| Sensores, funcionamiento, aplicación

Que son los sensores?

Los sensores son dispositivos que detectan cambios físicos, químicos o biológicos en su entorno y transforman ésta información a señales eléctricas o digitales que pueden ser procesadas y utilizadas por sistemas electrónicos o computadoras.

Para que un sistema electrónico de control pueda controlar un proceso o producto es necesario que reciba información de la evolución de determinadas variables físicas.

                

Los sensores son dispositivos que detectan una magnitud física, como temperatura, presión, luz, sonido, posición, movimiento, entre otros, la procesan y la presentan como una señal eléctrica o electrónica que puede ser procesada y utilizada para controlar, monitorear o medir alguna variable en un sistema.

 

Pueden considerarse en dos grandes grupos

Sensores digitales ( pueden tomar un numero finito de niveles o valores binarios)

Sensores analógicos (pueden tomar cualquier valor dentro de margenes determinados)

 

Los sensores pueden clasificarse en diferentes categorías según su principio de funcionamiento

• sensor inductivo
• sensor capacitivo
• sensor infrarrojo
• sensor fotodetector (con luz ambiental)
• sensor ultrasónico
• sensor mediante efecto hall

El sensor de proximidad

Los sensores de proximidad son equipos útiles para detectar la presencia de objetos, distancias u otras medidas, o para ubicar cuerpos en movimiento.

Se pueden encontrar sensores de proximidad en muchas actividades  del entorno doméstico.

También tenemos un amplio campo de aplicación de los sensores en la industria.

Muchas aplicaciones de automatización industrial requieren la capacidad de detectar la presencia y/o la posición de un objeto o persona sin establecer contacto físico para evitar restringir o limitar el movimiento del objeto detectado. Para lograr ésto, lo mejor son los sensores de proximidad.

 

Hay diferentes tipos de sensores de proximidad y se seleccionan en base en las necesidades de cada proceso. Todos tienen un elemento detector, que en combinación con un circuito electrónico, puede saber de la presencia o ausencia de algo y producir una señal eléctrica para activar o desactivar un mecanismo, sin necesidad de contacto físico.

Algunos sensores de proximidad son útiles para detectar metales ferrosos, mientras que otros pueden detectar cualquier tipo de metal, y otros pueden detectar cualquier tipo de objeto e incluso personas. 

Para escoger el detector de proximidad más adecuado para un proceso o actividad, es conveniente evaluar previamente varios aspectos, entre ellos:

• Ambiente en donde se va a realizar la detección.

• Material del objeto que se quiere detectar, sus propiedades físicas y su forma.

• Distancia entre lo que se requiere detectar y el sensor.

• Presupuesto disponible para la compra

Los interruptores de proximidad se pueden encontrar para conexión a dos o tres conductores

Emplean múltiples tecnologías que se adaptan a diversas aplicaciones. Estos sensores pueden hacer al detección de objetivos metálicos y objetivos no metálicos con una distancia de detección desde milímetros hasta algunos metros

Son lo suficientemente compactos como para funcionar en espacios reducidos y muchos son capaces de funcionar en entornos difíciles. 

Variedad de sensores de proximidad

Sensor de proximidad inductivo

Los sensores de proximidad inductivos se emplean para detectar la presencia, ausencia y hasta conteo de metales gracias a la generación de un campo electromagnético

Principio de funcionamiento

Los sensores inductivos generan un campo con  forma de onda senoidal de amplitud fija. Si la bobina detecta un objeto metálico se genera una corriente, que dependiendo la proximidad del objeto varia en su amplitud. Cuando la onda disminuye hasta cierto punto el sensor conmuta su estado lo que indica que detectó un objeto.

 Sensor inductivo en operación

Componentes del sensor inductivo:

• Bobina: Produce un campo magnético necesario en la detección
• Oscilador: Produce una onda con forma senoidal constante en amplitud
• Rectificador: Es un rectificador de media onda, para convertir la onda senoidal a una señal de pulsante de corriente directa. 
• Comparador: Se generan 2 voltajes de diferente valor, se comparan entre si y cuando la salida del rectificador varia, cambia la salida del sensor
• Indicador led: Se enciende por la detección de un objeto metálico
• Salida: Es la señal de salida del sensor. En modo de contacto o modo transistor.

Funcionan de forma segura incluso en ambientes hostiles, en las cuales demuestran su capacidad para soportar vibraciones, polvo y golpes debido a su resistencia y robustez.

Los sensores pueden ser tipo blindado o no blindado

Sensor blindado detecta sólo hacia el frente, se instala a ras del soporte. El sensor no blindado que también detecta lateralmente, requiere un avellanado para el montaje en el soporte.

Para el tipo no blindado, debe considarse una distancia minima entre dos montajes consecutivos, cuando no tiene avellanado el soporte, para evitar interferencias entre ellos.

Pueden presentarse en modo rasante y no rasante, que influye basicamente sobre el tipo de montaje y la disposición a utilizar.

Clasificación por su tipo de salidas

Dentro de los sensores inductivos podemos encontrar diferentes presentaciones. Ya sean de corriente directa o corriente alterna, también podemos encontrar de 2 y 3 hilos. 

Ventajas

• Sin contacto y por tanto, con poco desgaste
• Es insensible a la suciedad
• Insensible y resistente a vibraciones y sacudidas

Desventajas

• Sólo pueden detectar elementos metálicos.
• El rango de distancia de sensado tan bajo, que deben conectarse varios sensores en serie.

Sensor de proximidad capacitivo

Los sensores capacitivos son parecidos a los de proximidad inductivos, solo que se diferencian en el principio de funcionamiento

No sufren interferencias electromagnéticas, pueden detectar cualquier tipo de material, independientemente de sus propiedades o características.

Detectan objetos metálicos o no metálicos

Operación del sensor capacitivo

Estos sensores funcionan con el principio de los capacitores

Están compuestos por dos electrodos de metal que generan un campo magnético. Al acercarse un objeto al área de sensado y entrar al campo electroestático generado, cambia el valor de capacitancia y se producen cambios en el circuito oscilador.

El sensor capacitivo

Dependiendo de la frecuencia de oscilación se manda una señal para que se cierre o se abra el circuito.

Sensores en el control de un proceso

Se pueden combinar las características de los sensores, en la automatizacion de los procesos

Ventajas y desventajas del sensor capacitivo.

Es importante destacar que las ventajas de estos sensores se deben al hecho de que detectan todo tipo de elementos metálicos y no metálicos, además de que pueden “ver” a través de algunos materiales, además de tener una vida útil bastante larga.

Sensor capacitivo en la detección de nivel o llenado

Es importante también destacar que los sensores capacitivos tienen una distancia de detección corta que varía según el material que deba detectar, y al mismo tiempo son extremadamente sensibles a los factores ambientales.

Sensor de proximidad infrarrojo

El sensor de proximidad infrarrojo tiene un transmisor y un receptor.

El emisor envia una señal infrarroja,  que cuando choca con un objeto rebota al receptor, el cual activa el sistema determinado previamente, como cierre o apertura de un contacto para: accionar una alarma, apagar una máquina, etc. 

Los detectores de proximidad infrarrojos son una combinación de un LED emisor, lente direccional, lente receptor y una matriz fotodetectora.

El rango de detección se detecta típicamente por el ángulo del haz de incidente sin tener en cuenta la intensidad de la luz reflejada.

Como funciona?

El emisor lanza una señal infrarroja, que cuando se corta o choca con un objeto, es percibida por el receptor.

Según su uso y la distancia a detectar pueden ser de varios tipos: los de barrera, de retrorreflexión, de reflexión directa o con cables de fibra óptica.

Sensor fotoeléctrico

Son sensores sensibles a la luz. Pueden detectar cualquier emisión o ausencia de una fuente de la luz. 

El sensor se puede activar porque detecta el fenómeno de la reflexión de la luz o porque capta cualquier alteración que se produzca en un haz de luz.

Un sensor fotoeléctrico es un instrumento diseñado para detectar la distancia, ausencia o presencia de un objeto mediante el uso de un transmisor de luz,  y un receptor fotoeléctrico. 

Las principales ventajas de los sensores fotoeléctricos son la detección sin contacto de objetos y rangos de detección muy extendidos.

Los sensores fotoeléctricos se utilizan ampliamente en el sector de fabricación industrial.

Los sensores fotoeléctricos proporcionan tres métodos básicos de detección de objetivos:

Modo difuso o modo de detección de proximidad: en este modo de detección, el transmisor y el receptor se colocan en la misma carcasa. La luz del transmisor golpea el objetivo, que refleja la luz en ángulos arbitrarios. Parte de la luz reflejada regresa al receptor y se detecta el objetivo.

Modo retroreflejante: al igual que en el modo anterior, el transmisor y el receptor están en la misma carcasa. Se utiliza un reflector para reflejar la luz del transmisor de regreso al receptor. El objetivo se detecta cuando bloquea el haz del sensor fotoeléctrico al reflector. 

El sensor fotoeléctrico

Modo de haz directo o modo opuesto: el transmisor y el receptor se colocan en dos alojamientos separados. La luz del transmisor incide en el receptor y cuando un objetivo rompe este haz de luz, se activa la salida en el receptor. 

Este modo se considera el más eficiente de los tres modos porque permite los rangos de detección más largos posibles para los sensores fotoeléctricos.

Tienen dos modos de operación

Operación oscura: aquí la carga se activa cuando la luz del emisor está ausente del receptor.

Operación iluminada : aquí la carga se activa cuando la luz del emisor llega al receptor.

Sensores magnéticos de proximidad

Utilizados para medir la posición y la velocidad de componentes metálicos en movimiento, los detectores de proximidad magnéticos pueden ser dispositivos activos, como un sensor de efecto Hall, o pasivos, como un sensor de reluctancia variable.

El sensor de reluctancia mide los cambios en la reluctancia magnética y consta de un imán permanente, una pieza polar y una bobina de detección encerrada en una caja cilíndrica. No necesitan una fuente de alimentación. 

Sensores por ultrasonido

Cuando los requisitos de distancias de detección son mayores,  pueden manejarse con sensores de proximidad basados en ultrasonidos.

Estos sensores detectan objetos de cualquier tipo a distancias de hasta varios metros.

La base de la medición es el tiempo de vuelo de un impulso ultrasónico emitido por el transmisor del sensor que se refleja en el objeto objetivo y es captado por el receptor del sensor

Emite ondas  de alta frecuencia que rebotan en el objeto detectado y retornan al origen. El sensor tiene la capacidad de medir la magnitud de la distancia considerando el tiempo recorrido por la onda.

Puede detectar objetos a grandes distancias (10- 15 m)  con variadas composiciones y propiedades.

Actuan sobre piezas reflectantes, translúcidas, plástico, madera, sólidos, líquidos, polvo, metal y un sinfín de elementos.

Se utilizan en aplicaciones industriales y médicas que requieren una alta precisión. 

Sensor de final de carrera (o limit-swith)

Son sensores de contacto que muestran una señal eléctrica, ante la presencia de un movimiento mecánico.

Sensores de límite

Constan de un accionador, unido a una serie de contactos.

Cuando un objeto entra en contacto físico con el accionador, el dispositivo actua sobre los contactos para establecer o interrumpir una conexión eléctrica.

Los interruptores de final de carrera están diseñados con dos tipos de cuerpo: enchufable y no enchufable.

Carcasas Enchufables: la carcasa enchufable se abre por la mitad para acceder al bloque de terminales.

Si el interruptor sufre daños o se desgasta, basta con quitar el cuerpo del interruptor con su cabeza y enchufar uno nuevo. No hace falta volver a realizar el cableado.

Internamente pueden contener interruptores normalmente abiertos (NA ), cerrados (NC) o conmutadores dependiendo de la operación que cumplan al ser accionados.

Componentes Básicos del interruptor de limite

• Accionador: Es la parte del interruptor que entra en contacto con el objeto que se está detectando. Este tiene 2 posiciones, en reposo y posición de operación o punto de disparo.

• Cabeza: En la cabeza se encuentra el mecanismo que transforma el movimiento del accionador en movimiento de contacto. Cuando el accionador se mueve correctamente, el mecanismo acciona los contactos del interruptor

• Bloque de contactos: En el bloque de contactos se encuentran los elementos eléctricos de contacto del interruptor. Generalmente hay dos o cuatro pares de contactos.

Las partes externas del interruptor de posición

• Bloque de terminales: En el bloque de terminales se encuentran las terminales atornillables. Aquí se realiza la conexión eléctrica (por hilos) entre el interruptor y el resto del circuito de control.

• Cuerpo del interruptor: En un interruptor enchufable, el cuerpo del interruptor aloja el bloque de contactos. En un interruptor no enchufable, encontrará el bloque de contactos y el bloque de terminales del interruptor.

• Base: En un interruptor enchufable, la base aloja el bloque de terminales. Los interruptores no enchufables no tienen una base aparte.

Manejan dos tipos de salidas: electromecánica y de estado sólido.

Electromecánica

• Relé
• Interruptor (abierto o cerrado)

 Estado sólido o electrónico

• Transistor
• Transistor de efecto de campo (FET)
• Triac 
• Red o bus

El tipo de salida que se elija dependerá de la interface que se haya definido en la aplicación y de los tipos de salida disponibles para el sensor con el que se está trabajando.

Cabezas sensoras de interruptor de posición

Los principales factores que determinan la elección de un interruptor de posición de control mecánico son:

• El tipo de la protección necesario
• Las condiciones ambientales 
• El espacio disponible 
• Las condiciones de uso:
• El número de ciclos de maniobra,
• El número y el tipo de los contactos
• La naturaleza de la energa disponible

Sensor de temperatura

Los sensores de temperatura son componentes eléctricos y electrónicos que, permiten medir la temperatura mediante una señal eléctrica determinada,  que puede enviarse directamente o mediante el cambio de la resistencia. 

También se denominan sensores de calor o termosensores.

Dependiendo de los materiales empleados, se distingue entre resistencias de medición de platino, silicio y cerámica. Pueden emplearse para diferentes rangos de temperatura. 

Los semiconductores de cerámica también funcionan muy bien como elementos de calefacción o termofusibles independientes.

La detección del material depende del tipo y diseño del sensor de temperatura. Esto es especialmente válido para sensores de temperatura que muestran el cambio de temperatura mediante el cambio de otra magnitud o propiedad física. 

Los sensores de temperatura más comunes son los siguientes:

Termopares. 

Funcionan mediante el principio de generación de una corriente, entre dos metales diferentes unidos que tienen diferente comportamiento eléctrico en función de la temperatura. La señal generada se procesa y da lugar a una medición de temperatura. Son equipos sencillos, baratos y con una precisión suficiente para un uso que no requiera mucha precisión.

Sin embargo, tienen una respuesta lenta.

Termopar

Termoresistencias.

Están constituidas por resistencias cuya conductividad varía en función de la temperatura, lo cual genera una señal que, una vez procesada permite obtener la medición de temperatura. Su velocidad de respuesta depende de la masa de la resistencia.

Los sensores de temperatura miden la temperatura seca del aire, por lo tanto, si se quiere obtener una medición de la entalpía del aire, que tiene en cuenta la humedad, se debe integrar en una sonda de temperatura y humedad relativa. 

Son muy utilizadas en los sistemas de ventilación y climatización. El sensor de temperatura recoge la temperatura existente en el local y con base en la consigna y la medición, el sistema de regulación y control activará o regulará el caudal de aire.

Los sensores de temperatura pueden medir la temperatura con precisión.

Sin embargo, es importante elegir el tipo de construcción adecuado para los diferentes rangos de temperatura y ambientes

Durante la fase de selección hay que asegurarse de que los componentes sean de alta calidad, que la tecnología sea sofisticada y que los efectos secundarios como, por ejemplo, el calentamiento del termómetro de resistencia, sean mínimos.

Tipos de sensor de temperatura

• Termorresistencias

• Termistores PTC /NTC

• Termopares Tipos T, J, K, E, R y S

• Pirómetro de radiación Ópticos y de radiación total

Sensores de proximidad magnéticos

El sensor está formado generalmente por dos láminas de metal imantadas que están en contacto, que cuando se separan,  se interrumpe el circuito electromagnético y ésto es captado por el receptor, el cual emite la señal correspondiente como respuesta.

Sirven para determinar la cercanía de campos magnéticos, por lo que generalmente el objeto o material que se quiere detectar tiene acoplado un imán o están magnetizadas.

Los sensores de efecto Hall

Los sensores de efecto Hall funcionan de manera similar a la detección inductiva, pero utilizan desviación de electrones provocada por las fuerzas de Lorentz creadas por un campo magnético.

Son un tipo de sensor de posición sin contacto en los cuales, cuando gira su imán, el campo magnético cambia de forma directamente proporcional a su desplazamiento, luego la electrónica transforma el cambio en una salida de posición relativa.

Aunque su dimensión es reducida, éste tipo de sensor magnético tiene gran alcance, de sensibilidad aceptable, buena respuesta y no sufren desgaste por contacto.

Sensor de efecto Hall

Son económicos, ni la suciedad ni las vibraciones interfieren en su funcionamiento, trabajan en un amplio rango de temperaturas por lo que son usados en muchas aplicaciones

Monterrey, México. Abril 2023