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SENSORES

SENSORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS.

FUNCIONAMIENTO. Los sensores de proximidad capacitivos se diseñan para trabajar generando un campo electrostático y detectando cambios en dicho campo a causa de un objeto que se aproxima a la superficie de detección. Los elementos de trabajo del sensor son, a saber, una sonda capacitiva de detección, un oscilador, un rectificador de señal, un circuito de filtrado y el correspondiente circuito de salida. En ausencia de objetos el oscilador se encuentra inactivo. Cuando se aproxima un objeto, el oscilador aumenta la capacitancia del condensador que hace de detector. Al superar la capacitancia un umbral predeterminado se activa el oscilador, el cual dispara el circuito de salida para que cambie entre “on”(encendido) y “off”(apagado). La capacitancia de la sonda de detección viene condicionada por el tamaño del objeto a detectar, por la constante dieléctrica y por la distancia de este al sensor. A mayor tamaño y mayor constante dieléctrica de un objeto, mayor el incremento de la capacitancia. A menor distancia entre el objeto y sensor, mayor el incremento de capacitancia de la sonda por parte del objeto. Los sensores capacitivos son a menudo más utilizados exitosamente en las aplicaciones que no pueden ser resueltas por otras técnicas de sensado. Estos responden a un cambio de dieléctrico en el medio que rodea la zona activa y, por medio de la regulación incorporada, permite sensar prácticamente cualquier sustancia. Además pueden detectar materiales a través de paredes de vidrio, plástico, o laminas de cartón. Para el sensado de materiales de alta constante dieléctrica (agua, metales, aceite, combustible, azúcar, papel), no es necesario el contacto físico de los materiales con el sensor. Para los materiales plásticos y de baja densidad es necesario realizar un ajuste cuidadoso, ya que al ser materiales de baja constante dieléctrica, son de difícil detección. El sensor fotoeléctrico consta fundamentalmente de un electrodo situado en el extremo del detector, conectado al citado circuito oscilador. Este electrodo constituye normalmente la palca de un condensador, el cual, a su vez, forma parte de un bucle de retroalimentación positiva dentro de dicho circuito oscilador; la otra placa de este condensador variable la constituye, o bien el propio objeto a CNAD | ING. RENE SALAZAR GUERRERO

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detectar, el cual debe estar conectado previamente a masa, o bien una placa de masa independiente, ante la que se interpone el objeto.

Generalmente, el oscilador no oscila cuando la retroalimentación positiva es insuficiente. Debido a la presencia del objeto frente al electrodo, el circuito oscilador recibe un incremento de esta realimentación y empieza a oscilar, provocando la aparición de una señal de salida. Este tipo de sensor puede detectar materiales líquidos conductores con gran sensibilidad. Sin embargo, la sensibilidad de detección de los aislantes es menor que la de las sustancia conductoras. Cuanto mayor es la constante dieléctrica y menor es el espesor, mayor es el sensado obtenido. La sensibilidad depende de las sustancias conductoras conectadas a los aislantes o colocadas en los mismos.

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Si un objeto o un medio irrumpen en la zona activa de conmutación, la capacitancia del circuito resonante se altera. Al aumentar la capacidad, la corriente en el circuito oscilador también aumenta. El rectificador simplemente convierte la señal alterna en continua. Cuando esta señal alcance un determinado valor, actuara el circuito disparador que controla si a señal proveniente del rectificador corresponde al nivel de referencia necesario para conmutar el dispositivo de salida. Gracias a su capacidad de reaccionar con una gama amplia de materiales, el sensor de proximidad capacitivo es el más universal en aplicaciones que el inductivo, pero este tipo de sensores es más sensible a perturbaciones, por ejemplo, su sensibilidad con respecto a la humedad es muy elevada, debido a la elevada constante dieléctrica del agua (81).

Sin embargo, están muy indicados para la detección de objetos a través de una pared no metalica (la constante dieléctrica del material a detectar debe ser por lo menos 4 veces el de la pared y el grosor de la pared debe de ser inferior a 4mm). Aunque por razones de coste, en la detección de objetos metalicos se prefieren generalmente los sensores de proximidad inductivos a loscapacitivos. Otra aplicación es la detección de personal: cuando el operador de una maquina se acerca demasiado, se para la maquina, en previsión de posible accidente.

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SIMBOLOGIA

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SENSORES

COLOR Y NUMERACIÓN DE LOS HILOS La norma EN 50 044 determina los colores de los hilos del sensor, distingue entre sensores de proximidad polarizados y no polarizados, podemos diferenciar los siguientes casos: Sensores de proximidad no polarizados tanto para CC o CA, con dos hilos de conexión, estos pueden ser de cualquier color excepto verde/amarillo. Sensores de proximidad polarizados para CC, con dos hilos de conexión, el terminal positivo debe marrón y el terminal negativo, azul. Sensores de proximidad de tres hilos, el terminal positivo debe ser marrón, el terminal negativo azul y la salida debe ser negro. En la siguiente tabla se indican las abreviaciones de los colores usadas.

COLOR

ABREVIACIÓN

black (negro)

BK

brown (marrón)

BN

red (rojo)

RD

yellow (amarillo)

YE

green (verde)

GN

blue (azul)

BU

grey (gris)

GY

white (blanco)

WH

gold (dorado)

GD

green/yellow (verde/amarilo)

GNYE

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SENSORES

En lo referente a la numeración de los terminales: Sensores de proximidad no polarizados, los terminales 1 y 2 tienen la función de contacto normalmente cerrado y los terminales 3 y 4 la de contacto normalmente ABIERTO. Sensores de proximidad polarizados para corriente continua con dos terminales, el terminal positivo debe identificarse con el 1. El número 2 para el contacto normalmente cerrado y el 4 para el contacto normalmente abierto.

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SENSORES DE PROXIMIDAD INDUCTIVOS

Los sensores inductivos hacen uso de las propiedades magnéticas de diversos materiales y de las variaciones de diferentes parámetros asociados a los circuitos magnéticos (longitudes o secciones de núcleos, entrehierros, etc.), para alterar la inductancia de bobinas normalmente fijas, consiguiendo variar la geometría del circuito magnético, permitiéndole detectar la presencia de objetos metálicos.

CONSTITUCION FISICA Estos son los bloques que habitualmente constituyen un sensor inductivo, aunque en algunos modelos el amplificador puede estar implementado en otro dispositivo con carcasa independiente, para reducir el tamaño del sensor.

MODO DE OPERACIÓN Cuando un objeto o placa metálica se mueve dentro de un campo magnético, sobre la placa magnética se generan unas corrientes eléctricas conocidas como corrientes de Eddy o corrientes de Focault. Este es el principio que usan la mayor parte de los sensores inductivos empleados en la industria. En ellos la bobina sensora está provista de un núcleo descubierto hacia el lado de detección, al aplicar tensión al sensor, la bobina produce un campo magnético alterno de alta frecuencia, dirigido hacia el lado activo sensible.

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SENSORES

Al acercarse un metal al lado activo, se presentan unas corrientes parasitas, las cuales influyen en el circuito oscilador, reduciendo la amplitud de oscilación y reduciendo el consumo de corriente del sensor. Estas señales son tratadas por el circuito rectificador y comparador, emitiendo la correspondiente señal de salida.

Las principales aplicaciones de los sensores inductivos son la detección de piezas metálicas. Debido a su funcionamiento, en el que detectan los objetos sin contacto físico, permiten el contaje, analizar su posición y forma de los objetos metálicos, se pueden emplear en la industria alimentaria, ya que no interfiere en los productos.

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SIMBOLOGIA

COLOR Y NUMERACIÓN DE LOS HILOS La norma EN 50 044 determina los colores de los hilos del sensor, distingue entre sensores de proximidad polarizados y no polarizados, podemos diferenciar los siguientes casos: Sensores de proximidad no polarizados tanto para CC o CA, con dos hilos de conexión, estos pueden ser de cualquier color excepto verde/amarillo. Sensores de proximidad polarizados para CC, con dos hilos de conexión, el terminal positivo debe marrón y el terminal negativo, azul. Sensores de proximidad de tres hilos, el terminal positivo debe ser marrón, el terminal negativo azul y la salida debe ser negro.

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SENSORES

En la siguiente tabla se indican las abreviaciones de los colores usadas.

COLOR

ABREVIACIÓN

black (negro)

BK

brown (marrón)

BN

red (rojo)

RD

yellow (amarillo)

YE

green (verde)

GN

blue (azul)

BU

grey (gris)

GY

white (blanco)

WH

gold (dorado)

GD

green/yellow (verde/amarilo)

GNYE

En lo referente a la numeración de los terminales: Sensores de proximidad no polarizados, los terminales 1 y 2 tienen la función de contacto normalmente cerrado y los terminales 3 y 4 la de contacto normalmente ABIERTO. Sensores de proximidad polarizados para corriente continua con dos terminales, el terminal positivo debe identificarse con el 1. El número 2 para el contacto normalmente cerrado y el 4 para el contacto normalmente abierto.

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CRITERIOS DE SELECCIONDE LOS SENSORES DE PROXIMIDAD En esta area se pretende aportar una referencia de cada uno de los tipos de sensores de proximidad que se tratan. Es decir, ante situaciones un poco genéricas, y sin realizar un estudio concreto de las particularidades de ningún proceso en el que sean necesarios los sensores de proximidad, se introducen las características que hacen de cada uno de ellos un tipo de sensor adecuado a cada situación. 1.- Sensores Capacitivos.

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-

El funcionamiento de este tipo de sensores se basa en la detección de la variación de permitividad del medio próximo al sensor, lo cual repercute en una variación de la capacidad electrostática. Se emplean en la detección de objetos de materiales diversos, siempre que puedan servir como medio dieléctrico o conductor. Bastante buena sensibilidad, pero depende del material del que está compuesto el objeto a detectar. Distancias de detecciones pequeñas. Aplicaciones muy distintas. Presentan sensibilidad a la presencia de polvo y suciedad, y su funcionamiento se ve afectado por la humedad. Son muy empleados en la detección de nivel de líquidos en depósitos.

2.- Sensores Inductivos. -

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Se basan en la detección de corrientes parasitas inducidas en el objeto a detectar. Estas corrientes son producidas por u campo electromagnético emitido por el propio sensor. Como se puede deducir de lo anterior, solamente detectan objetos metálicos. Son menos sensibles a efectos externos no deseados que los capacitivos. Presentan distancias de detección similares a los capacitivos o un poco mayores, pero siempre relativamente pequeñas. Pueden verse afectados por elementos externos que provoquen algún campo electromagnético, y debe protegerse la posible interferencia entre varios inductivos. Sensibilidad buena. CNAD | ING. RENE SALAZAR GUERRERO

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3.- Sensores Fotoeléctricos. -

Es un grupo muy amplio debido a las grandes configuraciones que existen. Se basan en la emisión de luz y su posterior detección. Son sensores de gran precisión en general (depende mucho de la configuración concreta). Se consiguen distancias de detección mayores que los anteriores. Suelen presentar el inconveniente de que su colocación es más costosa y exigente. Presentan gran rapidez de respuesta. Sirven para detectar casi todo tipo de materiales. Se ven afectados por la suciedad ambiental. La luz ambiental puede ocasionar en algunas ocasiones detección en el receptor.

4.-Sensores Ultrasónicos

- Se basan en la detección del eco procedente del objeto a detectar tras haber emitido un sonido no audible por los humanos. Se emite el ultrasonido, y se mide el tiempo que tarda en llegar el eco debido al rebote. - Se emplea para casi todo tipo de material existente, con la única condición de que permitan reflexión del sonido. - El medio de detección tiene que ser necesariamente en el aire. - Se consiguen distancias de detección superiores a los inductivos y capacitivos, pero inferiores a los fotoeléctricos en general. - No son susceptibles a efectos externos a no ser a sonidos similares a las de funcionamiento. 5.- Microrruptores. -

Estos sensores son de contacto, y por tanto son interruptores específicos que detectan el choque de un objeto contra ellos. Manejan pequeñas corrientes con gran precisión. Tamaño y peso reducidos. Son interruptores de pequeña carrera. Se emplean en aplicaciones donde la trayectoria de los objetos a detectar son precisas. Son muy baratos en comparación con los anteriores tipos de sensores. Son más habituales en aplicaciones de corriente continua, pero pueden funcionar perfectamente en alterna.

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Tareas de control sobre todo. Una aplicación muy típica es la de detección de apertura de puertas en maquinas.

6.- Finales de Carrera. -

Son sensores de contacto. Manejan cargas superiores a las que manean los microrruptores, pudiendo trabajar directamente en alterna. Se utilizan e tareas de control pero también en tareas de mando. Tamaño y peso apreciablemente mayor que en el caso de los microrruptores. Soportan fuerzas de actuación elevadas respecto a los anteriores. Son más robustos y pesados que los microrruptores. A veces la distinción entre microrruptores y finales de carrera no está muy clara porque se acercan mutuamente.

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REFERENCIAS En este apartado se proponen las diferentes direcciones de Internet para consultar aspectos relacionados con los sensores de proximidad, visualizar catálogos, completar información técnica, etc. http://www.dte.uvigo.es/recursos/proximidad/Sensores_Proximidad.html#Principal www.amidata.es www.farnell.com www.omega.com www.honeywell.com/sensing www-us.semicondustors.philips.com www.analog.com www.dseurope.com www.hamamatsu.com www.agilent.com

BIBLIOGRAFIA. A continuación se propone una bibliografía de obras de consulta relacionadas con los sensores de proximidad. Terry Bartelt:” Industrial Control Electronics; Devices, Systems & Applications” Ed. Thomson Learning. E.U.A. 2002 Antonio Creus: “Instrumentacion Industrial” Ed. Marcombo, Barcelona 1998 SLURZBERG, Morris & OESTERHELD, William. Fundamentos de electricidad y electrónica. Mc- Graw Hill. México. 1990. 1 .WEISS, Gerald Transductores Eléctricos. Polytechnic Institute of New York. CNAD | ING. RENE SALAZAR GUERRERO

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SENSORES

Brooklyn, Nueva York. TAFOYA SÁNCHEZ, JESÚS. Sensores Industriales y Actuadores. CNAD. BATESON, Robert. Introduction to control system technology. Merrill, 1980. Estados Unidos BARRIENTOS, Antonio (otros autores). Fundamentos de robótica. Mc- Graw Hill. España. 1990. SENSING PRODUCTS CATALOG. Photoelectric sensors * proximity sensors * limit switches.

Ian R. Sinclair: “Sensors and Transducers. A guide for technicians”; Butterworth-Heinemann Ltd., Oxford, 1998

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