Sensores de

Proximidad Detectores ópticos

Introducción

• Un detector fotoeléctrico detecta un objeto por medio de un hazluminoso.

• Sus dos componentes básicos son un emisor y un receptor deluz.

• La detección es efectiva cuando el objeto penetra en el haz deluz y modifica suficientemente la cantidad de luz que llega alreceptor para provocar el cambio de estado de la salida.

• Los detectores fotoeléctricos disponen de un emisor de diodoelectroluminiscente y de un receptor de fototransistor (o fotodiodo).Estos componentes se utilizan por su elevado rendimiento luminoso,su insensibilidad a los golpes y a las vibraciones, su resistencia a latemperatura, su durabilidad prácticamente ilimitada y su velocidad derespuesta.

Introducción

LED

FOTOTRANSISTOR

• Dependiendo del modelo de detector, la emisión se realiza dentrodel espectro de luz infrarrojo a la luz visible verde o roja.

• Pueden ser no modulados o modulados.• En muchos casos, la corriente que atraviesa el LED emisor se

modula para obtener una emisión luminosa pulsante a unafrecuencia entre 5 y 30Khz, esto permite al sensor distinguir la luzmodulada de la luz ambiental.

• El uso de luz modulada incrementa el rango de sensado y ademásreduce el efecto de la luz ambiental

Luz modulada

reduce el efecto de la luz ambiental

Color Rango Características

INFRARROJO 890…950 nm

No visible, son relativamente inmunes a la luz ambiente artificial.

Generalmente se utilizan para detección en distancias largas y

ambientes con presencia de polvo.

Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado por luz

Fuentes de luz habituales

ROJO 660…700 nmAl ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado por luz

ambiente intensa, y es de uso general en aplicaciones industriales.

VERDE 560…565 nm

Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado por luz

ambiente intensa, generalmente se utiliza esta fuente de luz para

detección de marcas.

Los detectores fotoeléctricos emplean dos procedimientos paradetectar objetos:

1. Bloqueo del haz por el objeto detectado2. Retorno del haz sobre el receptor por el objeto detectado.

Procedimientos de detección

.

• En ausencia de un objeto, el haz luminoso alcanza el receptor. Unobjeto bloquea el haz al penetrar en él:

no hay luz en el receptor = detección

• Tres sistemas básicos emplean este procedimiento, que se basaen las propiedades absorbentes de los objetos:

1. Bloqueo del haz

en las propiedades absorbentes de los objetos:1.1 Barrera1.2 Réflex1.3 Réflex polarizado.

2. Retorno del haz

• En ausencia de un objeto, el haz no llega al receptor.Cuando un objeto penetra en el haz, lo envía alreceptor:

luz en el receptor = detecciónluz en el receptor = detección

• Dos sistemas básicos emplean este procedimiento, quese basa en las propiedades reflectantes de los objetos:2.1 Proximidad2.2 Proximidad con borrado del plano posterior

1.1 Detectores de barrera

• El emisor y el receptor se sitúan en dos cajas separadas. Es elsistema que permite los mayores alcances, hasta 100m con ciertosmodelos. El haz se emite en infrarrojo o láser.

• A excepción de los objetos transparentes, que no bloquean el hazluminoso, puede detectar todo tipo de objetos (opacos,reflectantes...) gracias a la excelente precisión que proporciona laforma cilíndrica de la zona útil del haz.

• Los detectores de barrera disponen de un margen de gananciamuy amplio. Por ello, son muy adecuados para los entornoscontaminados (humos, polvo, intemperie, etc.).

• Inmunidad a perturbaciones electromagnéticas• Alta velocidad de respuesta• Identificación de colores• Permiten detectar objetos del tamaño de décimas de mm.

1.1 Detectores de barrera

Principios del sistema de barrera

1.1 Detectores de barrera

Debido a que el modo de operación de esta clase desensores se basa en la interrupción del haz de luz, ladetección no se ve afectada por el color, la textura o el brillodel objeto a detectar.

1.2 Detectores Réflex

• El emisor y el receptor están situados en una misma caja.• En ausencia de un objeto, un reflector (situado al frente del

emisor/receptor) devuelve al receptor el haz infrarrojo que emite elemisor.

• El reflector consta de una elevada cantidad de triedrostrirrectángulos de reflexión total cuya propiedad consiste endevolver todo rayo luminoso incidente en la misma dirección.devolver todo rayo luminoso incidente en la misma dirección.

• El alcance nominal de un detector fotoeléctrico réflex es del ordende dos a tres veces inferior al de un sistema de barrera.

1.2 Detectores Réflex

Principios del sistema reflex

En el otro extremo va una cinta reflectiva para regresar el haz deluz. Existen cintas reflectivas con filtro, es decir que solo reflejan laluz que emite el sensor y discriminan cualquier otra señal luminosa.

1.3 Detectores réflex polarizados

• Los objetos brillantes, que en lugar de bloquear el haz reflejan partede la luz hacia el receptor, no pueden detectarse con un sistemaréflex estándar.

• En estos casos, es preciso utilizar un sistema réflex polarizado.• Este tipo de detector emite una luz roja visible y está equipado con

dos filtros polarizadores opuestos:– un filtro sobre el emisor que impide el paso de los rayos emitidos en un

plano vertical,– un filtro sobre el receptor que sólo permite el paso de los rayos

recibidos en un plano horizontal

1.3 Detectores réflex polarizados

En ausencia de un objeto• El reflector devuelve el haz emitido (polarizado verticalmente), después

de haberlo despolarizado (polarizado horizontalmente), .• El filtro receptor deja pasar la luz reflejada en el plano horizontal.

1.3 Detectores réflex polarizados

En presencia de un objeto

• El objeto detectado devuelve el haz emitido sin ninguna modificación.• El haz reflejado, polarizado verticalmente, queda por tanto bloqueado por el

filtro horizontal del receptor

Reflectores

• Los reflectores se compran por separadodel sensor

• Viene en varios tamaños y pueden serredondos, rectangulares o cinta reflectiva

• La distancia de sensado es especifica deun reflector particularun reflector particular

• Los reflectores de cinta no se deben usarcon sensores retroreflectivos polarizados

Réflex polarizado(Emisión Led rojo pulsado)

• Ejemplo 1• Detección de ruptura de banda

metálica.

Ejemplo 2Detección de cajas metálicas en cintas transportadoras.

Réflex polarizado(emisión láser)

Ejemplo 1Contaje de objetos a la salida de cinta transportadora.

Ejemplo 2Detección de ampollas farmacéuticas

Control de ganancia

• Todos cuentan con un control de ganancia paraaumentar ó disminuir el rango de sensado.

• Normalmente los primeros 2 tipos los ocupamos paradetectar la presencia de objetos grandes. DetectarTránsito de vehículos, personas, cajas, contenedores,Tránsito de vehículos, personas, cajas, contenedores,etc.

• En estos sensores manejamos rango de sensado quevan de 1m hasta 150m, el rango puede variar según elfabricante.

Nota : el ajuste del alcance es realizado mecánicamentedesplazando el conjunto óptico de recepción de los dos fotodi odosXUL (alcance fijo) y XUE (alcance ajustable).

Voltaje de alimentación y tipo de salida

• El voltaje de alimentación de estos sensores puede ser� 24 - 240 VAC� 12 - 30 VDC

En voltaje VDC pueden ser NPN ó PNP.En voltaje VDC pueden ser NPN ó PNP.

• Salida de potencia� TTL 5v� Relé de estado sólido

Cuando usar un sensor de proximidad óptico

Ventajas• Sin contacto, sin partes móviles, pequeño• Conmutación rápida, interruptor sin rebote• Insensitivo a vibración y golpes• Hay muchas configuraciones posibles• Los detectores fotoeléctricos pueden detectar sin contacto todo tipo

de objetos en un rango de 0..60 mDesventajas• Siempre es requerido alineamiento• Pueden ser segados por condiciones de iluminación ambientales

(por ejemplo en soldado)• Requiere ambiente limpio, libre de polvo y agua

2.1 Detectores ópticos de proximidad(Reflexivo Difuso)

• Al igual que en el caso de los sistemas réflex, el emisor y el receptor estánubicados en un misma caja. El haz luminoso se emite en infrarrojo y seproyecta hacia el receptor cuando un objeto suficientemente reflectantepenetra en la zona de detección.

Principio de sistemas reflexivo difuso

2.1 Detectores ópticos de proximidad(Reflexivo Difuso)

• El alcance de este sistema es inferior al de un sistema réflex, lo quedesaconseja su uso en entornos contaminados. El alcancedepende:– del color del objeto detectado y de su poder reflectante (un objeto

de color claro se detecta a mayor distancia que un objeto oscuro),– de las dimensiones del objeto (el alcance disminuye con el tamaño).

• Los detectores de proximidad se equipan frecuentemente con unpotenciómetro de reglaje de sensibilidad .

• Para una distancia dada entre el objeto detectado y el emisor, ladetección de un objeto menos reflectante requiere un aumento de lasensibilidad, lo que puede provocar la detección del plano posterioren caso de ser más reflectante que el propio objeto.

Un objeto de color negro no es detectado ya que este color absorbe laluz y el sensor no experimenta cambios.

2.2 Detectores de proximidad con borrado del plano posterior

• Los detectores de proximidad con borrado del plano posterior estánequipados con un potenciómetro de regulación de alcance quepermite “enfocar” una zona de detección y evitar la detección delplano posterior.

• Aquí el emisor y receptor están en una caja que puede estar varios metrosdel objeto a sensar. El amplificador se encuentra a distancia

• Para la detección se emplean cables de fibra óptica por donde circula loshaces de luz emitidos y recibido

• Los rayos de luz que entran con un determinado ángulo se dirigen hasta ellugar deseado con un mínimo de perdidas.

• La mayor ventaja de estos sensores es el pequeño volumen o espacioocupado en el área de detección

Sensores de fibra óptica

ocupado en el área de detección• El sistema permite detectar objetivos

muy pequeños (del orden de mm) yla propia detección es muy precisa

• Según la aplicación se usan fibrasde plástico o de vidrio

Sensores de fibra óptica

• Los sensores ópticos por fibra óptica tienen un alcance de sensado mas corto que otros sensores fotoeléctricos debido a la perdida de luz en la fibra óptica

Sensores de fibra óptica

• Sistema Barrera: – Mayor Alcance (hasta 60m)– Para ambientes difíciles (polvo suciedad) y

todo tipo de objetos (independiente del color)– No se ve afectado por reflejos de segunda superficie

Ventajas y Desventajas

Las ventajas y desventajas de los sensores fotoeléctricos varían de acuerdo asu configuración

– No se ve afectado por reflejos de segunda superficie– Quizá el mas adecuado para usar en objetos

reflectivos– Mas costoso ya que se requiere que el emisor y el receptor estén

separados, además del cableado adicional– No es capaz de detectar objetos transparente, solo objetos opacos– La alineación es importante

• Sistemas Reflex y Reflex Polarizado– Menor Alcance que el de barrera, distancia

moderada– Mas económico que el sistema de barrera ya

que el cableado es mas sencillo:Un solo conexionado,

Ventajas y Desventajas

Un solo conexionado,– Reflex polarizado para objetos brillantes, ya que

es capaz de detectar reflejos indeseables de objetos brillantes

• Sistema de proximidad (Reflexivo difuso)-No es necesario un reflector- Alcance hasta 2 mts.,- Un solo conexionado,- Para objetos claros fundamentalmente.- Para objetos claros fundamentalmente.

• Sistema Proximidad (Reflexivo difuso) con supresión de fondo- Alcance hasta 1,5 mts.,- Un solo conexionado,- Para todo tipo de objetos ignorando el fondoy detectando casi a igual distancia claros de oscuros.

Aplicaciones

• Estos son utilizados en varias aplicaciones como ladetección de la posición del objeto (botellas, cajas,personas….), conteo de objetos….A prueba de aguaIP67.

Formatos y Alcances (en metros) de los productos TELEMECANIQUE.Formatos y Alcances (en metros) de los productos TELEMECANIQUE.

Ejemplos de aplicación de sensores opto electrónicos

Ejemplos de aplicación de sensores opto electrónicos

Ejemplos de aplicación de sensores opto electrónicos

Sensores fotoeléctricos menos industriales

1. Luz No modulada

• Como ejemplos de no modulados se encuentran lossensores: QRD1114, CNY70, etc.

• Aplicaciones de poca distancia (3mm a 1cm).• Utilizados comúnmente en robots que detectan líneas en

el piso: seguidores de líneas (velocidad, bifurcaciones,laberinto, etc), sumo (para no salirse del área de pelea).laberinto, etc), sumo (para no salirse del área de pelea).

• Les afecta la luz ambiente, por lo que se tienen que usaren ambientes de luz controlada.

Sensores Infrarrojos QRD1114 y CNY70

• Son sensores infrarrojos de corto alcance basado en unemisor de luz y un receptor, ambos apuntando en lamisma dirección, y cuyo funcionamiento se basa en lacapacidad de reflexión del objeto, y la detección del rayoreflectado por el receptor. El detector consiste en unfototransistor, a continuación unas imágenesfototransistor, a continuación unas imágenes

CNY70 en el cual se muestra su configuración interna y vista físicamente.

Sensores Infrarrojos QRD1114 y CNY70

QRD1114 en el cual se muestra su configuración interna y vista físicamente.

2. Luz modulada: PNA4602 y IS471F.

• Su principal ventaja es que no les afecta la luz ambienteya que se activan al recibir luz IR a una determinadafrecuencia.

• Aplicaciones de mayor distancia 2 a 80 cm.• Se utilizan en robots sumo para detectar a los• Se utilizan en robots sumo para detectar a los

oponentes, robots evasores de obstáculos por infrarrojo,detectores de líneas.

PNA4602PNA4602. Este sensor activa su salida alrecibir luz infrarroja modulada alrededorde 38KHz.• No cuenta con modulador interno, por loque la modulación se puede realizar conun circuito integrado LM555.• Tiene un alcance en modo reflectivo dehasta 80 cm y en modo barrera de luz de

• IR detectors are little microchips with a photocell that are tuned to listen toinfrared light. Used for remote control detection - every TV and DVD player.Inside the remote control is a matching IR LED, which emits IR pulses totell the TV to turn on, off or change channels.

PNA4602 de Panasonic (o en su defecto un TSOP4038 de Vishay) ,

hasta 80 cm y en modo barrera de luz dehasta 8 metros.

• IR detectors are specially filtered for Infrared light, they are notgood at detecting visible light.

• IR detectors have a demodulator inside that looks for modulatedIR at 38 KHz. Just shining an IR LED wont be detected, it has to bePWM blinking at 38KHz.

• IR detectors are digital out - either they detect 38KHz IR signal andoutput low (0V) or they do not detect any and output high (5V).output low (0V) or they do not detect any and output high (5V).

• Estructura interna del TSOP4038. El integrado contienela electrónica para separar una señal infrarrojamodulada a 38 Khz y presentar un pulso alto cuandodetecta dicha señal

TSOP4038

Modo de empleo IS471F

• Este sensor también activa su salida al recibir luzinfrarroja modulada a una frecuencia determinada.

• La ventaja es que ya cuenta con el modulador interno,por lo que solamente es necesario conectar un diodoinfrarrojo en uno de sus pines.infrarrojo en uno de sus pines.

• En modo reflectivo tiene un alcance de hasta 15 cm.

• Dentro de esta categoría también encontramos a lossensores de distancia por infrarrojo.

• También cuentan con un transmisor y un receptor deinfrarrojo, un modulador y un de-modulador, y un circuitoelectrónico el cual entrega una salida de voltaje

Sensor de distancia por infrarrojo

electrónico el cual entrega una salida de voltajeanalógico (3 a 0Vdc) dependiendo de la distancia a laque detectó el objeto (10 a 80cm).

• Como ejemplo tenemos: GP2D12 y GP2Y0A21YK.• Estos sensores requieren de un convertidor analógico-

digital.

Sensor de distancia por infrarrojo

• El GP2D12 permite una lectura continua de la distancia y entrega un voltaje análogo proporcional a la distancia medida, en un rango de 10cm a 80cm.

GP2D12

Detectores ultrasónicos

Introducción

• Estos sensores son muy utilizados en la industria debido a que loscambios de color no les afecta como a los sensoresópticoreflectivos.

• Cuentan con un emisor de ultrasonido y un receptor.• El emisor produce ondas ultrasónicas y el tiempo que tarda el eco

en regresar es medido y relacionado a una medida de distanciaen regresar es medido y relacionado a una medida de distancia(centímetros o pulgadas).

• Como ejemplos de estos sensores están: SRF05 Y SRF10.

El sensor SRF05 tiene dos modos de operación:1.Recibe el pulso de disparo por un pin y entrega la

respuesta por otro pin.

2.Recibe la señal de disparo por un pin y entrega larespuesta por el mismo pin.

• El sensor SRF10 se comunica con el microcontrolador utilizando unprotocolo serial y síncrono llamado I²C (InterIntegrated Circuit bus).

• Este protocolo permite comunicación entre varios dispositivos(microcontroladores, memorias, pantallas LCD, sensores, etc.)utilizando un bus de dos líneas (SCL, SDA) y tierra. Normalmenteutiliza velocidades de transmisión de 100Kbit/s y hasta 400Kbit/s enutiliza velocidades de transmisión de 100Kbit/s y hasta 400Kbit/s enel modo rápido.

• En un circuito I²C simple existe un maestro y varios esclavos. Elmaestro genera la señal de reloj y decide cuándo inicia lacomunicación. Cada dispositivo tiene una dirección diferente.

Sensores de proximidad ultrasónicos (Thru Beam)

• Los sensores de proximidad ultrasónicos usan un transductor paraenviar y recibir señales de sonido de alta frecuencia

• Cuando un objetivo entra al haz, el sonido es reflejado de regreso alsensor, haciendo que se habilite o deshabilite el circuito de salidadel receptor

Sensores de proximidad ultrasónicos (Thru Beam)

• Están basados en la emisión - recepción de ondas ultrasónicas.Cuando un objeto interrumpe el haz, el nivel de recepción varía y elreceptor lo detecta.

• Pueden detectar objetos transparentes, como cristal y plásticos,materiales que ofrecen dificultades para la detección óptica.

• Dado que las ondas ultrasónicas se mueven por el aire, no podránser utilizados en lugares donde éste circule con violencia, o enmedios de elevada contaminación acústica.

Generalidades: Sensores Ultrasónicos

• Los sensores basados en ultrasonidos constan de un medidor de ondassonoras de alta frecuencia (entre 30 y 400 kHz o algo mas) que se propagapor el aire hasta que choca con el objeto o pared, se refleja y alcanza elreceptor situado en el mismo punto que el emisor.

• El tiempo entre la emisión de la onda y la recepción del eco esdirectamente proporcional a la distancia al obstáculo. existe una distanciamínima d a partir de la cual el sensor mide con precisión.

• El tiempo depende de la Temperatura,• El tiempo depende de la Temperatura,por lo que hay que compensar lasmedidas.

• Pueden ser sensibles al estado de lasuperficie del obstáculo (zonas porosas,espumas).

• Son muy utilizados en robótica, así comométodo no invasivo de medida de caudal

Principio de operación de los sensores ultrasónicos

• El sensor tiene un disco piezoeléctrico montado en su superficie, elcual produce ondas de sonido de alta frecuencia

• Cuando los pulsos transmitidos pegan con un objeto reflector desonido, se produce un eco

• La duración del pulso reflejado es evaluado en el transductor• Cuando el objetivo entra dentro del rango de operación

preestablecido, la salida del interruptor cambia de estado• Cuando el objetivo se sale del rango preestablecido la salida

regresa a su estado original

Pulso emitido

Zona ciega

• Directamente enfrente del sensor hay una zona ciega• Dependiendo del sensor la zona ciega es de 6-80 cm del frente del

sensor• Un objeto colocado en la zona ciega produce una salida inestable

Definición del rango

Blocking Range Patrón de radiación

• El patrón de radiación de un sensor ultrasónico consistede un cono principal y varios cono vecinos

• El ángulo aproximado del cono principal es deaproximadamente 5 grados

Sensores paralelos

Contactos lógicos de salida• De cierre (NA): Corresponde a un detector cuya salida se convierte en pasante en

presencia de una pantalla situada delante.• De apertura (NC) : Corresponde a un detector cuya salida se convierte en no

pasante en presencia de una pantalla situada delante.

Influencia del medio ambiente

Productos de salida analógica

Funcionamiento• La particularidad de estos productos se encuentra en la salida, que emite

una señal (de corriente o tensión) proporcional a la distancia del objetodetectado. Este valor aumenta a medida que se aleja el objeto, dentro delos límites de detección que se pueden ajustar por autoaprendizaje.

• Desde la detección de un objeto, un diodo de señalización LED (D) seenciende y su luminiscencia aumenta en función del valor de la señal desalida.salida.Ventajas

• Disponibilidad de un dato físico que depende de la distancia deldetector/objeto.

Ejemplos de aplicación Ejemplos de aplicacion

Efecto de la Temperatura Ventajas

• Los sensores de proximidad ultrasónicos pueden detectar objetos grandesa una distancia de hasta 15 m (49 pies)

• Su respuesta no depende del color de la superficie ni de la reflectividadóptica del objeto.

• La respuesta de los sensores analógicos es lineal respecto a la distancia.• Estos sensores son capaces de detectar la mayoría de objetos como:

– Metálicos– No metálicos– No metálicos– Transparentes– Opacos– Líquidos– Sólidos– Granulares

Está característica se debe a que tienen la reflectividad acústica suficiente.

Desventajas

• Deben ver una superficie en perpendicular para recibir un eco amplio. Paraque la detección sea exacta se requiere una superficie mínima y específicapara cada tipo de sensor.

• Es probable que produzcan respuestas falsas a ruidosa ruidos intensos. Ej.Silbido de válvulas.

• Requieren de un cierto tiempo para que el transductor deje de emitirseñales y se prepare para recibir ecos por lo que son lentos a comparaciónde otras tecnologías. (tiempo de respuesta = 0.1 segundos)señales y se prepare para recibir ecos por lo que son lentos a comparaciónde otras tecnologías. (tiempo de respuesta = 0.1 segundos)

• Necesitan una distancia de detección mínima.• La respuesta ultrasónica es afectada por factores ambientales como la

temperatura, la presión, humedad, aire, etc.• Los objetos de baja densidad (espuma, tela) tienden a absorber las ondas

sonoras. Estos objetos pueden ser difíciles de detectar a grandesdistancias.

• A pesar de que las superficies lisas reflejan mejor las ondas sonoras quelas irregulares, en las primeras el ángulo de detección suele ser más críticoque en las irregulares.

ResumenResumen

Detectores de proximidad

Cual Usar?

• En el mercado existen una gran variedad, como son: SensoresCapacitivos, Sensores Inductivos, Sensores Fotoeléctricos,Sensores Laser, etc...

Las preguntas que debemos hacernos antes de comprar el Sensor dePresencia, son:• Que Objeto vamos a Sensar?• A que distancia del Objeto necesitamos poner el Sensor?• Que espacio tenemos para Poner el Sensor?

Como saber que tipo de detector de presencia utilizar en mi aplicación?

• Que Voltaje de alimentación del Sensor necesitamos?• El Objeto esta bien iluminado?• Que precisión necesitamos para detectar el Objeto?• El Objeto esta en Movimiento ó esta Fijo?• Tiempo de respuesta del Sensor al detectar el Objeto?• Como es el medio ambiente que rodea al Objeto a sensar?