Sensor de proximidad inductivo

Introducción

Los sensores de proximidad se utilizan en entornos industriales para detectar la presencia de objetos. Existen dos tipos principales de objetos: metálicos y no metálicos. Los sensores de proximidad inductivos están especialmente diseñados para detectar objetos metálicos.

En este post, vamos a echar un vistazo en profundidad a la inducción 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. En el mercado existen sensores de salida tanto digital como analógica.

Los sensores de proximidad inductivos son sensores de tipo sin contacto. Pueden detectar objetos sin contacto físico. Se utilizan para detectar objetos metálicos en entornos de automatización industrial. Esto incluye objetos de hierro, cobre y aluminio.

El alcance de detección de los detectores de proximidad inductivos depende del tipo de material. Los sensores de proximidad inductivos funcionan mejor con metales ferrosos (objetos de hierro), pero también podemos utilizarlos para detectar otros objetos metálicos.

Principio de funcionamiento del sensor de proximidad inductivo

Los detectores de proximidad inductivos utilizan el principio de inducción electromagnética para detectar la presencia/ausencia de objetos metálicos. Estos sensores son muy similares a los sensores de proximidad capacitivos en términos de tamaño. A continuación se muestra el ALJ8A3-1-Z/N1 interruptor de proximidad inductivo de OMCH.co

Intentemos comprender el principio de funcionamiento de los detectores de proximidad inductivos empezando por el método de detección, inducción electromagnética y Corrientes de Foucault.

Principio de inducción electromagnética

Cuando se aplica una corriente continua a un conductor (por ejemplo, un cable), se crea un campo magnético alrededor del conductor. Se denomina "campo magnético estático" porque lo genera una corriente continua.

Si la fuente de corriente es una tensión alterna, el campo magnético creado empieza a "oscilar" de un lado a otro.

Si se coloca un objeto metálico, como un trozo de alambre, dentro de este campo magnético, este campo magnético oscilante hace que se genere una corriente eléctrica en el interior de este segundo conductor. Este principio se conoce como "inducción electromagnética". Este principio también se encuentra en los transformadores eléctricos.

Este mismo fenómeno también puede observarse cuando el campo magnético es estático y el conductor se desplaza a través del campo magnético.

Corrientes de Foucault

Cuando un objeto metálico entra en un campo electromagnético, éste crea una corriente eléctrica en el interior 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/circular dentro del objeto metálico.

Las corrientes parásitas no salen del objeto como el flujo de corriente eléctrica. Las corrientes parásitas también perturban 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 objetos metálicos?

Los detectores de proximidad inductivos utilizan el mismo principio de las corrientes de Foucault para detectar objetos metálicos. Miden el cambio en las corrientes de Foucault 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 complicados circuitos en su interior 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 Oscilador LCque 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 unos 10 a 20 Hz, mientras que los sensores de CC trabajan 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 en el interior del objeto. Esto también provoca la circulación de corrientes de Foucault en el interior del objeto.

Como ya se ha mencionado, las corrientes de Foucault perturban el campo magnético generado por el sensor.

Esta alteración amortigua la oscilación natural del circuito oscilador. Esto también se conoce como 'amortiguación magnética'. La amortiguación magnética aumenta la carga de la oscilación. A su vez, reduce la amplitud de la señal oscilante.

Un circuito comparador independiente controla esta señal oscilante. Cada vez que la amplitud de la señal se sitúa por debajo o por encima de un determinado umbral, el circuito activa la salida. Para un sensor digital, se trata de una señal de salida lógica ALTA o BAJA. Para un sensor analógico, la señal de salida es una señal de corriente o tensión.

Construir un circuito sensor de proximidad inductivo

Existen sensores ya fabricados que se pueden adquirir a varios fabricantes. Podemos utilizarlos en cualquier aplicación de automatización industrial que requiera la detección de metales. Al igual que otros tipos de sensores, los sensores de proximidad inductivos también se presentan en diferentes tipos de salida: PNP y NPN.

También existen detectores de proximidad inductivos de 2 hilos.

Circuito sensor de proximidad inductivo utilizando un sensor industrial

Veamos un ejemplo en el que un zumbador se activa cuando el sensor detecta un objeto metálico. Para este ejemplo, se utiliza un sensor de proximidad inductivo de tipo PNP.

Siguiendo la notación típica de cableado, el cable Marrón del sensor es su terminal positivo de alimentación. La tensión de alimentación puede variar de 6V a 36VDV. El cable Azul está conectado a tierra.

La salida del sensor (cable negro) se conecta a la base de un transistor NPN de propósito general. Dado que se trata de un sensor PNP, la salida será aproximadamente 0V cuando no detecte ningún objeto. Cuando detecta un objeto, el pin de salida emitirá una tensión cercana a la tensión de alimentación dada al cable Marrón del sensor.

Los sensores inductivos sólo pueden emitir 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 tensión y controle una carga de corriente elevada como el zumbador.

Cuando el circuito está encendido y no hay ningún objeto metálico delante, el sensor de proximidad inductivo PNP emite una tensión BAJA (cercana a 0V). Esto polariza inversamente 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 campo de detección del sensor, éste emite una señal lógica ALTA. Esta señal enciende el transistor NPN. Como el transistor funciona como un interruptor, ahora enciende el zumbador.

Un circuito sensor de proximidad inductivo hecho a medida

Aunque los sensores de proximidad inductivos están disponibles en el mercado, puede darse el caso de 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 del tamaño adecuado.

En TCA505 de Infineon Technologies es un circuito integrado diseñado especialmente para este tipo de aplicaciones. Cuenta con todas las etapas de procesamiento de señales incorporadas, y sólo requiere unos pocos componentes externos para crear un interruptor de proximidad inductivo independiente.

Laboratorio de electrónica tiene un ejemplo de aplicación del TCA505. El circuito que se muestra aquí puede detectar objetos metálicos a una distancia de entre 5 y 10 mm de la placa de circuito impreso. El circuito resonante LC de este circuito se basa en un núcleo de ferrita de media pastilla abierta.

Este circuito puede funcionar de 12V a 42V, y tiene dos LEDs indicadores, D1 y D2. D2 permanece encendido cuando no hay ningún objeto presente, mientras que D1 permanece apagado. Cuando hay un objeto presente, D1 se enciende y D2 se apaga. La sensibilidad/distancia de detección del circuito puede controlarse mediante el potenciómetro PR1.

La imagen que se muestra a continuación es la PCB final diseñada por Laboratorio de electrónica.

Circuitos internos de un sensor de proximidad inductivo

Ahora que ya sabemos cómo funciona un sensor de proximidad inductivo, veamos más de cerca qué es lo que lo hace "funcionar".

Como ya sabemos, un sensor de proximidad inductivo tiene un complejo circuito dentro de su carcasa. El circuito tiene 4 bloques funcionales principales. A saber,

• Etapa de oscilador
• Etapa demoduladora
• Etapa de activación
• Etapa de salida

Analicemos el diagrama de bloques funcional del sensor de proximidad inductivo, desde la detección hasta la salida.

Etapa de oscilador

La etapa osciladora consta del cabezal del sensor, que forma una Circuito del tanque LC. Esta parte consta de un condensador y un inductor, que es la bobina de detección que genera el campo magnético. El op-amp ayuda a sostener la oscilación y mantener la frecuencia constante. La señal de salida de la etapa osciladora se asemeja a una onda sinusoidal.

Etapa demoduladora

La salida de la etapa osciladora se conecta a la etapa demoduladora. Esta etapa acepta la onda sinusoidal producida y la rectifica utilizando un rectificador de medio puente. El condensador C2 suaviza aún más la tensión. La etapa demoduladora alimenta entonces su salida a la etapa de disparo.

Etapa de activación

La etapa de disparo consiste en un tipo especial de circuito integrado llamado 'gatillo schmitt'. Los disparadores Schmitt tienen una característica especial llamada 'histéresis'. Por ejemplo, un disparador schmitt puede poner su salida en ALTO cuando la tensión de entrada es superior a 2,5V. Pero sólo volverá a poner su salida en BAJO cuando la tensión de entrada caiga por debajo de 2,0V.

Etapa de salida

La etapa de salida es la última etapa que controla la señal de salida del sensor. 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 denomina "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 se cortocircuita con 0V. El diodo D2 ofrece protección contra polaridad inversa mientras que R5 actúa como resistencia pull-down para la salida. El diodo Zener D1 protege el sensor de sobretensiones.

Sensores de proximidad inductivos frente a 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. El aumento o disminución de la amplitud determina el estado de salida del sensor.

Sin embargo, no pueden detectar materiales dieléctricos como el plástico, la madera o el grano. En ocasiones, esto supone una ventaja, ya que podemos utilizar sensores inductivos para detectar objetos metálicos dentro de una bolsa de papel o plástico. En la mayoría de los casos, los sensores inductivos se utilizan en máquinas para detectar la posición de piezas móviles.

Los sensores de proximidad capacitivos utilizan el principio de la capacitancia para detectar objetos. Al colocar un objeto delante de la cara de detección, se produce una oscilación en el circuito del sensor. Esta oscilación es controlada por otro subcircuito que controla la salida.

Estos sensores pueden detectar tanto objetos metálicos, como hierro o aluminio, como objetos no metálicos, como agua, papel, vidrio e incluso polvos. Los sensores capacitivos se utilizan para controlar los niveles de líquidos, detectar el estado lleno/vacío de recipientes como botellas, etc.

Los sensores inductivos tienen un rango de detección relativamente menor (tanto en distancia como en campo de visión) que los capacitivos. La distancia de funcionamiento 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 utilizar un sensor de proximidad inductivo con un Arduino y cómo obtener las lecturas del mismo. Mark Tutor tiene un vídeo 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 alimentación de 6-36VDC. Tiene un rango de detección de 4mm y puede detectar aleaciones de hierro/acero.

El cable marrón del sensor está conectado a la fuente de alimentación de 6-36V, y el cable azul está conectado a 0V (masa). El pin 1 del optoacoplador PC817 está conectado a la misma alimentación de 6-36VDC. La señal de salida del sensor se conecta al pin 2 del PC817 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. Las dos tierras se pueden atar juntas, o se pueden dejar separadas. El pin 4 también está conectado al pin 13 de Arduino. Este 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 es cercano a 5V. El Arduino ve esto como una entrada lógica ALTA.

Cuando se coloca un objeto metálico delante del sensor, la salida del sensor se conecta a 0V. Esto hace que la corriente fluya a través del LED (pin 1 a pin 2 del optoacoplador), y enciende el optoacoplador.

Cuando se activa, el transistor empieza a conducir corriente del 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 estado = LOW;
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(limitSwitch,INPUT);
}

void loop() {
int val = digitalRead(limitSwitch);
if( val != state ){
estado = val;
Serial.print("Valor del sensor = ");
if( state == 0 )
Serial.println( "(0) ¡Objetivo alcanzado!" );
si no
Serial.println( "(1) Ninguno");
}
}

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. Cada vez que la entrada del pin 13 pasa de HIGH a LOW o de LOW a HIGH, la condición 'if' se evalúa.

Si el estado del pin es BAJO (lo que significa que hay un objeto presente), imprime "(0) ¡Objetivo alcanzado!" en el monitor serie. Si el pin está ALTO, el Arduino imprime "(1) Ninguno" en el monitor serie.

Este circuito se puede cambiar fácilmente para trabajar con un sensor PNP conectando el cable negro de un sensor PNP al pin 1 del optoacoplador, y conectando el pin 2 a masa a través de la resistencia de 1k.

Sensor de proximidad inductivo Precio

El precio de los sensores de proximidad inductivos depende principalmente de su tamaño, rango de detección y tipo de salida. Un sensor típico con una tensión de funcionamiento de 10-30 V y un campo de detección de 8 mm puede costar entre $30 y $100+.

Los sensores con cables ya conectados suelen costar más porque 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 suelen tener un Protección contra la penetración (IP) de 67 o más.

Símbolo del sensor de proximidad inductivo

El símbolo de un sensor de proximidad inductivo es el siguiente, definido por la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI). Consta de 4 símbolos principales que denotan la naturaleza del sensor.

Para todos los detectores de proximidad inductivos, los símbolos superior izquierdo e inferior son idénticos. Según el tipo de salida (PNP/NPN/SPST), el símbolo superior derecho puede cambiar.

El símbolo inferior derecho indica el estado normalmente abierto (NO) o normalmente cerrado (NC) del sensor. Indica si la señal de salida es ALTA o BAJA cuando hay un objeto ausente.

Ingenieroshub.co explica todas las combinaciones de cableado (2 y 3 hilos) para los detectores 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 maquinaria pesada. Una de las más populares son las aplicaciones de detección de posición, en las que los sensores se utilizan para detectar el movimiento de máquinas como carretillas elevadoras y actuadores hidráulicos.

La detección de la velocidad de las ruedas sin contacto es otra aplicación de los sensores inductivos. Se utiliza una rueda con ranuras/dientes para contar el número de impulsos que el sensor lee por segundo para determinar la velocidad de rotación de la rueda. Se trata de una aplicación habitual en vehículos de motor y cintas transportadoras.

Alcance del sensor de proximidad inductivo

A diferencia de los sensores de proximidad capacitivos, los inductivos tienen un rango de detección más estrecho.

Sin embargo, pueden detectar objetos en un rango de 1 mm a 60 mm. Los sensores especiales también pueden diseñarse para aumentar la 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 nominal de detección. Es la distancia para la que está diseñado el sensor. Este rango no tiene en cuenta ninguna variación.

Sr es la distancia real de detección. Esta distancia se define a la tensión nominal y a la temperatura ambiente nominal. Su es la distancia de detección utilizable. Su define la región donde se encuentra entre 90% y 110% de la distancia de detección real.

El parámetro más importante es Sala distancia de funcionamiento garantizada. Se sitúa entre 0% y 81% de la distancia de detección nominal, y se garantiza que el sensor detecta cualquier objeto detectable dentro de esta región.

¿De qué están hechos los sensores inductivos?

La cara de detección de un sensor inductivo puede ser de cerámica o de polieteretercetona (PEEK). Esto depende de la aplicación.

La carcasa del sensor se basa en diversos materiales. Puede ser de acero inoxidable, PPS, PBTB, latón niquelado o recubierto de teflón.

Para aplicaciones en las que la higiene es clave, como el procesado de alimentos, el acero inoxidable cumple las normas. El PPS se utiliza para crear carcasas en las que el sensor estará sometido a altas temperaturas. Para resistir la abrasión y el calor y el frío extremos, se utiliza PBTB.

Cómo cablear un sensor de proximidad inductivo

Existen principalmente 3 tipos de esquemas de cableado. Los sensores de 4 hilos no son muy utilizados, mientras que los de 2 y 3 hilos son los más populares.

Así se clasifican los sensores en función de su tensión de alimentación y sus tipos de salida:

• Alimentación de CA o CC
  • Determina si los sensores funcionan con 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, existen opciones de salida NO (Normalmente Abierto) y NC (Normalmente Cerrado). Algunos sensores pueden incluso admitir ambas. (NO+NC).
  • Salida de relé (2 ó 3 hilos)

Los sensores de CA de 2 y 3 hilos son siempre del tipo de salida de relé. Los sensores de CC pueden ser del tipo de salida de relé o de transistor. Los sensores de salida de relé también tienen opciones NO, NC y NO+NC.

Aquí está OMCH.coy las opciones de cableado que ofrecen:

A continuación se muestran los diagramas de cableado utilizados para cablear sensores de proximidad a sistemas de automatización.

¿Qué tipo de material detecta un sensor de proximidad inductivo?

Los detectores de proximidad inductivos sólo pueden detectar la presencia de objetos 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 sensor de proximidad inductivo

Para probar un sensor de proximidad inductivo de tipo PNP, puede utilizarse el siguiente esquema de circuito. Cuando un objeto metálico se acerca a la superficie del sensor, el LED adjunto se ilumina.

Del mismo modo, el siguiente circuito se puede utilizar para probar un sensor de proximidad de tipo NPN. Para ambos circuitos, la resistencia en serie con el LED debe ser alrededor de 2k para proteger el LED.

¿Qué materiales reducen el alcance de un sensor de proximidad inductivo?

Los sensores inductivos funcionan mejor con acero (Fe360). Tomándolo como referencia, se define un "factor de corrección" especial para otros tipos de materiales. Cuanto menor sea el factor de corrección, menor será la distancia de detección.

Por ejemplo, si un sensor de proximidad concreto puede detectar un objeto de acero a una distancia de 10 mm, sólo podrá detectar un objeto de latón cuando se encuentre aproximadamente entre 10 mm*0,25 y 10 mm*0,45 (2,5 mm - 4,5 mm) cerca de la superficie de detección.

¿Cuál es la precisión de los sensores de proximidad inductivos?

Durante la fase 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 un sensor de proximidad se despliega sobre el terreno, a veces el polvo metálico u otras partículas pueden acumularse en la superficie del sensor con el paso del tiempo. Esto reduce la sensibilidad del sensor con el paso del tiempo.

Los sensores modernos vienen equipados con microprocesadores integrados que pueden detectar estas partículas y ajustar la sensibilidad del sensor en consecuencia. Estos sensores se denominan "inmunes a los chips".

Consejos a tener en cuenta al comprar un sensor de proximidad inductivo

Antes de elegir un sensor de proximidad inductivo como opción, puede ser útil responder a estas preguntas:

• ¿Qué tipo de objetos debo detectar?
• ¿Cuál es la distancia de detección relativa necesaria?
• ¿Cuál es la forma y el tamaño del objeto que quiero detectar?

En función de estos factores, si

• El alcance es inferior a 80 mm
• Sólo necesita detectar objetos metálicos (ferrosos)
• El sensor debe ser resistente a condiciones ambientales adversas
• El sensor debe funcionar con piezas móviles de alta velocidad

un sensor de proximidad inductivo pueden ser una mejor opción. También son relativamente más baratos que otras tecnologías, como los sensores capacitivos o de ultrasonidos.

¿Funcionan los sensores de proximidad inductivos en aluminio?

A los sensores inductivos de proximidad normales les resulta relativamente difícil detectar objetos 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 hay un requisito estricto de detectar objetos de aluminio, existen "todo metales" o de tipo no ferroso" que pueden detectar todo tipo de metales, incluidos el aluminio y el cobre.

Conclusión

En este artículo profundizamos en los sensores de proximidad inductivos, su construcción, principio de funcionamiento y aplicaciones. Estos sensores son excelentes detectores de metales y se utilizan en muchos entornos industriales y no industriales.

Existen otros tipos de sensores de proximidad, como los capacitivos, los de ultrasonidos, los magnéticos y los fotoeléctricos, que pueden ser más adecuados para un caso concreto. Siga este guía de DirectIndustry para saber más sobre cómo elegir el sensor de proximidad adecuado para su aplicación.