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Sensores de posición descripción, selección y uso

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1. Sensores ópticos

2. Definición

Los detectores ópticos basan su funcionamiento en la emisión de un haz de

luz que es interrumpido o reflejado por el objeto a detectar. Tiene mucha

aplicaciones en al ámbito industrial y son ampliamente utilizados.

2.1. Partes

Los sensores ópticos están conformados por las siguientes partes:

- Fuente.

- Receptor.

- Lentes.

- Circuito de salida.

2.1.1. Fuente

Origina un haz luminoso, usualmente con un LED, que puede tener un

amplio rango en el espectro (incluyendo luz visible e infrarroja). Para la mayoría

de las aplicaciones se prefiere las radiaciones infrarrojas pues son las que mayor

porcentaje de luz emiten y disipan menos calor. Los LEDs tipos visibles son muy

útiles sobre todo para facilitar el ajuste de la operación del sensor. Entre los LED

de luz visible los LEDs de luz roja son los más eficaces para esta aplicación. En la

figura 1 se muestra el diagrama de un LED y se observan sus partes.

Figura 1. Foto emisor.

Prof. Miguel Indriago Alvarado, 2004

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El haz con frecuencia es modulado con pulsos, ya que la modulación

presenta ventajas como son: mayor luminosidad en el haz, mayor vida útil del

LED, inmunidad del sensor a otras fuentes de luz que puedan interferir con la

señal. Presenta la desventaja de reducir la respuesta en frecuencia del detector

óptico. La figura 2 presenta los pulsos de alimentación para la modulación de un

emisor.

Figura 2. Modulación

2.1.2. Receptor

Recibe el haz luminoso de la fuente, usualmente es un fotodiodo o un foto

transistor. El foto sensor debe estar acoplado espectralmente con el emisor, esto

significa que el fotodiodo o el foto transistor que se encuentra en el detector debe

permitir mayor circulación de corriente cuando la longitud de onda recibida sea

igual a la del LED en el emisor. El receptor recibe los pulsos de luz en sincronía

con el emisor, esto permite ignorar radiaciones provenientes de otras fuentes. Este

tipo de recepción sincrónica sólo es posible cuando la fuente y el receptor están

en el mismo encapsulado. En el receptor, además, existe un circuito asociado que

acondiciona la señal antes de llegar al dispositivo de salida. En la figura 3 se

observa una gráfica que muestra como el LED infrarrojo tiene mayor eficacia que

el LED visible rojo.

Figura 3. Longitud de onda.


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2.1.3. Lentes

Tienen la función de dirigir el haz de luz tanto en el emisor como en el

receptor para restringir el campo de visión, esto trae como consecuencia aumentar

la distancia de detección. El área de la base del cono de haz emitido por el LED y

el lente aumenta a mayor distancia. Utilizando un lente se puede generar un cono

muy estrecho, lo que permitiría darle más alcance al sensor pero con el

inconveniente de presentar mayor dificultad en el momento de alinearlo. Algunos

detectores son diseñados para tener un amplio campo de visión, esto permite

detectar objetos grandes, pero a distancias relativamente cortas. La figura 4

presenta como propaga el campo de visión en presencia y ausencia del lente.

Figura 4. Lentes

2.1.4. Circuito de salida

Existen varios tipos de salidas discretas o digitales (se denominan así por

tener dos estados y la más comunes son: relé, NPN o PNP, TRIAC, MOSFET),

analógicas y seriales que serán discutida en el capitulo 6.

En la figura 5 se muestra un diagrama de bloque de un sensor fotoeléctrico

con todas sus partes.


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Figura 5. Diagrama de bloques de un sensor foto eléctrico

La fuente de alimentación suministra la potencia necesaria para el

funcionamiento del detector, en el regulador de voltaje se ajustan y mantienen los

niveles de tensión utilizados por el resto de los bloques del sensor. El generador

de pulsos suministra al LED la señal modulada que permitirá la emisión de un haz

discontinuo de luz que al chocar con un objeto regresa al foto detector. La salida

de foto detector es amplificada (note que la ganancia del amplificador puede ser

cambiada para ajustar la sensibilidad) y luego es comparada con la frecuencia de

pulsos para verificar que la señal recibida provenga del LED del detector, esto se

hace en el integrador. El nivel de salida del integrador es chequeado en el detector

de nivel de tal forma que la cantidad de luz recibida sea suficiente para activar o

desactivar el sensor. En algunos sensores se puede colocar una lógica de tiempo

opcional que permite introducir retardos para activar o retardos para desactivar la

salida. Finalmente se encuentra el dispositivo de salida, para el diagrama de

bloque de la figura 5, que corresponde a un sensor con salida discreta, este

dispositivo puede ser un relé, un transistor NPN, un transistor PNP, un TRIAC, un

FET o un MOSFET. La salida alimenta directamente a la carga que puede ser la

entrada de un controlador lógico programable, la bobina de un relé, de un


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arrancador o de una válvula solenoide, una luz piloto, o cualquier otro dispositivo

de salida.

2.2. Margen

La definición de margen según [6] es la siguiente:

El margen es una medida de la cantidad de luz de la fuente de luz

detectada por el receptor. El concepto de margen se puede explicar mejor por

medio de un ejemplo:

1. Un margen de cero ocurre cuando el sensor de luz no puede detectar

nada de la luz emitida por la fuente de luz.

2. El margen de uno se obtiene cuando se detecta la cantidad de luz

suficiente para cambiar de estado el dispositivo de salida (del estado

CONECTADO al de DESCONECTADO, o viceversa).

3. Se dice que existe un margen de 20 cuando se detecta una cantidad

de luz 20 veces mayor que la mínima requerida para cambiar de

estado el dispositivo de salida.

El concepto de margen se define como: Cantidad actual de luz detectada ______

Cantidad mínima necesaria para cambiar de estado el dispositivo de salida

Y generalmente se expresa como una relación o como un número entero

seguido por “X”. Un margen de 6 puede expresarse como 6:1 ó como 6X.

2.3. Modos de detección

Los sensores ópticos se colocan en tres configuraciones diferentes estas

son: Transmisión directa, reflexivo y difuso.


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2.3.1. Transmisión directa o barrera

El emisor se coloca en frente del receptor y el objeto es detectado cuando

pasa entre ambos. Esta configuración tiene la ventaja de alcanzar grandes

distancias de detección (hasta unos 270 m). Su principal desventaja se presenta

durante la instalación en campo de estos detectores ya que por estar separados el

emisor y el detector los cables de alimentación y señal que van hacia estos

dispositivos no pueden ser los mismos al igual que los ductos o tuberías por donde

el cable es tendido, esto trae e como consecuencia que la cantidad de cable y

tubería que se utilizan con estos sensores sea mayor. La figura 6 muestra un

sensor foto eléctrico en configuración de transmisión directa.

Figura 6. Modo transmisión directa

El área cónica de proveniente de la fuente de luz y el área de detección

frente al receptor es lo que se denomina campo de visión y el haz efectivo en la

configuración transmisión directa es igual al diámetro del lente (área menor de la

conicidad del campo de visión) como se muestra en la figura 8.

Figura 7. Haz efectivo en la transmisión directa

Si se necesita detectar objetos de menor tamaño se puede reducir el

diámetro de haz efectivo colocando unas aberturas en los lentes tanto del emisor

como del receptor. La figura 8 ilustra como se puede reducir el haz efectivo.


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Figura 8. Haz efectivo con aberturas

Esta configuración (barrera) no es muy adecuada para la detección de

objetos traslucidos o transparentes debido al alto margen con el que funciona, por

esta razón, puede que estos tipos de objetos no sean detectados. El alto margen

(mayor a 100x) de detección también lo hace ser la configuración apta para

ambientes muy contaminados.

2.3.2. Reflexivo

El emisor y el receptor se colocan en el mismo sitio uno al lado del otro y en

frente de ellos se coloca una superficie reflexiva El haz de luz emitido choca contra

el reflector para ser registrado por el receptor. La detección ocurre cuando pasa el

objeto impidiendo el haz de luz llegue hasta el receptor. Esta configuración, que es

la de uso común, tiene la ventaja de que el emisor y el receptor vienen en el

mismo empaque y utilizan el mismo ducto para el cableado, pero las distancias de

detección son varias veces menor que en la configuración de transmisión directa.

La figura 9 muestra un sensor óptico en configuración reflexiva.

Figura 9. Modo Reflexivo

La superficie donde choca el haz esta formada por reflectores especiales o

cintas reflexivas diseñadas para que el haz regrese al foto interruptor, aún estando

desalineado, y esto es una ventaja sobre el uso de espejos en donde el haz debe


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incidir de forma perpendicular. El tamaño y construcción de estos reflectores

influyen sobre la distancia máxima de detección, reflectores muy pequeños no

reflejaran la misma cantidad de luz que uno de mayor tamaño. La figura 10

presenta algunos ejemplos de materiales reflexivos.

Figura 10. Materiales reflexivos

Los detectores de tipo reflexivo pueden presentar problemas cuando el

objeto a detectar es muy brillante ya que el haz de todas formas llega al detector.

En estos casos es muy útil usar sensores reflexivos polarizados. Este tipos de

detectores tienen un filtro en el emisor y otro, desfasado 90º, en el receptor.

Cuando el haz de luz polarizada choca con el receptor, éste despolariza el haz y el

receptor deja pasar parte de la luz reflejada. Cuando el objeto brillante pasa frente

al detector la luz se refleja pero sin despolarizase y el filtro colocado en el receptor

impide que la luz pase lo que ocasiona que el objeto sea detectado. Los sensores

polarizados tienen entre 30 y 40 % menos alcance que los sensores reflexivos sin

polarizar. La figura 11 ilustra e funcionamiento de un sensor reflexivo polarizado.

Para la detección de objetos trasparentes se utilizan sensores reflexivos

polarizados con arreglos ópticos que luego se optimizan con la ayuda de la

electrónica del circuito y rutinas de software.


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Figura 11. Reflexivo polarizado

2.3.3. Difuso o proximidad

Esta configuración se parece a la reflexiva sólo que ésta no utiliza el espejo

sino que el objeto a detectar es el que sirve de reflector. Para lograr que objetos

poco brillantes puedan ser detectados, el haz de luz no se transmite en una sola

dirección como en las configuraciones anteriores, sino que viaja en varias

direcciones. Esta configuración presenta la desventaja de tener muy corta

distancia de detección, pero es muy útil cuando es difícil acceder ambos lados de

objeto. La figura 12 muestra el modo de detección difuso.

Figura 12. Modo difuso

En la tabla 1 muestra la reflectividad relativa típica (valor típico de la

propiedad que tienen algunos materiales para reflejar la luz) de algunos

materiales, a mayor reflectividad relativa mayor será la distancia de detección.


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Tabla 1. Reflectividad típica de algunos materiales

Diana Reflectividad relativa típica

Aluminio pulido 500 Papel banco (referencia) 100 Papel blanco de escritura 90 Cartón 40 Madera cortada 20 Papel negro 10 Neopreno 5 Goma de neumático 4 Fieltro negro 2

Además del difuso normal, que ya explicamos existen varios tipos de

detectores difusos, estos son: difusa de corte abrupto, difusa de foco fijo, difusa

gran angular y supresión del fondo difuso. Estos otros tipos de detección difusa se

utilizan sobre todo cuando el fondo es altamente reflexivo (como ilustra la figura

13) y se explican a continuación.

Figura 13. Sensor difuso con fondo reflexivo

2.3.3.1 Difusa de corte abrupto En los sensores de corte abrupto, el emisor y el receptor están orientados

uno hacia el otro de tal forma que la distancia de detección sea pequeña. Esto

hace que el detector pueda sensar el objeto deseado que se encuentra cerca de él

y no sensar el fondo.

2.3.3.2 Supresión del fondo difuso Este tipo de sensores pueden detectar los cambios de luminosidad en el

receptor. El sensor puede discriminar la luz proveniente de un fondo brillante y

detectar el objeto menos brillante que el fondo, esto se hace a través de circuitos

electrónicos sofisticados lo que los hace más costosos.


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2.3.3.3 Difusa de foco fijo El haz de luz y el área de detección del receptor están enfocados hacia un

punto muy específico, esto quiere decir que la distancia de detección es fija y el

sensor es muy sensible en este punto y muy poco sensible fuera de él.

2.3.3.4 Difuso gran angular Este tipo de sensores tanto el haz de luz como el área de detección de

receptor son bastante amplias, esto se puede observar en la figura 14.

Figura 14. Modo difuso gran angular

2.4. Fibras

A las configuraciones mencionadas se les pueden instalar cables ópticos o

fibras ópticas de tal forma de lograr algunas mejoras ya que la fibra puede

colocarse en espacios muy reducidos donde no caben los sensores y además

pueden soportar mayores temperaturas, hasta unos 500ºC. Estos cables ópticos

pueden ser de fibra de vidrio o de fibra de plástico.

Los cables ópticos de fibras de vidrio soportan mayor temperatura y son

más duraderos, generalmente vienen recubiertos de plástico o de acero

inoxidable. Los cables ópticos de fibra de plástico generalmente están hechos de

un solo filamento de acrílico sin recubrimiento lo que los hace más económicos,

son muy flexibles y vienen en configuración de espiral, lo que les da mayor

flexibilidad. Tanto el cable óptico de fibra de vidrio como el de fibra de plástico

vienen en configuración individual (utilizada en la configuración barrera) o

bifurcada (utilizados para las configuraciones reflexiva y difusa). La fibra sirve

tanto para luz infrarroja como para luz visible y la detección reflexiva polarizada no


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es posible con cables ópticos. La figura 15 muestra los cables de fibra óptica

utilizados con los detectores ópticos.

Figura 15. Cables de fibra óptica

2.5. Comparación entre las diferentes configuraciones de sensores ópticos.

La tabla 2 resume las principales características de las configuraciones

mencionadas.

2.6. Especificaciones de sensores ópticos

2.6.1. Operación luz/oscuridad

La operación luz se refiere al modo de funcionamiento en el cual la salida

del sensor se activa cuando al receptor le llega suficiente luz. Para el caso de los

sensores de transmisión directa o reflexivos esto ocurre cuando el objeto a

detectar esta ausente y para los sensores difusos esto ocurre cuando el objeto a

detectar está presente. La operación en oscuridad opera de forma totalmente

opuesta, la salida se energiza cuando al receptor no le llega suficiente luz, en el

caso de los detectores en barrera o reflexivos esto ocurre cuando el objeto está

presente y en los difusos cuando el objeto está ausente.

2.6.2. Distancia máxima de detección

Este es un parámetro dado por el fabricante y se refiere a:

La distancia entre el emisor y el receptor en los sensores de haz transmitido.

La distancia entre el emisor/receptor y el reflector en los sensores reflexivo.

La distancia entre el emisor/receptor y el objeto en los sensores difusos.


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La distancia máxima viene dada para un margen de 1x y en la práctica es

ligeramente mayor a la que especifica el fabricante.

Tabla 2. Ventajas y precauciones de los modos de detección fotoeléctrica

Modo de detección

Aplicaciones Ventajas Consideraciones

Haz transmitido Detección de uso general

Conteo de piezas

• Alto margen para ambientes contaminados • Detección a gran distancia • No es afectado por reflejos de segunda superficie • Probablemente más confiable cuando usted tiene objetos altamente reflexivos

• Más costoso porque requiere fuente de luz y receptor separados, cableado más costoso • El alineamiento es importante • Evite detectar objetos de material transparente

Retrorreflectivo Detección de uso general • Detección a distancias moderadas • Menos costoso que el haz transmitido porque el cableado es más simple • Facilidad de alineamiento

• Detección a menor distancia que el haz transmitido • Menor margen que el haz transmitido • Puede detectar reflejos de objetos brillantes (en ese caso use polarizado)

Polarizado retrorreflectivo

Detección de uso general de objetos brillantes

• Ignora los reflejos de la primera superficie • Usa haz rojo visible para facilitar el alineamiento

• Menor distancia de detección que el retrorreflectivo normal • Puede ver reflejos de segunda superficie

Difuso normal Aplicaciones donde no se puede acceder a ambos lados del objeto

• No se requiere acceso a ambos lados del objeto • No se requiere reflector • Facilidad de alineamiento

• Puede ser difícil de aplicar si el fondo detrás del objeto es suficientemente reflexivo y está cerca al objeto

Difusa de corte abrupto

Detección de corto rango de objetos con la necesidad de ignorar los fondos que están acerca al objeto

• No se requiere acceso a ambos lados del objeto • Proporciona cierta protección contra la detección • de fondos cercanos • Detecta objetos independientemente del color dentro de la distancia especificada

• Útil sólo para detección de distancia muy corta • No se usa con fondos cercanos al objeto

Supresión del fondo difuso

Detección de uso general Áreas donde usted necesita ignorar los fondos que están cerca del objeto

• No es necesario el acceso a ambos lados de la diana • Ignora los fondos por encima de la distancia nominal de detección independientemente de su reflectividad • Detecta objetos independientemente del color a una distancia especificada

• Más costoso que otros tipos de sensores difusos • Distancia de detección máxima limitada

Difusa de foco fijo Detección de pequeñas dianas. Detecta objetos a una distancia específica del sensor. Detección de marcas de color.

• Detección precisa de objetos pequeños en una ubicación especifica

• Detección a distancia muy corta • Inadecuado para detección de uso general • El objeto debe estar en una posición precisa

Difusa gran angular

Detección de objetos que no están en una posición precisa. Detección de fibras muy finas en un área extensa.

• Efectivo para ignorar reflejos del fondo • Detección de objetos que no están en una posición precisa • No se requiere reflector

• Detección a distancia corta

Fibras ópticas Permite la detección fotoeléctrica en áreas donde no se puede instalar un sensor debido a consideraciones de tamaño o ambientales.

• Cables disponibles para aplicaciones de temperatura ambiental elevada • Resistente al choque y a la vibración • Se pueden usar cables de fibra óptica en áreas donde se requiere movimiento continuo • Inserción en espacio limitado • Inmunidad al ruido • Es factible en áreas corrosivas

• Más costoso que los sensores con lente • Detección a distancia corta


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2.6.3. Distancia mínima de detección

La mayoría de los sensores reflexivos y difusos tienen un área ciega dentro

del cual no pueden detectar, como se puede observar en la figura 16 existe una

región entre el detector y la distancia mínima de detección en la cual si un objeto

se ubica o bien el haz de luz no lo toca, o bien el haz reflejado no llega al receptor.

Figura 16. Distancia mínima de detección

2.6.4. Curva de respuesta típica

Muestra cuanto vale el margen según la distancia de detección. La figura 17

muestra una gráfica para un sensor reflexivo que tiene como reflector papel

blanco, el margen operativo se obtiene interceptando la distancia a la cual se

encuentra el papel blanco del detector con la curva, por ejemplo para una

distancia de operación de 100 mm se obtiene un margen de 80.

Figura 17. Curva de respuesta típica

2.6.5. Tiempo de respuesta.

El tiempo de respuesta es el lapso de tiempo que transcurre desde que el

objeto está presente hasta que la salida se energiza o el tiempo desde que el


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objeto desaparece y la salida se desactiva. Este va desde unos 30 µs hasta unos

30 ms dependiendo de que tipo de salida tenga el detector, las salidas en DC

tienen tiempos de respuesta más cortos que las salidas en AC.

2.6.6. Campo de visión.

En la mayoría de sensores fotoeléctricos, el haz de luz proveniente de la

fuente de luz y el área de detección al frente del receptor se proyecta en dirección

opuesta al sensor en una forma cónica. El campo de visión es una medida (en

grados) de esta área cónica. La figura 18 ilustra esto con más detalle.

Figura 18. Campo de visión para un sensor retroreflectivo

2.6.7. Histéresis

La histéresis de un sensor fotoeléctrico es la diferencia entre la distancia en

la que se puede detectar un objeto a medida que se mueve hacia el sensor y la

distancia que se tiene que mover en dirección opuesta al sensor para que deje de

ser detectado, tal como se observa en la figura 19.

Figura 19. Histéresis


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2.7. Aplicaciones

En la figura 20 se muestra un sistema de paletizadores (un paletizador es

una máquina donde se llena una pieza de madera, llamada paleta, de varias

capas de algún producto) numerados del 1 al 11 que reciben paletas de cuatro

dispensadores (A, B, C y D) por medio de dos carros (A y B). En el sistema hay

instalados 50 detectores fotoeléctricos. Cada paletizador tiene tres foto detectores

a lo largo de un transportador, uno al inicio, otro en el medio y uno al final. Estos

detectores ópticos son del tipo reflexivo ya que se puede acceder a ambos lados

del objeto a detectar, presenta mayor margen que el tipo difuso y es más

económico que el tipo transmisión directa. En la posición donde se encuentra el

detector final (el que está más alejado de la ruta de los carros) es donde ocurre el

paletizado. En la posición donde se encuentra el sensor de posición intermedia

puede esperar una paleta vacía, cuando el detector óptico de la posición final

indica “sin paleta” la paleta de la posición intermedia, si hay alguna, avanza a la

posición final. Cuando el foto detector de la posición inicial detecta que hay paleta

una señal se enclava indicándole al controlador que hay una paleta entre la

posición inicial y la posición intermedia, cuando la paleta avanza a la posición

intermedia la señal se desenclava, si la señal esta sin enclavamiento y el foto

detector de la posición intermedia no indica la presencia de paleta entonces el

controlador envía una señal a algunos de los carros previamente programado para

llevar una paleta al dispensador correspondiente.

Los dispensadores tienen tres foto detectores uno para indicar la pila de

paletas que se colocó es mayor a la que el dispensador puede manejar, en

condiciones normales no bebe detectar a ningún objeto, este foto detector es del

tipo difuso para facilitar la operación de llenado de paletas en el dispensador por

un monta carga. El segundo foto detector indica cuando la pila de paletas se ha

vaciado, este detector óptico es del tipo reflexivo ya que se puede acceder a

ambos lados del objeto. El tercer detector óptico indica cuando hay una paleta en

el dispensador lista para ser entregado a uno de los carros y es del tipo reflexivo.


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El carro tiene dos foto detectores que tiene la misma función, detectar si

hay una paleta sobre el carro, los detectores son redundantes y se colocan de

esta forma ya que, dependiendo del dispensador que suministre la paleta esta

puede entrar en uno de dos sentidos posibles, este detector es del tipo difuso para

minimizar el riesgo de choque con el sensor o el reflector cuando la paleta ingresa

al carro.

Figura 20. Sistema de paletizado.

El último detector utilizado está conectado en modo transmisión directa a lo

largo de la ruta de los carros (FSE: emisor y FSR: receptor) y a una altura

suficiente para no detectar al carro con la paleta. La finalidad del detector es

proteger de ser atropellada a cualquier persona que se atraviese en el camino de

los carros, además de esta protección el sistema cuenta con otra que se serán

estudiada en el capitulo 6. La razón por la que se utiliza detectores en modo

barrera es por que la distancia de detección es unos 26 m.

2.8. Dimensiones

La figura 21 muestra las dimensiones de un sensor fotoeléctrico y en la

figura 22 se puede observar el aspecto real de un sensor comercial. Las

dimensiones fuera de los paréntesis tienen unidades en milímetros y la que están

dentro de los paréntesis tienen unidades en pulgadas.


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Figura 21. Dimensiones de un sensor fotoeléctrico

Figura 22. Sensor foto eléctrico fotoeléctrico

2.9. Encapsulado

Es importante resaltar que el encapsulado de los detectores está regido por

normas internacionales como la NEMA (National Electrical Manufacturers

Association) o la IEC (International Electrotechnical Commission). Estas normas

especifican las característica del encapsulado según el ambiente donde vaya a

trabajar el detector, así tendremos, por ejemplo, especificaciones para trabajar en

ambiente corrosivo (NEMA 4X o IP67 – IEC529) donde los dispositivos se

construyen de poliéster reforzado con fibra de vidrio no metálicos y son totalmente

sellados. Tenemos especificaciones para ambientes explosivos donde los

detectores son construidos con materiales semiconductores, evitando los


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dispositivos con piezas móviles que puedan causar chispas, y totalmente

herméticos para evitar el contacto del interior del sensor con el medio ambiente.

También existen especificaciones para equipos que van a trabajar en la

intemperie, en ambientes con mucho polvo, para ambientes de uso general y otros

ambientes.

La aplicación de normas para los encapsulados se aplica a todos los tipos

de sensores estudiados en este texto y no serán tocados mas adelante. Para

mayor información puede visitar los sitios Web http://www.iec.ch/ y

http://www.nema.org/

2.10. Hoja técnica

A continuación se muestra una hoja técnica de un sensor foto eléctrico

comercial.


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