¿Cuál es el principio de funcionamiento de un sensor de proximidad inductivo?

¿Cómo funciona un sensor de proximidad inductivo?

Si ha estado en una fábrica o ha visto una línea de producción en funcionamiento, es posible que haya notado pequeños dispositivos rectangulares colocados cerca de cintas transportadoras o brazos robóticos. Estos son sensores de proximidad: el sensor de proximidad inductivo es uno de los tipos más comunes. ¿Pero sabe qué es realmente un sensor de proximidad inductivo? ¡Es más sencillo de lo que piensa! Analicemos paso a paso este sensor para que comprenda por qué es una excelente herramienta para detectar objetos metálicos.

Los sensores de proximidad inductivos funcionan sin necesidad de luz, sonido ni contacto activo. Simplemente automatizan la detección mediante inducción electromagnética, un principio que ha resistido el paso del tiempo. Estos sensores determinan de forma confiable la presencia de metales al realizar diversas tareas de automatización industrial. Evitan colisiones de robots cuando los brazos se mueven cerca de piezas metálicas, y clasifican y cuentan productos metálicos en cintas transportadoras. Para valorar la importancia de estos sensores en la automatización industrial, es fundamental comprender los principios básicos de los sensores, así como la ingeniería y la física implicadas, y cómo convierten los cambios en un campo magnético en señales utilizables.

Componentes principales que hacen que funcione

El principio de funcionamiento depende de las distintas partes de un sensor de proximidad inductivo. Es un sistema compuesto por varios componentes que deben funcionar en conjunto. Para comprender bien el sistema, considere el hecho de que existen cuatro elementos fundamentales que posee todo sensor. Estas partes fundamentales deben cooperar para que el sensor funcione.

El primer componente es el oscilador. Considérelo como la "fuente de energía" del campo magnético del sensor. Este genera una corriente alterna de alta frecuencia —típicamente en el rango de kilohercios —y la corriente cambia de dirección rápidamente. A continuación viene la bobina de detección, que normalmente es un bucle de alambre delgado y de alta calidad (por ejemplo, cobre) enrollado alrededor de un núcleo de ferrita. Cuando el oscilador envía corriente alterna a través de la bobina, esta realiza una función importante: genera un campo magnético alterno a su alrededor. Es como una pequeña "burbuja" invisible de magnetismo que rodea la cara frontal del sensor.

La siguiente etapa consiste en diseñar el circuito amplificador. La función de esta parte es "escuchar" los cambios en el campo magnético. Cuando algo perturba ese campo, lo cual explicaremos pronto qué es ese "algo", las propiedades eléctricas de la bobina también cambian —y esos cambios son pequeños. El amplificador potencia esos pequeños cambios para hacerlos más fuertes y que la siguiente etapa pueda procesarlos. La última parte es el circuito de salida. Cuando la señal amplificada llega a esta parte, el circuito determina si hay un objeto metálico presente y envía una señal, normalmente digital (encendido/apagado), a la máquina con la que está interconectado, para indicarle que detenga una cinta transportadora, que mueva un brazo robótico o que incremente en uno el valor de un contador.

Chenwei Automation ha diseñado los componentes principales con los que están construidos los sensores de proximidad inductivos, optimizándolos. Por ejemplo, la bobina de detección está fabricada con cables de cobre de calidad para proporcionar una detección constante y precisa. El sensor no funcionaría si faltara alguno de estos componentes, y eso es válido para todos ellos. Están alineados con el resto de los sistemas.

Inducción electromagnética: Lo básico

Después de revisar los componentes, analicemos el componente principal que hace que todo funcione: la inducción electromagnética. Este concepto fue desarrollado por un científico inglés, Michael Faraday, en el siglo XIX, y es el principio detrás del funcionamiento de generadores y transformadores. Examinaremos su principio de funcionamiento en el contexto de los sensores de proximidad inductivos.

La bobina de detección recibe una corriente alterna de alta frecuencia. Cuando la corriente se aplica en una dirección y luego en la dirección opuesta, la bobina genera campos magnéticos alternos. Esta es la "burbuja" magnética "invisible" que se extiende desde el sensor de proximidad hasta los 30 mm en su punto más alejado cuando el sensor está activado. Cuando el sensor no está activado, el campo está en reposo y constante. La ausencia de un campo magnético indica que hay un objeto metálico cerca del sensor. En este estado, el oscilador está activo, la impedancia de la bobina es constante y no hay fluctuaciones.

Aquí es donde resulta útil la ley de Faraday sobre la inducción electromagnética. Cuando un conductor, que es un metal, se expone a un campo magnético, generará una corriente circulante debido al cambio en el campo magnético. Esta corriente es una corriente parásita, es decir, una corriente que fluye en un patrón en espiral y gira sobre sí misma. Imagine cómo gira el agua en un charco formando remolinos. Estas corrientes generarán su propio campo magnético y tendrán polaridad opuesta a la producida en la bobina del sensor. Esta es la ley de Lenz y forma parte de la electrodinámica. Ahora, en lugar de un campo magnético constante, la bobina tendrá un campo magnético de "reacción" generado por la corriente parásita.

Los cambios en el campo magnético opuesto influyen en el funcionamiento de la bobina de detección. ¿Recuerda la definición de impedancia de la bobina? Cuando el campo magnético opuesto interactúa con la bobina, la impedancia aumenta. Se vuelve más difícil para la bobina admitir la corriente alterna enviada por el oscilador, y el oscilador puede debilitarse o ralentizarse debido a la resistencia adicional. Este fenómeno —un aumento en la impedancia o una disminución en la salida del oscilador —es [probablemente] lo único que registra el circuito amplificador del sensor. Es bastante razonable concluir que el sensor está indicando: "¡Hay un objeto metálico presente!"

Cómo detecta objetos metálicos (el truco clave)

Hemos establecido que un objeto metálico sensor [ed] corriente [s] y altera el campo magnético del sensor. ¿Cómo traduce el sensor esta alteración y envía una señal al controlador para indicar "objeto presente" y "objeto no presente"? Esta es la función del resto de la circuitería y la razón por la cual los sensores de proximidad inductivos son confiables y ampliamente utilizados en la industria. Veamos un ejemplo. Imagine un dispositivo colocado sobre una cinta transportadora que mueve tuercas metálicas. Si una tuerca no está cerca del sensor, el campo magnético alrededor de la tuerca no se distorsiona. La impedancia de la bobina permanece baja, la intensidad operativa del oscilador sigue alta y el amplificador no registra cambios significativos. El circuito de salida mantiene el estado "normal", y el sistema envía una señal "baja" al sistema de la cinta transportadora, indicándole que continúe moviéndose.

Una tuerca metálica se desliza debajo del sensor, entrando en su rango de detección. Se inducen corrientes parásitas en la tuerca, y se genera un campo magnético opuesto. La impedancia de la bobina cambia, y la corriente del oscilador disminuye. El amplificador detecta el cambio en la corriente (o la impedancia decreciente) y lo amplifica. Esta señal amplificada se envía al circuito de salida, que está configurado con un "umbral". Esta es una línea que, cuando se cruza, inicia una acción. Se supera el umbral, y el estado del circuito de salida cambia: envía una señal "alta" al sistema de control. Esta señal puede indicar a la cinta transportadora que haga una pausa momentánea para que un brazo robótico pueda agarrar la tuerca, o podría incrementar un contador que lleva la cuenta de las tuercas procesadas.

Aquí hay algo que debe saber: los sensores de proximidad inductivos solo detectan ciertos materiales —y eso son principalmente metales como acero, aluminio y cobre. No detectarán materiales no metálicos como plástico, madera o vidrio en absoluto, ya que esos materiales son débilmente conductivos. En muchas fábricas, sin embargo, esto es una gran ventaja. Por ejemplo, si está empaquetando piezas metálicas en bolsas de plástico (que son no metálicas), el sensor puede ignorar la bolsa y detectar únicamente el metal. Los sensores de proximidad inductivos de Chenwei Automation son especialmente buenos en esto. Pueden distinguir incluso objetos metálicos y no metálicos colocados muy cerca entre sí, lo que evita que la producción se interrumpa por señales falsas.

Otra cosa que debe entenderse es que el tipo y tamaño del metal afectan el rango de detección. Por ejemplo, una placa de acero grande será detectada desde una mayor distancia que un pequeño tornillo de aluminio, ya que las superficies metálicas más grandes producen corrientes parásitas más intensas. Sin embargo, esto rara vez es un problema. La mayoría de los sensores industriales están diseñados para funcionar con una variedad de tipos de metales, por lo que no necesitará cambiar los sensores cada vez que varíe la pieza que desea detectar.

Lógica de Funcionamiento Práctico en Escenarios Industriales

Es importante comprender cómo funcionan los diferentes componentes en un contexto científico para tener una visión general de la lógica detrás de diversas aplicaciones industriales en una planta de producción. Utilizaremos algunas ilustraciones para explicar el principio de funcionamiento. Esto explica la popularidad de los sensores de proximidad inductivos en el campo de la automatización.

Supongamos un fabricante de piezas para automóviles como ejemplo. Puede haber un sensor de proximidad inductivo fabricado por Chenwei Automation utilizado en una línea de ensamblaje que coloca pernos metálicos en bloques de motor. El sensor está ubicado en el brazo robótico que sostiene el perno. Antes de que el brazo se mueva para atornillar el perno al bloque del motor, el sensor debe confirmar que efectivamente está sujetando un perno. Si el brazo está vacío, simplemente perderá tiempo girando o posiblemente dañará el bloque del motor. Esto es lo que sucede: cuando el brazo recoge un perno, este entra dentro del rango de detección del sensor. Se forman corrientes parásitas en el perno, la impedancia de la bobina cambia y el sensor envía una señal de "perno presente" al controlador del robot. El controlador entonces le indica al brazo que se mueva hacia el bloque del motor e inicie el proceso de atornillado. Si no hay ningún perno, el sensor envía una señal de "sin perno", y el controlador detiene el brazo, evitando así un error.

Otro ejemplo sería una línea de envasado para latas de metal. Las latas son transportadas mediante un sistema de cinta y deben ser llenadas con refresco y selladas. Un sensor de proximidad inductivo está fijado cerca de la boquilla de llenado. Cuando una lata se posiciona bajo la boquilla, el sensor detecta la estructura metálica de la lata y activa el sistema de llenado. Mientras se llena la lata, el sensor detecta la ausencia de esta y envía la señal a la boquilla para que detenga el flujo. Este sistema está diseñado para detectar las latas y rellenarlas, asegurando que ningún refresco se desperdicie incluso durante producciones a alta velocidad.

Una vez más, el tiempo de respuesta necesario del sistema sensorial está en el rango de milisegundos. Esto es crucial para mantener las tasas de producción deseadas. Si el sistema sensorial tardara incluso un segundo en responder, señalaría una falla en el proceso de producción. Para combatir tales problemas, Chenwei Automation diseña sus sensores para responder en tiempo real al movimiento de sistemas robóticos de alta velocidad y transportadores. La mayoría de las tecnologías sensoriales pueden verse interrumpidas en entornos polvorientos, pero no así los sensores inductivos de proximidad. Estos toleran la suciedad y la humedad y continúan funcionando en condiciones adversas. Los sensores solo dejan de funcionar cuando los campos magnéticos interactúan dentro del sensor para desactivarlo.

Otra cosa que vale la pena mencionar es que estos sensores son "sin contacto". Esto significa que pueden detectar un objeto metálico sin tener que tocarlo. Esta es una ventaja frente a los interruptores mecánicos, cuyas partes móviles se desgastan con el tiempo. Los sensores inductivos de proximidad no tocan nada, razón por la cual pueden durar muchos más años y requieren muy poco mantenimiento. Esto es importante para las fábricas que operan las 24 horas del día, los 7 días de la semana, ya que permite un mayor tiempo de actividad y reduce los costos de reemplazo.