Sensores ópticos

Sensores ópticos

1. Foto Celdas

   • Definición: Dispositivos que varían su resistencia o voltaje de salida según la luz incidente.
     • Tipos
       • Celdas fotoconductivas: Varían la resistencia. Celdas fotovoltaicas: Varían el voltaje de salida; ofrecen mejor linealidad y rapidez, pero requieren mayor amplificación.
         • Aplicaciones
           • Detección: Presencia o ausencia de objetos. Medición: Grado de translucidez o luminiscencia; indicadores de densidad, temperatura, humedad, entre otros.
             • Funcionamiento de las Fotorresistencias (LDR)
               • Principio: Variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor por radiación óptica.
                 • Conductividad: Depende del número de portadores que saltan de la banda de valencia a la de conducción.
                   • Condiciones: Resistencia máxima en oscuridad (aprox. 1 MO). Resistencia disminuye con el aumento de luz (rango de 10,000 a 1).
                     • Materiales y Compuestos
                       • Zonas de longitud de onda: Visible (0.38 a 0.75 µm): Compuestos de cadmio (SCd, SeCd, TeCd). Infrarrojo cercano (1.4 a 3 µm): Compuestos de plomo (SPb, SePb, TePb). Infrarrojo medio (3 a 14 µm) y lejano (hasta 1 mm): Compuestos de indio (SbIn, AsIn), telurio, aleaciones de telurio, cadmio y mercurio, germanio y silicio dopados.

2. Materiales Semiconductores

   • Empleo común: Usados en la fabricación de sensores como: Galgas extensiométricas Termistores Magnetorresistencias Dispositivos de efecto Hall Fotorresistencias Resistencias detectoras de gases
     • Variación de conductividad: Dependiente de factores como:
       • Temperatura Luz Deformaciones mecánicas Campos eléctricos y magnéticos Absorción de sustancias
         • Sensores basados en Uniones PN
           • Estructura: Combinación de materiales semiconductores tipo P y N. Ventajas: Fabricación a gran escala Sencillos y económicos Integración de funciones de acondicionamiento y procesamiento de señales
             • Tipos de Sensores Ópticos
               • Celdas Fotovoltaicas:
                 • Generan potencial eléctrico al ser iluminadas. Funcionan mediante la formación de una barrera de potencial en una unión PN. Dependientes del efecto fotovoltaico (generación de voltaje por radiación). Tipos: metal/semiconductor, selenio, silicio. Voltaje de salida: 0.27 a 0.6 V.
                   • Fotodiodos
                     • Diodos de unión PN de alta velocidad y eficiencia. Diseñados para baja figura de ruido y baja corriente de fuga. Polarización inversa para control de la anchura de la región desierta. Creación de pares electrón-hueco al incidir luz.
                       • Fototransistores
                         • Combinación de fotodiodos y transistores NPN o Darlington. La corriente de base es producida por fotones en la unión base-colector. Mayor corriente de salida que fotodiodos para el mismo nivel de luz. Menos rápidos y ganancia variable, menos usados para medición de luz. Interesantes para aplicaciones de conmutación.

3. Luz Láser

   • Definición: Radiación óptica altamente direccional, monocromática y coherente.
     • Producción: Proceso de bombeo o emisión estimulada. Excitación de electrones a niveles energéticos altos. Emisión de fotones coordinados en fase, dirección y longitud de onda.
       • Usos Industriales
         • Aplicaciones: Medición de distancias. Determinación de coordenadas. Control de uniformidad de superficies. Detección de moléculas de agua en líquidos.
           • Tecnología Láser en Sensores
             • Tipos de operación: Reflexión: Sensor emite un haz que se refleja en el objeto. Triangulación: Mide la distancia del haz reflejado respecto a un punto de referencia.
               • Sensores de Triangulación
                 • Funcionamiento: Proyección de un haz de luz y medición del desplazamiento del haz reflejado. Cambio en la posición del punto reflejado indica variaciones en altura del objetivo.
                   • Subcomponentes: Transmisor: Diodo láser de 670 nm proyecta un haz visible. Receptor/Detector: Recoge luz reflejada y la envía al procesador.
                     • Tipos de Sensores de Triangulación
                       • Difusos: Superficies irregulares producen reflexiones dispersas. Especulares: Superficies espejo producen patrones de reflexión predecibles.

4. Sensores Basados en Fibras Ópticas

   • Definición: Conductores ópticos delgados que propagan luz.
     • Estructura
       • Núcleo: Parte central (plástico o vidrio) donde se propaga la luz. Corteza: Recubrimiento que tiene un índice de refracción distinto al núcleo. Chaqueta Externa: Protección de plástico o caucho.
         • Aplicaciones
           • Utilizadas principalmente en sistemas de comunicaciones, pero también como sensores de magnitudes físicas y químicas. Ejemplos de aplicaciones incluyen la detección de fugas y niveles de líquidos.
             • Características de Sensores de Fibra Óptica
               • Ventajas: Altamente sensibles y versátiles. Inmunidad a interferencia electromagnética (EMI). Operan a altas temperaturas y en condiciones ambientales difíciles. Flexibilidad y robustez mecánica. Compatibilidad con sistemas ópticos de telemetría. Desventajas: Alto costo.
                 • Tipos de Sensores de Fibra Óptica
                   • Sensores Extrínsecos
                     • La fibra transporta luz modificada en un elemento externo. Operan por reflexión, transmisión o fluorescencia. Ejemplo: Sensor de fuga de líquidos que utiliza un LED y un fotodetector.
                       • Sensores Intrínsecos
                         • La magnitud a medir afecta las características ópticas de la fibra. Cambios en intensidad o fase de la señal de luz. Ejemplo: Interferómetro de fibra óptica (FFPI) para medir presión. Consiste en dos espejos internos en un tramo de fibra. La luz de un láser semiconductor se acopla en la fibra.

5. Sensores de Imagen

   • Definición: Dispositivos que capturan imágenes del mundo real y producen réplicas eléctricas.
     • Tecnología Principal: Dispositivos de Carga Acoplada (CCD, Charge Coupled Devices).
       • Funcionamiento de un CCD
         • Exposición
           • La luz incide en el arreglo de píxeles. Fotones se convierten en pares electrón-hueco. La cantidad de electrones acumulados depende del nivel de luz, tiempo de exposición y longitud de onda.
             • Transferencia de Carga:
               • La carga almacenada se desplaza en el sustrato de silicio hacia el amplificador de salida. El movimiento de carga en una fila o columna afecta a todos los píxeles de esa fila o columna.
                 • Conversión de Carga a Voltaje
                   • La carga desplazada se convierte en un voltaje equivalente. La señal obtenida representa la imagen original y es amplificada para su procesamiento.
                     • Tipos de CCD
                       • FF (Full Frame)
                         • Utiliza fotocondensadores MOS. Proyecta imágenes en un arreglo paralelo y transfiere fila por fila a un registro serial.
                           • FT (Frame Transfer)
                             • Posee un registro de almacenamiento separado no sensible a la luz. Desplaza rápidamente la escena capturada para agilizar detección y lectura.
                               • IL (Interline)
                                 • Separa funciones de detección y lectura utilizando fotodiodos aislados. La carga se transfiere a un CCD asociado para el procesamiento.

6. Sistemas de Visión

   • Definición: Herramientas integrales de control de calidad que utilizan cámaras con sensores de imagen para inspección visual y control de procesos de fabricación.
     • Aplicaciones Comunes
       • Inspección de partes automotrices. Verificación de fechas de expiración en empaques de alimentos. Inspección de códigos de barras. Verificación de logos de compañías. Eliminación de productos defectuosos.
         • Componentes de un Sistema de Visión
           • Fuente de Señal de Entrada
             • Fuente de Iluminación
               • Sensor de Partes
                 • Computadora (PC)
                   • Tarjeta de Captura de Imágenes
                     • Tarjeta de Interfaz I/O
                       • Tipos
                         • Monocromáticos
                           • Cromáticos
                             • Infrarrojos (IRMV)