¿Cómo funcionan los sensores de proximidad en los distintos sectores?

En el mundo tecnológico contemporáneo hay miles de millones de procesos controlados por piezas ocultas y, en la mayoría de los casos, no reconocidas. Ya se trate de los intrincados movimientos de la cadena de producción de una fábrica o de la pantalla de un teléfono mudo que se atenúa con una llamada telefónica, son los sensores de proximidad los que hacen posible la automatización y el diseño inteligente entre bastidores. Estos dispositivos dotan a las máquinas de un sentido básico: la capacidad de ver o percibir la presencia de cualquier objeto sin necesidad de tocarlo. Esto se ha convertido en una piedra angular de la eficiencia, la seguridad y el diseño centrado en el usuario en prácticamente todas las grandes industrias. Este artículo arrojará luz sobre los principios de estos elementos decisivos, esbozará sus principales reproches a los sensores de proximidad y analizará sus usos revolucionarios en las empresas industriales más importantes.

¿Qué son los sensores de proximidad y por qué las industrias confían en ellos?

Para apreciar su impacto, primero hay que comprender su naturaleza fundamental y las claras ventajas que ofrecen frente a las alternativas mecánicas tradicionales.

¿Qué es un sensor de proximidad?

Un sensor de proximidad es un instrumento electrónico capaz de detectar la presencia de objetos cercanos sin contacto físico. Comercialmente, el sensor funciona proyectando un campo de energía en su proximidad inmediata, por ejemplo, un campo electromagnético, un haz de luz infrarroja, un haz de sonido a altas frecuencias, etc. A continuación, analiza la variación de este campo o su señal de retorno. Una vez que un objeto situado en una zona de detección rompe este campo, el circuito de salida del sensor conmuta e indica la presencia del objeto al sistema de control conectado (como un PLC, un microcontrolador o un ordenador). La característica distintiva que diferencia a los sensores de proximidad de otros dispositivos de tipo mecánico, como los interruptores de proximidad, es que los sensores de proximidad pueden identificarse como un principio sin contacto.

Por qué esta tecnología es indispensable

La adopción generalizada de los sensores de proximidad no es casual, sino el resultado directo de las convincentes ventajas operativas que ofrecen, lo que los hace indispensables para la automatización moderna.

• Mayor fiabilidad y longevidad: Como los sensores de proximidad no tienen piezas móviles, no están sujetos al desgaste mecánico que afecta a los interruptores tradicionales. Este diseño de estado sólido prolonga significativamente su vida útil y reduce los requisitos de mantenimiento, lo que se traduce en menos tiempo de inactividad y menores costes a largo plazo.
• Funcionamiento a alta velocidad: Al no estar limitados por la inercia mecánica, los sensores electrónicos pueden encenderse y apagarse a velocidades increíblemente altas. Esto los hace ideales para aplicaciones que implican procesos rápidos, como el recuento de objetos en una cinta transportadora que se mueve rápidamente o el control de la movimiento de un objeto en maquinaria.
• Seguridad e integridad de los productos: La naturaleza sin contacto de estos sensores les permite detectar objetos sin perturbarlos. Esto es fundamental en aplicaciones en las que el objeto es delicado, está recién pintado o es estéril. También mejora la seguridad del operario al permitir que las máquinas detecten los alrededores de manos o herramientas en zonas peligrosas.
• Resiliencia medioambiental: Muchos tipos de sensores de proximidad están sellados en carcasas robustas, lo que los hace muy resistentes a condiciones ambientales como el polvo, la humedad, el aceite y los contaminantes químicos. Esto les permite funcionar con fiabilidad en entornos industriales hostiles en los que los dispositivos mecánicos fallarían rápidamente.

Los cuatro tipos principales de tecnologías de detección de proximidad

Aunque todos los sensores de proximidad se basan en el mismo principio de detección sin contacto, realizan la tarea basándose en principios físicos diversos. La selección del tipo de sensor viene determinada por la naturaleza del material del objeto objetivo, el rango de detección necesario y el entorno de funcionamiento. Hay cuatro tipos principales de sensores de proximidad que prevalecen, a saber, la proximidad inductiva, la proximidad capacitiva, la proximidad fotoeléctrica y la proximidad ultrasónica. Sensores de proximidad inductivos

El sensor inductivo es el caballo de batalla de la automatización industrial para la detección de objetos metálicos.

Principio de funcionamiento:

Alternativamente, un sensor inductivo producirá un campo electromagnético de alta frecuencia, a través de una bobina en la cara de detección. Los objetos fabricados con un material metálico (materiales ferrosos o no ferrosos) producirán corrientes eléctricas muy pequeñas, denominadas corrientes de Foucault, en sus superficies exteriores cuando se introduzcan en este campo. Estas corrientes de Foucault hacen que se forme una segunda intensidad de campo magnético que contrarresta el campo original en el sensor y lo disminuye. Esta pérdida de oscilación del campo es detectada internamente por el circuito del sensor y utilizada para provocar la salida.

Objetos objetivo: Detecta exclusivamente objetos metálicos.

Ventajas:

• Extremadamente robusto y duradero.
• Muy resistente al polvo, la suciedad, el aceite y la humedad.
• Velocidades de conmutación rápidas y una vida útil muy larga.
• Soporta temperaturas extremas.

Desventajas:

• Limitado a la detección de objetivos metálicos únicamente.
• El rango de detección es relativamente corto, normalmente desde unos pocos milímetros hasta unos 60 mm.

Sensores de proximidad capacitivos

Los sensores capacitivos ofrecen una mayor versatilidad de materiales en comparación con sus homólogos inductivos.

Principio de funcionamiento:

Los sensores capacitivos son un condensador abierto en el que la cara de detección es una placa y un segundo electrodo interno es la otra placa. Esto proporciona un campo electrostático estable. Cuando un objeto, conductor o no conductor, se acerca a la cara de detección, cambia la constante dieléctrica de los espacios entre las placas. Esta alteración de las capacidades dieléctricas provoca una alteración de la capacitancia del sistema. Cuando este cambio supera un umbral establecido, el sensor se activa.

Objetos objetivo: Puede detectar casi cualquier material, incluidos metales, plásticos, madera, líquidos, polvos y sustancias granulares.

Ventajas:

• Gran versatilidad en la gama de materiales que puede detectar.
• Útil para aplicaciones como la detección del nivel de líquido a través de una pared no metálica del depósito.

Desventajas:

• Más sensibles a factores ambientales como la humedad, que pueden provocar falsos disparos.
• El alcance de detección también es bastante corto.

Sensores fotoeléctricos de proximidad

Los sensores fotoeléctricos (u ópticos) utilizan un haz de luz para detectar la presencia de un objeto.

Principio de funcionamiento:

Estos sensores constan de dos componentes principales: un emisor (normalmente un LED de infrarrojos o luz visible) y un receptor (un fotodiodo o fototransistor). Funcionan en uno de los tres modos principales:

Viga pasante: El emisor y el receptor están en carcasas separadas, uno frente al otro. Un objeto se detecta cuando interrumpe el haz de luz entre ambos.

Retro-reflectante: El emisor y el receptor están en la misma carcasa. El haz de luz rebota en un reflector especial, y se detecta un objeto cuando interrumpe esta trayectoria.

Difusor-reflectante: El emisor y el receptor están en la misma carcasa, y el sensor se basa en el haz de luz que se refleja directamente en el propio objeto objetivo.

Objetos objetivo: Detecta la mayoría de los objetos opacos o semiopacos.

Ventajas:

• Ofrece un alcance de detección mucho mayor que los tipos inductivo o capacitivo, capaz de alcanzar muchos metros.
• Muy versátil y disponible en varias configuraciones.

Desventajas:

• El rendimiento puede verse afectado por el color, la reflectividad y la textura de la superficie del objetivo.
• Las lentes pueden quedar oscurecidas por el polvo, la suciedad o la humedad, por lo que es necesario limpiarlas periódicamente.

Sensores de proximidad por ultrasonidos

Los sensores ultrasónicos utilizan ondas sonoras para medir la distancia y detectar objetos, de forma similar al sonar.

Principio de funcionamiento:

El sensor emite un breve pulso de sonido de alta frecuencia. A continuación, entra en modo de escucha, a la espera de que el sonido se refleje en un objeto y regrese en forma de eco. El microprocesador del sensor mide el tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción del sonido (conocido como “tiempo de vuelo”). Utilizando la velocidad del sonido, calcula con precisión la distancia al objeto.

Objetos objetivo: Puede detectar casi cualquier objeto que refleje el sonido, independientemente de su color, transparencia o brillo superficial. Esto incluye el cristal transparente, los líquidos y los metales brillantes.

Ventajas:

• Excelente para detectar objetos transparentes o de forma irregular.
• No le afecta el color.
• Puede utilizarse para medir distancias, no sólo para detectar presencia.

Desventajas:

• Tiempo de respuesta más lento en comparación con los sensores fotoeléctricos.
• Puede tener dificultades para detectar materiales blandos que absorben el sonido, como la espuma o el tejido.
• Puede tener una “zona ciega” muy cerca de la cara del sensor donde la detección no es posible.

Resumen de los tipos de sensores de proximidad

Automatización con sensores en la industria manufacturera

Los sensores de proximidad en la industria manufacturera constituyen los pasos básicos de la automatización. Cientos de estos sensores en una línea de producción moderna cooperan para garantizar que los procesos se desarrollan sin problemas, de forma segura y con la mayor eficacia posible. La verificación de la ubicación de las piezas metálicas de las máquinas, las abrazaderas y las fijaciones se realiza universalmente mediante sensores magnéticos de proximidad. Siguiendo con el ejemplo anterior, un sensor indicará a un brazo robótico que un chasis metálico se encuentra en la posición correcta antes de comenzar la soldadura. En un sistema transportador, la detección y el recuento de objetos es esencial y los sensores fotoeléctricos son ideales para este fin; un sensor de haz pasante puede garantizar que pasa cada botella y un sensor difuso puede asegurarse de que se ha colocado una etiqueta en una caja. Esta retroalimentación continua permite que el control sea preciso, que el número de errores sea mínimo y que el rendimiento sea extremadamente alto.

Mejorar la experiencia del usuario en electrónica de consumo como su smartphone

Fuera de las fábricas, sin embargo, hay sensores de proximidad en el corazón de dispositivos que todos utilizamos habitualmente. La mayoría de la gente está familiarizada con la variedad más popular, el sensor de proximidad por infrarrojos (IR) de su smartphone. Cuando se apoya el teléfono en la oreja al hablar, la pantalla se apaga automáticamente para evitar contactos indeseados con la piel de la cara y ahorrar batería. Para ello se utiliza un pequeño LED IR que emite un haz invisible de luz infrarroja y un dispositivo sensor de luz que lee el reflejo. Con la cara cerca, la intensidad de la luz reflejada es muy alta, lo que hace que el software apague la pantalla y la pantalla táctil. Una interacción tan sencilla y fluida es un ejemplo perfecto de cómo los sensores pueden implementarse para aportar una experiencia de usuario más natural e inteligente, sobre todo en Android y las aplicaciones móviles.

Mejora de los sistemas de seguridad con sensores en la industria del automóvil

Los sensores de proximidad son una de las funcionalidades más explotadas en la industria del automóvil, cuyas principales funciones son fomentar la seguridad del vehículo y la comodidad del conductor. El familiar pitido de un sistema de ayuda al aparcamiento es la actividad de unos sensores ultrasónicos instalados en el parachoques del coche. Estos sensores emiten impulsos sonoros cuando el vehículo da marcha atrás. El sonido rebota cuando un obstáculo, como un vehículo, un bordillo o un peatón, se encuentra en la parte trasera del vehículo. Evaluando el tiempo de vuelo, el sistema obtiene la distancia al obstáculo y convierte los valores en señales sonoras y/o visibles para el conductor. Cuanto más cerca está el objeto, más apresuradas son las señales acústicas. Este sistema ha reducido drásticamente los fallos de aparcamiento a baja velocidad y ha servido de base para sofisticados sistemas automatizados de aparcamiento y asistencia al conductor (ADAS).

Cómo elegir el sensor adecuado para las necesidades de su sector

Seleccionar el sensor de proximidad adecuado entre los miles de modelos disponibles es una decisión crítica de ingeniería. Hacer la elección correcta requiere una evaluación sistemática de los requisitos específicos de la aplicación. Un ingeniero o técnico debe seguir un proceso claro de toma de decisiones:

• Identificar el material objetivo: ¿Es metálico el artículo a detectar? Si la respuesta es afirmativa, un sensor inductivo suele ser la opción más robusta y económica. Los sensores capacitivos, fotoeléctricos o ultrasónicos son necesarios cuando se trata de un artículo no metálico, líquido o en polvo.
• Determinar la distancia de detección: Los sensores de inducción y capacitancia pueden utilizarse cuando el alcance es corto (unos pocos milímetros). Los sensores fotoeléctricos son los más comunes, cuando hay que medir distancias más largas, desde unos centímetros hasta muchos metros. Los sensores ultrasónicos ocupan un espacio intermedio que funciona entre rangos de centímetros y varios metros.
• Analizar el entorno operativo: ¿Estará el sensor expuesto al polvo, el agua, el aceite o las altas temperaturas? Los sensores inductivos podrían ser muy resistentes en entornos mugrientos y sucios. Las lentes fotoeléctricas deben protegerse contra el oscurecimiento cuando en la aplicación hay mucho polvo o vapor.
• Considere las propiedades del objetivo: Además del material, otras características también son críticas. ¿Es el objetivo transparente, como una botella de cristal? Es preferible utilizar una fotocélula catadióptrica/ultrasónica. ¿Tiene un color irregular? Un sensor fotoeléctrico difuso sería menos fiable que un sensor ultrasónico daltónico.
• Evaluar los requisitos de velocidad y precisión: Cuando se requiere un número preciso de conteo o posicionamiento y la velocidad es un problema, se requiere la combinación de tiempos de respuesta rápidos de los sensores inductivos y fotoeléctricos. En aquellas aplicaciones que requieren una gran precisión en la medición de distancias, sería adecuado un sensor ultrasónico o un sensor fotoeléctrico láser especial.

El futuro de los sensores de proximidad en robótica e IoT

El trabajo de los sensores de proximidad está aún en proceso de desarrollo. Están cobrando importancia en el ámbito de la IoT y la robótica. En el caso de los actuales robots colaborativos (“cobots”) destinados a operar en el mismo espacio que los humanos, se confía en un conjunto de sensores avanzados para garantizar la seguridad y formar un campo de protección virtual que reduce o detiene la velocidad del robot cuando el humano está demasiado cerca. Los sensores de proximidad son los sentidos de recogida de datos más importantes en la vasta red de la IO. Ayudan a que los edificios inteligentes sepan quién está en una habitación para ajustar la iluminación y el control de la climatización, a que los sistemas agrícolas inteligentes comprueben los niveles de llenado de los silos de grano y a que las empresas de logística hagan un seguimiento de los paquetes que circulan por un almacén. Con la inexorable disminución de su tamaño y el aumento de la eficiencia energética y la conectividad a su favor (mediante conexiones inalámbricas), la capacidad de los sensores para proporcionar datos en tiempo real se convertirá cada vez más en el motor de innovación que impulse el desarrollo de la próxima generación de sistemas inteligentes y conectados.