fundamentos fisicos y conceptos basicos sobre sensores

1. FUNDAMENTOS FÍSICOS Y CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE SENSORES
Un sensor es un dispositivo para detectar y señalar una condición de cambio. Con frecuencia, una
condiciónde cambio,se tratade lapresenciaoausenciade unobjetoomaterial (deteccióndiscreta).
También puede ser una cantidad capaz de medirse, como un cambio de distancia, tamaño o color
(detecciónanalógica).Lossensoresposibilitanlacomunicaciónentreel mundofísicoylossistemasde
medicióny/o de control,tantoeléctricoscomoelectrónicos,utilizándoseextensivamenteentodotipo
de procesos industriales y no industriales para propósitos de monitoreo, medición, control y
procesamiento. CÁLCULO DE Sn (Distancia máxima de conmutación) Al utilizar un sensor para una
aplicación,se debe calcularunadistanciade detecciónnominalyunadistanciade detecciónefectiva.
[Fundamentos de la detección de presencia, Rockwell Automation/Allen-Bradley] Distancia nominal
de detección La distancia de detección nominal corresponde a la distancia de operación para la que
se ha diseñado un sensor, la cual se obtiene mediante criterios estandarizados en condiciones
normales.[Fundamentosde ladetecciónde presencia,Rockwell Automation/Allen-Bradley] Distancia
efectivade detecciónLadistanciade detecciónefectivacorrespondealadistanciade deteccióninicial
(o de fábrica) del sensor que se logra en una aplicación instalada.Esta distancia se encuentra más o
menos entre la distancia de detección nominal, que es la ideal, y la peor distancia de detección
posible.[Fundamentos de la detección de presencia, Rockwell Automation/Allen-Bradley] Existen
otros términosasociadosal cálculode la distancianominal enlossensoresloscualesson: Histéresis,
Repetibilidad, Frecuencia de conmutación y Tiempo de respuesta. Histéresis La histéresis, o
desplazamiento diferencial, es la diferencia entre los puntos de operación (conectado) y liberación
(desconectado) cuandoel objetose alejade lacara del sensoryse expresacomounporcentaje de la
distanciade detección.Sinunahistéresissuficiente,el sensorde proximidad se conectaydesconecta
continuamente al aplicar una vibración excesiva al objeto o al sensor, aunque se puede ajustar
mediante circuitos adicionales.

2. Repetibilidad
La repetibilidad es la capacidad de un sensor de detectar el mismo objeto a la misma distancia de
detección nominal y se basa en una temperatura ambiental y voltaje eléctrico constantes.
Frecuencia de conmutación
La frecuencia de conmutación corresponde a la cantidad de conmutaciones por segundo que se
pueden alcanzar en condicionesnormales. En términos más generales, es la velocidad relativa del
sensor.
Tiempo de respuesta
El tiempode respuestade un sensorcorresponde al tiempoque transcurre entre la detecciónde un
objeto y el cambio de estado del dispositivo de salida (de encendido a apagado o de apagado a
encendido).Tambiénesel tiempoque el dispositivode salidatarda encambiar de estadocuando el
sensor ya no detecta el objeto. El tiempo de respuesta necesario para una aplicación específica se
establece en función del tamaño del objeto y la velocidad a la que éste pasa ante el sensor.

3. Sensores Inductivos
Los sensoresinductivostienenunadistanciamáximade accionamiento,que dependeengranmedida
del área de la cabeza sensora (bobina o electrodo), por ello a mayor diámetro, mayor distancia
máxima;enrelaciónaladistanciareal de accionamientoSndependeráde latemperaturaambientey
de latensiónnominal yse sitúadentrodel +/- 10% de ladistancianominalSn. Lossensoresinductivos
poseenunazonaactivapróximaalasecciónextremadelinductor,que estáestandarizadapornormas
para distintosmetales.Estazonaactivadefine ladistanciamáximade captaciónoconmutaciónSn.La
distanciaútil de trabajo suele tomarse como de un 90% de la de captación: Su =0.9 x Sn. La técnica
actual permite tener un alcance de hasta unos 100 mm en acero. El alcance real debe tomarse en
cuenta, cuando se emplea el mismo sensor en otros materiales. Ejemplo: Para el Acero Inoxidable
debe considerarse un80% de factor de corrección,para el Aluminioun 30 % y para el cobre un 25%.
La distanciade operacióntambiéndependesi el sensoresblindadoono.Lossensoresblindadosestán
construidosconun anillode protecciónalrededordel núcleo.Este tipode sensorconcentrael campo
electromagnéticoenlaparte delanterade lacara frontal del del sensor.Enlossensoresinductivosno
blindadosnoexiste el anillometálicoalrededor,porlo tanto,el campo no estáconcentradosobre la
parte delanteradel sensor,estasconfiguracionespermitenun50% más de rango de sensadoque en
un sensor blindado del mismo tamaño.
Sensores Capacitivos
Los sensorescapacitivosal igual que los inductivostienenunadistanciamáximade accionamiento,
que depende en gran medida del área de la cabeza sensora (bobina o electrodo), por ello a mayor
diámetro, mayor distancia máxima.
Zona activa
Poseenunazonaactivapróximaala secciónextremasimilaralosinductivos,quedefineladistancia
máximade captacióno conmutaciónSm. La distanciaútil de trabajo suele tomarse como de un 90%
de la de captación:
Objeto Patrón
Las distanciassensorasde lossensorescapacitivossonespecificadasporel accionadormetálico,con
ladoigual a3 vecesladistanciasensoraparalosmodelosembutidos(enlagranmayoría),yenalgunos
pocoscasosde sensorescapacitivosembutidosse utilizael ladocuadradoigualal diámetrodelsensor.
Sensores Fotoeléctricos
En los sensores fotoeléctricos la distancia nominal de detección varía de acuerdo al sensor:
a) Sensores de Barrera. Cuando existe un receptor y un emisor apuntados uno al otro. Tiene este
método el más alto rango de detección (hasta unos 60 m).
b) Sensores Reflex. Cuando la luz es reflejada por un reflector especial cuya particularidad es que
devuelve la luz en el mismo ángulo que la recibe (9 m de alcance).
Sensores Fotoeléctricos
En los sensores fotoeléctricos la distancia nominal de detección varía de acuerdo al sensor: a)
Sensoresde Barrera.Cuandoexisteunreceptoryunemisorapuntadosunoal otro.Tieneestemétodo
el más alto rango de detección (hasta unos 60 m). b) Sensores Reflex.Cuando la luz es reflejada por

4. un reflectorespecial cuyaparticularidadesque devuelve laluzenel mismoánguloque larecibe (9m
de alcance).
c) Sensores Auto Reflex.
Cuando el emisor tiene un lente que polariza la luz en un sentido y el receptor otro que la recibe
mediante unlenteconpolarizacióna90° del primero.Conesto,elcontrol noresponde aobjetosmuy
brillososque puedenreflejarlaseñal emitida(5mde alcance).d) Sensoresde FocoFijo.Cuandolaluz
esreflejadadifusamente porel objetoyesdetectadoporel hechode que el transmisory el receptor
estánestereoscópicamente acoplados,evitandoconellointerferencia del fondo (3.5 m de alcance).
e) Sensores de detección difusa.
Igualesalosanterioresperoloslentesson divergentes,yse usanparadetectarobjetosmuypróximos
(1.5 m de alcance). f) Sensores de Fibra Óptica. En este tipo, el emisor y receptor están
interconstruídos en una caja que puede estar a varios metros del objeto a sensar. Para la detección
emplean los cables de fibra óptica por donde circulan los haces de luz emitido y recibido. La mayor
ventaja de estos sensores es el pequeño volumen o espacio ocupado en el área de detección.
Alcance Nominal (Sn)
Es ladistanciamáximaaconsejadaque debehaber entre el emisoryel receptor,emisoryreflectoro
emisor y objeto para garantizar la detección. El alcance nominal es el indicado en los catálogos del
producto y sirve de base de comparación entre los distintos dispositivos.
Alcance de trabajo (Sa)
Es la distanciahasta la cual la detecciónestáasegurada y toma en cuenta los factoresambientales
(polvo,humo,etc.) yunmargende seguridad.Este alcance essiempre menorque el alcance nominal.
Sensores Ultrasónicos Zona Ciega
Lossensoresultrasónicostienenunazonaciegainherenteubicadaenlacarade detección.El tamaño
de la zona ciega depende de la frecuencia del transductor. Los objetos ubicados dentro de la zona
ciega no se pueden detectar de manera confiable.

5. La técnicaactual permite lafabricaciónde estossensoresconunrangode deteccióndesde 100 mm
hasta unos6000 mm con una exactitudde 0.05%.
Consideraciones sobre el objeto
Se debentenerencuentaciertascaracterísticasde los objetoscuandose usansensores
ultrasónicos.Estasincluyenlaforma,el material,latemperatura,el tamañoylaposicióndel objeto,
ya que de ellasdependenque éste devuelvael ecomásfuerte posible.
La formaideal del objetoesunasuperficie lisayplana.Tambiénpuedendetectarseobjetos
redondosodisparejosperose reduciránlasdistanciasde deteccióny/olosvoltajesde salida
analógica.Losmaterialessuavestalescomotelasocauchoesponjososondifícilesde detectarporla
tecnologíaultrasónicadifusaporque noreflejael sonidoadecuadamente.
Finales de carrera
Principiode Funcionamiento:
El movimientomecánicoenformade levaoempujadoractúasobre la palancao pistónde
accionamientodel interruptorde posiciónhaciendoabrirocerrar un contacto eléctricodel
interruptor. Esta señal eléctricase utilizaparaposicionar,contar,parar o iniciarunasecuencia
operativaal actuar sobre loselementosde control de lamáquina.
Construcción:

6. Aplicaciones:
Apertura y cierre de puertas, sistemas de cinta transportadora, conteo y detección de piezas,
máquinas de transferencia, fosas y taladros, entre otras.
Principio de Funcionamiento:
Lossensoresmagnéticosconstande unsistemade contactoscuyoaccionamientovendráocasionado
por la aparición de un campo magnético. Los contactos se cerrarán bajo la influencia de un campo
magnético provocado por un dispositivo imantado alojado en el objeto a detectar, en los cilindros
neumáticos el imán permanente va integrado en el émbolo, estos cuando el campo magnético se
acerca al sensor,estostransmitenuna señal eléctricao neumáticaa los controles,electroválvulaso
elementos de conmutación neumáticos.

8. Sensores capacitivos
Los sensores capacitivos están especialmente diseñados para lograr detectar
materiales aislantes tales como el plástico, el papel, la madera, entre otros, no
obstante también cuentan con la capacidad de de detectar metales. Es importante tener
en cuenta que los sensores capacitivos funcionan de manera inversa a los inductivos, es
decir que a medida que el objetivos se va a acercan al sensor las oscilaciones del mismo
aumentan hasta que llega a un límite que activa el circuito que dispara las alarmas.
Principiode funcionamiento: Constade una sondasituadaenlaparte posteriorde lacara del sensor
el cual es una placa condensadora. Al aplicar corriente al sensor, se genera un campo electrostático
que reacciona a los cambios de la capacitancia causados por la presencia de un objeto. Cuando el
objetose encuentrafueradel campo electrostático,el osciladorpermanece inactivo,perocuandoel
objetose aproxima,sedesarrollaunacoplamientocapacitivoentreéste ylasondacapacitiva.Cuando
la capacitancia alcanza un límite especificado, el oscilador se activa, lo cual dispara el circuito de
encendido y apagado.
Construcción:

9. SENSORES FOTOELÉCTRICOS

10. Sensores ultrasónicos
Los sensoresultrasónicos sondispositivosautónomosde estadosólidodiseñadosparaladetección
sincontacto de objetossólidosylíquidos.Paramuchasaplicaciones,talescomoel monitoreodel
nivel de aguaenun tanque,latecnologíaultrasónicapermite que undispositivohaga el trabajoque
de otro modorequeriríavariossensores.Nuestrossensoresestándisponiblesenvariosrangosy
estilosde detecciónytienenunasalidaanalógicaodiscretasegúnel modelo.
Ventajas
 Captaciónsincontacto
 Fiabilidadencasode condicionesambientalescríticascomosuciedad,polvooniebla
 Independientemente delcolor,de latransparencia,de lapropiedadesde reflexión,asícomo
del acabadode lassuperficiesdelobjeto
 Captaciónprecisainclusode objetospequeños
 Las formasconstructivasde rectánguloycilindroaportanuna mayorlibertadde
construcción
Otro aspecto positivo:mayor seguridady menor coste
Un sensorultrasónicoanalógicoademásescapazde asumirla funciónde unsegundo.Esposible
utilizarindistintamente conunoo dospuntosde actuación,trabajar de forma exclusivamente
analógicao combinarlaforma analógicacondos

11. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS DIFERENTES TIPOS DE SENSORES
Tipo de Salida:
Pueden ser principalmente de dos tipos,en función de la corriente de carga que van a controlar.
Para corrientesde cierta importancia,comopor ejemplobobinasde contactores,donde la corriente
puede llegaraalgunosAmpers,se utilizanlosde salidaaRelé (ocontactoseco),pudiendoserlasalida
tipoNA o NC. Para cargas pequeñas,generalmente elementoselectrónicos,lasalidaesatransistor
con colector abierto, pudiendo ser del tipo PNP o NPN. Es raro ver salidas a colector
cerrado (equivalente aunNC).En todoslos casosde salidaa transistor,debe tenersepresente que si
se manejanelementosde cargainductivostalescomorelés,puedenaparecersobretensionesexternas
al sensorproductode laautoinducciónde dichoselementos,que puedendañarel transistorde salida.
Para protegerlos,debenagregarse al circuitoelementostalescomodiodosconpolaridadinversaque
cierren el circuito de la sobretensión.
Una variante de estos, cuando se debe trabajar en C.A., son los de salida a Triac.
Alimentación:
En general, estos elementos se colocan lejos de sus fuentes de alimentación externas, y su
electrónicatiene supropiafuente de alimentacióninternade tensiónregulada,porloque permiten
alimentarlos en un amplio rango de valores de tensión, por ejemplo de entre 15 y 90V.,
independizando su elección de los valores de la tensión disponible y de la distancia de su ubicación
desde la fuente principal.
Tipo de Conexión:
En función del circuito de control que se pretenda armar, los detectores pueden ser de distintos
tipos:
A 3 hilos de C.C.
de C.A. A
2 hilos de C.C.
de C.A.
A 3 hilos de C.C.:
Sonlosmáscomunes,ypuedensersalidasarelé oatransistor.Losde salidaarelé puedensertipo
P o tipoN dependiendode lapolaridadque entregael contacto del relé.A su vez,el contacto puede
ser NA o NC.
Los de salidaa transistor,pueden sera colectorabiertotipoP (o PNP) o tipoN (o NPN).Sonraros de
encontrar,peroexistentambiénlosde colectorcerrado,equivalentesaun NC,y generalmente traen
el diodo de protección internamente.
Sensores Inductivos:
Estossensorespueden serde construcciónmetálicaparasu mayorproteccióno,de caja de plástico.
Y puedentenerformasanular,de tornillo,cuadrada,tamañointerruptorde límite,etc;Además,por
su funcionamientopuedenserdel tipoempotrable al rasen acero o, del tipono empotrable.Losdel
tiponoempotrable se caracterizanporsumayoralcance de detección,de aproximadamenteel doble.

12. Ciertas marcas fabrican estos sensores en dos partes, una parte es el sensor propiamente dicho y el
otro es el amplificador de la señal de frecuencia, con el finde usarlos en zonas peligrosas,y de esta
maneracumplirconlasnormas seguridadintrínseca.SensoresCapacitivos: Ademásde losvoltajes
y circuitosmencionados,existetambiénenlossensorescapacitivosuntipocon salidaanalógica(4-20
mA).