SENSORES FOTOELÉCTRICOS ESPECIALES PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO.

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1 SENSORES FOTOELÉCTRICOS ESPECIALES PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO. El objetivo de esta sección es conocer que son los sensores Fotoeléctricos Especiales y cuál es su principio de funcionamiento.

2 PROCESO Veremos algunos fenómenos físicos que se aplican en el funcionamiento, y que nos ayudarán a comprender cómo se comporta un sensor cuando se lo debe aplicar como solución en la detección. Hablaremos entonces de Luz Emitida e Intensidad Recibida. A partir de estos fenómenos, visualizaremos las partes que componen un sensor fotoeléctrico, y analizaremos su funcionamiento en cada tipo de formato. BENEFICIO Al término de esta sección, el alumno podrá: Ser capaz de describir los principios de funcionamiento de sensores fotoeléctricos especiales. Desarrollar un criterio de selección y reemplazo de sensores y sus accesorios. Ser capaz de identificar aplicaciones en industrias típicas. NOMENCLATURA UTILIZADA En este documento utilizaremos esta orientación para determinar los conceptos centrales y la ampliación de los principios físicos: Explicaciones de los conceptos básicos para comprender el funcionamiento y uso de la tecnología. Se amplían los conceptos centrales con los principios de físicos que ayudan en la comprensión del comportamiento del sensor. 2

3 SENSORES FOTOELÉCTRICOS ESPECIALES Todos los sensores fotoeléctricos emiten y reciben luz, y según el nivel de luz recibida, activan o no su salida. Los SENSORES FOTOELÉCTRICOS ESPECIALES son sensores que presentan variantes de ubicación de emisor y receptor, de manera sacar ventajas de fenómenos físicos que presenta la luz al interactuar con los objetos, en aplicaciones más complejas. TIPOS DE SENSORES ESPECIALES Los sensores fotoeléctricos permiten una gran variedad de formas de las cuales se puede emitir y recibir luz. En el presente material encontraremos varias de estas tecnologías que permiten resolver aplicaciones más complejas en la industria. Trabajaremos entonces sobre: Sensores de Fibra Óptica Sensores Laser Sensores de Supresión de Fondo y Frente (BGS y FGS) Sensores Convergentes Detectores de marcas de color Sensores de color RGB 3

4 SENSORES DE FIBRA ÓPTICA Las fibras ópticas se han estado utilizando en la industria desde hace muchos años pues permiten trabajar en ambientes estrechos o peligrosos. QUÉ ES UNA FIBRA ÓPTICA? Una fibra óptica es una fibra de vidrio o plástico que fibra que lleva la luz a lo largo de toda su extensión. La fuente de luz (LED) transmite el haz de luz por el cable de fibra óptica que refleja repetidamente la luz en la frontera entre el núcleo de la fibra y la vaina. Cuando la luz llega al extremo de la fibra la luz se dispersa. La fibra puede ir curvándose, permitiendo que la luz vaya rebotando en su interior. USOS DE FIBRAS ÓPTICAS Las fibra ópticas se dividen en dos tipos, barrera y difusas (aunque hay algunas retro-reflectivas). El principio de funcionamiento es el mismo que para los sensores standard. BARRERA Para detección de objetos muy precisos o pequeños. 4

5 DIFUSA Para detección desde un mismo lado. TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS Hay varios tipos de construcción de fibras: Fibra Standard, Coaxial y Multi-fibra STANDARD Usada en la mayoría de las aplicaciones, son generalmente de plástico 0,5 a 1 mm de diámetro y cubierto de una funda protectora de plástico. También se fabrican en VIDRIO para resistir ALTAS TEMPERATURAS. COAXIAL Da una mayor precision. La luz emitida va por el núcleo, y la recepción se hace por las fibras externas, por lo que un objeto puede pasar frente a la fibra en cualquier dirección y ser detectado SIEMPRE de la misma forma. MULTI-FIBRA Consiste en un gran número de fibras delgadas, que permiten un cable más flexible. Por ejemplo, para montaje sobre piezas en movimiento. 5

6 AMPLIFICADORES DE FIBRAS ÓPTICAS El amplificador tiene el emisor y el receptor de luz. Puede colocarse de forma remota en un gabinete, completamente aislado y el cable puede extenderse al entorno con poco espacio o peligroso. Tienen múltiples funcionalidades, tales como Aprendizaje (TEACH) o salidas análogas, que permiten realizar un control muy sofisticado. APLICACIONES DE FIBRAS ÓPTICAS En general se utilizan en aplicaciones con necesidad de precisión o poco espacio. Detección de elementos muy pequeños Posicionamiento preciso Detección de marcas de color Discriminación por diferencia de altura Conteo de envases transparentes pequeños (ampollas) 6

7 Utilizados para grandes distancias y detección precisa. SENSORES LASER Este tipo de sensores tienen un emisor LED de luz laser, de gran intensidad y haz estrecho. VENTAJA 1 Estos sensores permiten mayor distancia de sensado pués el LED laser es de gran intensidad. Pueden lograrse hasta 10 veces más distancia que en un sensor standard del mismo tamaño. 7

8 VENTAJA 2 Estos sensores tienen un haz muy estrecho, lo que les permite detectar objetos más pequeños y con mayor precisión. Cuando se utiliza estándar un sensor estándar, con un haz más grande, los objetos pequeños nos llegan a interrumpir el haz de luz lo suficiente como para que la intensidad baje del umbral. En este caso, la salida se mantendrá activa (por ej para modo LIGHT ON), aún en presencia del objeto. En cambio cuando se utiliza un sensor de tipo laser, en haz estrecho es fácilmente interrumpido por un objeto, permitiendo que el sensor detecte con mayor precisión objetos más pequeños. 8

9 SENSORES CON SUPRESIÓN DE FONDO (BGS) Y FRENTE (FGS) Para detección de objetos sin interferencia del ambiente. Cuando se utilizan sensores de tipo DIFUSO para detectar objetos OSCUROS sobre FONDOS CLAROS, como responden tan solo a la cantidad de luz reflejada, tienen la enorme desventaja de ser fácilmente confundidos. SENSORES DIFUSOS: DETECCIÓN ERRÓNEA Cuando se acerca un objeto oscuro, la intensidad de luz reflejada que llega al detector no llega a superar el umbral, y la salida permanece inactiva. Cuando el objeto se retira, el fondo claro refleja más luz que el objeto, haciendo que el detector reciba una intensidad superior al umbral, lo que activa la salida. 9

10 Los Sensores de Supresión de Fondo (o BGS por sus siglas de Background Supression) y de Frente (o FGS por sus siglas de Foreground Supression) iluminan el objeto a detectar, y el reflejo es detectado por 2 receptores, llamados F (FAR: LEJOS) y N (NEAR: CERCA). De esa forma, se puede determinar la diferencia de ángulos hacia y desde el objeto. SENSORES CON SUPRESIÓN DE FONDO (BGS) Veremos a continuación el comportamiento de un sensor con supresión de fondo. Cuando el objeto no está presente, la luz del fondo refleja sobre el detector F (FAR: LEJOS). Por lo tanto la salida se mantiene INACTIVA. Cuando el objeto se acerca una distancia mayor que la deseada, la luz reflejada sigue iluminando el detector F (FAR: LEJOS). Como el caso anterior, la salida aún se mantiene INACTIVA. 10

11 Cuando el objeto se acerca lo suficiente, la luz reflejada comienza iluminar el detector N (NEAR: CERCA). La intensidad sobre ese detector aumenta, supera el valor del umbral, y la salida se ACTIVA. SENSORES CON SUPRESIÓN DE FRENTE (FGS) Los sensores con supresión de fondo tienen problemas con la detección de objetos irregulares. Por eso existen los sensores con supresión de frente. Veremos a continuación su comportamiento. Cuando el objeto no está presente, la luz del fondo refleja sobre el detector F (FAR: LEJOS). Por lo tanto la salida se mantiene ACTIVA. 11

12 Cuando el objeto presente pero aún no está lo suficientemente cerca, la luz del fondo refleja sobre el detector F (FAR: LEJOS). Por lo tanto la salida se mantiene ACTIVA. Cuando el objeto se acerca lo suficiente, la luz reflejada comienza iluminar el detector N (NEAR: CERCA). La intensidad sobre ese detector aumenta, supera el valor del umbral, y la salida queda INACTIVA. 12

13 APLICACIONES DE SENSORES BGS Y FGS Los sensores BGS y FGS son más confiables que los difusos en aplicaciones tales como: Objetos oscuros con fondo claro Pequeñas diferencias de altura Detección de objetos, sin importar el color INFLUENCIA DEL COLOR EN SENSORES BGS Y FGS DISTANCIA DE SENSADO Los sensores convergentes, de BGS y FGS, no son afectados por el color del objeto. COLOR DEL MATERIAL 13

14 SENSORES CONVERGENTES Estos sensores reciben la luz reflejada desde el objeto para detectarlo, y permiten el movimiento de la óptica del sensor. Así, el emisor y el receptor se ajustan para recibir la luz reflejada de modo que sólo cuando los objetos estén a una distancia específica y dentro de un área de detección podrán ser detectados. Mientras el objeto esté fuera del área de detección (indicada en VERDE) la luz emitida no se reflejará hacia el receptor. La intensidad sobre el detector es baja, no supera el valor del umbral, y la salida queda INACTIVA. En este caso el objeto está frente al sensor, pero como aún permanece fuera del área de detección la luz emitida no se reflejará hacia el receptor. La intensidad sobre el detector es baja, no supera el valor del umbral, y la salida queda INACTIVA. 14

15 Finalmente, cuando el objeto ingresa en el área de detección la luz emitida se reflejará hacia el receptor. La intensidad sobre el detector aumenta por encima del valor del umbral, y la salida se ACTIVA. SENSORES DE MARCAS DE COLOR Estos sensores hacen uso de un fenómeno de la luz por el cual los cambios de color y las marcas sobre una superficie producen una DISPERSIÓN de la luz. Son sensores difusos con un PUNTO FOCAL FIJO, y trabajan por CONTRASTE. Cuando la superficie está libre de marcas y cambios de color, la luz se refleja en el mismo sentido en que es emitida. La intensidad sobre el receptor está por debajo del valor del umbral, y la salida permanece INACTIVA. 15

16 Cuando la superficie presenta una marca o un cambio de color, la luz se refleja TAMBIÉN hacia el receptor. La intensidad sobre el receptor aumenta por encima del valor del umbral, y la salida se ACTIVA. SENSORES DE COLOR RGB Estos sensores no trabajan por contraste, si no como una cámara RGB. Los colores son descompuestos en sus componentes básicos, ROJO ( R ), VERDE ( G ) y AZUL ( B ). Y memorizados en el sensor. Para eso, el objeto a ser analizado se iluminado con los 3 colores de luces. El objeto sensado ABSORBE más la luz de su propio color, y refleja el resto hacia el receptor. 16

17 Diferentes respuestas según el color: BLANCO CIAN MAGENTA AMARILLO AZUL VERDE ROJO APLICACIONES DE SENSORES DE COLOR RGB APLICACIÓN 1 APLICACIÓN 2 APLICACIÓN 3 APLICACIÓN 4 Control de calidad Clasificación de productos por color Detección de marcas con contrastes complejos Detección de marcas con discriminación de múltiples colores 17

18 Ante cada aplicación es recomendable hacer el ejercicio de repasar los distintos parámetros que se especifican para un sensor: DISTANCIA DE SENSADO Distancia del sensor al objeto mts/mm TIPO DE DETECCIÓN Presencia/Ausencia Medición TIPO DE APLICACIÓN Presencia Detección de Color TAMAÑO DEL OBJETO Diámetro Alto x Ancho MATERIAL DEL OBJETO Opaco Brillante Mate Translúcido Transparente TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN Contínua VDC Alterna VAC TIPO DE SALIDA Transistor NPN PNP 2 Hilos DC AC TIPO DE OPERACIÓN NA NC NA+NC REQUERIMIENTOS DE CARGA miliamperes Corriente de Pérdida Caída de tensión PROTECCIÓN DE CIRCUITOS Cortocircuitos Inversión de polaridad FORMATO DEL SENSOR Cilíndrico M18 Rectangular Fibra Miniatura Herradura Largo alcance MOVIMIENTO DEL OBJETO Cómo se acerca el objeto al área de sensado? Atravesando el área del sensor Hacia el sensor CONEXIONES ELÉCTRICAS Precableado Conector para servicio rápido Agujero de conexión eléctrica TIEMPO DE RESPUESTA Operaciones por seg INTERFERENCIA MUTUA Hay otros sensores en la cercanía? Si No Distancia al otro sensor REQUERIMIENTOS DE MONTAJE Tipo de soporte requerido Espacio para montar el sensor TEMPERATURA AMBIENTE Temp AMBIENTE Está el ambiente sucio con: Polvo Aceite Condensación/Humedad Grado Protección IP 18

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