Los sensores ultrasónicos son interruptores electrónicos que
trabajan sin contacto. La parte emisora genera pulsos de
sonidos muy fuertes dentro del rango del ultrasonido
(20khz-1Ghz).
Según el tiempo que transcurre en ir y regresar el pulso
sónico, se puede determinar la distancia entre el sensor y el
objeto.
Las ondas sónicas solo pueden irradiarse si existe un medio.
Este medio puede ser, para el caso del ultrasonido un gas, un
fluido o un material rígido. Normalmente los sensores
ultrasónicos se emplean bajo presión atmosférica.
La electrónica de control activa periódicamente el amplificador de potencia,
de modo que se genere durante un período de tiempo (200 ms) un voltaje
senoidal muy grande (400 Vpp). El convertidor acústico trabaja en este
momento como si fuese un parlante y envía un pulso ultrasónico (Burst)
desde 100μs - 1ms en el rango de 40 - 400 kHz. El convertidor acústico
necesita un tiempo entre dos a tres veces el tiempo de emisión del sonido
para que se tranquilice otra vez. Después de que se haya tranquilizado, la
electrónica de control activa el modo de funcionamiento de recepción. En
este caso el convertidor acústico trabaja como si fuese un micrófono. Si el
pulso ultrasónico incide en un objeto, se origina una reflexión del pulso, que
excitará el convertidor acústico. Este último generará una oscilación
senoidal que irá al amplificador.
En algunos sensores ultrasónicos, el corazón de la electrónica de
control es un microcontrolador. El procesador activa el
amplificador de potencia por aprox. 100ms, donde se genera el
pulso sónico. A la vez se activa un contador digital, el cual al
detenerse, comprueba si este valor está dentro del valor de una
distancia prefijada y se activa la salida digital. Si la salida es
análoga, se calcula con el tiempo el valor correspondiente a la
distancia, el cual es enviado a un convertidor D/A para
transformarlo en voltaje o corriente.
La parte más importante del sistema es el transductor electrostático. Está compuesto por una membrana muy fina, una lámina recubierta de oro para formar el electrodo negativo de un diafragma de vacío. El electrodo positivo, es una lámina recubierta de aluminio, que también sirve como estructura resonante para el diafragma.
El zumbador cerámico piezoeléctrico tiene una estructura sencilla en la que está pegado un disco cerámico piezoeléctrico sobre una placa vibrante. una tensión alternativa aplicada sobre este elemento causará una contracción o una expansión diametral del elemento. esta característica se utiliza para hacer plegar una placa vibrante, lo que genera los sonidos.
El pulso emitido es un “burst” corto de energía ultrasónica de gran amplitud.
El pulso de eco es típicamente de amplitud mas baja.
El intervalo de tiempo entre la señal transmitida y su eco es directamente proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor.
Directamente enfrente del sensor hay una zona ciega. Dependiendo del sensor la zona ciega es de 6 a 80 cm del frente del sensor. Un objeto colocado en la zona ciega produce una salida inestable.
El rango de operación puede ajustarse en términos de su ancho y posición dentro del rango de sensado.
El limite superior puede ser ajustado en todos los sensores. El limite inferior solo puede ajustar en ciertos tipos.
Los objetos colocados mas allá del limite superior no producen ningún cambio en la salida del sensor.
Al igual que los sensores ópticos, cuando la superficie del objeto está inclinada según la perpendicular al rayo emitido, no se podrá reflejar la suficiente señal hacia el elemento receptor y por lo tanto el sensor generará señales erróneas de detección.
Consideraciones importantes
Bajo condiciones agresivas o dificultad en el montaje (cuando el sensor no se puede montar directamente), el sonido se puede desviar empleando reflectores adecuados. Hay que considerar que cada desvió origina pérdidas y por eso no es recomendable desviar más de dos veces la señal.
Prácticamente se pueden detectar todos los materiales a la temperatura ambiente. Incluso se detecta objetos transparentes, donde el sensor fotoeléctrico presenta algunas dificultades en su detección. Para materiales más difíciles como la esponja (dunlopillo), se pueden detectar aún cuando su tamaño no cubre todo el cono de detección; es decir, cuando los objetos son pequeños. Para otros materiales como el algodón, apenas se pueden detectar y es recomendable hacer pruebas antes de emplear el sensor sónico con objetos de este tipo.
Como se sabe, el sonido es desviado por corrientes de viento, ya que el viento es el que transporta el sonido. Es por esto que se presentan problemas cuando se tienen vientos fuertes (> 20 m/s), ya sean si se presenten en forma radial o axial al sensor. Cuando se quieren detectar objetos pequeños y el viento hace que el eco de las superficies que están detrás del objeto sean retornados hacia el receptor, se presentarán problemas de detección.
La influencia de la humedad en el funcionamiento del sensor sónico es despreciable. Pero si esta humedad se condensa en la superficie de detección del sensor, se presentarán graves problemas, pues el sensor pierde sensibilidad. Un sensor cubierto con hielo deja prácticamente de funcionar. Pero polvo u otras partículas sueltas apenas influyen en el funcionamiento del sensor. La superficie de detección del sensor no deberá ser pintada, como tampoco se le deberá pegarle alguna etiqueta.
Formación de Agua Condensada y Hielo sobre la
Superficie de Emisión-Detección del Sensor
Hoy en día los sensores ultrasónicos con distancia de detección hasta 2 m, trabajan con frecuencias mayores de 100 kHz. Gracias a esto, estos sensores son practicamente inmunes a los ruidos externos. Si se tienen fuentes de ruido muy altos, que actúan directamente en el cono de detección, la sensibilidad del sensor se atenúa, de modo que podría originar problemas con la detección de objetos pequeños.
Cuando se tienen diferencias de temperaturas muy grandes, se puede originar la ruptura del ruido o bien dispersión. Esto ocasiona problemas de detección o también que el sensor no llegue a detectar nada. Los objetos demasiados calientes apenas se pueden detectar debido a que el sonido se dispersa. El problema se agrava cuando se desea detectar distancias.
Si dos sensores son montados uno cerca del otro en forma paralela, podrían presentarse problemas si el objeto está colocado de manera inclinada. Esto es debido a que el eco del sensor 1 es detectado por el sensor 2, lo que hace que se reciba una señal falsa. Esto se evita si los sensores tienen la posibilidad de poder ser sincronizados.
Al montar el sensor ultrasónico sobre una plaqueta delgada que pueda vibrar, originará que el sensor ya no pueda funcionar correctamente. Esto se debe a la vibración que se origina en la plaqueta cuando el sensor emite un pulso sónico, la cual, al vibrar emitirá un ruido que será confundido por el sensor y se activará como si estuviera presente un objeto. Para evitar esto, se deberá colocar al sensor apoyos de hule de modo que la vibración del mismo no se transmita a la plaqueta.
Los sensores de proximidad ultrasónicos generalmente están disponibles en forma de sensores de reflexión directa, donde el emisor y el receptor se hallan en un mismo cuerpo. Por otro lado, se dispone de barreras ultrasónicas, que tienen el emisor y el receptor en cuerpos separados.
• Rango de detección relativamente amplio (hasta varios metros).
• Detección del objeto independientemente del material y del color detección segura de objetos transparentes (por ejemplo , botellas de vidrio).
• Relativamente insensibles a la suciedad y el polvo.
• Posibilidad de desvanecimiento gradual del fondo.
• La zona de detección puede dividirse a voluntad.
• Se dispone de versiones programables.
• Si se utilizan sensores de proximidad ultrasónicos para superficies inclinadas, el sonido se desvía.
• Los sensores de proximidad ultrasónicos reaccionan con relativa lentitud. La frecuencia de conmutación máxima esta entre 1 y 125 Hz.
• Los sensores de proximidad ultrasónicos son generalmente mas caros que los sensores de proximidad ópticos (casi el doble).
