Sensores de proximidad:revisión de las diferentes tecnologías

Descubra cómo se comparan cuatro tipos diferentes de tecnologías de sensores de proximidad:sensores ultrasónicos, fotoeléctricos, de telémetro láser y sensores inductivos.

Utilizado más comúnmente como un método sin contacto para proporcionar detección de objetos simple o medición precisa de la distancia a un objeto, ahora hay muchas tecnologías que caen bajo la jerarquía de sensores de proximidad, cada una de las cuales ofrece diferentes principios operativos, fortalezas e inconvenientes.

Sin embargo, con tanta variedad de opciones disponibles, ¿cómo elige un ingeniero la tecnología que mejor se adapta a su diseño?

Para ayudar a los diseñadores en este proceso, este artículo discutirá cuatro de las tecnologías de sensores de proximidad más populares que encajarían de manera realista en sistemas integrados portátiles o pequeños fijos y son adecuados para rangos moderados de detección desde unas pocas pulgadas hasta decenas de pies:

• Ultrasónico
• Fotoeléctrico
• Telémetro láser
• Sensores inductivos

Los sensores capacitivos y de efecto Hall son otras dos tecnologías populares de sensores de proximidad que no se considerarán aquí debido a su uso típicamente limitado en escenarios de detección de rango muy cercano.

Antes de profundizar en cada una de las cuatro tecnologías destacadas anteriormente, es importante tener en cuenta que ninguna tecnología de sensor de proximidad ofrecerá una solución única para todas las aplicaciones y usos previstos. Hay muchos factores a considerar al seleccionar una tecnología de sensor de proximidad, como el costo, el rango de detección, el tamaño del paquete, la frecuencia de actualización y el efecto de los materiales.

Comprender dónde se ubica cada tecnología en el espectro de estos diferentes factores y cuáles son los más cruciales para la aplicación final será clave para hacer la selección correcta.

Tecnología ultrasónica

Los sensores ultrasónicos generan pulsos ultrasónicos de sonido y miden el tiempo que tarda ese pulso en rebotar en un objeto y regresar. Pueden utilizarse para calcular la distancia a dicho objeto o simplemente detectar su presencia.

Una implementación de sensor ultrasónico puede usar módulos de transmisor y receptor individuales, en los que el transmisor emite un chirrido y el receptor lo detecta, o las funciones de transmisión y recepción se pueden combinar en un solo módulo conocido como transceptor ultrasónico. En implementaciones donde se utilizan módulos de transmisor y receptor separados, generalmente se colocan lo más cerca posible para lograr la mayor precisión.

Figura 1. Implementación general de tecnología ultrasónica

Debido a su diseño simple, los sensores ultrasónicos son una opción de bajo costo con una serie de ventajas que los hacen muy adecuados para una amplia gama de aplicaciones. Capaces de enviar cientos de pulsos por segundo, los sensores ultrasónicos son precisos con una alta frecuencia de actualización.

Debido a que los sensores ultrasónicos se basan en el sonido en lugar de en ondas electromagnéticas, el color y la transparencia de los objetos, así como el funcionamiento en entornos claros u oscuros, no tienen ningún impacto en la precisión o el funcionamiento. Además, a medida que las ondas sonoras se propagan con el tiempo, su área de detección aumenta, lo que puede ser una fortaleza o una debilidad según las necesidades del diseño.

Aunque el sonido no se ve afectado por la luz ni la oscuridad, la velocidad del sonido se ve afectada por los cambios en la temperatura del aire. Cualquier cambio dramático en esta temperatura puede afectar en gran medida la precisión de los sensores ultrasónicos. Esto se puede compensar midiendo la temperatura para actualizar los cálculos, pero esto sigue siendo una limitación de la tecnología.

Estas ondas de sonido también pueden estar limitadas por materiales blandos o absorbentes que no permiten que el sonido rebote de manera tan eficiente. Por último, los sensores ultrasónicos no están diseñados para uso bajo el agua y su dependencia de las ondas sonoras significa que no son funcionales en el vacío donde no hay un medio para la transmisión del sonido. El blog de CUI Devices, The Basics of Ultrasonic Sensors, cubre esta tecnología con más detalle.

Tecnología fotoeléctrica

Más eficaces para la detección de presencia o ausencia, los sensores fotoeléctricos son comúnmente reconocidos por su uso en sensores de puertas de garaje o conteo de ocupantes en tiendas, entre otras aplicaciones industriales, residenciales y comerciales. Sin partes móviles, los sensores fotoeléctricos generalmente tienen ciclos de vida de producto largos. Son capaces de detectar la mayoría de los materiales, pero los objetos transparentes o el agua pueden provocar problemas.

Ofrecen varias implementaciones diferentes:barrera, retrorreflectante y difuso-reflectante.

La implementación de la barrera de luz (Figura 2) es lo que uno podría reconocer como el sensor de la puerta del garaje mencionado anteriormente con un transmisor y un receptor colocados uno frente al otro. Cualquier ruptura en el haz entre estos dos puntos indica al sensor la presencia de un objeto.

Figura 2. Implementación de barrera

El retrorreflector (Figura 3) coloca el transmisor y el receptor uno al lado del otro con un retrorreflector colocado enfrente que refleja el haz del transmisor al receptor.

Figura 3. Implementación retrorreflectante

El reflector difuso (Figura 4) funciona de manera similar al retrorreflectante, pero en lugar de hacer rebotar los rayos en un reflector, hace que el haz rebote en cualquier objeto cercano, al igual que los sensores ultrasónicos. Sin embargo, esta implementación no tiene la capacidad de calcular la distancia.

Figura 4. Implementación de reflexión difusa

Las diferentes implementaciones también tienen sus ventajas, ya que el haz de barrera y el retrorreflectante ofrecen rangos de detección largos y tiempos de respuesta rápidos, mientras que el reflectante difuso es bueno para detectar objetos pequeños. Los sensores fotoeléctricos también son una solución robusta que se encuentra comúnmente en entornos industriales siempre que la lente permanezca libre de contaminantes. Dicho esto, el cálculo de la distancia es una capacidad prácticamente inexistente de los sensores fotoeléctricos y el color del objeto, así como la reflectividad, pueden causar problemas.

Las diversas implementaciones fotoeléctricas también requieren un montaje y una alineación cuidadosos, lo que puede generar desafíos adicionales en sistemas complejos.

Tecnología de telémetro láser

Utilizando rayos electromagnéticos en lugar de ondas de sonido, los sensores de telémetro láser funcionan con principios similares a los de los sensores ultrasónicos. Si bien esta tecnología se ha vuelto más viable económicamente en los últimos años, sigue siendo una opción mucho más cara en comparación con las tecnologías ultrasónicas y otras.

La tecnología de telémetro láser tiene un rango de detección extremadamente largo de cientos o miles de pies, junto con tiempos de respuesta rápidos. Debido a que la velocidad de la luz es mucho más rápida que la velocidad del sonido, las mediciones del tiempo de vuelo pueden ser un desafío para los sensores de telémetro láser. Aquí es donde se pueden utilizar implementaciones como la interferometría para reducir los costos y mejorar la precisión.

Figura 5. Configuración típica de interferometría de telémetro láser

Como se mencionó anteriormente, la detección de rango láser es, con mucho, la tecnología más costosa que se analiza en este artículo, lo que la hace menos factible para la lista de materiales de muchos ingenieros. Los láseres utilizados en esta tecnología de sensor también consumen mucha energía, lo que limita su uso en aplicaciones portátiles y, al mismo tiempo, expone a los usuarios a posibles riesgos para la seguridad ocular.

Dependiendo de la aplicación prevista, el área de detección relativamente enfocada de un láser y la falta de dispersión podrían verse como una ventaja o limitación. Los telémetros láser tampoco funcionan bien cuando se trata de agua o vidrio.

Tecnología inductiva

Aunque se basan en un principio operativo más antiguo, los sensores inductivos han ganado recientemente un uso más generalizado. Sin embargo, a diferencia de las otras tres tecnologías analizadas hasta ahora, la tecnología inductiva solo es adecuada para objetos metálicos.

Los sensores inductivos funcionan detectando cambios en su campo magnético cuando los objetos metálicos entran dentro de su rango de detección. Este es el principio operativo básico de cualquier detector de metales.

Figura 6. Los sensores inductivos se utilizan para detectar objetos metálicos

Fuera del detector de metales común, los sensores inductivos tienen un amplio rango de detección típicamente en el ámbito de milímetros a metros. Esto podría incluir aplicaciones de corto alcance, como contar las rotaciones de engranajes o implementaciones de mayor alcance, como la detección de vehículos en las carreteras.

Funcionan mejor con materiales ferrosos (es decir, hierro y acero), pero aún pueden detectar objetos no magnéticos con un rango de detección reducido. Los sensores inductivos también cuentan con frecuencias de actualización extremadamente rápidas, operación simple y flexibilidad en términos de su rango de detección. Sin embargo, en última instancia, están limitados por lo que pueden sentir y son propensos a la interferencia de una variedad de fuentes.

Conclusión

Hay muchos factores a considerar cuando se trata de seleccionar una tecnología de sensor de proximidad. Comprender los beneficios y las compensaciones de las diferentes tecnologías discutidas en este artículo puede facilitar este proceso de selección.

Tabla 1. Comparación matricial de los sensores de proximidad cubiertos por costo, alcance, tamaño, frecuencia de actualización y efecto del material.

Aunque cada tecnología tiene sus usos más apropiados, los sensores ultrasónicos suelen ser una buena opción en general debido a su bajo costo, su capacidad para detectar tanto la presencia como la distancia y, por lo general, una implementación sencilla. Esta es la razón por la que los sensores ultrasónicos se encuentran en una amplia gama de diseños mientras continúan encontrando nuevos usos y aplicaciones.

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