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Sensori di prossimità: come funzionano e come sceglierli

Induttivi, magnetici, capacitivi, a ultrasuoni, ottici: i sensori di prossimità sono diffusi per il monitoraggio delle linee di produzione, per il conteggio e il riconoscimento delle etichette, per il miglioramento della sicurezza degli impianti. Ma come funzionano? A che servono? E in cosa si differenziano?

Cos’è e a che serve un sensore di prossimità

Un sensore di prossimità è un sensore elettrico che serve a rilevare la presenza di oggetti (specie metallici) posti nelle sue vicinanze. La rilevazione avviene sia se l’oggetto viene posto a contatto con il sensore di prossimità, sia a distanza. La distanza di rilevazione viene detta “portata nominale” o “campo sensibile”. I sensori di prossimità possono essere utilizzati per migliorare le manovre di parcheggio o, nell’industria, per ottimizzare gli impianti di illuminazione, per monitorare le linee di produzione, per misurare il livello dei fluidi dall’esterno, per rilevare anomalie in condizioni difficili, per rendere più efficiente il controllo qualità e più sicuro l’accesso agli impianti.

Come funziona un sensore di prossimità

Come tutti i sensori, anche il sensore di prossimità interagisce con il fenomeno da misurare: è proprio questa interazione che causa una variazione della proprietà della grandezza e ne permette la misura. Il sensore di prossimità misura in ingresso la grandezza (es. oscillazione del campo magnetico) e acquisisce l’informazione rilevante per lo strumento terminale (es. un display) a cui è collegato o per i sistemi di regolazione e controllo in cui è inserito.

Nei sistemi IoT, i sensori di prossimità possono essere connessi tra loro tramite fili o reti wireless, ad esempio con la tecnologia LoRaWAN, in cui diventano dei “dispositivi periferici” che dialogano con dei concentratori (gateway) posizionati nell’ambiente. La rete raccoglie i dati dei sensori e li invia in cloud al network server che a sua volta li passa all’application server per renderli disponibili via app o web.

A seconda della tipologia di funzionamento, i sensori di prossimità si differenziano in induttivi, capacitivi, magnetici, a ultrasuoni, fotoelettrici o ottici.

Tipi di sensori di prossimità

Sensori di prossimità induttivi, cosa sono e funzionamento

I sensori di prossimità induttivi sfruttano l’induzione elettromagnetica, ovvero la corrente elettrica indotta che si genera quando, in un circuito chiuso, varia il campo magnetico. Infatti, ogni sensore di prossimità induttivo ha al suo interno: un circuito oscillante, un selettore di segnali e un amplificatore di commutazione.

Il circuito oscillante genera un campo elettromagnetico alternato ad alta frequenza, emesso sulla superficie attiva del sensore: in presenza di un oggetto o un materiale ferromagnetico, il campo varia e l’oggetto si “elettrizza”. Le correnti indotte nell’oggetto abbassano la sua riluttanza, l’opposizione al flusso elettromagnetico: questa variazione è misurabile dal sensore di prossimità che a sua volta, a causa delle correnti indotte, avrà “perso” energia e oscillerà meno (altra variazione misurabile).

Il selettore di segnali converte queste variazioni in un segnale di commutazione univoco: il sensore è così in grado di calcolare sia la presenza che la distanza dall’oggetto-target. Oggetto che, nel caso dei sensori di prossimità induttivi, può essere solo ferromagnetico.

Sensori di prossimità capacitivi, cosa sono e funzionamento

I sensori di prossimità capacitivi prendono il nome dal condensatore (in inglese, capacitor), un componente elettrico composto da due armature, caricate con segno opposto, che immagazzina l’energia potenziale in un campo elettrico.

Semplificando, le due armature generano un campo elettrico: se un’armatura è il sensore, l’eventuale oggetto nelle vicinanze diventa l’altra. La corrente che viene generata cambia la distanza tra le due, una distanza che può essere rilevata e misurata. La misura è più accurata se l’oggetto-target è piatto e parallelo al sensore.

Rispetto ai sensori di prossimità induttivi, i sensori di prossimità capacitivi possono segnalare la presenza di qualsiasi oggetto, non solo ferromagnetico.

Sensori di prossimità magnetici, cosa sono e come funzionano

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I sensori di prossimità magnetici rilevano la presenza e la distanza dell’oggetto da misurare in base al campo generato dal magnete posto sull’oggetto stesso: si basano sul principio dei contatti Reed o sull’effetto Hall.

Un contatto Reed è un interruttore formato da due lamine ferromagnetiche separate e in parte sovrapposte, custodite in un bulbo di vetro riempito di gas inerte: in presenza di un campo magnetico, alle estremità delle lamine si formano poli di segno opposto che tendono ad attrarsi, quindi a chiudere il circuito. I sensori con all’interno un contatto Reed sono usati come base per i sistemi antifurto: si posiziona il sensore sullo stipite di un infisso e un magnete sul suo bordo. Se la porta (o finestra) è chiusa, il circuito resta chiuso; nel caso in cui la porta si aprisse in modo non autorizzato, l’interruzione del circuito magnetico farebbe scattare l’allarme.

Altri sensori di prossimità magnetici, più propriamente trasduttori, funzionano invece con l’effetto Hall, ovvero con la differenza di tensione elettrica che genera un conduttore attraversato da corrente elettrica quando è sottoposto a un campo magnetico.

Sensori di prossimità ad ultrasuoni cosa sono e come funzionano

I sensori di prossimità ad ultrasuoni utilizzano le onde sonore con frequenza superiore ai 20.000 Hz, oltre l’intervallo udibile dall’orecchio umano, per misurare la distanza da un bersaglio specifico e rilevarne quindi la presenza o assenza. In pratica, funzionano sul principio del sonar: il sensore emette un’onda di ultrasuoni ad una specifica frequenza verso l’eventuale target e aspetta il tempo necessario per l’eco di ritorno. Durante questo intervallo, misura la presenza e la distanza. I sensori di prossimità ad ultrasuoni sono spesso dotati di un software che ne programma il settaggio, distanza e campo sensibile compresi.

Sensori di prossimità ottici o fotoelettrici, cosa sono e funzionamento

I sensori di prossimità ottici o fotoelettrici, più propriamente trasduttori, rilevano i raggi luminosi e li trasformano in segnali elettronici. Un sensore di prossimità ottico è composto generalmente da una sorgente luminosa (es. Led) e da un ricevitore (es. fotodiodo): la misurazione avviene quando l’oggetto interrompe o riflette la quantità di luce emessa. Generalmente, il fascio di luce emesso è a infrarossi per non confonderlo con altre fonti di luce ambientale.

Tra i più comuni sensori ottici di prossimità troviamo le fotocellule, o fotorivelatori, che si differenziano a seconda della posizione dell’oggetto da rilevare rispetto a emettitore e ricevitore: in mezzo (sistema a barriera), di fronte (sistema a catarifrangente), orientata verso il ricevitore (sistema a riflessione diretta). In casi particolari, per trasportare la luce dall’emettitore al ricevitore, al posto dei componenti fotoelettrici classici si utilizza la fibra ottica.

Come scegliere un sensore di prossimità e perché

Prima di scegliere un sensore di prossimità, è consigliabile riflettere sia sulle caratteristiche dell’oggetto da rilevare/misurare, come ad esempio la forma, lo stato, il materiale, sia sulla distanza tra il sensore e l’oggetto.

I sensori di prossimità induttivi rilevano a una distanza fino a 80 millimetri, non si usurano facilmente, sono particolarmente resistenti agli urti, alle vibrazioni e alla polvere, oltre ad avere una frequenza di commutazione sufficiente a monitorare il passaggio rapido di oggetti anche in rotazione. Sono quindi indicati per distanze di misurazione brevi e per il controllo di linee di produzione in ambienti industriali su oggetti esclusivamente ferromagnetici e metallici.

I sensori di prossimità capacitivi hanno una portata ancora minore, fino a 60 millimetri, ma un costo leggermente superiore, perché sono in grado di rilevare qualsiasi tipo di oggetti, non solo ferromagnetici. Non si usurano facilmente e sono immuni a disturbi elettromagnetici ma non sono adatti ad ambienti umidi o dai vapori densi, condizioni alle quali sono particolarmente sensibili. Sono quindi indicati per rilevazioni a distanze molto brevi e, nell’industria, per il rilevamento a poca distanza del livello di liquidi nei contenitori.

I sensori di prossimità magnetici hanno una portata leggermente superiore rispetto agli induttivi e ai capacitivi, fino a 100 millimetri: la portata dipende dalla potenza del campo generato dal magnete, quindi dalla sua grandezza. I più economici sensori di prossimità non si usurano e non sono sensibili alle vibrazioni. Sono indicati per la rilevazione di oggetti esclusivamente magnetici o magnetizzati in ambienti anche industriali ma lontano da fonti elettromagnetiche come motori o linee di alimentazione.

I sensori di prossimità a ultrasuoni arrivano fino a 15 metri di portata. Dal costo elevato, possono rilevare oggetti di qualsiasi materiale e forma tranne i fonoassorbenti. Il loro tempo di risposta dipende dalla velocità di propagazione del suono nell’aria. Sono indicati per la rilevazione di oggetti in ambienti non sottoposti a sbalzi di temperatura e correnti d’aria.

I sensori di prossimità ottici o fotoelettrici rilevano oggetti fino a 200 metri, compresi i materiali trasparenti. Dal costo medio-alto, non sono indicati per ambienti polverosi o in cui non sia possibile mantenere uno standard di pulizia elevato.

Esempi e ambiti applicativi dei sensori di prossimità

I sensori di prossimità vengono utilizzati per misurazioni accurate, tempestive e in tempo reale, che aiutano a ottimizzare processi e risorse. Sensori di prossimità inseriti in sistemi Industrial IoT consentono di aumentare la sicurezza, evitare sprechi, costruire database di misurazioni utili a prendere decisioni.

I sensori di prossimità induttivi per la loro resistenza sono usati nelle macchine utensili, nelle linee di assemblaggio, per il rilevamento di oggetti ferromagnetici in condizioni difficili, per il monitoraggio dello scorrimento di oggetti ferromagnetici sulle linee di produzione, per il rilevamento della presenza dei sigilli nel packaging o per la misurazione dello spessore delle bobine in movimento.

I sensori di prossimità capacitivi sono particolarmente utilizzati nelle tarature, nella misurazione e nel monitoraggio del riempimento di fluidi nei contenitori, quindi negli impianti di confezionamento nonché nelle fasi finali di controllo dei processi di imballaggio.

I sensori di prossimità magnetici vengono utilizzati per la sicurezza degli impianti, inseriti in dispositivi anti-infrazione o per le rilevazioni in ambienti difficili, grazie all’immunità a polvere, calore e vibrazioni.

I sensori di prossimità a ultrasuoni sono usati per le rilevazioni di oggetti trasparenti a lunga distanza, per la misurazione del livello di liquidi e granulati nei contenitori, per il monitoraggio del flusso dei nastri trasportatori degli impianti, per la rilevazione delle anomalie nelle vasche di alimentazione o nell’assemblaggio delle componenti automobilistiche, oltre che inseriti come sensori di parcheggio.

I sensori di prossimità ottici o fotoelettrici per la loro significativa portata vengono usati in tutte le situazioni in cui sia necessario rilevare la presenza di persone, veicoli o animali: dalla movimentazione al trasporto, dalla robotica al settore edile, a qualsiasi impianto che necessiti di sensori per la rilevazione dei pezzi prodotti.

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