presencia y conteo de objetos por medio de un sensor de retrorreflexión. Ventaja: Solo se necesita un reflector pasivo en uno de los lados de la cinta transportadora, evitando con ello el cableado que precisaría el receptor de un sensor de barrera.

Sensor de barrera con cables de fibra óptica (ejemplo de disposición

Sensor de reflexión directa con cables de fibra óptica (ejemplo de disposición)

Detección de pequeños objetos por medio de un sensor de reflexión directa con cables de fibra óptica

Distinción de una o dos capas de tejido por medio de un sensor de barrera con cables de fibra óptica Debe detectarse una doble capa de material textil, con el adecuado ajuste de un sensor de proximidad óptico.

EJEMPLO: DETECCIÓN DE PIEZAS La muestra de una pieza en una corredera de transporte. La pieza se posiciona en un alojamiento del transportador de piezas. Debe detectarse la pieza lateralmente a través de taladros pasantes. a)

¿Es posible solucionar este problema utilizando un sensor de barrera? ¿o se pierde demasiada luz cuando el haz atraviesa los agujeros.

b)

Con las otras correderas de transporte, se dispone de suficiente espacio en un solo lado o encima de la corredera para montar un sensor de proximidad o una fibra óptica. La pieza a detectar es de plástico y tiene un lateral mate cortado a sierra así como una superficie lisa reflectante. La corredera está hecha de aluminio mate. ¿Qué solución recomendaría?

Detección por medio de un sensor de barrera con cables de fibra óptica a-b = sensor de barrera con cables de fibra óptica

Ejemplo: Utilización de sensores de proximidad ópticos en un túnel de lavado de automóviles Debe decidirse si van a utilizarse sensores de proximidad ópticos en un túnel de lavado de automóviles, para controlar el movimiento de las toberas de secado, como se muestra en la figura a continuación. Una vez lavado , un pórtico que mueve las toberas de secado recorre el perfil de automóvil. La tarea de los sensores de proximidad en la de asegurar que la tobera de secado siga constantemente el contorno del vehículo a una determinada distancia. Los sensores de proximidad pueden salpicarse de agua durante el proceso de secado del vehículo.

¿Qué tipo de sensor de proximidad recomendaría? ¿Cuántos sensores de proximidad sugeriría para cada túnel de lavado y en qué orden? Secado de automóviles en un túnel

Reflector: Una lámina reflectora o tres reflectores individuales. La solución de la figura, no es aplicable en el caso de material transparente.

 Flujo de paletas, contando botellas, botes, cajas, detectar personas, parking.

SENSORES ULTRASONICOS Los sensores de proximidad ultrasónicos están generalmente disponibles en forma de sensores de reflexión directa, donde el emisor y el receptor se hallan en un mismo cuerpo. Por otro lado, se dispone de barreras ultrasónicas, que tienen el emisor y el receptor en cuerpos separados.

Áreas de Aplicación

• • • • •

Instalaciones de almacenamiento. Sistemas de transporte. Industria de la alimentación. Proceso de metales, vidrio y plásticos. Supervisión de material a granel.

Ventajas • Rango relativamente amplio (hasta varios metros). • Detección del objeto independiente del color y del material. • Detección segura de objetos transparentes (por ejemplo, botellas de vidrio). • Relativamente insensible a la suciedad y al polvo. • Posibilidad de desvanecimiento gradual del fondo. • Posibilidad de aplicaciones al aire libre. • Posibilidad de detección sin contacto con puntos de conmutación de precisión variable. La zona de detección puede dividirse a voluntad. Se dispone de versiones programables.

Desventajas • Si se utilizan sensores de proximidad ultrasónicos para objetos con superficies inclinados, el sonido se desvía. Por ello es importante que la superficie del objeto a reflejar esté dispuesta perpendicularmente al eje de propagación del sonido o bien que se utilicen barreras ultrasónicas. • Los sensores de proximidad ultrasónicos reaccionan con relativa lentitud. La frecuencia de conmutación máxima está entre 1 y 125 HZ. • Los sensores de proximidad ultrasónicos son generalmente tienen un costo mayor que los sensores de proximidad ópticos (casi el doble).

El principio de funcionamiento de un sensor de proximidad ultrasónico está basado en la emisión y reflexión de ondas acústicas entre un emisor, un objeto y un receptor. Normalmente, el portador de estas ondas sónicas es el aire. Se mide y se evalúa el tiempo que tarda en desplazarse el sonido.

Diagrama de bloques de un sensor de proximidad ultrasónico

El sensor de proximidad ultrasónico puede dividirse en tres módulos principales, el transductor ultrasónico, la unidad de evaluación y la etapa de salida. Un pulso corto dispara brevemente el transmisor ultrasónico. Este es generalmente un módulo piezo- eléctrico, es decir, basado en piezo- óxidos (materiales cerámicos que reaccionan según el efecto piezoeléctrico, de forma similar al cuarzo).

El transmisor ultrasónico emite ondas sónicas en el rango inaudible a cualquier frecuencia, generalmente entre 30 y 300 kHz. En muchos casos, el transmisor ultrasónico cambia de emisor a receptor, es decir, operando como un micrófono. Los filtros dentro del sensor de proximidad ultrasónico, comprueban si el sonido recibido es realmente el eco de las ondas sónicas emitidas.

Principio de la medición de distancia por evaluación del tiempo de transmisión de pulsos ultrasónicos

• La velocidad de los sensores de proximidad ultrasónicos está limitada por la máxima frecuencia de repetición de pulsos, la cual, dependiendo del diseño, puede oscilar entre 1 Hz y 25 Hz. • La principal ventaja de los sensores de proximidad ultrasónicos reside en el hecho que pueden detectar una amplia gama de diferentes materiales. La detección es independiente de la forma, color y material, mientras que el material puede ser sólido, fluido o en forma de polvo. La verificación no se ve afectada por la suciedad, ni por las atmósferas con vapores o humos.

Tamaño mínimo requerido de un objeto El tamaño que debe tener el objeto a detectar depende del ángulo de aceptación del rayo ultrasónico. Si las ondas se dirigen a un objeto demasiado pequeño, cualquier objeto que se halle al lado o en el fondo, puede interferir. Dado que a menudo el fabricante no proporciona datos suficientes, se recomienda hacer ensayos previos desplazando la plaza de verificación lateralmente hacia el objeto a detectar, mientras se observa la distancia de conmutación.

Área de detección de un sensor ultrasónico

Tipo de objeto Son adecuados los materiales sólidos, fluidos, pulverulentos o granulados. Los objetos que no son adecuados para los sensores ultrasónicos de reflexión directa, son los materiales que absorben el sonido, tales como las telas gruesas, lana, algodón, gomaespuma, lana de roca. Por otro lado, es posible detectar estos materiales por medio de barreras ultrasónicas. De forma similar, es posible detectar objetos transparentes, reflectantes o intensamente negros sobre los que los sensores de proximidad ópticos podrían fallar. Incluso láminas muy finas de material transparente, de un grosor de aproximadamente 0,01 mm, pueden detectarse por medio de sensores de proximidad ultrasónicos.

Distancia mínima posible de un objeto Dado que un sensor de proximidad requiere un mínimo tiempo de proceso para detectar el eco del ultrasonido, no puede funcionar sin una cierta zona ciega. En el caso de distancias corta, los “lóbulos secundarios” del cono ultrasónico pueden producir pulsos de error. Con diseños consistentes en un simple transductor ultrasónico, debe completarse la oscilción después de la emisión, antes de que pueda registrarse el pulso del eco.

Posición del objeto De forma similar a lo que sucede con la luz, los ultrasonidos de desvían en las superficies planas e inclinadas. En este caso, el sensor ultrasónico no recibiría el eco de la señal. Los objetos con superficies lisas y regulares, no pueden detectarse si las desviaciones son, por ejemplo, más de de la perpendicular al sensor de proximidad. Con objetos de superficie rugosa o irregular, es posible un margen más amplio, con lo cual la longitud de la onda ultrasónica, el acabado de la superficie y la distancia también son importantes.

Efecto de la superficie de un objeto cuando se utilizan sensores ultrasónicos.

Los sensores de proximidad ultrasónicos se utilizan para supervisar los niveles de llenado en silos. También han demostrado su fiabilidad para el control de transportadores automáticos en almacenes.

Ejemplos de aplicación de sensores de proximidad ultrasónicos

Sensando Líquidos y Materiales Granulados Gruesos

Los líquidos, como agua, están también limitados para un alineamiento angular de 3 grados. Los materiales Granulados gruesos, algo semejantes a la arena, sin embargo, puede tener una desviación angular como 45 grados. Esto está porque el sonido está reflejado sobre un ángulo mayor.