Detección y medición sin contacto (Parte I)

Diseño de útiles — Por Mercè Bruned el 12 Febrero 2009 a las 11:14 am

Cuanto más simple mejor

La necesidad de medir de forma precisa junto con la aparición de superficies difíciles o que no admiten ser tocadas durante el proceso empujan el crecimiento que hoy en día está experimentando el uso de tecnologías sin contacto para la detección y la medición. En el mercado aparecen sensores de múltiples formas y tamaños, basados en diferentes principios de funcionamiento.

Conjugando diferentes técnicas ópticas con modernos sistemas informáticos, los sistemas de visión artificial constituyen una de las herramientas más completas para la detección y medición sin contacto. Son sistemas flexibles, versátiles y potentes cuyo precio suele ser de varios miles de euros en los proyectos más sencillos.

Las posibilidades de los sistemas de visión, son apasionantes para cualquier ingeniero, pero si la tarea a resolver es simple y no requiere excesiva flexibilidad, es interesante revisar los sensores específicos existentes en el mercado a fin de verificar si alguna de las tecnologías desarrolladas permite la resolución rápida y exitosa de la tarea.

La clasificación de los sensores es compleja, puesto que se clasifican bajo diferentes puntos de vista: su principio de funcionamiento, la tecnología que utilizan, el tipo de señal eléctrica que generan (analógica o digital) y el rango de valores que proporcionan. La primera clasificación que concierne a este artículo es la que se refiere al rango de valores que puede ofrecer un sensor. Si el sensor posee como salida solo dos posibles estados “on/off” separados por un valor umbral, hablamos de un detector, mientras que si ofrece un rango de valores proporcional a la magnitud que mide hablamos de un transductor o sensor de medida.

Sensores de proximidad y medición de distancias

Basados en diferentes tecnologías, el primer grupo de sensores que voy a presentar, utiliza diferentes propiedades físicas de los materiales permitiendo, en el caso más simple, detectar la presencia de una pieza (detector) pero también, si los sensores están dotados de circuitos más sofisticados para el tratamiento de la señal, medir la distancia del sensor a dicha pieza (sensor de medida).

util control sensores proximidad keyence medicion distancias

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Los sensores de proximidad y distancia están formados por un cabezal cuya forma más habitual es un cilindro roscado (aunque existen también en forma rectangular y otras formas especiales) y en muchos casos por un amplificador de la señal eléctrica. Cuando se trata de sensores de medida, dicho amplificador incorpora la electrónica necesaria y un display digital. Si sólo sirven para la detección de piezas, el display no es necesario y los sensores llevan uno o dos leds que permiten visualizar sus posibles estados “on/off”.

util control sensores proximidad keyence medicion distancias

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Las características del material a sensar y los requerimientos específicos de la aplicación, nos indicarán cuál es la tecnología de sensado adecuada. Presento a continuación las tecnologías existentes para sensores de proximidad y/o medición de distancias, destacando sólo sus características más significativas que ampliaré con consejos de uso y ejemplos más detallados en otros artículos específicos para cada uno de los tipos.

Sensores inductivos

Los más sencillos funcionan como detectores y los más sofisticados son capaces de medir distancias. En ambos casos, su funcionamiento se basa en el cambio de inductancia que provoca un objeto metálico (férrico o no) en un campo magnético. Por principio, son adecuados para la detección de todos los metales conductores de electricidad, aunque no sean magnéticos.

Destacan por:

  • Bajo coste: Empiezan alrededor de 300€
  • Rapidez de respuesta: Llegan a trabajar hasta varios miles de Hz
  • Elevada precisión: Resolución en función de la escala total llegando hasta el orden de μm en los modelos más caros
  • Pequeño tamaño: Hay que tener en cuenta que el cable es corto, unos pocos metros
  • Inmunidad frente a ambientes adversos: (humedad, polvo, aceites y temperatura)


Es necesario tener en cuenta las restricciones inherentes a su propia tecnología:

  • La linearidad de la salida depende de las propiedades eléctricas del material a detectar, por lo que es necesario una calibración particular para cada caso.
  • El tamaño del objeto a detectar debe ser mayor que el diámetro del sensor, en caso contrario se reduce significativamente la distancia de detección (cuyo rango habitual suele estar entre fracciones de milímetro hasta unos 80 mm.).

Sensores capacitivos

Con forma y funcionamiento parecidos a los sensores inductivos, los sensores capacitivos basan su funcionamiento en el cambio de capacidad del sensor provocado por una superficie próxima a éste. La principal ventaja inherente a su tecnología es que pueden detectar la proximidad de objetos de cualquier naturaleza (metálicos, no metálicos, líquidos, sólidos, aislantes). Son detectores de todo tipo de materiales, siempre que la constante dieléctrica de dichos objetos sea sensiblemente superior a la del aire.

Destacan por:

  • Elevada precisión: Resolución en función de la escala total llegando hasta el orden de μm.en los modelos más caros
  • Pequeño tamaño: Hay que tener en cuenta que el cable es corto, unos pocos metros
  • Inmunidad frente a altas temperaturas


Es necesario tener en cuenta las restricciones inherentes a su propia tecnología:

  • Trabajan a distancias cortas, pues su sensibilidad disminuye bastante cuando la distancia es superior a algunos milímetros
  • Dependen de la constante dieléctrica del material a sensar, por lo que necesitan un ajuste previo de sensibilidad y son muy sensibles inestables respecto al grado de humedad y a la suciedad.

Sensores ultrasónicos

Su cabezal sensor emite ondas ultrasónicas y las recibe de vuelta cuando éstas son reflejadas por un objeto. Detecta la posición del objeto midiendo el tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción de los ultrasonidos. Se utilizan frecuentemente para la detección de líquidos. Respecto a los sensores anteriores, ofrecen mayor distancia de detección pero menor velocidad y una resolución sensiblemente inferior.

Destacan por:

  • Pueden trabajar a largas distancias: Hasta 10m
  • Inmunidad frente a impurezas en el aire


y tienen como limitación:

  • Baja resolución: Su resolución máxima se limita a 0,1mm
  • Baja velocidad de respuesta: Trabajan sobre unos 8MHz, velocidad que resulta baja comparada con las demás tecnologías
  • Sensibles a la temperatura, puesto que ésta afecta a la velocidad del sonido, aunque algunos integran en su interior sensores de temperatura capaces de compensar las variaciones de forma automática.


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    5 Comentarios

  • Los sensores ultrasónicos son los que se encuentran en los detectores de aeropuertos, por donde pasan nuestro equipaje de mano? Que precisión tienen?

  • Mercè Bruned dice:

    Hola Xavier,

    Los sensores ultrasónicos convencionales miden con precisión del 1 ó 2% de su escala completa. La temperatura afecta bastante a la velocidad del sonido, y es su mayor fuente de error, pero se fabrican algunos con sensores de temperatura incorporados que llegan a medir con una precisión del 0.05%.

    Traducido en valores, te doy dos ejemplos de sensores convencionales:
    - Rango 30-250mm.(±5mm).
    - Rango 200-1300mm. (±26mm.).

    Mientras que, sensores con gran calidad y tecnología, que compensan la temperatura hasta unas 50 veces por segundo y compensan también la humedad y la presión:
    - Rango 30-250mm.(±0,125mm).
    - Rango 200-1300mm. (±0,65mm.).

    Con estas precisiones, yo diría que son adecuados cuando la precisión requerida no es muy exigente o bien cuando las características del material (líquido, granulado, brillante,…) hacen que no se pueda medir con otro tipo de sensor y se justifica la inversión en un sensor ultrasónico caro.

    Los escáneres del equipaje de mano en los aeropuertos, creo que son rayos X. En el siguiente enlace http://www.gominola.es/2007/06/08/el-escaner-scanner-del-aeropuerto/ se ve una imagen proporcionada por un escáner de equipaje de mano. Fíjate que se transparentan todas las capas, igual que en una radiografía. El escáner es capaz de diferenciar las diferentes densidades de los materiales, eso no lo veo posible con los ultrasonidos.

  • Ricardo Duro dice:

    Buenas noches:

    Los sensores ultra sonidos, al dia de hoy son principalmente utilizados en la medicina. Pueden ser 2D, por ejemplo ecografias, pero más recientemente se ha conseguido generar imagenes 3D. Esto porque no tienen ningún tipo de emissión dañosa al ser humano, como los rayos X por ejemplo. Los ultra sonidos 3D se basan en el cambio de frequencia (aumenta cuando los objectos se aproximan de la fuente de emissión y disminue cuando de afastan), y con la velocidad del desplazamiento permite obtener um resultado bastante bueno. Está siendo muy utilizado para controlar por ejemplo el flujo de sangre que sale del corazón.

    De referir también que estos sensores se pueden aplicar a cualquiera medio ambiental (agua, calor extremo, frio extremo), siendo que los cambios de condiciones del medio (temperatura) pueden afectar sus resultados.

    Existen sensores de ultra sonidos que pueden superar las 100 mediciones por segundo, y el consumo energético de este tipo de tecnologia es inferior a los sensores de infra rojos, por ejemplo. Esto teoricamente reducirá la degradación a lo largo del tiempo, porque las temperaturas de funcionamiento obtenidas son inferiores.

    La resolución depiende de la apertura del angulo del envío de señal, cuanto más abierto menor será la resolución.

    Permiten tambien realizar mediciones en angulo, por ejemplo, una punto que no se pueda medir apuntando directamente el sensor, se puede apuntar a una pared y hacer un rebote a la pieza y así medir.

    El coste, depende de la aplicación pretendida, pero puede variar de 50 a algunos unos 2000 euros.

    Saludo

  • carlos dice:

    hola quisiera saber cual es la mejor opcion en sensores para detectar grasa(automotriz) ya k es inyectada en un sello con un diametro aprox de 2mm, tengo un sensor que me detecta sellos invertido o piezas sin sello pero hoy requiero de uno que haga las funciones anteriores, gracias por tu atencion

  • Guillermo Jareda dice:

    Me podría decir si hay sensores que detecten presencia de productos lácteos en mínimas cantidades en agua que se recupera mediante un enfriador. El objetivo es reciclar el agua recuperada y si se contamina por el paso de productos lácteos, esta agua recuperada contaminada se envía a otra linea de tratamiento. Pero para lograr esto, necesitamos un sensor que detecte la presencia de pequeñas cantidades de lácteos.

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