TEORIA: SEM 9

SENSORES PRINCIPIOS BASICOS DE FUNCIONAMIENTO

AUTOMATIZACION Y CONTROL DE PROCESOS -I

Escuela de Ingeniera Industrial

Universidad Nacional Santiago Antnez de Mayolo (UNASAM)
Mag. Emilio Mndez La Torre
Huaraz

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SENSORES PRINCIPIOS BASICOS DE FUNCIONAMIENTO

INDICE

1. Fundamentos fsicos y conceptos bsicos sobre sensores

2. Finales de carrera

3. Sensores magnticos

4. Sensores inductivos

5. Sensores Capacitivos

6. Sensores fotoelctricos

7. Sensores ultrasnicos

8. Caractersticas tcnicas de los diferentes tipos de sensores

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1. FUNDAMENTOS FSICOS Y CONCEPTOS BSICOS SOBRE
SENSORES
Un sensor es un dispositivo para detectar y sealar una condicin de cambio.
Con frecuencia, una condicin de cambio, se trata de la presencia o ausencia de un
objeto o material (deteccin discreta). Tambin puede ser una cantidad capaz de
medirse, como un cambio de distancia, tamao o color (deteccin analgica). Los
sensores posibilitan la comunicacin entre el mundo fsico y los sistemas de
medicin y/o de control, tanto elctricos como electrnicos, utilizndose
extensivamente en todo tipo de procesos industriales y no industriales para
propsitos de monitoreo, medicin, control y procesamiento.
1.a.1 CLCULO DE Sn (Distancia mxima de conmutacin)
Al utilizar un sensor para una aplicacin, se debe calcular una distancia de deteccin
nominal y una distancia de deteccin efectiva. [Fundamentos de la deteccin de
presencia, Rockwell Automation/Allen-Bradley]
Distancia nominal de deteccin
La distancia de deteccin nominal corresponde a la distancia de operacin para la que
se ha diseado un sensor, la cual se obtiene mediante criterios estandarizados
en condiciones normales.[Fundamentos de la deteccin de presencia, Rockwell Automation/Allen-
Bradley]
Distancia efectiva de deteccin
La distancia de deteccin efectiva corresponde a la distancia de deteccin inicial (o de
fbrica) del sensor que se logra en una aplicacin instalada. Esta distancia se
encuentra ms o menos entre la distancia de deteccin nominal, que es la ideal, y la
peor distancia de deteccin posible.[Fundamentos de la deteccin de presencia, Rockwell
Automation/Allen-Bradley]
Existen otros trminos asociados al clculo de la distancia nominal en los sensores
los cuales son: Histresis, Repetibilidad, Frecuencia de conmutacin y Tiempo de
respuesta.
1.a.2 Histresis
La histresis, o desplazamiento diferencial, es la diferencia entre los puntos de
operacin (conectado) y liberacin (desconectado) cuando el objeto se aleja de la
cara del sensor y se expresa como un porcentaje de la distancia de deteccin. Sin una
histresis suficiente, el sensor de proximidad se conecta y desconecta continuamente
al aplicar una vibracin excesiva al objeto o al sensor, aunque se puede ajustar
mediante circuitos adicionales.[Fundamentos de la deteccin de presencia, Rockwell
Automation/Allen-Bradley]

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1.a.3. Repetibilidad
La repetibilidad es la capacidad de un sensor de detectar el mismo objeto a la misma
distancia de deteccin nominal y se basa en una temperatura ambiental y voltaje
elctrico constantes.[Fundamentos de la deteccin de presencia, Rockwell
Automation/Allen-Bradley]

1.a.4 Frecuencia de conmutacin

La frecuencia de conmutacin corresponde a la cantidad de conmutaciones por
segundo que se pueden alcanzar en condiciones normales. En trminos ms
generales, es la velocidad relativa del sensor.[Fundamentos de la deteccin de presencia,
Rockwell Automation/Allen- Bradley]

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1.a.5. Tiempo de respuesta
El tiempo de respuesta de un sensor corresponde al tiempo que transcurre entre la
deteccin de un objeto y el cambio de estado del dispositivo de salida (de encendido
a apagado o de apagado a encendido). Tambin es el tiempo que el dispositivo de
salida tarda en cambiar de estado cuando el sensor ya no detecta el objeto. El
tiempo de respuesta necesario para una aplicacin especfica se establece en
funcin del tamao del objeto y la velocidad a la que ste pasa ante el
sensor.[Fundamentos de la deteccin de presencia, Rockwell Automation/Allen-Bradley]

1.b. Sensores Inductivos

Los sensores inductivos tienen una distancia mxima de accionamiento, que depende
en gran medida del rea de la cabeza sensora (bobina o electrodo), por ello a
mayor dimetro, mayor distancia mxima; en relacin a la distancia real de
accionamiento Sn depender de la temperatura ambiente y de la tensin nominal y
se sita dentro del +/- 10% de la distancia nominal Sn.
Los sensores inductivos poseen una zona activa prxima a la seccin extrema del
inductor, que est estandarizada por normas para distintos metales. Esta zona activa
define la distancia mxima de captacin o conmutacin Sn. La distancia til de trabajo
suele tomarse como de un 90% de la de captacin: Su =0.9 x Sn.
La tcnica actual permite tener un alcance de hasta unos 100 mm en acero. El
alcance real debe tomarse en cuenta, cuando se emplea el mismo sensor en otros
materiales. Ejemplo: Para el Acero Inoxidable debe considerarse un 80% de factor
de correccin, para el Aluminio un 30 % y para el cobre un 25%.
La distancia de operacin tambin depende si el sensor es blindado o no. Los
sensores blindados estn construidos con un anillo de proteccin alrededor del
ncleo. Este tipo de sensor concentra el campo electromagntico en la parte
delantera de la cara frontal del del sensor. En los sensores inductivos no blindados
no existe el anillo metlico alrededor, por lo tanto, el campo no est concentrado

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 sobre la parte delantera del sensor, estas configuraciones permiten un 50% ms de
rango de sensado que en un sensor blindado del mismo tamao.

1.c. Sensores Capacitivos

Los sensores capacitivos al igual que los inductivos tienen una distancia mxima
de accionamiento, que depende en gran medida del rea de la cabeza sensora
(bobina o electrodo), por ello a mayor dimetro, mayor distancia mxima.
Zona activa
Poseen una zona activa prxima a la seccin extrema similar a los inductivos, que
define la distancia mxima de captacin o conmutacin. La distancia til de trabajo
suele tomarse como de un 90% de la de captacin:
Objeto Patrn
Las distancias sensoras de los sensores capacitivos son especificadas por el
accionador metlico, con lado igual a 3 veces la distancia sensora para los modelos
embutidos (en la gran mayora), y en algunos pocos casos de sensores
capacitivos embutidos se utiliza el lado cuadrado igual al dimetro del sensor.
1.d. Sensores Fotoelctricos
En los sensores fotoelctricos la distancia nominal de deteccin vara de
acuerdo al sensor:

a) Sensores de Barrera. Cuando existe un receptor y un emisor apuntados uno

al otro. Tiene este mtodo el ms alto rango de deteccin (hasta unos 60 m).
b) Sensores Reflex. Cuando la luz es reflejada por un reflector especial
cuya particularidad es que devuelve la luz en el mismo ngulo que la recibe (9
m de alcance).
c) Sensores Auto Reflex. Cuando el emisor tiene un lente que polariza la luz en
un sentido y el receptor otro que la recibe mediante un lente con polarizacin a
90 del primero. Con esto, el control no responde a objetos muy brillosos que
pueden reflejar la seal emitida (5m de alcance).
d) Sensores de Foco Fijo. Cuando la luz es reflejada difusamente por el objeto y
es detectado por el hecho de que el transmisor y el receptor estn
estereoscpicamente acoplados, evitando con ello interferencia del fondo (3.5 m
de alcance).
e) Sensores de deteccin difusa. Iguales a los anteriores pero los lentes son
divergentes, y se usan para detectar objetos muy prximos (1.5 m de alcance).
f) Sensores de Fibra ptica. En este tipo, el emisor y receptor estn
g) interconstrudos en una caja que puede estar a varios metros del objeto a
sensar. Para la deteccin emplean los cables de fibra ptica por donde circulan
los haces de luz emitido y recibido. La mayor ventaja de estos sensores es el
pequeo volumen o espacio ocupado en el rea de deteccin.

Alcance Nominal (Sn)

Es la distancia mxima aconsejada que debe haber entre el emisor y el
receptor, emisor y reflector o emisor y objeto para garantizar la deteccin. El

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 alcance nominal es el indicado en los catlogos del producto y sirve de base de
comparacin entre los distintos dispositivos.
Alcance de trabajo (Sa)
Es la distancia hasta la cual la deteccin est asegurada y toma en cuenta los
factores ambientales (polvo, humo, etc.) y un margen de seguridad. Este
alcance es siempre menor que el alcance nominal.

1.e. Sensores Ultrasnicos

Zona Ciega
Los sensores ultrasnicos tienen una zona ciega inherente ubicada en la cara de
deteccin. El tamao de la zona ciega depende de la frecuencia del transductor. Los
objetos ubicados dentro de la zona ciega no se pueden detectar de manera confiable.

La tcnica actual permite la fabricacin de estos sensores con un rango de deteccin

desde 100 mm hasta unos 6000 mm con una exactitud de 0.05%.
Consideraciones sobre el objeto
Se deben tener en cuenta ciertas caractersticas de los objetos cuando se usan
sensores ultrasnicos. Estas incluyen la forma, el material, la temperatura, el tamao
y la posicin del objeto, ya que de ellas dependen que ste devuelva el eco
ms fuerte posible.
La forma ideal del objeto es una superficie lisa y plana. Tambin pueden detectarse
objetos redondos o disparejos pero se reducirn las distancias de deteccin y/o
los voltajes de salida analgica. Los materiales suaves tales como telas o caucho
esponjoso son difciles de detectar por la tecnologa ultrasnica difusa porque no
refleja el sonido adecuadamente.

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2. Finales de carrera

Principio de Funcionamiento:
El movimiento mecnico en forma de leva o empujador acta sobre la palanca o
pistn de accionamiento del interruptor de posicin haciendo abrir o cerrar un contacto
elctrico del interruptor.
Esta seal elctrica se utiliza para posicionar, contar, parar o iniciar una secuencia
operativa al actuar sobre los elementos de control de la mquina.
Construccin:

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 Aplicaciones:
Apertura y cierre de puertas, sistemas de cinta transportadora, conteo y deteccion de
piezas, mquinas de transferencias, fossa y taladros entre otros.
Apertura y cierre de puertas, sistemas de cinta transportadora, conteo y
deteccin de piezas, mquinas de transferencia, fosas y taladros, entre otras.

3. SENSORES MAGNTICOS

Principio de Funcionamiento:
Los sensores magnticos constan de un sistema de contactos cuyo accionamiento
vendr ocasionado por la aparicin de un campo magntico. Los contactos se
cerrarn bajo la influencia de un campo magntico provocado por un dispositivo
imantado alojado en el objeto a detectar, en los cilindros neumticos el imn
permanente va integrado en el mbolo, estos cuando el campo magntico se
acerca al sensor, estos transmiten una seal elctrica o neumtica a los controles,
electro vlvulas o elementos de conmutacin neumticos.

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Construccin:

Aplicaciones:
Automatismos, acondicionamiento, control de cadenas transportadoras.

4. SENSORES INDUCTIVOS

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Construccin:

Aplicaciones:
Estos sensores se utilizan en las condiciones de trabajo ms difciles donde hay
presente aceites, lquidos, polvos y vibraciones, entre algunas que se mencionan
estn: herramientas, mquinas textiles, lneas transportadoras, sistema de
transporte, equipos de empaquetado y paletizado, industria automotriz, etc.

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5. SENSORES CAPACITIVOS

Principio de funcionamiento:
Consta de una sonda situada en la parte posterior de la cara del sensor el cual es una
placa condensadora. Al aplicar corriente al sensor, se genera un campo electrosttico
que reacciona a los cambios de la capacitancia causados por la presencia de un
objeto. Cuando el objeto se encuentra fuera del campo electrosttico, el oscilador
permanece inactivo, pero cuando el objeto se aproxima, se desarrolla un
acoplamiento capacitivo entre ste y la sonda capacitiva. Cuando la capacitancia
alcanza un lmite especificado, el oscilador se activa, lo cual dispara el circuito de
encendido y apagado.

Construccin:

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Aplicaciones
Deteccin de nivel de aceite, agua, PVC, colorantes, harina, azcar, leche en
polvo, posicionamiento de cintas transportadoras, deteccin de bobinas de papel,
conteo de piezas metlicas y no metlicas, entre otros.

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SENSORES FOTOELCTRICOS

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Construccin:

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 Las ventajas y desventajas de los sensores fotoelctricos varan de acuerdo a
su configuracin:

Sistema barrera:

Sistema Rflex:

Sistema Auto rflex:

Aplicaciones:
Deteccin de piezas, deteccin de nivel, deteccin de objetos pequeos, conteo de
piezas, deteccin de objetos brillantes, deteccin de objetos oscuros, deteccin de
personas.

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Sistema de Barrera:

Sistema Reflex:

Sistema Autoreflex:

Sistema de fibra optica:

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 SENSORES ULTRASNICOS

Construccin:

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 Aplicaciones:
Instalaciones de almacenamiento, sistema de transporte, industria de la
alimentacin, procesos de metales, procesos de vidrio, procesos de plsticos,
supervisin de materiales a granel.

6. CARACTERSTICAS TCNICAS DE LOS DIFERENTES TIPOS

DE SENSORES

Tipo de Salida:
Pueden ser principalmente de dos tipos, en funcin de la corriente de carga que
van a controlar.
Para corrientes de cierta importancia, como por ejemplo bobinas de contactores,
donde la corriente puede llegar a algunos Ampers, se utilizan los de salida a Rel (o
contacto seco), pudiendo ser la salida tipo NA o NC.
Para cargas pequeas, generalmente elementos electrnicos, la salida es a
transistor con colector abierto, pudiendo ser del tipo PNP o NPN. Es raro ver
salidas a collector cerrado (equivalente a un NC). En todos los casos de salida a

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transistor, debe tenerse presente que si se manejan elementos de carga inductivos
tales como rels, pueden aparecer sobretensiones externas al sensor producto de la
autoinduccin de dichos elementos, que pueden daar el transistor de salida. Para
protegerlos, deben agregarse al circuito elementos tales como diodos con polaridad
inversa que cierren el circuito de la sobretensin.
Una variante de estos, cuando se debe trabajar en C.A., son los de salida a Triac.
Alimentacin:

En general, estos elementos se colocan lejos de sus fuentes de alimentacin externas,

y su electrnica tiene su propia fuente de alimentacin interna de tensin
regulada, por lo que permiten alimentarlos en un amplio rango de valores de tensin,
por ejemplo de entre 15 y 90V., independizando su eleccin de los valores de la
tensin disponible y de la distancia de su ubicacin desde la fuente principal.
Tipo de Conexin:
En funcin del circuito de control que se pretenda armar, los detectores pueden ser de
distintos tipos:
A 3 hilos de C.C. de C.A.
A 2 hilos de C.C. de C.A.
A 3 hilos de C.C.:
Son los ms comunes, y pueden ser salidas a rel o a transistor. Los de salida a
rel pueden ser tipo P o tipo N dependiendo de la polaridad que entrega el contacto
del rel. A su vez, el contacto puede ser NA o NC.

Los de salida a transistor, pueden ser a colector abierto tipo P (o PNP) o tipo N (o
NPN). Son raros de encontrar, pero existen tambin los de colector cerrado,
equivalentes a un NC, y generalmente traen el diodo de proteccin internamente.

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Sensores Inductivos:
Estos sensores pueden ser de construccin metlica para su mayor proteccin o, de
caja de plstico. Y pueden tener formas anular, de tornillo, cuadrada, tamao interruptor
de lmite, etc; Adems, por su funcionamiento pueden ser del tipo empotrable al ras en
acero o, del tipo no empotrable. Los del tipo no empotrable se caracterizan por su mayor
alcance de deteccin, de aproximadamente el doble.
Ciertas marcas fabrican estos sensores en dos partes, una parte es el sensor
propiamente dicho y el otro es el amplificador de la seal de frecuencia, con el fin de
usarlos en zonas peligrosas, y de esta manera cumplir con las normas seguridad
intrnseca.
Sensores Capacitivos:
Adems de los voltajes y circuitos mencionados, existe tambin en los sensores
capacitivos un tipo con salida analgica (4-20 mA).

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