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Funcionamiento y tecnología de un sensor de ultrasonidos

Los sensores de ultrasonidos miden las distancias sin contacto basándose en la reflexión de las ondas de ultrasonidos. Detectan los objetos transparentes, oscuros, brillantes o complejos, así como los líquidos. Son capaces de detectar, ubicar, comprobar la presencia y realizar mediciones de distancia, a pesar de la contaminación en forma de polvo, niebla, vapor o luz externa.

¿Qué principios de funcionamiento existen para los sensores de ultrasonidos?

Principio réflex con un sensor de ultrasonidos

Los sensores de distancia con principio réflex son adecuados para medir distancias, detectar, diferenciar y medir objetos mediante ultrasonidos. En este caso, el emisor y el receptor están integrados dentro de una sola carcasa.

Modo barrera con dos barreras ultrasónicas

Mediante dos sensores de ultrasonidos

En el modo barrera, hay dispuestos dos sensores de ultrasonidos uno mirando al otro. De este modo, el emisor y receptor están uno frente al otro y se verifica si el receptor detecta la señal enviada por el emisor. En los sensores de ultrasonidos de wenglor, la parametrización permite determinar si funcionan como emisor o receptor. En principio, no es posible medir las distancias, sino únicamente detectar o diferenciar objetos.


 

Sensores en horquilla para el reconocimiento de etiquetas

Los sensores en horquilla por ultrasonido son sensores especiales que funcionan según el modo barrera. Detectan etiquetas de cualquier material portante independientemente del color, la transparencia y las características de la superficie. En este caso, el emisor y el receptor se colocan en posiciones opuestas, pero dentro de la misma carcasa.

¿Cómo funciona un sensor de ultrasonido?

Funcionamiento y estructura de un sensor de distancia por ultrasonido

Detección y medición con un sensor

Un sensor de distancia por ultrasonido detecta objetos sin contacto y mide la distancia entre el sensor y el objeto de medición. Para ello, emite cíclicamente en el cabezal del sensor una onda sonora corta y de alta frecuencia. Esta se propaga en el aire con la velocidad del sonido. Cuando el pulso sónico incide en un objeto, es reflejado por este y regresa de nuevo al sensor de ultrasonido. La sonda ultrasónica calcula de manera interna la distancia hasta el objetivo, mientras que mide el tiempo entre el envío y la recepción del pulso sónico.
 

Diferentes salidas de conmutación

A través de dos salidas de conmutación digitales independientes se pueden detectar dos posiciones (sensor de posición) o niveles de llenado (sensor de nivel de llenado). A través de una salida analógica se puede indicar la distancia/valor de medición real, ya sea como corriente (4…20 mA) o como tensión (0…10 V). Este valor también se puede indicar a través de IO-Link. Las salidas de conmutación se pueden configurar como NPN (Low Side), PNP (High Side) o push-pull.

¿Cómo mide el sensor de ultrasonidos la distancia hasta el objeto?

Para determinar la distancia entre el sensor y el objeto, se tiene en cuenta el tiempo. La distancia se calcula con las fórmulas físicas siguientes:
 

Distancia L = ½ × T × C 

Para ello, se tiene en cuenta la distancia L, el tiempo entre las ondas de ultrasonido T enviadas y recibidas y la velocidad del sonido C.

¿Qué modos de funcionamiento tiene un sensor de ultrasonidos?

¿Qué es el modo barrera?

En el modo barrera (también modo común o montaje opuesto), dos sensores de ultrasonidos actúan directamente de emisor y receptor o se asignan a un ángulo. En este modo de funcionamiento, los sensores alcanzan un rango de trabajo superior y una frecuencia de conmutación más elevada.

Ejemplo práctico: Detección de una lámina

¿Qué es el modo de sincronismo?

Los sensores de ultrasonidos en modo de sincronismo emiten sus pulsos sónicos al mismo tiempo (sincrónicos). De ese modo es posible registrar uno o varios objetos sobre una superficie mayor. En una aplicación, pueden funcionar hasta 40 sensores al mismo tiempo en modo de sincronismo.

Ejemplo práctico: Registro de una tabla de madera larga sin desfase (sincronismo)

¿Qué es el modo multiplexor?

En el modo multiplexor, los sensores de ultrasonidos envían sus impulsos alternativamente. Este modo de funcionamiento evita que los sensores próximos entre sí se influyan unos a otros. En el modo multiplexor, pueden funcionar hasta 16 sensores en una misma aplicación.

Ejemplo práctico: se monitoriza el nivel de llenado de una amplia superficie de un líquido en un recipiente

¿Cuál es la diferencia entre los sensores de ultrasonidos, los sensores de distancia, los sensores réflex y los sensores de horquilla?


El experto en ultrasonidos de wenglor, Dominik Jeßberger, conoce la diferencia:
 

“A los sensores de distancia réflex también se les denomina sensores réflex de ultrasonidos, sensores de proximidad o sensores de distancia ultrasónicos. En función del sector, se utilizan distintos términos. En última instancia, estos productos sirven para medir o controlar la distancia, verificar los niveles de llenado o contabilizar o detectar objetos. 

Solo los sensores en horquilla por ultrasonido sirven para detectar etiquetas debido a su estructura: disponen de un ancho de horquilla extraordinariamente pequeño, un emisor y un receptor, así como una frecuencia sonora mejorada.”


 

¿Qué es un cono sónico?

El cono sónico determina la zona en la que los sensores ultrasónicos pueden detectar los objetos de forma segura. En los sensores de wenglor, los conos sónicos se pueden ajustar dependiendo del caso de aplicación. La imagen muestra el cono sónico ajustable del sensor de distancia UMS123U035.

¿Qué es el ángulo de abertura?

El parámetro α define el ángulo de abertura del cono sónico que emite el sensor ultrasónico.

La estructura de la superficie del objeto que se va a medir no influye en el resultado de medición. De ahí que puedan detectarse mercancías a granel sin forma definida, láminas punzonadas con orificios u objetos pese a sus saltos y movimientos. Por ello, en las superficies sin forma definida, el ángulo de abertura es especialmente amplio, mientras que en las superficies más pequeñas, el ángulo de abertura se ajusta para que sea más estrecho.

¿Qué ocurre cuando el cono sónico supera en tamaño al objeto?

Para que el sensor de ultrasonidos pueda medir el tiempo entre la señal de emisión y la señal de recepción, el objeto que hay que detectar debe reflejar suficiente sonido. Cuanto menor sea la superficie del objeto de medición, menor será el sonido que se refleje. Si el objeto es demasiado pequeño, no se reflejará suficiente sonido, y el sensor ya no podrá detectar el objeto de medición. Para los objetos de medición pequeños, hay que utilizar sensores con un cono sónico estrecho. Con un haz de sonido enfocado, una gran parte de la energía sónica incide directamente en el objeto. De este modo, el objeto de medición devuelve prácticamente toda la energía sónica y así es percibida por el sensor. En general, no supone ningún problema que el objeto de medición sea más pequeño que el cono sónico. Para el punto de conmutación, el sensor se orienta primero hacia el objeto que hay que detectar. 

Para la detección de objetos muy pequeños, son más indicados los sensores optoelectrónicos con luz láser.

¿Cómo se ve afectado el cono sónico por los accesorios?

El cono sónico de un sensor de ultrasonidos puede verse afectado por la colocación de los accesorios delante de la zona de detección del sensor. Un tubo de sonido (o accesorio de transmisión sonora) sirve para transmitir el sonido y reducir el cono sónico, de manera que sea posible realizar una medición precisa a través de pequeños orificios. Especialmente durante el proceso de llenado en la industria alimentaria y farmacéutica, es necesario realizar mediciones del nivel de llenado en recipientes con orificios estrechos como botellas, cánulas o viales. El accesorio de transmisión sonora permite una ampliación sencilla del sensor de ultrasonidos en el tamaño miniatura 1K, sin modificar el tamaño de montaje (32 × 16 × 12 mm).

¿Qué es el sonido?

El sonido describe oscilaciones mecánicas que se propagan en un medio gaseoso o fluido, en forma de ondas acústicas por el aire como ondas sonoras.



¿Qué es el ultrasonido?

Ultrasonido se refiere al sonido con una frecuencia entre 20 kHz y 1 GHz (frecuencia de ultrasonidos). El ultrasonido se encuentra por encima del umbral de audición humana y, por tanto, no puede ser escuchado por las personas. En los sistemas de sensores se utilizan normalmente entre 40 kHz y 400 kHz.

¿Qué es la frecuencia de ultrasonidos?

La frecuencia especifica el número total de oscilaciones por segundo. Se mide en hercios. Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la resolución de la medición obtenida. Cuanto menor es la frecuencia, mayor es el alcance posible.


¿Es posible desviar el cono ultrasónico?

Es posible desviar las ondas de ultrasonidos con otro objeto. Este objeto debe presentar una superficie dura y plana que transmita bien la señal. Es importante asegurarse de que solo se produzca una desviación. Varias desviaciones dan lugar a una disminución significativa del alcance de las ondas sonoras. Para asegurarse de que no hay un exceso de suciedad en la zona de detección, puede utilizarse un deflector (p. ej., Z0024).

¿Qué es un oscilador en un sensor ultrasónico?

En un sensor de ultrasonidos, se denomina oscilador, zona de detección, convertidor de cerámica o transductor al área del sensor en la que se genera la señal. Puesto que esta superficie vibra, el sensor es resistente a cierto grado de contaminación: la suciedad no se adhiere al oscilador, sino que se despega con ligeros movimientos.

Ventajas de los sensores de ultrasonidos

Supresión de fondo excepcional

Puesto que la distancia se determina mediante ondas de ultrasonidos, el fondo sobre el que se encuentra el objeto es prácticamente irrelevante.

Se detectan prácticamente todos los materiales

Todos los materiales que reflejen el sonido pueden detectarse. El material duro refleja especialmente bien la energía de impulsos. En este caso, los colores, las formas o la transparencia no tienen ninguna influencia. De este modo, además de la madera, el plástico y el metal, también se detectan láminas finas o vidrio.

Gran amplitud de distancias

Los sensores de ultrasonidos de wenglor detectan objetos muy cercanos (3 cm) y hasta a seis metros de distancia.

Resistentes a la influencia de perturbaciones

La suciedad, la niebla y el polvo apenas afectan al funcionamiento de los sensores.

¿Qué objetos detectan los sensores de ultrasonidos?

Los sensores de distancia de ultrasonido miden las distancias con exactitud, independientemente del material, la superficie, el color o la transparencia.

Se detectan prácticamente todos los objetos

Los objetos semitransparentes o completamente transparentes como el vidrio o los líquidos reflejan las ondas de ultrasonidos. Los objetos granulados, en polvo o brillantes se detectan de forma muy fiable.

Resistentes al polvo, la niebla y la suciedad

En la detección de objetos mediante ultrasonidos, la suciedad, el polvo, el humo o la niebla no tienen ninguna influencia.

Detección de formas complejas

En los controles de presencia, los ultrasonidos detectan de forma fiable objetos con formas complejas como las rejillas o los muelles.

¿Qué objetos no pueden detectar de forma óptima los sensores de ultrasonidos?

 
  • Los materiales blandos como la lana, la tela, la gomaespuma o el fieltro absorben el sonido o lo reflejan de forma difusa. De modo que un sensor de ultrasonidos mide a través del material blando y detecta la base dura (p. ej., la mesa situada detrás).
  • Los objetos con una temperatura extremadamente elevada hacen que el eco no alcance el cabezal del sensor o lo haga solo de forma difusa.
  • Los factores ambientales como las turbulencias del aire pueden afectar a la calidad del eco y, por lo tanto, a las mediciones. La influencia de la temperatura ambiente queda anulada mediante la compensación de temperatura.

Sectores e industrias donde se utilizan los sensores de ultrasonidos

En la industria de las bebidas, es necesario detectar objetos como botellas, latas y envases. Los sensores de ultrasonidos son ideales para detectar los objetos de vidrio, aluminio o PET independientemente de su forma, color, posición, superficie y tamaño. En las máquinas de devolución de envases, hay instalado un sensor de distancia por ultrasonidos resistente a la contaminación con un cono sónico amplio, que también detecta de forma segura los objetos pese a sus saltos y movimientos. El fondo queda completamente oculto. 
Cuando se utilizan para detectar y controlar el nivel de llenado en las plantas embotelladoras, los sensores de ultrasonidos también funcionan de forma segura para el proceso. 
Hoy en día los requisitos en la fabricación de maquinaria son variados. Por eso, las máquinas individuales o celdas de fabricación automatizadas deben cumplir de forma segura y rápida unos requisitos de producción exigentes y diferentes necesidades de aplicación. Los sensores de ultrasonidos garantizan la detección de todo tipo de superficies, materiales, formas y colores gracias a su principio de funcionamiento. Los sensores de ultrasonidos son verdaderamente versátiles: Son ideales para la detección de objetos transparentes, brillantes y oscuros, superficies reflectantes y materiales de todo tipo, ya sean sólidos o líquidos, rugosos o lisos, porosos o transparentes. La estructura de la superficie no influye en el resultado de la medición. Las condiciones ambientales, como la presencia de polvo, vapor, contaminación o la influencia de la luz externa, no interfieren con los sensores de ultrasonidos.
Los retos de la industria electrónica son la flexibilidad de las líneas de producción y la reducción de los tiempos de parada. Los sensores de ultrasonidos modernos funcionan de forma rápida y fiable.
Un sensor de ultrasonidos con un gran cono de sonido detecta las planchas laminadas, perforadas y estampadas, independientemente de su color, transparencia y superficie. 
En la industria de la automoción, los sensores de ultrasonidos ayudan a detectar objetos oscuros, transparentes o reflectantes de forma segura. Gracias a su principio de funcionamiento y al cono sónico, detectan objetos con las más diversas formas y características de reflexión. Su resistencia al polvo y la contaminación les permite funcionar de manera muy eficiente y fiable. De esta forma, en la producción de automóviles se transportan de forma fiable discos de vidrio transparentes. Del mismo modo, la detección de objetos de plástico irregulares, pequeños o negros representa un reto al que los sensores de ultrasonidos se enfrentan sin esfuerzo. 
Los sensores de ultrasonidos son especialmente adecuados para el uso en entornos industriales exigentes como la industria de la impresión. Su resistencia al polvo y la contaminación les permite funcionar de manera muy eficiente y fiable. 
Los sensores en horquilla por ultrasonidos detectan etiquetas de cualquier material portante independientemente del color, la transparencia y las características de la superficie.
Gracias a su principio de funcionamiento, son ideales para el reconocimiento de etiquetas de forma segura y sin contacto. 
Las botellas de vidrio presentan diferentes formas, colores y transparencia. Los sensores de ultrasonidos evalúan el sonido reflejado por un objeto. De este modo, detectan casi cualquier objeto, independientemente del material y de su naturaleza. Los sensores de ultrasonidos permiten un uso flexible en las más diversas aplicaciones con vidrios y superficies reflectantes, brillantes, oscuras o transparentes. 

Posibilidades de uso de los sensores de ultrasonidos

Control de presencia

Control de desgarro de láminas

Control del nivel de llenado

Control de holgura

Posicionamiento de robots

Control de la altura de apilamiento

Reconocimiento de etiquetas

Control de posición final

Barreras unidireccionales

Posicionamiento

¿Qué hay que tener en cuenta en el montaje de los sensores de ultrasonidos?

Uso general

  • En el montaje de los sensores réflex de ultrasonidos, hay que evitar los depósitos de suciedad en la zona de detección (transductor).
  • La zona de detección (oscilador) del sensor debe quedar libre.
  • Es necesario proteger el producto frente a las influencias mecánicas.
  • Asegurarse de que el sensor esté montado mecánicamente fijo.

La imagen muestra el montaje óptimo de un sensor de ultrasonidos. Con objetos muy duros y lisos, el ángulo entre el eje del sonido y la superficie del objeto debe situarse a 90° ± 3°. En la mayoría de superficies del objeto, el ángulo puede ser mayor.

Influencia de agentes externos

Las corrientes de aire como el viento, corrientes de aire o el aire comprimido pueden afectar a la medición de los sensores de ultrasonidos en determinadas circunstancias. Con los sensores de ultrasonidos modernos, ya no es necesario considerar estos efectos perjudiciales específicos en los entornos industriales convencionales. ​​​​​

¿Es posible escuchar los sensores de ultrasonidos?

Los ultrasonidos en sí no son audibles para el oído humano; sin embargo, los sensores de ultrasonidos generan sonidos de baja frecuencia durante el funcionamiento a través de la emisión de paquetes de sonidos. En los sensores de ultrasonidos modernos, la vibración del oscilador es prácticamente inaudible.

¿Qué diferencias existen entre los sensores de ultrasonidos y los sensores ópticos?

Detección de objetos

Los sensores de ultrasonidos se utilizan para registrar ondas de sonido, mientras que los sensores ópticos normalmente funcionan con luz infrarroja, luz roja, luz azul o luz láser. Existe una diferencia decisiva en el tamaño del área de consulta. Para elegir el sensor más adecuado, hay que tener el cuenta el caso de aplicación específico.

Velocidad de registro

Puesto que la velocidad de la luz es superior a la velocidad del sonido, un sensor óptico realiza mediciones con más rapidez que un sensor de ultrasonidos.

Ejemplo ilustrativo: Detección de una chapa perforada con un sensor optoelectrónico y con un sensor de ultrasonidos

En la detección de planchas como las chapas perforadas, las cajas de rejilla o los circuitos impresos, los sensores optoelectrónicos se comportan de manera distinta a los sensores de ultrasonidos. Puesto que un sensor optoelectrónico mide con un punto de luz preciso, en esta aplicación se activa en todos los orificios. El cono sónico de un sensor de ultrasonidos abarca una gran superficie; en esta aplicación esto supone la detección integral no solo de los orificios, sino del producto.
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