Guía de Sensores de Distancia

Trabajar en un proyecto que interactúa con objetos a su alrededor generalmente requiere que selecciones un sensor de distancia o de detección de rango. Por ejemplo, podrías usar sensores de distancia para la detección de presencia humana, robótica o aplicaciones industriales. La aplicación y el entorno en el que se desplegará el proyecto pueden ser un factor de guía significativo para decidir qué sensor mirar, ya que algunos tendrán un rendimiento superior sobre otras opciones en algunas condiciones.

Tipos de Sensores

Dependiendo de tu aplicación, generalmente estarías eligiendo de tres clases principales para sensores de distancia:

• Ópticos
• Electromagnéticos
• Acústicos

Sensores Ópticos

Los sensores ópticos generalmente funcionan utilizando un enfoque de tiempo de vuelo, midiendo cuánto tiempo tarda un láser u otra fuente de luz en alcanzar el objetivo. Algunos sensores ópticos funcionan puramente en base a la cantidad de luz reflejada. Los sensores ópticos funcionan mejor en entornos más oscuros en lugar de bajo la luz directa del sol, ya que es más difícil para un sensor capturar la luz que está emitiendo contra la luz de fondo. Entre ellos, los sensores de reflectancia generalmente funcionan mejor con objetos blancos o de colores claros, y el rango detectado puede variar significativamente con el color del objeto al que está dirigido.

Sensores Electromagnéticos

Inductivos

Hay una amplia variedad de métodos de detección utilizados en los sensores electromagnéticos. En aplicaciones industriales, comúnmente encontrarás sensores de inductancia siendo utilizados para la detección de proximidad. A medida que un objeto metálico se acerca, desafina la bobina del sensor, lo cual puede ser utilizado para medir la proximidad, aunque típicamente, con un rango muy limitado.

Capacitivos

Los sensores capacitivos probablemente sean el sensor de distancia con el que más interactúas. Cada vez que interactúas con la pantalla táctil de tu teléfono, estás utilizando un sensor de distancia capacitivo. Los sensores táctiles/proximidad capacitivos son sensores de muy corto alcance que carecen de la capacidad de medir distancias exactas. No encontrarás un sensor de distancia capacitivo preconstruido como lo harías con otros tipos de sensores, en cambio, encontrarás un CI que necesitas conectar a un par de componentes y a una placa (traza de PCB, relleno de polígono o externo) que actuará como el capacitor, dependiendo del rango de detección que requieras.

Radar

El uso de ondas de radio en sensores basados en radar puede proporcionarte rangos muy largos y mediciones increíblemente precisas. Cuando se menciona el radar, vienen a la mente instalaciones de radar de millones de dólares para el control del clima, control de tráfico aéreo, o similares, con enormes matrices de antenas o platos en una cúpula, pero puedes obtener un sensor de radar completo en un paquete de tamaño y precio similar a los otros sensores discutidos en esta guía.

Sensores Acústicos

Los sensores acústicos, como el sonar, operan casi exclusivamente en el rango de ultrasonidos. Si operaran en un rango que los humanos pudieran escuchar, estarían zumbando constantemente, volviéndonos locos al trabajar con ellos. Los sensores de ultrasonidos con los que probablemente estés más familiarizado son los asistentes de estacionamiento de los coches que te pitan cuando el coche piensa que estás demasiado cerca de algo. Los principales inconvenientes de los sensores ultrasónicos son el rendimiento reducido en condiciones de viento y la capacidad limitada de usar múltiples sensores que utilicen la misma frecuencia al mismo tiempo. Además, el objeto que se detecta necesita estar aproximadamente perpendicular al sensor.

Consideraciones para la Selección

Cuando selecciones un sensor de distancia, hay algunos criterios que necesitarás considerar:

• Rango requerido
• Entorno
• Campo de visión
• Carcasa/Enclosure
• Protocolo/Interfaz

Lo más probable es que tu consideración principal sea el rango de detección, tanto mínimo como máximo. Algunas aplicaciones, como el sensor de proximidad que apaga la pantalla de tu teléfono durante las llamadas, pueden simplemente necesitar saber que algo está dentro del rango, mientras que otras podrían querer conocer una distancia precisa. Encontrarás sensores ópticos que pueden medir desde aproximadamente cinco milímetros hasta alrededor de 40 metros, ofreciendo el rango más diverso de posibilidades en cualquiera de las tecnologías posibles. Los sensores capacitivos e inductivos están típicamente limitados a decenas de milímetros y los sensores ultrasónicos operan desde decenas de milímetros hasta un par de metros.

Como se mencionó anteriormente, algunos sensores tienen limitaciones ambientales más allá de los rangos de temperatura típicos que se aplican a la mayoría de los componentes electrónicos. Principalmente, esto se aplica a los sensores ópticos, que pueden verse afectados por la luz ambiental brillante o por la luz dirigida al sensor en sí.

La mayoría de los sensores tienen un rango de detección en forma de cono, lo cual puede no ser un problema para tu aplicación, pero debe tenerse en cuenta. Típicamente, un sensor de mayor alcance tiene un campo de visión más estrecho. Como la mayoría de los patrones de radiación electromagnética, el alcance máximo es típicamente directamente frente al sensor, con una disminución cuanto más te acercas al campo de visión máximo. Si estás buscando detección de presencia en un área amplia alrededor de tu dispositivo o dentro de un área muy estrecha, esto podría ser crítico para tu aplicación.

Rango de detección de Parallax Ping))) (según hoja de datos)

Si el sensor que estás construyendo necesita estar en una placa que esté dentro de una carcasa, esto podría influir fuertemente en tu elección. Los sensores ópticos generalmente necesitarán una ventana transparente al infrarrojo para "ver" a través de ella, lo que podría ser muy limitante para el diseño de la carcasa. Los sensores de radar, capacitivos e inductivos necesitan poder emitir ondas electromagnéticas, lo que típicamente significa que no podrás usar metal y tendrás que recurrir a una apertura de plástico o fibra de vidrio de algún tipo. Los sensores de ultrasonido casi siempre necesitan estar completamente expuestos. Aunque algunos tienen cubiertas integradas, probablemente no podrás colocar ningún tipo de carcasa sobre el sensor.

Muchos sensores para la medición de distancia tienen una salida analógica que es ratiométrica o dentro de un rango fijo. Los sensores más modernos utilizan SPI, I2C, o ofrecen una gama de interfaces. Si estás utilizando el sensor para la simple detección de un objeto que entra en su rango, una salida analógica puede ser utilizada con algunos circuitos básicos para generar una interrupción para un microcontrolador en reposo. Por otro lado, los protocolos digitales permiten una detección de distancia más precisa, ya que realizarán la conversión internamente contra una fórmula para la respuesta del dispositivo que es más precisa o compleja de lo que podrías obtener en una hoja de datos o usar en un microcontrolador.

Sugerencias de Componentes

Óptico

ST Microelectronics serie VL53

(hasta 2 metros) (hasta 4 metros)

Los sensores de distancia por reflectancia infrarroja de la serie Sharp GP2Y0A mantuvieron el trono de los sensores ópticos de bajo costo durante muchos años, pero la nueva pieza de ST fácilmente se lo lleva. He usado los sensores Sharp en muchos proyectos, pero estaré usando la serie VL53 para todo lo que hubiera usado los sensores Sharp en el pasado. Estos son sensores pequeños, rentables que funcionan detrás del vidrio, como el que encontrarías en un smartphone, y usan medición de fase en lugar de reflectancia. Como se mencionó anteriormente, la reflectancia es realmente difícil para obtener mediciones precisas, debido al hecho de que un objeto más oscuro tendrá menos reflectancia y por lo tanto parecerá estar más lejos que un objeto blanco a la misma distancia. Al usar el tiempo de vuelo en su lugar, estos sensores son capaces de medir precisamente objetos independientemente de su color o tonalidad haciéndolos mucho más fiables. Como todavía solo pueden funcionar con el láser infrarrojo reflejado del objeto, la luz ambiental brillante que incluye un componente IR (como la luz solar) puede reducir el alcance efectivo de estos sensores.

Estos son muy populares, como verás por el gran número de opciones de placas de desarrollo en los enlaces anteriores. Además, si necesitas detección a muy corto alcance, también está el sensor VL61 que es capaz de leer un máximo de 100 milímetros.

Inductivo

Serie Panasonic GX

La serie Panasonic GX es una serie de interruptores de proximidad inductivos que ofrecen una gama de distancias de conmutación. Prefiero esta serie sobre los sensores chinos baratos y otras marcas occidentales ya que ofrece la superior repetibilidad y precisión necesarias para el equipo industrial. Es más caro que otras alternativas, pero para mis aplicaciones, la precisión es mucho más importante. Podrías usar uno de estos en cualquier cosa relacionada con CNC para el posicionamiento o límites sin contacto, para contar los dientes de un engranaje como medio de codificación, o para nivelar la cama de una impresora 3D.

TI LDC1101

Si no estás buscando un interruptor sin contacto, entonces el TI LDC1101 te permite construir el sensor que necesitas. Conecta una bobina y unos pocos componentes pasivos y puedes detectar rápidamente el tamaño o la distancia de un objeto metálico. También puedes construir codificadores rotativos de muy alta cuenta que funcionan bien en condiciones oleosas o medir micrómetros de desplazamiento para un objeto metálico dentro del campo de inductancia de tu bobina.

Capacitiva

Si tienes un microcontrolador, puedes medir cambios de capacitancia de manera bastante rudimentaria con solo dos pines, una resistencia y una gran área de cobre.

TI FDC1004Q

Si buscas algo más preciso (¡mucho más!) que el método rudimentario, el convertidor de capacitancia a digital de TI es una manera rentable de construir tu propio sensor de proximidad capacitivo. Al igual que con la parte inductiva anterior, esto te permite construir un circuito según los requisitos, usando una placa capacitiva en lugar de una bobina. Con un sensor capacitivo, puedes medir cambios de distancia en micrones, o simplemente el hecho de que un humano esté cerca. Los sensores capacitivos son excelentes para iluminar una pantalla o interfaz cuando un humano se acerca a ella. El sistema de navegación de mi coche hace un gran uso de la detección de proximidad capacitiva mostrando solo los botones de la interfaz de usuario en la parte inferior de la pantalla cuando tu mano está cerca, de lo contrario, el mapa ocupa toda la pantalla.

Radar

Acconeer A111

Descubrí esta joya hace unos meses, y resulta que ha estado en desarrollo durante mucho tiempo y han puesto mucho trabajo en desarrollar una unidad de radar tan pequeña. El rango utilizable está limitado a unos dos metros y una distancia mínima de 60 milímetros, sin embargo, cuenta con una precisión absoluta en milímetros con una precisión relativa mucho menor que eso. Debido a que utiliza radar, puedes ocultarlo detrás de una carcasa de plástico o fibra de vidrio sin ningún signo visible externamente de la presencia de un sensor. Si estás construyendo electrónica portátil o dispositivos interactivos, esta característica permite un aspecto limpio. ¡Este sensor es uno que estoy muy interesado en usar en proyectos próximos!

Ultrasónico

Sensores Maxbotix

La gama de sensores ultrasónicos de Maxbotix ha sido el estándar de la industria durante muchos años por buenas razones. Son tanto fáciles de usar como relativamente precisos, y hay una gama de opciones que ofrecen muchas distancias y campos de visión de detección. Con solo un transceptor ultrasónico, son más fáciles de integrar en un producto que los módulos de doble transceptor ligeramente más baratos como las unidades Parallax Ping.

Existen una amplia variedad de sensores de distancia adecuados para una aún mayor variedad de aplicaciones. Cada uno de ellos tiene sus ventajas y desventajas, y espero que este artículo te haya proporcionado suficiente información como para decidir cuál se adapta mejor a tu aplicación. Si encontraste útil este artículo, siéntete libre de consultar algunos de mis otros artículos en el blog, que discuten otros aspectos de la construcción de productos electrónicos.

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