fundamentos de la mecatronica - sensores ii

8/3/2019 Fundamentos de la Mecatronica - Sensores II

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FUNDAMENTOS DE MECATRONICA SENSORES

CNAD | ING. RENE SALAZAR GUERRERO 26

SENSORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS.

FUNCIONAMIENTO.

Los sensores de proximidad capacitivos se disean paratrabajar generando un campo electrosttico y

detectando cambios en dicho campo a causa de un

objeto que se aproxima a la superficie de deteccin.

Los elementos de trabajo del sensor son, a saber, una

sonda capacitiva de deteccin, un oscilador, un

rectificador de seal, un circuito de filtrado y el

correspondiente circuito de salida.

En ausencia de objetos el oscilador se encuentra

inactivo. Cuando se aproxima un objeto, el osciladoraumenta la capacitancia del condensador que hace de

detector. Al superar la capacitancia un umbral

predeterminado se activa el oscilador, el cual dispara el

circuito de salida para que cambie entre

on(encendido) y off(apagado).

La capacitancia de la sonda de deteccin viene

condicionada por el tamao del objeto a detectar, por

la constante dielctrica y por la distancia de este al sensor. A mayor tamao y mayor constante

dielctrica de un objeto, mayor el incremento de la capacitancia. A menor distancia entre el objeto ysensor, mayor el incremento de capacitancia de la sonda por parte del objeto.

Los sensores capacitivos son a menudo ms utilizados exitosamente en las aplicaciones que no pueden

ser resueltas por otras tcnicas de sensado. Estos responden a un cambio de dielctrico en el medio que

rodea la zona activa y, por medio de la regulacin incorporada, permite sensar prcticamente cualquier

sustancia. Adems pueden detectar materiales a travs de paredes de vidrio, plstico, o laminas de

cartn.

Para el sensado de materiales de alta constante dielctrica (agua, metales, aceite, combustible, azcar,

papel), no es necesario el contacto fsico de los materiales con el sensor. Para los materiales plsticos y

de baja densidad es necesario realizar un ajuste cuidadoso, ya que al ser materiales de baja constantedielctrica, son de difcil deteccin.

El sensor fotoelctrico consta fundamentalmente de un electrodo situado en el extremo del detector,

conectado al citado circuito oscilador. Este electrodo constituye normalmente la palca de un

condensador, el cual, a su vez, forma parte de un bucle de retroalimentacin positiva dentro de dicho

circuito oscilador; la otra placa de este condensador variable la constituye, o bien el propio objeto a


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detectar, el cual debe estar conectado previamente a masa, o bien una placa de masa independiente,

ante la que se interpone el objeto.

Generalmente, el oscilador no oscila cuando la retroalimentacin positiva es insuficiente. Debido a la

presencia del objeto frente al electrodo, el circuito oscilador recibe un incremento de estarealimentacin y empieza a oscilar, provocando la aparicin de una seal de salida. Este tipo de sensor

puede detectar materiales lquidos conductores con gran sensibilidad.

Sin embargo, la sensibilidad de deteccin de los aislantes es menor que la de las sustancia conductoras.

Cuanto mayor es la constante dielctrica y menor es el espesor, mayor es el sensado obtenido. La

sensibilidad depende de las sustancias conductoras conectadas a los aislantes o colocadas en los

mismos.


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Si un objeto o un medio irrumpen en la zona activa de conmutacin, la capacitancia del circuito

resonante se altera. Al aumentar la capacidad, la corriente en el circuito oscilador tambin aumenta. El

rectificador simplemente convierte la seal alterna en continua. Cuando esta seal alcance un

determinado valor, actuara el circuito disparador que controla si a seal proveniente del rectificador

corresponde al nivel de referencia necesario para conmutar el dispositivo de salida.

Gracias a su capacidad de reaccionar con una gama amplia de materiales, el sensor de proximidad

capacitivo es el ms universal en aplicaciones que el inductivo, pero este tipo de sensores es ms

sensible a perturbaciones, por ejemplo, su sensibilidad con respecto a la humedad es muy elevada,

debido a la elevada constante dielctrica del agua (81).

Sin embargo, estn muy indicados para la deteccin de objetos a travs de una pared no metalica (la

constante dielctrica del material a detectar debe ser por lo menos 4 veces el de la pared y el grosor de

la pared debe de ser inferior a 4mm).

Aunque por razones de coste, en la deteccin de objetos metalicos se prefieren generalmente los

sensores de proximidad inductivos a loscapacitivos.

Otra aplicacin es la deteccin de personal: cuando el operador de una maquina se acerca demasiado,

se para la maquina, en previsin de posible accidente.


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SIMBOLOGIA


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COLOR Y NUMERACIN DE LOS HILOS

La norma EN 50 044 determina los colores de los hilos del sensor, distingue entre sensores de

proximidad polarizados y no polarizados, podemos diferenciar los siguientes casos:

Sensores de proximidad no polarizados tanto para CC o CA, con dos hilos de conexin, estos pueden ser

de cualquier color excepto verde/amarillo.

Sensores de proximidad polarizados para CC, con dos hilos de conexin, el terminal positivo debe

marrn y el terminal negativo, azul.

Sensores de proximidad de tres hilos, el terminal positivo debe ser marrn, el terminal negativo azul y la

salida debe ser negro.

En la siguiente tabla se indican las abreviaciones de los colores usadas.

COLOR ABREVIACIN

black (negro) BK

brown (marrn) BN

red (rojo) RD

yellow (amarillo) YE

green (verde) GN

blue (azul) BU

grey (gris) GY

white (blanco) WH

gold (dorado) GD

green/yellow

(verde/amarilo)GNYE


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En lo referente a la numeracin de los terminales:

Sensores de proximidad no polarizados, los terminales 1 y 2 tienen la funcin de contacto normalmente

cerrado y los terminales 3 y 4 la de contacto normalmente ABIERTO.

Sensores de proximidad polarizados para corriente continua con dos terminales, el terminal positivo

debe identificarse con el 1. El nmero 2 para el contacto normalmente cerrado y el 4 para el contacto

normalmente abierto.


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SENSORES DE PROXIMIDAD INDUCTIVOS

Los sensores inductivos hacen uso de las propiedades

magnticas de diversos materiales y de las variaciones

de diferentes parmetros asociados a los circuitos

magnticos (longitudes o secciones de ncleos,

entrehierros, etc.), para alterar la inductancia de bobinas

normalmente fijas, consiguiendo variar la geometra del

circuito magntico, permitindole detectar la presencia

de objetos metlicos.

CONSTITUCION FISICA

Estos son los bloques que habitualmente constituyen un sensor inductivo, aunque en algunos modelos

el amplificador puede estar implementado en otro dispositivo con carcasa independiente, para reducir

el tamao del sensor.

MODO DE OPERACIN

Cuando un objeto o placa metlica se mueve dentro de un campo magntico, sobre la placa magntica

se generan unas corrientes elctricas conocidas como corrientes de Eddy o corrientes de Focault.

Este es el principio que usan la mayor parte de los sensores inductivos empleados en la industria. En

ellos la bobina sensora est provista de un ncleo descubierto hacia el lado de deteccin, al aplicar

tensin al sensor, la bobina produce un campo magntico alterno de alta frecuencia, dirigido hacia el

lado activo sensible.


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Al acercarse un metal al lado activo, se presentan unas

corrientes parasitas, las cuales influyen en el circuito

oscilador, reduciendo la amplitud de oscilacin y

reduciendo el consumo de corriente del sensor. Estas

seales son tratadas por el circuito rectificador y

comparador, emitiendo la correspondiente seal desalida.

Las principales aplicaciones de los sensores inductivos son la deteccin de piezas metlicas. Debido a su

funcionamiento, en el que detectan los objetos sin contacto fsico, permiten el contaje, analizar su

posicin y forma de los objetos metlicos, se pueden emplear en la industria alimentaria, ya que no

interfiere en los productos.


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SIMBOLOGIA

COLOR Y NUMERACIN DE LOS HILOS

La norma EN 50 044 determina los colores de los hilos del sensor, distingue entre sensores de

proximidad polarizados y no polarizados, podemos diferenciar los siguientes casos:

Sensores de proximidad no polarizados tanto para CC o CA, con dos hilos de conexin, estos pueden ser

de cualquier color excepto verde/amarillo.

Sensores de proximidad polarizados para CC, con dos hilos de conexin, el terminal positivo debe

marrn y el terminal negativo, azul.

Sensores de proximidad de tres hilos, el terminal positivo debe ser marrn, el terminal negativo azul y la

salida debe ser negro.


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En la siguiente tabla se indican las abreviaciones de los colores usadas.

COLOR ABREVIACIN

black (negro) BK

brown (marrn) BN

red (rojo) RD

yellow (amarillo) YE

green (verde) GN

blue (azul) BU

grey (gris) GY

white (blanco) WH

gold (dorado) GD

green/yellow

(verde/amarilo)GNYE

En lo referente a la numeracin de los terminales:

Sensores de proximidad no polarizados, los terminales 1 y 2 tienen la funcin de contacto normalmente

cerrado y los terminales 3 y 4 la de contacto normalmente ABIERTO.

Sensores de proximidad polarizados para corriente continua con dos terminales, el terminal positivo

debe identificarse con el 1. El nmero 2 para el contacto normalmente cerrado y el 4 para el contactonormalmente abierto.


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CRITERIOS DE SELECCIONDE LOS SENSORES DE PROXIMIDAD

En esta area se pretende aportar una referencia de cada uno de los tipos de sensores de proximidad

que se tratan. Es decir, ante situaciones un poco genricas, y sin realizar un estudio concreto de las

particularidades de ningn proceso en el que sean necesarios los sensores de proximidad, se introducen

las caractersticas que hacen de cada uno de ellos un tipo de sensor adecuado a cada situacin.

1.- Sensores Capacitivos.

- El funcionamiento de este tipo de sensores se basa en la deteccin de la variacin depermitividad del medio prximo al sensor, lo cual repercute en una variacin de la capacidad

electrosttica.

- Se emplean en la deteccin de objetos de materiales diversos, siempre que puedan servir comomedio dielctrico o conductor.

- Bastante buena sensibilidad, pero depende del material del que est compuesto el objeto adetectar.

- Distancias de detecciones pequeas.- Aplicaciones muy distintas.- Presentan sensibilidad a la presencia de polvo y suciedad, y su funcionamiento se ve afectado

por la humedad.

- Son muy empleados en la deteccin de nivel de lquidos en depsitos.2.- Sensores Inductivos.

- Se basan en la deteccin de corrientes parasitas inducidas en elobjeto a detectar. Estas corrientes son producidas por u campo

electromagntico emitido por el propio sensor.

- Como se puede deducir de lo anterior, solamente detectan objetosmetlicos.

- Son menos sensibles a efectos externos no deseados que loscapacitivos.

- Presentan distancias de deteccin similares a los capacitivos o unpoco mayores, pero siempre relativamente pequeas.

- Pueden verse afectados por elementos externos que provoquen algn campo electromagntico,y debe protegerse la posible interferencia entre varios inductivos.

- Sensibilidad buena.


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3.- Sensores Fotoelctricos.

- Es un grupo muy amplio debido a las grandes configuraciones queexisten. Se basan en la emisin de luz y su posterior deteccin.

- Son sensores de gran precisin en general (depende mucho de laconfiguracin concreta).

- Se consiguen distancias de deteccin mayores que los anteriores.- Suelen presentar el inconveniente de que su colocacin es ms

costosa y exigente.

- Presentan gran rapidez de respuesta.- Sirven para detectar casi todo tipo de materiales.- Se ven afectados por la suciedad ambiental. La luz ambiental puede ocasionar en algunas

ocasiones deteccin en el receptor.

4.-Sensores Ultrasnicos

- Se basan en la deteccin del eco procedente del objeto adetectar tras haber emitido un sonido no audible por los humanos. Se

emite el ultrasonido, y se mide el tiempo que tarda en llegar el eco

debido al rebote.

- Se emplea para casi todo tipo de material existente, con lanica condicin de que permitan reflexin del sonido.

- El medio de deteccin tiene que ser necesariamente en elaire.

- Se consiguen distancias de deteccin superiores a losinductivos y capacitivos, pero inferiores a los fotoelctricos en general.

- No son susceptibles a efectos externos a no ser a sonidossimilares a las de funcionamiento.

5.- Microrruptores.

- Estos sensores son de contacto, y por tanto son interruptores especficos que detectan elchoque de un objeto contra ellos.

- Manejan pequeas corrientes con gran precisin.- Tamao y peso reducidos.- Son interruptores de pequea carrera.- Se emplean en aplicaciones donde la trayectoria de los objetos a detectar son precisas.- Son muy baratos en comparacin con los anteriores tipos de sensores.- Son ms habituales en aplicaciones de corriente continua, pero pueden funcionar

perfectamente en alterna.


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- Tareas de control sobre todo. Una aplicacin muy tpica es la de deteccin de apertura depuertas en maquinas.

6.- Finales de Carrera.

- Son sensores de contacto.- Manejan cargas superiores a las que manean los microrruptores, pudiendo trabajar

directamente en alterna.

- Se utilizan e tareas de control pero tambin en tareas de mando.- Tamao y peso apreciablemente mayor que en el caso de los microrruptores.- Soportan fuerzas de actuacin elevadas respecto a los anteriores.- Son ms robustos y pesados que los microrruptores.- A veces la distincin entre microrruptores y finales de carrera no est muy clara porque se

acercan mutuamente.


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REFERENCIAS

En este apartado se proponen las diferentes direcciones de Internet para consultar aspectos

relacionados con los sensores de proximidad, visualizar catlogos, completar informacin tcnica, etc.

http://www.dte.uvigo.es/recursos/proximidad/Sensores_Proximidad.html#Principal

www.amidata.es

www.farnell.com

www.omega.com

www.honeywell.com/sensing

www-us.semicondustors.philips.com

www.analog.com

www.dseurope.com

www.hamamatsu.com

www.agilent.com

BIBLIOGRAFIA.

A continuacin se propone una bibliografa de obras de consulta relacionadas con los sensores deproximidad.

Terry Bartelt: Industrial Control Electronics; Devices, Systems & ApplicationsEd. Thomson Learning. E.U.A. 2002

Antonio Creus: Instrumentacion IndustrialEd. Marcombo, Barcelona 1998

SLURZBERG, Morris & OESTERHELD, William.

Fundamentos de electricidad y electrnica.Mc- Graw Hill. Mxico. 1990.

1 .WEISS, Gerald

Transductores Elctricos.

Polytechnic Institute of New York.
http://www.dte.uvigo.es/recursos/proximidad/Sensores_Proximidad.html#Principalhttp://www.dte.uvigo.es/recursos/proximidad/Sensores_Proximidad.html#Principalhttp://www.amidata.es/http://www.amidata.es/http://www.farnell.com/http://www.farnell.com/http://www.omega.com/http://www.omega.com/http://www.honeywell.com/sensinghttp://www.honeywell.com/sensinghttp://www.analog.com/http://www.analog.com/http://www.dseurope.com/http://www.dseurope.com/http://www.hamamatsu.com/http://www.hamamatsu.com/http://www.agilent.com/http://www.agilent.com/http://www.agilent.com/http://www.hamamatsu.com/http://www.dseurope.com/http://www.analog.com/http://www.honeywell.com/sensinghttp://www.omega.com/http://www.farnell.com/http://www.amidata.es/http://www.dte.uvigo.es/recursos/proximidad/Sensores_Proximidad.html#Principal


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Brooklyn, Nueva York.

TAFOYA SNCHEZ, JESS.

Sensores Industriales y Actuadores.

CNAD.

BATESON, Robert.Introduction to control system technology.

Merrill, 1980. Estados Unidos

BARRIENTOS, Antonio (otros autores).

Fundamentos de robtica.

Mc- Graw Hill. Espaa. 1990.

SENSING PRODUCTS CATALOG.

Photoelectric sensors * proximity sensors * limit switches.

Ian R. Sinclair: Sensors and Transducers. A guide for technicians;

Butterworth-Heinemann Ltd., Oxford, 1998

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