Sensores, actuadores y transductores
Una máquina automática necesita saber —dónde está la pieza, a qué temperatura, cuánta presión hay— y necesita hacer. Los sensores son sus sentidos y los actuadores sus músculos; el control, que ya se vio, es lo que va en el medio.
01Vocabulario y características
| Término | Qué significa |
|---|---|
| Transductor | Convierte una magnitud física en otra, generalmente eléctrica. |
| Sensor | El transductor más su acondicionamiento: entrega una señal utilizable. |
| Detector | Sensor de salida todo-nada: hay pieza o no hay pieza. |
| Rango | Entre qué valores mide. Fuera de él, la lectura no significa nada. |
| Resolución | El mínimo cambio que distingue. |
| Exactitud | Cuánto se aparta del valor verdadero. No es lo mismo que resolución. |
| Repetibilidad | Si mide lo mismo ante la misma situación. En automatización suele importar más que la exactitud. |
| Histéresis | La diferencia entre el punto de activación y el de desactivación. Evita el castañeteo. |
| Tiempo de respuesta | Cuánto tarda en reflejar el cambio. Limita la velocidad de la máquina. |
Un detector que siempre activa 2 mm antes de lo esperado no es un problema: se corrige la posición del soporte una vez y listo. Uno que activa a veces a 4 mm y a veces a 6 mm es inservible, aunque en promedio esté perfecto. En una máquina, lo que hay que exigirle a un sensor es que haga siempre lo mismo.
02Detectores de presencia
| Detector | Detecta | Alcance típico | Cuidados |
|---|---|---|---|
| Inductivo | Sólo metales | 2 a 15 mm | El alcance nominal es para acero: con aluminio o bronce se reduce a un tercio o la mitad. Inmune a suciedad y agua. |
| Capacitivo | Casi todo: metal, plástico, líquidos, granos | 3 a 25 mm | Detecta a través de paredes no metálicas: sirve para ver nivel dentro de un tanque. Sensible a humedad y suciedad. |
| Óptico de barrera | Cualquier objeto opaco | Hasta 50 m | Emisor y receptor enfrentados: es el más confiable y el de mayor alcance, pero hay que cablear los dos lados. |
| Óptico réflex | Objetos opacos | Hasta 10 m | Usa un espejo prismático. Un objeto muy brillante puede engañarlo. |
| Óptico difuso | Objetos según su color | 10 cm a 2 m | Todo en un cuerpo. El alcance depende del color y del brillo del objeto: lo negro y mate casi no refleja. |
| Ultrasónico | Cualquier material, incluso transparente | 10 cm a 6 m | No lo afecta el color. Sí lo afectan el viento, la temperatura y las superficies blandas que absorben el sonido. |
| Magnético (reed o Hall) | Imanes | mm a cm | El clásico detector de posición del vástago de un cilindro neumático. |
Cuando la hoja de datos dice «Sn = 8 mm», es con una chapa de acero de tamaño normalizado. Con otros metales hay que multiplicar por el factor de corrección: acero inoxidable ≈ 0,7, bronce y latón ≈ 0,4, aluminio ≈ 0,35, cobre ≈ 0,3. Un detector de 8 mm sobre aluminio detecta a menos de 3 mm, y esa es la causa más común de «el sensor no ve la pieza».
03Cómo se conectan
Casi todos los detectores industriales son de tres hilos: dos de alimentación (24 V y común) y uno de señal.
- PNP: al activarse pone la salida en positivo. Es el estándar en Europa y en la mayoría de los PLC: la entrada es «sumidero».
- NPN: al activarse pone la salida en común. Habitual en equipos asiáticos.
No son intercambiables: un sensor NPN en una entrada preparada para PNP simplemente no funciona, aunque no se rompa nada.
Normal abierto conduce al detectar; normal cerrado conduce cuando no detecta.
En seguridad se usa siempre NC: si el cable se corta o el sensor se rompe, el sistema se comporta como si el objeto no estuviera, que es la condición segura. Es el mismo criterio del pulsador de paro visto en instalaciones eléctricas.
- Es una corriente, así que la caída en el cable no la afecta: se puede llevar a cientos de metros sin error.
- El cero está en 4 mA, no en cero: si la corriente cae a 0 mA, el sistema sabe que el cable se cortó o el sensor murió. Eso se llama cero vivo y es su gran ventaja frente a 0-10 V.
- Se convierte a tensión con una resistencia: con 250 Ω, los 4-20 mA se transforman en 1-5 V, listos para el conversor A/D.
- El 0-10 V es más simple y barato, pero pierde exactitud con la distancia y no distingue «cero real» de «cable cortado».
Un transmisor de presión de 0 a 10 bar entrega 4-20 mA, leído con 250 Ω y un A/D de 10 bits con referencia de 5 V.
- 4 mA × 250 Ω = 1,0 V → 205 cuentas. 20 mA × 250 = 5,0 V → 1023 cuentas.
- El rango útil son 1023 − 205 = 818 cuentas para 10 bar: 0,012 bar por cuenta.
- Si la lectura cae por debajo de 205 cuentas, no es «menos de cero bar»: es falla. El programa debe detectarlo y avisar.
04Posición, velocidad y aceleración
| Sensor | Qué entrega | Nota |
|---|---|---|
| Potenciómetro | Tensión proporcional a la posición | Barato y absoluto, pero se desgasta y tiene rango limitado. |
| Encoder incremental | Pulsos A, B y Z | Cuenta pulsos: si se corta la energía, pierde la referencia y hay que volver al punto cero. Con los dos canales y los cuatro flancos se cuadruplica la resolución. |
| Encoder absoluto | Un código por posición | Sabe dónde está apenas se enciende. Más caro; se comunica por bus. |
| Resolver | Señales senoidales | Muy robusto: soporta temperatura, vibración y suciedad. Motores industriales exigentes. |
| Tacogenerador | Tensión proporcional a la velocidad | Analógico y simple. Hoy suele reemplazarse por el conteo de pulsos del encoder. |
| Acelerómetro MEMS | Aceleración en uno a tres ejes | Vibración de máquinas, inclinación, detección de golpes. Es el mismo sensor que traen los celulares. |
Encoder de 1000 pulsos por vuelta montado en un eje con un piñón que avanza 50 mm por vuelta:
- Con un solo canal: 50/1000 = 0,05 mm por pulso.
- Contando los cuatro flancos de A y B: 4000 cuentas por vuelta → 0,0125 mm.
- Girando a 3000 rpm, la frecuencia de pulsos es 1000 × 3000/60 = 50 kHz; contando por cuadratura, 200 kHz. El contador del microcontrolador tiene que poder con eso: es la razón por la que muchos micros traen entradas de encoder por hardware.
05Actuadores
| Tecnología | Fuerza | Control | Cuándo se elige |
|---|---|---|---|
| Eléctrico motores, servos, paso a paso | Media | Excelente | Cuando hace falta posicionar con exactitud, regular velocidad o registrar lo que pasó. |
| Solenoide | Media, recorrido corto | Todo-nada | Válvulas, trabas, golpeadores. Simple y rápido. |
| Neumático | Alta | Todo-nada, o proporcional con válvulas caras | Movimientos repetitivos rápidos, ambientes con riesgo de chispa, limpieza. Barato de instalar si ya hay aire comprimido. |
| Hidráulico | Muy alta | Proporcional | Prensas, elevadores, maquinaria pesada. Presiones de cientos de bar: peligroso y sucio si hay pérdidas. |
- Cilindro simple efecto: el aire empuja en un sentido y un resorte devuelve. Doble efecto: el aire actúa en los dos sentidos y es el más usado.
- Electroválvula 5/2: cinco vías y dos posiciones, la válvula típica para gobernar un cilindro de doble efecto.
- Reguladores de caudal en el escape para ajustar la velocidad: nunca en la entrada, o el movimiento sale a tirones.
- La fuerza es presión × área: un cilindro de 32 mm de diámetro a 6 bar empuja 6 × 105 Pa × 8,04 × 10−4 m² ≈ 482 N, unos 49 kgf.
- Cada cilindro lleva detectores magnéticos en sus extremos: son las entradas que le dicen al control que el movimiento terminó.
06En el laboratorio
Medir con calibre a qué distancia activa un detector inductivo con chapa de acero, de aluminio y de bronce, y con una pieza más chica que la normalizada. Comparar con el dato de catálogo y calcular el factor de reducción de cada material.
Cablear los cuatro casos con un LED y una resistencia, y verificar con el multímetro qué tensión aparece en el hilo de señal en cada estado. Después conectar un sensor NPN a una entrada configurada para PNP y comprobar que no funciona, sin que se rompa nada.
Armar el lazo con un transmisor y una resistencia de 250 Ω. Medir la corriente y la tensión para varios valores de la magnitud. Después agregar 100 m de cable (un carretel) y volver a medir: la corriente no cambia. Repetir el experimento con una señal de 0-10 V y comparar el error.
Con un encoder incremental y el osciloscopio de dos canales, ver A y B girando en un sentido y en el otro: la relación de fase se invierte. Contar pulsos con un microcontrolador y mostrar posición y sentido. Cortar y devolver la alimentación: la cuenta se pierde, y ahí se entiende para qué existe la búsqueda de referencia.
07Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| El inductivo no detecta la pieza | La pieza es de aluminio o bronce, o más chica que la normalizada: el alcance real es mucho menor. |
| El sensor no da señal aunque enciende su LED | Salida PNP conectada a una entrada NPN o al revés. |
| El detector difuso ve unas piezas y otras no | Depende del color y del brillo. Con piezas oscuras hay que pasar a barrera o réflex. |
| El capacitivo se activa solo | Humedad, suciedad o condensación sobre la cara activa. Reajustar la sensibilidad y proteger. |
| La señal analógica varía al alejar el sensor | Es 0-10 V y la caída en el cable la afecta. Pasar a 4-20 mA. |
| El sistema no distingue «cero» de «cable cortado» | Falta el cero vivo: con 4-20 mA, 0 mA es siempre falla. |
| El encoder pierde la posición cada vez que se corta la luz | Es incremental: hay que hacer búsqueda de referencia, o usar uno absoluto. |
| Dos detectores inductivos cercanos se afectan entre sí | Interferencia mutua: respetar la distancia mínima o usar versiones blindadas. |
| El cilindro neumático llega a golpes | Reguladores de caudal mal puestos: van en el escape, no en la entrada. Y faltan amortiguadores de fin de carrera. |
08Autoevaluación
¿Por qué en automatización importa más la repetibilidad que la exactitud?
Porque un desvío constante se corrige una sola vez ajustando la posición o la calibración, mientras que una dispersión aleatoria hace que la máquina se comporte distinto en cada ciclo y no hay ajuste que lo arregle.
¿Qué detecta un sensor inductivo y qué lo diferencia del capacitivo?
El inductivo detecta sólo metales y es muy inmune a la suciedad. El capacitivo detecta casi cualquier material —incluso líquidos y granos, a través de una pared no metálica— pero le afectan la humedad y la suciedad.
Un inductivo de 8 mm detecta aluminio. ¿A qué distancia?
Con un factor de reducción de aproximadamente 0,35: menos de 3 mm. El valor de catálogo corresponde a una chapa de acero normalizada.
¿Cuál es la ventaja del cero vivo de la señal de 4 a 20 mA?
Que 0 mA no es un valor válido: si aparece, es cable cortado o sensor muerto. Con 0-10 V, un cero real y una falla se ven exactamente igual.
¿Con qué resistencia se convierten 4-20 mA en 1-5 V?
Con 250 Ω: 0,004 × 250 = 1 V y 0,020 × 250 = 5 V.
¿Por qué los sensores de seguridad se usan normalmente cerrados?
Porque ante un cable cortado o un sensor fallado, el circuito queda abierto y el sistema toma la condición segura: se detiene. Con NA, una falla se confundiría con «todo en orden».
¿Cómo determina un encoder incremental el sentido de giro?
Con dos canales desfasados 90°: si A cambia antes que B, gira en un sentido; si cambia después, en el otro. Contando los cuatro flancos se cuadruplica además la resolución.
Un encoder de 500 pulsos/vuelta en un eje que avanza 40 mm por vuelta: ¿resolución en cuadratura?
2000 cuentas por vuelta: 40/2000 = 0,02 mm por cuenta.
¿Qué diferencia hay entre un encoder incremental y uno absoluto?
El incremental cuenta pulsos y pierde la referencia al cortarse la alimentación; el absoluto entrega un código distinto por posición y sabe dónde está apenas se enciende.
¿Qué fuerza hace un cilindro neumático de 32 mm a 6 bar?
Área = π × 0,016² = 8,04 × 10−4 m². F = 6 × 105 × 8,04 × 10−4 ≈ 482 N, unos 49 kgf. En el retroceso es menor, porque el vástago ocupa parte del área.