Guía definitiva de tipos de sensores fotoeléctricos: De lo básico a la IIoT

Los sensores fotoeléctricos han evolucionado mucho más que interruptores de encendido y apagado en la era de la Industria 4.0. Han evolucionado hasta convertirse en unidades de detección de precisión de análisis de alta frecuencia, retroalimentación digital y adaptación a entornos extremos. Para los ingenieros eléctricos, la clave de la salsa secreta para garantizar la eficacia general de los equipos (OEE) reside en la lógica física y los límites de aplicación de los distintos tipos de sensores. Este blog, apoyado por las opiniones de los expertos de Eaton, explora en detalle el entorno técnico de los ojos fotoeléctricos, empezando por la arquitectura física y la selección de productos.

Cómo funcionan los sensores fotoeléctricos: Física básica simplificada

Fundamentalmente, el funcionamiento de un sensor fotoeléctrico es un experimento de alta precisión en la captura y conversión de fotones. El proceso principal puede subdividirse en: excitación energética, emisión controlada, propagación espacial, interacción física y análisis lógico.

Desde un punto de vista estructural, el extremo de emisión se basa en un diodo emisor de luz (LED) o un diodo láser (LD) para producir una luz roja o un haz visible. A través de un circuito de modulación, el emisor envía una columna de luz pulsada de alta frecuencia a un ciclo de trabajo específico. Esta modulación es fundamental: permite que el elemento receptor, que contiene elementos detectores especializados, utilice un filtro de paso de banda para identificar con precisión su propia frecuencia de señal en medio del “ruido” de la luz ambiental de fondo.

La atenuación de la luz durante la fase de propagación se basa en complicados modelos físicos. En las aplicaciones "through-beam", la distribución de la energía del punto luminoso es normalmente una distribución gaussiana. El fotodiodo del receptor emplea el efecto fotovoltaico para transformar el flujo de fotones en una medida de energía mediante corriente eléctrica de nivel de microamperios.

Para una detección precisa, debemos centrarnos en la métrica Excess Gain. Se trata de la relación entre la cantidad de energía luminosa realmente recibida y la cantidad mínima de energía luminosa necesaria para activar la salida. La fórmula es la siguiente

Si el exceso de ganancia es > 1, el sensor proporciona una salida estable. En entornos con mucho polvo, los ingenieros deben seleccionar modelos con un exceso de ganancia de 10 a 100 veces (como los de haz pasante) para compensar la pérdida de energía causada por el medio en la ruta de detección.

Tipos de barreras fotoeléctricas: Clasificación completa

Los principales tipos de sensores fotoeléctricos se clasifican según la configuración del eje óptico y la interacción con el objeto objetivo. Los ingenieros necesitan un profundo conocimiento de estos modos de detección para elegir entre sensores de proximidad y ópticos de largo alcance:

1. Through-Beam: el pináculo del largo alcance y la alta redundancia

Los sensores de barrera son dispositivos físicos que separan físicamente el emisor y el receptor para formar un eje óptico recto entre ellos.

• Mecanismo profundo: El haz efectivo se dirige a la lente receptora sin pérdida de reflexión, lo que se traduce en la mayor intensidad de señal posible. Como utiliza todo el haz efectivo, es prácticamente independiente del color o de las condiciones de la superficie del objetivo.
• Detalle de ingeniería: Cuando se instalan haces pasantes de larga distancia (por ejemplo, de 50 m a 100 m), hay que tener en cuenta lo siguiente Difracción. Si un pequeño objeto obstruye menos de 30% del haz, las ondas de luz pueden “curvarse” alrededor del objeto como el agua alrededor de una piedra, impidiendo que el receptor detecte un cambio. En tales casos, debe añadirse una “rendija” (apertura) para comprimir el diámetro del haz, o bien utilizar una fuente láser.

2. Retrorreflectante: Equilibrio espacial y filtro de polarización

El emisor y el receptor están integrados en una sola cara, y el haz es devuelto por un reflector (formado por un número infinito de microprismas o cubos angulares).

• Polarización: Se trata de una variante de gama alta. Los sensores retrorreflectantes estándar se activan fácilmente por falsos reflejos en superficies espejadas (como el cristal pulido o el acero inoxidable). Los sensores avanzados incorporan filtros polarizadores perpendiculares entre sí.
• Lógica de filtrado físico: La luz polarizada horizontal emitida por el sensor es “despolarizada” en luz polarizada vertical por el reflector, lo que le permite pasar a través del filtro del receptor. Sin embargo, la luz reflejada por un objetivo en forma de espejo mantiene su fase y es bloqueada por el filtro. Este mecanismo de reconocimiento de fase elimina la interferencia del espejo en la raíz física.

3. Reflectante difuso: La apuesta de la flexibilidad frente al material

Este modo utiliza la luz difusa reflejada directamente en la superficie del objetivo. Es el más fácil de instalar, pero el que más depende de las propiedades del material.

• Modelización energética y Atenuación: La distancia de detección D es no linealmente proporcional a la reflectividad rho del blanco. Las distancias de detección estándar suelen definirse a partir de papel blanco con una reflectividad de 90%. Si se detecta caucho negro o fibra de carbono (reflectividad aproximada 6%-10%), la distancia de detección cae en picado.
• Límite de aplicación: Los ingenieros deben consultar las “Tablas de factores de corrección de materiales”.”

4. Supresión de fondo (BGS): Medición de la geometría espacial

Un desarrollo de la tecnología difusa, el BGS no juzga en función de la intensidad de la luz, sino del Principio de Triangulación para ignorar los objetos de fondo.

• Estructura física: El receptor utiliza una matriz CMOS o PSD (Position Sensitive Device). Determina la distancia detectando el cambio en la posición física del punto luminoso reflejado en la matriz interna.
• Núcleo Valor: Puede “cortar” con precisión el fondo. Aunque el objeto se coloque directamente delante de un marco metálico reflectante más grande y brillante, el sensor no se activará a menos que el objeto se encuentre en el rango de detección preestablecido. Es la única respuesta constante al dilema del objeto oscuro sobre un fondo brillante.

5. Haz convergente: precisión para huecos diminutos y láminas finas

Gracias a un diseño de lente especializado, la luz emitida y los campos de visión del receptor se entrecruzan en un minúsculo punto focal específico, lo que ofrece una mayor precisión.

• Característica técnica: Sólo responde a objetos situados en el punto focal (por ejemplo, fijado a 20 mm).
• Uso práctico: Ideal para detectar alturas de componentes en placas de circuito impreso, bordes de obleas o distinguir capas de película fina en espacios extremadamente reducidos.

6. Detección de objetos nítidos: Optimizada para materiales de alta transparencia

Especialmente creada para trabajar con materiales como vidrio de alta claridad, botellas de PET o láminas transparentes.

• Principio: Utiliza circuitos ópticos más sensibles y tecnología de compensación automática. Puede activarse cuando el haz de luz es atenuado por un objeto transparente en apenas un 10%.
• Control automático del umbral (ATC): Estos sensores rastrean las caídas graduales de energía causadas por una contaminación suficiente de las lentes y ajustan automáticamente el umbral de alarma, evitando paradas de la línea de producción debidas a pequeñas acumulaciones de suciedad.

7. Fibra óptica: Extensión digital para entornos extremos

Utiliza fibras de plástico o vidrio para curvar el haz de luz hasta el punto de detección, y el amplificador (electrónica) se monta a distancia.

• Ingeniería Valor: Los cabezales de fibra no tienen piezas electrónicas y pueden utilizarse a temperaturas de hasta 300 grados centígrados. Las puntas de fibra pueden ser tan finas como una aguja (diámetro <1 mm).
• Inmunidad electromagnética: Dado que transmite señales luminosas puras, ofrece una estabilidad inigualable en entornos con fuertes interferencias electromagnéticas, riesgos de explosión o alto vacío.

8. Área / Rejilla de luz: Protección contra errores y seguridad

Compuesto por un conjunto de múltiples ejes pasantes que forman un plano de detección bidimensional.

• Función lógica: Ya no detecta un único “punto”, sino un “plano”. Se utiliza habitualmente en logística para detectar paquetes de forma irregular o como cortinas ópticas de seguridad para maquinaria, utilizando una lógica multieje para mayor redundancia y seguridad.

Resolver retos complejos con sensores BGS

La tecnología BGS es la tecnología negra del mundo difuso. Eleva la dimensión del sensor de medición de intensidad luminosa a medición de geometría espacial.

Los sensores difusos tradicionales son incapaces de diferenciar entre un objeto cercano y oscuro y un objeto lejano y brillante debido a la posibilidad de que la intensidad de la luz reflejada al sensor sea la misma. Los sensores BGS resuelven este problema mediante la triangulación.

A medida que un objeto se desplaza en el radio de acción del aparato, varía la ubicación física de la luz reflejada en el CMOS. Este desplazamiento es calculado por el chip DSP interno de alta velocidad para obtener las coordenadas precisas del objeto.

• Ventaja física: Independientemente de que el objeto sea negro absorbente de luz o blanco reflectante, siempre que su posición física se encuentre más allá de los valores predeterminados de “Distancia de corte”.” el sensor permanece silencioso. Es la única solución estable cuando se monta en el lateral de una cinta transportadora con un bastidor metálico vibrante de fondo.

Soluciones especializadas para sectores comunes

En el mundo actual de la automatización industrial no existe un sensor universal. Las industrias requieren una durabilidad física extrema, frecuencias ópticas y algoritmos antiinterferencias.

Vidrio y envases - El reto de la transparencia

El mayor quebradero de cabeza a la hora de identificar vidrio cristalino de alta calidad o envases de PET de gran transparencia es que la luz penetra a través del objetivo casi al 100 %, y el receptor presenta variaciones de energía insignificantes.

• Punto de dolor: Los sensores retrorreflectantes estándar sólo pueden ver una caída de luz de 5% cuando hay vidrio. Cualquier resto de polvo puede provocar “pasadas en falso” o interferencias en la señal.
• Soluciones Deep Tech:
  • Algoritmos de baja histéresis: Sensores especializados capaces de captar caídas de intensidad luminosa tan bajas como 10%.
  • Tecnología adaptativa DPAC: La acumulación de polvo provoca una desviación de la señal con el tiempo. DPAC permite al sensor redefinir automáticamente la línea de base “vacía”, lo que garantiza que el umbral se mantiene en relación con el fondo y evita falsas alarmas.
  • Estructura óptica coaxial: Para evitar los errores de refracción debidos a la vibración de las botellas, los sensores coaxiales (en los que la emisión y la recepción se encuentran exactamente en la misma línea) eliminan los puntos ciegos y garantizan la precisión en los cuellos o fondos de las botellas.

Alimentación y farmacia - Higiene extrema y lavado a alta presión

La prueba aquí no es la dificultad de detección, sino “supervivencia”.” Se trata de entornos repletos de limpiadores químicos de alta concentración y frecuentes lavados con agua caliente.

• Punto de dolor: Las carcasas de plástico estándar se agrietan con los lavados a alta presión a 80 °C o se corroen con ácidos o álcalis fuertes.
• Soluciones Deep Tech:
  • IP69K y acero inoxidable 316L: Las carcasas deben ser de acero inoxidable 316L de calidad médica que pueda soldarse con láser. Este material resiste 100 bares de presión y no deja zonas muertas en las que puedan crecer bacterias.
  • Lentes de cristal y diseño sin etiqueta: Cambie el plástico por vidrio templado resistente a los productos químicos. Utilice marcaje láser en lugar de pegatinas para evitar que las etiquetas se despeguen y contaminen la cadena alimentaria.
  • Amplia gama de temperaturas: Para los envases de la cadena de frío, las funciones antihielo son vitales para garantizar que las lentes no se empañen durante los frecuentes ciclos de frío/calor.

Industria pesada y metalúrgica - Alto calor, polvo y aceite

Los entornos siderúrgicos, mineros y metalúrgicos están cargados de polvo conductor, salpicaduras de refrigerante y temperaturas que alcanzan cientos de grados.

• Punto de dolor: Las placas de circuitos fallan con el calor, y las lentes quedan rápidamente cegadas por el aceite espeso o la suciedad.
• Soluciones Deep Tech:
  • Separación remota de fibras: Coloque el frágil amplificador en un armario eléctrico remoto y utilice cabezales de fibra de vidrio blindados de acero inoxidable para llegar a la zona de calor del núcleo (capaz de soportar 350 grados centígrados).
  • Campanas de soplado de aire: Instale una cortina de aire a presión constante delante del objetivo. Esto utiliza la dinámica de fluidos para evitar que el polvo y las gotas de aceite se adhieran, ampliando los ciclos de limpieza más de 10 veces.
  • Haz pasante de alta redundancia: En zonas con humo o polvo, se pueden utilizar haces pasantes con un exceso de ganancia ultraelevado, que se pueden disparar incluso cuando 90% del haz está oscurecido por la bruma.

Logística y almacenamiento - Detección a gran escala

La logística hace hincapié en la clasificación a alta velocidad, la inmunidad a la luz ambiental y la facilidad de instalación.

• Punto de dolor: Iluminación LED intensa en el almacén, paquetes negros que se mueven con rapidez y palés de formas irregulares.
• Soluciones Deep Tech:
  • Rejillas ópticas de detección de área: Las rejillas ópticas se utilizan en el caso de paquetes irregulares (como los sacos de polietileno blando) para escanear todo el plano y éste se cuenta correctamente independientemente de la orientación del paquete.
  • Codificación antiinterferencias: Cuando se montan cientos de sensores uno al lado del otro, la diafonía es mortal. Los sensores modernos tienen una codificación de impulsos única para garantizar que solo responden a su luz.
  • BGS Transportador Corte: No siente el fondo negro del transportador de alta velocidad para reducir la carga de datos en el PLC.

Láser vs. LED: Elegir la fuente de luz adecuada

La elección de una fuente de luz es un compromiso entre Densidad energética y Tolerancia.

Fuente LED (Luz Incoherente): La base de la estabilidad

• Propiedades físicas: El punto luminoso diverge en forma de cono. El punto suele tener una anchura de 10-15 mm a 100 mm. Esta rugosidad es, de hecho, una ventaja colosal en la mayoría de las situaciones.
• Lógica y ventajas:
  • Vibración Tolerancia: Como el punto es grande, el receptor sigue recibiendo suficiente señal cuando el soporte del sensor vibra un poco al funcionar a alta velocidad.
  • Ignorar los defectos: Como el punto es grande, el receptor sigue recibiendo suficiente señal cuando el soporte del sensor vibra un poco al funcionar a alta velocidad.
  • Vida útil: Los sensores LED son fáciles de usar y más tolerantes al calor, por lo que son la mejor opción en líneas logísticas 24/7.

Fuente láser (luz coherente): Precisión y alcance extremos

Características de la luz láser Colimación y la monocromaticidad.

• Propiedades físicas: El haz es casi paralelo (divergencia <0,1 grados). Incluso a 10 metros, el punto se mantiene a nivel milimétrico.
• Lógica y escenarios:
  • Posicionamiento submilimétrico: Detección de obleas de 0,5 mm o marcas de ojo de 0,5 mm en máquinas de envasado de alta velocidad (600 m/min).
  • Largo alcance: Mantiene una elevada relación señal/ruido a más de 100 metros para alarmas perimetrales.

Cuadro comparativo: Toma de decisiones basada en datos

Factores críticos de selección: Más allá de la distancia y la velocidad

Para conseguir “cero falsas alarmas” y “larga vida útil”, hay que fijarse en las variables ocultas tras la ficha técnica.

1. Propiedades físicas del objetivo: Definición del techo de detección

• Reflectancia espectral y color Atenuación: En la detección difusa, un blanco negro refleja sólo 6%-10% de luz. Cuando el fondo es metálico brillante, hay que utilizar BGS para que el fondo no opaque la señal del objetivo.
• Transparencia y penetración del haz: Para detectar una pequeña disminución de la energía (10 por ciento) en un vidrio o película ultratransparentes, se necesitan sensores de baja histéresis y ATC.
• Geometría de superficie: Las esferas brillantes o inclinadas desvían la luz. En tales situaciones, las fuentes LED de punto grande no son tan peligrosas como los láseres de precisión para garantizar que parte de la luz se refleje en el receptor.

2. Ruido“ ambiental y exceso de ganancia: Definición de estabilidad

• Curva de exceso de ganancia: No te fijes sólo en la distancia nominal; fíjate en la ganancia a esa distancia. En zonas polvorientas, necesita un modelo en el que la ganancia siga siendo >10 o incluso >50 a la distancia objetivo. Esto garantiza que el sistema funcione incluso si el objetivo está 50% cubierto de suciedad.
• Inmunidad a la luz ambiental: Las claraboyas de fábrica o los LED de alta frecuencia pueden saturar los receptores baratos. Los sensores profesionales utilizan la modulación síncrona de impulsos para mantener la precisión por debajo de 30.000 Lux.
• EMC: Los cables de alta potencia de los motores generan interferencias. Asegúrate de que tus sensores tengan blindaje reforzado y protección contra sobretensiones.

3. Márgenes mecánicos y control de histéresis

• Histéresis: La distancia física entre los puntos “On” y “Off”. Para objetivos vibrantes o rugosos, se necesita una histéresis de 10%-20% de la distancia de detección para evitar el “parloteo” de la señal.”
• Restricciones espaciales: En brazos robóticos estrechos, cambie a Fibra óptica o Vista lateral diseños. Los cabezales de fibra son fáciles de manejar por problemas de espacio y puntos ciegos mecánicos.

4. Respuesta dinámica y coherencia lógica

• Frecuencia y Ciclo de trabajo: Cuando se trate de objetos pequeños (por ejemplo, alfileres de 1 mm) a altas frecuencias, asegúrese de que la respuesta en frecuencia del sensor es lo suficientemente rápida como para muestrear el objeto varias veces durante la ventana de paso.
• Protección de salida: Compruebe que la salida tiene Cortocircuito y Protección contra polaridad inversa. Esto evita que un simple error de cableado fría un costoso controlador.

¿Por qué el poder blando de la cadena de suministro es una norma esencial?

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Explicación de los tipos de salida: NPN frente a PNP y Light-ON frente a Dark-ON

El emparejamiento eléctrico correcto es el requisito previo para la funcionalidad.

1. Lógica de transistores: NPN vs. PNP

• NPN (Hundiéndose): La carga se conecta entre el raíl positivo y la salida. Cuando se activa, el sensor tira de la salida a masa (0 V). Común en Asia.
• PNP (Abastecimiento): La carga se conecta entre el raíl negativo y la salida. Cuando se activa, el sensor bombea +24 V a la carga. Común en Europa por seguridad (un cortocircuito a tierra no activará una señal falsa).

2. Modos de acción: Luz encendida vs. Oscuridad encendida

• Light-ON: La salida se cierra cuando el receptor ve luz por encima del umbral.
• Dark-ON: La salida se cierra cuando el receptor está “oscuro” (haz bloqueado).
• En las aplicaciones de seguridad de haz pasante, se prefiere Light-ON para que un cable de alimentación roto se interprete como un estado “bloqueado”, deteniendo la máquina.

A prueba de futuro con IO-Link y diagnóstico inteligente

El futuro es Datos. IO-Link ha transformado los sensores de interruptores en nodos de datos.

• Asignación de parámetros digitales: El técnico no necesita utilizar un destornillador para ajustar un potenciómetro, el PLC puede desplazar las nuevas distancias de detección a todos los sensores en 1 segundo durante un cambio de producto.
• Predictivo Mantenimiento: Los sensores son capaces de proporcionar su retroalimentación de Margen de Ganancia. En caso de que la suciedad disminuya la señal entre un 100 y un 40 por ciento, el sensor transmite una solicitud de limpieza a través de IO-Link antes de que la línea falle realmente.

Solución rápida de problemas: Errores comunes de configuración

1. Diafonía: Dos haces pasantes instalados uno al lado del otro donde el Emisor A choca con el Receptor B.

Solución: Móntelos en cruz (emisor junto a receptor) o utilice sensores con frecuencias mutuamente excluyentes.

2. Difracción de objetos pequeños: Los cables muy finos pueden permitir que la luz se “doble” a su alrededor.

Solución: Utiliza una fuente láser o añade una rendija de apertura.

3. Gane Saturación: En un sistema retrorreflectante, el reflector está demasiado cerca y la energía puede saturar el amplificador, que no podrá ver objetos de alta transparencia.

Solución: Reduzca la sensibilidad o utilice un sensor con control automático de ganancia.