¿Cómo pueden los fabricantes garantizar la precisión y fiabilidad de los procesos automatizados? Este artículo se sumerge en varios tipos de sensores, desde los de proximidad hasta los ópticos, y destaca sus usos específicos y criterios de selección. Al conocer factores clave como la sensibilidad, la respuesta en frecuencia y la estabilidad, aprenderá a elegir el sensor adecuado para cada aplicación y, en última instancia, a mejorar la eficiencia de la producción y la calidad del producto.
Los sensores son un tipo básico de equipo electrónico de información en la industria manufacturera, y son componentes especiales de los nuevos dispositivos electrónicos que se están desarrollando.
La industria de los sensores está reconocida tanto a nivel nacional como internacional como una industria de alta tecnología con grandes perspectivas de desarrollo, debido a su alto contenido técnico, buenos beneficios económicos, gran capacidad de penetración y amplias perspectivas de mercado.
Impulsada por el auge de la industria de la información electrónica, la industria de los sensores ha formado una cierta base industrial y ha logrado avances significativos en innovación tecnológica, investigación y desarrollo independientes, transformación de logros y competitividad, contribuyendo de forma importante a promover el desarrollo económico nacional.
Con la llegada de la era de la información, los sensores se han convertido en el principal medio y método para obtener información en los ámbitos natural y productivo.
En la producción industrial moderna, especialmente en los procesos de producción automatizados, se utilizan diversos sensores para supervisar y controlar varios parámetros del proceso de producción, garantizando que los equipos funcionen en un estado normal u óptimo y produzcan productos de alta calidad. En la investigación fundamental, los sensores ocupan un lugar destacado.
Hoy en día, los sensores ya han penetrado en ámbitos muy amplios, como la producción industrial, el desarrollo espacial, la detección de océanos, la protección del medio ambiente, la investigación de recursos, el diagnóstico médico, la bioingeniería e incluso la protección de reliquias culturales.
Es evidente el importante papel que desempeña la tecnología de sensores en el desarrollo de la economía y la promoción del progreso social. Las cifras estadísticas muestran que los ingresos anuales del mercado mundial de sensores inteligentes aumentarán a un ritmo de 10% al año.
Actualmente, el número de dispositivos con sensores instalados con procesadores en todo el mundo es de 65 millones, y esta cifra alcanzará los 2,8 billones en 2019.
El conocimiento de los sensores es también una disciplina eléctrica relativamente amplia que requiere abundante experiencia para dominarla con destreza. Explicaremos más sobre ella en el futuro, pero hoy hablaremos sobre todo de la selección.
Para llevar a cabo una tarea de medición concreta, primero hay que plantearse qué tipo de principio de sensor utilizar. Esto requiere un análisis cuidadoso de diversos factores para tomar una determinación.
Por ejemplo, tomando un caudalímetro como ejemplo, existe un caudalímetro electromagnético, un caudalímetro de vórtice y un caudalímetro ultrasónico, que dependen del objetivo específico a la hora de seleccionar un caudalímetro.
Además, también es necesario hacer referencia a qué tipo de modo de salida es necesario utilizar, como una señal de corriente de 2 o 4 hilos, una señal de tensión 0-20mA, 4-20mA, 0-10V o algún protocolo de comunicación.
Generalmente, dentro del rango lineal del sensor, es deseable tener una mayor sensibilidad del sensor. Esto se debe a que sólo cuando la sensibilidad es lo suficientemente alta, el valor de la señal de salida correspondiente al cambio medido es relativamente grande.
Además, esta sensibilidad es ventajosa para el procesamiento de señales. Sin embargo, es importante tener en cuenta que cuando la sensibilidad del sensor es alta, las señales de interferencia externas no relacionadas con el objeto medido pueden ser amplificadas por el sistema de amplificación y afectar a la precisión de la medición.
Por lo tanto, el propio sensor debe tener una mayor relación señal/ruido, y las señales de interferencia introducidas desde el exterior deben reducirse al máximo.
La sensibilidad del sensor es direccional. Cuando el objeto medido es un único vector y requiere una alta direccionalidad, debe seleccionarse otro sensor con menor sensibilidad en otras direcciones. Si el objeto medido es un vector multidimensional, la sensibilidad cruzada del sensor debe ser la menor posible.
Las características de respuesta en frecuencia de los sensores determinan la gama de frecuencias del objeto medido, que debe mantenerse sin distorsiones dentro de la gama de frecuencias permitida.
En la práctica, siempre hay un cierto retardo en la respuesta del sensor, y es preferible que el tiempo de retardo sea lo más corto posible. Cuanto mayor sea la respuesta en frecuencia del sensor, más amplia será la gama de frecuencias de señal que pueden medirse.
En la medición dinámica, las características de respuesta deben basarse en las características de la señal (estado estacionario, transitorio, aleatorio, etc.) para evitar errores significativos.
Después de utilizar el sensor durante un periodo determinado, la capacidad del sensor para mantener su rendimiento se denomina estabilidad. Los factores que afectan a la estabilidad a largo plazo del sensor no sólo están relacionados con la estructura del sensor, sino también, principalmente, con el entorno de uso del sensor.
Por lo tanto, para garantizar una buena estabilidad del sensor, éste debe tener una gran capacidad de adaptación al entorno.
Antes de seleccionar un sensor, se debe investigar el entorno de uso y seleccionar los sensores adecuados en función del entorno de uso específico o tomar las medidas oportunas para reducir el impacto del entorno.
La precisión es un importante indicador del rendimiento de los sensores, y es un eslabón importante relacionado con la precisión de medición de todo el sistema de medición. Sin embargo, la precisión del sensor está limitada por su alcance.
Generalmente, cuanto mayor es el alcance, menor es la precisión, pero es muy probable que los sensores de alta precisión tengan un alcance insuficiente. Esto hace que los sensores de alta precisión y gran alcance sean muy caros.
Por lo tanto, es necesario realizar ajustes al seleccionar los sensores en función de estas consideraciones.
Al seleccionar un sensor de muestreo, es necesario asegurarse de que el dispositivo puede cumplir las condiciones básicas de funcionamiento de la aplicación (puede consultar la ficha técnica facilitada por el fabricante).
Las 6 condiciones de funcionamiento más importantes son:
Al considerar el uso de sensores con IO-Link, también hay que tener en cuenta otras 6 cosas:
En la producción industrial moderna, especialmente en los procesos de producción automatizados, se utilizan varios sensores para supervisar y controlar diversos parámetros del proceso de producción, de modo que los equipos funcionen en un estado normal u óptimo y los productos alcancen la mejor calidad.
Por lo tanto, puede decirse que sin muchos sensores excelentes, la producción moderna perderá sus cimientos. A continuación, ofreceremos una introducción detallada de varios de los tipos de sensores más comunes en la fabricación, junto con algunas técnicas de aplicación y reflexiones.
Los detectores de proximidad detectan la presencia de objetos cercanos sin contacto físico. Son dispositivos de salida discreta.
Normalmente, los sensores magnéticos de proximidad detectan si un actuador ha alcanzado una posición específica detectando un imán situado en el actuador.
Por lo general, no es una buena idea comprar un actuador de una empresa y un sensor de proximidad magnético de otra. Aunque el fabricante del sensor puede decir que el sensor es compatible con actuadores X, Y y Z, la realidad es que los cambios en los imanes o la posición de montaje pueden causar problemas de detección.
Por ejemplo, el sensor puede activarse o no activarse cuando el imán no está en la posición correcta. Si el fabricante del actuador ofrece sensores de proximidad que se adaptan al actuador, estos deben ser los sensores preferidos.
Los detectores de proximidad basados en transistores no tienen piezas móviles y tienen una larga vida útil. Los detectores de proximidad de resorte utilizan contactos mecánicos, tienen una vida útil más corta, pero son menos costosos que los de transistor. Los sensores accionados por resorte son más adecuados para aplicaciones que requieren alimentación de CA y para las que funcionan en entornos de alta temperatura.
Los sensores de posición tienen salida analógica y muestran la posición del actuador basándose en el indicador de posición del imán montado en él. Desde el punto de vista del control, los sensores de posición ofrecen una gran flexibilidad. Los ingenieros de control pueden establecer una serie de valores de consigna adaptados a los cambios de los componentes.
Dado que estos sensores de posición se basan en imanes (como los sensores de proximidad), es mejor adquirir sensores y actuadores del mismo fabricante (si es posible). Con la funcionalidad IO-Link, se pueden obtener datos de los sensores de posición, lo que también puede simplificar el control y permitir la parametrización.
Los sensores de proximidad inductivos utilizan la Ley de Inducción de Faraday para medir la presencia o la posición de salida analógica de un objeto. El factor más crítico a la hora de seleccionar un sensor inductivo es determinar el tipo de metal que detectará el sensor, determinando así el rango de detección.
En comparación con los metales negros, el rango de detección de los metales coloreados se reduce en más de 50%. El manual del producto del fabricante debe proporcionar información sobre la selección de muestras necesaria.
Asegúrese de que los sensores de presión o vacío puedan medir el rango de presión tanto en medidas imperiales (libras por pulgada cuadrada) como métricas (bares). Especifique la forma y el tamaño más adecuados para el espacio asignado.
Al instalar el equipo, considere si el sensor debe configurarse con luces indicadoras o una pantalla de visualización para facilitar el uso al operario. Si es necesario modificar rápidamente los valores de consigna, pueden considerarse sensores de presión y vacío con configuración IO-Link.
Al igual que los sensores de presión y vacío, los sensores de caudal pueden seleccionarse en función del rango de caudal, el tamaño y los valores de consigna variables. Las opciones de visualización pueden especificarse al realizar el pedido de los sensores.
Los sensores de caudal con caudales relativamente bajos pueden seleccionarse para una zona concreta del equipo o para todo el equipo.
Los tipos más comunes de sensores ópticos son la dispersión fotoeléctrica, la reflexión y el haz pasante. Los sensores láser y los dispositivos de detección de fibra óptica también entran en la categoría de sensores ópticos.
Los sensores fotoeléctricos son, en su mayoría, sensores de presencia que detectan objetos reflejando o interrumpiendo un haz de luz. Debido a su bajo coste, versatilidad y alta fiabilidad, estos sensores se encuentran entre los más utilizados en la industria manufacturera.
Los sensores fotoeléctricos difusos no necesitan reflectores. Son sensores económicos utilizados para detectar la presencia de objetos cercanos.
Los sensores fotoeléctricos de barrera ofrecen el mayor alcance de detección. Estos sensores tienen unidades emisoras y receptoras independientes instaladas en dos puntos. Los sensores de seguridad para puertas de garaje son sensores de haz. La interrupción del haz indica la presencia de un objetivo.
Las barreras fotoeléctricas de ranura son una variante interesante de las barreras fotoeléctricas de barrera, ya que combinan un emisor y un receptor en una unidad compacta. Las fotocélulas de ranura se utilizan para detectar la presencia o ausencia de piezas pequeñas.
Los sensores fotoeléctricos de reflexión tienen un sensor y un reflector y se utilizan para la detección de presencia de rango medio. En términos de precisión y coste, estos sensores se sitúan entre los sensores difusos y los de barrera.
Los dispositivos de detección de fibra óptica se utilizan para detectar presencia y distancia. Los parámetros de estos sensores multifunción pueden ajustarse para detectar distintos colores, fondos y distancias.
Los sensores láser pueden utilizarse para detectar presencia a larga distancia y son los más precisos para aplicaciones de medición de corto alcance.
Los sensores de visión pueden utilizarse para la lectura de códigos de barras, el recuento, la verificación de formas, etc. Los sensores de visión son una aplicación visual económica y eficaz que puede utilizarse en situaciones en las que los sistemas de cámaras son caros y complejos.
Los sensores de visión se utilizan para la lectura de códigos de barras, el seguimiento de componentes individuales y la ejecución de pasos del proceso adaptados al componente. Los sensores pueden verificar la funcionalidad del número de piezas presentes en el componente. Los sensores de visión pueden determinar si se ha alcanzado una curva especificada u otra forma.
Dado que estos sensores trabajan con luz, es fundamental probarlos en condiciones lo más parecidas posibles al entorno operativo, teniendo en cuenta la luz ambiente y la reflectividad del fondo.
En la mayoría de las aplicaciones, se recomienda colocar los sensores de visión dentro de una carcasa para aislarlos de las fuentes de luz externas. Es una buena idea solicitar la ayuda del fabricante del sensor de visión durante la prueba del sensor. Asimismo, no olvide asegurarse de seleccionar el bus de campo adecuado.
Los convertidores de señal convierten la señal de salida analógica de un sensor en una señal binaria en el convertidor, o la convierten en datos de proceso IO-Link.
(1) Interruptor magnético:
Es un nombre especializado para los sensores utilizados en cilindros, principalmente utilizados para detectar la posición de los pistones del cilindro. Por lo general, es proporcionado por el proveedor del cilindro de acuerdo con el uso del cliente. Como su nombre indica, el interruptor magnético detecta el objeto de destino a través de la inducción electromagnética, por lo que su precisión de detección es relativamente baja.
(2) Interruptor de proximidad:
El interruptor de proximidad también está diseñado y fabricado en base al principio de inducción electromagnética, por lo que sólo puede medir objetos metálicos, y hay una ligera diferencia en la distancia de detección para diferentes metales.
Actualmente, las distancias de detección comúnmente utilizadas para los interruptores de proximidad son las siguientes: 1 mm, 2 mm, 4 mm, 8 mm, 12 mm, etc. Suele haber dos tipos de interruptores de proximidad: empotrados y no empotrados.
El denominado tipo empotrado se refiere al hecho de que el cabezal sensor del interruptor de proximidad no detecta el objetivo metálico en su dirección circunferencial, sino que sólo detecta el objetivo metálico situado delante de él, y el cabezal sensor puede instalarse sin exponer los soportes de montaje metálicos.
El llamado tipo no incrustado significa que la cabeza sensora del interruptor de proximidad detectará al mismo tiempo el objetivo metálico frente a ella y el objetivo metálico en su dirección circunferencial, y la cabeza sensora debe exponer el soporte de montaje metálico durante una cierta distancia, y no debe haber ningún objetivo metálico dentro de un cierto rango en la dirección circunferencial para evitar juicios incorrectos.
La precisión de detección de los detectores de proximidad es superior a la de los detectores magnéticos. Los detectores de proximidad suelen utilizarse en situaciones en las que los requisitos de precisión de posición para juzgar la presencia o ausencia de productos y el posicionamiento de dispositivos son relativamente bajos.
(3) Interruptor fotoeléctrico:
El método de detección fotoeléctrica tiene las ventajas de la alta precisión, la respuesta rápida y la ausencia de contacto, y puede medir múltiples parámetros. La estructura del sensor es sencilla y flexible, por lo que los sensores fotoeléctricos se utilizan ampliamente en la detección y el control.
Existen aproximadamente tres tipos de barreras fotoeléctricas que solemos mencionar: una es una barrera fotoeléctrica de reflexión, otra es una barrera fotoeléctrica de haz pasante y la otra es una barrera fotoeléctrica que utiliza una placa reflectora para reflejar la luz.
Los dos últimos se detectan mediante el sombreado debido al objeto objetivo, mientras que el primero se consigue reflejando la luz a través del objeto objetivo.
Por lo tanto, los dos últimos suelen tener distancias de detección más largas y mayor precisión. Debido a la precisión de detección relativamente alta de los sensores fotoeléctricos, suelen utilizarse en la detección de la posición precisa de productos o piezas de trabajo, así como dispositivos de retroalimentación para sistemas paso a paso y servo.
(4) Sensor de fibra óptica:
El sensor de fibra óptica es también un tipo de elemento de detección que utiliza la conversión fotoeléctrica de señales. En comparación con los interruptores fotoeléctricos, normalmente puede detectar objetos objetivo más pequeños, tener una mayor distancia de detección y una mayor precisión.
Por lo tanto, los sensores de fibra óptica suelen utilizarse en aplicaciones de detección más precisas y dispositivos de realimentación de posicionamiento para sistemas paso a paso y servo.
(5) Rejilla:
La rejilla también es un sensor que utiliza señales fotoeléctricas. El área de detección de la rejilla es grande, por lo que también se denomina sensor de área. La principal área de aplicación de la rejilla son las funciones de enclavamiento y seguridad entre equipos, especialmente para proteger a las personas.
(6) Termopar:
Los termopares se utilizan principalmente para detectar la temperatura ambiente a su alrededor.
(7) Detector láser:
La función principal del detector láser es medir con precisión las dimensiones externas del objeto objetivo.
(8) Cámara industrial:
La cámara industrial también se conoce comúnmente como CCD (Charge-coupled Device) en ingeniería, y se utiliza principalmente para detectar la forma externa y la posición del objeto objetivo. Con la mejora de la tecnología CCD actual, las cámaras industriales de alta resolución pueden aplicarse ahora a campos de medición precisos.
(9) Codificador:
Según sus principios de funcionamiento, los encóderes pueden dividirse en incrementales y absolutos. Los encóderes incrementales convierten el desplazamiento en señales eléctricas periódicas y, a continuación, convierten esta señal eléctrica en impulsos de recuento, donde el número de impulsos representa el tamaño del desplazamiento.
El codificador absoluto corresponde a un código digital específico para cada posición, por lo que su indicación sólo está relacionada con las posiciones inicial y final de la medición, y no está relacionada con el proceso de medición en el medio.
Los encóderes suelen utilizarse en sistemas de control de bucle cerrado o semicerrado con motores paso a paso o servomotores.
(10) Microinterruptor:
El microinterruptor es un sensor de tipo contacto, utilizado principalmente para la conexión entre equipos o la detección del estado de las puertas de seguridad y protección de los equipos.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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