Tipi di sensori di prossimità: come funzionano e come sceglierli

Da un punto di vista del principio di funzionamento un sensore di prossimità sfrutta le proprietà delle onde elettromagnetiche emettendo o ricevendo segnali nel suo raggio di azione, noto come “portata nominale” (o campo sensibile). In base al ritorno delle onde elettromagnetiche, il sensore è in grado di rilevare o meno gli oggetti che transitano davanti al campo sensibile, trasformando l’onda in un segnale elettrico che apre o chiude un circuito.

I diversi sensori di prossimità, altrimenti detti di presenza, si valutano per due caratteristiche principali: la velocità di commutazione e la distanza nominale.

• La velocità di commutazione indica la rapidità di elaborazione dell’onda riflessa da parte del sensore di prossimità.
• La distanza nominale indica fin dove il sensore di presenza è in grado di rilevare il pezzo (elemento o oggetto) in condizioni ottimali di funzionamento.

Ma in pratica, come funziona un sensore di prossimità? L’apparecchio elettronico emette onde elettromagnetiche che vengono riflesse dal corpo contro cui vanno a scontrarsi. L’apparato ricevente di cui sono dotati questi sensori rileva il ritorno del segnale e permette di misurare la distanza a cui si trova l’oggetto.

I nastri trasportatori dei banchi cassa presenti nei supermercati, i sensori di apertura delle porte scorrevoli dei centri commerciali e le cellule fotoelettriche dei cancelli automatici, sono validi esempi di applicazione pratica dei sensori di presenza.

Appreso in generale come lavorano i sensori di prossimità, vediamo nel dettaglio il funzionamento dei sensori di prossimità capacitivi e il funzionamento dei sensori di prossimità induttivi.

• Sensori di prossimità induttivi: la loro finalità è rilevare la presenza di elementi di tipo conduttivo, cioè di metallo. Il campo sensibile dipende dal metallo da rilevare. Per quanto riguarda il funzionamento si utilizzano due metodi basati sulla generazione di un campo magnetico ad alta frequenza, ad opera di una spira in un circuito di oscillazione. Il primo metodo agisce sull’ampiezza dell’oscillazione, mentre il secondo sul cambiamento nella frequenza.
• Sensori di prossimità capacitivi: hanno la capacità di rilevare oggetti metallici e non metallici, siano essi in forma liquida o solida, in polvere o granulato. Rispetto alla versione precedente, il sensore induttivo utilizza una piastra capacitiva anziché le spire di rilevamento. Li ritroviamo spesso utilizzati nei serbatoi per il rilevamento dei livelli dei liquidi.

Di seguito analizziamo due tipi di sensori di presenza molto utilizzati nelle fabbriche per eseguire compiti relativi alla sicurezza. Si tratta dei sensori di prossimità ottici, utilizzati per rilevare la velocità di movimento di componenti metalliche, e dei sensori di prossimità magnetici.

• Sensori di prossimità ottici: rilevano corpi ed elementi sfruttando la luce visibile o infrarossa. Non importa se l’oggetto da rilevare è magnetico o metallico, perché è sufficiente che ostruisca la luce o la rifletta per poter funzionare.
• Sensori di prossimità magnetici: si attivano quando un pezzo (o parte) ferromagnetico transita vicino al sensore creando una variazione del campo magnetico. I sensori magnetici di prossimità possono essere di tipo attivo o di tipo passivo, come nel caso di un sensore a riluttanza variabile (VR). Vengono usati per misurare parti metalliche in movimento, rilevando posizione e velocità.

Un esempio pratico di sensori ottici di prossimità sono le barriere luminose di sicurezza, utilizzate per proteggere il personale dalle potenziali lesioni che l’eccessivo avvicinamento a un macchinario in funzione potrebbe procurare. Sfruttando i principi della optoelettronica, le barriere luminose monitorano i punti di accesso e il perimetro delle macchine bloccando quest’ultima o emettendo un segnale acustico, nel caso di violazione della sua area di lavoro.

Per capire il funzionamento dei sensori di prossimità ad ultrasuoni prendiamo un tipico sonar utilizzato in marineria. Il trasmettitore del sensore diffonde un impulso ultrasonico (frequenza superiore ai 20.000 Hertz udibili dall’uomo) che ritorna al ricevitore del sensore dopo aver colpito il corpo scelto come bersaglio.

La distanza tra la sorgente e l’oggetto viene calcolata in base al tempo di volo del segnale ultrasonico. Dal momento che il sensore calcola come tempo di volo sia l’andata che il ritorno dell’impulso, si divide per 2. In pratica, se il tempo di volo è di 5 metri la distanza tra il corpo e il sensore sarà di 2,5 metri.

Quando si effettuano misurazioni della distanza con gli ultrasuoni è molto importante rilevare anche la temperatura ambiente e farla rientrare nel calcolo per misurazioni più accurate.

Per quanto riguarda i campi di impiego, i sensori di prossimità ad ultrasuoni sono generalmente conosciuti per il loro uso nei sonar dei sottomarini e delle navi, tuttavia possono essere impiegati per le seguenti attività: assemblaggio accurato di parti, rilevamento delle distanze di veicoli in movimento, misurazione del livello dei liquidi in un serbatoio.

Tra i tipi di sensori di prossimità appena elencati, come scegliere quello più appropriato alle proprie esigenze?

Per capire quale sensore di prossimità dovresti usare, tieni presente le indicazioni che seguono.

• Valuta le proprietà e la natura del materiale o dell’oggetto da rilevare: solido, liquido, materiale metallico o materiale granulare.
• Prendi nota delle dimensioni e della forma dell’oggetto da rilevare.
• Calcola la distanza minima e massima tra il sensore di presenza e il corpo da rilevare.

Ad esempio, per garantire la sicurezza in determinati ambienti di lavoro, i dispositivi optoelettronici come le barriere fotoelettriche rappresentano la scelta più indicata, anche grazie alla capacità di rilevare oggetti a distanze superiori.

Quando risulta necessario rilevare la presenza di elementi metallici a breve distanza, invece, i sensori di prossimità induttivi risultano essere i più indicati allo scopo.

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La guida ti ha condotto alla scoperta dei tipi di sensori di prossimità più utilizzati in ambito industriale e come funzionano. In particolare, abbiamo approfondito il funzionamento dei sensori di prossimità induttivi e capacitivi, dei sensori optoelettronici, come le barriere fotoelettriche, e i principi di funzionamento dei sensori di presenza magnetici e a ultrasuoni.

Hai inoltre imparato quali sono i criteri da seguire per scegliere un sensore di presenza che sia adatto al contesto d’impiego in cui dovrai installarlo.

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