Introducción
Los sensores de proximidad se utilizan en entornos industriales para detectar la presencia de objetos. Hay dos tipos principales de objetos; metálicos y no metálicos. Los sensores de proximidad inductivos están especialmente diseñados para detectar objetos metálicos.
En esta publicación, analizaremos en profundidad los métodos inductivos. sensores de proximidad y sus aplicaciones.
¿Qué es un sensor de proximidad inductivo?
Los sensores inductivos pertenecen a la familia de sensores de proximidad. Utilizan el principio de inducción electromagnética para detectar y medir objetos. Hay sensores de salida digitales y analógicos disponibles en el mercado.
Los sensores de proximidad inductivos son sensores de tipo sin contacto. Pueden detectar objetos sin contacto físico. Encuentran su aplicación en la detección de objetos metálicos en entornos de automatización industrial. Esto incluye objetos hechos de hierro, cobre y aluminio.
El rango de detección de los sensores de proximidad inductivos depende del tipo de material. Los sensores de proximidad inductivos funcionan mejor con metales ferrosos (objetos de hierro), pero también podemos usarlos para detectar otros objetos metálicos.
Principio de funcionamiento del sensor de proximidad inductivo
Los sensores de proximidad inductivos utilizan el principio de inducción electromagnética para detectar la presencia / ausencia de objetos metálicos. Estos sensores se parecen mucho a los sensores de proximidad capacitivos en términos de tamaño. A continuación se muestra el ALJ8A3-1-Z / N1 interruptor de proximidad inductivo por OMCH.co
Intentemos comprender el principio de funcionamiento de los sensores de proximidad inductivos comenzando con el método de detección, inducción electromagnética y Corrientes de Foucault.
Principio de inducción electromagnética
Cuando se aplica una corriente continua a un conductor (es decir, un cable), se crea un campo magnético alrededor del conductor. A esto se le llama 'campo magnético estático' porque es generado por una corriente continua.
Si la fuente de corriente es un voltaje de CA, el campo magnético creado comienza a "oscilar" hacia adelante y hacia atrás.
Si un objeto metálico como un trozo de alambre se coloca dentro de este campo magnético, este campo magnético oscilante hace que se genere una corriente eléctrica dentro de este segundo conductor. Este principio se conoce como "inducción electromagnética". Este es el principio que también se puede encontrar en los transformadores eléctricos.
Este mismo fenómeno también se puede observar cuando el campo magnético es estático y el conductor se mueve a través del campo magnético.
Corrientes de Foucault
Cuando un objeto metálico entra en un campo electromagnético, el campo crea una corriente eléctrica dentro del conductor según el principio de inducción electromagnética. A veces, este efecto se vuelve indeseable. Las corrientes de Foucault son el tipo de corrientes inducidas que comienzan a circular dentro del objeto metálico.
Las corrientes de Foucault no salen del objeto como flujo de corriente eléctrica. Las corrientes de Foucault también interrumpen el campo magnético existente. Este es el fenómeno que aprovechan los sensores de proximidad inductivos para detectar objetos.
¿Cómo detecta un sensor de proximidad inductivo los objetos metálicos?
Los sensores de proximidad inductivos utilizan el mismo principio de las corrientes de Foucault para detectar objetos metálicos. Miden el cambio en las corrientes parásitas inducidas en el objeto presente y emiten una señal en consecuencia.
Sin embargo, medir las corrientes de Foucault en un objeto cercano es una tarea complicada. Por lo tanto, los sensores de proximidad inductivos también tienen circuitos complicados dentro de ellos para procesar las señales y proporcionar una salida decente.
Cuando se activa, el sensor crea un campo magnético oscilante en la cara de detección. Este campo magnético se crea utilizando un LC del oscilador, que consta de un condensador y una bobina.
Un circuito especial mantiene constante la frecuencia de oscilación. Para los sensores de CA, esta frecuencia es de aproximadamente 10 a 20 Hz, mientras que los sensores de CC funcionan en el rango de 500 Hz a 5 kHz.
Cuando un objeto metálico entra en el campo magnético generado, el campo induce una corriente eléctrica dentro del objeto. Esto también hace que las corrientes de Foucault circulen dentro del objeto.
Como se mencionó anteriormente, las corrientes de Foucault interrumpen el campo magnético generado por el sensor.
Esta interrupción amortigua la oscilación natural en el circuito del oscilador. Esto también se conoce como 'amortiguación magnética'. La amortiguación magnética aumenta la carga sobre la oscilación. A su vez, reduce la amplitud de la señal oscilante.
Un circuito comparador independiente supervisa esta señal oscilante. Siempre que la amplitud de la señal llega por debajo o por encima de un cierto umbral, el circuito activa la salida. Para un sensor digital, esta es una señal de salida lógica ALTA o BAJA. Para un sensor analógico, la señal de salida es una señal de corriente o voltaje.
Construya un circuito de sensor de proximidad inductivo
Hay sensores listos para usar disponibles para comprar de varios fabricantes. Podemos utilizarlos en cualquier aplicación de automatización industrial donde se requiera detección de metales. Al igual que otros tipos de sensores, los sensores de proximidad inductivos también vienen en diferentes tipos de salida: PNP y NPN.
También hay disponibles sensores de proximidad inductivos de 2 cables.
Circuito del sensor de proximidad inductivo que utiliza un sensor industrial
Veamos un ejemplo en el que se activa un zumbador cuando el sensor detecta un objeto metálico. Para este ejemplo, se utiliza un sensor de proximidad inductivo de tipo PNP.
Siguiendo la notación de cableado típica, el cable marrón del sensor es su terminal de alimentación positiva. La tensión de alimentación puede variar de 6 V a 36 VDV. El cable azul está conectado a tierra.
La salida del sensor (cable negro) se conecta a la base de un transistor NPN de uso general. Dado que se trata de un sensor PNP, la salida será de aproximadamente 0 V cuando no se detecte ningún objeto. Cuando detecta un objeto, el pin de salida generará un voltaje cercano al voltaje de suministro dado al cable marrón del sensor.
Los sensores inductivos solo pueden generar una pequeña cantidad de corriente. Por lo tanto, conectar la salida directamente a un zumbador puede dañar el sensor. El uso de un transistor como interruptor permite que el sensor emita una señal de voltaje y controle una carga de alta corriente como el zumbador.
Cuando el circuito está encendido y no hay ningún objeto metálico presente frente a él, el sensor de proximidad inductivo PNP emite un voltaje BAJO (cercano a 0 V). Esta inversa polariza el transistor, lo que significa que la corriente no fluye a través del zumbador. En este punto, el zumbador se apaga.
Cuando un objeto metálico entra en el rango de detección del sensor, emite una señal lógica ALTA. Esta señal enciende el transistor NPN. Dado que el transistor funciona como un interruptor, ahora enciende el zumbador.
Un circuito de sensor de proximidad inductivo construido a medida
Aunque los sensores de proximidad inductivos están disponibles comercialmente, puede haber un caso en el que necesite diseñar un sensor de proximidad en una placa de circuito. Esto puede deberse a limitaciones de espacio y a la falta de disponibilidad de un sensor de tamaño adecuado.
El TCA505 El interruptor de sensor de proximidad inductivo IC de Infineon Technologies es un IC de propósito especial diseñado para ser utilizado en tales aplicaciones. Tiene todas las etapas de procesamiento de señales integradas y solo requiere unos pocos componentes externos para crear un interruptor de proximidad inductivo independiente.
Electronica-lab.com tiene una aplicación de ejemplo del TCA505. El circuito que se muestra aquí puede detectar objetos metálicos a una distancia de 5 a 10 mm de la PCB. El circuito resonante LC de este circuito se basa en un núcleo de ferrita de media olla abierta.
Este circuito puede operar de 12V a 42V y tiene dos LED indicadores, D1 y D2. D2 permanece encendido cuando no hay ningún objeto, mientras que D1 permanece apagado. Cuando hay un objeto presente, D1 se enciende y D2 se apaga. La sensibilidad / distancia de detección del circuito se puede controlar mediante el potenciómetro PR1.
La imagen que se muestra a continuación es la PCB final diseñada por Electronica-lab.com.
Circuitos internos de un sensor de proximidad inductivo
Ahora que sabemos cómo funciona un sensor de proximidad inductivo, echemos un vistazo más de cerca a lo que los hace funcionar.
Como sabemos ahora, un sensor de proximidad inductivo tiene un circuito complejo dentro de su carcasa. El circuito tiene 4 bloques funcionales principales. A saber,
- Etapa del oscilador
- Etapa demodulador
- Etapa de activación
- Etapa de salida
Analicemos el diagrama de bloques funcional del sensor de proximidad inductivo desde la detección hasta la salida.
Etapa del oscilador
La etapa del oscilador consta de la cabeza del sensor, que forma un Circuito de tanque LC. Esta porción consta de un condensador y un inductor, que es la bobina de detección que genera el campo magnético. El amplificador operacional ayuda a sostener la oscilación y mantener constante la frecuencia. La salida de la señal de la etapa del oscilador se asemeja a una onda sinusoidal.
Etapa demodulador
La salida de la etapa del oscilador está conectada a la etapa del demodulador. Esta etapa acepta la onda sinusoidal producida y la rectifica mediante un rectificador de medio puente. El condensador C2 suaviza aún más el voltaje. La etapa de demodulador luego alimenta su salida a la etapa de activación.
Etapa de activación
La etapa de activación consta de un tipo de CI especial llamado 'Schmitt Trigger'. Los disparadores de Schmitt tienen una característica especial llamada "histéresis". Por ejemplo, un disparador Schmitt puede establecer su salida en ALTO cuando el voltaje de entrada es superior a 2.5 V. Pero solo volverá a configurar su salida BAJA cuando el voltaje de entrada caiga por debajo de 2.0V.
Etapa de salida
La etapa de salida es la etapa final que controla la salida de señal del sensor. Este consiste principalmente en un transistor. El tipo de este transistor define el tipo de salida del sensor.
Si el transistor es de tipo NPN, el sensor se llama 'sensor de proximidad NPN'. Este sensor en particular es un sensor de tipo PNP que tiene un transistor PNP en su etapa de salida.
La salida está protegida por un RTD (Detector de temperatura de resistencia), que protege la etapa de salida si el cable marrón está cortocircuitado con 0V. El diodo D2 ofrece protección de polaridad inversa, mientras que R5 actúa como una resistencia desplegable para la salida. El diodo Zener D1 protege el sensor de sobretensión.
Sensores de proximidad inductivos frente a sensores de proximidad capacitivos
Los sensores inductivos y capacitivos son dos de las tecnologías más populares entre los sensores de proximidad.
Los sensores de proximidad inductivos utilizan el principio del electromagnetismo y las corrientes de Foucault para detectar objetos metálicos. Cuando un objeto metálico se acerca al sensor, la amplitud de oscilación dentro del circuito del sensor se amortigua. La subida o bajada de la amplitud determina el estado de salida del sensor.
Sin embargo, no pueden detectar material dieléctrico como plástico, madera o vetas. A veces, esto es una ventaja porque podemos usar sensores inductivos para detectar objetos metálicos dentro de una bolsa de papel o plástico. En su mayor parte, los sensores inductivos se utilizan en máquinas para detectar la posición de las piezas móviles.
Los sensores de proximidad capacitivos utilizan el principio de capacitancia para detectar objetos. La colocación de un objeto frente a la cara de detección provoca que comience una oscilación dentro del circuito del sensor. Esto es monitoreado por otro subcircuito que controla la salida.
Estos sensores pueden detectar tanto objetos metálicos como ferrosos, aluminio como objetos no metálicos como agua, papel, vidrio e incluso polvos. Los sensores capacitivos se utilizan para controlar los niveles de líquido, detectar el estado de llenado / vacío de contenedores como botellas, etc.
Los sensores inductivos tienen un rango de detección relativamente más bajo (tanto la distancia como el campo de visión) que los sensores capacitivos. La distancia operativa de ambos sensores depende del tamaño, la forma y la composición del material.
Uso de sensores de proximidad inductivos con Arduino
A veces, un proyecto de bricolaje puede requerir la detección de objetos metálicos. Echemos un vistazo a cómo usar un sensor de proximidad inductivo con un Arduino y cómo obtener las lecturas de él. Marcar Tutor tenga un video muy informativo en su canal sobre esto.
El sensor utilizado en este tutorial es el LJ12A3-4-Z / B Sensor de proximidad inductivo NPN. Este sensor puede funcionar con una fuente de alimentación de 6-36VDC. Tiene un rango de detección de 4 mm y puede detectar aleaciones de hierro / acero.
El cable marrón del sensor está conectado a una fuente de alimentación de 6-36 V y el cable azul está conectado a 0 V (tierra). El pin 1 del optoacoplador PC817 está conectado al mismo suministro de 6-36 VCC. La salida de señal del sensor se conecta al pin 817 del PC2 a través de una resistencia de 1k. Esta resistencia limita el flujo de corriente a través del optoacoplador.
En el lado de salida del optoacoplador, el pin 4 está conectado a 5V a través de una resistencia de 10k para limitar la corriente. El pin 3 está conectado a tierra. Los dos motivos se pueden unir o dejar separados. El pin 4 también está conectado al pin 13 de Arduino. Puede ser cualquier pin digital / analógico del Arduino.
Funcionalidad del circuito
Cuando el circuito está encendido y no hay ningún objeto presente, el sensor NPN emite una señal lógica ALTA. Esto significa que el optoacoplador PC817 no funciona.
En este punto, el transistor dentro del optoacoplador no está activado. Por lo tanto, el voltaje en el pin 4 está cerca de 5V. El Arduino ve esto como una entrada lógica ALTA.
Cuando se coloca un objeto metálico frente al sensor, la salida del sensor se conecta a 0V. Esto hace que la corriente fluya a través del LED (pin 1 al pin 2 del optoacoplador) y enciende el optoacoplador.
Cuando se activa, el transistor comienza a conducir corriente desde el pin 4 al pin 3. En este punto, el pin 4 del optoacoplador tiene un voltaje cercano a 0V. El Arduino ve esto como una entrada lógica BAJA.
Explicación del código Arduino
int limitSwitch = 13;
int state = LOW;
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(limitSwitch,INPUT);
}
void loop() {
int val = digitalRead(limitSwitch);
if( val != state ){
state = val;
Serial.print("Sensor value = ");
if( state == 0 )
Serial.println( "(0) Target Hit!" );
else
Serial.println( "(1) None");
}
}
El código comienza con la definición del pin y la configuración del pin 13 como entrada. Dentro de la función de bucle, el Arduino comprueba continuamente el estado del pin 13. Siempre que la entrada del pin 13 pasa de HIGH a LOW o de LOW a HIGH, se evalúa la condición 'si'.
Si el estado del pin es BAJO (lo que significa que hay un objeto presente), imprime "(0) Target Hit!" en el monitor de serie. Si el pin es ALTO, el Arduino imprime "(1) Ninguno" en el monitor en serie.
Este circuito se puede cambiar fácilmente para que funcione con un sensor PNP conectando el cable negro de un sensor PNP al pin 1 del optoacoplador y conectando el pin 2 a tierra a través de la resistencia de 1k.
Precio del sensor de proximidad inductivo
El precio de los sensores de proximidad inductivos depende principalmente de su tamaño, rango de detección y tipo de salida. Un sensor típico que tiene un voltaje de funcionamiento de 10-30 V y un rango de detección de 8 mm puede costarle entre $ 30 y $ 100 +.
Los sensores que ya tienen cables conectados tienden a costar más, ya que están sellados y son más resistentes al polvo y al agua.
Los sensores de proximidad inductivos de CA que tienen contactos SPST cuestan alrededor de $ 80 y generalmente tienen un Protección de ingreso (IP) calificación de 67 o superior.
Símbolo de sensor de proximidad inductivo
El símbolo de un sensor de proximidad inductivo es el siguiente, según lo definido por el Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). Consta de 4 símbolos principales que denotan la naturaleza del sensor.
Para todos los sensores de proximidad inductivos, los símbolos superior izquierdo e inferior son idénticos. Dependiendo del tipo de salida (PNP / NPN / SPST), el símbolo superior derecho puede cambiar.
El símbolo de la parte inferior derecha indica el estado normalmente abierto (NO) o normalmente cerrado (NC) del sensor. Esto indica si la señal de salida es ALTA o BAJA cuando un objeto está ausente.
Ingenieroshub.co explica todas las combinaciones de cableado (2 hilos y 3 hilos) para sensores de proximidad inductivos y proporciona ilustraciones para los dos símbolos.
¿Dónde se utilizan los sensores de proximidad inductivos?
Los sensores de proximidad inductivos encuentran la mayoría de sus aplicaciones en entornos industriales y maquinarias pesadas. Una de las más populares son las aplicaciones de detección de posición, donde los sensores se utilizan para detectar el movimiento de máquinas como carretillas elevadoras y actuadores hidráulicos.
La detección de velocidad de la rueda sin contacto también es otra aplicación para los sensores inductivos. Se utiliza una rueda con ranuras / dientes para contar el número de pulsos que lee el sensor por segundo para determinar la velocidad de rotación de la rueda. Esta es una aplicación común en vehículos de motor y cintas transportadoras.
Rango del sensor de proximidad inductivo
A diferencia de los sensores de proximidad capacitivos, los sensores de proximidad inductivos tienen un rango de detección más estrecho.
Sin embargo, pueden detectar objetos dentro de un rango de 1 mm a 60 mm. Los sensores de propósito especial también se pueden diseñar para tener una mayor distancia de detección.
En este diagrama, podemos identificar algunos de los parámetros que se utilizan para definir las características del sensor. Sn es la distancia de detección nominal. Esta es la distancia para la que está diseñado el sensor. Esta gama no tiene en cuenta variaciones.
Sr es la distancia de detección real. Esta distancia se define a la tensión nominal y la temperatura ambiente nominal. Su es la distancia de detección utilizable. Su define la región donde se encuentra entre el 90% y el 110% de la distancia de detección real.
El parámetro más importante es Sa, la distancia operativa asegurada. Esto está entre el 0% y el 81% de la distancia de detección nominal, y se garantiza que el sensor detectará cualquier objeto detectable dentro de esta región.
¿De qué están hechos los sensores inductivos?
La cara de detección de un sensor inductivo puede estar hecha de cerámica o polieteretercetona (PEEK). Esto depende de la aplicación.
La carcasa del sensor se basa en varios materiales. Puede ser de acero inoxidable, PPS, PBTB, latón niquelado o recubierto de teflón.
Para aplicaciones donde la higiene es clave, como el procesamiento de alimentos, el acero inoxidable cumple con los estándares. El PPS se utiliza para crear carcasas donde el sensor estará sujeto a altas temperaturas. Para resistir la abrasión y el calor y el frío extremos, se utiliza PBTB.
Cómo conectar un sensor de proximidad inductivo
Hay principalmente 3 tipos de esquemas de cableado disponibles. Los sensores de 4 hilos no se utilizan mucho, mientras que los de 2 y 3 hilos son los más populares.
Así es como se clasifican los sensores según su voltaje de suministro y tipos de salida:
- Suministro de CA o CC
- Determina si los sensores funcionan con una fuente de alimentación de 220 V CA o 24 V CC
- Tipo de salida
- Salida de transistor (3 hilos)
- Los sensores de salida de transistor pueden ser NPN o PNP. Para ambos tipos, aquí están las opciones de salida NO (normalmente abierto) y NC (normalmente cerrado). Algunos sensores pueden incluso admitir ambos. (NO + NC).
- Salida de relé (2 hilos o 3 hilos)
- Salida de transistor (3 hilos)
Los sensores de CA de 2 y 3 cables son siempre del tipo de salida de relé. Los sensores de CC pueden ser del tipo de salida de relé o transistor. Los sensores de salida de relé también tienen opciones NO, NC y NO + NC.
Esta es OMCH.coLa gama de sensores de proximidad capacitivos y las opciones de cableado que proporcionan:
Los siguientes son los diagramas de cableado que se utilizan para conectar los sensores de proximidad a los sistemas de automatización.
¿Qué tipo de material detecta un sensor de proximidad inductivo?
Los sensores de proximidad inductivos pueden detectar la presencia de solo objetivos metálicos. No pueden detectar objetos no metálicos como cerámica, plástico, madera, papel y líquidos.
Sin embargo, pueden "ver a través" de objetos no metálicos para detectar objetos metálicos. Por ejemplo, los sensores de proximidad inductivos pueden detectar objetos metálicos detrás de una lámina de plástico opaca.
Cómo probar un interruptor de proximidad inductivo
Para probar un sensor de proximidad inductivo de tipo PNP, se puede utilizar el siguiente diagrama de circuito. Cuando un objeto metálico está más cerca de la superficie del sensor, el LED adjunto se enciende.
De manera similar, el siguiente circuito se puede utilizar para probar un sensor de proximidad tipo NPN. Para ambos circuitos, la resistencia en serie con el LED debe estar alrededor de 2k para proteger el LED.
¿Qué materiales reducirán el alcance de un interruptor de proximidad inductivo?
Los sensores inductivos funcionan mejor con acero (Fe360). Utilizando esto como referencia, se define un 'factor de corrección' especial para otros tipos de material. Cuanto menor sea el factor de corrección, menor será la distancia de detección.
Por ejemplo, si un sensor de proximidad en particular puede detectar un objeto de acero a una distancia de 10 mm, solo podría detectar un objeto de latón cuando esté aproximadamente de 10 mm * 0.25 a 10 mm * 0.45 (2.5 mm - 4.5 mm) cerca de la superficie de detección .
¿Qué tan precisos son los sensores de proximidad inductivos?
Durante la etapa de fabricación, los diseños de sensores inductivos se someten a un minucioso proceso de calibración de precisión. Esto implica el ajuste guiado por láser de las resistencias del sensor que determinan la distancia de detección y el rendimiento.
Aun así, cuando se instala un sensor de proximidad en el campo, a veces se pueden acumular polvo metálico u otras partículas en la superficie del sensor con el tiempo. Esto reduce la sensibilidad del sensor con el tiempo.
Los sensores modernos vienen equipados con microprocesadores integrados que pueden detectar estas partículas y ajustar la sensibilidad del sensor en consecuencia. Por lo tanto, estos sensores se denominan 'inmunes a los chips'
Consejos a tener en cuenta al comprar un sensor de proximidad inductivo
Antes de seleccionar un sensor de proximidad inductivo como opción, puede resultar útil responder estas preguntas:
- ¿Qué tipo de objetos necesito detectar?
- ¿Cuál es la distancia de detección relativa requerida?
- ¿Cuál es la forma y el tamaño del objeto que quiero detectar?
Dependiendo de estos factores, si
- El rango es inferior a 80 mm.
- Solo es necesario detectar objetos metálicos (ferrosos)
- El sensor debe ser resistente a las duras condiciones ambientales.
- El sensor debe funcionar con piezas móviles de alta velocidad.
an sensor de proximidad inductiva podría ser una mejor opción. También son relativamente más baratos que otras tecnologías como los sensores capacitivos o de ultrasonidos.
¿Funcionarán los sensores de proximidad inductivos en aluminio?
Los sensores de proximidad inductivos normales tienen relativamente dificultades para detectar objetos hechos de aluminio. Sin embargo, el papel de aluminio puede ser detectado por sensores inductivos debido a un fenómeno llamado 'efecto piel' que posee el aluminio.
Si existe un requisito estricto para detectar objetos de aluminio, existen 'tipos totalmente metálicos' o no ferrosos 'que pueden detectar todos los tipos de metales, incluidos el aluminio y el cobre.
Conclusión
En este artículo, analizamos en profundidad los sensores de proximidad inductivos, su construcción, principio de funcionamiento y aplicaciones. Estos sensores son excelentes detectores de metales y encuentran sus aplicaciones en muchos entornos industriales y no industriales.
Existen otros tipos de sensores de proximidad como los capacitivos, ultrasónicos, magnéticos y fotoeléctricos que pueden ser más adecuados para un específico. Seguir así guía de DirectIndustria para obtener más información sobre cómo elegir el sensor de proximidad adecuado para su aplicación.
