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Tecnología de los sensores de fibra óptica

Los sensores de fibra óptica detectan objetos y estados dirigiendo la luz hacia un objeto de prueba y evaluando el cambio de intensidad de la luz de retorno. Pueden detectar objetos muy pequeños, tienen un montaje especialmente flexible y son extremadamente resistentes en entornos difíciles, incluso con valores altos de temperatura y humedad o en medios húmedos.

¿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.

¿Cuáles son las ventajas de los sensores de fibra óptica?

Instalación flexible

Los sensores de fibra óptica son extremadamente compactos y son ideales para su instalación en entornos industriales con espacio reducido. Además, gracias a la alta flexibilidad y la baja amortiguación de las fibras ópticas, también son posibles distancias de transmisión más largas.

Elevada seguridad de funcionamiento

Los sensores de fibra óptica son extremadamente resistentes y garantizan un rendimiento fiable incluso bajo condiciones ambientales adversas, como valores altos de temperaturas o humedad y medios agresivos como refrigerantes o agentes limpiadores.

Compatibilidad electromagnética

En los cables de fibra óptica, la transmisión de señales es puramente óptica, por lo que los problemas relacionados con la CEM no son relevantes para los sensores de fibra óptica. Además, son extremadamente insensibles a las interferencias electromagnéticas.

Fibra óptica frente a sistemas fotoeléctricos pequeños: Visión general de las tecnologías

	Fibra óptica	Sistema fotoeléctrico pequeño
Alcance de medición
Temperatura ambiente
Coste del montaje
Detección de objetos transparentes
Detección de piezas muy pequeñas
Flexibilidad e individualización

Alcance de medición
Fibra óptica	Sistema fotoeléctrico pequeño
Temperatura ambiente
Fibra óptica	Sistema fotoeléctrico pequeño
Coste del montaje
Fibra óptica	Sistema fotoeléctrico pequeño
Detección de objetos transparentes
Fibra óptica	Sistema fotoeléctrico pequeño
Detección de piezas muy pequeñas
Fibra óptica	Sistema fotoeléctrico pequeño
Flexibilidad e individualización
Fibra óptica	Sistema fotoeléctrico pequeño

¿Qué son los amplificadores de cable de fibra óptica?

Los amplificadores de cable de fibra óptica, también conocidos como amplificadores ópticos, son componentes que amplifican las señales en los sistemas de comunicación óptica y desempeñan un papel central en la comunicación por fibra óptica. En este aspecto, aumentan el alcance de transmisión.

En el contexto de la automatización industrial, los amplificadores de cables de fibra óptica son sensores que utilizan cables de fibra óptica, de vidrio o de plástico, para medir diferentes magnitudes físicas, como la presión, la temperatura, la dilatación y la presencia o posición de objetos. Aprovechan la capacidad de los cables de fibra óptica para transmitir luz y, al mismo tiempo, registran cambios en el espectro o en la cantidad de luz.

¿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. Además, los costes de cableado se minimizan gracias a la agrupación de los sensores, ya que solo se necesita un cable para la conexión al master IO-Link. 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.

¿Influyen entre sí los sensores?

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.

¿Qué es el modo de alineación?

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.

¿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

Las fibras ópticas de plástico son ideales para la detección de objetos en aplicaciones que requieren poco espacio. Las fibras ópticas de vidrio, por el contrario, demuestran su eficacia bajo condiciones ambientales exigentes con altas temperaturas, ofreciendo resistencia química. Gracias a estas ventajas, entre otras, estos materiales abren numerosas posibilidades de aplicación, que satisfacen los más diversos requisitos.

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

La variante más económica. Adecuado para aplicaciones estándar que no requieren una resistencia especial a las condiciones ambientales.

Acero inox

Ofrece la máxima protección contra cargas mecánicas. Menos flexibilidad en el tendido, ya que se requieren radios de curvatura más grandes. Sin protección contra gases o líquidos.

Silicona

Máxima resistencia frente a medios agresivos. Totalmente hermético para evitar que los fluidos y los gases penetren en el revestimiento y dañen las fibras ópticas. Conformidad FDA.

¿Qué principios de funcionamiento existen para los sensores de fibra óptica?

Modo réflex

En el funcionamiento táctil, el emisor y el receptor están alojados en una carcasa. En este proceso, la luz emitida por el emisor incide sobre el objeto de prueba y es devuelta al receptor. La detección del objeto se realiza a partir de la cantidad de luz reflejada que llega al receptor del conductor de luz.

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

Según el principio de los sensores retro-réflex, el emisor y el receptor se encuentran en una carcasa, mientras que en el lado opuesto se coloca un espejo. El objeto de prueba se detecta cuando se interrumpe o reduce por completo la luz reflejada por el espejo.

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

El reajuste dinámico es especialmente adecuado para el modo réflex con fondos estáticos, así como para el modo de barrera. En este caso, debería prevalecer el estado no conectado, ya que el valor umbral solo se reajusta en este estado. Si aparece contaminación en el cabezal de la fibra óptica o en el fondo, se compensará mediante la adaptación dinámica del valor umbral.

Detección de saltos

En la detección de saltos, los valores de señal absolutos son irrelevantes. En su lugar, la dirección del cambio de señal (negativa, positiva o ambas direcciones), la magnitud del cambio y el periodo de observación pueden incluirse en la evaluación. Esto permite la detección de objetos muy variables (por ejemplo, en color o en las características de la superficie) sobre fondos no estáticos (como una cinta transportadora que ensucia lentamente) y la detección de objetos sin programación previa (por ejemplo, con lotes cambiantes).

Vista general de los cabezales del cable de fibra óptica

Acodado

Los cabezales de sensor en ángulo son ideales para espacios reducidos en los que el eje óptico y la salida del cable deben orientarse de forma diferente. Gracias a la rosca, los cabezales de los sensores se pueden atornillar fácilmente en los orificios preparados o fijarse a un ángulo o una placa con dos tuercas.

Tipo L

El tipo L permite un montaje sencillo con dos tornillos y ofrece posiciones predefinidas de los ejes ópticos. Gracias al gran ángulo de abertura de las fibras ópticas, no es necesaria una alineación exacta.

Plano

Los cabezales de sensor planos se integran fácilmente en la parte inferior del portapiezas. La flexibilidad de la salida del cable en el cabezal del sensor permite un tendido sencillo del cable hacia la izquierda, la derecha o atrás.

Flexible

La delgada y larga lanza metálica del sensor se puede adaptar a los requisitos específicos de la aplicación correspondiente con solo doblarla.

Bandas luminosas

Las bandas luminosas en modo barrera unidireccional son ideales para monitorizar grandes superficies. Por el contrario, las bandas luminosas táctiles son especialmente eficaces en la detección de objetos heterogéneos y también se pueden utilizar para aplicaciones de medición mediante la evaluación de la luz reflejada.

Miniatura

Los cabezales de sensor en miniatura son especialmente adecuados para aplicaciones en los espacios más reducidos.

Roscado

Los cabezales de sensor roscados permiten una instalación rápida y sencilla. Pueden atornillarse directamente en orificios pretaladrados o fijarse a ángulos o chapas mediante dos tuercas.

Liso

Los cabezales de sensor lisos son ideales para su uso en espacios reducidos y se pueden colocar o pegar en soportes de montaje prefabricados.

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.

Sectores e industrias donde se utilizan los sensores de fibra óptica

Industria del metal

Durante la fabricación de perfiles de metal, es necesario registrar la presencia y las dimensiones de los objetos antes de fijarlos mediante un dispositivo de sujeción. Los perfiles pueden ser negros, blancos, cromados, brillantes o mate. En espacios reducidos se utilizan también cortinas de luz de fibra óptica de vidrio que funcionan según el principio emisor-receptor, junto con un sensor de reflexión universal. Las fibras luminosas están colocadas formando una línea, y generan una banda de luz. Se mide el ancho, se emite una señal lineal proporcional a la cubierta de fibra de vidrio y así se determina la posición correcta.

Industria electrónica

En la industria electrónica, las placas de circuitos impresos de los módulos de transporte deben detectarse en varias estaciones para garantizar un transporte seguro. Para ello, en los estrechos marcos laterales de cada estación se coloca lateralmente un cable de fibra óptica en ángulo con un emisor y un receptor (principio de barrera). Los cables de fibra óptica se accionan mediante un método multiplexor en un amplificador central de cables de fibra óptica fuera de la cinta transportadora, de modo que se evitan interferencias mutuas y se garantiza una detección segura de las placas de circuito impreso en cada estación.

¿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.

Comparación de productos

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