Como os sensores de proximidade funcionam em diferentes setores?

No mundo tecnológico contemporâneo, há bilhões de processos controlados por peças ocultas e, na maioria dos casos, não reconhecidas. Sejam os intrincados movimentos da linha de produção em uma fábrica ou a tela de um telefone mudo que escurece com uma chamada telefônica, são os sensores de proximidade que possibilitam a automação e o design inteligente nos bastidores. Esses dispositivos dão às máquinas um sentido básico - uma capacidade de ver ou sentir a ocorrência de qualquer objeto sem necessariamente tocá-lo. Isso se tornou um elemento fundamental para a automação e o design inteligente. Isso se tornou a pedra angular da eficiência, da segurança e do design centrado no usuário em praticamente todos os grandes setores. Este documento esclarecerá os princípios desses elementos decisivos, delineará suas principais reprovações aos sensores de proximidade e discutirá seus usos revolucionários nos empreendimentos industriais mais importantes.

O que são sensores de proximidade e por que os setores dependem deles?

Para avaliar seu impacto, é preciso primeiro entender sua natureza fundamental e as vantagens distintas que oferecem em relação às alternativas mecânicas tradicionais.

O que é um sensor de proximidade?

Um sensor de proximidade é um instrumento eletrônico que tem a capacidade de detectar a presença de objetos próximos sem contato físico. Comercialmente, o sensor funciona projetando um campo de energia em sua vizinhança imediata, por exemplo, campo eletromagnético, feixe de luz infravermelha, feixe de som em altas frequências etc. Em seguida, ele analisa a alteração nesse campo ou seu sinal de retorno. Quando um objeto em uma zona de detecção rompe esse campo, o circuito de saída do sensor liga e indica a presença do objeto para o sistema de controle conectado (como um PLC, microcontrolador ou computador). A característica distintiva que diferencia os sensores de proximidade de outros dispositivos do tipo mecânico, como os interruptores de proximidade, é que os sensores de proximidade podem ser identificados como um princípio sem contato.

Por que essa tecnologia é indispensável

A adoção generalizada de sensores de proximidade não é acidental; é um resultado direto das vantagens operacionais convincentes que eles oferecem, tornando-os indispensáveis para a automação moderna.

• Maior confiabilidade e longevidade: Como os sensores de proximidade não têm partes móveis, eles não estão sujeitos ao desgaste mecânico que afeta os switches tradicionais. Esse design de estado sólido resulta em uma vida útil operacional significativamente mais longa e reduz os requisitos de manutenção, resultando em menos tempo de inatividade e custos mais baixos a longo prazo.
• Operação em alta velocidade: Sem a restrição da inércia mecânica, os sensores eletrônicos podem ser ligados e desligados em velocidades incrivelmente altas. Isso os torna ideais para aplicações que envolvam processos rápidos, como a contagem de objetos em uma esteira transportadora em movimento rápido ou o monitoramento da movimento de um objeto em maquinário.
• Segurança e integridade do produto: A natureza sem contato desses sensores permite que eles detectem objetos sem perturbá-los. Isso é fundamental em aplicações em que o alvo é delicado, recém-pintado ou estéril. Ele também aumenta a segurança do operador, permitindo que as máquinas detectem o vizinhança de mãos ou ferramentas em áreas de risco.
• Resiliência ambiental: Muitos tipos de sensores de proximidade são selados em gabinetes robustos, o que os torna altamente resistentes a condições ambientais como poeira, umidade, óleo e contaminantes químicos. Isso permite que eles funcionem de forma confiável em ambientes industriais adversos, onde os dispositivos mecânicos falhariam rapidamente.

Entendendo os quatro tipos principais de tecnologias de sensoriamento de proximidade

Embora todos os sensores de proximidade sejam baseados no mesmo princípio de detecção sem contato, eles realizam a tarefa com base em princípios físicos diferentes. A seleção do tipo de sensor é determinada pela natureza do material do objeto-alvo, pela faixa de detecção necessária e pelo ambiente de operação. Há quatro tipos principais de sensores de proximidade que prevalecem, a saber: proximidade indutiva, proximidade capacitiva, proximidade fotoelétrica e proximidade ultrassônica. Sensores de proximidade indutivos

O sensor indutivo é o carro-chefe da automação industrial para detecção de objetos metálicos.

Princípio de funcionamento:

Como alternativa, um sensor indutivo produzirá um campo eletromagnético de alta frequência por meio de uma bobina na face do sensor. Os objetos feitos de material metálico (materiais ferrosos ou não ferrosos) produzirão correntes elétricas muito pequenas, chamadas correntes de Foucault, em suas superfícies externas quando forem levados a esse campo. Essas correntes parasitas causam a formação de uma segunda força de campo magnético que se contrapõe ao campo original no sensor e o diminui. Essa perda de oscilação de campo é detectada internamente pelo circuito do sensor e usada para gerar a saída.

Objetos-alvo: Detecta exclusivamente objetos metálicos.

Vantagens:

• Extremamente robusto e durável.
• Altamente resistente a poeira, sujeira, óleo e umidade.
• Velocidades de comutação rápidas e uma vida operacional muito longa.
• Pode suportar temperaturas extremas.

Desvantagens:

• Limitado à detecção apenas de alvos metálicos.
• A faixa de detecção é relativamente curta, normalmente de alguns milímetros até cerca de 60 mm.

Sensores de proximidade capacitivos

Os sensores capacitivos oferecem maior versatilidade de materiais em comparação com seus equivalentes indutivos.

Princípio de funcionamento:

Os sensores capacitivos são um capacitor aberto em que a face de detecção é uma placa e um segundo eletrodo interno é a outra placa. Isso gera um campo eletrostático estável. Quando qualquer objeto, tanto condutor quanto não condutor, se aproxima da face de detecção, a constante dielétrica das lacunas entre as placas é alterada. Essa alteração na capacidade dielétrica leva a uma alteração na capacitância do sistema. Quando essa alteração ultrapassa um limite definido, o sensor se torna ativo.

Objetos-alvo: Pode detectar praticamente qualquer material, incluindo metais, plásticos, madeira, líquidos, pós e substâncias granulares.

Vantagens:

• Altamente versátil na variedade de materiais que pode detectar.
• Útil para aplicações como detecção de nível de líquido através de uma parede de tanque não metálica.

Desvantagens:

• Mais sensível a fatores ambientais, como umidade e umidade, que podem causar disparos falsos.
• A faixa de detecção também é bastante curta.

Sensores de proximidade fotoelétricos

Os sensores fotoelétricos (ou ópticos) usam um feixe de luz para detectar a presença de um objeto.

Princípio de funcionamento:

Esses sensores consistem em dois componentes principais: um emissor (geralmente um LED de luz visível ou infravermelha) e um receptor (um fotodiodo ou fototransistor). Eles operam em um dos três modos principais:

Thru-Beam: O emissor e o receptor ficam em compartimentos separados, um de frente para o outro. Um objeto é detectado quando interrompe o feixe de luz entre eles.

Retro-reflexivo: O emissor e o receptor estão no mesmo compartimento. O feixe de luz é refletido em um refletor especial, e um objeto é detectado quando interrompe esse caminho.

Difusor-reflexivo: O emissor e o receptor estão no mesmo compartimento, e o sensor depende do feixe de luz refletido diretamente no próprio objeto-alvo.

Objetos-alvo: Detecta a maioria dos objetos opacos ou semiopacos.

Vantagens:

• Oferece um alcance de detecção muito maior do que os tipos indutivos ou capacitivos, podendo chegar a muitos metros.
• Altamente versátil e disponível em várias configurações.

Desvantagens:

• O desempenho pode ser afetado pela cor, refletividade e textura da superfície do alvo.
• As lentes podem ser obscurecidas por poeira, sujeira ou umidade, exigindo limpeza periódica.

Sensores de proximidade ultrassônicos

Os sensores ultrassônicos usam ondas sonoras para medir a distância e detectar objetos, semelhante ao sonar.

Princípio de funcionamento:

O sensor emite um pulso de som curto e de alta frequência. Em seguida, ele entra em um modo de escuta, aguardando que o som seja refletido em um objeto e retorne como um eco. O microprocessador do sensor mede o tempo decorrido entre a emissão e a recepção do som (conhecido como “Time-of-Flight”). Usando a velocidade do som, ele calcula com precisão a distância até o objeto.

Objetos-alvo: Pode detectar praticamente qualquer objeto que reflita o som, independentemente de sua cor, transparência ou brilho da superfície. Isso inclui vidro transparente, líquidos e metais brilhantes.

Vantagens:

• Excelente na detecção de objetos transparentes ou de formato irregular.
• Não é afetado pela cor.
• Pode ser usado para medição de distância, não apenas para detecção de presença.

Desvantagens:

• Tempo de resposta mais lento em comparação com os sensores fotoelétricos.
• Pode ter dificuldade para detectar materiais macios e que absorvem o som, como espuma ou tecido.
• Pode ter uma “zona cega” muito próxima à face do sensor, onde a detecção não é possível.

Resumo dos tipos de sensores de proximidade

Alimentando a automação com sensores no setor de manufatura

Os sensores de proximidade na indústria de manufatura formam as etapas básicas da automação. Centenas desses sensores em uma linha de produção moderna cooperam para garantir que os processos sejam executados sem problemas, com segurança e da forma mais eficiente possível. A verificação da localização de peças metálicas de máquinas, grampos e acessórios é feita universalmente usando sensores magnéticos de proximidade. Continuando com o exemplo acima, um sensor indicará a um braço robótico que um chassi de metal está na posição correta antes do início da soldagem. Em um sistema de transporte, a detecção e a contagem de objetos são essenciais e os sensores fotoelétricos são ideais para essa finalidade; um sensor de feixe passante pode garantir que cada garrafa passe e um sensor difuso pode garantir que um rótulo tenha sido colocado em uma caixa. Esse feedback contínuo significa que o controle pode ser preciso, o número de erros é mínimo e a produtividade é extremamente alta.

Aprimorando a experiência do usuário em eletrônicos de consumo como o seu smartphone

Fora do chão de fábrica, no entanto, há sensores de proximidade no coração de dispositivos que todos nós usamos regularmente. A maioria das pessoas conhece a variedade mais popular, o sensor de proximidade infravermelho (IR) do seu smartphone. Quando você equilibra o telefone na orelha ao falar, a tela é automaticamente desligada para evitar contatos indesejados com a pele do rosto e também para economizar a bateria. Isso é feito com o uso de um pequeno LED infravermelho que emite um feixe invisível de luz infravermelha e um dispositivo sensor de luz que lê o reflexo. Com o seu rosto próximo, a intensidade da luz refletida é muito alta, o que faz com que o software desligue a tela e o touchscreen. Essa interação fácil e contínua é um exemplo perfeito de como os sensores podem ser implementados para proporcionar uma experiência de usuário mais natural e inteligente, especialmente em aplicativos móveis e Android.

Aprimoramento dos sistemas de segurança com sensores no setor automotivo

Os sensores de proximidade são uma das funcionalidades mais exploradas no setor automotivo, cujas principais funções são promover a segurança do veículo e a conveniência do motorista. O sinal sonoro familiar de um sistema de assistência de estacionamento é a atividade de sensores ultrassônicos instalados no para-choque do carro. Esses sensores emitem pulsos sonoros quando o veículo dá ré. O som é refletido quando um obstáculo, como um veículo, um meio-fio ou um pedestre, está na traseira do veículo. Ao avaliar o tempo de voo, o sistema obtém a distância até o obstáculo e, assim, converte os valores em sinais sonoros e/ou visíveis para o motorista. Quanto mais próximo estiver o objeto, mais rápido será o sinal sonoro. Ele reduziu drasticamente as falhas de estacionamento em baixas velocidades e serviu de base para sofisticados sistemas automatizados de estacionamento e assistência ao motorista (ADAS).

Como escolher o sensor certo para as necessidades de seu setor

Selecionar o sensor de proximidade adequado entre os milhares de modelos disponíveis é uma decisão crítica de engenharia. Fazer a escolha correta requer uma avaliação sistemática dos requisitos específicos da aplicação. Um engenheiro ou técnico deve seguir um processo claro de tomada de decisão:

• Identificar o material de destino: O artigo a ser detectado é metálico? Quando a resposta for afirmativa, um sensor indutivo geralmente é a opção mais robusta e econômica. Sensores capacitivos, fotoelétricos ou ultrassônicos são necessários quando o artigo é não metálico, líquido ou em pó.
• Determinar a distância de detecção: Os sensores de indução e capacitância podem ser usados quando o alcance é curto (alguns milímetros). Os sensores fotoelétricos são os mais comuns quando é necessário medir distâncias maiores, de alguns centímetros a muitos metros. Os sensores ultrassônicos ocupam um espaço intermediário que funciona entre faixas de centímetros e vários metros.
• Analisar o ambiente operacional: O sensor estará sujeito a poeira, água, óleo ou temperaturas altas? Os sensores indutivos podem ser muito resistentes em ambientes sujos e encardidos. As lentes fotoelétricas devem ser protegidas contra obscurecimento quando houver muita poeira ou vapor na aplicação.
• Considere as propriedades do alvo: Além do material, outras características também são fundamentais. O alvo é transparente, como uma garrafa de vidro? É preferível um sensor fotoelétrico retrorrefletivo/ultrassônico. Ele tem uma cor irregular? Um sensor fotoelétrico difuso seria menos confiável do que um sensor ultrassônico que é daltônico.
• Avaliar os requisitos de velocidade e precisão: Quando um número preciso de contagem ou posicionamento é necessário e a velocidade é um problema, a combinação de tempos de resposta rápidos de sensores indutivos e fotoelétricos é necessária. Nas aplicações que exigem alta precisão na medição de distância, um sensor ultrassônico ou um sensor fotoelétrico a laser especial seria apropriado.

O futuro da detecção de proximidade na robótica e na IoT

O trabalho dos sensores de proximidade ainda está em processo de desenvolvimento. Eles estão ganhando importância na área de IoT e robótica. No caso dos atuais robôs colaborativos (“cobots”) destinados a operar no mesmo espaço que os humanos, um conjunto de sensores avançados é utilizado para garantir a segurança e formar um campo de proteção virtual que reduz ou interrompe a velocidade do robô quando o humano está muito próximo. Os sensores de proximidade são os sentidos de coleta de dados mais importantes na vasta rede da IoT. Eles ajudam os edifícios inteligentes a descobrir quem está em um cômodo para ajustar a iluminação e o controle de HVAC, os sistemas agrícolas inteligentes verificam os níveis de enchimento dos silos de grãos e as empresas de logística rastreiam os pacotes que passam por um depósito. Com a diminuição inexorável do tamanho e o aumento da eficiência energética e da conectividade a seu favor (usando conexões sem fio), a capacidade dos sensores de fornecer dados em tempo real se tornará cada vez mais o mecanismo de inovação por trás do desenvolvimento da próxima geração de sistemas inteligentes e conectados.