¿Qué son los sensores de fibra óptica?
Los sensores de fibra óptica utilizan las propiedades físicas de la luz en la transmisión a través de fibra de vidrio o plástico para detectar objetos. Constan de un amplificador de cable de fibra óptica y de cables de fibra óptica con o sin óptica. El amplificador de cable de fibra óptica contiene la fuente de luz y el elemento receptor, así como la unidad de procesamiento del sensor. Las fibras ópticas sirven exclusivamente para enviar y recibir luz. Dado que los cables de fibra óptica no contienen componentes electrónicos, los sensores de fibra óptica son especialmente adecuados para aplicaciones en espacios reducidos, entornos exigentes o donde no se pueden utilizar otros sensores.
¿Cómo funcionan los sensores de fibra óptica?
Básicamente, los sensores de fibra óptica miden diferentes magnitudes de la luz, como la longitud de onda y la intensidad, para derivar de ellas otros valores de medición. En la automatización industrial, a menudo se utiliza el principio energético. Para ello, el emisor (normalmente una fuente de luz LED) acopla la luz en una fibra óptica. En el extremo de la fibra óptica, la luz sale y choca con un objeto que la refleja (modo réflex/principio de reflexión) o es captada directamente por un receptor (principio de barrera unidireccional). A continuación, la luz devuelta es conducida al módulo de análisis, donde un fotodiodo mide la cantidad de luz recibida. El sistema electrónico compara constantemente esta cantidad de luz con un valor umbral determinado y conmuta la salida del sensor convenientemente.
Instalación flexible
Elevada seguridad de funcionamiento
Compatibilidad electromagnética
Fibra óptica frente a sistemas fotoeléctricos pequeños: Visión general de las tecnologías
¿Qué son los amplificadores de cable de fibra óptica?
El amplificador de cable de fibra óptica es un elemento central de los sensores de fibra óptica que incluye tanto la fuente de luz como el elemento receptor y la unidad de procesamiento. Se encarga de que la señal luminosa se acople al cable de fibra óptica, se transmita y, a continuación, se pueda volver a detectar. De este modo, el amplificador asume la tarea de poner a disposición la luz para la emisión y recepción y, de este modo, formar la base para el funcionamiento de todo el sensor.
¿Qué se entiende por unidad adaptable?
Un conjunto de sensores, también llamado unidad adaptable, consta de varios sensores que pueden comunicarse directamente entre sí. Esto significa que los sensores individuales no interfieren entre sí, aunque estén cerca u opuestos y estén inspeccionando el mismo objeto. Esto permite una coordinación y colaboración eficientes entre los sensores. Un conjunto de sensores incluye como máximo una unidad maestra y hasta 13 subunidades.
Además, se minimiza el cableado, ya que solo es necesario conectar el maestro a través de un cable. La transmisión de los niveles de señal y los canales de conmutación de todos los sensores conectados se realiza a través de los datos de proceso IO-Link, un cable conector y un puerto en el master IO-Link. Así se optimiza la transferencia de datos y se reducen considerablemente los costes de cableado e instalación.
Si las fibras ópticas están montadas cerca u orientadas hacia el mismo punto, pueden interferir entre sí. Los sensores de fibra óptica de wenglor están equipados con diversas tecnologías para reducir o suprimir estos efectos. Las series P1XD0 y P1XD1 se sincronizan a través de sus haces de luz, mientras que los sensores de la serie P1XD2 se sincronizan en modo unidad adaptable a través del bus interno, eliminando así la influencia mutua. Se recomienda evitar montar varios cabezales del sensor juntos o alinearlos con el mismo objeto de prueba. Como alternativa, se pueden utilizar sensores de la serie P1XD2.
La intensidad lumínica de un pulso de luz individual, es decir, su amplitud y duración, permanece inalterada tanto en modo autónomo como en modo unidad adaptable. Sin embargo, para el ojo humano la intensidad de la luz parece menor en modo unidad adaptable. Esto se debe a un efecto óptico; en modo unidad adaptable, las pausas entre los distintos pulsos luminosos son considerablemente más largas que en modo autónomo. Esto hace que el ojo perciba una fuente de luz más oscura.
Las pausas prolongadas son necesarias para garantizar que las otras subunidades puedan emitir, recibir y procesar sus pulsos de luz sin afectarse mutuamente. Este procedimiento se conoce como multiplexación.
Para una detección de objetos fiable, las fibras ópticas deben alinearse exactamente con el objetivo. Especialmente cuando se utiliza el modo de barrera, el emisor y el receptor deben estar posicionados lo más axialmente posible entre sí. Dado que el amplificador o el módulo de análisis suelen estar instalados en el armario de distribución o fuera del campo visual, la configuración suele realizarse de acuerdo con la visibilidad y el criterio de los operarios.
El modo de alineación visualiza la intensidad de la señal mediante una pulsación de la luz emitida. Al igual que ocurre con los sensores de aparcamiento en los automóviles, la frecuencia de los impulsos aumenta cuanto más intensa es la señal recibida. El eje y el ángulo del cabezal del sensor se ajustan hasta que se alcanza la alineación óptima con la señal máxima. Esto permite una configuración eficiente y precisa entre el emisor y el receptor incluso a grandes distancias.
¿Para qué se necesita un adaptador de raíl DIN?
La unidad amplificadora suele montarse en raíles DIN estandarizados. La instalación se realiza sin herramientas, ya que los amplificadores se encajan en el raíl de forma sencilla y rápida. Al utilizar el modo unidad adaptable, se pueden disponer varios amplificadores de cable de fibra óptica uno al lado del otro en el armario de distribución, lo que ahorra espacio y evita que se deslicen.
¿Qué ventajas tienen los diferentes tipos de luz?
Dependiendo de los requisitos específicos de la aplicación, los sensores de fibra óptica de wenglor utilizan luz roja, azul, rosa o infrarroja.
Los LED rojos (633 nm) ofrecen una alta estabilidad del proceso, incluso con objetos de prueba muy claros o blancos.
Los LED azules (455 nm) son especialmente adecuados para mediciones precisas en superficies incandescentes, brillantes u oscuras, ya que penetran menos profundamente en el objeto de prueba.
En el modo de luz rosa, los LED rojos y azules se activan simultáneamente para aumentar la potencia lumínica y mejorar el alcance de los sensores.
La luz infrarroja (por encima de 750 nm) es invisible para el ojo humano, lo que evita las distracciones visuales y las manipulaciones y hace que resulte ideal para sensores móviles en pinzas robóticas o vehículos autónomos. Además, gracias a su mayor potencia, permite un mayor alcance.
Salidas e interfaces
Salida de conmutación digital
Salida analógica
IO Link
¿Qué son las fibras ópticas?
Las fibras ópticas son fibras que constan de un núcleo conductor de luz y un revestimiento, cada uno de los cuales presenta un índice de refracción diferente. En este caso, la luz se transporta a través del núcleo prácticamente sin pérdidas gracias a la reflexión total en el revestimiento. Al salir de la fibra óptica, la luz se dispersa con un ángulo de abertura de aproximadamente 60 grados.
¿Qué es el índice de refracción?
El índice de refracción describe la intensidad con la que los rayos de luz cambian de dirección cuando pasan de un medio a otro. Se define por la relación entre la velocidad de la luz en el vacío c y la velocidad de la luz en el medio considerado v. El índice de refracción n es adimensional y varía en función de factores como la temperatura y la longitud de onda de la luz.
Para calcular el índice de refracción, se utiliza la siguiente fórmula física: n = v/c
¿Qué es el ángulo de abertura?
El ángulo de abertura se refiere al ángulo por debajo del cual la luz sale de la fibra óptica. Un ángulo de abertura amplio ofrece la ventaja de permitir una detección fiable incluso de objetos heterogéneos a poca distancia. Además, el manejo es sencillo, ya que la orientación del equipo no es decisiva. Sin embargo, la potencia lumínica se distribuye rápidamente sobre una gran superficie reduciendo el alcance, ya que la luz no permanece focalizada.
Para controlar este amplio ángulo de abertura, se utilizan lentes que enfocan o coliman la luz en caso necesario. Esto permite detectar objetos muy pequeños o aumentar considerablemente el alcance de los cables de fibra óptica.
Comparación de las fibras ópticas
Fibra óptica de vidrio
- Transmisión de luz visible y luz infrarroja
- Tolerancia a rangos de temperatura extremos
- Apta para entornos industriales corrosivos o húmedos
- Amortiguación especialmente baja en la zona de la luz infrarroja
- Posibilidad de rotura por flexión fuerte o repetida
Fibra óptica de plástico
- Transmisión de luz visible
- Menor tolerancia a rangos de temperatura extremos
- No apta para entornos industriales corrosivos o húmedos
- Atenuación especialmente baja en la zona de la luz visible
- Posibilidad de uso de varios codos gracias a su alta flexibilidad
Fibras paralelas
En este tipo de reflexión, las fibras están paralelas entre sí para transmitir señales de luz. Esta disposición de las fibras está disponible tanto como fibra óptica de plástico como de vidrio y se utiliza en la mayoría de las aplicaciones estándar.
Fibras coaxiales
El tipo de reflexión coaxial es un método de medición de alta precisión que consta de un núcleo (emisor) y un área circundante (receptor). Aquí, la dirección de entrada del objeto de prueba en el rango de medición no es importante para la posición del sensor de fibra óptica.
Fibras mixtas
La reflexión mixta hace referencia a una estructura de fibra de vidrio en la que muchas fibras de emisión y recepción están dispuestas sin separación. La posición y la distancia del conductor de fibra óptica al objeto son menos relevantes. El área de la imagen es muy pequeña o no existe.
Efecto del diámetro de la fibra/diámetro del haz
Un mayor diámetro del núcleo conductor de luz permite que pase más luz a través del cable. Esto conlleva mayores alcances y una mejor detección de objetos de color negro intenso. Por lo tanto, para determinados cabezales de fibra óptica, como las bandas luminosas, se necesitan más fibras y, por lo tanto, un mayor diámetro.
¿Qué indica el radio de curvatura?
El radio de curvatura determina cuánto se puede doblar un cable sin dañarlo ni afectar a la calidad de la señal. Si se dobla excesivamente un cable de fibra óptica, existe el riesgo de que se rompa el revestimiento de fibra del cable y salga luz del núcleo de la fibra óptica. Esto no solo podría incrementar la amortiguación, sino también provocar microgrietas en el núcleo de la fibra, lo que provocaría daños permanentes. Por lo tanto, es importante tener en cuenta el radio de curvatura, especialmente en el caso de la fibra óptica de vidrio.
¿Cómo está estructurada la fibra óptica?
Cables de fibra óptica de plástico
Cables de fibra óptica de vidrio
¿Qué tipos de revestimiento hay para la fibra óptica de vidrio?
Plástico, PVC
Acero inox
Silicona
¿Qué principios de funcionamiento existen para los sensores de fibra óptica?
Modo réflex
Modo barrera
El modelo de barrera de luz consta de un emisor y un receptor opuestos. En cuanto el objeto de prueba pasa por el espacio que hay entre el emisor y el receptor, se interrumpe la luz de la fibra óptica. A continuación, tiene lugar la detección mediante la reducción de la intensidad luminosa recibida.
Sensor retro-réflex
Bandas luminosas
Las bandas luminosas sirven para monitorizar las direferntes zonas. A diferencia de los puntos luminosos, que solo monitorizan la presencia de objetos dentro de un punto, las bandas luminosas registran varios centímetros. El sensor detecta el objeto en cuanto la señal se atenúa o se interrumpe por completo.
Comparación del reajuste dinámico y la detección de saltos
Tanto el reajuste dinámico como la detección de saltos son adecuados para la detección fiable de objetos en condiciones ambientales cambiantes. En el reajuste dinámico, se utiliza un valor umbral casi fijo, mientras que la detección de saltos se realiza sin valor umbral y, en su lugar, se evalúan exclusivamente las modificaciones de la señal.
Punto de conmutación fijo
El modo de funcionamiento más común de un sensor se basa en un punto de conmutación fijo. Para ello, el sensor determina el valor umbral o el punto de conmutación durante el proceso de teach-in según una lógica de teach predeterminada. En el teach normal, esto corresponde, por ejemplo, al 50 % de la señal actual. Si las condiciones ambientales y los objetos que hay que detectar son muy constantes, el modo de funcionamiento con un punto de conmutación fijo ofrece la máxima inmunidad a las interferencias, ya que las influencias externas no pueden modificar el punto de conmutación: Si la señal está por encima del valor umbral establecido, la salida se activa; si está por debajo, la salida permanece inactiva. Sin embargo, si la señal se modifica, por ejemplo, debido a la contaminación, pueden producirse fallos de conexión permanentes.
Reajuste dinámico
Detección de saltos
Vista general de los cabezales del cable de fibra óptica
Acodado
Tipo L
Plano
Flexible
Bandas Luminosas
Miniatura
Roscado
Liso
wenglor ofrece soluciones de fibra óptica a medida para cables de fibra óptica de vidrio gracias a un sofisticado sistema modular. Con ayuda del configurador en línea, los cabezales de fibra óptica se pueden combinar con diferentes fibras ópticas y adaptarse a los amplificadores de sensor correspondientes.
Se debe tener en cuenta al instalar los sensores de fibra óptica
Para garantizar una detección de objetos fiable y unos datos de medición precisos, se deben tener en cuenta las siguientes indicaciones al montar el sensor.
Longitudes y cortes
Las fibras ópticas están disponibles en diferentes longitudes. Las fibras ópticas de plástico pueden ser cortadas por el cliente, mientras que las de vidrio solo pueden ser cortadas industrialmente, ya que después del corte se deben lijar y pulir. La longitud apenas influye en el alcance de detección, pero las fibras ópticas más largas transmiten menos luz.
Consejo: Seleccione la fibra óptica de vidrio adecuada.
Alcance de detección
Debido al gran ángulo de abertura, las fibras ópticas solo tienen alcances de detección reducidos. Se pueden conseguir mayores alcances de detección mediante diámetros de haz de fibra/núcleo más grandes o mediante lentes que enfocan la luz.
Consejo: Utilice la fibra óptica sobre todo para alcances cortos y para la detección de piezas pequeñas.
Radio de curvatura
Las fibras ópticas son flexibles, pero deben respetarse unos radios de curvatura mínimos para evitar daños y pérdidas de luz. Las fibras ópticas de plástico High-Flex son adecuadas para radios de curvatura estrechos o montajes móviles. Como norma general rige: Los diámetros más pequeños permiten radios de curvatura más pequeños.
Consejo: Montaje de cables de fibra óptica High-Flex.
Temperatura
Los conductores de luz de plástico y de fibra óptica se diferencian por su resistencia a la temperatura. Por encima de los 85 °C, se debe utilizar fibra óptica de vidrio con revestimiento de acero inoxidable o silicona.
Consejo: Gracias a las longitudes individuales, el módulo de análisis también se puede colocar en el armario de distribución.
Alineación del sensor
En el modo réflex, el emisor y el receptor deben instalarse con un ángulo de 90° respecto del objeto de ensayo cuando se acerquen lateralmente para garantizar un comportamiento de conexión y desconexión uniforme.
Consejo: Una alineación plana respecto del objeto da lugar a un desplazamiento con encendido y apagado retardados.
Cable con emisor específico
En el caso de cabezales de fibra óptica con emisión de la luz coaxial y con determinadas bandas luminosas, debe respetarse estrictamente la correcta asignación del emisor del cabezal de la fibra óptica al emisor del amplificador.
Consejo: Los amplificadores están marcados con flechas con tal fin.
¿Qué objetos no pueden detectar de forma óptima los sensores de fibra óptica?
- El agua y otros líquidos transparentes que absorben mucha luz o la refractan pueden provocar mediciones imprecisas.
- Los objetos muy transparentes, como el vidrio transparente, que permiten que la luz pase completamente sin reflejarla, dificultan la detección.
- Los objetos de color negro intenso, que absorben mucho la luz incidente y la reflejan mínimamente o no la reflejan, dificultan el retorno de la señal al sensor.
- Los objetos muy brillantes que reflejan la luz en direcciones impredecibles impiden una detección de objetos precisa.
