Módulo 1: Sensores Fotoeléctricos

CERTIFICACIÓN IO-LINK

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Qué es un sensor fotoeléctrico?

La clave es el fotodetector Un sensor fotoeléctrico es un interruptor que se enciende y apaga por la presencia o ausencia de luz.

Los componentes básicos de un sensor fotoeléctrico son una fuente de alimentación, una fuente de luz, un fotodetector y un dispositivo de salida.

La clave es el fotodetector, que está hecho de silicio, un material semiconductor que conduce corriente en presencia de luz. Esta propiedad se utiliza para controlar una variedad de dispositivos de salida vitales para la operación y el control de la fabricación, como relés mecánicos, triacs y transistores, que a su vez controlan la maquinaria.

Los primeros controles fotoeléctricos industriales usaban luz enfocada de bombillas incandescentes para activar una fotocélula de sulfuro de cadmio.

Dado que no estaban modulados, la luz ambiental, como la de los soldadores de arco, la luz solar o las lámparas fluorescentes, fácilmente podría activar en falso estos dispositivos. Además, el delicado filamento de las bombillas incandescentes tenía una vida útil relativamente corta y no resistía bien las altas vibraciones y el tipo de cargas de choque que normalmente se encuentran en un entorno industrial. La velocidad de conmutación también estaba limitada por la lenta respuesta de la fotocélula a los cambios de luz/oscuridad.

UN SENSOR FOTOELÉCTRICO ES UN DISPOSITIVO QUE ESTÁ DISEÑADO PARA DETECTAR OBJETOS AL TRANSMITIR UN HAZ DE LUZ Y DETECTAR LA LUZ REFLEJADA DEL HAZ DE LUZ.

CÓMO FUNCIONA UN SENSOR FOTOELÉCTRICO.

LOS SENSORES FOTOELÉCTRICOS TIENEN CUATRO COMPONENTES: LED EMISOR, FOTODIODO RECEPTOR, CIRCUITO DE EVALUACIÓN Y CIRCUITO DE SALIDA

EL LED EMISOR EMITE UN HAZ DE LUZ FUERA DEL SENSOR (LÍNEA ROJA). LA LUZ REFLEJADA (LÍNEA AZUL) ES DETECTADA POR EL FOTODIODO RECEPTOR. EL CIRCUITO DE EVALUACIÓN DETECTA EL CAMBIO EN EL NIVEL DE LUZ. LUEGO, EL CIRCUITO DE EVALUACIÓN ORDENA AL CIRCUITO DE SALIDA QUE SE ACTIVE

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Tipos de Sensores Fotoeléctricos

HAY DISPONIBLE UNA AMPLIA GAMA DE SENSORES FOTOELÉCTRICOS PARA SATISFACER PRÁCTICAMENTE CUALQUIER NECESIDAD DE APLICACIÓN. Los sensores fotoeléctricos funcionan mediante una unidad emisora que produce un haz de luz modulada que es detectada por un receptor, ya sea independiente o en la misma carcasa, y la acción de detección se produce cuando un objeto interrumpe el haz. Estos sensores, al igual que los sensores de proximidad, funcionan sin tocar el objeto detectado.

Los sensores fotoeléctricos están disponibles en muchas formas y tamaños diferentes, además de que pueden ser clasificados también por el tipo de detección que realizan; ya que según el tipo de sensor, la luz puede viajar directamente al receptor del sensor o puede viajar a un reflector o al objeto y luego regresar al receptor. También pueden ser clasificados por el tipo de salida que utilizan. En esta sección utilizaremos la categorización por el tipo de detección.

P R I N C I P A L E S

T I P O S

D E

D E T E C C I Ó N :

-HAZ PASANTE (BARRERA) -RETROREFLECTIVA (REFLEX) -DIFUSA

HAZ PASANTE (BARRERA)

LOS SENSORES DE HAZ PASANTE TIENEN ELEMENTOS FUENTE Y DETECTOR SEPARADOS ALINEADOS UNO FRENTE AL OTRO, CON EL HAZ DE LUZ CRUZANDO EL CAMINO QUE DEBE CRUZAR UN OBJETO. EL ÁREA EFECTIVA DEL HAZ ES LA DE LA COLUMNA DE LUZ QUE VIAJA DIRECTAMENTE ENTRE LAS LENTES.

ALCANCE MÁS LARGO PARA LA DETECCIÓN LA FUERZA DE SEÑAL MÁS ALTA POSIBLE MAYOR RELACIÓN DE CONTRASTE CLARO/OSCURO MEJOR REPETIBILIDAD DEL PUNTO DE DISPARO

Beneficios y Limitaciones

REQUIEREN CABLEADO DE LOS DOS COMPONENTES A TRAVÉS DE LA ZONA DE DETECCIÓN. PUEDE SER DIFÍCIL ALINEAR LA FUENTE Y EL DETECTOR. SI EL OBJETO A DETECTAR ES MÁS PEQUEÑO QUE EL DIÁMETRO EFECTIVO DEL HAZ, ES POSIBLE QUE SE REQUIERA UNA APERTURA SOBRE LA LENTE.

Principio de Funcionamiento EL SENSOR FUNCIONA CUANDO LA LUZ ENTRE EL EMISOR Y EL RECEPTOR ES BLOQUEADA POR UN OBJETO.

RETROREFLECTIVO (REFLEX) LOS SENSORES FOTOELÉCTRICOS RÉFLEX COLOCAN LA FUENTE Y EL DETECTOR PARALELOS ENTRE SÍ EN EL MISMO LADO DEL OBJETIVO. LA LUZ SE DIRIGE A UN RETRORREFLECTOR Y REGRESA AL DETECTOR. LA CONMUTACIÓN DE LA SALIDA SE PRODUCE CUANDO UN OBJETO ROMPE EL HAZ.

DADO QUE LA LUZ VIAJA EN DOS DIRECCIONES (POR LO TANTO, EL DOBLE DE LA DISTANCIA), LOS CONTROLES REFLEJOS NO DETECTARÁN TAN LEJOS COMO LOS SENSORES DE BARRERA O HAZ PASANTE. SIN EMBARGO, LOS SENSORES RETROREFLEJANTES OFRECEN UN PODEROSO SISTEMA DE DETECCIÓN QUE ES FÁCIL DE MONTAR Y NO REQUIERE QUE SE TIENDA UN CABLE ELÉCTRICO EN AMBOS LADOS DEL ÁREA DE DETECCIÓN. LA PRINCIPAL LIMITACIÓN DE ESTOS SENSORES ES QUE UNA SUPERFICIE BRILLANTE EN EL OBJETO DE DESTINO PUEDE PROVOCAR UNA DETECCIÓN FALSA.

SE INSTALA Y ALINEA FÁCILMENTE. SOLO ES NECESARIO CABLEAR UN LADO DE LA ZONA DE DETECCIÓN. MAYOR DISTANCIA DE DETECCIÓN QUE EL TIPO DE SENSOR DE REFLEXIÓN DIFUSA EJE ÓPTICO FÁCILMENTE AJUSTABLE OBJETOS OPACOS DETECTABLES INDEPENDIENTEMENTE DE SU FORMA, COLOR O MATERIAL.

Beneficios y Limitaciones

UNA SUPERFICIE BRILLANTE EN EL OBJETO DE DESTINO PUEDE DESENCADENAR UNA DETECCIÓN FALSA. LOS SENSORES RETRORREFLECTANTES TIENEN UNA ZONA MUERTA A DISTANCIAS CERCANAS. REQUIEREN EL CORRECTO USO, ALINEACIÓN Y SELECCIÓN DEL REFLEJANTE.

Principio de Funcionamiento EN UN SISTEMA DE SENSOR RETRORREFLEJANTE, UN REFLECTOR REFLEJA LA LUZ DEL EMISOR HACIA EL RECEPTOR.

DIFUS0 LA DETECCIÓN DE PROXIMIDAD ES SIMILAR A LA DETECCIÓN REFLEJA, PORQUE LA FUENTE DE LUZ Y LOS ELEMENTOS DETECTORES ESTÁN MONTADOS EN EL MISMO LADO. EN ESTA APLICACIÓN, LOS SENSORES DETECTAN LA LUZ QUE REBOTA EN EL OBJETO DE DESTINO, EN LUGAR DE LA RUPTURA DEL HAZ. LA ZONA DE DETECCIÓN ESTÁ CONTROLADA POR EL TIPO, LA TEXTURA Y LA COMPOSICIÓN DEL OBJETO DE DESTINO. SUPERFICIE. LOS SENSORES DE PROXIMIDAD ENFOCADOS SON UN TIPO ESPECIAL DE SENSOR DE PROXIMIDAD EN EL QUE LA FUENTE Y EL DETECTOR SE ENFOCAN EN UN PUNTO FRENTE AL SENSOR. LOS SENSORES DE PROXIMIDAD ENFOCADOS PUEDEN DETECTAR OBJETOS EXTREMADAMENTE PEQUEÑOS O "VER" AGUJEROS O CAVIDADES EN APLICACIONES ESPECIALES.

LA INSTALACIÓN Y LA ALINEACIÓN SON SIMPLES. EL CIRCUITO DE CONTROL SE PUEDE CABLEAR A TRAVÉS DE UN SOLO LADO DE LA ZONA DE DETECCIÓN. PUEDE DETECTAR DIFERENCIAS EN LA REFLECTIVIDAD DE LA SUPERFICIE.

Beneficios y Limitaciones

TIENE UN RANGO DE DETECCIÓN LIMITADO. EL CONTRASTE CLARO/OSCURO Y EL RANGO DE DETECCIÓN DEPENDEN DE LA REFLECTIVIDAD DE LA SUPERFICIE DEL OBJETIVO..

Principio de Funcionamiento EN UN SISTEMA DE SENSOR DE REFLEXIÓN DIFUSA, EL OBJETO A DETECTAR REFLEJA LA LUZ DEL EMISOR DE VUELTA AL RECEPTOR.

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Variantes y sensores especiales

RETROREFLECTIVOS POLARIZADOS

Los sensores retroreflectivos polarizados usan un filtro polarizador sobre la fuente y el detector que acondiciona la luz de manera que el sensor fotoeléctrico solo ve la luz que regresa del reflector. Un sensor reflejo polarizado se utiliza en aplicaciones en las que las superficies brillantes, como el metal o las cajas envueltas en plástico, pueden activar el control en falso.

La luz no polarizada es generada por el LED Emisor (amarillo). El filtro emisor solo permitirá que la luz polarizada verticalmente salga del sensor (rojo). El reflector especial convertirá la luz polarizada verticalmente en luz polarizada horizontalmente y la reflejará de regreso al sensor (azul). El filtro del receptor solo permitirá que la luz polarizada horizontalmente incida en el fotodiodo del receptor.

Si se coloca un objeto entre el sensor y el reflector especial, cualquier luz reflejada en el sensor seguirá estando polarizada verticalmente. El filtro del receptor evitará que esta luz incida en el fotodiodo del receptor.

Esto hará que el circuito de salida del sensor cambie de estado.

Este tipo de sensores también ayudan con la interferencia de la luz ambiental.

El sensor reflejo polarizado tiene las siguientes ventajas: 1. No se confunde con los primeros reflejos de la superficie de los objetos de destino.

2. Tiene una alta relación de contraste oscuro/claro 3. Se instala y alinea fácilmente. Solo se necesita cablear un lado de la detección Limitaciones: 1. El rango de operación es la mitad del de un sensor no polarizado ya que gran parte de la señal se pierde en los filtros polarizadores.

2. El sensor puede ser engañado por objetos brillantes envueltos con material de envoltura retráctil.

SENSOR DE OBJETOS TRANSPARENTES

El sensor de objetos transparentes es una versión especial del sensor retrorreflector polarizado que se utiliza para detectar objetos transparentes como botellas.

Cuando el objetivo transparente se coloca en el haz de luz, la intensidad de la luz se reduce. La botella reduce dos veces la intensidad antes de volver al Foto-Diodo.

El circuito del sensor detecta la reducción de la intensidad y hace que la salida del sensor cambie de estado.

Cualquier luz que se refleje en la cara de la botella se ignorará porque todavía está polarizada verticalmente y no puede pasar a través del filtro horizontal del receptor.

SENSOR DE SUPRESIÓN DE FONDO El sensor de supresión de fondo es una versión especial de un sensor de reflexión difusa. Los sensores de supresión de fondo incorporan tecnología para ignorar los reflejos de fondo y evitar detecciones falsas.

El sensor de supresión de fondo utiliza una matriz especial de fotodiodos.

El circuito del sensor puede seleccionar qué fotodiodo de los muchos en la matriz para evaluar la presencia de luz. Se ignora la luz que incide sobre cualquier otro fotodiodo de la matriz.

Las lentes especiales junto con la matriz especial de fotodiodos permiten que funcione el sensor de supresión de fondo.

La luz que sale del sensor (amarillo) se refleja desde el objetivo hasta el receptor del sensor (azul). Cuando la luz incide en el área activa de la matriz de diodos, se activa la salida del sensor.

Cuando se elimina el objetivo, la luz ahora ingresa al receptor en un ángulo diferente del fondo (rojo). Debido a que la luz incide en la matriz de diodos fuera de la región activa, la luz se ignora y el sensor no se activa.

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Circuitos de Salida

Circuitos de Salida

EL CIRCUITO DE SALIDA ES LA PARTE DEL SENSOR QUE PROPORCIONA LA INDICACIÓN DE LA DETECCIÓN E INTERACTÚA CON EL SISTEMA DE CONTROL. HAY TRES TIPOS COMUNES DE CIRCUITOS DE SALIDA UTILIZADOS EN SENSORES FOTOELÉCTRICOS: 3 HILOS 4 HILOS 2 HILOS

SALIDA DE 3 HILOS

Los sensores de 3 cables utilizan dos cables para alimentar el sensor. El tercer cable es la salida y está conectado a la carga del sensor. La salida puede ser “PNP” o “NPN”

NPN Y PNP Cuando se activa la salida del sensor PNP, el interruptor de salida se cierra (sensor normalmente abierto) o se abre (sensor normalmente cerrado). La carga del sensor está conectada entre el cable de salida del sensor y el DC negativo del suministro.

Cuando se activa la salida del sensor NPN, el interruptor de salida se cierra (sensor normalmente abierto) o se abre (sensor normalmente cerrado). La carga del sensor está conectada entre el cable de salida del sensor y el DC Positivo del suministro.

SALIDA DE 4 HILOS

Algunos sensores tienen salidas normalmente abiertas (NO) y normalmente cerradas (NC). Esto se conoce como Salida Complementaria. Las salidas pueden ser salidas de tipo NPN o PNP

Los sensores de 2 hilos están cableados en serie con la carga del sensor.

Cuando no hay luz presente (condición apagada), una cantidad muy pequeña de corriente fluye en el circuito. La corriente es lo suficientemente pequeña para alimentar el sensor, pero no lo suficiente para encender la carga del sensor.

Cuando el sensor detecta luz (en condición), la corriente aumenta para alimentar tanto el sensor como la carga del sensor.

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Selección de Sensores Fotoeléctricos

COMO HEMOS VISTO EN SECCIONES ANTERIORES, EXISTE UNA AMPLIA GAMA DE SENSORES FOTOELÉCTRICOS; ESTO TIENE COMO FINALIDAD, CUBRIR UN AMPLIO RANGO DE APLICACIONES Y CONDICIONES DISTINTAS.

CÓMO SELECCIONAR EL SENSOR FOTOELÉCTRICO QUE NECESITO.

PARA FACILITAR LA TAREA DE SELECCIÓN, CARLO GAVAZZI HA DESARROLADO UNA ÚTIL GUÍA QUE NOS PERMITE SABER, A TRAVÉS DE ALGUNAS SENCILLAS PREGUNTAS, EL TIPO DE SENSOR QUE NECESITAMOS EN NUESTRA APLICACIÓN.

Preguntas clave PUNTO CLAVE

CONSIDERACIÓN

Rango

¿Hasta qué punto se detecta el objeto?

Distancia de detección?

Ambiente

¿Qué tan sucio o limpio (tal vez se requiere una certificación especial) es el entorno? Temperatura ambiente, luz ambiental, químicos o presencia del agua?

Accesibilidad/

¿Qué accesibilidad hay a ambos lados del objeto a ser? detectado? ¿Restricción de forma y tamaño, montaje?

Cableado

¿Es posible el cableado para uno o ambos lados del objeto?, ¿Qué tipo de salida se necesita? CAble integrado? Conector Rápido?, Distancia del Cable?

Objeto

¿Cuál es el tamaño y el color del objeto? ¿Forma?

Señal de salida

¿El objeto es consistente en tamaño, forma y reflectividad? ¿Cómo es la superficie de fondo?

Requisitos

¿Cuáles son los requisitos mecánicos y eléctricos? ¿Se necesitan funciones lógicas en el punto de detección? ¿Qué tipo de salida se necesita es el sistema requerido para estar integrado?

Una vez hemos recopilado la información de nuestra aplicación, podemos utilizar la guía de selección de Carlo Gavazzi

Con la guía podemos hacer un cruce entre filas y columnas para encontrar el modo de sensado requerido para nuestra aplicación. LAS CELDAS GRISES NOS INDICAN LAS COMBINACIONES QUE NO SON POSIBLES

En la primera fila se encuentran los modos de detección (difuso, retroreflectivo y haz pasante)

En la segunda fila se encuentran Los subtipos como: supresión de fondo, polarizado , etc.

En la tercera fila se encuentran los rangos de distancia de sensado dependiendo el modo de detección

En las primeras dos columnas se encuentran los tipos de luz disponibles

En las columnas subsecuentes se encuentran los distintos tipos de combinaciones disponibles en base alas características antes enumeradas.

En caso de una combinación posible, encontraremos una casilla blanca con las características y aplicaciones de dicha combinación.

En caso de una combinación de características incompatibles se encontrará una casilla gris sin información disponible.

Por ejemplo, si requiero una detección con una distancia menor o igual a un metro en la que requiero luz infraroja, ya que voy a detectar objetos de distintos colores y no quiero que eso afecte la consistencia de mi sensor.

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