sensores Ópticos parte 2

Refracción de luz

Conducción de luzpor reflexión total

Sin la reflexión total descritaanteriormente en las capas lí-mite, los conductores de fibraóptica no podrían realizarsecon la calidad actual. Estáncompuestos por un núcleo ci-líndrico conductor de luz yuna vaina de pared fina querodea el mismo firmemente.La densidad óptica n del nú-cleo es superior a la de la vai-na. Un haz luminoso se reflejatotalmente una y otra vez enla capa de separación entrenúcleo y vaina y no puede por

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Fundamentos,definiciones

Si un haz luminoso cambia deun medio de densidad n aotro de menor densidad n',entonces dicho ángulo pre-senta un ángulo superior e’.Encima de ecrit. (ángulo límite

en el que el haz refractadopasa paralelamente a la capalímite), sin embargo, el hazvuelve a penetrar en el mediocon la densidad n, es decir,aquí existe una reflexión total.

Reflexión total

tanto abandonar el núcleo endirección radial. Teóricamentela luz no es debilitada por es-tas reflexiones; sin embargo,las impurezas y las posicioneserróneas tanto en el materialde núcleo como también en lacapa de separación originan

pérdidas y limitan la longitudde conductor de fibra óptica,en la cual queda garantizadauna transmisión de informa-ción asegurada.

Detector fotoeléctrico En los detectores fotoeléctri-cos el emisor y el receptor es-tán alojados en una mismacarcasa. La alineación res-pecto a un objeto a detectarprácticamente carece de im-portancia.Un objeto a detectar (p. ej.una placa normalizada con re-flexión del 90 %) devuelve alreceptor en la zona del hazluminoso mediante reflexión

difusa en su superficie unaparte de la luz.Si la placa normalizada alcan-za la curva de aproximación(ver figura), se realiza una con-mutación, es decir, una varia-ción de la señal de salida.La distancia de detección va-ría en función del tamaño, laforma, el color y las caracte-rísticas de la superficie de ob-jeto reflectante. Con una tarje-

ta gris de Kodak con reflexióndel 90 % (~ papel blanco)pueden alcanzarse hasta 2 m.

dispersa el mismo. Mayoritaria-mente se utilizan como emiso-res LEDs de luz infrarroja a im-pulsos controlados por reloj ycomo receptores se utilizanfototransistores. La señal de sa-lida es en gran medida inde-pendiente de la iluminación am-biental, ya que la luz visiblepuede eliminarse fácilmente porfiltración.En operaciones de detecciónvitales se emplean preferible-

... se emplea en muchos secto-res de la técnica y de la vidacotidiana en sistemas de con-trol y regulación. Para ello seevalúa una variación de la inten-sidad de luz en un segmentoóptico (entre emisor y receptor)que es producida por un objetoa detectar. En función de lascaracterísticas de este objeto yde la estructura del segmentoóptico se interrumpe el haz lu-minoso o se refleja, o bien, se

La luz como mediodetector...

mente detectores fotoeléctri-cos, o bien, barreras fotoeléctri-cas con LEDs de luz roja, por-que el haz luminoso y el puntode detección pueden captarsevisualmente y ajustarse conmayor facilidad. Para las diver-sas condiciones de aplicaciónBalluff ofrece tres variantes desensor: Detectores fotoeléctri-cos, barreras fotoeléctricas dereflexión, barreras fotoeléctricasunidireccionales.

Emisor/receptor

Curva de aproximaciónLóbulo deemisor/de re-ceptor

Placa normalizadacon reflexión del 90 %

Sensoresopto-electrónicos

Los haces luminosos experi-mentan un cambio de direc-ción, es decir, una refracción,en la superficie límite de dosmedios ópticos con diferentedensidad óptica n (p. ej. vi-drio/aire).El grado de la refracción de-pende del cociente de lasdensidades ópticas n de am-bos medios y del ángulo deincidencia e respecto al ejeóptico.

nativamente con filtros depolarización, los cuales for-man junto con un reflectorBalluff, un espejo tipo pris-ma “ópticamente activo”,en cierta medida una barreraselectiva contra la “luz de ob-jeto” reflejada, pero dejan pa-sar la “luz de reflector”.

por tanto distinguir con segu-ridad entre una “luz de objeto”y una “luz de reflector” refleja-das. De este modo no pue-den excluirse detecciones in-correctas.Por este motivo, las barrerasfotoeléctricas de reflexiónBalluff están equipadas alter-

Una parte de la luz de emisorde barreras fotoeléctricas dereflexión es reflejada directa-mente al receptor por objetosa detectar con superficies bri-llantes p. ej. de chapa blanca,acero fino o aluminio. Las ba-rreras fotoeléctricas de re-flexión sencillas no pueden

Filtros de polarización¿Cuándo hacen falta?

¿Cómo funcionan? La luz está formada por ungran número de “hacesindividuales” que oscilantodos en forma senoidalalrededor de sus ejes depropagación. Sin embargo,sus planos de oscilación sonindependientes entre síy pueden adoptar cualquierposición angular (ver figura).Si hacen impacto sobre unfiltro de polarización (retículo

lineal fino) entonces sólopueden pasar los hacesoscilantes paralelamente alplano reticular, sin embargo,los haces oscilantes perpen-dicularmente al plano seeliminan por completo. Detodos los demás planos deoscilación sólo se permite elpaso respectivamente a laparte que corresponda a lacomponente paralela.

... Para la supresión dereflexiones por espejos

Por el contrario, la luz refleja-da por el espejo triple, cuyoplano de polarización, comose ha descrito anteriormen-te, está girado 90°, puedeatravesar sin obstáculos estefiltro.

... Para la detección segurade objetos a detectarreflectantes

Detrás del filtro la luz oscilasólo paralelamente al planode polarización. Para estaluz el siguiente filtro de pola-rización girado 90° constitu-ye una barrera impenetrable.


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Con un filtro de polarizacióngirado 90° en cada caso de-lante de la óptica de emisory de receptor de una barrerafotoeléctrica de reflexiónpuede evitarse así que la luzreflejada por un objeto a de-tectar reflectante falsifique laseñal del fotorreceptor.

De este modo, el receptorde una barrera fotoeléctricade reflexión también seoscurece por completo alatravesar un objeto a detec-tar reflectante y detecta elobjeto con mucha seguri-dad.

... es de 35...85 % (sincondensación).

La humedad de aireadmisible ...

Luminiscencia Para detectar marcas invisi-bles en objetos, se utilizanlas llamadas sustanciasfluorescentes (contenidas entizas, tintas, lacas, etc.especiales) que sólo puedenhacerse visibles con luz

ultravioleta (UV). Las sustan-cias fluorescentes transfor-man la luz UV invisible (deonda corta, en este caso380 nm) en luz visible (entreazul 450 nm y rojo oscuro780 nm). Este efecto se

denomina fotoluminiscencia.La luz visible puede enton-ces ser detectada, como eshabitual, por la unidadreceptora del sensor.


reflejados por el mismo.En función de las caracterís-ticas de acabado superficialdel cuerpo se diferencian los

Reflexión¿Qué es? Los haces luminosos se pro-

pagan en línea recta en elespacio libre. Si hacen im-pacto sobre un cuerpo son

... se produce en una super-ficie muy brillante (reflectan-te). El ángulo de incidenciade un haz luminoso esidéntico al ángulo de re-

Reflexión total ...

Retrorreflexión ... ... se produce en dos espe-jos perpendiculares entre sí.Un haz luminoso es devuel-to en la misma dirección pordoble reflexión.El ángulo de incidencia pue-de sufrir modificacionesdentro de un margen relati-vamente amplio.

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siguientes tipos de reflexión:Reflexión total, retrorreflexióny reflexión difusa.

... se produce en una super-ficie desigual y rugosa. Pue-de explicarse por un grannúmero de espejos miniaturade reflexión deficiente y dediferente alineación.La luz incidente se “disper-sa“ ampliamente en una su-perficie como tal. Las pérdi-

das de reflexión son mayo-res cuanto más mate y os-cura sea la superficie.Los detectores fotoeléctricosp. ej. detectan la luz refleja-da difusamente por objetosa detectar.

Reflexión difusa ...

Barrera fotoeléctrica de

ReflectorEmisor/receptor

Objeto adetectar

En las barreras fotoeléctricasde reflexión el emisor y elreceptor se encuentran enuna misma carcasa. Unreflector ubicado en el ladoopuesto del tramo de detec-ción devuelve la luz delemisor al receptor.Un objeto a detectar inte-rrumpe el haz luminoso

reflejado y produce unavariación de la señal desalida.En superficies reflectantesse recomienda suprimir laluz reflejada por el objetocon un filtro de polarizacióndelante de la óptica dereceptor para evitar asíposibles señales incorrectas.

Pueden obtenerse alcancesde hasta 12 m.

El principio bidimensional des-crito anteriormente de laretrorreflexión puede trasla-darse a un sistema tri-dimensional con tres espejosdispuestos perpendicularmen-te entre sí (un vértice de uncubo apoyado sobre la pun-ta). Un haz luminoso se reflejatotalmente en las tres caras y

vuelve a salir paralelamente alhaz incidente.A estos espejos triples se lesdenomina “ópticamente ac-tivos”, porque giranadicionalmente 90° el planode polarización del haz lumi-noso reflejado.Esta propiedad hace posibledetectar con seguridad junto

ReflectoresEspejos triples ópticamenteactivos

Los espejos triples se agru-pan de seis en seis enhexágonos y se disponenunos junto a otros en formade panal. Su alineaciónrespecto al haz luminoso noresulta por ello problemática.

Estos espejos se inyectangeneralmente en placas o seprensan en láminas flexiblesa partir de plásticos con unaelevada densidad óptica.

con un filtro de polarización(ver página 2.0.20) objetos adetectar reflectantes con ba-rreras fotoeléctricas de re-flexión.

flexión (eI = eE ).En caso ideal, las pérdidasde reflexión son desprecia-bles.


reflexión

Distancia de actuaciónDistancia de actuación s ...

Distancia asignadade actuación sn ...

Distancia de actuación realsr ...

Distancia de actuación útilsu ...

Zona ciega ...

Rango de detección sd ...

Luz de emisión

Teach-in

... es la distancia entre laplaca normalizada y la“superficie activa” del detec-tor fotoeléctrico en caso decambio de señal(según EN 60947-5-2).

... es una magnitud caracte-rística de distancia de actua-ción sin tener en cuenta lastolerancias de fabricación,las dispersiones entre ejem-plares e influencias externascomo p. ej. la temperatura yla tensión.

... es la distancia de actua-ción con una tensión asigna-da Ue teniendo en cuentalas tolerancias de fabricacióna temperatura ambiente(T = +23 °C ±0,5).

... es la distancia de actua-ción admisible dentro deunos límites de tensión y detemperatura determinados(0,80 sn ≤ su ≤ 1,20 sn).

... es la zona entre la “super-ficie activa” y la distancia deactuación mínima en la cualno puede detectarse objetoalguno.

... es la zona en la quepuede ajustarse la distanciade actuación de un detectorfotoeléctrico respecto a laplaca normalizada.

sn

sr

su

sd

120 % 80 %

Zona

cie

ga

0 %

Sup

erfic

ie a

ctiv

a

Tarje

ta g

ris d

e K

odak

135 % 100 %

Los sensores ópticos utilizanprincipalmente los siguientescomponentes emisores:

LED de luz rojaLuz visible, óptima comoayuda de alineación y para elajuste de sensor.LED infrarrojo (IR)Radiación invisible conelevada energía.

Láser de luz rojaLuz visible, óptima para ladetección de piezas peque-ñas y elevados alcancesdebido a las propiedadesfísicas del láser.


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En los sensores Teach-in losajustes de sensor ya no sellevan a cabo con el poten-ciómetro o los interruptorescorredizos, sino que todose controla por pulsación deteclas. El microcontroladorintegrado en los sensoresTeach-in permite el control

completo del proceso deajuste mediante la pulsaciónde teclas. La utilización depasos de ajuste definidos tie-ne la ventaja de que el sensorno puede ajustarse en unazona insegura. El micro-controlador también se en-carga del control del LED in-


dicador y de la señal desalida de contaminación.Un gran número de los de-tectores Teach-in Balluff tie-nen también la posibilidad demanejo a distancia; el proce-so de ajuste con Teach-intambién puede activarse“externamente” por cable.

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... es el desplazamiento delpunto de actuación en caso

Deriva térmica ...

La entrada de prueba ...(en las series BOS 15,BOS 25, BOS 36, BOS 65,BOS 74)

Transmisión ...

En la triangulación ...

Temperatura ambiente ...

Protección contrapolaridad incorrecta

Contaminación ...(repercute en el margen derespuesta)

... en el emisor interrumpelos impulsos de luz del emi-sor y permite así la verifica-ción funcional de emisor yreceptor. Al utilizar la prue-ba+, la prueba– debe poner-se a 0 V y, al utilizar la prue-ba–, la prueba+ debe poner-se a 10...30 V. La salida de

receptor debe actuar cadavez que en la entrada deprueba exista una tensión de10...30 V DC (prueba+), obien, 0 V DC (prueba–). Encaso de contaminación odesajuste del eje óptico losimpulsos de emisión sólo lle-gan al receptor de forma in-

suficiente o no llegan al mis-mo. Por ello la salida noconmuta a pesar de estaractivada la entrada de prue-ba. La función de pruebarealiza una vigilancia a dis-tancia de la barrera fotoeléc-trica y permite una inspec-ción de sistema preventiva.

... es una medida de latransmitancia luminosa de unmedio.

Se define como la relaciónentre:– Luz atravesada– Luz incidente (en %).

Se habla de transmisióndifusa si la luz se dispersaparcialmente o por comple-to.

... los lóbulos de emisory de receptor de una barrerafotoeléctrica se cortan for-mando un ángulo agudo.Sólo en la zona en la quese superponen los lóbulosse detecta un objeto a de-tectar.El fotorreceptor no puede re-gistrar la luz de emisor que

es reflejada, o bien, disper-sada por objetos fuera deesta zona limitada.Con este método de tri-angulación pueden detectar-se variaciones de distanciarelativamente pequeñas (p.ej. ranuras, rebajes en ejes).La forma y el color del obje-to carecen de importancia.

Distancia asignada de actuación sn

Distancia de actuación real (en % de sn)

Histéresis de conmutación (en %)

∅ típico del haz en sn/2 (mm)

∅ de la zona activa (mm)

Detector fotoeléctrico

100 mm 200 mm 400 mm 1 m 2 m

125 125 125 135 150

≤ 20 ≤ 20 ≤ 25 ≤ 15 ≤ 15

20 25 150 300 300

Supresión de fondo

120 mm 250 mm 1,1 m

135 135 135

≤ 1 ≤ 1 ≤ 1

6 10 25

Barrera fotoeléctrica de reflexión

2 m 4 m 8 m

150 150 150

≤ 10 ≤ 10 ≤ 10

50 100 150

Barrera fotoeléctrica unidireccional

5 m 8 m 16 m 50 m

150 150 150 150

≤ 15 ≤ 15 ≤ 15 ≤ 15

8 12 12 20

Datos técnicos, generalidades

... es el margen de tempera-tura en el que queda garanti-zado el funcionamiento del

detector fotoeléctrico.Estándar de Balluff:–15 °C ≤ Ta ≤ +55 °C

Las conexiones de la alimen-tación de tensión puedenconfundirse sin destruir elsensor. En combinación con

la protección contra cortacir-cuito se obtiene una elevadaprotección contra errores decableado.

... reduce el margen derespuesta indicada desensores y fibras ópticasfrente a “aire limpio”, ya quelas partículas de suciedad yde polvo:

– Se acumulan en las lentesy merman su transmitancialuminosa

– Absorben y dispersan laluz en el paso de haz.

Con un dispositivo de sopla-do sin aceite pueden evitar-se influencias negativasoriginadas por un aire muyimpuro.


Emisor

Receptor

Objetos adetectar

de variación de temperaturaen % de sr.

... se ilumina en la zona“segura“, en la cual la ener-gía de entrada sobrepasa, obien, no alcanza la “energíaumbral” ±30 %.La “energía umbral”, en lacual se produce un cambiode señal en la salida, estádefinida en 100 %.A partir de esto se obtiene lazona “segura”:

– Si la señal de entrada so-brepasa como mínimo130 % de la energíaumbral

– Si la señal de entrada estáal 70 % o menos de laenergía umbral.

Salida(LED rojo)

Act

uaci

ón p

or o

scur

o

Act

uaci

ón p

or c

laroEstable

Inestable

Estable

Estabilidad(LED verde)

El indicador decontaminación (verde) ...(en las series BOS 15,BOS 18 (en parte), BOS 25,BOS 44, BOS 65, BOS 74)

Grado de contaminación Aire puroContaminación ligeraContaminación reducidaContaminación media

Contaminación elevada

Contaminación máxima

Condiciones de aplicación idealesAire relativamente limpio en recintos interioresRecintos de talleres y almacenesEntorno polvoriento y con vahosLa distancia de actuación se reduce a s = 0,5 su

Fuertes precipitaciones, copos y virutas arremolinados en el airePosible fallo de funcionamiento del sensor fotoelectrónicoPolvo de carbón que se precipita sobre la lentePosible fallo de funcionamiento del sensor fotoelectrónico


ResistenciaA golpes mecánicos segúnEN 60068-2-27

Forma de impulso:SemisinusoideAceleración máxima:300 – (30 gn)Duración de impulso: 11 ms

3 choques por cada ejeprincipal y dirección, esdecir, en total 18 choques

A choques permanentessegún EN 60068-2-29

Forma de impulso:SemisinusoideAceleración máxima:1000 – (100 gn)Duración de impulso: 2 ms

4000 choques por cada ejeprincipal y dirección, esdecir, en total 24000 cho-ques

A vibraciones mecánicassegún EN 600068-2-6

Margen de frecuencia:10...2000 HzAmplitud: 1 mm(de pico a pico) hasta 122 Hz30 gn encima de 122 Hz

Duración: 20 Sweeps porcada posición y dirección


Umbraldeactuación

m

s2

m

s2

nortécnica Calle 103 (ex Heredia) Nº 638 (B1672BKD), Villa Lynch, Gral. San Martín, Pcia. de Bs. As. Argentina

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