sensor fotoeléctrico o fotocélula es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que percibe la luz generada por el emisor.
Todos los diferentes modos de sensado se basan en este principio de funcionamiento. Están diseñados especialmente para la detección, clasificación y posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas.
Los sensores de luz se usan para detectar el nivel de luz y producir una señal de salida representativa respecto a la cantidad de luz detectada. Un sensor de luz incluye un transductor fotoeléctrico para convertir la luz a una señal eléctrica y puede incluir electrónica para condicionamiento de la señal, compensación y formateo de la señal de salida.
El sensor de luz más común es el LDR -Light Dependant Resistor o Resistor dependiente de la luz-.Un LDR es básicamente un resistor que cambia su resistencia cuando cambia la intensidad de la luz.
Existen tres tipos de sensores fotoeléctricos, los sensores por barrera de luz, reflexión sobre espejo o reflexión sobre objetos.
Conceptos teóricos[editar]
Atendiendo a su longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres. Desde los energéticos rayos gamma (con una longitud de onda del orden de picometros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden de varios kilómetros) pasando por la luz visible cuya longitud de onda está en el rango de las décimas de micra. El rango completo de longitudes de onda forma el espectro electromagnético, del cual la luz visible no es más que un minúsculo intervalo que va desde la longitud de onda correspondiente al violeta (380 nm) hasta la longitud de onda del rojo (780 nm).
Los colores del espectro se ordenan como en el arco iris, formando el llamado espectro visible.
Si hablamos de luz en sentido estricto nos referimos a radiaciones electromagnéticas cuya longitud de onda es capaz de captar el ojo humano, pero técnicamente, el ultravioleta, las ondas de radio o las microondas también son luz, pues la única diferencia con la luz visible es que su longitud de onda queda fuera del rango que podemos detectar con nuestros ojos; simplemente son "colores" que nos resultan invisibles, pero podemos detectarlos mediante instrumentos específicos.
Fuentes de luz[editar]
Hoy en día la mayoría de los sensores fotoeléctricos utilizan ledes como fuentes de luz. Un led es un semiconductor, eléctricamente similar a un diodo, pero con la característica de que emite luz cuando una corriente circula por él en forma directa.
Los ledes pueden ser construidos para que emitan en verde, azul, amarillo, rojo, infrarrojo, etc. Los colores más comúnmente usados en aplicaciones de detección son rojo e infrarrojo, pero en aplicaciones donde se necesite detectar contraste, la elección del color de emisión es fundamental, siendo el color más utilizado el verde.
Los fototransistores son los componentes más ampliamente usados como receptores de luz, debido a que ofrecen la mejor relación entre la sensibilidad a la luz y la velocidad de respuesta, comparado con los componentes fotorresistivos, además responden bien ante luz visible e infrarroja.
Las fotocélulas son usadas cuando no es necesaria una gran sensibilidad, y se utiliza una fuente de luz visible. Por otra parte los fotodiodos donde se requiere una extrema velocidad de respuesta.
Fuentes de luz habituales
| No visible, son relativamente inmunes a la luz ambiente artificial. Generalmente se utilizan para detección en distancias largas y ambientes con presencia de polvo. | ||
| Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado por luz ambiente intensa, y es de uso general en aplicaciones industriales. | ||
| Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado por luz ambiente intensa, generalmente se utiliza esta fuente de luz para detección de marcas. |
Modulación de la fuente de la luz[editar]
Con la excepción de los infrarrojos, los ledes producen menos luz que las fuentes incandescentes y fluorescentes que comúnmente iluminan el ambiente. La modulación de la fuente de luz provee el poder de sensado necesario para detectar confiablemente con esos bajos niveles de luz. Muchos de los sensores fotoeléctricos utilizan diodos emisores de luz modulada y receptores fototransistores.
Los ledes pueden estar “encendidos” y “apagados” (o modulados) con una frecuencia que normalmente ronda un kiloHertz. Esta modulación del led emisor hace que el amplificador del fototransistor receptor pueda ser “conmutado” a la frecuencia de la modulación, y que amplifique solamente la luz que se encuentre modulada como la que envía el emisor.
La operación de los sensores que no poseen luz modulada está limitada a zonas donde el receptor no reciba luz ambiente y sólo reciba la luz del emisor. Un receptor modulado ignora la presencia de luz ambiente y responde únicamente a la fuente de luz modulada.
Los ledes infrarrojos son los más efectivos y son, además, los que tiene el espectro que mejor trabajan con los fototransistores; es por tal motivo que son usados en muchas aplicaciones. Sin embargo, los sensores fotoeléctricos son también utilizados, para detectar contraste (detección de marcas) o color, y para esto se requiere que la luz sea visible.
Exceso de ganancia[editar]
La curva de exceso de ganancia se especifica en cada tipo de sensor fotoeléctrico, y la misma está en función de la distancia de sensado.
Esta curva es usada al momento de seleccionar el sensor, para predecir la confiabilidad de la detección en un ambiente conocido.
| Aire limpio, sin suciedad en lentes o reflector | |
| Ambiente levemente sucio, con humedad, o filmes sobre los reflectores o las lentes. Lentes limpiados regularmente. | |
| Ambiente medianamente sucio, contaminación en lentes o reflectores, limpiados ocasionalmente. | |
| Ambiente muy sucio, alta contaminación en lentes o reflectores, limpiados esporádicamente. |
Tipos de sensores[editar]
Barrera de luz[editar]
Las barreras tipo emisor-receptor están compuestas de dos partes, un componente que emite el haz de luz, y otro componente que lo recibe. Se establece un área de detección donde el objeto a detectar es reconocido cuando el mismo interrumpe el haz de luz. Debido a que el modo de operación de esta clase de sensores se basa en la interrupción del haz de luz, la detección no se ve afectada por el color, la textura o el brillo del objeto a detectar. Estos sensores operan de una manera precisa cuando el emisor y el receptor se encuentran alineados.
Ventajas e Inconvenientes[editar]
La luz solo tiene que atravesar el espacio de trabajo una vez, por lo que se favorecen grandes distancias de funcionamiento, hasta 60 metros. Son apropiadas para condiciones ambientales poco favorables, como suciedad, humedad, o utilización a la intemperie, así como independientemente del color del objeto realiza una detección precisa del objeto.
La instalación se ve dificultada por tener que colocar dos aparatos separados y con los ejes ópticos alineados de manera precisa y delicada, ya que el detector emite en infrarrojos. Además de la imposibilidad de que los objetos a detectar sean transparentes.
Precauciones de montaje[editar]
A la hora del montaje hay que tener en cuenta las superficies reflectantes cercanas a los dispositivos, provocando un mal funcionamiento de la fotocélula. También hay que tener en cuenta las posibles interferencias mutuas por la cercanía de varios de estos dispositivos, además de controlar los ambientes sucios, ya que la suciedad afecta negativamente en la lente emisora.
Reflexión sobre espejo[editar]
Tienen el componente emisor y el componente receptor en un solo cuerpo, el haz de luz se establece mediante la utilización de un reflector catadióptrico. El objeto es detectado cuando el haz formado entre el componente emisor, el reflector y el componente receptor es interrumpido. Debido a esto, la detección no es afectada por el color del mismo. La ventaja de las barreras réflex es que el cableado es en un solo lado, a diferencia de las barreras emisor-receptor que es en ambos lados. 1
Ventajas e Inconvenientes[editar]
En estas fotocélulas el haz de luz recorre dos veces la distancia de detección, con lo cual las distancias de trabajo que se consiguen son medias (de unos 15 metros). El espejo es fácil de instalar, y no se necesita cableado hasta el mismo, por lo que solo hay que cablear un detector. Además de ser válidos para detección de objetos opacos, también cubren eficientemente aplicaciones con detección de objetos con cierto grado de transparencia.
El problema más llamativo es que el objeto a detectar tiene que ser mayor que el espejo y, a ser posible, no reflectante, además de que la alineación tiene que ser precisa.
Precauciones de montaje[editar]
Un objeto con superficie reflectante puede provocar errores de detección. esto se puede evitar haciendo que la reflexión del objeto a detectar no tenga la misma inclinación que el haz del detector.
Reflexión sobre objeto[editar]
La luz infrarroja viaja en línea recta, en el momento en que un objeto se interpone el haz de luz rebota contra este y cambia de dirección permitiendo que la luz sea enviada al receptor y el elemento sea censado, un objeto de color negro no es detectado ya que este color absorbe la luz y el sensor no experimenta cambios. Hay dos tipos de fotocélulas de reflexión sobre objeto, las de reflexión difusa y las de reflexión definida.
Reflexión difusa[editar]
En las fotocélulas de reflexión difusa sobre el objeto el emisor lanza un haz de luz; los rayos del haz se pierden en el espacio si no hay objeto, pero cuando hay presencia de objeto, la superficie de éste produce una reflexión difusa de la luz, parte de la cual incide sobre el receptor y se cambia así la señal de salida de la fotocélula.
Reflexión definida[editar]
La reflexión en la superficie del objeto a detectar por las fotocélulas de reflexión definida normalmente es de carácter difuso, como en los sensores de reflexión difusa, o sea que los rayos reflejados salen sin una trayectoria determinada.
Esto es muy importante, para no caer en la falsa idea de que la diferencia respecto a los sensores de reflexión difusa está en el tipo de reflexión; lo está en el tipo de óptica empleada.
En las fotocélulas de reflexión definida la fuente de luz está a una distancia mayor que la distancia focal, por lo que el haz converge a un punto del eje óptico
Ventajas e Inconvenientes[editar]
Las fotocélulas de reflexión sobre objeto se componen únicamente de un emisor y un receptor montados bajo una misma carcasa, por lo que el montaje es sencillo y rápido. En estas fotocélulas el haz de luz recorre dos veces la distancia de detección y además el objeto puede ser de reflectividad baja, por lo que sólo se consiguen distancias de detección pequeñas (por lo general menos de un metro.
sensores fotónicos han sido objeto de intensa investigación durante las últimas décadas para su uso en múltiples aplicaciones en entornos civiles y militares, y para la detección de una amplia variedad de parámetros físicos, biológicos, agentes químicos y nucleares, entre otros. Los avances en el diseño de sensores fotónicos y sus múltiples aplicaciones siguen creciendo a un ritmo rápido con los nuevos tipos de fuentes de luz, fibras ópticas y detectores fotónicos. Dentro de este campo en rápido progreso, la investigación de este tipo de sensores genera nuevas soluciones en diferentes campos como la medicina, ingeniería, química, etc.
Conceptos teóricos[editar]
Concepto de fotónica
La fotónica está reconocida como una importante disciplina científica que es esencial para el siglo XXI.1 Puede definirse como el campo de la ciencia y las tecnologías que estudia y aplica las propiedades fundamentales de la luz y su interacción con la materia.2 Utiliza muchas veces como elemento principal la luz procedente de un láser, lo que puede implicar el envío de información de un lugar a otro.
Concepto de sensor
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas.3
Concepto de fibra óptica
Las fibras ópticas son filamentos de vidrio o plástico, de grosor similar al de un cabello (125 micrómetros). En telecomunicaciones, llevan la información en forma de pulsos de luz que viajan a través de las fibras de un extremo a otro, donde quiera que la fibra vaya (admitiendo curvas) sin interrupción.
Las fibras ópticas tienen mejores prestaciones que los cables de cobre convencionales, tanto en pequeños ambientes autónomos (tales como sistemas de comunicaciones internas y redes de sensores de aviones), como en grandes redes geográficas (como los sistemas de interconexión de larga distancia interurbanos mantenidos por compañías telefónicas).
El principio en que se basa la transmisión de luz por la fibra es la reflexión interna total, la luz que viaja por el centro o núcleo de la fibra incide sobre la superficie externa con un ángulo mayor que el ángulo crítico, de forma que toda la luz se refleja sin pérdidas hacia el interior de la fibra. Así, la luz puede transmitirse a larga distancia reflejándose miles de veces. Para evitar pérdidas por dispersión de luz debida a imperfecciones de la superficie de la fibra, el núcleo de la fibra óptica está recubierto por una capa de vidrio o plástico con un índice de refracción menor, de tal forma que las reflexiones se producen en la superficie que separa el núcleo de la fibra y su recubrimiento. En función del tamaño del núcleo y de la diferencia de índices de refracción entre núcleo y recubrimiento, las fibras ópticas seran monomodo o multimodo.
Por último, en la fibra óptica la señal no se atenúa tanto como en el cobre, ya que en las fibras no se pierde apenas potencia óptica por refracción o dispersión espacial de la luz, consiguiéndose así mejores prestaciones y alcances. En el cobre, sin embargo, las señales se ven disminuidas por la atenuación del material al propagar las ondas electromagnéticas, que depende de la frecuencia. Tanto en los cables de cobre como en las fibras ópticas se pueden transmitir a la vez por el mismo medio conductor varias señales diferentes con distintas frecuencias para distinguirlas, lo que se denomina multiplexación de señales.
Definición y Concepto[editar]
Un sensor fotónico puede ser algo tan sencillo como un mero fotodetector de luz infrarroja (con la electrónica asociada) con aplicaciones en seguridad o medida de temperatura.4
Los sensores fotónicos más versátiles y eficientes están basados, además de en la fotónica, en la fibra óptica y se emplean en diversos campos para medir parámetros físicos y químicos de interés gracias a su reducido tamaño, con un diámetro que apenas mide 125 micras, lo que supone aproximadamente el grosor de un cabello humano.
Estos sensores además de presentar la característica de un tamaño casi minúsculo, tienen también un peso ligero, alta resolución, inmunidad a las interferencias electromagnéticas, largo alcance, la capacidad de multiplexación de diferentes señales en la misma red de sensores y su utilización en ciertas aplicaciones de bajo coste. Los sensores fotónicos pueden utilizar diferentes características de la señal óptica tales como su intensidad, fase (interferometría), polarización, longitud de onda (espectroscopia), dando lugar a un gran número de diseños de sensores diferentes.5 Estas diferencias pueden surgir en las estructuras físicas empleadas, en la fuente óptica o los sistemas de detección, en la señal sistemas de demodulación, o en nuevas combinaciones de estos.
A diferencia de los sensores electrónicos, los sensores fotonicos son inmunes a la interferencia electromagnética y a los fallos en los componentes eléctricos en entornos adversos debido a su construcción puramente opto-mecánica. En el caso de los sensores de fibra óptica, el equipo interrogador puede estar a muchos metros del sensor. El cable de fibra óptica se utiliza para conectar el conjunto del sensor con un sistema de procesamiento de señales opto-electrónico (el interrogador).
Fundamentos[editar]
Existen sensores fotónicos guiados (por fibra óptica o en óptica integrada6) y no guiados. Estos últimos, disponibles desde hace varias décadas, incluyen sistemas espectroscópicos convencionales o por el uso de espectroscopía no lineal,7 detectores a frecuencias visibles o infrarrojas,8 sistemas de teledetección LED o láser,9 etc.
Los sistemas sensores fotónicos por fibra óptica10 tienen o pueden tener cuatro partes fundamentales:
- El sensor o transductor.
- El interrogador, que emite y recibe la señal óptica.
- El cable óptico.
- Acopladores, multiplexores, amplificadores o conmutadores ópticos(opcional).
El interrogador genera una señal óptica, que se guía por el cable óptico del sensor. Cuando una magnitud, como la presión, temperatura, flujo, etc. se aplica al sensor, los parámetros fundamentales de la luz, tales como la intensidad o longitud de onda, se cambian. La luz retorna modificada a través del cable hasta el interrogador, donde se mide cuidadosamente para determinar la cantidad de cambio en la onda de luz. Se utilizan algoritmos para convertir la señal óptica en una señal electrónica calibrada que puede estar conectada a un sistema de control de procesos, a un sistema de adquisición de datos, o para una visualización en tiempo real. Si es necesaria una etapa de multiplexado son indispensables nuevos componentes, como pueden ser uno o varios acopladores, o multiplexores en longitud de onda, amplificadores ópticos o un conmutador de fibra óptica.11
Los sistemas sensores por fibra óptica pueden ser puntuales o distribuidos. Si el interrogador es capaz de detectar variaciones de algún parámetro óptico (típicamente temperatura o deformación) a lo largo de todo el cable óptico, el sistema se llama distribuido. Estos sistemas presentan la gran ventaja de utilizar como transductor el propio cable óptico. Los sistemas puntuales monitorizan sensores dispuestos en posiciones concretas dentro de una red de sensores. Estos últimos sistemas permiten monitorizar muchos más parámetros que los sistemas distribuidos (gases,12 indice de refracción, etc.) El alcance de los sistemas distribuidos puede extenderse hasta los 120 km.13 desde la unidad de interrogación. Para sistemas puntuales, la distancia de monitorización remota puede llegar hasta 250 km.14
Aplicaciones[editar]
Los sensores fotónicos presentan múltiples aplicaciones que constituyen una manera de medir cualquier parámetro, ya sea temperatura, tensión mecánica,15 radiación o parámetros químicos y biológicos. En Ingeniería civil se emplean especialmente para calcular las tensiones y deformaciones en estructuras como puentes,16 túneles,17 edificios,18 aeronaves19 o en aerogeneradores, viendo las tensiones estructurales de las palas.20 Por otro lado, estos sensores se emplean en el diseño de las alas de los aviones; en la Biomedicina facilitan la detección de proteínas o la malformación en genes, permiten también la medida de parámetros químicos en aguas residuales para medir la calidad del agua.21 Gracias a estos pequeños dispositivos se puede controlar qué cantidad de plomo o elementos orgánicos existen en ríos como el Ebro.
Otra de las aplicaciones en las que se utilizan los sensores de fibra óptica es la medida de movimientos. En Estados Unidos, se desarrolló el giróscopo de fibra óptica, capaz de detectar rotaciones mediante la interferencia de haces de luz. El sensor consta de una bobina en la que se enrolla un cable de fibra óptica. Permite conocer el movimiento en cada instante, midiendo el desplazamiento y pudiendo así corregir la trayectoria. Esta tecnología es muy útil en aeronáutica y en la industria de defensa.
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