sensores fotoelectricos documento
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Instituto Tecnológico
de León
Ingeniería Electromecánica
Instrumentación Industrial para
la Manufactura
Presenta:
López Cabrera Carlos Martín
Catedrático:
Ing. Casillas Araiza Miguel Ángel
Investigación:
Sensores fotoeléctricos
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León Guanajuato, Abril de 2012.
ÍNDICE
Objetivo general 3
Reseña histórica 3
Marco de referencia 5
Espectro electromagnético 5
Rango energético del espectro 6
Propiedades de las ondas electromagnéticas 7
(Reflexión, refracción, polarización, interferencia, transmisión, absorción)
Marco teórico 13
Diodo Emisor de Luz LED 13
Emisores infrarrojos 17
Fotodiodos 19
Celdas fotoconductoras 23
Fototransistores 24
Principio de funcionamiento físico de los sensores fotoeléctricos 26
Sensores sin contacto 26
Introducción a los sensores fotoeléctricos 27
Composición y funcionamiento de los sensores fotoeléctricos 27
Modos de detección de los sensores fotoeléctricos 29
Ventajas y desventajas de los diferentes sistemas de detección fotoeléctricos 35
Aplicaciones de sensores fotoeléctricos 36
Ejemplos de aplicaciones industriales 37
Usos prácticos de los sensores fotoeléctricos 39
Características o especificaciones principales de los sensores fotoeléctricos 42
Características o especificaciones secundarias de los sensores fotoeléctricos 46
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Sensores comerciales y hojas de especificaciones 48
Diseño de experimento para determinar las características principales del sistema de medida 51
Fuentes de información consultadas 55
Conclusiones y posibles mejoras ó adaptaciones 56
Sensores para posición, presencia y desplazamiento
Sensores Fotoeléctricos
OBJETIVO GENERAL
Presentar y analizar los diversos dispositivos sensores cuyo funcionamiento se basa en
principios fotoeléctricos y que están dedicados al posicionamiento, detector de presencia
y medidores de distancia en el campo industrial; además de dar a conocer las hojas de
datos y especificaciones de los fabricantes de dichos sensores.
RESEÑA HISTÓRICA
La ciencia avanza, se proponen las teorías, sobre ellas se discute y se las exprime con todo
tipo de suposiciones y experimentos metódicos, coherentes con su estructura, hasta que
son superadas por otras más perfectas, que sabemos que serán nuevamente superadas.
Esa es la verdadera historia de los grandes descubrimientos ha sido la historia del
descubrimiento de la naturaleza de la luz.
Se atribuye a Euclides el descubrimiento de las leyes de la
reflexión de la luz, sobre el año 300 a.C, pero fue en el siglo
XVII cuando por una parte el genial científico inglés Isaac
Newton, (imagen 1), y por otra el matemático geómetra
holandés Cristian Huygens, desarrollaron dos teorías
contrapuestas sobre la naturaleza de la luz. Newton propuso
una teoría corpuscular, mientras que Huygens suponía que era
un fenómeno ondulatorio.
Imagen 1
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Para Newton la luz estaba formada por pequeñísimos corpúsculos o partículas, y
demostró las leyes de la reflexión y la difracción, en base a esa teoría. La luz se reflejaría
como lo puede hacer una pelota cuando rebota sobre una superficie, y se refractaría al
pasar de un medio a otro por la diferencia de velocidad de transmisión en los dos medios.
De acuerdo con esa explicación suponía que en el medio más denso se transmitiría a
mayor velocidad por ser atraídas las partículas luminosas más fuertemente (precisamente
ocurre al revés).
La teoría verdadera era la que suponía Huygens, pero el gran prestigio de que gozaba
Newton mantuvo la teoría ondulatoria arrinconada durante más de un siglo, hasta que los
experimentos de Thomas Young y Auguste Jean Fresnel la corroboraron ya en el siglo XIX.
Finalmente, en este caso el tiempo y nuevos descubrimientos, nada menos que el
descubrimiento del cuanto de acción y con él el desarrollo de la mecánica cuántica, le
devolvieron a Newton parte de la razón: la luz es un fenómeno ondulatorio, está formado
por ondas electromagnéticas, pero a su vez puede considerarse formada por pequeñas
partículas de luz (cuantos) llamados fotones. De esta doble naturaleza corpuscular y
ondulatoria gozan todas las partículas y ondas
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MARCO DE REFERENCIA
Espectro electromagnético
La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos
oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro,
ver imagen 2.
La radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras como calor
radiado, luz visible, rayos X o rayos gamma. A diferencia de otros tipos de onda, como el
sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética
se puede propagar en el vacío.
El espectro electromagnético (o simplemente espectro) es el rango de todas las
radiaciones electromagnéticas posibles. El espectro de un objeto es la distribución
característica de la radiación electromagnética de ese objeto por ello sirve para identificar
la sustancia de manera análoga a una huella dactilar.
Imagen 2
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El espectro electromagnético cubre longitudes de onda muy variadas. Existen frecuencias
de 30Hz y menores; y por otro lado se conocen frecuencias cercanas a 2,9×1027 Hz, que
han sido detectadas provenientes de fuentes astrofísicas.
Rango energético del espectro
La energía electromagnética en una particular longitud de onda λ (en el vacío) tiene una
frecuencia f asociada y una energía de fotón E. Por tanto, el espectro electromagnético
puede ser expresado igualmente en cualquiera de esos términos y puede ser expresado
en cualquiera de las siguientes ecuaciones:
λ= cf
Ó también como:
c= λf
Donde λ: longitud de onda
f: frecuencia de la onda electromagnética
c: constante universal de la velocidad de la luz en el vacio con valor de 299,792,458 m/s (suele aproximarse a 3x108 m/s)
Y de manera energética se define como:
E=hf=hcλ
Donde ahora h se refiere a la constante física de Planck que representa al cuanto
elemental de acción. Es la relación entre la cantidad de energía y de frecuencia asociadas
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a un cuanto o a una partícula, su valor es de 6.62606896x10-34 J s ó como 4.13566733×10-
15 eV s.
Por lo tanto, las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda
corta y mucha energía mientras que las ondas de baja frecuencia tienen grandes
longitudes de onda y poca energía.
Por lo general, las radiaciones electromagnéticas se clasifican basándose en su longitud de
onda en ondas de radio, microondas, infrarrojos, visible –que percibimos como luz visible–
ultravioleta, rayos X y rayos gamma; esto se ilustra en la imagen 3.
El
comportamiento de las radiaciones electromagnéticas depende de su longitud de onda.
Cuando la radiación electromagnética interactúa con átomos y moléculas puntuales, su
comportamiento también depende de la cantidad de energía por quantum que lleve.
Propiedades de las ondas electromagnéticas
Imagen 3
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Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para propagarse. Así, estas
ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde
el Sol y las estrellas independientemente de su frecuencia y longitud de onda.
Todas las radiaciones del espectro electromagnético presentan las propiedades típicas del
movimiento ondulatorio, siendo las siguientes las propiedades más características:
Reflexión y Refracción Polarización Superposición y/o interferencia Transmisión Absorción
Para cada una se define un coeficiente que nos da el porcentaje correspondiente en tanto
por uno. Son el factor de reflexión (ρ), el de transmisión (τ) y el de absorción (α) que
cumplen:
ρ+α+τ=1encuerpos transparentes
ρ+α=1encuerpos opacos (τ=0)
La reflexión es un fenómeno que se produce cuando la luz choca contra la superficie de
separación de dos medios diferentes (ya sean gases como la atmósfera, líquidos como el
agua o sólidos) y está regida por la ley de la reflexión.
Esta establece que cuando un rayo de luz llega a la superficie de separación de dos
medios, una parte de esta es reflejada alejándose de la barrera y el resto penetra dentro
del material, ver imagen 4.
Imagen 4
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En la reflexión, el rayo incidente y el reflejado están en lados opuestos a la normal y sobre
el mismo plano que esta. Y se cumple la ley de reflexión:
θi=θr
La dirección en que sale reflejada la luz viene determinada por el tipo de superficie
(imagen 5). Si es una superficie brillante o pulida se produce la reflexión regular en que
toda la luz sale en una única dirección. Si la superficie es mate y la luz sale desperdigada
en todas direcciones se llama reflexión difusa. Y, por último, está el caso intermedio,
reflexión mixta, en que predomina una dirección sobre las demás. Esto se da en
superficies metálicas sin pulir, barnices, papel brillante, etc.
La refracción se produce cuando un rayo de luz es desviado de su trayectoria al atravesar
una superficie de separación entre medios diferentes según la ley de la refracción, imagen
6. Esto se debe a que la velocidad de propagación de la luz en cada uno de ellos es
diferente.
Imagen 6
Imagen 5
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Tal que se cumple que
n1 sen (θ1 )=n2 sen (θ2 )
Donde ni es el índice de refracción del medio que se define como el cociente entre la
velocidad de la luz en el medio (v) y la velocidad de la luz en el vacío (c).
n= vc
La luz es una onda electromagnética transversal en la que sus componentes, el campo
magnético y el eléctrico, son perpendiculares entre sí y pueden vibrar en cualquiera de los
planos perpendiculares a la dirección de propagación. Si vibran siempre en el mismo plano
se llama polarización lineal y si lo hacen describiendo círculos se llama circular, ver figura
7.
La interferencia se produce
cuando dos o más ondas se encuentran en un punto del espacio. Las ondas se superponen
pudiendo destruirse mutuamente o combinarse formando una nueva onda, figura 8.
Cuando las ondas
interfieren entre sí,
la amplitud
Imagen 7
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(intensidad o tamaño) de la onda resultante depende de las frecuencias, fases relativas
(posiciones relativas de crestas y valles) y amplitudes de las ondas iníciales.
La transmisión se puede considerar una doble refracción. Si pensamos en un cristal; la luz
sufre una primera refracción al pasar del aire al vidrio, sigue su camino y vuelve a
refractarse al pasar de nuevo al aire. Si después de este proceso el rayo de luz no es
desviado de su trayectoria se dice que la transmisión es regular como pasa en los vidrios
transparentes. Si se difunde en todas direcciones tenemos la transmisión difusa que es lo
que pasa en los vidrios translúcidos. Y si predomina una dirección sobre las demás
tenemos la mixta como ocurre en los vidrios orgánicos o en los cristales de superficie
labrada. Estas características se observan en la imagen 9.
La absorción es un proceso muy ligado al color. El ojo humano sólo es sensible a las
radiaciones pertenecientes a un pequeño intervalo del espectro electromagnético. Son los
colores que mezclados forman la luz blanca. Su distribución espectral aproximada es:
Imagen 8
Imagen 9
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Cuando la luz blanca choca con un objeto una parte de los colores que la componen son
absorbidos por la superficie y el resto son reflejados. Las componentes reflejadas son las
que determinan el color que percibimos. Si la refleja toda es blanco y si las absorbe todas
es negro. Un objeto es rojo porque refleja la luz roja y absorbe las demás componentes de
la luz blanca (imagen 10). Si iluminamos el mismo objeto
con luz azul lo veremos negro porque el cuerpo
absorbe esta componente y no refleja ninguna. Queda
claro, entonces, que el color con que percibimos un objeto depende
del tipo de luz que le enviamos y de los colores que este sea capaz de reflejar.
Imagen 10
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MARCO TEÓRICO
Diodo emisor de luz (LED-Light-Emitting Diode)
El uso creciente de pantallas digitales en
calculadoras, relojes y en todas las formas de
instrumentos, ha contribuido a un gran interés sobre
estructuras que emiten luz cuando se polarizan
apropiadamente. Los dos tipos de uso común que
realizan esta función son el diodo emisor de luz (LED,
por sus siglas en ingles; el cual de detallará a
continuación, ver figura 11) y la pantalla de cristal
liquido (LCD, por sus siglas en ingles).
Como su nombre lo implica, el diodo emisor de luz es un diodo que emite luz visible ó
invisible (infrarroja) cuando se energiza. En cualquier unión de materiales
semiconductores p-n polarizada en directa se da, dentro de la estructura y principalmente
cerca de la unión, una recombinación de huecos y electrones. Esta recombinación
requiere que la energía procesada por los electrones libres se transforme en otro estado.
En todas las uniones p-n semiconductoras una parte de esta energía se libera en forma de
calor y otra en forma de fotones.
En diodos de Si y de Ge el mayor porcentaje de la energía convertida durante la
recombinación en la unión se disipa en forma de calor dentro de la estructura y la luz
emitida es insignificante. Por esta razón, el silicio y el germanio no se utilizan en la
construcción de dispositivos LED.
Imagen 11
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En cambio, los diodos construidos de GaAs emiten luz en la zona infrarroja (invisible)
durante el proceso de recombinación de la unión p-n.
Aun cuando la luz no es visible, los LED infrarrojos tienen numerosas aplicaciones donde la
luz visible no es un efecto deseable.
Mediante otras combinaciones de elementos se puede generar una luz visible coherente.
La siguiente tabla proporciona una lista de semiconductores compuestos comunes y la luz
que generan. Además comprende también el intervalo de potenciales de polarización en
directa de cada uno.
Color Construcción Voltaje en directa típico (V)
Ámbar AlInGaP 2.1Azul GaN 5.0
Verde GaP 2.2
Naranja GaAsP 2.0
Rojo GaAsP 1.8
Blanco GaN 4.1
Amarillo AlInGaP 2.1
En la figura 12 aparece la construcción
básica de un LED, en a), con el símbolo
estándar utilizado para el dispositivo,
b). La superficie metálica conductora
externa conectada al material tipo p es
más pequeña para permitir la salida
del máximo de fotones de energía
luminosa cuando el dispositivo se
polariza en directa.
Observe también en la figura que la recombinación de los portadores inyectados
producida por la unión polarizada en directa produce luz emitida en el sitio de la
Imagen 12
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recombinación. Habrá, desde luego, algo de absorción de los paquetes de energía de
fotones en la estructura misma, pero se puede liberar un gran porcentaje.
Al igual que los diferentes sonidos tienen espectros de frecuencia diferentes, lo mismo es
cierto para las diferentes emisiones de luz. El espectro de frecuencia de la luz infrarroja
se extiende desde 100THz hasta los 400THz, con el espectro de luz visible desde
aproximadamente 400 hasta 750THz. Es interesante señalar que la luz invisible tiene un
espectro de menor frecuencia que la visible.
En general cuando hablamos de la respuesta de dispositivos electroluminiscentes, nos
referimos a sus longitudes de onda y no a su frecuencia, donde ambas cantidades están
relacionadas mediante la ecuación:
λ= cf
c=3x108 m/s (es la velocidad de la luz en el vacio)
f=frecuencia en Hz
λ=longitud de onda en metros
Para este caso entonces la luz visible tiene un rango de longitudes de onda que van desde
750nm (400THz) hasta los 400nm (750THz). Por ello, las altas frecuencias producen
longitudes de onda pequeñas. Asimismo, la mayoría de las graficas utilizan o nanómetros
(nm) o angstroms (Å). Un angstrom es igual a 10-10m.
La respuesta del ojo humano promedio se da en la figura 13. Se extiende desde
aproximadamente 350nm hasta los 800nm con valor pico cercano a 550nm. Es interesante
señalar que la respuesta pico (máxima) del ojo es al color verde, con el rojo y el azul en los
extremos inferiores de la curva acampanada. La curva revela que un LED rojo o azul debe
ser mucho más eficiente que uno verde para que sean visibles con la misma intensidad.
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Todos los colores indicados en la grafica de la figura 13 tienen una respuesta en forma de
curva acampanada, por lo que el verde, por ejemplo, sigue siendo visible a 600nm, pero
con menor nivel de intensidad.
El uso del GaAs para el desarrollo de este tipo de dispositivos LED se puede justificar como
sigue: la brecha de energía más alta (debido a su configuración semiconductora) que
corresponde al GaAs es de 1.43eV, este valor es adecuado para la radiación
electromagnética de luz visible, en tanto que el Si con 1.1 eV disipa calor durante la
recombinación. El efecto de esta diferencia en las brechas de energía se puede explicar a
cierto grado teniendo en cuenta que mover un electrón de un nivel de energía discreto a
otro requiere una cantidad de energía especifica. La energía implicada está dada por:
E=h cλ
conh=6.6626 x 10−34 Js es la constantede Planck
Imagen 13
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Al considerar que 1eV=1.6x10-19J se obtiene una longitud de onda de 869nm. Este valor
ciertamente coloca al GaAs en la zona de longitud de onda utilizada en dispositivos
infrarojos. Para un material compuesto como el GaAsP con una brecha de energía de
1.9eV la longitud de onda resultante es de 654nm, la cual se encuentra en el centro de la
zona roja.
Es por ello que la longitud de onda y la frecuencia de la luz de un color específico están
directamente relacionadas con la brecha de la banda de energía del material. Un primer
paso, por consiguiente, en la producción de un semiconductor compuesto que puede ser
utilizado para generar luz es combinar elementos que generen la brecha de la banda de
energía del la unión semiconductora deseada.
Emisores infrarrojos
Los diodos emisores infrarrojos son dispositivos de
arseniuro de galio (GaAs) de estado sólido que
emiten un rayo de flujo radiante cuando se
polarizan en directa. La construcción básica del
dispositivo se muestra en la figura 14.
Cuando la unión se polariza en directa, los electrones de la región n se recombinan con los
huecos excedentes del material p en una región de recombinación diseñada en especial y
situada entre los materiales p y n. Durante este proceso de recombinación, el dispositivo
irradia energía en forma de fotones. Los fotones generados se reabsorben en la estructura
o abandonan la superficie del dispositivo como energía radiante, como se muestra en la
figura 14.
Imagen 14
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El flujo radiante en miliwatts contra la corriente en directa de cd de un dispositivo típico
aparece en la imagen 15. Observe la relación casi lineal entre estos dos.
En la figura 16 se da un patrón interesante
para dichos dispositivos; observe el patrón
muy angosto para los dispositivos con un sistema de alineación interna. Un dispositivo
como ese aparece en la figura 17, con su construcción interna y símbolo grafico.
Algunas áreas de aplicación de estos dispositivos incluyen lectores de tarjetas y cintas de
papel; codificadores de haces de luz, sistemas de transmisión de datos y alarmas contra
intrusos.
Un uso muy común es el que hacen los mandos a distancia (ó telecomandos) que
generalmente utilizan los infrarrojos en vez de ondas de radio ya que no interfieren con
otras señales como las señales de televisión. Los infrarrojos también se utilizan para
comunicar a corta distancia los ordenadores con sus periféricos.
Se ilustran fotografías de estos elementos en la imagen 18 siguiente, algunos son
elementos con ventanas de cristal planas y otros son con sistemas de alineación internos.
Imagen 15
Imagen 16
Imagen 17
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Fotodiodos
El interés en los dispositivos sensibles a la luz ha ido en aumento a un ritmo
exponencial inusitado en años recientes. El nuevo campo de la optoelectrónica ha
despertado gran interés y ha sido objeto de mucha investigación y se están haciendo
esfuerzos para mejorar sus niveles de eficiencia. Las fuentes luminosas constituyen una
fuente de energía única. Ésta, transmitida como paquetes individuales llamados fotones,
tiene un nivel directamente relacionado con la frecuencia de la onda luminosa viajera
determinado por las ecuaciones energéticas y de longitud de onda de la luz, antes
determinadas en este documento.
La longitud de onda es importante porque determina el material que se tiene que utilizar
en el dispositivo opto electrónico. Las respuestas espectrales relativas del germanio, silicio
y selenio se dan en la siguiente imagen 19. Se incluye el espectro de luz visible junto con
una indicación de la longitud de onda asociada a diversos colores.
Imagen 18
Imagen 19
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El número de electrones libres generados en cada material es proporcional a la intensidad
de la luz incidente. La intensidad luminosa mide la cantidad de flujo luminoso que incide
en un área de superficie particular. Por lo común, el flujo luminoso se mide en lúmenes
(lm) o watts. Las dos cantidades están relacionadas por:
1 lm=1.496 x10−10W
La intensidad luminosa se suele medir en lm/pie2, candelas-pie (fc) o W/m2, donde:
1lm
pie2=1 fc=1.609 x 10−9W /m2
El fotodiodo es un dispositivo de unión p-n semiconductor cuya región de operación se
limita a la región de polarización en inversa. La configuración de polarización básica, la
construcción y el símbolo del dispositivo aparecen en la figura 20 siguiente.
Por lo
descrito en secciones anteriores, se vio que lo común es que la corriente de saturación en
inversa está limitada a algunos microamperes. Esto se debe solo a los portadores
minoritarios térmicamente generados en los materiales tipo n y p. La aplicación de la luz a
la unión hace que se transfiera energía de las ondas luminosas viajeras incidentes (en
forma de fotones) a la estructura atómica, y el resultado es una cantidad incrementada
de portadores minoritarios y un nivel incrementado de corriente en inversa. Esto se
muestra con claridad en la figura 21 a diferentes niveles de intensidad.
Imagen 20
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La corriente oscura es la que se dará sin iluminación aplicada. Observe que la corriente
solo regresará a cero con una polarización aplicada positiva igual a VT. Además, la figura 20
demuestra el uso de una lente para concentrar la luz en la región de la unión. En la imagen
22 se muestran algunos fotodiodos comerciales.
La separación casi igual entre las curvas con el mismo incremento del flujo luminoso
revela que la corriente en inversa y el flujo luminoso están casi linealmente relacionados.
Imagen 21
Imagen 22
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En otras palabras, un aumento en la intensidad luminosa producirá un incremento similar
de la corriente en inversa.
En la imagen 23 aparece una grafica de los dos parámetros anteriores para demostrar esta
relación casi lineal para un voltaje fijo Vλ de 20V. Con una base relativa, podemos suponer
que la corriente en inversa es en esencia cero sin luz incidente. Como los tiempos de
levantamiento y caída (parámetros de cambio de estado) son muy pequeños `para este
dispositivo (en el intervalo de los nanosegundos), puede utilizarse el dispositivo en
aplicaciones de conteo o conmutación de alta velocidad.
Volviendo a la
imagen 19, observamos que el Ge abarca un espectro más amplio de longitudes de onda
que el Si. Esto lo convierte en un elemento adecuado para la luz incidente en la región
infrarroja provista por láseres y fuentes luminosas IR (infrarrojas). Desde luego, el Ge tiene
una corriente escura más alta que el Si, pero también un nivel más alto de corriente en
inversa. El nivel de corriente generado por la luz incidente en un fotodiodo no es
adecuado para utilizarla como control directo, pero se puede amplificar para este
propósito.
Imagen 23
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Celdas fotoconductoras
La celda fotoconductora es un dispositivo
semiconductor de dos terminales cuya resistencia
terminal varía (linealmente) con la intensidad de la luz
incidente. Por razones obvias, con frecuencia se llama
dispositivo fotoresistivo (también llamado elemento
LDR-Light Dependent Resistors). En la imagen 24 se
ilustra la construcción típica de una celda fotoconductora
junto con el símbolo grafico más común.
Entre los materiales fotoconductores de uso más frecuente están el sulfuro de cadmio
(CdS) y el seleniuro de cadmio (CdSe). La respuesta espectral pico ocurre a
aproximadamente 5100Å para el CdS y a 6150Å para CdSe (observar la figura 19 de la
sección anterior). El tiempo de las unidades de CdS es de alrededor de 100ms y el de las
celdas de CdSe es de 10ms.
La celda fotoconductora no tiene una unión como el fotodiodo. Una delgada capa de
material conectada entre las terminales simplemente se expone a la energía luminosa
incidente.
A medida que la iluminación que incide en el dispositivo se hace más intensa, el estado
energético de un mayor número de electrones en la estructura también se incrementará
debido a la disponibilidad incrementada de los paquetes de fotones de energía. El
resultado es un número cada vez mayor de electrones “libres” en la estructura y la
reducción de la resistencia terminal. La curva de sensibilidad de un dispositivo
fotoconductor típico aparece en la siguiente imagen 25; observe la linealidad (usando una
escala logarítmica) de la curva resultante y el gran cambio en la resistencia (100kΩ a
100Ω) para el cambio
indicado de iluminación.
Imagen 24
Imagen 25
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Fototransistores
El comportamiento fundamental de los dispositivos fotoeléctricos se presentó junto con la
descripción del fotodiodo. Ahora ampliaremos este análisis para incluir el fototransistor,
el cual tiene una unión p-n de colector a base fotosensible. La corriente inducida por
efectos fotoeléctricos es la corriente base del transistor. Si le asignamos la notación Iλ a la
corriente de base foto inducida, la corriente de colector que resulta, aproximadamente,
es:
IC≅ hfe I λ
En la figura 26 se dan algunas características representativas para un fototransistor junto
con la representación simbólica del dispositivo. Se observan las semejanzas entre estas
curvas y las de un transistor bipolar típico. Como se esperaba, al aumentar la intensidad
de la luz se incrementa la corriente en el colector.
Imagen 26
53
Para proporcionar un mayor grado de conocimiento de la unidad de medición de
intensidad luminosa, miliwatts por centímetro cuadrado, se da una curva de corriente de
base contra densidad de flujo en la imagen 27; se detalla el incremento exponencial de la
corriente de base al aumentar la densidad de flujo. En la misma imagen se ilustra un
fototransistor junto con la identificación de las terminales y la alineación angular. En la
imagen 28 se muestran algunas de las configuraciones a base de dispositivos
fototransistores más comercialmente empleados.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO FÍSICO DE LOS SENSORES
FOTOELÉCTRICOS
Imagen 27
Imagen 28
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Sensores sin contacto
Conforman un grupo de sensores muy amplio.
Como su nombre lo indica, la característica principal
es el hecho de que permiten detectar el objeto sin
que se necesario el contacto físico. Esto confiere
una capacidad de maniobra mucho mayor y además
permite mantener inalterable el sistema de control.
Se muestran algunos ejemplos en la imagen 29.
Estos sensores presentan las siguientes características con respecto a los sensores de
contacto físico directo con su sistema a controlar.
Detectan objetos a distancia, sin necesidad de contacto físico.
Suelen poseer únicamente capacidad de detección y no son a la vez elementos
de corte de corriente.
Son versátiles en sus características de uso, pudiendo dar información directa
o indirectamente de varias magnitudes físicas.
Pueden ofrecer ventajas selectivas de funcionamiento con ciertos materiales
sin verse afectados por otros.
Es un grupo muy heterogéneo de sensores, pero engloba sensores con
principios de funcionamiento muy diferentes, desde sensores que se basan en
la transmisión de sonido hasta los que se fundamentan en la inducción
electromagnética (se incluyen los de funcionamiento óptico o fotoeléctricos
que emplean ondas electromagnéticas para su tarea).
Todos necesitan alimentación externa para su funcionamiento.
Introduccion a los sensores fotoelectricos
Imagen 29
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Usar sensores que empleen un haz de luz ha sido popular desde 1950. El sensor
fotoeléctrico de hoy es uno de los más versátiles dispositivos de sensado de no contacto
conocido por el hombre. La fiabilidad de los sensores fotoeléctricos dieron un gran salto
en los años 70 cuando la luz del diodo emisor (LED) reemplazo la luz incandescente.
En comparación con los demás sensores de proximidad, los sensores fotoeléctricos
presentan las siguientes ventajas:
Distancias de detección mucho más grandes que en el caso de los capacitivos e
inductivos. Se pueden obtener hasta 500 metros en tipo separado y 5 metros en
reflexión.
Permiten la identificación de colores y objetos de pequeño tamaño (decimas de
milímetro).
Composición y funcionamiento de los sensores fotoeléctricos
Un sensor fotoeléctrico se compone básicamente de un emisor de luz asociado a un
receptor sensible a la cantidad de luz recibida; éste detecta cuando el objetivo penetra el
haz luminoso emitido y modifica, de forma suficiente, la cantidad de luz que recibe el
detector para provocar un cambio de estado a la salida.
Este tipo de sensores tienen como función principal la detección de todo tipo de objetos
independientemente de la distancia, ellos son generalmente utilizados como detectores
de posición o presencia.
Los elementos que conforman su
construcción se muestran en la
imagen 30 siguiente. Según el tipo de
detección, las etapas emisoras y
receptoras pueden estar en conjunto
en un solo dispositivo o separadas
entre ellas.Imagen 30
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Los detectores fotoeléctricos utilizan diodos emisores LED que transforman la señal
eléctrica en luz monocromática. Para insensibilizar el sistema a la luz ambiente, la
corriente que atraviesa el LED se modula para obtener una emisión de luz pulsada. Los
sensores fotoeléctricos de pulso modulado responden únicamente a la luz emitida por su
propia fuente de luz. Modular la luz de un LED simplemente significa encenderlo y
apagarlo en alta frecuencia, observe la imagen 31.
El secreto de la eficiencia de un sistema modulado es que el fototransistor del sensor (de
la etapa receptora) y el amplificador estén sintonizados a la frecuencia de la modulación
(etapa de tratamiento de la señal), dando como resultado, que únicamente la luz
modulada es amplificada, y toda la otra luz que alcanza al fototransistor es ignorada. Esto
es análogo a un radio receptor el cual sintoniza fuertemente a una estación mientras que
ignora las otras ondas de radio que están presentes en el lugar.
La tasa de modulación o frecuencia a menudo excede los 5kHz, una velocidad mucho
mayor a la que puede detectar el ojo humano.
Los sensores fotoeléctricos conmutan o modulan rápidamente la corriente conducida por
un LED. Un ciclo de trabajo suave o poco intenso (normalmente inferior al 5%, ver imagen
32) permite que la cantidad de corriente y, por tanto, la cantidad de luz emitida excedan
con creces el límite permisible en una operación continua.
Imagen 31
Imagen 32
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Generalmente, los LED emiten luz y los fotodetectores son sensibles a la luz en una amplia
zona. Para estrechar o definir zona de detección se utilizan lentes con los LED y
fotodetectores. A medida que se estrecha la zona, el alcance del LED o de los
fotodetectores aumenta, tal como se muestra en la imagen 33 siguiente. En consecuencia,
las lentes aumentan la distancia de detección de los sensores fotoeléctricos.
El haz de luz de una combinación de LED y lente suele tener forma cónica. En la mayoría
de los sensores, el área del cono aumenta con la distancia.
Modos de detección de los sensores fotoeléctricos
Este tipo de sensores generalmente incorporan un circuito que permite la activación de
sensores por la presencia o por la ausencia del objeto, a estos modos se les denomina
Light ON y Dark ON.
1. Light ON (Activación por Luz); El objeto por si mismo debe reflejar el haz de luz al
lente del receptor.
2. Dark ON (Activación por Obscuridad); El objeto debe romper o disminuir un haz de
luz existente entre la fuente de luz y el lente receptor.
Imagen 33
53
Otro tipo de clasificación de estos sensores se basa en la forma de cómo se realiza el
sensado. El sistema óptico de un sensor fotoeléctrico está diseñado para uno de los cuatro
modos de sensado:
Transmisión (Separado) o tipo barrera
Retrorreflectivo o réflex (con señal sin polarizar o polarizada)
Reflexión Difusa o de proximidad
Reflexión definida
Sistemas de fibra óptica
Muchas situaciones de sensado pueden ser resueltas por la elección de uno de estos
modos. Sin embargo, hay usualmente un “mejor” modo para cada variable a sensar. Estos
métodos se describirán a continuación:
Transmisión (Separado) o tipo barrera
En este modo de detección, la fuente de luz (emisor) y el receptor se encuentran en
carcasas distintas. Las dos unidades se colocan una frente a la otra de manera que la luz
del emisor ilumine directamente al receptor. Para detectar el objeto, el haz que se
extiende entre la fuente de luz y el receptor no puede verse interrumpido. (Imagen 34).
Retrorreflectivo o réflex (sin polarizar y polarizado)
Imagen 34
53
Los modos de detección más comunes son el retrorreflectivo y el retrorreflectivo
polarizado. Un sensor retrorreflectivo tiene el emisor y el receptor en una sola carcasa. El
haz de luz del emisor rebota en un reflector (o material reflectivo especial) y es detectado
por el receptor. El objeto es detectado cuando interrumpe este haz de luz, tal como se
observa en la imagen 35.
Para la detección retrorreflectiva se utilizan reflectores especiales o cintas reflectantes
como los mostrados en la figura 36. Al contrario que los espejos u otras superficies
reflectivas planas, estos materiales reflectivos no tienen que estar perfectamente
alineados en perpendicular con el sensor. Existe una amplia gama de reflectores. La
distancia de detección máxima disponible con un sensor retrorreflectivo depende en parte
del tamaño y de la eficacia del reflector.
Imagen 35
Imagen 36
53
Los sensores retrorreflectivos polarizados contienen filtros polarizantes delante del emisor
y del receptor que orientan la luz a un solo plano. Estos filtros están colocados en
perpendicular o con un desfase de 90º entre sí.
El haz de luz se polariza cuando pasa por el
filtro. Cuando la luz polarizada se refleja en
un objeto, sigue permaneciendo polarizada
y cuando se refleja en un reflector
despolarizante, se despolariza; se observa el
detalle de esta polarización en la imagen 37.
El receptor sólo puede detectar la luz
reflejada que se haya despolarizado. Por
ello, el receptor no ve (no recibe) la luz de
objetos reflectivos que no hayan
despolarizado la luz.
Reflexión difusa
La detección retrorreflectiva y la detección de haz transmitido crean un haz de luz entre el
emisor y el receptor, o entre el sensor y el reflector. En este caso es necesario poder
acceder a ambos lados del objeto.
A veces es difícil, o incluso imposible,
acceder a ambos lados de un objeto. En
estas aplicaciones, es necesario detectar un
reflejo que proceda directamente del
objeto. La superficie del objeto esparce la
luz en todas direcciones y sólo una pequeña
parte se refleja hacia el receptor. Este modo
de detección se llama detección difusa, se ve el funcionamiento en la figura 38.
Imagen 37
Imagen 38
53
El propósito de la detección difusa es lograr un margen relativamente alto al detectar el
objeto. Cuando el objeto no está presente, los reflejos de cualquier fondo deben
representar un margen lo más cercano a cero.
Los objetos difusos reales a menudo son bastante menos reflectivos, como se muestra en
la siguiente tabla.
Hay diversos tipos de detección difusa. La más sencilla es la difusa normal, si bien existen
otros tipos como difusa de corte abrupto, difusa con supresión de fondo, difusa de foco
fijo y difusa gran angular. Todas ellas poseen cierta variedad de ventajas o desventajas y
algunas aplicaciones las cuales se mencionaran más delante.
Reflexión definida
Los sensores con reflexión definida son
aquellos que permiten la detección de objetos
con ciertas cualidades físicas, más
específicamente del color de los mismos (y en
ciertas ocasiones de la forma o tamaño).
Emplean básicamente las propiedades de
absorción de determinadas longitudes de onda
Imagen 39
53
de los objetos (según del material y color de que estén formados) para únicamente
reflejar y “detectar” las solicitadas por el receptor. Este tipo de detección permite al
sensor conocer que material o qué condiciones del mismo se tienen en el producto, ver
imagen 39. Su campo de acción es muy grande, desde la industria alimenticia, para la
calidad de los productos, hasta las industrias de embalaje y paquetes para lectura de
códigos y marcas de colores, entre otras.
Sistemas de fibra óptica
Los sensores de fibra óptica permiten el acoplamiento de “tubos de luz” llamados cables
de fibra óptica. La luz que proviene desde el emisor se envía a través de las fibras
transparentes de los cables y sale por el otro extremo de la fibra. El haz transmitido o
reflejado regresa al receptor a través de fibras diferentes.
Los cables de fibra óptica se pueden montar en lugares que de otra manera serían
inaccesibles para los sensores fotoeléctricos. Se pueden utilizar en lugares donde la
temperatura ambiente es elevada y en aplicaciones donde sean necesarios choques y
vibraciones extremos o movimientos continuos en el punto de detección (como se
describe más abajo). Los cables de fibra óptica también se pueden utilizar para detectar
objetos pequeños y son los que ofrecen la respuesta más rápida, se detalla más
claramente en algunas aplicaciones mostradas en las figuras de la imagen 40.
Para los cables de fibra óptica se utiliza tanto vidrio como plástico. Las fibras de vidrio se
pueden utilizar con LED infrarrojos o visibles. Las fibras de plástico absorben la luz
infrarroja y por ello son sumamente eficaces cuando se usan con LED rojos visibles.
Imagen 40
53
Ventajas y desventajas de los diferentes sistemas de detección fotoeléctricos
En la siguiente tabla se mencionan algunas aplicaciones prácticas, las ventajas y
desventajas o inconvenientes de los diversos sistemas de detección fotoeléctricos con el
fin de tener una comparación simple de los diversos sistemas.
53
APLICACIONES DE SENSORES FOTOELÉCTRICOS
Las aplicaciones de los sensores fotoeléctricos, como se ha mencionado a lo largo de este
documento, son muy variadas pero principalmente son usadas para la detección,
proximidad y presencia de los objetos y productos en las líneas de producción; los
inconvenientes de algunas configuraciones de sensado óptico son compensados por otras
configuraciones diferentes, por lo que todas las tecnologías en conjunto tienen una gran
gama de aplicación.
Entre sus principales ventajas son accesibilidad de detección en ambientes muy
contaminados, no importa la naturaleza del material (metálico o no metálico), pueden
detectar materiales opacos y transparentes (según la configuración a usar), entre otras
muchas.
A continuación se detallan algunos de las características de aplicación más generales:
o Detección de fines generales
o Conteo de piezas
o Detección de marcas de color y lectura de códigos
o Detección de objetos a una distancia especifica
o Ofrecen ventajas de espacio respecto a otros tipos de sensores según la
configuración elegida
Según los modelos de los detectores y los requisitos según la aplicación la emisión se
puede realizar con:
Luz infrarroja (es el caso más habitual de detección)
Ultravioletas (uso en materiales luminiscentes)
Luz visible roja (con longitud de onda desde 627 hasta 770nm)
Luz visible verde (aplicaciones de lectores de códigos, longitud de onda entre 495 a 566nm)
Laser rojo (aplicaciones de focalización reducida)
Imagen 41
Sistema de detección de doble hoja en un sistema de imprenta, se observa el empleo de un sistema fotoeléctrico de transmisión o tipo barrera, el uso de un amplificador de la señal y el actuador final (alarma).
53
EJEMPLOS DE APLICACIONES INDUSTRIALES
A continuación se ilustran (desde la imagen 41 hasta la 50) algunas aplicaciones básicas de
los sistemas de detección fotoeléctricos u ópticos.
Imagen 42
Dispositivo para la detección de flancos o bordes mecánicamente convergentes, se emplea una configuración tipo barrera, se detectan bordes o discrepancias en el acabado de los cortes realizados por una sierra mecánica.
Imagen 43
Sistema empleado para la detección de residuos en rodillos de sistemas de producción, de manera semejante para la detección de productos en una línea de producción, se observa el uso de un sistema retroreflectivo sin polarizar.
Imagen 44
Detección de paquetes opacos (costales de harina) por medio de la reflexión difusa del objeto; aunque también es aplicable la detección de color del producto con esta misma base de construcción.
53
Imagen 45
Detección de piezas con cables de fibra óptica individuales en lugares donde el espacio o las condiciones del lugar limitan el uso de otra configuración óptica u otros sistemas de detección (inductivos, capacitivos).
Imagen 46
Aplicaciones del área farmacéutica, embalaje: ausencia de pastillas en el blíster. Empleo de sistemas de detección tipo barrera.
Imagen 47
Sistemas de aplicación en el área metalúrgica, líneas de producción para detectar piezas defectuosas o características indeseables; empleo de sistemas retroreflectivo, difusos o de fibra óptica.
Imagen 48
Producción en el área alimenticia, de envases transparentes u opacos, detección botellas en una determinada posición (empleo de sistema lógico de detección); empleo de sistemas retroreflectivo polarizado.
53
USOS PRÁCTICOS DE LOS SENSORES FOTOELÉCTRICOS
A continuación se mencionan un par de casos prácticos del uso de sensores ópticos o
fotoeléctricos.
1. Sensores ópticos en soldadura de alta velocidad
La tecnología busca constantemente incrementar la velocidad de la soldadura a la vez que
se mejoran las garantías del proceso. VRV-Evans ha desarrollado narrow gap welding
technology que puede depositar capas de soldadura a velocidades por encima de 1 m/min.
Sin embargo, tales velocidades altas amenazan los límites de las costuras de arco. La
compañía también identifica que los procesos de unión de la tubería total pueden
mejorarse dramáticamente si se obtiene información sobre la unión y la preparación que
requiere la soldadura.
Imagen 49
Producción en el área alimenticia, detección de color para la condición y calidad de los alimentos (frutas, vegetales, galletas, pasteles, etc), características de los sistemas definidos de detección.
Imagen 50
Sistemas de detección de marcas y códigos por medio de etiquetas de colores empleando método de reflexión definida.
53
Los investigadores mostraron que eran posibles
velocidades de 2m/min.
El diseño del sensor consiste en una cámara de Megapixel
CMOS con un dispositivo de integración de escala muy
grande, incluyendo un FPGA y un poderoso DSP. El sistema
de visión tiene un campo de vista de 50 mm y una
resolución horizontal en pixels de 0,05 y una resolución de
pixel vertical de 0,07mm, ver imagen 51.
El sensor en si mismo tiene un diseño completamente digital y está diseñado para una
fácil integración dentro del control digital y sistemas de comunicación, tanto con ethernet
de alta velocidad como con interfaces de bus CAN. Estos enlaces externos proporcionan la
interface digital-a-digital al sistema de soldadura CRC.
Aplicaciones
Este tipo de soldadura tiene especiales aplicaciones en soldadura de tuberías, donde hay
cambios permanentes en geometría y posición. El Smart Laser Sensor mide estos cambios
en tiempo real durante el proceso de soldadura. Los datos son enviados vía comunicación
de alta velocidad al sistema de control del movimiento preciso.
2. Sensores ópticos para detectar pequeños objetos en movimiento rápido
Los sensores controlan presencia/posición y realizan mediciones en una gran variedad de
aplicaciones industriales. Para aplicaciones sensoras que impliquen distancias de hasta
200 mm, Baumer ha introducido recientemente el nuevo Long-Range ParCon, un sensor
de la línea óptica analógica que proyecta ancho continuo de 24 mm de luz paralela a un
reflector, y permiten detectar de forma rápida y fiable partes móviles tan pequeñas como
0,5 mm. El sensor puede también medir objetos anchos independientemente de la
posición del objeto en el campo de medición, ver imagen 52.
Imagen 51
53
Se trata de una alternativa efectiva en costes a la
tecnología de cortinas de luz, que detectan con
exactitud y miden objetos metálicos y no metálicos a
tasas de procesamiento de alta velocidad de hasta 1
kHz con resoluciones de hasta 0,1 mm. Long-Range
Parcon está diseñado para detectar con exactitud
bordes de materiales en aplicaciones tales como
embalajes, fabricación textil, producción de papel,
gráfica/impresión.
Este sensor también puede utilizarse en fabricación de PCB, embalaje de alimentos y
bebidas, automatización de laboratorio, fabricación de dispositivos médicos y aplicaciones
de metalmecánica.
El sensor se caracteriza por un haz de luz paralelo ancho de 24 mm que permite la
detección exacta y medición del espesor de objetos independientemente de su
localización en el área sensora. Dimensionado a 67 x 34 x 16.5 mm, la carcasa de Long-
Range ParCon contiene el emisor, receptor, y especialmente la óptica. Solamente un
reflector es necesario para operar el sensor, por lo cual se monta rápidamente en
pequeñas aplicaciones espaciales.
Imagen 52
53
CARACTERÍSTICAS O ESPECIFICACIONES PRINCIPALES
DE LOS SENSORES FOTOELÉCTRICOS
Todas las características que se describen a continuación aparecen normalmente en las
hojas de especificaciones de los fabricantes de los diversos sensores existentes en el
mercado, algunos agregan estas características con nombres diferentes, mientras que
algunos otros muestran ciertas características más específicas de instrumentación
industrial como exactitud y precisión.
Salida de operación por luz/en oscuro
Los términos “operación por luz” y “operación por oscuridad” se usan para describir la
acción de la salida de un sensor cuando un objeto está presente o ausente.
Una salida de operación con luz se activará (activada, nivel de lógica uno) cuando el
receptor pueda “ver” la luz proveniente de la fuente de luz.
Para la detección de retrorreflectiva y de haz transmitido, una salida de operación por luz
se activará cuando el objeto esté ausente y la luz pueda viajar de la fuente de luz al
receptor. Para la detección difusa (todos los tipos), la salida se activará cuando el objeto
esté presente y refleje la luz de la fuente de luz al receptor.
Una salida de operación en oscuro se activará (activada, nivel de lógica uno) cuando el
receptor no pueda “ver” la luz proveniente de la fuente de luz.
Para la detección de retrorreflectiva y de haz transmitido, una salida de operación en
oscuro se activará cuando el objeto esté presente y la luz que proviene de la fuente de luz
sea bloqueada y no pueda llegar al receptor. Para la detección difusa (todos los tipos), una
salida de operación en oscuro se activará cuando el objeto esté ausente.
Distancia máxima de detección
Esta especificación se refiere a la distancia de detección de:
El sensor al reflector, en sensores retrorreflectivos y retrorreflectivos
polarizados.
53
El sensor al objeto especificado, en todos los tipos de sensores difusos.
La fuente de luz al receptor, en sensores de haz transmitido.
La mayoría de los entornos industriales producirá contaminación de las lentes del sensor y
de los reflectores u objetos. Los sensores se deben aplicar a distancias más cortas para
aumentar el margen para un valor aceptable y mejorar la confiabilidad de la aplicación.
Distancia mínima de detección
Muchos sensores retrorreflectivos, retrorreflectivos polarizados y
difusos (la mayoría de los tipos) tienen una pequeña área “ciega”
cerca del sensor (Figura 53).
Los reflectores, las cintas reflectivas o los objetos difusos se deben
colocar a una distancia mayor del sensor que esta distancia mínima
de detección a fin de obtener un funcionamiento confiable.
Tiempo de respuesta
El tiempo de respuesta de un sensor es la cantidad de tiempo que transcurre entre la
detección de un objeto y el cambio de estado del dispositivo de salida de activado a
desactivado o viceversa, esta es la característica dinámica principal de los sistemas y
elementos de medida.
Corresponde igualmente a la cantidad de tiempo que se necesita para que el dispositivo
de salida cambie el estado una vez que el objeto ya no es detectado por el sensor.
Los tiempos de respuesta están en función del diseño del sensor y de la elección del
dispositivo de salida. Los sensores más lentos usualmente ofrecen rangos de detección
más largos. Los sensores muy rápidos normalmente tienen rangos de detección más
cortos.
Los tiempos de las respuestas de un sistema están en función de los compuestos del que
están hechos el receptor y emisor, en los fotodiodos la velocidad de respuesta está
dentro del orden de los nanosegundos, en los elementos fotoresistivos tienen velocidades
de respuesta desde los 100ms hasta solo 10ms; los fototransistores, al igual que los
Imagen 53
53
fotodiodos, tienen un tiempo de respuesta muy corto, es decir que pueden responder a
variaciones muy rápidas en la luz.
Campo de visión
Para la mayoría de los sensores fotoeléctricos, el haz de luz proveniente de la fuente de
luz y el área de detección frente al receptor se proyectan lejos del sensor en forma cónica.
El campo de visión es una medida (en grados) de esta área cónica.
El campo de visión es una especificación útil para determinar el área de detección
disponible a una distancia fija alejada de un sensor fotoeléctrico, en la imagen 54 se
muestra un esquema de cómo varia relativamente el campo de visión en estos tipos de
sensores respecto a la distancia relativa de detección.
Histéresis
Los sensores fotoeléctricos cuentan con
histéresis (o diferencial).
La histéresis de un sensor fotoeléctrico es la
diferencia entre la distancia a la que se puede
detectar el objeto mientras se mueve hacia el
sensor y la distancia a la que se tiene que alejar del sensor para dejar de ser detectado.
Cuando el objeto se acerca al sensor, se lo detecta a
una distancia X. Cuando se aleja, se lo sigue detectando hasta que llega a la distancia Y; tal
como se muestra en la imagen 55.
Imagen 54
Imagen 55
53
La elevada histéresis de la mayoría de los sensores fotoeléctricos es útil para detectar
grandes objetos opacos en aplicaciones retrorreflectivas, retrorreflectivas polarizadas y
de haz transmitido.
La histéresis elevada no suele verse afectada por la colocación del objeto dentro del haz
efectivo. En las aplicaciones difusas, una gran diferencia en la luz reflejada del objeto y el
fondo también permite el uso de sensores de histéresis elevada.
La histéresis reducida requiere cambios menores en el nivel de luz.
Algunos sensores fotoeléctricos están diseñados para poder seleccionar una histéresis
baja. Los sensores de histéresis baja se utilizan sobre todo para detectar objetos
transparentes, marcas de registro de bajo contraste y objetos que no interrumpen todo
el haz efectivo.
Algunas de estas características vienen indicadas en las Hojas de especificaciones del
fabricante, mientras que algunas otras no, esto es debido a que las aplicaciones a las que
están dedicadas son de criterio industrial y de producción. Esta sección respecto a las hojas
de especificaciones se detallará en una sección más delante.
53
CARACTERÍSTICAS O ESPECIFICACIONES SECUNDARIAS
DE LOS SENSORES FOTOELÉCTRICOS
Dentro de las características secundarias que se dan en las hojas de especificaciones de los
sensores fotoeléctricos (aunque se dan las mismas para todos los sensores sin importar el
tipo de detección, ya sea inductivo, capacitivo, ultrasónico, etc.) se pueden mencionar las
siguientes:
Voltaje nominal de alimentación o de suministro para su correcta operación en
volts (V).
Intensidad de corriente del sensor en amperes (A).
Tipos de conexión para las juntas o cables de transmisión de datos.
Tipo de conductor a emplear para su correcto funcionamiento.
Tipo de sujeción o conexión para el lugar donde será montado (tipo de rosca de la
junta).
Características de ajuste del sensor, si las tiene (sensibilidad, tipo de retardo, tipo
de operación a luz/oscuridad, ajustes de mono o multi-impulsos del emisor).
Diagramas del
Características del entorno de operación (según las normatividades NEMA, CSA,
IEC y CE).
Certificaciones de directivas (NEMA, CSA, CE, IEC, entre otras).
Condiciones térmicas límite y de servicio para el correcto funcionamiento del
elemento en ºC (ó en ºF, o en ambas u otras como K y R).
Condiciones de trabajo mecánico y de resistencia bajo las cuales se someterá el
sensor en su ubicación final (vibraciones, esfuerzos, impacto, etc.)
Condiciones de humedad ambiente de operación, humedad relativa.
Conjeturas sobre los indicadores externos, tales como indicadores luminosos o
sonoros.
Indicaciones sobre protecciones extras de los sensores, tales como sobrecarga,
cortocircuito, falsa detección, inversión de polaridad.
53
Material de la envolvente del elemento o carcasa.
Material con el que esta manufacturada la lente.
Accesorios suministrados por el fabricante al adquirirlo.
Accesorios extras u opcionales del dispositivo sensor.
Diagramas de conexión de los elementos al sistema de control.
Esquemas de las dimensiones del sensor.
Características de peso del sensor.
Notificaciones de los cuidados y mantenimientos sobre el sensor.
Graficas de operación o de respuesta de los elementos sensores ante cambios de
iluminación, temperatura, entre otras).
Algunas aplicaciones generales de uso.
Grados de protección según dependencias y normatividades (NEMA, CSA, IEC, CE,
DIN).
Otras particularidades y Notaciones extras a las antes mencionadas respecto al
montaje y cuidados.
Estas características de detallan con mayor claridad sobre las hojas de especificaciones. En
los sensores, algunas de estas propiedades y características no son publicadas mientras
que otras si están en las hojas de datos, según indique el fabricante.
SENSORES COMERCIALES Y HOJAS DE ESPECIFICACIONES
53
Existe una gran variedad de fabricantes y consultores internacionales que diseñan y crean
una diversidad de sensores, algunos de estos están dedicados a solo ciertos tipos ya sea
inductivos, capacitivos, fotoeléctricos, laser, magnéticos, ultrasónicos, entre otros;
mientras que las más grandes empresas dedican sus actividades a toda la gama de
sensores para la industria de automatización y producción.
A continuación se mencionan algunas de las empresas más importantes en desarrollar
sensores de tipo fotoeléctrico y óptico. Además se anexa un respectivo link hacia uno de
los catálogos principales de la empresa, hojas de especificaciones de los sensores tipo
fotoeléctrico y/o lista de accesorios que ofrecen:
a) Rockwell Automation - Allen Bradley
Catalogo general y manual de operarios
Catalogo de sensores fotoeléctricos
b) BALLUFF
Catalogo de sensores fotoeléctricos
Catalogo accesorios
c) OMRON
Catalogo de sensores fotoeléctricos
d) PEPPERL FUCHS – Visolux
Catalogo general de empresa y aplicaciones
Catalogo de sensores fotoeléctricos
e) BANNER-TURCK
Catalogo de sensores fotoeléctricos
f) Schneider Electric (Telemecanique)
53
Catalogo general de sensores
Otros fabricantes son:
g) OPTEX FA
h) DATALOGIC
i) IFM Electronic
j) EMX Industries, inc.
k) Carlo Gavazzi
l) Telco Sensors
m) Di-soric
n) Leuze Electronic
o) Sensor Instruments
p) AECO
q) Rechner Sensors
r) Red Ion
s) Bernstein
t) CEDES
u) DELTA
v) EGE
53
w) Braun
x) Sick, Sensor Intelligence
y) Dinel
z) Eltrotec
aa) Wenglor
bb) Riko
cc) Baumer
Las empresas antes mencionadas pueden ser buscadas en internet o con los respectivos
distribuidores, la página siguiente: http://www.directindustry.es/tab/sensor-
fotoelectricos.html es propiedad del servidor Direct Industry, y este facilita a los
diseñadores de sistemas de control la ubicación de dispositivos sensores. En esta página
uno puede acceder y encontrar las diversas hojas de especificaciones de los dispostivos
sensores según la empresa.
53
DISEÑO DE EXPERIMENTOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES DEL SISTEMA DE MEDIDA
Características estáticas del sistema de medida
A continuación se describen unos breves experimentos que podrían emplearse para la
determinación de las características estáticas del sistema de detección que emplea
elementos fotoeléctricos.
Exactitud y precisión
Un experimento para la determinación de la exactitud y precisión consiste en hacer pasar
un objeto, de tamaño proporcional al haz de luz, de forma transversal o perpendicular al
rayo del sensor a una determinada distancia un gran número de veces; esto con el fin de
saber bajo que distancias y características estadísticas del objeto, el sensor es capaz de
detectarlo sin problemas y con un intervalo de confianza mayor al 95%.
Según la aplicación del sensor se pueden tener los siguientes casos de experimentación:
Si el sensor de desea implementar para la detección de objetos pequeños, marcas,
color y/o códigos (sistemas de detección difusa), determinar primeramente el
tamaño y características de reflexión estándar del objeto a emplear según la
focalización del haz de luz del sensor (si se tienen lentes para mejorar o enfocar el
rango de visión) para después de manera estadística establecer aquellas distancias
mínima y máxima bajo las cuales el sensor es capaz de realizar la detección con
una confiabilidad de al menos el 95% o mayor (se prefiere una confianza muy
cercana al 100% debido a que estos sensores son empleados en sistemas de alta
velocidad de conmutación).
Si el sistema a emplear es necesario para la detección de objetos relativamente
grandes (en comparación al haz de luz emitido) que entran a una zona de
operación o trabajo (es el caso de zonas de seguridad para operarios o aplicaciones
para interpretación de la forma y características de un objeto, sistemas de
detección retroreflectivos y de barrera); determinar de manera estadística, bajo
53
qué condiciones de forma y tamaño es sensor es capaz de realizar la detección sin
problemas con una confianza de al menos un 95%. Aquí implicaran mucho las
características de transparencia del objeto a detectar y la cantidad de luz a
bloquear que sea necesaria para que el sensor entre en operación.
Sensibilidad
El experimento empleado para determinar ésta característica del sensor consiste en
colocar la pieza de características estándar a detectar en una posición cercana al umbral
de conmutación (único cuando el sensor es de sistema difuso y múltiple cuando el
sensado es de tipo barrera o retroreflectivo) de manera de poder determinar bajo que
rango de histéresis de movimiento del objeto (característica normal de estos tipos de
sensores) el sensor pasa de un estado a otro, determinando esta característica de manera
estadística por medio de varias lecturas de desplazamiento.
Linealidad, resolución e histéresis
Debido a que la mayoría de estos sensores trabajan mediante pasos discretos de
detección, un experimento para comprobar la curva de calibración teórica del sensor con
respecto a la real consiste en desplazar la pieza desde la posición mínima de detección
hasta la máxima, realizando ésta actividad un número determinado de veces con el fin de
tener un análisis estadístico y poderlo comparar con el teórico esperado, conociendo las
fronteras reales de conmutación.
La resolución esperada para este tipo de sensores debe ser mínima, pues se espera que al
detectar el objeto se tenga el “todo” en la señal de salida, con una máxima ganancia del
sistema sin pasos intermedios.
Otro de los fines de esta prueba seria el inspeccionado de la continuidad de la curva en el
rango activo de operación, debido a la configuración de la pieza a detectar; esto es, que la
curva de calibración real no presente ruido o discrepancias significantes en su señal.
53
Características dinámicas del sistema de medida
La característica dinámica principal de un sistema de medida por elementos fotoeléctricos
consiste en el grado de velocidad de respuesta del sistema ante la alta frecuencia de
operación o conmutación, tales son debidas sobre todo a los elementos acondicionadores
que son empleados para la amplificación de la señal de las configuraciones fotoeléctricas
(configuraciones de amplificadores operacionales u otros circuitos internos a los mismos).
Teóricamente la velocidad de respuesta de los elementos fotoeléctricos es muy alta
debido a que la señal empleada para su activación es la misma luz, pero en los sensores
reales ésta es restringida por los otros bloques constituyentes del sensor. Además, el
sistema de detección fotoeléctrico puede no tener oscilación alguna de respuesta ante la
luz que lo irradia (sistema de orden cero).
Un experimento que puede ser empleado para
la determinación de la capacidad máxima de
conmutación o de respuesta del sistema, es
hacer pasar el haz de luz del sensor a través de
un disco que gira a una determinada velocidad
angular ω y que cuenta con un número N de
ventanas o marcas que el sensor es capaz de
detectar en comparación del mismo disco; en el
momento que la salida no sea capaz de realizar
la conmutación de alta velocidad, se habrá
llegado al límite o umbral de la frecuencia
máxima de operación del sensor, observe la
figura 56.
Para determinar el tiempo de respuesta del sistema, se determina el inverso de la
frecuencia a la que trabajara el sensor por medio de las siguientes suposiciones.
La velocidad angular de operación del disco está dada por la expresión:
ω=2πf
Imagen 56
53
Despejando la frecuencia se tiene que:
f= ω2π
Donde f representa la velocidad a la que se realiza una revolución el disco, pero por cada
revolución del disco se tienen N elementos detectores es decir que la frecuencia debe de
aumentar de manera proporcional al número N de ventanas o marcas, por lo tanto:
f=Nω2 π
Para determinar la velocidad de conmutación, se invierte la frecuencia con el fin de
obtener el periodo o transcurso de tiempo entre cada ventana, el cual es el tiempo de
conmutación, y cuando se tiene la velocidad limite o máxima de detección se tendrá el
tiempo mínimo de respuesta, tal como:
tiempo derespuesta= 2πNω
53
FUENTES DE INFORMACIÓN CONSULTADAS
Bibliografías:
BOYLESTAD Robert L., NASHELSKY Louis; Electrónica: Teoría de circuitos y
dispositivos electrónicos; Décima edición, Prentice Hall, México 2009. Link
ROCKWELL Automation – Allen Bradley; Fundamentos del sensado o detección de
presencia (manual de capacitación); Rockwell International, publicación enero
2000. Link
Páginas de internet:
http://labellateoria.blogspot.mx/2007/02/la-luz-algo-sobre-su-historia.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n_electromagn%C3%A9tica
http://es.wikipedia.org/wiki/Espectro_electromagn%C3%A9tico
http://www.espectrometria.com/espectro_electromagntico
http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/21/Propiedades%20de%20las%20ondas.html
http://edison.upc.es/curs/llum/luz_vision/luz.html
http://todoproductividad.blogspot.mx/2010/03/sensores-opticos-para-detectar-
pequenos.html
http://todoproductividad.blogspot.mx/2010/06/sensores-laser-en-soldadura-de-
alta.html
53
CONCLUSIONES Y POSIBLES MEJORAS Ó ADAPTACIONES
Los sensores fotoeléctricos poseen algunas de las características más deseables de un
sistema de sensado, alta precisión y elevada rapidez de respuesta, es por ello que se ha
aumentado su uso en las industrias y líneas de producción.
Su elevado uso y aplicación es también debido a que estos sensores se pueden usar en
objetos en los que no importa su naturaleza (metálica y no metálica), su tamaño o su
forma, solo en ciertas aplicaciones importa su color; además que no importan las
condiciones del ambiente.
Algunas de las posibles mejoras que yo podría considerar para estos sensores podría ser la
adición de elementos o indicadores que faciliten su alineación en el momento del
montaje, esto para el caso de sensores infrarrojos (ó ultravioletas), los cuales no visibles
por el ojo humano (aunque es posible que algún fabricante ya tenga implementados estos
elementos).
Otra adaptación que podría considerarse estaría en el uso de multisensores en una sola
unidad, consistirían en la implementación de un conjunto de unidades receptoras con
diferentes características o cualidades de detección (detección del color, consideraciones
de calidad y forma de los objetos, simple detección de presencia, entre otras) con el fin de
emplear un único sensor para ello; esto podría ser posible empleando múltiples filtros de
polarización de las ondas de luz reflejadas desde los objetos y diferentes materiales de
composición en los elementos de los receptores con el fin de detectar señales de
diferentes longitudes de onda.
En caso de ser posible la anterior adaptación, acondicionar estas señales independientes
de manera que puedan ser transportadas en una única línea de conducción de fibra óptica
con el fin de ahorrar material y espacio en los elementos; esto debido a que la fibra óptica
es capaz de transportar un conjunto de señales sin mezclarse ni interrumpirse.
Para que estas mejoras fuesen realizables sería necesario tener un alto conocimiento en
óptica y en comunicaciones de señales para realizar experimentaciones y primeros
modelos útiles.