1. Sensores pticos2. DefinicinLos detectores pticos basan su funcionamiento en la emisin de un haz de luz que es interrumpido o reflejado por el objeto a detectar. Tiene mucha aplicaciones en al mbito industrial y son ampliamente utilizados.

2.1. PartesLos sensores pticos estn conformados por las siguientes partes:

- Fuente.

- Receptor.

- Lentes.

- Circuito de salida.

2.1.1. FuenteOrigina un haz luminoso, usualmente con un LED, que puede tener un amplio rango en el espectro (incluyendo luz visible e infrarroja). Para la mayora de las aplicaciones se prefiere las radiaciones infrarrojas pues son las que mayor porcentaje de luz emiten y disipan menos calor. Los LEDs tipos visibles son muy tiles sobre todo para facilitar el ajuste de la operacin del sensor. Entre los LED de luz visible los LEDs de luz roja son los ms eficaces para esta aplicacin. En la figura 1 se muestra el diagrama de un LED y se observan sus partes.

Figura 1. Foto emisor.El haz con frecuencia es modulado con pulsos, ya que la modulacin presenta ventajas como son: mayor luminosidad en el haz, mayor vida til del LED, inmunidad del sensor a otras fuentes de luz que puedan interferir con la seal. Presenta la desventaja de reducir la respuesta en frecuencia del detector ptico. La figura 2 presenta los pulsos de alimentacin para la modulacin de un

emisor.Figura 2. Modulacin2.1.2. ReceptorRecibe el haz luminoso de la fuente, usualmente es un fotodiodo o un foto transistor. El foto sensor debe estar acoplado espectralmente con el emisor, esto significa que el fotodiodo o el foto transistor que se encuentra en el detector debe permitir mayor circulacin de corriente cuando la longitud de onda recibida sea igual a la del LED en el emisor. El receptor recibe los pulsos de luz en sincrona con el emisor, esto permite ignorar radiaciones provenientes de otras fuentes. Este tipo de recepcin sincrnica slo es posible cuando la fuente y el receptor estn en el mismo encapsulado. En el receptor, adems, existe un circuito asociado que acondiciona la seal antes de llegar al dispositivo de salida. En la figura 3 se observa una grfica que muestra como el LED infrarrojo tiene mayor eficacia que el LED visible rojo.

Figura 3. Longitud de onda.2.1.3. LentesTienen la funcin de dirigir el haz de luz tanto en el emisor como en el receptor para restringir el campo de visin, esto trae como consecuencia aumentar la distancia de deteccin. El rea de la base del cono de haz emitido por el LED y el lente aumenta a mayor distancia. Utilizando un lente se puede generar un cono muy estrecho, lo que permitira darle ms alcance al sensor pero con el inconveniente de presentar mayor dificultad en el momento de alinearlo. Algunos detectores son diseados para tener un amplio campo de visin, esto permite detectar objetos grandes, pero a distancias relativamente cortas. La figura 4 presenta como propaga el campo de visin en presencia y ausencia del lente.

Figura 4. Lentes2.1.4. Circuito de salidaExisten varios tipos de salidas discretas o digitales (se denominan as por tener dos estados y la ms comunes son: rel, NPN o PNP, TRIAC, MOSFET), analgicas y seriales que sern discutida en el capitulo 6.

En la figura 5 se muestra un diagrama de bloque de un sensor fotoelctrico con todas sus partes.

Figura 5. Diagrama de bloques de un sensor foto elctricoLa fuente de alimentacin suministra la potencia necesaria para el funcionamiento del detector, en el regulador de voltaje se ajustan y mantienen los niveles de tensin utilizados por el resto de los bloques del sensor. El generador de pulsos suministra al LED la seal modulada que permitir la emisin de un haz discontinuo de luz que al chocar con un objeto regresa al foto detector. La salida de foto detector es amplificada (note que la ganancia del amplificador puede ser cambiada para ajustar la sensibilidad) y luego es comparada con la frecuencia de pulsos para verificar que la seal recibida provenga del LED del detector, esto se hace en el integrador. El nivel de salida del integrador es chequeado en el detector de nivel de tal forma que la cantidad de luz recibida sea suficiente para activar o desactivar el sensor. En algunos sensores se puede colocar una lgica de tiempo opcional que permite introducir retardos para activar o retardos para desactivar la salida. Finalmente se encuentra el dispositivo de salida, para el diagrama de bloque de la figura 5, que corresponde a un sensor con salida discreta, este dispositivo puede ser un rel, un transistor NPN, un transistor PNP, un TRIAC, un FET o un MOSFET. La salida alimenta directamente a la carga que puede ser la entrada de un controlador lgico programable, la bobina de un rel, de un

arrancador o de una vlvula solenoide, una luz piloto, o cualquier otro dispositivo de salida.

2.2. MargenLa definicin de margen segn [6] es la siguiente:

El margen es una medida de la cantidad de luz de la fuente de luz detectada por el receptor. El concepto de margen se puede explicar mejor por medio de un ejemplo:1. Un margen de cero ocurre cuando el sensor de luz no puede detectar nada de la luz emitida por la fuente de luz.2. El margen de uno se obtiene cuando se detecta la cantidad de luz suficiente para cambiar de estado el dispositivo de salida (del estado CONECTADO al de DESCONECTADO, o viceversa).3. Se dice que existe un margen de 20 cuando se detecta una cantidad de luz 20 veces mayor que la mnima requerida para cambiar de estado el dispositivo de salida.El concepto de margen se define como:Cantidad actual de luz detectadaCantidad mnima necesaria para cambiar de estado el dispositivo de salidaY generalmente se expresa como una relacin o como un nmero entero seguido por X. Un margen de 6 puede expresarse como 6:1 como 6X.2.3. Modos de deteccinLos sensores pticos se colocan en tres configuraciones diferentes estas son: Transmisin directa, reflexivo y difuso.

2.3.1. Transmisin directa o barreraEl emisor se coloca en frente del receptor y el objeto es detectado cuando pasa entre ambos. Esta configuracin tiene la ventaja de alcanzar grandes distancias de deteccin (hasta unos 270 m). Su principal desventaja se presenta durante la instalacin en campo de estos detectores ya que por estar separados el emisor y el detector los cables de alimentacin y seal que van hacia estos dispositivos no pueden ser los mismos al igual que los ductos o tuberas por donde el cable es tendido, esto trae e como consecuencia que la cantidad de cable y tubera que se utilizan con estos sensores sea mayor. La figura 6 muestra un sensor foto elctrico en configuracin de transmisin directa.

Figura 6. Modo transmisin directaEl rea cnica de proveniente de la fuente de luz y el rea de deteccin frente al receptor es lo que se denomina campo de visin y el haz efectivo en la configuracin transmisin directa es igual al dimetro del lente (rea menor de la

conicidad del campo de visin) como se muestra en la figura 8.Figura 7. Haz efectivo en la transmisin directaSi se necesita detectar objetos de menor tamao se puede reducir el dimetro de haz efectivo colocando unas aberturas en los lentes tanto del emisor como del receptor. La figura 8 ilustra como se puede reducir el haz efectivo.

Figura 8. Haz efectivo con aberturasEsta configuracin (barrera) no es muy adecuada para la deteccin de objetos traslucidos o transparentes debido al alto margen con el que funciona, por esta razn, puede que estos tipos de objetos no sean detectados. El alto margen (mayor a 100x) de deteccin tambin lo hace ser la configuracin apta para ambientes muy contaminados.

2.3.2. ReflexivoEl emisor y el receptor se colocan en el mismo sitio uno al lado del otro y en frente de ellos se coloca una superficie reflexiva El haz de luz emitido choca contra el reflector para ser registrado por el receptor. La deteccin ocurre cuando pasa el objeto impidiendo el haz de luz llegue hasta el receptor. Esta configuracin, que es la de uso comn, tiene la ventaja de que el emisor y el receptor vienen en el mismo empaque y utilizan el mismo ducto para el cableado, pero las distancias de deteccin son varias veces menor que en la configuracin de transmisin directa. La figura 9 muestra un sensor ptico en configuracin reflexiva.

Figura 9. Modo ReflexivoLa superficie donde choca el haz est formada por reflectores especiales o cintas reflexivas diseadas para que el haz regrese al foto interruptor, an estando desalineado, y esto es una ventaja sobre el uso de espejos en donde el haz debe

incidir de forma perpendicular. El tamao y construccin de estos reflectores influyen sobre la distancia mxima de deteccin, reflectores muy pequeos no reflejaran la misma cantidad de luz que uno de mayor tamao. La figura 10

presenta algunos ejemplos de materiales reflexivos.Figura 10. Materiales reflexivosLos detectores de tipo reflexivo pueden presentar problemas cuando el objeto a detectar es muy brillante ya que el haz de todas formas llega al detector. En estos casos es muy til usar sensores reflexivos polarizados. Este tipos de detectores tienen un filtro en el emisor y otro, desfasado 90, en el receptor. Cuando el haz de luz polarizada choca con el receptor, ste despolariza el haz y el receptor deja pasar parte de la luz reflejada. Cuando el objeto brillante pasa frente al detector la luz se refleja pero sin despolarizase y el filtro colocado en el receptor impide que la luz pase lo que ocasiona que el objeto sea detectado. Los sensores polarizados tienen entre 30 y 40 % menos alcance que los sensores reflexivos sin polarizar. La figura 11 ilustra e funcionamiento de un sensor reflexivo polarizado.

Para la deteccin de objetos trasparentes se utilizan sensores reflexivos polarizados con arreglos pticos que luego se optimizan con la ayuda de la electrnica del circuito y rutinas de software.

Figura 11. Reflexivo polarizado2.3.3. Difuso o proximidadEsta configuracin se parece a la reflexiva slo que sta no utiliza el espejo sino que el objeto a detectar es el que sirve de reflector. Para lograr que objetos poco brillantes puedan ser detectados, el haz de luz no se transmite en una sola direccin como en las configuraciones anteriores, sino que viaja en varias direcciones. Esta configuracin presenta la desventaja de tener muy corta distancia de deteccin, pero es muy til cuando es difcil acceder ambos lados de objeto. La figura 12 muestra el modo de deteccin difuso.

Figura 12. Modo difusoEn la tabla 1 muestra la reflectividad relativa tpica (valor tpico de la propiedad que tienen algunos materiales para reflejar la luz) de algunos materiales, a mayor reflectividad relativa mayor ser la distancia de deteccin.

Tabla 1. Reflectividad tpica de algunos materialesDianaReflectividad relativa tpica

Aluminio pulido500

Papel banco (referencia)100

Papel blanco de escritura90

Cartn40

Madera cortada20

Papel negro10

Neopreno5

Goma de neumtico4

Fieltro negro2

Adems del difuso normal, que ya explicamos existen varios tipos de detectores difusos, estos son: difusa de corte abrupto, difusa de foco fijo, difusa gran angular y supresin del fondo difuso. Estos otros tipos de deteccin difusa se utilizan sobre todo cuando el fondo es altamente reflexivo (como ilustra la figura

13) y se explican a continuacin.Figura 13. Sensor difuso con fondo reflexivo2.3.3.1 Difusa de corte abruptoEn los sensores de corte abrupto, el emisor y el receptor estn orientados uno hacia el otro de tal forma que la distancia de deteccin sea pequea. Esto hace que el detector pueda sensar el objeto deseado que se encuentra cerca de l y no sensar el fondo.

2.3.3.2 Supresin del fondo difusoEste tipo de sensores pueden detectar los cambios de luminosidad en el receptor. El sensor puede discriminar la luz proveniente de un fondo brillante y detectar el objeto menos brillante que el fondo, esto se hace a travs de circuitos electrnicos sofisticados lo que los hace ms costosos.

2.3.3.3 Difusa de foco fijoEl haz de luz y el rea de deteccin del receptor estn enfocados hacia un punto muy especfico, esto quiere decir que la distancia de deteccin es fija y el sensor es muy sensible en este punto y muy poco sensible fuera de l.

2.3.3.4 Difuso gran angularEste tipo de sensores tanto el haz de luz como el rea de deteccin de

receptor son bastante amplias, esto se puede observar en la figura 14.Figura 14. Modo difuso gran angular2.4. FibrasA las configuraciones mencionadas se les pueden instalar cables pticos o fibras pticas de tal forma de lograr algunas mejoras ya que la fibra puede colocarse en espacios muy reducidos donde no caben los sensores y adems pueden soportar mayores temperaturas, hasta unos 500C. Estos cables pticos pueden ser de fibra de vidrio o de fibra de plstico.

Los cables pticos de fibras de vidrio soportan mayor temperatura y son ms duraderos, generalmente vienen recubiertos de plstico o de acero inoxidable. Los cables pticos de fibra de plstico generalmente estn hechos de un solo filamento de acrlico sin recubrimiento lo que los hace ms econmicos, son muy flexibles y vienen en configuracin de espiral, lo que les da mayor flexibilidad. Tanto el cable ptico de fibra de vidrio como el de fibra de plstico vienen en configuracin individual (utilizada en la configuracin barrera) o bifurcada (utilizados para las configuraciones reflexiva y difusa). La fibra sirve tanto para luz infrarroja como para luz visible y la deteccin reflexiva polarizada no

es posible con cables pticos. La figura 15 muestra los cables de fibra ptica

utilizados con los detectores pticos.Figura 15. Cables de fibra ptica2.5. Comparacin entre las diferentes configuraciones de sensores pticos.La tabla 2 resume las principales caractersticas de las configuraciones mencionadas.

2.6. Especificaciones de sensores pticos2.6.1. Operacin luz/oscuridadLa operacin luz se refiere al modo de funcionamiento en el cual la salida del sensor se activa cuando al receptor le llega suficiente luz. Para el caso de los sensores de transmisin directa o reflexivos esto ocurre cuando el objeto a detectar esta ausente y para los sensores difusos esto ocurre cuando el objeto a detectar est presente. La operacin en oscuridad opera de forma totalmente opuesta, la salida se energiza cuando al receptor no le llega suficiente luz, en el caso de los detectores en barrera o reflexivos esto ocurre cuando el objeto est presente y en los difusos cuando el objeto est ausente.

2.6.2. Distancia mxima de deteccinEste es un parmetro dado por el fabricante y se refiere a:

La distancia entre el emisor y el receptor en los sensores de haz transmitido.

La distancia entre el emisor/receptor y el reflector en los sensores reflexivo.

La distancia entre el emisor/receptor y el objeto en los sensores difusos.

La distancia mxima viene dada para un margen de 1x y en la prctica es ligeramente mayor a la que especifica el fabricante.

Tabla 2. Ventajas y precauciones de los modos de deteccin fotoelctrica

Modo dedeteccinAplicacionesVentajasConsideraciones

Haz transmitidoDeteccin de uso general

Conteo de piezas Alto margen para ambientes contaminados

Deteccin a gran distancia

No es afectado por reflejos de segunda superficie

Probablemente ms confiable cuando usted tiene objetos altamente reflexivos Ms costoso porque requiere fuente de luz y receptor separados, cableado ms costoso

El alineamiento es importante

Evite detectar objetos de material transparente

RetrorreflectivoDeteccin de uso general Deteccin a distancias moderadas

Menos costoso que el haz transmitido porque el cableado es ms simple

Facilidad de alineamiento Deteccin a menor distancia que el haz transmitido

Menor margen que el haz transmitido

Puede detectar reflejos de objetos brillantes (en ese caso use polarizado)

Polarizado retrorreflectivoDeteccin de uso general de objetos brillantes Ignora los reflejos de la primera superficie

Usa haz rojo visible para facilitar el alineamiento Menor distancia de deteccin que el retrorreflectivo normal

Puede ver reflejos de segunda superficie

Difuso normalAplicaciones donde no se puede acceder a ambos lados

del objeto No se requiere acceso a ambos lados del objeto

No se requiere reflector

Facilidad de alineamiento Puede ser difcil de aplicar si el fondo detrs del objeto es suficientemente reflexivo y est cerca al objeto

Difusa de corte abruptoDeteccin de corto rango de objetos con la necesidad de ignorar los fondos que estn acerca al objeto No se requiere acceso a ambos lados del objeto

Proporciona cierta proteccin contra la deteccin

de fondos cercanos

Detecta objetos independientemente del color dentro de la distancia especificada til slo para deteccin de distancia muy corta

No se usa con fondos cercanos al objeto

Supresin

del fondo difusoDeteccin de uso general

reas donde usted necesita ignorar los fondos que estn cerca del objeto No es necesario el acceso a ambos lados de la diana

Ignora los fondos por encima de la distancia nominal de deteccin independientemente de su reflectividad

Detecta objetos independientemente del color a una distancia especificada Ms costoso que otros tipos de sensores difusos

Distancia de deteccin mxima limitada

Difusa de foco fijoDeteccin de pequeas dianas.

Detecta objetos a una distancia especfica del sensor.

Deteccin de marcas de color. Deteccin precisa de objetos pequeos en una ubicacin especifica Deteccin a distancia muy corta

Inadecuado para deteccin de uso general

El objeto debe estar en una posicin precisa

Difusa gran angularDeteccin de objetos que no estn en una posicin precisa. Deteccin de fibras muy finas

en un rea extensa. Efectivo para ignorar reflejos del fondo

Deteccin de objetos que no estn en una posicin precisa

No se requiere reflector Deteccin a distancia corta

Fibras pticasPermite la deteccin fotoelctrica en reas donde no se puede instalar un sensor debido a consideraciones de tamao o ambientales. Cables disponibles para aplicaciones de temperatura ambiental elevada

Resistente al choque y a la vibracin

Se pueden usar cables de fibra ptica en reas donde se requiere movimiento continuo

Insercin en espacio limitado

Inmunidad al ruido

Es factible en reas corrosivas Ms costoso que los sensores con lente

Deteccin a distancia corta

2.6.3. Distancia mnima de deteccinLa mayora de los sensores reflexivos y difusos tienen un rea ciega dentro del cual no pueden detectar, como se puede observar en la figura 16 existe una regin entre el detector y la distancia mnima de deteccin en la cual si un objeto se ubica o bien el haz de luz no lo toca, o bien el haz reflejado no llega al receptor.

Figura 16. Distancia mnima de deteccin2.6.4. Curva de respuesta tpicaMuestra cuanto vale el margen segn la distancia de deteccin. La figura 17 muestra una grfica para un sensor reflexivo que tiene como reflector papel blanco, el margen operativo se obtiene interceptando la distancia a la cual se encuentra el papel blanco del detector con la curva, por ejemplo para una distancia de operacin de 100 mm se obtiene un margen de 80.

Figura 17. Curva de respuesta tpica2.6.5. Tiempo de respuesta.El tiempo de respuesta es el lapso de tiempo que transcurre desde que el objeto est presente hasta que la salida se energiza o el tiempo desde que el

objeto desaparece y la salida se desactiva. Este va desde unos 30 s hasta unos

30 ms dependiendo de que tipo de salida tenga el detector, las salidas en DC

tienen tiempos de respuesta ms cortos que las salidas en AC.

2.6.6. Campo de visin.En la mayora de sensores fotoelctricos, el haz de luz proveniente de la fuente de luz y el rea de deteccin al frente del receptor se proyecta en direccin opuesta al sensor en una forma cnica. El campo de visin es una medida (en grados) de esta rea cnica. La figura 18 ilustra esto con ms detalle.

Figura 18. Campo de visin para un sensor retroreflectivo2.6.7. HistresisLa histresis de un sensor fotoelctrico es la diferencia entre la distancia en la que se puede detectar un objeto a medida que se mueve hacia el sensor y la distancia que se tiene que mover en direccin opuesta al sensor para que deje de ser detectado, tal como se observa en la figura 19.

Figura 19. Histresis2.7. AplicacionesEn la figura 20 se muestra un sistema de paletizadores (un paletizador es una mquina donde se llena una pieza de madera, llamada paleta, de varias capas de algn producto) numerados del 1 al 11 que reciben paletas de cuatro dispensadores (A, B, C y D) por medio de dos carros (A y B). En el sistema hay instalados 50 detectores fotoelctricos. Cada paletizador tiene tres foto detectores a lo largo de un transportador, uno al inicio, otro en el medio y uno al final. Estos detectores pticos son del tipo reflexivo ya que se puede acceder a ambos lados del objeto a detectar, presenta mayor margen que el tipo difuso y es ms econmico que el tipo transmisin directa. En la posicin donde se encuentra el detector final (el que est ms alejado de la ruta de los carros) es donde ocurre el paletizado. En la posicin donde se encuentra el sensor de posicin intermedia puede esperar una paleta vaca, cuando el detector ptico de la posicin final indica sin paleta la paleta de la posicin intermedia, si hay alguna, avanza a la posicin final. Cuando el foto detector de la posicin inicial detecta que hay paleta una seal se enclava indicndole al controlador que hay una paleta entre la posicin inicial y la posicin intermedia, cuando la paleta avanza a la posicin intermedia la seal se desenclava, si la seal esta sin enclavamiento y el foto detector de la posicin intermedia no indica la presencia de paleta entonces el controlador enva una seal a algunos de los carros previamente programado para llevar una paleta al dispensador correspondiente.

Los dispensadores tienen tres foto detectores uno para indicar la pila de paletas que se coloc es mayor a la que el dispensador puede manejar, en condiciones normales no bebe detectar a ningn objeto, este foto detector es del tipo difuso para facilitar la operacin de llenado de paletas en el dispensador por un monta carga. El segundo foto detector indica cuando la pila de paletas se ha vaciado, este detector ptico es del tipo reflexivo ya que se puede acceder a ambos lados del objeto. El tercer detector ptico indica cuando hay una paleta en el dispensador lista para ser entregado a uno de los carros y es del tipo reflexivo.

El carro tiene dos foto detectores que tiene la misma funcin, detectar si hay una paleta sobre el carro, los detectores son redundantes y se colocan de esta forma ya que, dependiendo del dispensador que suministre la paleta esta puede entrar en uno de dos sentidos posibles, este detector es del tipo difuso para minimizar el riesgo de choque con el sensor o el reflector cuando la paleta ingresa al carro.

Figura 20. Sistema de paletizado.El ltimo detector utilizado est conectado en modo transmisin directa a lo largo de la ruta de los carros (FSE: emisor y FSR: receptor) y a una altura suficiente para no detectar al carro con la paleta. La finalidad del detector es proteger de ser atropellada a cualquier persona que se atraviese en el camino de los carros, adems de esta proteccin el sistema cuenta con otra que se sern estudiada en el capitulo 6. La razn por la que se utiliza detectores en modo barrera es por que la distancia de deteccin es unos 26 m.

2.8. DimensionesLa figura 21 muestra las dimensiones de un sensor fotoelctrico y en la figura 22 se puede observar el aspecto real de un sensor comercial. Las dimensiones fuera de los parntesis tienen unidades en milmetros y la que estn dentro de los parntesis tienen unidades en pulgadas.

Figura 21. Dimensiones de un sensor fotoelctricoFigura 22. Sensor foto elctrico fotoelctrico2.9. EncapsuladoEs importante resaltar que el encapsulado de los detectores est regido por normas internacionales como la NEMA (National Electrical Manufacturers Association) o la IEC (International Electrotechnical Commission). Estas normas especifican las caracterstica del encapsulado segn el ambiente donde vaya a trabajar el detector, as tendremos, por ejemplo, especificaciones para trabajar en ambiente corrosivo (NEMA 4X o IP67 IEC529) donde los dispositivos se construyen de polister reforzado con fibra de vidrio no metlicos y son totalmente sellados. Tenemos especificaciones para ambientes explosivos donde los detectores son construidos con materiales semiconductores, evitando los

dispositivos con piezas mviles que puedan causar chispas, y totalmente hermticos para evitar el contacto del interior del sensor con el medio ambiente. Tambin existen especificaciones para equipos que van a trabajar en la intemperie, en ambientes con mucho polvo, para ambientes de uso general y otros ambientes.

La aplicacin de normas para los encapsulados se aplica a todos los tipos de sensores estudiados en este texto y no sern tocados mas adelante. Para mayor informacin puede visitar los sitios Web http://www.iec.ch/ y

http://www.nema.org/2.10. Hoja tcnicaA continuacin se muestra una hoja tcnica de un sensor foto elctrico comercial.