- M18 Cube: La carcasa de ifm que ahorra espacio
- Tecnología de sensores fotoeléctricos
Introducción a los sensores fotoeléctricos
Todos los sensores ópticos tienen los mismos componentes básicos:
- Carcasas: diferentes formas, tamaños y materiales de construcción.
- Elemento básico de detección: varía según la tecnología, pero siempre incluye un sistema con lente.
- Sistema electrónico: evalúa lo que detecta el sensor.
- Conexión eléctrica: alimentación de tensión y de señal.
Para aprovechar al máximo los sensores fotoeléctricos, conviene comprender el espectro de radiación electromagnética. Los sensores fotoeléctricos de ifm operan en el rango de frecuencia visible (principalmente rojo) e infrarrojo.
| Luz roja visible | |
|---|---|
| Es el mejor tipo de luz "actualmente disponible" y se recomienda para la mayoría de las aplicaciones. La mayoría de los sensores de ifm utilizan luz roja visible. | |
| Ventaja | Inconveniente |
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Fácil de detectar en alcances cortos, facilita la puesta en marcha |
En alcances largos, depende del color |
| Luz infrarroja | |
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| Ventajas | Inconveniente |
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Independiente del color en la mayoría de alcances Buena elección para entornos sucios; tiene la capacidad de penetrar a través del polvo, la niebla, el vapor, etc. |
Invisible para el ojo humano, lo que dificulta su instalación |
| Luz láser | |
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| Ventajas | Inconvenientes |
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Capacidad para detectar objetos pequeños a grandes distancias Diminuto punto luminoso que permite puntos de conmutación exactos Haz de luz visible de color rojo brillante que se puede utilizar como ayuda para la instalación |
Los LED de láser son generalmente más caros que los LED estándar visibles con luz roja o luz infrarroja |
Términos
Luz modulada: La luz transmitida por el emisor es pulsada a una frecuencia única para cada familia de sensores. El receptor está configurado para detectar la luz modulada a esta frecuencia e ignorar la luz ambiental de otras fuentes.
Frecuencia de conmutación: Velocidad máxima a la que un sensor emite impulsos individuales cuando el objeto entra y sale de la zona de detección. En pocas palabras, indica la velocidad a la que el sensor se enciende y apaga al pasar por un objeto.
Contraste: La diferencia de color y brillo entre dos objetos. El blanco es el más fácil y el negro, el más difícil de detectar.
Punto luminoso: El diámetro de la luz transmitida a una distancia determinada. Esta medida se indica generalmente en las hojas de datos con el alcance máximo y es una función del ángulo de apertura del emisor.
Haz de acción: El área del haz de luz que debe ser interrumpido completamente para que conmute la salida del sensor. Los sensores que conmutan cuando se interrumpe el haz de luz (es decir, a través de barreras fotoeléctricas unidireccionales y sistemas réflex polarizados) tienen haces de acción, mientras que los sensores que permiten que la luz se refleje directamente del objeto (es decir, sistema de reflexión directa) no tienen haces de acción.
Modo luz: La salida cambia de estado en cuanto el receptor detecta la luz.
Modo oscuridad: La salida cambia de estado en cuanto el receptor no detecta luz.
Capacidad de reserva: La relación entre la energía luminosa recibida por el sensor y la energía luminosa necesaria para cambiar el estado de salida. Se necesita al menos el valor de funcionamiento 1 para conmutar la salida. Todo lo que supere este límite se considera una reserva operativa y se utiliza para determinar el funcionamiento correcto del sensor en áreas contaminadas.
| Capacidad de reserva máxima necesaria | Entorno operativo |
|---|---|
| 1.5X | Aire limpio: Sin acumulación de suciedad en lentes o reflectores: |
| 5X | Ligera suciedad: Ligera acumulación de polvo, suciedad, aceite, humedad, etc. en lentes y reflectores. Las lentes se limpian regularmente. |
| 10X | Suciedad moderada: Ensuciamiento evidente de lentes y reflectores, pero sin que llegue a taparlos. Las lentes se limpian ocasionalmente o según sea necesario. |
| 50X | Mucha suciedad: Fuerte ensuciamiento de las lentes. Espeso velo o nebulización, o gruesa capa de polvo, humo o aceite, y una mínima limpieza de las lentes. |
Barreras fotoeléctricas
También conocidas como par fotoeléctrico unidireccional. El emisor y el receptor están alojados en carcasas separadas y montados uno frente al otro. La luz se transmite desde la lente del emisor y es recibida por la lente del receptor.
La salida conmuta su estado en cuanto el objeto interrumpe el haz de luz y el receptor no recibe luz. Mientras que el objeto sea lo suficientemente grande y denso como para interrumpir el haz de acción, la aplicación no se verá afectada por el color, la forma, el ángulo, el reflejo y el acabado de la superficie. Esto los hace más fiables que los sistemas de reflexión directa, los cuales dependen de la reflexión de la luz del objeto.
| Ventajas | Inconvenientes |
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El haz de acción tiene un diámetro uniforme aproximadamente igual al diámetro de las lentes del emisor y del receptor. Mientras el objeto sea al menos tan grande como el haz de acción, la salida conmuta en cuanto el objeto interrumpa el haz.
Salidas para un par fotoeléctrico unidireccional:
- Las salidas para el modo luz se activan cuando el objeto no esté presente.
- Las salidas para el modo oscuridad se activan cuando el objeto está presente.
Consideraciones para el montaje
Al instalar varios pares de barreras fotoeléctricas unidireccionales, asegúrese de que los sensores de los otros receptores no se vean afectados por el haz de luz transmitido. Una solución simple consiste en reemplazar los emisores y receptores tal y como se muestra.
Un objeto altamente reflectante que se mueve a través de un haz puede reflejar la luz en otro receptor no relacionado, causando una señal falsa. Una solución sencilla es colocar las barreras entre los sensores para bloquear todas las reflexiones dispersas.
Debido a que la luz solar tiene las mismas longitudes de onda que los emisores fotoeléctricos, los receptores a menudo pueden verse afectados por una luz ambiental muy brillante. Esto puede observarse normalmente cuando se utilizan sensores fotoeléctricos en sistemas domésticos de apertura de puertas (por ejemplo, en garajes), donde, con un ángulo de incidencia determinado, los rayos solares interfieren con el funcionamiento de la puerta. Este problema se puede resolver ajustando el ángulo de los sensores, añadiendo una barrera o sustituyendo el emisor y el receptor.
Sistemas réflex polarizados
El emisor y el receptor están alojados en la misma carcasa y montados frente a un reflector. La luz es emitida por la lente del emisor, rebota en el reflector y se refleja de vuelta a la lente del reflector.
Al igual que en las barreras fotoeléctricas unidireccionales, la salida conmuta de estado en cuanto el objeto interrumpe el haz de luz y el receptor no recibe luz. Mientras el objeto sea lo suficientemente grande y denso como para interrumpir el haz de acción, la aplicación no se verá afectada por el color, la forma, el ángulo, la reflexión o el acabado de la superficie. Esto los hace más fiables que los sistemas de reflexión directa, los cuales dependen de la reflexión de la luz del objeto.
| Ventajas | Inconvenientes |
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El haz de acción de los sistemas réflex polarizados es cónico. En la proximidad del sensor, el haz tiene aproximadamente el tamaño de una lente del emisor. Cerca de un reflector, tiene el tamaño del reflector. Esto significa que se pueden detectar objetos más pequeños si están cerca del sensor, pero no necesariamente cerca del receptor.
Salidas para sistemas réflex polarizados:
- Las salidas para el modo luz se activan cuando el objeto no esté presente.
- Las salidas para el modo oscuridad se activan cuando el objeto está presente.
Para los sistemas réflex polarizados se necesitan reflectores prismáticos. Debido a su diseño, estos reflectores giran el haz de luz entrante 90 grados. Los sensores están equipados con filtros polarizadores por encima de las lentes para que las ondas de luz solo se muevan en un sentido. El reflector rota las ondas de luz para que coincidan con la orientación del filtro en el receptor.
Los objetos brillantes pueden reflejar la luz de alta intensidad en el sensor pero, debido a que la luz no está alineada correctamente, no causan una señal falsa.
Sistema de reflexión directa
El emisor y el receptor están alojados en la misma carcasa del sistema de reflexión directa. La luz transmitida se refleja del objeto al reflector y es evaluada por el receptor. Las propiedades del objeto y del fondo tras el objeto deben considerarse cuidadosamente a la hora de seleccionar la solución correcta para una aplicación. Los sistemas de reflexión directa tienen una capacidad de reserva mucho menor que los pares fotoeléctricos unidireccionales, pero suelen tener una capacidad de reserva mayor que los sistemas réflex polarizados.
Los sistemas de reflexión directa tienen una sensibilidad muy alta. El 2% de la energía luminosa transmitida y reflejada por el objeto es suficiente para conmutar la salida.
| Ventajas | Inconvenientes |
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Influencias de objetos:
Los objetos más grandes reflejan más luz, lo que resulta en un mayor alcance.
Los sensores con luz roja visible pueden detectar colores más brillantes con un alcance mayor que los colores más oscuros. El color del objeto tiene un efecto mucho menor en los sensores infrarrojos. Las superficies brillantes se pueden detectar con un mayor alcance que las superficies mates.
Las superficies lisas tienen mejor reflectividad que las superficies rugosas. Por ejemplo, un objeto de plástico liso y azul refleja más luz que un objeto de terciopelo azul.
Los objetos planos perpendiculares al sensor reflejan más luz que los objetos planos en ángulo. Además, los objetos no planos tienden a desviar la luz lejos del sensor, lo que resulta en una pérdida de energía y un alcance más corto.
Interferencias por el fondo
Un sistema de reflexión directa detecta toda la luz reflejada al receptor, independientemente de la fuente de luz. La luz reflejada del fondo parece ser la misma que la luz reflejada del objeto. Esto genera mayores interferencias cuando el fondo refleja más que el objeto, y cuando el objeto y el fondo están muy juntos.
Para reducir la detección de fondo:
- El fondo debe estar provisto de una capa de pintura oscura y uniforme.
- El ángulo del sensor con respecto al fondo debe cambiarse.
- Debe reducirse la sensibilidad del sensor para "ocultar" el fondo.
- Debe emplearse un sistema de reflexión directa con función de supresión de fondo.
Sensores con supresión de fondo
Estos sensores son sistemas de reflexión directa especialmente diseñados para evitar una activación falsa debido al fondo detrás del objeto. Los fondos se pueden ocultar con diferentes tecnologías como, por ejemplo: alcance fijo, principio de triangulación, matriz de diodos o PMD time of flight.
| Ventajas | Inconvenientes |
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Alcance fijo
La posición de las lentes del emisor y del receptor es en ángulo y forma una zona de detección. En el caso de objetos dentro de la zona de detección, la luz se refleja en la lente del receptor y se detecta. Los objetos fuera de la zona de detección (demasiado cerca o demasiado lejos) no tienen la geometría adecuada para reflejar la luz al receptor. Este método se utiliza generalmente para distancias de escaneado cortas y no se puede ajustar.
Método de triangulación
Esta tecnología utiliza dos receptores para la supresión de fondo. Utilizando un potenciómetro para fines de ajuste, se posiciona mecánicamente un espejo para determinar el punto en el que un receptor detecta el objeto y el otro receptor, el fondo. A continuación, el sensor se coloca a medio camino entre esos dos puntos. El sensor mide el ángulo de la luz recibida para determinar si la luz es reflejada por el objeto o el fondo.
Matriz de diodos
Este método es similar al principio de triangulación, excepto que los receptores conforman una matriz de 63 diodos. Los receptores adicionales permiten una supresión de fondo exacta (es decir, el objeto y el fondo pueden estar muy cerca uno del otro). Los sensores con matriz de diodos están equipados con un microprocesador y se programan electrónicamente con solo pulsar un botón.
Tecnología PMD Time of Flight
El PMD (Photonic Mixer Device) determina la distancia entre el sensor y el objeto (así como entre el sensor y el fondo) midiendo el tiempo que tarda la luz en viajar del sensor al objeto y viceversa.
Un diodo láser genera un rayo láser modulado. La luz reflejada del objeto es dirigida a través de una lente a un chip fotosensible (PMD Smart Pixel). El chip compara las ondas de luz entrantes y determina así la distancia del objeto.
Las ondas de luz se propagan desde la fuente de luz láser. En cuanto el objeto refleje luz, el patrón de fase se desplaza de forma directamente proporcional a la distancia.
La tecnología propia del usuario ofrece:
- Detección robusta de pequeños objetos reflectantes.
- Rápida instalación gracias a la independencia de color y ángulo.
- Distancias medidas por IO-Link.
Esta tecnología es utilizada por todos los sensores de distancia ODG, O1D, O5D y OID de ifm.