Los sensores de fibra óptica funcionan bien en lugares estrechos y en aplicaciones con un alto nivel de ruido eléctrico, pero se debe tener cuidado al especificar estos componentes críticos.

La detección de la presencia de piezas en máquinas, accesorios y transportadores es una parte importante de la automatización industrial. A menudo se requiere un montaje de prueba de errores y una secuencia de control basada en la presencia o ausencia de una pieza. En muchos casos, uno no puede simplemente asumir que la pieza está donde debería estar o que el nido está vacío como se esperaba, por lo que se debe usar un sensor de presencia para la verificación.

Hay muchos tipos de sensores en el mercado, incluidos los inductivos, magnéticos, capacitivos y fotoeléctricos. Cada uno tiene sus propias fortalezas y debilidades según la aplicación. Los sensores fotoeléctricos, sin embargo, tienen la oferta más amplia de tipos y tecnologías, y la más amplia gama de aplicaciones.

Los sensores fotoeléctricos vienen con una variedad de tipos de emisión de luz (infrarrojo, rojo visible, láser clase 1 y 2), tecnologías de detección (difusa, supresión de fondo, reflectante, haz pasante) y configuraciones de carcasa (ojo óptico o fibra óptica). Este artículo se centra en la especificación y aplicación de sensores de fibra óptica, ya que proporcionan capacidades avanzadas y opciones de configuración, y son excelentes para espacios reducidos donde no cabe un sensor de ojo fotográfico.

Tecnología de fibra óptica

Los sensores de fibra óptica , a veces llamados sensores fotoeléctricos de fibra, incluyen dos dispositivos que normalmente se especifican por separado: el amplificador, a menudo llamado electrónica o amplificador fotoeléctrico de fibra; y el cable de fibra óptica, que incluye la cabeza del sensor óptico y el cable de fibra que transmite la luz hacia y desde el amplificador.

La teoría básica detrás de todos los sensores fotoeléctricos es bastante simple. Cada ojo de foto tiene un emisor de luz que produce la señal de origen y un receptor que busca la señal de origen. Existen muchas tecnologías diferentes para detectar y medir la luz transmitida al receptor. Por ejemplo, los sensores de supresión de fondo buscan el ángulo en el que se devuelve la luz, mientras que los ojos de fotos estándar buscan la cantidad de luz, llamada ganancia excesiva, devuelta al sensor. Otros sensores monitorean el tiempo que tarda la luz en regresar para proporcionar una medición de distancia.

Los ojos de fotos contienen el emisor y el receptor en un cabezal de sensor óptico tal como el que se usa en unidades difusas y reflectantes, o en dos cabezales de sensores ópticos como los que se usan en las unidades de haz pasante. Los sensores de fibra óptica tienen toda la electrónica en una sola carcasa, con las cabezas ópticas para el emisor y el receptor separadas y conectadas a la carcasa de la electrónica a través de un cable de fibra. La luz emitida y recibida viaja a través de estos cables de fibra, al igual que los datos de alta velocidad en redes de fibra óptica.

Un beneficio de esta segregación es que solo el cabezal del sensor debe montarse en la máquina. El cable de fibra óptica integrado se enruta y se enchufa en el amplificador, que se puede montar en un lugar seguro, generalmente un gabinete de control, protegiéndolo del entorno de fabricación, a menudo hostil.

La variedad de opciones disponibles tanto para amplificadores como para cables de fibra óptica es amplia. Los amplificadores van desde los más básicos hasta los más avanzados, y los fabricantes de máquinas continúan demandando más funciones, incluidas la lógica y las capacidades de comunicación.

Amplificadores de sensor de fibra óptica

Los amplificadores de fibra óptica van desde aquellos con funciones básicas de plug-and-play y electrónica hasta modelos con componentes electrónicos completamente configurables (Figura 1). Algunos incluso tienen unidades electrónicas que pueden manejar hasta 15 entradas de fibra en una configuración similar a un colector. La indicación de salida es muy deseable en la electrónica de fibra óptica, ya que muestra si el sensor funciona correctamente, pero se deben especificar otras funciones básicas, que se muestran en la Tabla 1. El formato de salida y la conexión al amplificador son importantes porque definen la interfaz del controlador, y la enseñanza de los puntos de ajuste de encendido y apagado es una parte integral de la configuración del amplificador.

Los tipos de salida se pueden configurar normalmente abiertos o normalmente cerrados; Las opciones de conmutación incluyen hundimiento, abastecimiento o push-pull, lo que permite que el dispositivo se hunda o suministre la señal automáticamente dependiendo de cómo se conecte el circuito. Las opciones de conexión eléctrica generalmente están precableadas con al menos un cable de 2 m, o una desconexión rápida con un conector multipolo M8 o M12 estándar. Los ajustes del interruptor se programan al marcar en un potenciómetro o digitalmente a través de botones pulsadores.

Más allá de lo básico, las capacidades de amplificación avanzadas brindan una flexibilidad significativa con características tales como salidas de pulso, retardos de encendido / apagado y la capacidad de eliminar señales intermitentes. Estos componentes electrónicos avanzados brindan a los constructores de máquinas la capacidad de profundizar y ajustar los parámetros del amplificador según lo requiera la aplicación.

Los retardos de encendido / apagado a menudo son necesarios para ralentizar la reacción del sistema de control a los cambios en los parámetros detectados. En el caso de señales intermitentes, algunas aplicaciones presentan el sensor con señales falsas a corto plazo que no son consistentes con las condiciones generales de operación. La capacidad de eliminar estas señales en el sensor libera al controlador de esta tarea.

La mayoría de los modelos proporcionarán LED de estado de salida, mientras que otros ofrecen pantallas graduadas para proporcionar una vista aproximada de la potencia de la señal y el estado de la salida. Las unidades más avanzadas tienen pantallas OLED de líneas múltiples con diagnóstico y programación personalizados.

El filtrado es una opción que a menudo se necesita con mayores tasas de muestreo, ya que proporciona una medición más resistente menos susceptible a las condiciones ambientales. Sin embargo, esta señal más fuerte requiere que la unidad funcione a frecuencias de conmutación más lentas. Las salidas de pulso permiten estirar la señal de entrada, lo que puede ayudar cuando la frecuencia de operación es demasiado rápida para una entrada de PLC. Las demoras de encendido / apagado le dan a los fabricantes de máquinas la posibilidad de agregar temporizadores cuando la señal de salida comienza y se detiene.

Las unidades avanzadas brindan más opciones de programación, como ajustes de sensibilidad. Al usar estas opciones, los constructores de máquinas pueden enseñar a la máquina a detectar la ausencia parcial, la presencia de piezas o ambos para materiales difíciles como el vidrio. Esta función de enseñanza reduce o elimina la necesidad de programar el controlador para realizar estas funciones.

También pueden configurar la salida para encender / apagar en dos puntos de conmutación; por ejemplo, encender a la una y apagar en otra, como suministrar una señal de nivel de llenado para una bomba.

Viendo la luz con cable de fibra

Los cables de fibra óptica no conducen electricidad, sino que transmiten luz. Vienen en una variedad de configuraciones con diferentes tipos de materiales y estilos de cabeza óptica (Figura 2). La Tabla 2 enumera algunas de las decisiones necesarias al especificar el cable de fibra óptica.

Los cables de fibra óptica difusa tienen dos cables para insertar en el amplificador para la luz del emisor y el receptor, con los dos cables unidos entre sí cerca del cabezal óptico único. Los cables de fibra óptica pasantes son dos cables idénticos separados que están conectados al amplificador, cada uno con su propio cabezal óptico. Un cable transmite la luz que emite, y el otro transmite la luz que recibe. Un error común es pedir un solo cable de cruce, ya que algunos proveedores pueden proporcionar una pieza por número de pieza, mientras que otros empaquetan los dos cables necesarios.

Los materiales de fibras generalmente son de plástico o vidrio. Las unidades de plástico son más delgadas, menos caras y proporcionan un radio de curvatura más ajustado. Las unidades de vidrio son más resistentes y pueden manejar temperaturas de operación más altas. Las fibras plásticas se pueden cortar a la medida con un cortador especial de una sola vez, mientras que las fibras de vidrio no se pueden cortar una vez que se reciben del proveedor. El material de la cubierta de fibra también puede variar desde un trenzado de plástico extruido básico hasta acero inoxidable para operar de manera confiable en los entornos más difíciles.

La selección del cabezal óptico es la parte más crucial de la especificación del sensor de fibra óptica porque afecta en gran medida la detección de las pequeñas piezas estacionarias o móviles que se encuentran en la mayoría de las aplicaciones. La selección del cabezal difiere en cómo la óptica del emisor y el receptor están orientadas en ángulo y dispersión al objeto que se detectará. Las cabezas pueden tener haces redondeados de fibra para proyectar un haz circular o extenderse para formar una proyección horizontal en forma de cinta.

Los paquetes redondos en una cabeza difusa se pueden bifurcar estrictamente con todas las fibras emisoras en una mitad y todas las fibras receptoras en la otra. Esto es común, pero puede causar un retraso en la lectura de una pieza que se mueve perpendicularmente a la línea de bifurcación. Otra opción es tener las fibras emisora ​​y receptora dispersas uniformemente en la cabeza para producir un haz más homogéneo. La mezcla de fibra homogénea proporciona la misma exposición al envío y la recepción de luz, y proporciona detección independiente de la dirección de viaje de la pieza.

El alcance de detección de la fibra óptica se ve afectado por el amplificador, la longitud del cable de fibra y el tipo de cabezal óptico. Debido a estos muchos factores, generalmente es difícil determinar un rango de trabajo exacto, pero los proveedores generalmente brindan una estimación. En términos generales, los estilos de viga maestra tienen un alcance mayor que el difuso. Cuanto más largo es el cable de fibra, más corto es el alcance; los amplificadores avanzados generalmente tienen señales de emisión más fuertes y rangos más largos también.

Conexión de Sensores de Fibra Óptica

El uso de E / S distribuidas y dispositivos inteligentes distribuidos ha ido aumentando a lo largo de la automatización de la máquina, y los sensores de fibra óptica no son una excepción. La conexión de múltiples cables de sensores de fibra óptica a un único colector de componentes electrónicos tiene sus ventajas.

Los amplificadores de fibra óptica son comúnmente unidades independientes de un solo canal. Con carcasas delgadas y montaje en carril DIN común, se pueden intercalar y apilar fácilmente en un panel. El inconveniente puede ser el enrutamiento de las conexiones eléctricas para cada uno de los amplificadores individuales.

Otra opción es usar un colector de fibra óptica que agrupe múltiples canales de fibra en un punto de control central y eléctrico (Figura 3). Estos colectores suelen utilizar una pantalla OLED con menús para permitir la programación de cada canal de fibra. Cada canal de fibra puede configurarse por separado, como encender o apagar, y cambiar histéresis. Este control central también permite la agrupación de salidas a través de la lógica Y / O básica, que puede reducir y simplificar la señal de salida al PLC.

Aplicaciones y problemas

La fibra óptica funciona bien y se usa comúnmente en aplicaciones donde hay un ruido eléctrico significativo generado por fuentes tales como soldadura automatizada, variadores de frecuencia y motores. El cableado de fibra es inmune al ruido eléctrico y los componentes electrónicos pueden montarse lejos del ruido en un gabinete blindado.

Otra aplicación muy común es el ensamblaje de piezas pequeñas. Estas operaciones tienden a estar completamente automatizadas y, por lo tanto, requieren múltiples sensores para confirmar la ubicación de la pieza (sentado) y la verificación del ensamblaje para confirmar que se completó una operación. Típicamente, las partes se mueven dentro y fuera de un escenario rápidamente en transportadores o una tabla de indexación. Hay una tolerancia de desplazamiento mínima, por lo que la medición precisa de la posición 

es esencial.

Una solución de fibra óptica ofrece varias opciones en tamaño de cabeza, orientación y dispersión de luz para permitir el enfoque de luz más pequeño y más preciso para cada aplicación, independientemente del tamaño de la carcasa eléctrica. Con la lógica incorporada, un canal de un sensor de dos canales puede confirmar que una pieza está en su lugar para disparar una acción de ensamblaje, mientras que el otro canal puede confirmar que el ensamblaje se completó.

Un problema común en las instalaciones de fibra óptica es la flexión excesiva de las fibras. Como los cables de fibra son haces de fibras individuales, por lo general se sienten bastante flexibles, lo que permite al instalador doblar las fibras más allá del radio de curvatura máximo recomendado con mucha facilidad. Esto puede causar una deformación plástica irrecuperable de las fibras, lo que reducirá la transmisión de la luz o la cortará por completo en el peor de los casos. El radio de curvatura máximo se enumera con todas las fibras y varía según el material de fibra, el tamaño del haz y la dispersión de fibra en el paquete; y debe ser respetado en todos los casos.

Independientemente de la aplicación, los constructores de maquinaria deben seleccionar la tecnología de sensor adecuada. Si se utilizan sensores de fibra óptica, los amplificadores y los cabezales ópticos de fibra se deben seleccionar cuidadosamente para que la aplicación proporcione un rendimiento de detección robusto.

Por Andrew Waugh, 

Gerente de Producto de Componentes de Sensor y Seguridad, AutomationDirect