Optical (Photoelectric) Sensors - Polarized Light in Retroreflective Sensors - Capacitive Sensors - Ultrasonic - Hall effect - flow fluid sensors

Optical (Photoelectric) Sensors

Light sensors have been used for almost a century - originally photocells were used for applications such as reading audio tracks on motion pictures. But modern optical sensors are much more sophisticated.

Optical sensors require both a light source (emitter) and detector. Emitters will produce light beams in the visible and invisible spectrums using LEDs and laser diodes. Detectors are typically built with photodiodes or phototransistors. The emitter and detector are positioned so that an object will block or reflect a beam when present. A basic optical sensor is shown in figure 1.

Sensores ópticos, capacitivos ultrasónicos, efecto Hall, etc.

Sensores ópticos ( fotoeléctricos ) - ( En Español )

Los sensores ópticos casi se han utilizado por un siglo - originalmente las fotocélulas eran utilizadas para usos tales como lectura de pistas de audio en películas . Pero los sensores ópticos modernos son mucho más sofisticados.

Los sensores ópticos requieren una fuente de luz (emisor) y un detector. Los emisores generan haces luminosos en los espectros visibles e invisibles usando el LED y los diodos láser. Los detectores se construyen típicamente con  fotodiodos o  fototransistores. Se colocan el emisor y el detector de modo que un objeto bloquee o refleje un haz cuando presente. Un sensor óptico básico se muestra en la figura 1.

In the figure the light beam is generated on the left, focused through a lens. At the detector side the beam is focused on the detector with a second lens. If the beam is broken the detector will indicate an object is present. The oscillating light wave is used so that the sensor can filter out normal light in the room. The light from the emitter is turned on and off at a set frequency. When the detector receives the light it checks to make sure that it is at the same frequency. If light is being received at the right frequency then the beam is not broken. The frequency of oscillation is in the KHz range, and too fast to be noticed. A side effect of the frequency method is that the sensors can be used with lower power at longer distances.

An emitter can be set up to point directly at a detector, this is known as opposed mode. When the beam is broken the part will be detected. This sensor needs two separate components, as shown in figure 2.

En la figura el haz luminoso se genera a la izquierda, enfocada a través de una lente. En el lado del detector el haz se centra en el detector con una segunda lente. Si el haz es cortado el detector indicará que un objeto está presente. Se utiliza la onda de luz oscilante de modo que el sensor pueda filtrar y excluir la luz normal en el cuarto. La luz del emisor es conmutada por intervalos en una frecuencia del sistema. Cuando el detector recibe la luz hace las comprobaciones para verificar que la misma esté en la misma frecuencia. Si la luz se está recibiendo en la frecuencia correcta entonces el hazn o está siendo cortado. La frecuencia de la oscilación está en la gama del KHz , y muy rápida para ser percibida. Un efecto secundario del método de frecuencia es que los sensores se pueden utilizar con una energía más baja a distancias más largas.

Un emisor se puede fijar para apuntar directamente a un detector, éste se conoce como modo opuesto. Cuando el haz es interrumpido la pieza será detectada. Este sensor necesita dos componentes separados, según las indicaciones de la figura 2.

Having the emitter and detector separate increases maintenance problems, and alignment is required. A preferred solution is to house the emitter and detector in one unit. But, this requires that light be reflected back as shown in figure 3.

Note: the reflector is constructed with polarizing screens oriented at 90 deg. angles. If the light is reflected back directly the light does not pass through the screen in front of the detector. The reflector is designed to rotate the phase of the light by 90 deg., so it will now pass through the screen in front of the detector.

In the figure, the emitter sends out a beam of light. If the light is returned from the reflector most of the light beam is returned to the detector. When an object interrupts the beam between the emitter and the reflector the beam is no longer reflected back to the detector, and the sensor becomes active. A potential problem with this sensor is that reflective objects could return a good beam. This problem is overcome by polarizing the light at the emitter (with a filter), and then using a polarized filter at the detector. The reflector uses small cubic reflectors and when the light is reflected the polarity is rotated by 90 degrees. If the light is reflected off the object the light will not be rotated by 90 degrees. So the polarizing filters on the emitter and detector are rotated by 90 degrees, as shown in Figure 4. The reflector is very similar to reflectors used on bicycles.

Nota: el reflector se construye con pantallas polarizantes orientadas en  ángulos de 90 grados. Si la luz se refleja nuevamente en forma directa, ésta no pasa a través de la pantalla delante del detector. El reflector se diseña para rotar la fase de la luz en 90 grados, de manera que sólo pase por la pantalla delante del detector.

En la figura, el emisor envía un haz de luz. Si la luz es retornada del reflector la mayor parte del haz luminoso se devuelve al detector. Cuando un objeto interrumpe el haz entre el emisor y el reflector el haz deja de ser reflejado nuevamente al detector, y el sensor se vuelve activo. Un problema potencial con este sensor es que los objetos reflectivos podían devolver un buen haz. Este problema es superado polarizando la luz en el emisor (con un filtro), y luego usando un filtro polarizado en el detector. El reflector utiliza pequeños reflectores cúbicos y cuando la luz se refleja, la polaridad gira en 90 grados. Si la luz se refleja desde el objeto, la misma no estará girada en 90 grados. Por lo tanto los filtros de polarización en el emisor y el detector están rotados en 90 grados, como se muestra en  la figura 4. El reflector es muy similar a los reflectores usados en las bicicletas.

Polarized Light in Retroreflective Sensors

For retroreflectors the reflectors are quite easy to align, but this method still requires two mounted components. A diffuse sensors is a single unit that does not use a reflector, but uses focused light as shown in Figure 5.

Luz polarizada en sensores retroreflectivos

Note: with diffuse reflection the light is scattered. This reduces the quantity of light returned. As a result the light needs to be amplified using lenses.

Diffuse sensors use light focused over a given range, and a sensitivity adjustment is used to select a distance. These sensors are the easiest to set up, but they require well controlled conditions. For example if it is to pick up light and dark colored objects problems would result.

When using opposed mode sensors the emitter and detector must be aligned so that the emitter beam and detector window overlap, as shown in Figure 6. Emitter beams normally have a cone shape with a small angle of divergence (a few degrees of less). Detectors also have a cone shaped volume of detection. Therefore when aligning opposed mode sensor care is required not just to point the emitter at the detector, but also the detector at the emitter. Another factor that must be considered with this and other sensors is that the light intensity decreases over distance, so the sensors will have a limit to separation distance.

Nota: con la reflexión difusa la luz se dispersa. Esto reduce la cantidad de luz que retorna. Consecuentemente la luz necesita ser amplificada usando lentes.

Los sensores de haz difuso utilizan la luz enfocada sobre un  rango dado, y un ajuste de la sensibilidad se utiliza para seleccionar la distancia. Estos sensores son los más fáciles de ajustar, pero requieren de condiciones bien controladas. Por ejemplo si se usan para detectar objetos claros y oscuros coloreados,  se producirían problemas.

Cuando se usan sensores del modo opuesto, se deben alinear el emisor y el detector de manera que el haz del emisor y la ventana del detector se superpongan, según las indicaciones de  la figura  6. El haz del emisor normalmente tiene una forma de cono con un pequeño ángulo de divergencia (algunos grados menos). Los detectores también tienen un volumen cónico de detección. Por lo tanto, al alinear un sensor de modo opuesto se requiere cuidado, no solo de apuntar el emisor al detector, sino también el detector al emisor. Otro factor que se debe considerar con éste y otros sensores es que la intensidad de la luz disminuye con la distancia, así que los sensores tendrán un límite a la distancia de separación.

Some applications do not permit full sized photooptic sensors to be used. Fiber optics can be used to separate the emitters and detectors from the application. Some vendors also sell photosensors that have the phototransistors and LEDs separated from the electronics.

Light curtains are an array of beams, set up as shown in Figure 11. If any of the beams are broken it indicates that somebody has entered a workcell and the machine needs to be shut down. This is an inexpensive replacement for some mechanical cages and barriers.

Algunos usos no permiten que los sensores fotoópticos del mismo tamaño sean utilizados. La fibra óptica se puede utilizar para separar los emisores y detectores de la aplicación. Algunos vendedores también venden fotosensores que tienen los fototransistores y los LED separados de la electrónica.

Las cortinas de luz son un conjunto de haces dispuestos según se ve en la figura 11. Si algunos de los haces es obstruido, esto indican que alguien ha ingresado a la celda de trabajo y la máquina necesita ser detenida. Esto es un reemplazo barato para algunas jaulas y barreras mecánicas.

Capacitive Sensors

Capacitive sensors are able to detect most materials at distances up to a few centimeters. Recall the basic relationship for capacitance.

Sensores capacitivos

Los sensores capacitivos pueden detectar la mayoría de los materiales a distancias de hasta algunos centímetros. Recuerde la relación básica para la capacitancia.

; where,

C = capacitance (Farads) - capacitancia ( en Faradios)
k = dielectric constant - constante dieléctrica
A = area of plates - área de las placas
d = distance between plates (electrodes) - ditancia entre las placas ( electrodos )

These sensors work well for insulators (such as plastics) that tend to have high dielectric coefficients, thus increasing the capacitance. But, they also work well for metals because the conductive materials in the target appear as larger electrodes, thus increasing the capacitance as shown in Figure 14. In total the capacitance changes are normally in the order of pF.

Estos sensores funcionan bien para materiales aislantes (tales como plásticos) que tienden a tener altos coeficientes dieléctricos, aumentando así la capacitancia. Pero, también trabajan bien para los metales porque los materiales conductores en el objeto en cuestión aparecen como electrodos más grandes, aumentando así la capacitancia según se observa en la figura 14. En total, los cambios de la capacitancia están normalmente en el orden del picofaradio.

The sensors are normally made with rings (not plates) in the configuration shown in figure 15. In the figure the two inner metal rings are the capacitor electrodes, but a third outer ring is added to compensate for variations. Without the compensator ring the sensor would be very sensitive to dirt, oil and other contaminants that might stick to the sensor.

Los sensores se hacen normalmente con anillos (no placas) en la configuración mostrada en la figura 15. En la figura los dos anillos internos de metal son los electrodos del condensador, pero un tercer anillo externo se agrega para compensar variaciones. Sin el anillo compensador el sensor sería muy sensible a la suciedad, al aceite y a otros contaminantes que se podrían adherir al mismo.

Note: the compensating electrode is used for negative feedback to make the sensor more resistant to variations, such as contaminations on the face of the sensor.

Nota: el electrodo compensador se utiliza para realimentación negativa para hacer el sensor más resistente a las variaciones, tales como contaminaciones en la cara del sensor.

Material

ABS resin pellet
acetone
acetyl bromide
acrylic resin
air
alcohol, industrial
alcohol, isopropyl
ammonia
aniline
aqueous solutions
ash (fly)
bakelite
barley powder
benzene
benzyl acetate
butane
cable sealing compound
calcium carbonate
carbon tetrachloride
celluloid
cellulose
cement
cement powder
cereal
charcoal
chlorine, liquid
coke
corn
ebonite
epoxy resin
ethanol
ethyl bromide
ethylene glycol
flour
FreonTM R22,R502 liq.
gasoline
glass
glass, raw material
glycerine
quartz glass
rubber
salt
sand
shellac
silicon dioxide
silicone rubber
silicone varnish
styrene resin
sugar
sugar, granulated
sulfur
sulfuric acid

Constant

1.5-2.5
19.5
16.5
2.7-4.5
1.0
16-31
18.3
15-25
5.5-7.8
50-80
1.7
3.6
3.0-4.0
2.3
5
1.4
2.5
9.1
2.2
3.0
3.2-7.5
1.5-2.1
5-10
3-5
1.2-1.8
2.0
1.1-2.2
5-10
2.7-2.9
2.5-6
24
4.9
38.7
2.5-3.0
6.1
2.2
3.1-10
2.0-2.5
47
3.7
2.5-35
6.0
3-5
2.0-3.8
4.5
3.2-9.8
2.8-3.3
2.3-3.4
3.0
1.5-2.2
3.4
84

Material

hexane
hydrogen cyanide
hydrogen peroxide
isobutylamine
lime, shell
marble
melamine resin
methane liquid
methanol
mica, white
milk, powdered
nitrobenzene
neoprene
nylon
oil, for transformer
oil, paraffin
oil, peanut
oil, petroleum
oil, soybean
oil, turpentine
paint
paraffin
paper
paper, hard
paper, oil saturated
perspex
petroleum
phenol
phenol resin
polyacetal (Delrin TM)
polyamide (nylon)
polycarbonate
polyester resin
polyethylene
polypropylene
polystyrene
polyvinyl chloride resin
porcelain
press board
Teflon (TM), PCTFE
Teflon (TM), PTFE
toluene
trichloroethylene
urea resin
urethane
vaseline
water
wax
wood, dry
wood, pressed board
wood, wet
xylene

Constant

1.9
95.4
84.2
4.5
1.2
8.0-8.5
4.7-10.2
1.7
33.6
4.5-9.6
3.5-4
36
6-9
4-5
2.2-2.4
2.2-4.8
3.0
2.1
2.9-3.5
2.2
5-8
1.9-2.5
1.6-2.6
4.5
4.0
3.2-3.5
2.0-2.2
9.9-15
4.9
3.6
2.5
2.9
2.8-8.1
2.3
2.0-2.3
3.0
2.8-3.1
4.4-7
2-5
2.3-2.8
2.0
2.3
3.4
6.2-9.5
3.2
2.2-2.9
48-88
2.4-6.5
2-7
2.0-2.6
10-30
2.4

Inductive Sensors

Inductive sensors use currents induced by magnetic fields to detect nearby metal objects. The inductive sensor uses a coil (an inductor) to generate a high frequency magnetic field as shown in Figure 17. If there is a metal object near the changing magnetic field, current will flow in the object. This resulting current flow sets up a new magnetic field that opposes the original magnetic field. The net effect is that it changes the inductance of the coil in the inductive sensor. By measuring the inductance the sensor can determine when a metal have been brought nearby.

These sensors will detect any metals, when detecting multiple types of metal multiple sensors are often used.

Sensores inductivos

Los sensores inductivos utilizan corrientes inducidas por campos magnéticos para detectar objetos de metal próximos.  El sensor inductivo utiliza una bobina (un inductor) para generar un campo magnético de alta frecuencia según se ve en la figura 17. Si hay un objeto de metal cerca del cambio magnético cambiante, una corriente fluirá en el objeto. Este flujo de corriente resultante crea un nuevo campo magnético que se opone al campo magnético original. El efecto neto es que se cambia la inductancia de la bobina en el sensor inductivo. Midiendo la inductancia, el sensor puede determinar cuando un metal se ha ubicado en forma cercana.

Estos sensores detectarán cualquier metal, al detectar diferentes tipos de metal,  estos  sensores son de uso frecuente.

Note: these work by setting up a high frequency field. If a target nears the field will induce eddy currents. These currents consume power because of resistance, so energy is in the field is lost, and the signal amplitude decreases. The detector examines filed magnitude to determine when it has decreased enough to switch.

The sensors can detect objects a few centimeters away from the end. But, the direction to the object can be arbitrary as shown in Figure 18. The magnetic field of the unshielded sensor covers a larger volume around the head of the coil. By adding a shield (a metal jacket around the sides of the coil) the magnetic field becomes smaller, but also more directed. Shields will often be available for inductive sensors to improve their directionality and accuracy.

Nota: éstos trabajan creando un campo de alta frecuencia. Si un objetivo se acerca al campo, éste inducirá corrientes de Foucault. Estas corrientes consumen energía debido a la resistencia, por lo tanto se pierde energía presente en el campo, y la amplitud de la señal decrece. El detector examina la magnitud registrada para determinar cuando ha disminuido lo suficiente para conmutar.

Los sensores pueden detectar objetos alejados algunos centímetros del extremo. Pero, la dirección al objeto puede ser arbitraria según se ve en la figura 18. El campo magnético del sensor sin blindaje cubre un volumen más grande alrededor del cabezal de la bobina. Agregando un blindaje (una cobertura de metal alrededor de los lados de la bobina) el campo magnético llega a ser más pequeño, pero también más direccional. Los blindajes estarán a menudo disponibles para que los sensores inductivos mejoren su direccionalidad y exactitud.

Ultrasonic

An ultrasonic sensor emits a sound above the normal hearing threshold of 16KHz. The time that is required for the sound to travel to the target and reflect back is proportional to the distance to the target. The two common types of sensors are;

electrostatic - uses capacitive effects. It has longer ranges and wider bandwidth, but is more sensitive to factors such as humidity.

piezoelectric - based on charge displacement during strain in crystal lattices. These are rugged and inexpensive.

These sensors can be very effective for applications such as fluid levels in tanks and crude distance measurement.

Hall Effect

Hall effect switches are basically transistors that can be switched by magnetic fields. Their applications are very similar to reed switches, but because they are solid state they tend to be more rugged and resist vibration. Automated machines often use these to do initial calibration and detect end stops.

Fluid Flow

We can also build more complex sensors out of simpler sensors. The example in Figure 19 shows a metal float in a tapered channel. As the fluid flow rate increases the pressure forces the float upwards. The tapered shape of the float ensures an equilibrium position proportional to flowrate. An inductive proximity sensor can be positioned so that it will detect when the float has reached a certain height, and the system has reached a given flowrate.

Ultrasónico

Un sensor ultrasónico emite un sonido sobre el umbral de audición normal de 16KHz. El tiempo que se requiere para que el sonido viaje al  objetivo y se refleje es proporcional a la distancia al blanco. Los dos tipos comunes de sensores son:

* electrostático – usa efectos capacitivos. Tiene rangos más amplios y mayor ancho de banda, pero es más sensible a factores tales como la humedad.

* piezoeléctrico - basado en el desplazamiento de carga durante la tensión en las estructuras cristalinas. Éstos son resistentes y baratos.

Estos sensores pueden ser muy eficaces para usos tales como medición de niveles de fluidos en tanques y mediciones rápidas de la distancia.

De effecto hall

Los interruptores de efecto Hall son básicamente transistores que se pueden conmutar por campos magnéticos. Sus usos son muy similares a los interruptores de láminas, pero debido a que son de estado sólido tienden a ser más resistentes y a soportar la vibración. Las máquinas automatizadas utilizan a menudo éstos para hacer la calibración inicial y para detectar fines de carrera.

Flujo de fluido

Podemos también construir sensores más complejos con sensores más simples. El ejemplo en la figura 19 muestra un flotante de metal en un canal cónico. A medida que el flujo del fluido aumenta, la presión fuerza el flotador hacia arriba. La forma cónica del flotador asegura una posición de equilibrio proporcional al valor del caudal. Un sensor de proximidad inductivo puede ser colocado de modo que detecte cuando el flotador ha alcanzado cierta altura, y el sistema ha alcanzado un valor de caudal dado.