Consideraciones de diseño al seleccionar una tecnología de sensor de proximidad

Existen varias tecnologías de sensores de proximidad líderes; cada una con normas de funcionamiento muy diferentes y puntos fuertes distintos a la hora de determinar la detección, la distancia o la proximidad. En este artículo se describen cuatro de las posibles opciones de sistemas empotrados compactos y fijos, así como sus principios básicos de funcionamiento, para ayudar a los ingenieros a determinar cuál elegir en función de sus requisitos de diseño.

Los sensores de proximidad proporcionan un método preciso para detectar la presencia y la distancia de un objeto sin tener ningún contacto físico. El sensor emite un campo electromagnético, una luz o una onda sonora ultrasónica que se refleja o atraviesa un objeto y vuelve al sensor. Una ventaja significativa que tienen los sensores de proximidad sobre los interruptores de límite convencionales es que son más duraderos y pueden durar más tiempo, ya que no hay piezas mecánicas.

A la hora de revisar la tecnología de sensores de proximidad ideal para una aplicación concreta, hay que tener en cuenta el costo, el alcance, el tamaño, la frecuencia de actualización o la latencia y el efecto del material, y situarlos en el contexto de lo que es más importante para el diseño.

Ultrasónico

Como su nombre indica, los sensores de proximidad ultrasónicos emiten un pulso de sonido ultrasónico, llamado "chirrido", para detectar la presencia de un objeto, y también pueden utilizarse para calcular la distancia al objeto. Constan de un transmisor y un receptor, y su función se basa en los principios de la ecolocalización (Figura 1).

Figura 1: Funcionamiento de un sensor ultrasónico. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Al medir el tiempo que tarda el chirp en reflejarse en una superficie y volver, lo que suele denominarse "tiempo de vuelo" (ToF), el sensor puede determinar la distancia a la que se encuentra el objeto. Normalmente, el transmisor y el receptor están cerca uno del otro, pero la utilización de la ecolocalización seguirá funcionando cuando el transmisor y el receptor estén separados. En algunos casos, las funciones de transmisión y recepción se combinan en un solo paquete; estos dispositivos se conocen como transceptores ultrasónicos.

Al utilizar el sonido, en lugar de las ondas electromagnéticas, las lecturas del sensor ultrasónico no se ven afectadas por el color y la transparencia de un objeto. También tienen la ventaja añadida de no producir luz, lo que las hace ideales para entornos oscuros o incluso muy iluminados. Las ondas sonoras se propagan en el tiempo y la distancia, como una onda en el agua, y esta ampliación del área de detección, o campo de visión (FoV), puede considerarse un punto fuerte o un punto débil según la aplicación. Sin embargo, con un buen nivel de precisión, una frecuencia de actualización bastante alta y la posibilidad de transmitir cientos de chirridos por segundo, los sensores de proximidad ultrasónicos pueden ofrecer una solución rentable, versátil y segura.

Un inconveniente fundamental de los sensores ultrasónicos es que los cambios de temperatura del aire afectan a la velocidad de la onda sonora, lo que reduce la precisión de las mediciones. Sin embargo, esto puede contrarrestarse midiendo la temperatura a lo largo de la distancia entre el transmisor y el receptor y ajustando los cálculos en consecuencia. Otras limitaciones son el hecho de que es imposible utilizar sensores ultrasónicos en el vacío, donde no hay aire para transmitir el sonido. Además, los materiales blandos no reflejan el sonido con tanta eficacia como las superficies duras, lo que puede afectar a la precisión. Por último, aunque la tecnología de los sensores ultrasónicos sigue un concepto similar al del sonar, no funciona bajo el agua.

Fotoeléctrico

Para detectar la presencia o ausencia de un objeto, los sensores fotoeléctricos son una opción práctica. Suelen estar basados en infrarrojos, y sus aplicaciones típicas son los sensores de puertas de garaje o el recuento de ocupantes en tiendas, aunque son adecuados para una amplia gama de otras aplicaciones industriales.

Hay varias formas de implementar los sensores fotoeléctricos (Figura 2). El haz de luz utiliza un emisor en un lado de un objeto y un detector en el lado opuesto. Si el rayo se rompe, esto indica que hay un objeto presente. Una implementación retrorreflectante es aquella en la que el emisor y el detector se encuentran juntos, mientras que el reflector está en posición opuesta. Del mismo modo, la disposición difusa también sitúa el emisor y el detector, pero, en cambio, la luz emitida se refleja en cualquier objeto que se detecte. Esta configuración no permite medir la distancia.

Figura 2: Sensores fotoeléctricos: de haz directo, retrorreflectantes y difusos. (Fuente de la imagen: Same Sky)

La configuración de una barrera fotoeléctrica en el haz de luz o retrorreflectante los hace adecuados para aplicaciones que requieren un rango de detección extendido con baja latencia. Sin embargo, al tener que ser montados y alineados cuidadosamente, la instalación del sistema en entornos con mucho tráfico puede ser un reto. Las implementaciones de tipo difuso son más adecuadas para detectar objetos pequeños y también pueden ser detectores móviles.

Las configuraciones de los sensores fotoeléctricos pueden utilizarse en entornos sucios, que suelen encontrarse en entornos industriales, y suelen ofrecer una vida útil más larga que otras alternativas, debido a que no poseen piezas móviles. Mientras la lente esté protegida y se mantenga limpia, el rendimiento de los sensores se mantendrá. Aunque pueden detectar la mayoría de los objetos, pueden surgir problemas con las superficies transparentes y reflectantes y el agua. Otras limitaciones son el cálculo preciso de la distancia y, según la fuente óptica, la detección de objetos de un color específico, por ejemplo, el rojo si se utiliza el IR.

Telémetros láser

La telemetría láser (LRF), una opción históricamente cara, se ha convertido recientemente en una solución más viable para muchas aplicaciones. Los sensores de alta potencia funcionan según el mismo principio que los sensores ultrasónicos, pero utilizan un rayo láser en lugar de ondas sonoras.

Como los fotones viajan a una velocidad tan alta, calcular el ToF con precisión puede ser difícil. En este caso, técnicas como el uso de la interferometría pueden ayudar a mantener la precisión a la vez que se reduce el costo (Figura 3). Otra ventaja de los sensores telemétricos láser es que, debido a la utilización del haz electromagnético, suelen tener un alcance increíblemente largo (hasta miles de metros) y el tiempo de respuesta es mínimo.

Figura 3: Implementación del sensor telémetro láser mediante interferometría. (Fuente de la imagen: Same Sky)

A pesar de la bajísima latencia y el alcance de estos sensores, tienen sus propias limitaciones. Los láseres consumen mucha energía, lo que significa que no son una opción adecuada para aplicaciones portátiles o que funcionan con baterías, y hay que tener en cuenta cuestiones de seguridad relacionadas con la salud ocular. Otra consideración es que el FoV también es relativamente estrecho y, al igual que los sensores fotoeléctricos, no funcionan bien con el agua o el vidrio. A pesar de que el precio de este tipo de tecnología se ha reducido, sigue siendo una de las opciones más caras.

Inductivo

Los sensores inductivos existen desde hace muchos años, pero cada vez son más habituales. Sin embargo, a diferencia de las demás tecnologías de detección de proximidad, sólo funcionan con objetos metálicos, ya que utilizan un campo magnético para su detección (figura 4). Una aplicación típica sería un detector de metales.

Figura 4: Funcionamiento de un sensor inductivo, (Fuente de la imagen: Same Sky)

El rango de detección puede variar, dependiendo de cómo esté configurado el sensor. Una aplicación de corto alcance podría ser contar las rotaciones de los engranajes detectando cuando un diente del engranaje está presente junto al sensor. Otras aplicaciones más largas podrían ser el recuento de vehículos mediante la incrustación de sensores inductivos en la superficie de una carretera o incluso la demostración de la distancia extrema a la que pueden operar los sensores: la detección de plasma espacial. Como sensor de proximidad, los sensores inductivos tienden a utilizarse para aplicaciones de muy corto alcance y pueden proporcionar frecuencias de actualización extremadamente rápidas debido a que se basan en el principio de detección de diferencias en los campos electromagnéticos. También funcionan mejor con materiales ferrosos, como el hierro y el acero.

Los sensores inductivos ofrecen una solución rentable en una amplia gama. Sin embargo, hay que tener en cuenta las limitaciones de los materiales que pueden detectar y el hecho de que son susceptibles a una amplia gama de fuentes de interferencia.

Conclusión:

Si se tienen en cuenta todos los problemas de implementación de la detección de proximidad, los sensores ultrasónicos suelen ser la mejor tecnología en general (Figura 5). Su bajo coste, su capacidad para detectar la presencia de un objeto, calcular con precisión su distancia y su facilidad de uso son los atributos ganadores.

Figura 5: Comparación de las cuatro tecnologías de sensores de proximidad (Fuente de la imagen: Same Sky)

Para obtener más información sobre los sensores ultrasónicos de Same Sky, visite: Sensores ultrasónicos de Same Sky