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H. The local economic impacts of mining development within the U.S., Canada, and
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Fundamentos de la detección de presencia Rockwell Automation/Allen-BradleyDiseño de los sensores fotoeléctricos
Una fuente de luz envía luz hacia un objeto. Un receptor de luz, dirigido hacia el mismo objeto, detecta la presencia o ausencia de luz directa o reflejada procedente de la fuente. La detección de esta luz genera una señal de salida (que puede ser analógica o digital) hacia un accionador, controlador o computadora. Algunos sensores modifican la señal de salida con lógica de temporización, escalas o ajustes de desplazamiento.
Los sensores fotoeléctricos constan de cinco componentes básicos:
• fuente de luz • detector de luz • lentes • circuito lógico • salida Figura 7.1: Componentes de un sensor fotoeléctrico
Componentes básicos
Fuente de luz
La mayoría de los sensores fotoeléctricos utilizan un diodo emisor deluz (LED) como fuente de luz. Los LED son semiconductores de estado sólido que emiten luz cuando se les aplica corriente y están diseñados para emitir longitudes de onda específicas, o colores, de luz. En la mayoría de los sensores fotoeléctricos se utilizan LED
infrarrojos o rojos, verdes y azules visibles. El LED y sus
correspondientes circuitos reciben, en conjunto, el nombre de emisor.
Figura 7.2:
Diseño de un LED (diodo emisor de luz)
Cada color de LED ofrece características diferentes. Los infrarrojos son los más eficaces, ya que son los que más luz y menos calor generan y se utilizan en sensores en los que se necesita una salida de luz máxima para un rango de detección extenso.
0159-PE-LT Fuente de luz (LED) Detector de luz Circuito lógico Salida Lentes Encapsulado Base 0122-PE-LT
Hilo de conexión de oro Anclaje de terminal
S
ENSORESFOTOELÉCTRICOSDiseño de los sensores fotoeléctricos/Componentes básicos
En muchas aplicaciones conviene tener un haz de luz visible para ayudar a configurar o confirmar la operación del sensor. El color rojo visible es el más eficaz para esto. Los LED rojos, azules y amarillos visibles se utilizan en aplicaciones en las que se deben detectar colores o contrastes específicos, y también se utilizan como indicadores de estado en sensores fotoeléctricos.
En los últimos tiempos también se han empezado a utilizar diodos de láser como fuentes de luz fotoeléctricas, los cuales presentan las siguientes características:
• emisión de luz de longitud de onda (color) invariable
• diámetro de haz pequeño
• mayor alcance
Las fuentes de láser suelen costar más que las fuentes de luz LED. Además, el pequeño tamaño del haz de la luz emitida, si bien aumenta la posible distancia de detección máxima, puede quedar interrumpida más fácilmente por partículas que floten en el aire. Al instalar este sistema, es necesario seguir los procedimientos de seguridad estándar para evitar que el haz de láser quede indebidamente expuesto.
Los LED son resistentes, confiables e ideales para los sensores fotoeléctricos. Operan con un amplio margen de temperatura y son muy resistentes a los daños provocados por choques y vibraciones.
Modulación de un LED
Una de las mayores ventajas de los LED es su capacidad de encenderse y apagarse rápidamente. Esto permite controlar los pulsos o establecer la modulación de la fuente.
La cantidad de luz generada por un LED se determina por la cantidad de corriente que conduce. Para aumentar el alcance de un sensor fotoeléctrico se debe aumentar la cantidad de corriente. Sin embargo, los LED también generan calor. Para ello, existe un límite máximo de calor que se puede generar antes de que un LED sufra dañados o se destruya.
Los sensores fotoeléctricos conmutan o modulan rápidamente la corriente conducida por un LED. Un ciclo de trabajo suave o poco intenso (normalmente inferior al 5%) permite que la cantidad de corriente y, por tanto, la cantidad de luz emitida excedan con creces el límite permisible en una operación continua.
Figura 7.3:
Modulación
La tasa de modulación o frecuencia a menudo excede los 5kHz, una velocidad mucho mayor a la que puede detectar el ojo humano.
0140-PE-LT
LED encendido
S
ENSORESFOTOELÉCTRICOSDiseño de los sensores fotoeléctricos/Componentes básicos
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Fundamentos de la detección de presencia Rockwell Automation/Allen-BradleyDetector de luz
Componente que se utiliza para detectar la luz procedente de lafuente de luz. El detector de luz, compuesto por un fotodiodo o fototransistor, es un componente de estado sólido que proporciona un cambio en la corriente conducida dependiendo de la cantidad de luz detectada. Los detectores de luz son más sensibles a ciertas longitudes de onda de luz. La respuesta espectral de un detector de luz determina su sensibilidad a distintas longitudes de onda del espectro de luz. A menudo, para mejorar su eficacia de detección, el LED y el detector de luz están acoplados espectralmente. El
detector de luz y sus correspondientes circuitos reciben, en conjunto, el nombre de receptor.
Figura 7.4:
Respuesta espectral
Las superficies de la mayoría de los objetos tienen por lo menos un pequeño nivel de reflectividad. Por otro lado, las superficies opacas son desiguales y tienden a reflejar la luz en muchas direcciones, en tanto que las superficies lisas y pulidas tienden a dirigir la luz siempre en la misma dirección, provocando un efecto visual como el brillo de un espejo o deslumbramiento. Esto se conoce generalmente como reflejo especular. El ángulo del reflejo especular es el mismo que el ángulo de la luz de origen.
La cantidad y tipo de reflectividad de los objetos es un elemento importante que se debe tener en cuenta. Más adelante trataremos este punto.
Figura 7.5:
Luz reflejada en una superficie opaca (desigual) y una superficie brillante (lisa)
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0126-PE-LT
Eficacia relativa
Utravioleta Luz visible Infrarrojo
LED rojo visible
Fotodiodo LED infrarrojo
(invisible)
Longitud de onda en micrones El LED invisible (infrarrojo) está acoplado espectralmente con este fototransistor de silicio y posee una eficacia mucho mayor que el LED visible (rojo).
0160-PE-LT
Superficie opaca Superficie brillante
S
ENSORESFOTOELÉCTRICOSDiseño de los sensores fotoeléctricos/Componentes básicos
En un sensor fotoeléctrico, el fotodetector puede recibir luz directamente desde la fuente o los reflejos.
Figura 7.6:
Detección directa y especular
Circuito lógico
El circuito lógico del sensor proporciona la electrónica necesariapara modular el LED, ampliar la señal del sensor y determinar si se debe activar la salida.
Dispositivo de salida
Una vez detectado el cambio de luz suficiente, el detectorfotoeléctrico activa un dispositivo de salida. Existen muchos tipos de salidas discretas y analógicas, cada una con sus propias ventajas e inconvenientes (este tema se trata en la sección Salidas y cableado).
Circuito básico
Los detectores fotoeléctricos pueden encontrarse en paquetesseparados para emisor y receptor, o en una sola unidad.
En la Figura 7.7 el fotodiodo activa la salida cuando se detecta luz. Cuando un objeto interrumpe el haz entre el emisor y el receptor, la salida se desactiva. Figura 7.7: Circuito básico de emisor y receptor 0161-PE-LT Directo Reflejado Fuente Fuente etector Detector LED Fotodiodo Dispositivo de salida/lógico 0148-PE-LT
S
ENSORESFOTOELÉCTRICOSDiseño de los sensores fotoeléctricos/Componentes básicos
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Fundamentos de la detección de presencia Rockwell Automation/Allen-BradleyEn la Figura 7.8 el emisor, el receptor y el circuito lógico se incluyen en la misma carcasa. La salida se activa cuando la luz se refleja en un objeto y vuelve al receptor. Cuando el objeto está presente, la salida se activa.
Si el emisor, el receptor y el circuito lógico están en el mismo paquete, es más fácil diseñar un control que limite las interferencias (detección de otras fuentes de luz modulada).
Figura 7.8:
Circuito básico independiente